Funcionamiento del Alternador: Régimen en Vacío, Operación con Carga y Curva de Saturación Magnética

Funcionamiento del Alternador: Régimen en Vacío y Operación con Carga

1. Régimen en Vacío del Alternador

La marcha en vacío del alternador implica que este gira con corriente de excitación, pero sin entregar potencia eléctrica a la red o carga a la cual está conectado. Es decir, la corriente de salida del bobinado estatórico es nula. De esta manera, en la región del entrehierro, solo existirá el flujo generado por la corriente de excitación de los polos del rotor.

1.1. Fuerza Electromotriz Inducida (FEM)

Si designamos a este flujo como flujo máximo (Φ_máx), el mismo genera o induce una fuerza electromotriz (FEM) E en los bobinados del estátor, como se ha visto en la ecuación de la FEM:

E = 2,22 ⋅ Kb ⋅ Ka ⋅ Φmáx ⋅ f

Donde:

• E: Fuerza electromotriz inducida.
• Kb: Coeficiente de bobinado.
• Ka: Coeficiente de arrollamiento.
• Φmáx: Flujo máximo.
• f: Frecuencia.

Bajo esta condición, esa fuerza electromotriz será igual a la tensión en vacío del generador (U₀), como se observa en la curva representativa del esquema del ensayo en vacío.

1.2. La Curva de Vacío y la Saturación Magnética

Se establece que E = U₀ (la fuerza electromotriz es igual a la tensión en los bornes del alternador). Sabemos que el valor de la FEM será proporcional a la velocidad de giro y al flujo de los polos que rotan.

Analizando el gráfico del ensayo en vacío, observamos que:

• En el eje de coordenadas se encuentran los valores de tensión en bornes del alternador (tensión de fase).
• En el eje de las abscisas está el valor de la corriente de excitación (I_e) aplicada al rotor.

Esto se realiza manteniendo la velocidad de rotación constante e igual a su valor nominal. En teoría, la FEM varía linealmente, pero a partir de un cierto valor de corriente de excitación, se produce la saturación del circuito magnético. Entonces, el flujo aplicado en el entrehierro deja de crecer en forma proporcional a la corriente, creciendo menos que esta y alejándose de la forma recta. Esto indica que la tensión en los bornes deja de crecer proporcionalmente.

1.3. La Recta del Entrehierro

A la parte recta inicial de la curva de vacío se la denomina recta del entrehierro.

1.4. Tensión Nominal y Estado de Saturación

Al proyectar la máquina generadora, la tensión nominal de salida del alternador (U_n) se fija en un valor ligeramente mayor al valor del comienzo de la saturación. Por lo cual, en general, en máquinas de correcto diseño, se puede decir que el circuito magnético trabaja ligeramente en estado de saturación.

1.5. Característica de Vacío

La función de tensión en vacío U₀ = f(Ie) es la que llamaremos característica de vacío del alternador.

2. Funcionamiento en Carga del Alternador

Cuando un alternador funciona de forma aislada, es decir, alimentando solo a una carga, se requiere que mantenga sobre la carga las condiciones de constancia de tensión y frecuencia. Por lo general, están provistos de dispositivos de regulación que permiten controlar estas dos condiciones, permitiendo que el alternador tenga un comportamiento lo más independiente posible del estado de carga.

2.1. Regulación de Frecuencia

Como es condición fundamental que la frecuencia de la tensión aplicada al sistema sea constante, lo cual implica que la velocidad de la máquina debe mantenerse estrictamente constante. Esto se logra mediante dispositivos mecánicos de regulación de velocidad sobre la máquina impulsora primaria (turbina).

2.2. Regulación de Tensión

Por otra parte, la tensión de salida es mantenida constante dentro de un determinado rango por los dispositivos de regulación de tensión, mientras que la corriente de salida del generador y el factor de potencia están determinados por el tipo de carga aplicada.