Máquinas Síncronas y Alternadores: Principios, Constitución y Conexión a Red Eléctrica

Máquinas Síncronas: Fundamentos y Funcionamiento

Las máquinas síncronas son convertidores electromagnéticos rotativos que, girando a la velocidad constante de sincronismo, transforman energía mecánica en energía eléctrica bajo la forma de corrientes alternas o viceversa. Es decir, al igual que las demás máquinas rotativas, las máquinas síncronas son reversibles.

Constitución de las Máquinas Síncronas

Constan de un devanado inducido y un devanado inductor, enlazados por un campo magnético. Se caracterizan por:

• Tener el devanado inducido en el estator, alojado en las ranuras practicadas en la superficie cilíndrica interna de la corona rotórica.
• Tener el devanado inductor en el rotor, alimentado con corriente continua.

Para máquinas pequeñas, la excitación se realiza con imanes permanentes.

El Alternador: Generador Síncrono de Corriente Alterna

Se denomina alternador a la máquina síncrona capaz de producir fuerza electromotriz (FEM) sinusoidal. Es el generador universal de corriente alterna, y su utilización está generalizada en todo tipo de centrales productoras de electricidad.

Principios de Funcionamiento del Alternador

Considerando la máquina síncrona elemental formada por una bobina simple de N espiras diametralmente opuestas tanto en el rotor como en el estator:

1. Si excitamos el devanado rotórico (inductor) con una corriente continua, se generará un campo magnético.
2. Mediante un par exterior, hacemos girar el rotor a una velocidad constante.
3. El ángulo que forman los dos campos magnéticos da lugar a una fuerza electromotriz (FEM) en el estator.

De esta manera, obtenemos en los bornes de la bobina una tensión sinusoidal desfasada π/2 respecto del flujo, lo que configura un alternador monofásico bipolar.

Para conectar el generador a la red, es necesario que gire a la misma velocidad de sincronismo, provocando una frecuencia igual a la de la red. Controlando la excitación, se consigue que trabaje con cualquier factor de potencia (puede absorber o ceder potencia reactiva).

Generador Síncrono en Carga: Reacción del Inducido

Cuando el generador trabaja en vacío, el único flujo existente es el de la excitación del rotor. Sin embargo, cuando suministra corriente a una carga, dicha corriente produce un campo magnético giratorio al circular por los devanados del estator. Este campo genera un par opuesto al del giro, que es contrarrestado mediante potencia mecánica externa. El flujo resultante dependerá de si la carga es capacitiva o inductiva. A este fenómeno se le conoce como reacción del inducido.

Generador Síncrono Aislado

En esta configuración, el generador alimenta una carga de forma independiente. Por lo tanto, la tensión de alimentación puede variar y el factor de potencia de la carga es fijo.

Características clave:

• Un aumento de la excitación provoca un aumento en la tensión de salida.
• Un aumento en la potencia mecánica resulta en un aumento de la velocidad de giro y, consecuentemente, de la frecuencia.

Generador Síncrono Conectado a la Red

En este caso, el generador está conectado a una red eléctrica que ya cuenta con otros generadores. Su potencia individual es, por lo general, pequeña en comparación con la potencia total de la red. Por lo tanto, la tensión de alimentación y la frecuencia son determinadas por la propia red.

Efectos de los ajustes:

• Un aumento de la excitación incrementa la potencia reactiva entregada.
• Un aumento en la potencia mecánica resulta en un aumento de la potencia activa entregada.