PRINCIPIO Y FUNCIONAMIENTO DE LAS MAQUINAS DE CORRIENTE

ALTERNA GENERADORES SINCRONOS

INTRODUCCIÓN

Un generador eléctrico es todo dispositivo capaz de mantener una diferencia de potencial eléctrico entre dos de sus puntos, llamados polos, terminales o bornes. Los generadores eléctricos son máquinas destinadas a transformar la energía mecánica en eléctrica. Esta transformación se consigue por la acción de un campo magnético sobre los conductores eléctricos dispuestos sobre una armadura (denominada también estator). Si mecánicamente se produce un movimiento relativo entre los conductores y el campo, se generara una fuerza electromotriz (F.E.M.).

- El generador síncrono o también llamado alternador es un tipo de máquina eléctrica rotativa capaz de transformar energía mecánica en energía eléctrica. - Los GS funcionan bajo el principio de que en un conductor sometido a un campo magnético variable crea una tensión eléctrica inducida cuya polaridad depende del sentido del campo y su valor del flujo que lo atraviesa.- La razón por la que se llama generador síncrono es la igualdad entre la frecuencia eléctrica como la frecuencia angular.- Esta máquina funciona alimentando al rotor o circuito de campo por medio de una batería es decir por este devanado fluirá CC. mientras q en el estator o circuito de armadura la corriente es alterna CA.

DEFINICION

El principio de funcionamiento de un G.S se basa en la ley de Faraday. Para crear tensión inducida en el circuito de armadura, debemos crear un campo magnético en el rotor o circuito de campo, esto lo lograremos alimentado el rotor con una batería, este campo magnético inducirá una tensión en el devanado de armadura por lo que tendremos una corriente alterna fluyendo a través de el.

Es necesario que el enrollamiento de campo localizado en el rotor de la máquina sea alimentado por una fuente de tensión continua de forma que al girar el campo magnético generado por los polos del rotor tengan un movimiento relativo a los conductores de los enrollamientos del estator.

Debido a ese movimiento relativo entre el campo magnético de los polos del rotor, la intensidad del campo magnético que atraviesa los enrollamientos del estator irá a variar el tiempo, y así tendremos por la ley de Faraday una inducción de tensiones en las terminales de los enrollamientos del estator.

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO:

Debido a distribución y disposición espacial del conjunto de enrollamientos del estator, las tensiones inducidas en sus terminales serán alternas senoidales trifásicas.

OPERACIÓN DE UN GENERADOR SÍNCRONO

Si empieza a forzar el imán para que gire descubrirá que trabaja como generador, devolviendo corriente alterna a la red. Cuanta más fuerza (par torsor) le aplique, mayor electricidad producirá, aunque el generador seguirá girando a la misma velocidad, impuesta por la frecuencia de la red eléctrica.

Puede desconectar completamente el generador de la red y construir su propia red eléctrica trifásica, enganchando bombillas a tres bobinas arrolladas a electroimanes. Sin embargo, si desconecta su generador de la red principal tendrá que accionarlo a una velocidad de giro constante para que produzca corriente alterna a una frecuencia constante.

PARTES DE UN GENERADOR SINCRONO

a) Rotor o Campo del Generador Síncrono:Es la parte de la máquina que realiza el movimiento rotatorio, constituido de un material envuelto en un enrollamiento llamado de "enrollamiento de campo", que tiene como función producir un campo magnético constante así como en el caso del generador de corriente continua para interactuar con el campo producido por el enrollamiento del estator. La tensión aplicada en ese enrollamiento es continua.

b) Estator o Armadura:Parte fija de la máquina, montada envuelta del rotor de forma que el mismo pueda girar en su interior, también constituido de un material ferromagnético envuelto en un conjunto de enrollamientos distribuidos al largo de su circunferencia. Los enrollamientos del estator son alimentados por un sistema de tensiones alternadas trifásicas.

c) Regulador de Tensión (Avr):

El regulador automático de voltaje, proporciona una extinción al rotor, el rotor debe tener un campo magnético constante en cuanto a la dirección de sus líneas magnéticas (no en cuanto a intensidad del campo) y este se logra excitándolo con corriente directa (alterna rectificada) la corriente alterna generada por el generador, debe ser de una frecuencia constante 60hz; y para eso el rotor siempre gira a la misma velocidad independientemente de que carga este produciendo no en voltaje, como los requerimientos de carga son variables, la generación de megawatts es variable a frecuencia y voltaje constante, si no tienes un regulador automático de voltaje (llamado AVR en ingles) esto no se puede lograr.

d) Regulador de Velocidad (Ras):

No hemos de confundir estos dispositivos con los reguladores de tensión de los alternadores, pues si bien actúan al unísono sobre el grupo.Deducimos que todo regulador de velocidad es el mecanismo, de distinta índole, destinado a conseguir, en cualquier circunstancia, el equilibrio de los trabajos motor y resistente presentes en una turbina, manteniendo, sensiblemente constante, la velocidad de sincronismo del grupo ante todas las cargas solicitadas, protegiéndole, además, contra velocidades excesivas que pudieran surgir.

TIPOS DE EXCITACIÓN:

Excitación independiente: Excitatriz independiente de corriente continua que alimenta el rotor a través de un juego de anillos rozantes y escobillas.

Excitatriz principal y excitatriz piloto: la máquina principal de continua tiene como bobinado de campo otra máquina de excitación independiente, accionada por el mismo eje.

Electrónica de potencia: directamente, desde la salida trifásica del generador, se rectifica la señal mediante un rectificador controlado, y desde el mismo se alimenta directamente en continua el rotor mediante un juego de contactores (anillos y escobillas).

Sin escobillas o diodos giratorios: la fuente de continua es un rectificador no controlado situado en el mismo rotor (dentro del mismo) alimentado en alterna por un generador situado también en el mismo eje y cuyo bobinado de campo es excitado desde un rectificador controlado que rectifica la señal generada por el giro de unos imanes permanentes situados en el mismo rotor

Excitación estatica: consiste en que el devanado de campo del rotor es alimentado desde una fuente de alimentación a transformador y rectificadores que toma la tensión y corriente de salida del estator.

CIRCUITO EQUIVALENTE MONOFASICO DE UN GENERADOR SINCRONO

De este circuito, solo nos centraremos en el circuito de armadura, en la cual se tienen tres cantidades que son fundamentales en el comportamiento del GS, las cuales son:

A) Prueba de Resistencia de Armadura:Esta prueba consiste en hacer uso de una fuente de corriente continua en cada fase de la armadura, aplicando el método del Voltio-Amperimétrico, como se muestra en la figura:

Cabe mencionar que si la prueba se realiza con corriente continua, el valor de la resistencia obtenida debe ser ajustada, en primer lugar por temperatura (a temperatura de trabajo), y posteriormente por efecto skin, para finalmente obtener el valor de la resistencia n corriente alterna.

B) Prueba de Vacío:

Esta prueba consiste, como dice su nombre, en colocar el Generador en vacío, es decir sin carga alguna en sus bornes, haciéndola girar a su velocidad nominal y con corriente de campo igual a cero.

Al ir aumentando gradualmente el valor de la corriente de campo, se obtienen diversos valores de  y ya que la corriente que circula por la armadura siempre será cero  debido que se encuentra en vacío, se obtendrá que 

Gracias a ésta prueba, con los valores obtenidos, se puede formar "La curva de Características de Vacío"  que permite encontrar la tensión interna generada por una corriente de campo dada.

C) Prueba de Cortocircuito:

Finalmente se tiene la prueba de cortocircuito, el cual consiste en llevar nuevamente la corriente de campo a cero, para luego cortocircuitar los bornes del generador y proseguir a ir incrementando la corriente de campo, obteniéndose la siguiente gráfica.

d) Otras Pruebas:

Como complemento, es dable decir que a los GS se les debe someter a otras pruebas, entre las cuales tenemos:Prueba de Aislamiento: Mide el aislamiento entre las bobinas y, entre las bobinas y la carcaza.Prueba de Calentamiento: Mide la temperatura de trabajo del generador a plena carga.Pruebas bajo Carga Resistiva, Inductiva, Capacitiva y Mixta.

OPERACIÓN EN PARALELO

Condiciones requeridas Voltajes iguales Frecuencias iguales Secuencias de fase

VOLTAJES IGUALES

Si los voltajes de los generadores no son exactamente iguales, habrá un flujo de corriente muy grande cuando se cierre el interruptor. Para evitar este problema, cada una de las tres fases debe tener exactamente la misma magnitud de voltaje y ángulo de fase que el conductor al que se conectara.

En otras palabras, el voltaje de fase a debe ser exactamente igual al voltaje en la fase a" y así en forma sucesiva para las fases b-b` y c-c`.

Y también hay que asegurarse de ser iguales los voltajes de línea rms.

FRECUENCIAS IGUALES

Las frecuencias de los 2 o más generadores al igual que los voltajes deben ser las mismas ya que se ocasionarían graves problemasLa primera grafica tiene 60 HZ y un voltaje fase de 120v

SECUENCIAS DE FASE

Los dos generadores deben tener la la misma secuancia de fase

VOLTAJE INTERNO GENERADO POR UN GENERADOR SÍNCRONO

La magnitud del voltaje inducido en un estator está dado por:

Donde: Nc: número de vueltas de cada devanado

ω: frecuencia angularφ: magnitud del flujoK: constante que representa la construcción del

generador expresado en radianes eléctricos por segundo. K=Nc/√2

La ecuacion: provienes del voltaje inducido en el estator de una maquina sencilla formada por un gran campo magnetico estacionario que produce un campo magnetico constante uniforme, y una espira de alambre conductor que rota dentro de este campo. La parte rotante de esta maquina se llama rotor, la parte estacionaria de la maquina se denomina estator.

Procedimiento general para conectar generador en paralelo:

Primero: utilizando voltímetros se debe ajustar la corriente de campo del generador en aproximación hasta que su voltaje en los terminales sea igual al voltaje en línea del sistema en operación.Segundo, la secuencia de fase del generador en aproximación se debe comparar con la secuencia de fase del sistema en operación.Existen muchas forma de comprobar esto una de ellas es conectar alternativamente un pequeño motor de inducción a los terminales de cada uno de los dos generadores. Si el motor gira en la misma dirección en ambas ocasiones, entonces, entonces la secuencia de fase es la misma en ambos generadores. Si el motor gira en direcciones opuestas, entonces las secuencias de fase son diferentes y se deben invertir dos de los conductores del generador en aproximación.Otra manera simple es el método de las tres lámparas incandescentes.

Aplicaciones

HIDROELÉCTRICAS:LAS TURBINAS SON MOVIDAS POR EL AGUA QUE CAE POR UN DESNIVEL. LA ENERGÍA PRIMARIA ES ENERGÍA MECÁNICA (ENERGÍA POTENCIAL DEL AGUA).

TÉRMICASLAS TURBINAS SON MOVIDAS POR VAPOR. EL CALOR NECESARIO PARA OBTENER VAPOR PROCEDE DE LA COMBUSTIÓN DE MATERIALES FÓSILES, COMO CARBÓN, PETRÓLEO O GAS NATURAL.

NUCLEARESLAS TURBINAS SON MOVIDAS POR VAPOR, QUE SE OBTIENE DE LA FISIÓN NUCLEAR EN UN REACTOR.

ENERGÍA EÓLICAPARA OBTENER ELECTRICIDAD, EL MOVIMIENTO DE LAS ASPAS O PALETAS ACCIONA UN GENERADOR ELÉCTRICO

(UN ALTERNADOR ) QUE CONVIERTE LA ENERGÍA MECÁNICA DE LA ROTACIÓN EN ENERGÍA ELÉCTRICA.

ENERGÍA MAREOMOTRIZSE PRODUCE GRACIAS AL MOVIMIENTO GENERADO POR LAS MAREAS, ESTA ENERGÍA ES APROVECHADA POR TURBINAS, LAS CUALES A SU VEZ MUEVEN LA MECÁNICA DE UN ALTERNADOR QUE GENERA ENERGÍA ELÉCTRICA,  FINALMENTE ESTE ÚLTIMO ESTA CONECTADO CON UNA CENTRAL EN TIERRA QUE DISTRIBUYE LA ENERGÍA HACIA LA COMUNIDAD Y LAS INDUSTRIAS.

ALTERNADOR DE AUTOMÓVILEL GENERADOR ES EL ENCARGADO DE PRODUCIR LA ELECTRICIDAD PARA EL CONSUMO DEL AUTOMÓVIL Y PARA REPONER LAS PÉRDIDAS DE CARGA EN LOS ACUMULADORES.

ENERGÍA GEOTÉRMICACONSTA DE UNA PERFORACIÓN PRACTICADA A GRAN PROFUNDIDAD SOBRE LA CORTEZA TERRESTRE (UNOS 5 KM) Y EN LA CUAL SE HAN INTRODUCIDO DOS TUBOS EN CIRCUITO CERRADO EN CONTACTO DIRECTO CON LA FUENTE DE CALOR. DESDE LA SUPERFICIE SE INYECTA AGUA FRÍA A TRAVÉS DE UNO DE LOS EXTREMOS DEL TUBO, LA CUAL SE CALIENTA AL LLEGAR AL FONDO FORMANDO VAPOR DE AGUA Y REGRESANDO A CHORRO A LA SUPERFICIE A TRAVÉS DEL OTRO TUBO. EN EL EXTREMO DE ÉSTE ESTÁ ACOPLADA UNA TURBINA-GENERADOR QUE SUMINISTRA LA ENERGÍA ELÉCTRICA PARA SU DISTRIBUCIÓN.

GRACIAS POR SU ATENCION