Conexión
del generador en circuito abierto (sin carga)
Inicialmente se tiene el alternador alimentado
por una corriente de excitación, Iexc, que produce la f.m.m. del
campo de excitación en el rotor.
Al hacer girar el rotor en vacío a una velocidad
n constante, movido por el motor primario, se genera una f.e.m. en cada bobina
del estátor constituyéndose un sistema trifásico, de frecuencia f = p · n / 120
y de valor eficaz por fase (entre fase y neutro) dado por:
E0 = ER = tensión inducida
en vacío por el rotor al girar.
Nf
= Espiras por fase.
ΦP
= Flujo por polo.
p = Número de polos.
Kw = Constante.
La tensión de vacío del generador E0
depende del valor de la corriente de excitación Iexc.
Cuando empiece a aumentar la excitación Iexc
la tensión en circuito abierto E0 crecerá rápidamente.
Característica
en vacío de un generador
La forma de la curva característica en circuito
abierto es parecida a la de las curvas de magnetización de los materiales
ferromagnéticos.
Incluso para una intensidad de excitación nula Iexc
= 0 se inducirá una tensión debida al magnetismo remanente en el hierro.
Cuando empiece a aumentar la intensidad de
excitación Iexc la tensión en circuito abierto E0 crecerá
rápidamente, y cuando aquélla ya sea muy grande, los incrementos de la tensión
serán mucho menores a causa del efecto de saturación del circuito magnético del
rotor.
Conexión
de una carga que alimentar (Efecto de la reacción de inducido)
Al conectar una carga al alternador aparece una
corriente de salida en el inducido Ii.
Esta corriente Ii representa la intensidad de cada una de las 3 fases R, S, T
que están desfasadas en el tiempo 120º eléctricos y recorren devanados
desfasados 120º eléctricos en el espacio, dando lugar a la f.m.m. giratoria del
estátor JE de reacción de inducido, que gira en sincronismo con la
f.m.m del rotor JR.
Las dos f.m.m.s interaccionan (al girar a la
misma velocidad) y dan lugar a una f.m.m. resultante en el entrehierro de la
máquina Jres que es
giratoria con la velocidad de sincronismo.
Jres = JE + JR
Esta res
produce un flujo magnético giratorio resultante
Φres
= ΦE
+ ΦR,
que gira a velocidad síncrona. Este flujo resultante es el que induce la f.e.m.
resultante Eres sobre cada bobina del estátor (en cada fase), que
puede interpretarse como suma de dos tensiones, EE y ER,
obtenidas al derivar con respecto al tiempo los flujos respectivos y
multiplicar por el número de espiras por fase en el estátor.
Eres = EE + ER
Forma
de interpretar el efecto de la reacción de inducido
La reacción de inducido puede interpretarse como
una caída de tensión debida a la aparición de una corriente por el inducido.
Esta caída de tensión, respecto a la tensión que se tendría en vacío, ER,
es precisamente el valor de la tensión inducida en el estátor, EE.
Debido a sus devanados, el estátor es inductivo y
la tensión EE permanece en un ángulo de 90º respecto a la corriente
del inducido, siendo proporcional a ella. Puede representarse esta
proporcionalidad por una reactancia X, en la forma:
EE = - j · X · Ii (forma de evaluar la reacción de inducido)
Así la tensión resultante en bornes de las
bobinas del estátor de la máquina diferirá de la tensión en vacío por efecto de
la reacción de inducido según:
E0 = ER (sin carga)
Eres = ER + EE
= E0 + EE = E0 - j · X · Ii (conexión de la carga)
La tensión final en la salida del alternador será
la tensión resultante en el estátor Eres menos las caídas de tensión
por la resistencia y reactancia del devanado.
Conexión
de una carga que alimentar (Caída de tensión por la impedancia)
Al conectar una carga al alternador, la tensión
de salida en sus bornes, V, disminuye con respecto al valor en vacío. Esto es
debido a dos factores:
·
La reacción
de inducido, que da lugar a una Eres menor que la tensión en vacío E0:
Eres = E0 – j ·
X · lj
X: Reactancia equivalente para tener en cuenta la
caída de tensión por reacción de inducido.
·
La caída de
tensión por la impedancia asociada a los devanados:
Las caídas de tensión suelen asimilarse por una
resistencia RE y una reactancia XE asociada al devanado.
(1) Caída de tensión en la impedancia de los
devanadores
La caída de tensión en el circuito del inducido
se debe a la impedancia que presentan los arrollamientos de este devanado. Por
una parte existe la resistencia R del bobinado, que provoca una caída de
tensión muy pequeña (del 1 al 2% en los grandes generadores) y que en la
mayoría de los casos se suele despreciar. Se debe considerar también la
reactancia del inducido que se debe al flujo de dispersión del estátor que no
interacciona con el flujo del rotor. Este flujo es el que se desarrolla en las
cabezas de las bobinas y dentro de las ranuras donde se sitúa este devanado.
Este flujo de dispersión permite definir un coeficiente de autoinducción LE,
que multiplicado por la pulsación de la corriente, da lugar a la reactancia de
dispersión de estátor:
Cuadro
resumen
Circuito
equivalente del generador síncrono
El circuito equivalente del generador está dado
por fase. Las tres fases pueden conectarse en estrella (Y) o en triángulo (Δ).
Si se conectan en estrella la tensión por fase
será:
Si se conectan en triángulo la tensión por fase
será: VL = Vfase
¡Atención! en la conexión del devanado del
estátor.
Ecuación
que describe el comportamiento de un alternador
Circuito
equivalente trifásico del generador síncrono
Circuito equivalente completo de un
generador síncrono trifásico
Circuito equivalente trifásico en Y
Circuito equivalente trifásico en Δ
Balance
de Potencias
Leyenda de la figura:
(1) Pent = Potencia mecánica de entrada
Es la potencia en el eje del generador y que LE
es transmitida por el motor primario. El motor primario puede ser un motor diésel,
una turbina de vapor, una turbina de agua, etc., con la propiedad básica de que
su velocidad sea casi constante.
Pent = Γent · ω
(2) PMEC = Pérdidas mecánicas por
rozamiento y ventilación
Asociadas a la fricción de los cojinetes y a las
pérdidas en los ventiladores acoplados al eje.
(3) PCU,R = Pérdidas por efecto Joule
en el cobre del rotor
Pérdidas debidas al paso de la corriente de
excitación para crear el campo de excitación. Estas pérdidas se engloban en el
balance si la excitación se coge de la propia energía. Si proviene de una
fuente exterior o de imanes permanentes no se incluye.
PCU,R = 3 · RR ·
Iexc2
(4) PFE = Pérdidas magnéticas
Pérdidas en el circuito magnético de la máquina
por Foucault e histéresis.
(5) PCU,E = Pérdidas en el cobre del
estátor (inducido)
Pérdidas por efecto Joule en los conductores del
estator:
PCU,E = 3 · RE
· Ii2
(6) PINT = Potencia interna o
electromagnética o potencia en el entrehierro
Es la potencia transferida internamente de
mecánica a eléctrica:
(7) Psal = Potencia eléctrica de
salida del generador a la carga
Psal = 3 · V · Ii
· cos ϕ ; V = Tensión simple, entre fase y tierra
Psal = √3 · VL
· IL · cos ϕ ; VL = Tensión compuesta (entre fases) = √3 ·
V
cos ϕ = Factor de potencia del motor, que podrá
ser regulado mediante la intensidad de excitación.
Interpretación
de las pérdidas del generador mediante el circuito equivalente
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