UNIDAD V MAQUINA SINCRONA
VOLTAJE GENERADO POR UN GENERADOR
Como se ha expuesto anteriormente, con estos dispositivos electromecánicos de conversión, podemos transformar energía en ambos sentidos (MECANICA-ELECTRICA). Esto ha sido aprovechado por el hombre para construir sus sistemas generadores, transmisores y consumidores de potencia, los cuales son la base del desarrollo y actividad mundial. La siguiente figura muestra a grandes rasgos un sistema de estos.
Sistema de generación, transmisión, distribución, y consumo de energía.
En la figura anterior apreciamos que se utiliza una fuente de energía mecánica para mover el generador eléctrico. Esta fuente de energía mecánica puede ser la turbina de una hidroeléctrica o estar movida por el vapor de agua de una caldera o reactor nuclear; también podemos quemar combustible fósil en un motor de combustión interna. El generador produce típicamente un nivel de 10 KV con grandes corrientes. Aquí termina la parte de "generación". 10 KV no es el nivel de voltaje adecuado para transmitir la energía eléctrica a grandes distancias, ya que las corrientes en las líneas serían muy grandes y las pérdidas I2R serían altísimas; por eso se eleva el voltaje a 400 KV y se reducen en 40 veces las corrientes, con lo que las pérdidas I2R disminuyen 1600 veces y el requerimiento del calibre del cable baja. Al llegar a los centros de consumo (ciudades, corredores industriales, etc.), debemos reducir el nivel de voltaje a valores más seguros para la población (típicamente 13.5 KV). La distribución es el paso anterior al consumo. Finalmente, la energía llega al hogar, industria, etc., con un nivel seguro de 110 V, 220 V, donde es consumida en iluminación, refrigeración, calefacción, motores, etc. Aquí cabe también dar mérito al transformador por su participación en el sistema, la cual eleva la eficiencia de dicho sistema, evitando pérdidas y aumentando la seguridad en el manejo de la energía.
En este tipo de generador la corriente directa desde una fuente separada se encuentra alimentando los bobinados del rotor por medio de carbones sobre anillos deslizantes. Esto mantiene un campo electromagnético rotativo con una polaridad fija (similar a una barra de imán).. El campo magnético giratorio, apunta hacia fuera y corta los devanados del estator que se encuentran en las ranuras del estator. Cuando gira el rotor, se inducen voltajes alternos en los bobinados ya que son cortados por los polos cambiantes debido a la rotación. Ya que la potencia de salida es obtenida de los bobinados estacionarios, la salida puede ser conectada a los terminales fijos de los bobinados. Los carbones y anillos deslizantes son adecuados para la alimentación del campo DC debido a que el nivel de potencia en el campo es mucho menor que el circuito de armadura.
5.1.4 Motores síncronos
Funcionamiento
Si se conecta el devanado del estator de una maquina stncrona trifásica a una red también trifásica aparecerá en la maquina un campo giratorio. Si se impulsa externamente el rotor en el sentido del campo giratorio el polo norte del campo arrastrara al polo sur del rotor y el sur
Del campo, al norte del rotor. El rotor seguirá girando con la frecuencia de giro del campo que. Como ya sabemos, se calcula con la frecuencia y el numero de polos. Por tanto, el rotor girará sincrónicamente con el campo y la maquina trabajará como motor.
Es otras palabras un motor sincrono es exactamente igual a un generador sincrono. Pero en lugar de obtener voltaje en los devanados del estator aplicamos un voltaje trifásico que formara un campo magnético giratorio. El rotor debe ser alimentado siempre con una fuente DC. El rotor se ve obligado entonces a seguir al campo giratorio a una velocidad de sincronismo establecida por el numero de polos y la frecuencia aplicada en el estator
Comportamiento de régimen Cuando se conecta el devanado del estator de una maquina síncrona trifásica y se impulsa el rotor con un motor de arranque el rotor continuará girando con la frecuencia de giro del campo. Las maquinas síncronas pequeñas poseen devanados auxiliares para que el motor pueda arrancar asincrónicamente. Estos devanados actuan entonces como e! Inducido en cortocircuito de un motor de rotor en jaula de ardilla. Cuando la frecuencia de giro sea suficientemente grande la maquina pasará a! Funcionamiento síncrono. Si se cortocircuita el devanado excitador la maquina podrá arrancar de! Modo que acabamos de describir, pues dicho devanado se comportara como un inducido en cortocircuito. Cuando se ha alcanzado una velocidad constante se elimina el puente de cortocircuito y se conecta !A excitación, con lo que la maquina tambien pasara a funcionar sincrónicamente.
El motor síncrono no modifica su frecuencia de giro cuando la carga varia. Sin embargo, cuando esta aumente también aumentara el
Ángulo de desfase interno (ángulo de carga), que es el formado por e! Rotor retrasado respecto al campo giratorio . Cuando se sobrepasa el par máximo o de desenganche del motor e! Rotor se para («cae fuera de fase»).
La frecuencia de giro de los motores sí'ncronos no varia cuando fluctua !A carga.
Cuando se sobrecargue el motor se desenganchará (perderá el sincronismo) y la frecuencia de giro se reducirá a n = 0.
Motor sincrono corrector de fase
El valor y el tipo de potencia reactiva que consume un motor síncrono de la red de suministro eléctrico puede gobernarse a través de la comente de excitación ie.
Para una carga mecánica determinada M !A corriente de entrada i presenta una intensidad mínima para una determinada potencia de
Excitación /,, para la cual se cumple que cos Φ = 1.
Cuando se disminuye la intensidad de la corriente de excitacion /,, (subexcitacion) aumentara la intensidad / de la corriente de entrada al
Motor, que tendrá pues una componente reactivo-inductiva. El instrumento para medir el factor de potencia indicará valores de cos Φ < 1 en la zona inductiva. Si aumentáramos la intensidad de excitación ie (sobreexcitación) también crecerá la intensidad de la corriente
Do entrada i. No obstante esta presentará ahora una componente reactivo-capacitiva y el instrumento indicador de factor de potencia nos indicará también valores de cos Φ < 1,pero que se encontrarán en la zona capacitiva.
El consumo de potencia reactiva de un motor síncrono puede gobernarse con la intensidad de excitación ie. El motor tomará
Potencia reactivo-inductiva cuando este subexcitado y la cederá cuando este sobreexcitado.Por ello, para compensar la potencia reactiva y corregir pues el factor de potencia de una instalación, se utilizan en la practica motores sincronos en lugar de condensadores. El motor actúa como desfasador dinámico funcionando para ello sobreexcitado y frecuentemente, en vacio. Por esto se denominan también como capacitores rotativos.