Máquinas Síncronas: Principios de Funcionamiento y Aplicaciones
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Principio de Funcionamiento de las Máquinas Síncronas
En las máquinas de corriente alterna síncronas, en régimen permanente, el rotor gira en sincronismo con el campo magnético resultante de la acción conjunta del campo rotórico y del estatórico.
El principal campo de aplicación de este tipo de máquina es como generador, conocido como alternador, aunque, como cualquier máquina eléctrica, es reversible y puede trabajar como motor.
Está constituida por dos circuitos eléctricos unidos por un circuito magnético. Uno de los circuitos eléctricos, alimentado con corriente continua, constituye el devanado inductor o de excitación, el cual se encuentra alojado en el órgano giratorio, o rotor, de la máquina. El otro circuito eléctrico, en el que se inducen fuerzas electromotrices, constituye el devanado inducido y se ubica en la parte fija, o estator, de la máquina.
El circuito magnético está formado por dos núcleos, rotórico y estatórico, y un entrehierro.
El funcionamiento de la máquina síncrona como generador se basa en la ley de inducción de Faraday. Mediante una máquina motriz se hace girar el rotor, alimentado con corriente continua, creando así un campo magnético giratorio en el entrehierro, de manera que las distintas bobinas alojadas en el inducido (estator) concatenen un flujo variable, induciéndose en consecuencia fuerzas electromotrices en ellas.
En el funcionamiento de la máquina síncrona como motor, el devanado inducido (estatórico) se alimenta con corriente alterna y el devanado inductor (rotórico) con corriente continua. El campo magnético producido por el devanado estatórico reacciona con el rotórico creando un par de fuerzas que obliga al rotor a girar.
Tipos de Máquinas Síncronas
Según el tipo de construcción del rotor, se distinguen las máquinas de rotor liso y las máquinas de polos salientes.
En una máquina síncrona, la velocidad de régimen viene fijada por el número de pares de polos y por la frecuencia de la red de alimentación.
En el estudio de los fenómenos que ocurren en todas las máquinas giratorias hay que tener presente el concepto de ángulo eléctrico. En general, la relación que existe entre las magnitudes angulares geométricas y las eléctricas.
Funcionamiento en Vacío
En el funcionamiento en vacío de la máquina síncrona, la f.e.m. inducida depende de:
- Características constructivas de la máquina (kf, kd, kp y Ne) que permanecen constantes en el funcionamiento de la misma.
- De la frecuencia impuesta, igualmente constante.
- Del flujo útil, dependiente de la corriente de excitación.
Por tanto, la f.e.m. inducida varía de la misma manera que el flujo frente a la corriente de excitación (característica del circuito magnético). En vacío, la tensión simple coincide con la f.e.m. inducida.
Funcionamiento en Carga
Al circular corriente eléctrica por el devanado inducido (funcionamiento en carga), la tensión en bornes es, generalmente, distinta a la de vacío.
La diferencia que existe entre la tensión en bornes en vacío y en carga se debe a la existencia de:
- Resistencia del devanado inducido (Ri).
- Inductancia de dispersión del devanado inducido (Xa).
- Reacción del devanado inducido.
En carga, la intensidad que circula por el devanado inducido crea una fuerza magnetomotriz alterna senoidal en el entrehierro, de reacción del devanado inducido, que gira en sincronismo con la creada por el devanado rotórico. La composición de ambas da lugar a un único campo magnético alterno senoidal distinto al que existía en vacío.
El efecto de la reacción de inducido sobre el campo inductor de la máquina varía fundamentalmente con la intensidad demandada por la carga (módulo y argumento), con la saturación del circuito magnético y con el tipo constructivo del rotor (variabilidad del entrehierro). Esto condiciona la utilización de distintos métodos en el estudio de la máquina síncrona en servicio.
En el análisis del funcionamiento de la máquina síncrona es especialmente interesante conocer el valor de la corriente de excitación rotórica para unas condiciones de carga determinadas (U, I, cos(φ)) así como la regulación de la misma.