Función del rotor del alternador

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Alternadores


maq eléctrica sincrónica. Estas son convertidores electromag rotativos que transforman E MEC en E ELEC en forma de CA o viceversa. Constan de un devanado inducido y un inductor concatenados por un campo mag, caracterizándose por tener el arrollamiento inducido en el estátor alojándose en ranuras  en la sup. Interna y el arrollamiento del inductor alimentado por CC en el rotor.
Al alternador se le aplica una energía mecánica en forma de movimiento giratorio para obtener una tensión en sus bornes. Al existir un movimiento relativo entre el bobinado inducido y el campo magnético del inductor se genera en este una F.E.M., que según la distribución de los bobinados, puede ser monofasica o trifasica.

Leyes fundamentales del funcionamiento de las maquinas rotantes


  • Ley de faraday mocional (principio del generador):


    Si un conductor con una determinada longitud(L) se mueve a través de un campo magnético(B) a una velocidad(V), cortando las lineas de campo del mismo, se genera una F.E.M inducida dada por E = V . B . L (manoderecha VBE)

  • Ley de Biot y Savart (principio del motor):

    Si una corriente(I) pasa a través de un conductor de longitud(L) dentro de un campo magnético(B), se ejerce una fuerza mecánica sobre el conductor que viene dada por la expresión F = I . B . L (Mano izquierda FBI)

Justificación del inductor móvil:


Es preferible generar un voltaje tan alto como sea posible.Se construyen con una armadura fija en la que gira un rotor compuesto de un n° de imanes de campo. Las armaduras rotatorias pueden producir chispas entre las escobillas, causando fallas mecánicas que generan cortocircuitos.

Principio de funcionamiento:


 Si un cond corta las líneas de fuerza de un campo se origina una I en el cond. Dispone de 3 arrollamientos desfasados 120°. Al girar el rotor se  generan  tensiones alternas senoidales defasadas 120°. Se genera un ciclo repetitivo generando CA 3F. La suma de los valores instantáneos de c/u de las fases y la sumatoria  de los valores instantáneos de las FEM, son iguales a CERO

Cuando una de las fases alcance su máximo, la corriente de las otras dos estará circulando en sentido opuesto y a la mitad de tensión.

  •  

    Velocidad de giro:


    solo puede ser la sincrónica, impuesta por la frecuencia de las corrientes del inducido y por el número de pares de polo del inductor.

    N = (60 . F)/p

  • Fuerza electromotriz inducida


Al conectar las tres bobinas en estrella o en triangulo, tendremos un alternador trifásico. El valor eficaz de la fem inducida se expresa:

E = 4,44 . N . F . K . Qmax

La E en cada bobinado depende de  :

  • N° cond activos en el bobinado
  • Diam generado en el sistema inductor
  • Frec
  • Factor propio de la forma de construcción del bobinado

Clasificación


  • Según número de fases del devanado inducido


  • Fuerza electromotriz inducida


Al conectar las tres bobinas en estrella o en triangulo, tendremos un alternador trifásico. El valor eficaz de la fem inducida se expresa:

E = 4,44 . N . F . K . Qmax

La E en cada bobinado depende de  :

  • N° cond activos en el bobinado
  • Diam generado en el sistema inductor
  • Frec
  • Factor propio de la forma de construcción del bobinado 

Clasificación


  • Según número de fases del devanado inducido


    • Monofásicos.
    • Polifásicos
  • Según la forma constructiva del inductor.
    • Maquinas de rotor de polos salientes:baja velocidad (hasta 1000 rpm) que tienen una gran cantidad de pares de polos. Estos son arrastrados por turbinas hidráulicas o motores diésel.
    • Maquinas con rotor liso o cilíndrico:Se emplean en maquinas de alta velocidad y elevada potencia, siendo su rotor de diámetro reducido en comparación con el rotor de polos salientes. Son arrastrados por turbinas de gas o vapor y tienen uno o dos pares de polos, funcionando a velocidades de 1500 o 3000 rpm
  • Según la disposición del eje:
    • De eje vertical.
    • De eje horizontal.

Principales partes de la maquina sincrónica


  • Entre-hierro: El inductor provoca un campo magnético que alcanza al estátor, atravesando el entre-hierro, que es un espacio de aire existente entre el rotor y el estátor. Un mayor entre-hierro exige una mayor fuerza magnetomotriz para obtener una inducción máxima determinada, pero en cambio reduce la reactancia de dispersión del bobinado de inducido y por ende mejora la regulación de tensión y estabilidad de la maquina.
    Ademas, contribuye a la refrigeración de la misma.
  •  Circuito magnético y bobinas de inducido: Las bobinas del inducido se componen de una parte activa (que corta las lineas de flujo) denominada lado de bobina y de una parte inactiva, ya que están fuera del alcance del flujo rotante, que sirven solamente como empalme entre los lados activos alojados en las ranuras. Las ranuras son abiertas y de sección rectangular, siendo los conductores generalmente de sección cuadrada (pletinas). Los bobinados suelen conectarse en estrella.

Carcasa:  Dentro de la carcasa se encuentra el paquete de chapas de hierro al silicio que componen el circuito magnético del estátor.

Rotor: Sujeto al eje esta el cubo, la pieza central de colocación de los polos. En la parte exterior de cada polo esta la expansión polar, que tiene por misión llevar a las lineas de campo magnético en forma adecuada al estátor. Rodeando a los núcleos están las bobinas de corriente continua, que son las encargadas de generar el campo magnético inductor. La forma curvada de las expansiones responde a lograr que el flujo tenga una distribución lo mas senoidal posible en el entre-hierro.

En los alternadores con rpm elevadas  no se permiten los polos salientes, por lo que se utilizan los rotores lisos o los tipo tambor, el cual es un cilindro de acero de alta resistencia mecánica y su pieza central es de chapas magnéticas como el estátor. La corriente continua de excitación ingresa a las bobinas rotoricas a través de anillos rozantes, sujetos al eje a través de piezas aisladas.


inactiva, ya que están fuera del alcance del flujo rotante, que sirven solamente como empalme entre los lados activos alojados en las ranuras. Las ranuras son abiertas y de sección rectangular, siendo los conductores generalmente de sección cuadrada (pletinas). Los bobinados suelen conectarse en estrella.

  • Carcasa:  Dentro de la carcasa se encuentra el paquete de chapas de hierro al silicio que componen el circuito magnético del estátor.
  • Rotor: Sujeto al eje esta el cubo, la pieza central de colocación de los polos. En la parte exterior de cada polo esta la expansión polar, que tiene por misión llevar a las lineas de campo magnético en forma adecuada al estátor. Rodeando a los núcleos están las bobinas de corriente continua, que son las encargadas de generar el campo magnético inductor. La forma curvada de las expansiones responde a lograr que el flujo tenga una distribución lo mas senoidal posible en el entre-hierro.En los alternadores con rpm elevadas  no se permiten los polos salientes, por lo que se utilizan los rotores lisos o los tipo tambor, el cual es un cilindro de acero de alta resistencia mecánica y su pieza central es de chapas magnéticas como el estátor. La corriente continua de excitación ingresa a las bobinas rotoricas a través de anillos rozantes, sujetos al eje a través de piezas aisladas.

Sistema inductor:


El conjunto de bobinas inductoras se conecta en serie y se alimenta con una fuente de corriente continua. Esta fuente puede estar constituida de varias formas:

  • Mediante excitatriz electromecánica:


    La excitatriz es un generador de corriente continua acoplado solidariamente al rotor del alternador, que alimenta mediante escobillas y anillos rozantes al sistema inductor del alternador.

  • Mediante excitatriz electrónica o estática:

    Para eliminar las dificultades de la conmutación en las dinamos a gran velocidades y los colectores de delgas de las mismas, se utilizan excitatrices de corriente alterna que con la ayuda de rectificadores monofásicos alimentado de un transformador que toma alimentación del propio alternador, el cual a través de escobillas y anillos rozantes alimenta al inductor.

  • Alternador sin escobillas:

    En ambos sistemas descriptos anteriormente se requiere un mantenimiento y puesta a punto importante, y ademas se poseen mayores perdidas debido a la resistencia de contacto entre escobillas y anillos,El alternador sin escobillas se compone de un alternador principal, de inducido fijo y un alternador auxiliar de inducido móvil, que alimenta a un rectificador trifásico.Tanto el inducido del alternador auxiliar como el puente rectificador giran solidarios con el sistema inductor del alternador principal, permitiendo la conexión directa,

Potencia eléctrica interna de la maquina sincrona


Maquina de rotor liso: P = 3 . [(E . U) / Xs] . Sen (p)


En el caso del motor, el ángulo δ es negativo, y cuando se incrementa la carga acoplada a su eje, el δ aumenta y la maquina incrementa su cupla motora para responder a la demanda hasta llegar al punto de cupla máxima de -90°. Al sobrepasarse ese punto, exigiendo mas cupla al motor, el ángulo aumenta pero la cupla decrece al igual que la potencia, lo cual produce una disminución de la velocidad del motor, perdíéndose el sincronismo y el motor se detiene.

Para ambos tipos de funcionamiento de la maquina sincrónica (motor o generador), los puntos +90 y -90 son limites de estabilidad. Los intervalos estables son:

  • motor -90 < δ =""><>
  • generador 0 < δ=""><>

Maquina de rotor de polos salientes:


En la expresión final de la potencia activa para la maquina de rotor de polos salientes intervienen dos reactancias como consecuencia de la asimetría del rotor. Las reactancias que intervienen son:

  • Reactancias de eje directo o eje polar (Xd), generalmente igual a la Xs
  • Reactancia de eje en cuadratura (Xq), la cual determina un incremento de potencia de la maquina de polos salientes respecto a la de rotor liso debido al par de reluctancia generado por la misma.

Carácterísticas de funcionamiento en vació


Es la carácterística de funcionamiento en la cual la corriente de inducido es nula, siendo la tensión en bornes y la corriente de excitación nominales, y girando el rotor a la velocidad nominal de la maquina, con lo cual E = E0

La grafica debería ser teóricamente una recta, pero a partir de un cierto valor de la corriente de excitación, se produce la saturación del circuito magnético, con lo cual el flujo en el entre-hierro deja de crecer en forma proporcional a la corriente, creciendo menos rápido que esta, y por ende, disminuyen los valores de tensión en bornes.

La tensión nominal de la maquina se proyecta en un valor ligeramente superior al comienzo de la saturación, por lo cual el circuito magnético de la maquina trabaja generalmente en estado de saturación.

Carácterísticas exterior o de funcionamiento en carga


En esta carácterística, se mantiene constante la corriente de excitación, la frecuencia y la velocidad del rotor en sus valores nominales. Ademas, se mantiene constante el factor de potencia de la carga conectada al alternador.

En función de los diferentes tipos de cargas (inductivas, capacitivas o resistivas) se tendrán diferentes tipos de factores de potencia, y por ende las diversas curvas correspondientes a tales tipos de carga. A medida que aumenta la corriente de salida, la tensión en bornes disminuye en el caso de cargas resistivas, inductivas y para ciertos valores de las cargas capacitivas. Por otro lado dicha tensión puede llegar a aumentar a partir de determinados valores de cargas capacitivas.La disminusion de tensión de salida se debe a la resistencia de los bobinados del inducido, la reactancia de dispersión, sumada al efecto de la reacción del inducido de la maquina. Todos estos efectos se contemplan en la reactancia sincrónica de la maquina.

Funcionamiento de un alternador en una red aislada


El comportamiento de un alternador bajo carga varia fuertemente dependiendo del factor de potencia de la carga y de si el generador funciona solo o en paralelo con otros alternadores. En los sistemas de generación y distribución de energía eléctrica existen variaciones de carga, lo cual produce variaciones en la velocidad del alternador (lo cual afecta a la frecuencia) y en la tensión entregada por el mismo. Por exigencia del sistema de potencia o de la carga conectada es necesario que se mantenga estable la frecuencia y el valor eficaz de la tensión entregada por lo que en los alternadores se utilizan dos controles importantes:

  • Rgulador de tensión:


    Es un control que se incorpora en la excitatriz y que al variar la corriente de excitación permite controlar la tensión de salida. Si para un mismo valor de E la corriente demandada por la carga aumenta, la caída de tensión aumentara también y la tensión en bornes sera menor que la inicial y viceversa.Una de las funciones mas importantes del sistema inductor del alternador es la de regular la tensión. Mediante circuitos adecuados es posible actuar sobre la corriente de excitación de la excitatriz y, de esta forma, variar la magnitud de la F.E.M generada.Las carácterísticas que deben cumplir son:
    • Intervenir rápidamente después de una variación de carga.
    • Exactitud: Llegar a valor de régimen del alternador.
    • Sensibilidad: Reaccionar a perturbaciones débiles.
    • Amortiguación eficaz: evitar grandes oscilaciones
  • Regulador de velocidad:


    Cuando se produce un aumento en la potencia eléctrica absorbida por los receptores (aumenta la carga), en tanto no se modifique la potencia mecánica suministrada por el motor primario del alternador, la energía adicional requerida se extrae de la energía cinética almacenada en las masas giratorias del sistema, con lo cual la velocidad de giro del alternador experimenta un descenso que se reflejara de forma proporcional en la frecuencia. Para volver a la velocidad nominal del alternado es necesario actuar sobre la alimentación del motor primario, variando así su velocidad  Dichos controles deberán funcionar a la par ya que, por mas que se regrese a la frecuencia nominal del alternador, la tensión entregada no lo hará, siendo necesaria la acción del regulador de tensión.

Funcionamiento en paralelo de alternadores

Condiciones para la conexión en paralelo:

  • Igualdad de secuencias de las tensiones trifasica.
  • Igualdad de magnitud de las tensiones compuestas.
  • Igualdad de frecuencias.
  • Igualdad de fase para las tres tensiones de fase en el momento de la operación.

Primero, se verifica que la secuencia de las fases del alternador corresponda con la de la línea a la cual se quiere conectar en paralelo. Esto se realiza mediante un secuenciometro.Mediante la corriente de excitación se regula la tensión del generador que se quiere conectar en paralelo con aquel que ya se encuentra funcionando. (voltímetro U1 = U2)Con el frecuencímetro se ve la frecuencia de la maquina, y por ende, se regula la velocidad de giro de la maquina motriz primaria acoplada al alternador (logrando F1 = F2)Por ultimo, la igualdad de fases en el momento de la conexión se verifica con un sincronoscopio, el cual consta de 3 lamparas . Cuando están apagadas las tensiones entre los extremos del interruptor de acoplamiento es nula. En esa condición se puede cerrar el interruptor sin problemas.

Funcionamiento del sincronoscopio:


Si la secuencia de las fases del generador y la red son idénticas y las 3 lamparas del sincronoscopio se colocan formando los vértices de un triangulo equilátero, aparecerá una rotación en la iluminación de las lamparas. La secuencia con la que se produce la máxima iluminación de las lamparas indicara el modo de actuar sobre el motor primario. Por ejemplo, si se encienden las lamparas en orden 1,2,3 la frecuencia del alternador sera mayor a la de la red, por lo que deberá reducirse la velocidad. La igualdad de fase se cumplirá cuando sea nula la tensión o la iluminación de la lampara 1, la cual se conecta entre bornes homólogos. En ese instante podrá acoplarse el alternador a la red.

Elecciones de alternadores para grupos electrógenos


La potencia del alternador a utilizar en una aplicación donde se utiliza un motor o un grupo de motores debe calcularse teniendo en cuenta el consumo de la corriente de arranque de los mismos. Se distingue entre arranque directo, donde la potencia del alternador, dada en kVA, es 2.3 veces la potencia nominal del motor, dada en CV. — Sa = 2.3 * P

En el caso de motores con arranque estrella triangulo, la potencia del alternador sera: Sa = 1.35 * P

Si el motor arranca en plena carga la corriente de arranque sera mayor, debiéndose consultar en tabla.

Elección del motor diésel de arrastre


La potencia nominal de motor de combustión interna debe ser suficiente para que el alternador pueda trabajar a sus características nominales y a plena carga con un factor de potencia de 0.8, para lo cual se utilizara una tabla que indicara los valores recomendados de potencia nominal en Cv para un alternador de determinados Kva

Datos nominales y correcciones


Los datos indicados por los fabricantes en los catálogos de las características de los alternadores se refieren a condiciones nominales de funcionamiento. Estas son:

  • Cos q mayor o igual a 0,8.
  • T ambiente menor a 40 °C
  • Altitud sobre el nivel del mar menor o igual a 1000 m

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