Generador Síncrono: Principios, Construcción y Funcionamiento Eléctrico
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Los generadores síncronos, también conocidos como alternadores, son máquinas síncronas diseñadas para convertir energía mecánica en potencia eléctrica de corriente alterna (CA).
Construcción de Generadores Síncronos
En un generador síncrono, se aplica una corriente de corriente directa (CD) al devanado del rotor, lo que genera un campo magnético en el mismo. El rotor, impulsado por un motor primario, produce un campo magnético giratorio dentro de la máquina.
Devanados de Campo
Se refieren a los devanados que producen el campo magnético principal en la máquina.
Devanados del Inducido (Armadura)
Se aplican a los devanados donde se induce el voltaje principal.
Nota: En las máquinas síncronas, los devanados de campo suelen estar en el rotor. Por esta razón, los términos "devanados del estator" y "devanados del inducido" se utilizan a menudo de forma indistinta.
Un generador síncrono es, en esencia, un gran electroimán. Sus polos pueden ser de tipo saliente o no saliente.
Polos Salientes
Este término describe polos magnéticos que se proyectan hacia afuera o son prominentes desde la superficie del rotor.
Polos No Salientes (Cilíndricos)
Se refiere a un polo magnético construido al mismo nivel de la superficie del rotor, creando una superficie cilíndrica lisa.
Suministro de Potencia CD al Rotor
Existen dos formas comunes de suministrar potencia de corriente directa (CD) a un generador:
- Suministrar al rotor la potencia de CD desde una fuente externa mediante anillos rozantes y escobillas.
- Suministrar la potencia de CD desde una fuente de potencia especial montada directamente en el eje del generador síncrono (excitador sin escobillas).
Escobillas
Son bloques de un compuesto de carbón, similar al grafito, que conducen electricidad libremente y poseen una fricción muy baja, minimizando el desgaste de los anillos rozantes.
Excitadores Sin Escobillas
En generadores y motores de mayor tamaño, se emplean excitadores o excitatrices sin escobillas para suministrar corriente de campo de CD a la máquina. Un excitador sin escobillas es, en esencia, un pequeño generador de CA con un circuito de campo montado en el estator y un circuito de armadura montado en el eje del rotor.
Excitador Piloto
Un excitador piloto es un pequeño generador de CA que incorpora imanes permanentes montados en el eje del rotor y un devanado trifásico en el estator.
Velocidad de Rotación de un Generador Síncrono
Los generadores síncronos son, por definición, máquinas síncronas. Esto implica que la frecuencia eléctrica generada está directamente entrelazada o sincronizada con la velocidad mecánica de rotación del generador.
¿Por qué se denomina Generador Síncrono?
Se le llama generador síncrono porque el movimiento del rotor coincide precisamente con la velocidad del campo magnético giratorio que produce.
Diferencia entre Voltaje Generado y Voltaje en Terminales
¿Por qué el voltaje de salida (generado) de una fase no es igual al voltaje en las terminales, y cuál es la relación entre estos voltajes?
Las principales razones por las que el voltaje generado difiere del voltaje en las terminales son:
- La distorsión del campo magnético en el entrehierro debido a la corriente que fluye en el estator, conocida como reacción del inducido.
- La autoinductancia de las bobinas del inducido (armadura).
- La resistencia de las bobinas del inducido.
- El efecto de la forma del rotor de polos salientes.
En resumen: El voltaje generado internamente en el generador es diferente al voltaje medido en sus terminales de salida.
Para una corriente de campo y una magnitud de corriente de carga dadas, el voltaje en las terminales es menor para cargas con factor de potencia en retraso (inductivas) y mayor para cargas con factor de potencia en adelanto (capacitativas).
Conceptos Clave
Par (Torque)
Se define como dos fuerzas de igual magnitud pero sentidos opuestos, que tienden a producir rotación.
Pérdidas en la Máquina
La diferencia entre la potencia de entrada mecánica y la potencia de salida eléctrica representa las pérdidas internas en la máquina.
Equivalencias de Potencia
1 HP (Caballo de Fuerza) = 746 W = 0.746 kW
Potencia de Salida
La potencia real de salida es directamente proporcional a las siguientes cantidades:
... y la corriente en la armadura.
Reluctancia
Se define como la oposición al establecimiento de un campo magnético.
Valores Nominales
Se refieren a los valores de operación estándar y seguros de un equipo.