GENERADOR CON CARGA, REACCION DE ARMADURA

INTRODUCCIÓN:

La generación, transmisión y distribución de energía eléctrica se efectúa a través de sistemas trifásicos de corriente alterna.Las ventajas que se obtienen en los sistemas trifásicos con respecto a los monofásicos son: • Ahorro de materiales en equipos, líneas de transmisión y distribución. • Generación de campos magnéticos rotantes (Principio de funcionamiento de los motores). • Potencia instantánea constante (Lo cual hace que los motores tengan una marcha más suave y silenciosa).

OBJETIVOS :

Analizar la regulación de tensión en generador síncrono debido a la reacción de armadura .

Establecer contacto preliminar con una máquina sincrónica para observar sus aspectos constructivos. Estableciendo diferencias con las máquinas de inducción.

Conocer el principio de funcionamiento del generador sincrónico o alternador.

MARCO TEORICO :

Principios de un generador trifásico (o motor)Todos los generadores trifásicos utilizan un campo magnético giratorio. En el dibujo de la izquierda hemos instalado tres electroimanes alrededor de un círculo. Cada uno de los tres imanes está conectado a su propia fase en la red eléctrica trifásica. Como puede ver, cada electroimán produce alternativamente un polo norte y un polo sur hacia el centro. Las letras están en negro cuando el magnetismo es fuerte, y en gris claro cuando es débil. La fluctuación en el magnetismo corresponde exactamente a la fluctuación en la tensión de cada fase. Cuando una de las fases alcanza su máximo, la corriente en las otras dos está circulando en sentido opuesto y a la mitad de tensión. Dado que la duración de la corriente en cada imán es un tercio de la de un ciclo aislado, el campo magnético dará una vuelta completa por ciclo.Operación de un motor síncronoLa aguja de la brújula (con el polo norte pintado de rojo) seguirá exactamente el campo magnético, y completará una revolución por ciclo. En una red de 50 Hz, la aguja completará 50 revoluciones por segundo, lo que equivale a 50 veces 60 = 3000 r.p.m. (revoluciones por minuto).En el dibujo de arriba, hemos construido de hecho lo que se llama motor síncrono bipolar de imán permanente. La razón por la que se llama motor

síncrono es que el imán del centro girará a una velocidad constante sincrona (girando exactamente como el ciclo) con la rotación del campo magnético.La razón por la que se le llama bipolar es que tiene un polo norte y un polo sur. Puede parecerle tripolar, pero de hecho la aguja de la brújula siente la tracción de la suma de los campos magnéticos que están alrededor de su propio campo magnético. Por tanto, si el imán de la parte superior es un polo sur fuerte, los dos imanes de la parte inferior equivaldrán a un polo norte fuerte.Se llama motor de imán permanente debido a que la aguja de la brújula del centro es un imán permanente, y no un electroimán (se podría fabricar un motor real sustituyendo la aguja de la brújula por un potente imán permanente, o un electroimán que mantenga su magnetismo gracias a una bobina, arrollada alrededor de un núcleo de hierro, alimentada con corriente continua).Al montaje con los tres electroimanes se le denomina estator del motor, porque es la parte del motor que permanece estática (en el mismo lugar). La aguja de la brújula del centro es el llamado rotor, obviamente porque es la parte que gira.Operación de un generador síncronoSi empieza a forzar el imán para que gire (en lugar de dejar que la corriente de red lo mueva) descubrirá que trabaja como generador, devolviendo corriente alterna a la red (debería tener un imán más potente para producir mucha electricidad). 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 (recuerde el principio de inducción eléctrica/magnética del manual de referencia de este sitio web). 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. Por lo tanto, con este tipo de generador, normalmente querrá usar una conexión indirecta a red del generador.En la práctica, los generadores síncronos de imán permanente no son muy usados. Hay varias razones para que así sea. Una ellas es que los imanes permanentes tienden a desmagnetizarse al trabajar en los potentes campos magnéticos en el interior de un generador. Otra de las razones es que estos potentes imanes (fabricados a partir de tierras raras, como el neodimio) son bastante caros, a pesar de que los precios han disminuido últimamente.

En la figura mostrada se observa un generador trifásico real

En esta grafico se detalla las partes del generador

El esquema elemental de un generador sincrónico trifásico es el mostrado en la figura

Pruebas en el laboratorio:

Procederemos a hacer las medidas y posteriormente las gráficas y así poder conocer el comportamiento del generador con carga para ello los parámetro a hallar serán las de impedancia (Z), tensión (Vt) corriente (Al) siendo esto lo datos obtenidos

CARGA Z Vt Al

Resistiva

< <<infinito 404 01500 380 0.126680 340 0.261220 185.3 0.473

Inductiva

infinito 400 01.6 Hr 272.3 0.2130.8 Hr 201.3 0.2880.4 Hr 151.2 0.334

Capacitiva

infinito 289.7 01uF 342.2 0.0522uF 408 0.143uF 476 0.263

CUESTIONARIO:

1. con los datos obtenidos graficas vt vs al para las 3 cargas (r,l,c) compara y analizar resultados

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.50

50

100

150

200

250

300

350

400

450

At para una carga Resistiva

Vt

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.40

50100150200250300350400450

f(x) = − 723.763112438084 x + 407.28554972145R² = 0.981910074749868

Carga inductiva

Al

Vt

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.30

50100150200250300350400450500

f(x) = 696.652545840231 x + 299.730772910674R² = 0.984513551456832

Carga capacitiva

Al

Vt

3. ¿A que se denomina reacción de armadura y cómo influye en la regulación de tensión?

De acuerdo con lo estudiado, una corriente circulando por el estator o campo de una máquina de C.C. produce un flujo magnéticoϕcque permite la generación de una tensión en el inducido, Ea, cuya magnitud depende del valor de la corriente de campo y de la velocidad de giro del eje .Si los bornes del rotor (armadura) son conectados a una carga eléctrica, una corriente circulará por la armadura de la máquina (Ia) generando un flujo magnético  ϕa. Este flujo de armadura se suma al flujo magnético producido por el campo, produciendo un efecto de distorsión denominado reacción de armadura o reacción de inducido.La reacción de armadura afecta el desempeño de la máquina de C.C. tanto en el voltaje inducido como en el proceso de conmutación que ocurre en el colector. Por una parte, la

reacción de armadura cambia la distribución del flujo magnético en el entrehierro, existiendo zonas en que la resultante total de flujo

ϕtotal=ϕc+ϕa Es de mayor magnitud que la componente de flujo de campo y otras en que la magnitud es notoriamente menor. La figura 5.10(a) muestra la distribución del flujo magnético en el entrehierro cuando la corriente por la armadura es nula. En este caso, la forma de la distribución se explica por la geometría de las cabezas o caras polares. La figura(b) muestra cómo varía la distribución del flujo magnético por efecto de la reacción de armadura

Es importante notar que, en aquellas zonas donde las magnitudes de los flujo de armadura y campo se suman ( ϕTotal>  ϕc), la resultante total de flujo hace que el núcleo se sature, aumentando las pérdidas en el fierro por concepto de calentamiento, corrientes parásitas, etc. Asimismo, existen zonas donde las magnitudes de los flujos de campo y armadura se restan, por lo cual, el flujo magnético total es menor que el flujo de campo (ϕ Total <ϕc) y consecuentemente, el valor del voltaje inducido disminuye, empeorando la eficiencia de la máquina. Por otro lado, para que el proceso de conmutación sea óptimo, el paso de las escobillas de una delga a otra debe realizarse en el momento en que la diferencia de tensión entre las delgas vecinas sea nula. Esto debido a que existe un instante en que cada escobilla está en contacto con ambas delgas vecinas y si existiese una diferencia de potencial entre ellas habría un cortocircuito y se producirían arcos eléctricos en el colector.El momento óptimo de conmutación ocurre cuando las escobillas se sitúan en la llamada línea de neutro magnético o línea neutra. Como se aprecia en el esquema de la figura5.11(a), cuando no existe corriente en la armadura, la línea de neutro magnético se sitúa en el plano perpendicular al flujo originado por el campo, coincidiendo con la posición física de las escobillas, por lo cual, la conmutación se lleva a cabo sin problemas.

Sin embargo, al existir reacción de armadura (figura b), la línea de neutro magnético se desplaza hasta situarse en el plano perpendicular a la resultante del flujo magnético ϕ Total, resultando así, una conmutación poco óptima, lo que se traduce en un mal funcionamiento y desgaste prematuro del colector.

Para poder resolver los inconvenientes producidos por la reacción de armadura, se han desarrollados diferentes estrategias:

Antiguamente se trataba de ajustar físicamente la posición de las escobillas de modo de hacerlas coincidir con la línea neutra, sin embargo, la línea neutra se desplaza con la variación de carga, lo cual obliga a estar ajustando constantemente la posición de las escobillas. Actualmente, este sistema sólo se utiliza en motores muy pequeños donde se sabe que la carga no varía y donde otras soluciones son económicamente inviables.Para máquinas de más de 1[kW], se prefiere utilizar los llamados  polos de conmutación o interpolos. Los interpolos son bobinas conectadas en serie con la armadura de modo de ser recorridas por Iay situados a 90º grados eléctricos de las caras polares, de modo de coincidir con el eje del flujo de armadura. De este modo, el flujo producido por los interpolos anula el efecto de la reacción de armadura.La ventaja de usar interpolos radica principalmente en que no es necesario ningún ajuste con la variación de carga, puesto que la corriente de armadura crece o decrece consecuentemente y lo mismo ocurre con los flujos generados en los polos de compensación. Además, también existe un ajuste automático al usar la máquina como generador o motor, ya que el sentido de la corriente de armadura cambia de acuerdo a la configuración de la máquina y por ende, lo hace el flujo de los interpolos .En la figura (a) se muestra la disposición física de los interpolos en una máquina de C.C.; la figura (b) muestra un esquema de la conexión de los interpolos donde se aprecia que son recorridos por la corriente de armadura. Finalmente, la figura (c) muestra esquemáticamente cómo se cancela la reacción de armadura al ser sumada con los flujos de los interpolos.

En la práctica, el efecto del flujo de los interpolos es suficiente para evitar los problemas en la conmutación de las escobillas; sin embargo, para máquinas de altas potencias y ciclos de trabajo pesados, es necesario mejorar el efecto del debilitamiento del flujo y menor voltaje inducido.En este último caso, la estrategia consiste en colocar los llamados enrollados de compensación, los cuales son enrollados que se encuentran colocados en ranuras talladas en las cabezas polares (en forma paralela a las bobinas del rotor) y conectadas en serie con la armadura.Al estar en las cabezas polares, los enrollados de compensación producen un flujo de magnitud mayor al de los interpolos, que permite anular los efectos de debilitamiento

decampo producido por la reacción de armadura. Este método, al igual que los interpolos, se adapta automáticamente al tipo de operación (motor o generador) y a las diferentes condiciones de carga, sin embargo, su uso se encuentra limitado a grandes máquinas de C.C., principalmente debido al alto costo que suponen los enrollados de compensación.

4. ¿Cómo puede afectar la carga capacitiva a un generador y q acción se debe tomar?La corriente del estator adelanta 90° a la tension en bornes de la maquina, siendo su diagrama fasorial el de la figura y la variacion de la tension en sus bornes se observa en la figura

DIAGRAMA FASORIAL DE UN GENERADOR SINCRONICO CON CARGA CAPACITIVA PURA

VARIACION DE LA TENSION EN BORNES DE UN GENERADOR CON CARGA CAPACITIVA PURA

La variacion de la corriente de excitacion, nos lleva a obtener rectas paralelas. En este caso el efecto es puramente magnetizante, lo cual hace que la tension en bornes de la maquina sea superior a la fuerza electromotriz inducida.Todo lo analizado ha sido suponiendo “condiciones ideales”, pero en la practica los generadores poseen resistencia ohmica interna y la reactancia sincronica no es constante debido a los efectos de la saturacion.

Ante esto las curvas analizadas difieren ligeramente de las estudiadas, pero con la misma tendencia. Las curvas reales se pueden obtener en forma experimental y su aspecto es el que se muestra en la siguiente figura

VARIACION DE LA TENSION EN BORNES DEL GENERADOR REAL

5. ¿Cómo puede afectar una carga inductiva a un generador y que acción se debe tomar?En este caso la corriente atrasa 90° a la tension en bornes de la maquina, siendo el esquema fasorial el de la figura 9.26 y la variación de la tension en sus bornes el de la figura.

Diagrama fasorial de un generador sincronico con carga inductiva pura

Variación de la tensión en bornes de un generador con carga inductiva pura

En este caso la caída de tensión es más fuerte que en el caso anterior. La reacción de armadura es totalmente desmagnetizante. La variación de la corriente de excitación implica obtener rectas paralelas.