Diseño de generadores Síncronos

DISEÑO DE GENERADORES SINCRONOS

Universidad Politécnica SalesianaDiego Marín

Pablo GalarzaAndrés Aucay

Facultad de Ingeniería Eléctrica

1 INTRODUCCIÓN

Los generadores síncronos o alternadores son un tipo de máquina eléctrica rotativa capaz de transformar energía mecánica en energía eléctrica. También conocidos como Máquinas Síncronas, la razón por la que se les llama generador síncrono es por la  igualdad existente entre la frecuencia eléctrica como la frecuencia angular es decir el generador girara a la velocidad del campo magnético a esta igualdad de frecuencias se le denomina sincronismo.. Los generadores se construyen de diferentes modos para satisfacer diferentes cargas y necesidades del cliente. Constan fundamentalmente del rotor y el estator, ambos con devanados. Las necesidades del proceso a realizar determinaran cambios en los tipos de conexión, procesos de producción y accesorios.

2. MARCO TEORICO

2. 1 CONSTRUCCION DE GENERADORES SINCRONOS

En un generador síncrono se aplica una corriente dc al devanado del rotor, la cual produce un campo magnético. Entonces el rotor del generador gira mediante un motor primario y produce un campo magnético rotacional dentro de la máquina. Este campo magnético rotacional induce un grupo trifásico de voltajes en los devanados del estator del generador.

En general, el término devanados de campo se aplica a los devanados que producen el campo

magnético principal en la máquina, y el término devanados de armadura se aplica a los devanados donde se induce el voltaje principal.

En esencia el rotor de un generador síncrono es un gran electroimán.

Los rotores de polos no salientes se utilizan en rotores de dos y cuatro polos, mientras que los rotores de polos salientes se utilizan en rotores de cuatro o más polos.

Figura 1

Figura 2

Diseño de generadores Síncronos

Figura 3

Se debe suministrar una corriente dc al circuito de campo del rotor.

- Suministrar la potencia dc desde una fuente dc externa al rotor por medio de anillos rozantes y escobillas.

- Suministrar la potencia dc desde una fuente dc especial montada directamente en el eje del generador síncrono.

Los anillos rozantes son anillos metálicos que circundan el eje de la máquina pero se encuentran aislados de él.

Una escobilla es un bloque de un compuesto de carbón grafitado que conduce la electricidad libremente y tiene muy baja fricción para no desgastarse con el anillo rozante.En generadores y motores grandes, se utilizan excitadores (o excitatrices) sin escobillas para suministrar la corriente de campo dc a la máquina.

Muchos generadores síncronos que incluyen excitadores sin escobillas tienen también anillos rozantes y escobillas, de manera que disponen de una fuente auxiliar de corriente dc de campo en caso de emergencia.

CURVA DE SATURACIÓN SIN CARGA Y SU CIRCUITO EQUIVALENTE.

Los generadores se impulsan a una velocidad nominal constante mediante una potencia motriz exterior y en los conectores de la Y de salida se mide el voltaje inducido sin carga.

El voltaje inducido varía a medida que modifico la corriente directa de excitación del generador.

La curva de saturación sin carga la obtengo de graficar en el eje vertical el voltaje inducido y en el eje horizontal la corriente de excitación.

La curva inicialmente es muy lineal y presenta un codo antes de llegar al área de saturación.

Figura 4

El circuito monofásico equivalente de un Generador Síncrono viene representado en la siguiente figura:

Figura 5

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:

- La tensión E∅ producido gracias al flujo que se genera al circular la corriente de campo por su respectivo circuito.

- La resistencia de armadura Ra

- La reactancia síncrona Xs

TIPOS DE CONSTRUCCION.

Diseño de generadores Síncronos

La principal diferencia entre los diferentes tipos de generadores síncronos, se encuentra en su sistema de alimentación en continua para la fuente de excitación situada en el rotor.

Excitación Independiente:

Consta de una excitatriz independiente de 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). El arranque se efectúa utilizando una fuente auxiliar (batería) hasta conseguir arrancar.

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 (que constituyen la excitatriz piloto de alterna).

Excitación estática:

También llamada excitación por transformador de compoundaje, 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. El transformador, de tipo especial, posee dos devanados primarios, llamados de tensión e intensidad, que se conectan en paralelo y en serie a los bornes de salida del estator. El transformador convierte la tensión de salida a una más baja (30V aprox), que se rectifica y aplica al rotor por medio de escobillas y anillos deslizantes. Es un sistema con autorregulación intrinseca, ya que al tener el

bobinado serie, al aumentar el consumo sobre el generador, aumenta el flujo del transformador y por lo tanto aumenta la excitación del generador.

TIPOS DE DISEÑOS

A continuación vamos a enumerar cuales son los tipos de diseños que se encuentran en la construcción de generadores síncronos.

Estos son:

- De polos salientes en el estator- De polos salientes en el motor- Generador sin escobillas

Ahora vamos a proceder a analizar cada uno de estos, recalcando la utilidad y aplicación de cada uno de estos diseños.

GENERADOR SINCRONO CON POLOS SALIENTES EN EL ESTATOR

Figura 6

La particularidad de este tipo de generador es que tiene el inducido en el rotor, esta configuración es propia de máquinas de baja y media velocidad y potencia, hasta 1000 rpm.

Por tal razón para poder sacar la tensión producida, necesitamos de un sistema de colector de anillos. El número de anillos a utilizar va a depender directamente del número de fases con la que nos encontremos trabajando.

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GENERADOR SINCRONO CON POLOS SALIENTES EN EL ROTOR

Este generador a diferencia del anterior tiene el inducido en el estator, por tal razón no necesitamos un mecanismo de colector de anillos para extraer la tensión generada ya que esta va a encontrarse en la parte externa de la máquina, necesitaríamos únicamente un par de anillos, con la finalidad de ingresar el voltaje de campo, pero esto es de gran ayuda ya que el voltaje de campo es considerablemente más pequeño que la tensión generada, por tal razón este par de anillos van hacer de medidas pequeñas, y así mismo las escobillas no tendrían un tamaño mayor.

Se utiliza este tipo de generadores, para gran potencia, por la versatilidad que nos brinda.

Figura 7

GENERADOR SINCRONO SIN ESCOBILLAS

Figura 8

Este tipo de generadores son de mediana potencia, para la excitación podríamos tener un banco de baterías que sería de respaldo, la excitatriz podría ser un alternador que analizamos en el diseño uno, es decir un generador síncrono con polos salientes

en el estator, luego de esta etapa, sale a una placa electrónica en donde por medio de dispositivos electrónicos, se envía al circuito de excitación del generador principal. Para realizar reparaciones en este tipo de generadores, es necesario saber sobre dispositivos electrónicos, y centrarse en el controlador.

2.2 PARTES CONSTRUCTIVAS DE LAS MÁQUINAS SÍNCRONAS (UNA BREVE EXPLICACIÓN CON AYUDA DE GRÁFICOS)

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 decampo", 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 y la intensidad de la corriente soportada por ese enrollamiento es mucho más pequeño que el enrollamiento del estator, además de eso el rotor puede contener dos o más enrollamientos, siempre en número par y todos conectados en serie siendo que cada enrollamiento será responsable por la producción de uno de los polos del electroimán.

1. Núcleo magnético del rotor (polos inductores)

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2. Órganos sustentadores del núcleo magnético al cuerpo delo rotor (cuñas y bridas de fijación)

3. Órganos conductores de la corriente de excitación, es decir, arrollamientos de los polos inductores y su aislamiento.

4. Sujeción de los arrollamientos de los polos inductores a estos, por medio de los zinchos y de bridas de sujeción.

5. Anillos colectores con sus escobillas, que recogen la corriente de excitación procedente de la excitatriz y la conducen a los arrollamientos de los polos inductores.}

6. Canales de ventilación, dispuestos longitudinalmente sobre los polos inductores.

7. Eje común para alternador y la excitatriz

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 materialferromagnético 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.

Por el estator circula toda la energía eléctrica generada, siendo que tanto la tensión en cuanto a corriente eléctrica que circulan son bastante elevadas en relación al campo, que tiene como función sólo producir un campo magnético para "excitar" la máquina de forma que fuera posible la inducción de tensiones en las terminales de los enrollamientos del estator.

La máquina síncrona está compuesta básicamente de una parte activa fija que se conoce como inducido o ESTATOR y de una parte giratoria coaxial que se conoce como inductor o ROTOR. El espacio comprendido entre el rotor y el estator, es conocido como entrehierro.

8. Núcleo magnético del estator}

9. Órganos sustentadores del núcleo magnético del estator (carcasa, anillos de sujeción del núcleo y pernos de fijación para anillos de sujeción)

10. Arrollamiento del estator con sus aislamientos

11. Órganos de sustentación del arrollamiento del estator (bridas y zinchos de sujeción)

12. Caja de bornes

13. Canales de ventilación, dispuestos transversalmente sobre el núcleo magnético del estator.

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

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siempre gira a la misma velocidad independientemente de que carga este produciendo (se mide en megawatts) no en voltaje, como los requerimientos de carga (consumo de la energía producida) 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.

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, como elementos reguladores que son, sus funciones, aunque relacionadas, están perfectamente delimitadas.

Según lo manifestado hasta el momento, 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.

Como dato significativo diremos que si dispusiésemos de un motor Diesel sobre el cual no actuase ningún regulador de velocidad, se fragmentaría en pedazos, en el instante que quedase bruscamente sin carga.

Tipo de generadores de síncronos

Como ya lo había mencionado anteriormente el principio de funcionamiento del generador síncrono es el mismo, lo que cambia es la forma de construcción de los mismos, los tipos se explican a continuación

Polos salientes en el rotor

Este tipo de generador se caracteriza por rotor presenta expansiones polares que dan lugar a un entrehierro variable, además un punto importante que lo identifica es que cuentan con 2 anillos los cuales alimentan el debando de excitación

Se usan cuando la velocidad de giro no es muy elevada

}

polos salientes en el estator

El estator está constituido principalmente de un conjunto de láminas थ acero al silicio (y se les llama "paquete"), que tienen la habilidad de permitir que pase a través de ellas el flujo magnético con facilidad; la parte metálica del estator y los devanados proveen los polos magnéticos.

En este tipo de maquinas el numero de anillos depende de las fases para la cual fue diseñada la maquina

Carcasa del Estator

La carcasa del estator está formada por bobinas de campo arrollados sin dirección, soportadas en piezas de polo sólidas. Las bobinas están ventiladas en su extremo para proporcionar de esta forma una amplia ventilación y márgenes de elevación de temperatura.

La carcasa del estator es encapsulada por una cubierta apropiada para proporcionar blindado y deflectores de aire para una correcta ventilación de la excitatriz sin escobillas.

Armadura

La armadura consiste de un núcleo laminado soportado por una armazón con un arrollamiento trifásico. Fueron realizadas adaptaciones en la armazón para el montaje de la armadura en el eje del generador y para el montaje del convertidor en la armadura.

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El núcleo laminado está compuesto por láminas de acero magnético de alta calidad

El arrollamiento de la armadura es formado por bobinas de campo arrolladas sin dirección

Polos lisos (rotor cilíndrico)

El devanado de campo está distribuido en varias bobinas situadas en diferentes ángulos. Su uso principalmente radica cuando el rotor gira a gran velocidad

Anillos Rozantes.- Estos anillos también denominados deslizantes son elementos que están colocados en la flecha y conectan el devanado inductor con el sistema de excitación, mediante las escobillas y porta escobillas. Son por lo general construidos de bronce o cobre, siendo dos piezas completas y robustas, puesto que deben resistir los esfuerzos debidos a la fuerza centrífuga de rotación a que están expuestos.

Escobillas y porta escobillas.- Piezas estacionarias que establecen el contacto de los anillos rozantes con el sistema de excitación, comunicando a estos finalmente con el devanado inductor. Los porta escobillas sujetan y presionan las escobillas sobre los anillos rozantes, periten el enlace de la electricidad adecuada.

Devanado Amortuguador.- Arrollamiento dispuesto en jaula de ardilla, formado por barras conductoras de cobre, esta colocado en ranuras taladradas, en las zapatas y exactamente sobre las caras polares.

2.3 SEMEJANZAS Y DIFERENCIAS ENTRE LOS GENERADORES C.D. Y GENERADORES C.A.

Diferencias

GENERADORES EN CALa corriente se invierte periódicamenteEl Generador de Corriente Alterna es 'directo', cada escobilla capta a un borne de la bobina del rotorcada vuelta que da el alternador genera 1 ciclo de alternalos generadores de c-a no pueden generalmente clasificarse de la misma manera, ya que la potencia consumida en un circuito de c-a depende del factor de potencia del circuitolos generadores de c-a no deben clasificarse según la máxima potencia de' consumo permisible de la carga, sino de acuerdo con la potencia aparente máximaEl generador eléctrico de corriente alterna puede manejar altas potencias.El generador de corriente continua no requiere ningún tipo de mecanismo para proporcionar una salida en ACCA generación utiliza anillos colectores y escobillas (hay diseños sin escobillas también)Lo que se suele llamar un generador de corriente alterna es en realidad un alternadorEn un alternador, la parte giratoria es la bobina de campo, que es alimentado con corriente continua para producir un campo magnético giratorioEl generador ac genera corrientre alterna a partir del movimiento mecánico, pero utilizando el mismo principio.No genera tantas perdidas de energíaEl voltaje inducido se trasmite directamente a la carga, a través de anillos rozantesLa armadura se mantiene fija y el campo giraSu salida de voltaje es mucho mayorLa fuente de voltaje de excitación para el devanado de campo necesariamente tienes que estar con una fuente separadaLa regulación de voltaje es inestableEl voltaje de salida es sensible a los cambios de factor de potencia de la cargala regulación no es muy factible debido a que deben ser excitados separadamente

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GENERADORES EN CCLa corriente circula siempre en el mismo sentidoEl dinamo de continua es mucho más complicado, porque tiene que realizar una conmutación.el dinamo tiene que conmutar cada media vuelta para invertir la polaridad.Todo generador de c-c tiene una clasificación de potencia, expresada normalmente en kilowatts, que indica la máxima potencia que puede ser constantemente alimentada por el generador.Todo generador de c-c tiene una clasificación de potencia, expresada normalmente en kilowatts, que indica la máxima potencia que puede ser constantemente alimentada por el generador.El generador eléctrico de corriente continua o dinamos estántotalmente descartados para máquinas de alta potencia, ya que sólo se pueden conectar a lared eléctrica mediante convertidores electrónicos que conviertan la corriente continua aalternael generador de corriente continua requiere un mecanismo para proporcionar una salida de CCDC generación utiliza un conmutador y los cepillos.Lo que solemos llamar un generador de cd es realmente una dinamo.Un generador de corriente continua, al igual que los que se encuentran en los automóviles muy viejos, es lo contrario - las bobinas de campo son fijos, y girar las bobinas de salida (la armadura).El generador dc genera corriente continua (directa) a partir del movimiento utilizando la inducción generada entre un bobinado y un imán (permanente o electromagnetico).Genera mayores pérdidas de energía.El conmutador convierte la corriente alterna inducida en corriente continua antes de que esta sea aplicada a la cargaEl campo es estacionario y su armadura giraLa salida de voltaje es limitada e inferior a un generador ACLa fuente de voltaje de excitación para el devanado de campo pueden constar de una fuente de excitación externa y separada o bien obtener el voltaje necesario de directamente de

su propia salidaLa regulación de voltaje son inherentemente mas establesLa salida de voltaje es sensible pero no en el cambio de facto de potencia de la cargaEs posible tener un buen grado de autorregulación usando un devanado de armadura combinado

Semejanzas

Ambos tienen el mismo fin de funcionamiento, generar voltaje a partir de una fuerza inducida.

Tanto los generadores en DC como los generadores en AC están basados en el principio “Si un conductor se mueve a través de un campo magnético, o si está situado en las proximidades de un circuito de conducción fijo cuya intensidad puede variar, se establece o se induce una corriente en el conductor.” Que a su vez genero la siguiente conclusión “Si una corriente pasaba a través de un conductor dentro de un campo magnético, éste ejercía una fuerza mecánica sobre el conductor.”

Una semejanza también es que ambos son capaces de mantener una diferencia de potencial eléctrico entre dos de sus puntos.

Ambos generadores pueden ser utilizados para generar corriente continua, mediante ajustes.

En los dos tipos es su fuerza electromotriz (F.E.M.), simbolizada por la letra griega epsilon (ε), y definida como el trabajo que el generador realiza para pasar la unidad de carga positiva del polo negativo al positivo por el interior del generador.

La F.E.M. (ε) se mide en voltios y en el caso del circuito de la Figura 2, sería igual a la tensión E, mientras que la diferencia de potencial entre los puntos a y b, Va-b, es dependiente de la carga Rc.

Son máquinas electrostáticas.

3 CONCLUSIONES

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Como conclusión se puede expresar es que para que un sistema síncrono hay que aplicar una corriente dc al devanado del rotor.

También nos damos cuenta que la cualidad de los generadores síncronos es que la frecuencia y la velocidad son dependientes

Y por últimos tomamos en cuenta que se realizan diferentes diseños de estos generadores, dependiendo de las potencias que manejemos.

4 BIBLIOGRAFIA

[1] Chapman Stephen, Máquinas Eléctricas 3ra edición Cap. 5.

[2] Autor. Carlos Ariagada, Ano: 2003 Tema: Maquinas Síncronas, https://docs.google.com/viewer?url=http%3A%2F%2Fwww.fing.uncu.edu.ar%2Fcatedras%2Felectrotecnia%2Farchivos%2FApuntes%2Fmaquinas_sincronas%2Fmaq_sincronas1.pdf