Puesta en Marcha de la Maquina Síncrona Como Generador.pdf

1
Puesta en Marcha de la Maquina Síncrona Como Generador.
Jesús Ayala, Oscar Bernal, Said Lara y Daniela Otero.
Máquinas eléctricas II.
Universidad de la costa
Facultad de ingeniería
Ing. Carlos Suarez.
Barranquilla, Atlántico.
10 de mayo del 2023.

2
Tabla de Contenido
Maquina Síncrona como Generador ................................................................................... 3
Puesta en Marcha del Generador Síncrono ..................................................................... 3
Sistemas de excitación .................................................................................................... 3
Excitación DC.......................................................................................................................... 4
Excitación AC.......................................................................................................................... 5
Excitación estática ................................................................................................................... 6
Circuito Equivalente........................................................................................................ 8
Operación bajo carga....................................................................................................... 9
Carga resistiva ......................................................................................................................... 9
Carga inductiva...................................................................................................................... 10
Carga capacitiva .................................................................................................................... 11
Aplicaciones.................................................................................................................. 12
Bibliografía ....................................................................................................................... 14

3
Maquina Síncrona como Generador
Los generadores síncronos tambien conocidos como alternadores son máquinas que se
utilizan para convertir potencia mecánica en potencia eléctrica de ca. De esta forma, para los
sistemas eléctricos de potencia, el generador síncrono es parte fundamental en las plantas de
generación de energía eléctrica. Por lo tanto, es necesario tener conocimiento de los principios
básicos de su conformación y operación (Chapman, 2005).
Por ejemplo, el generador síncrono de imanes permanentes encuentra aplicación en la
generación eólica y de corrientes de marea. Las razones de su despliegue se pueden resumir en
su eficiencia y en el hecho de que es autosostenible, es decir, no requiere energía eléctrica del
rotor externo (Barrett, 2021).
Puesta en Marcha del Generador Síncrono
Inicialmente, en un generador síncrono se produce un campo magnético en el rotor ya sea
mediante el diseño de éste como un imán permanente o mediante la aplicación de una corriente
de cd a su devanado para crear un electroimán. Seguidamente, el rotor del generador gira
mediante un motor primario, y produce un campo magnético giratorio dentro de la máquina. Este
campo magnético giratorio induce un conjunto de voltajes trifásicos dentro de los devanados del
estator del generador (Chapman, 2005), que finalmente, permiten la transformación de energia
mecánica en energia eléctrica.
Sistemas de excitación
Debido a que los generadores síncronos tienen su salida de voltaje en media tensión es
necesario hacer uso de un sistema de excitación en el campo para alcanzar el voltaje de salida. El
diseño del sistema de excitación es parte sustancial del generador debido a que además de

4
mantener el voltaje de salida estable, debe tener una respuesta rápida ante cambios repentinos de
carga de tal manera que no altere la estabilidad del sistema (Generador Síncrono, S.f.). En
términos generales los sistemas de excitación se clasifican de acuerdo con la fuente de poder que
se utiliza en la excitación de los cuales se derivan los siguientes:
• Corriente Continua (DC)
• Corriente Alterna (AC)
• Estática (pág. 5)
Excitación DC
Para el correcto funcionamiento del generador síncrono se debe suministrar una corriente
de cd al circuito de campo del rotor. Puesto que éste gira, se requiere de un arreglo especial para
que la potencia de cd llegue a los devanados de campo (Chapman, 2005). Existen dos formas
comunes de suministrar esta potencia de cd las cuales son:
• Suministrar al rotor la potencia de cd desde una fuente externa de cd por medio de
anillos rozantes y escobillas.
• Suministrar la potencia de cd desde una fuente de potencia de cd especial montada
directamente en el eje del generador síncrono.
Por otra parte, en los generadores y motores más grandes se utilizan excitadores o
excitatrices sin escobillas para suministrar a la máquina corriente de campo de cd. Un excitador
sin escobilla es un generador de ca pequeño con un circuito de campo montado en el estator y un
circuito de armadura acoplado en el eje del rotor. La salida trifásica del generador excitador se
rectifica a corriente directa por medio de un circuito rectificador trifásico (que también está
montado en el eje del generador) y luego se alimenta al circuito de campo de cd principal. Por

5
medio del control de la pequeña corriente de campo de cd del generador excitador (localizado en
el estator) es posible ajustar la corriente de campo en la máquina principal sin anillos rozantes ni
escobillas (Chapman, 2005). De esta forma, en la figura 1 se puede evidenciar un esquemático de
tipo de máquinas. Debido a que no se presenta ningún contacto mecánico entre el rotor y el
estator, los excitadores sin escobilla requieren mucho menos mantenimiento que los anillos
rozantes y las escobillas.
Figura 1
Circuito excitador sin escobillas.
Nota. obtenido de Maquinas Eléctricas Chapman, 2005.
Excitación AC
Este tipo de excitación utiliza alternadores como fuentes para la excitación del generador
de poder o principal. Generalmente los dos generadores están montados sobre el mismo eje. La
salida del primer generador es rectificada por un grupo de rectificadores. La salida de DC es
alimentada directamente al rotor del generador síncrono. La armadura del excitador de AC y los

6
rectificadores giran sobre el mismo eje. En este tipo de sistemas el rectificador trifásico
reemplaza al conmutador, los anillos rozantes y las escobillas. A continuación, se explicarán
brevemente las formas de excitación en AC (Generador Síncrono, S.f.).
La rectificación estacionaria se realiza mediante rectificadores estacionarios, por lo cual
la excitación se hace a través de anillos deslizantes. El excitador se presenta en modo auto
excitado, por lo que su campo se obtiene a través de un rectificador con tiristores que toma la
energía a la salida del alternador excitador, con lo que se logra tener un control sobre el mismo,
el cual puede modificar el voltaje a su salida y por extensión al voltaje de campo del alternador
de potencia o principal. Cabe mencionar que en este arreglo no se tiene control sobre los diodos
rectificadores (Generador Síncrono, S.f.).
Figura 2
Sistema de Rectificación Estacionario
Nota. Obtenido del documento Generadores síncronos, S.f.
Excitación estática
En estos sistemas de excitación todos los componentes son estáticos, desde los
rectificadores ya sean controlados o no, como la fuente de excitación de DC para el campo del

7
generador. Aquí la fuente de alimentación se obtiene desde del mismo generador, a través de un
transformador reductor conectado al mismo bus de fase aislada al que están conectadas las
terminales del estator del generador (Generador Síncrono, S.f.).
Figura 3
Sistema de Excitación Estático
Por otro lado, los generadores síncronos son por definición síncronos, lo que quiere decir
que la frecuencia eléctrica se produce y entrelaza o sincroniza con la tasa mecánica de rotación
del generador. El rotor de un generador síncrono consta de un electroimán al que se le suministra
corriente directa. El campo magnético del rotor apunta en la dirección en que gira el rotor.
Ahora, la tasa de rotación de los campos magnéticos en la máquina está relacionada con la
frecuencia eléctrica del estator por medio de la siguiente ecuación (Chapman, 2005).
Ecuación 1.
Donde:

8
• fe es la frecuencia eléctrica en Hz
• nm es la velocidad mecánica del campo magnético en r/min (igual a la velocidad del
rotor de una máquina síncrona)
• P son el número de polos (pág. 151)
Circuito Equivalente
Debido a las condiciones de operación de un generador síncrono se puede clasificar en
operación en vacío u operación con carga, a lo cual se tomará en consideración si se tiene un
generador de polos lisos o polos salientes. Derivado de las condiciones anteriores se puede
obtener dos circuitos equivalentes distintos. La primera condición, generador en vacío mostrado
en la figura 4, dependerá sólo de la excitación aplicada al devanado excitador, por lo que en el
devanado inducido se podría interpretar como una fuente de tensión alterna E, la cual tendrá una
magnitud de relación lineal a la magnitud del campo (Generador Síncrono, S.f.).
Figura 4
Circuito equivalente por fase.

9
Operación bajo carga
el actuar de los parámetros del generador presentan diferentes comportamientos
dependiendo bajo el contexto que se encuentre. Aquí se mencionarán las condiciones que se
presentarán cuando en las terminales de salida se conecta una carga y los cambios que sufre
gracias al tipo de carga que se conecte.
Carga resistiva
Cuando se conecta una carga resistiva pura se contará con un factor de potencia unitario,
encontrando la corriente en fase con el voltaje, alcanzando sus magnitudes máximas en el mismo
instante, con lo cual se obtendrá el diagrama fasorial siguiente (Generador Síncrono, S.f.).
Figura 5
Diagrama vectorial de un generador con carga resistiva
Del mismo modo la reacción del inducido genera f.m.m. desplazada 90° a la f.m.m.
generada por el inductor, teniendo una forma de onda resultante siguiente.
Figura 6
Reacción del inducido con carga resistiva

10
Carga inductiva
Cuando se tiene una carga inductiva pura conectada a las terminales de salida del
generador se presentará un desfase de 90° entre la corriente y la f.e.m., por lo que repercutirá de
tal forma que los valores máximos de las corrientes se verán desplazadas 90° con respecto al
máximo de las f.e.m.s (Generador Síncrono, S.f.), obteniéndose el diagrama fasorial siguiente.
Figura 7
Diagrama vectorial de un generador con carga inductiva
Del mismo modo la reacción del inducido genera una f.m.m. que se opone a la f.m.m. del
inductor, lo que describe que una carga inductiva pura produce una reacción desmagnetizante, la
cual reduce la f.m.m. resultante al igual que una reducción en la f.e.m. inducida (Generador
Síncrono, S.f.).
Figura 8
Reacción del inducido con carga inductiva

11
Carga capacitiva
Faltando de analizar los efectos de una carga capacitiva pura conectada a las terminales
del generador, se externa que la corriente alcanzará su valor máximo 90° eléctricos antes de que
el polo se sitúe en las extremidades de las espiras del inducido (Generador Síncrono, S.f.), punto
en que la f.e.m. es máxima, resultando el diagrama fasorial siguiente.
figura 9
Diagrama vectorial de un generador con carga capacitiva
Del mismo modo a los 2 casos anteriores el inducido genera una f.m.m., que fortalece a la
f.m.m. del inductor, de tal forma que provoca un efecto magnetizante.
Figura 10
Reacción del inducido con carga capacitiva

12
Debido a que las cargas conectadas a las terminales de salida del generador no son puras
se presentan un desfase comprendido entre -90° y +90° resultantes de las reacciones del
inducido, derivándose variaciones en la f.m.m. resultante, así como en el flujo en el entrehierro al
mismo tiempo que afecta a la f.e.m. obtenida en el inducido (Generador Síncrono, S.f.).
Es por lo que, los sistemas eléctricos de potencia es prioridad proporcionar y mantener
condiciones en las que el ángulo de desfasamiento entre la corriente y la f.e.m. sea cero o lo más
cercano a cero (Generador Síncrono, S.f.).
Aplicaciones
Por otro lado, como se mencionó anteriormente los generadores síncronos son muy
implementados en la generación de energia eléctrica por medio de parques eólicos o corrientes
de marea, de manera que, muchos campos investigativos están enfocados a analizar y
comprender el funcionamiento de los generadores síncronos en estas aplicaciones.
De este modo, en el articulo tomado como base se realiza un sistema de monitoreo de la
temperatura de generadores síncronos de imanes permanentes, permitiendo asi que, su propuesta
explore los valores de temperaturas relativas a lo largo del tiempo con el propósito de detectar
cortocircuitos entre vueltas del estator (Barrett, 2021).

13
Por consiguiente, aunque la propuesta aún se encuentra en la etapa de laboratorio, ha
tenido éxito en la captura de cambios de temperatura a lo largo del tiempo y ha sido sólido en la
detección de cortocircuitos entre espiras del estator dentro de un período corto de puesta en
marcha (Barrett, 2021).
Asimismo, el campo investigativo también se ha enfocado en mejorar y optimizar los
diseños de los generadores síncronos, por lo que, en otro articulo consultado se presenta el
diseño y análisis de generadores eólicos de devanado de campo de transmisión directa (Mirzaei
& Mirjalili, 2012).
En este trabajo, el análisis magnético de los aerogeneradores se realiza mediante el
método de elementos finitos. Las temperaturas de la estructura del generador eólico se analizan
mediante cálculos térmicos numéricos. Finalmente, también se diseña y analiza un generador
eólico de imanes permanentes de transmisión directa para comparar el rendimiento y las
dimensiones de los generadores eólicos de devanado de campo (Mirzaei & Mirjalili, 2012).

14
Bibliografía
Barrett, M. (2021). Analysis of Temperature Change in a Permanent Magnet Synchronous
Generator under Load due to Stator Winding Inter-Turn Short Circuit. International
Conference on Electical Drives and Power Electronics, 56–61.
https://doi.org/10.1109/EDPE53134.2021.9604109
Chapman, S. J. (2005). MÁQUINAS ELÉCTRICAS.
Mirzaei, M., & Mirjalili, S. M. R. (2012). Direct drive field winding synchronous generators for
medium power wind turbines. IET Conference Publications, 2012(592 CP).
https://doi.org/10.1049/CP.2012.0189
(S.f.). Obtenido de
http://www.ptolomeo.unam.mx:8080/jspui/bitstream/132.248.52.100/630/4/A4.pdf

Puesta en Marcha de la Maquina Síncrona Como Generador.pdf

Recomendados

Recomendados

Más contenido relacionado

Similar a Puesta en Marcha de la Maquina Síncrona Como Generador.pdf

Similar a Puesta en Marcha de la Maquina Síncrona Como Generador.pdf (20)

Último

Último (20)

Puesta en Marcha de la Maquina Síncrona Como Generador.pdf