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Tipos de Diseno de Generadores en C.A.Paul Santiago Saldana Caldas

paul ssc@hotmail.com

psaldana@est.ups.edu.ec

Abstract—En este articulo se da a conocer el principio de fun-cionamiento, diseno y construccion de los generadores sıncronos,sus ventajas , desventajas de los mismos, aplicaciones etc.Principalmente en este ensayo se investigo a fondo los principalesgeneradores sıncronos como son el generador de polos salientesen el estator, el generador de polos salientes en el rotor, generadorde polos lisos y el generador sin escobillas, se dara a conocer susformas, construccion, caracteristicas de diseno etc.

Index Terms—polos, rotor, estator, sıncrono

I. INTRODUCCION

Los generadores y las maquinas de corriente alterna,cumplen una gran funcion en la vida diaria de todas laspersonas en el mundo, tienen un extenso campo de aplica-ciones en la industria, este tipo de maquinas son las masusadas por las multiples aplizaciones y ventajas. Una de lasprincipales es generar energıa electrica la cual puede sertransportada y convertida en otras formas de energıa en formalimpia y economica. La maquina sincronica es hoy en dia, elconvertidor utilizado para realizar esta tarea.

II. MAQUINAS S INCRONAS

Se puede decir que es un tipo de maquina electrica rotativacapaz de transformar energıa mecanica en energıa electrica.Pero su nombre de sıncrona se debe a la igualdad entre lafrecuencia electrica como la frecuencia angular es decir elgenerador girara a la velocidad del campo magnetico a estaigualdad de frecuencias se le denomina sincronismo.

Pueden ser monofasicas o trifasicas, especialmente en apli-caciones de potencia.

Los generadores sıncronos funcionan bajo el principio deque en un conductor sometido a un campo magnetico variablecrea una tension electrica inducida cuya polaridad depende delsentido del campo y su valor del flujo que lo atraviesa.

A. Principio de funcionamiento.

El principio de funcionamiento de un generador sıncrono aligual que todos los generadores se basa en la ley de Faraday.Para crear tension inducida en el circuito de armadura (estator),debemos crear un campo magnetico en el rotor o circuitode campo, esto lo lograremos alimentado el rotor con unabaterıa o cualquier fuente de tension continua, este campomagnetico inducira una tension en el devanado de armadurapor lo que tendremos una corriente alterna fluyendo a travesde el. Al operar como generador, la es suministrada a lamaquina por la aplicacion de un torque y por la rotacion

del eje de la misma, una fuente de energıa mecanica puedeser, por ejemplo, una turbina hidraulica, a gas o a vapor.Una vez estando el generador conectado a la red electrica,su rotacion es dictada por la frecuencia de la red, pues lafrecuencia de la tension trifasica depende directamente de lavelocidad de la maquina. Para que la maquina sıncrona seacapaz de efectivamente convertir energıa mecanica aplicada asu eje, es necesario que el enrollamiento de campo localizadoen el rotor de la maquina sea alimentado por una fuente detension continua de forma que al girar el campo magneticogenerado por los polos del rotor tengan un movimiento relativoa los conductores de los enrollamientos del estator. Debidoa ese movimiento relativo entre el campo magnetico delos polos del rotor, la intensidad del campo magnetico queatraviesa los enrollamientos del estator ira a variar el tiempo,y ası tendremos por la ley de Faraday una induccion detensiones en las terminales de los enrollamientos del estator.Debido a distribucion y disposicion espacial del conjuntode enrollamientos del estator, las tensiones inducidas en susterminales seran alternas senoidales trifasicas. La corrienteelectrica utilizada para alimentar el campo es denominadacorriente de excitacion. Cuando el generador esta funcionandoaisladamente de un sistema electrico (o sea, esta en una islade potencia), la excitacion del campo ira a controlar la tensionelectrica generada. Cuando el generador esta conectado a unsistema electrico que posee diversos generadores interligados,la excitacion del campo ira a controlar la potencia reactivagenerada.

B. Partes de un generador sıncrono.

Con el fin de llegar auna profundizacion en el conocimientose explica las partes fundamentales que componen un gener-ador sıncrono, luego se detalla las partes segun el tipo degenerador sıncrono que sea, pero esta seccion se mencionanlos componentes fundamentales:

1) Rotor o Campo del Generador Sıncrono: Es la parte dela maquina que realiza el movimiento rotatorio, constituidode un material envuelto en un enrollamiento llamado de”enrollamiento de campo”, que tiene como funcion producir uncampo magnetico constante ası como en el caso del generadorde corriente continua para interactuar con el campo producidopor el enrollamiento del estator. La tension aplicada en eseenrollamiento es continua y la intensidad de la corrientesoportada por ese enrollamiento es mucho mas pequeno queel enrollamiento del estator, ademas de eso el rotor puedecontener dos o mas enrollamientos, siempre en numero pary todos conectados en serie siendo que cada enrollamientosera responsable por la produccion de uno de los polos delelectroiman.

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Figure 1. Rotor del Alternador

2) Estator o Armadura: Parte fija de la maquina, montadaenvuelta del rotor de forma que el mismo pueda girar en suinterior, tambien constituido de un material ferromagneticoenvuelto en un conjunto de enrollamientos distribuidos allargo de su circunferencia. Los enrollamientos del estator sonalimentados por un sistema de tensiones alternadas trifasicas.Por el estator circula toda la energıa electrica generada, siendoque tanto la tension en cuanto a corriente electrica que circulanson bastante elevadas en relacion al campo, que tiene comofuncion solo producir un campo magnetico para ”excitar” lamaquina de forma que fuera posible la induccion de tensionesen las terminales de los enrollamientos del estator. La maquinasıncrona esta compuesta basicamente de una parte activa fijaque se conoce como inducido o ESTATOR y de una partegiratoria coaxial que se conoce como inductor o ROTOR. Elespacio comprendido entre el rotor y el estator, es conocidocomo entrehierro .

Figure 2. Armadura del Alternador

3) Regulador de Tension (Avr):: El regulador automatico devoltaje, proporciona una extincion al rotor, el rotor debe tenerun campo magnetico constante en cuanto a la direccion de suslıneas magneticas (no en cuanto a intensidad del campo) y estese logra excitandolo con corriente directa (alterna rectificada)la corriente alterna generada por el generador, debe ser de unafrecuencia constante 60hz; y para eso el rotor siempre giraa la misma velocidad independientemente de que carga esteproduciendo (se mide en megawatts) no en voltaje, como losrequerimientos de carga (consumo de la energıa producida) sonvariables, la generacion de megawatts es variable a frecuencia

y voltaje constante, si no tienes un regulador automatico devoltaje (llamado AVR en ingles) esto no se puede lograr.

Figure 3.

4) Regulador de Velocidad (Ras):: No se debe de con-fundir estos dispositivos con los reguladores de tension de losalternadores, pues si bien actuan al unısono sobre el grupo,como elementos reguladores que son, sus funciones, aunquerelacionadas, estan perfectamente delimitadas. Segun lo man-ifestado hasta el momento, deducimos que todo reguladorde velocidad es el mecanismo, de distinta ındole, destinadoa conseguir, en cualquier circunstancia, el equilibrio de lostrabajos motor y resistente presentes en una turbina, mante-niendo, sensiblemente constante, la velocidad de sincronismodel grupo ante todas las cargas solicitadas, protegiendole,ademas, contra velocidades excesivas que pudieran surgir.Como dato significativo diremos que si dispusiesemos de unmotor Diesel sobre el cual no actuase ningun regulador develocidad, se fragmentarıa en pedazos, en el instante quequedase bruscamente sin carga.

C. Tipo de Generadores sıncronos

Como ya lo habıa mencionado anteriormente el principiode funcionamiento del generador sıncrono es el mismo, lo quecambia es la forma de construccion de los mismos, los tiposse explican a continuacion:

1) Polos salientes en el rotor: Este tipo de generador secaracteriza por rotor presenta expansiones polares que danlugar a un entrehierro variable, ademas un punto importanteque lo identifica es que cuentan con 2 anillos los cualesalimentan el debando de excitacion

Se usan cuando la velocidad de giro no es muy elevada

Figure 4. Generador y sus polos

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Figure 5. Diagrama Fasorial

P = V EXd

sin δ + V 2

2 ( 1Xq

− 1Xd

)sin(2δ)

Q = V EXd

cos δ + V 2

2 (Xd−Xq

XqXd) cos(2δ)− V 2

2 ( 1Xq

+ 1Xd

)

2) Polos salientes en el estator : El estator esta constituidoprincipalmente de un conjunto de laminas de acero al silicio(y se les llama ”paquete”), que tienen la habilidad de permitirque pase a traves de ellas el flujo magnetico con facilidad; laparte metalica del estator y los devanados proveen los polosmagneticos. En este tipo de maquinas el numero de anillosdepende de las fases para la cual fue disenada la maquina.

Figure 6.

3) Sin escobillas : Un generador sin escobillas es un disenoque se vio necesario ya que debido al desgaste en las escobillasy al polvo del los carbones, frecuente mente se tienen quecambiar o reparar las escobillas, los anillos colectores. Estegenerador sin escobillas, con un bobinado de estator trifasico,que consiste de bobinas de estatores interconectadas, dispues-tas en placas de estatores que rodean al embobinado principaldel rotor y que tiene medios de rectificacion acoplados adichas bobinas del rotor, estando el rotor dispuesto sobre uneje rotativo.

Figure 7.

Una mejora en un generador CA sin escobillas puede sercon entrehierro de aire axial, del tipo que comprende: unalojamiento exterior de alternador; una flecha giratoria quese extiende longitudinalmente dentro del alojamiento y giracon respecto al mismo; un ensamble de estator y un ensamblede campo, fijos con respecto al alojamiento, con nucleosmagneticos de estator y de campo respectivamente y conbobinas de estator y de campo arrolladas en los respectivosnucleos; un entrehierro de aire radial, cilındrico, definido poruna separacion radial de los ensambles de estator y de campocon respecto al eje de la flecha y; un ensamble de rotorfijo a la flecha, con al menos un primer polo magnetico quepresenta proyecciones magneticas espaciadas que se extiendenal entrehierro cilındrico radial, caracterizadas porque el nucleode campo esta directamente adyacente a la flecha, a lo largode la mayor parte de la longitud axial de la bobina de campoy presenta una porcion extrema de campo que se extiendeaxialmente mas alla de la longitud axial efectiva de la bobinade campo arrollada en el y esta separada de un extremo delnucleo de campo que se extiende radialmente con respectoal eje de la flecha para proporcionar una superficie extremaque se extiende radialmente y esta posicionada directamenteadyacente a las proyecciones magneticas del primer polomagnetico, formandose un entrehierro de aire de flujo axial debaja reluctancia, axialmente mas alla de la longitud efectivaaxial de toda la superficie extrema del nucleo de campo.

Carcasa del Estator.: La carcasa del estator esta formadapor bobinas de campo arrollados sin direccion, soportadas enpiezas de polo solidas. Las bobinas estan ventiladas en su ex-tremo para proporcionar de esta forma una amplia ventilaciony margenes de elevacion de temperatura. La carcasa del estatores encapsulada por una cubierta apropiada para proporcionarblindado y deflectores de aire para una correcta ventilacion dela excitatriz sin escobillas.

Armadura: La armadura consiste de un nucleo laminadosoportado por una armazon con un arrollamiento trifasico.Fueron realizadas adaptaciones en la armazon para el montajede la armadura en el eje del generador y para el montajedel convertidor en la armadura. El nucleo laminado estacompuesto por laminas de acero magnetico de alta calidad

El arrollamiento de la armadura es formado por bobinas decampo arrolladas sin direccion.

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Figure 8. Armadura interna

4) Polos lisos (rotor cilındrico): El devanado de campo estadistribuido en varias bobinas situadas en diferentes angulos.Su uso principalmente radica cuando el rotor gira a granvelocidad.

Figure 9. 4 Polos

Figure 10.

Figure 11.

a) Sincronizacion de la maquina con la red.: Se sin-cronizo la maquina con ayuda de un tablero de luces conecta-dos en DARK, es decir, que la maquina quedara sincronizadahasta que las luces esten completamente apagadas, y en esepunto, se acciona el interruptor trifasico para dejar conectadoel generador a la red electrica. Como muestra el siguientecircuito:

Figure 12.

b) Curva de capabilidad: La curva de capabilidad deun generador se deriva de manera simplificada sin tomar encuenta el efecto de saturacion y despreciando la resistencia ycapacitancia en los devanados. Cuando la maquina sıncronaopera en sus valores nominales, es decir; valores a los cualeslos devanados y el nucleo alcanzan la temperatura de regimende diseno, se obtienen las fronteras de la region de operaciondentro de la cual la maquina no sufre dano ni envejecimientoprematuro.

Figure 13. Curva de capabilidad de un generador de polos lisos

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Figure 14.

5) Curva de capabilidad de un generador de polossalientes:

III. CONCLUSIONES

Se puede sintetizar lo siguientes :• Las maquinas sıncronas, en especial el gemerador , a

significado un gran aporte para el desarrollo de la humanidad,asi pues gracias a este se ha podido obtener cada vez mejoresparametros para generacion de energia electrica.

• El generador sin escobillas al no presentar ningun contactomecanico entre el rotor y el estator requieren menos manten-imiento y reduciendo asi el costo tanto en construccion comoen mantenimiento.

• Algo nuy importante que se tyiene que tomar en cuentaes la velocidad de la maquina , debemos de recordando quepara obtener 60 HZ la maquina sera de 2 polos debe girar a3600rpm, si es de 4 polos a 1800 , si es de 8 polos a 900 yası consecutivamente.

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REFERENCES

[1] S. J. Chapman, E. R. Castillo, and J. A. R. Avila. Maquinas electricas.McGraw-Hill, 2000.

http://electromntto.blogspot.com/2009/03/otras-tecnicas-de-mantenimiento.html