Operación en los Cuatro Cuadrantes.

La figura  siguiente muestra la operación de una máquina síncrona en los cuatro cuadrantes de un diagrama P-Q. En el diagrama se considera potencia activa positiva cuando ésta es suministrada a la red, con lo cual los cuadrantes I y IV corresponden a la máquina operando como generador. En el caso de la potencia reactiva, ésta es positiva si se está inyectando a la red, lo cual se consigue en los cuadrantes I y II.

Los puntos señalados en el diagrama corresponden a las condiciones de operación definidas

en la Tabla 1.

Conexión de Generadores Síncronos en Paralelo.

El motivo por el cual los generadores sincronos se conectan en paralelo es que a medida que incrementan las necesidades de carga, se requiere generar más energía eléctrica y la forma en que se puede ir incrementando la generación es conectar más generadores síncronos en paralelo. Además los generadores síncronos a excepción del acoplamiento mecánico, ellos ordinariamente no pueden operar en serie, son estables solamente cuando operan en paralelo. Si uno de los generadores conectados en paralelo adelanta su propia fase respecto a otro, más carga es automáticamente manejada por este. Al mismo tiempo el otro generador, retarda su propia fase cediendo alguna de su carga. El resultado es que el generador que maneja más carga pierde velocidad, pero el que la cede la aumenta su velocidad hasta que la relación de fase propia es restablecida. Este cambio de carga entre los dos generadores en paralelo es equivalente a la transferencia de energía de uno a otro. No obstante es algunas veces convenientes considerar el cambio de carga como un intercambio de energía ya que la transferencia real de energía no se lleva a cabo, excepto cuando la carga en el sistema es cero o cuando la carga en un generador es menor que el cambio requerido en su carga para restablecer el sincronismo.

Las condiciones ideales de operación para los generadores sincronos en paralelo son tener sus KVA´s de salida proporcionales a sus rangos de KVA y tener sus corrientes de salida en fase una con otra y por consiguiente en fase con al corriente de carga. Bajo estas condiciones la corriente resultante entregada a la carga por los generadores sincronos en paralelo es igual a la suma aritmética de las corrientes de salida de los generadores individuales.

las condiciones bajo las cuales los generadores sincronos pueden operar satisfactoriamente en paralelo, son tan limitadas como para los transformadores en paralelo. Cuando llos transformadores operan en paralelo, son conectados en paralelo tanto en el lado primario como el secundario. Todos los voltajes del primario y secundario deben ser iguales en magnitud y fase, bajo estas condiciones las salidas relativas de los transformadores y los factores de potencia a los cuales operan son fijados por las constantes de los transformadores. Cuando los generadores sincronos están en paralelo, sus voltajes en terminales son iguales y están en fase ,estos voltajes corresponden a los del secundario de los transformadores, no obstante que los voltajes de excitación de los generadores corresponden a los voltajes del primario de los transformadores, los voltajes no necesitan ser iguales en magnitud y fase. Ellos pueden ser ajustados en magnitud y fase, cambiando la cantidad relativa de potencia dada a los generadores y al mismo tiempo cambiando sus excitaciones relativas. De este modo los generadores sincronos pueden dividir los Kw de carga en cualquier modo deseado y operar a cualquier factor de potencia deseado.

Para que un generador sincrono pueda conectarse en paralelo con otros ya funcionando se requiere que el generador entrante cumpla con los siguientes requisitos:

1.    Igual secuencia de fases en los voltajes de generación.

Esto significa que la secuencia de fases en los voltajes de generación en el generador entrante debe ser igual a la del bus al cual se va a conectar. Para verificar esto se necesita un secuencímetro.

2.    Que la velocidad del generador entrante corresponda exactamente con al frecuencia del sistema al que se va a conectar.

En realidad en el instante de conectar las frecuencias del generador entrante y la del bus, no pueden ser iguales, ya que de otra manera no podría verse en instante de correspondencia de fases. En virtud de que el generador entrante, va conectarse para contribuir con el sistema, la frecuencia del generador entrante debe ser ligeramente mayor que la del bus ( 1/3 de ciclo aprox. ), para que en el instante que se conecte empiece a manejar parte de la potencia activa y ya conectado entonces sí, las frecuencias se igualan.

1.    La tensión del generador entrante debe ser numéricamente igual a la del bus ( sistema en los bornes en que efectúe la conexión ).

2.    Debe existir correspondencia de fases ( momento en que debe cerrarse el interruptor que conecta al generador entrante ).

La correspondencia de fases significa: que si los voltajes del bus en cada una de sus fases tienen un valor determinado, los voltajes del generador entrante en cada una de sus fases debe tener el mismo valor, en pocas palabras entre sus terminales que se conectan no debe existir diferencia de potencial.

para checar correspondencia de fases existen en forma práctica varios métodos los usuales son los siguientes:

1.    Lamparas de sincronización.- Una antigua forma de indicador de sincronismo, que todavía se utiliza algunas veces, exige el empleo de lamparas incandescentes conectadas de manera tal que un evento especifico de encendido o apagado de las lamparas se presente solo una vez y este corresponda al instante de correspondencia de fases y señale así el instante en el cual debe cerrarse el interruptor.

a).- método de lamparas abiertas:

Como podrá observarse el instante de sincronismo corresponderá al instante cuando la lampara 1 y 2 están apagadas. Debe tenerse cuidado antes de operar estas lamparas para sincronización, debe checarse el buen estado de ellas.

b).- Método de lamparas cruzadas:

En el instante de sincronismo ambas lamparas 1 y 2 encendidas al voltaje de línea.

c).- Método de Siemens haslke:

2.    Uso de Sincronoscopio. El sincronizador lincoln ha sustituido casi totalmente el empleo de las lamparas de sincronización, aunque en algunas ocasiones se utilizan las dos conjuntamente. El Sincronoscopio consiste en un pequeño motor bipolar, cuya estructura laminada del campo es excitada desde las barras colectoras ( bus ) a una frecuencia f₁ = w/2p, a través de una resistencia R_f, que es lo suficientemente grande para tener la seguridad que la corriente de excitación estará en fase con la tensión aplicada V.

El inducido tiene dos devanados R y X en cuadratura alimentados desde el generador entrante cuya frecuencia  f₂ =w´/2p, y tensión V´ pueden ser mayor o menores que la del bus. Un devanado esta en serie, mediante anillos de contacto, con una resistencia no inductiva R y el otro esta en serie, mediante anillos de contacto, con una resistencia no inductiva R y el otro esta en serie con una reactancia X de valor tal, que las corrientes en los devanados están muy próximas a cuadratura de tiempo y sus fmm´s eficaces son iguales; en otras palabras, la corriente en el devanado X se atrasa con respecto a V´en casi 90º. Se supone que la tensión inducida en bobinas del inducido R y X por la alternancia del flujo de excitación es despreciable y que la tensión inducida en F por los flujos debidos a los devanados R y X es también despreciables.

De acuerdo con estas hipótesis es posible considerar independientemente el par que actúa sobre la bobina R debido a la reacción entre su corriente y el flujo establecido por el campo F y el correspondiente par que actúa sobre la bobina X debido a su reacción con la bobina F. La corriente en la bobina R esta en fase con V´ y el flujo debido a F esta en fase con V. Mientras que el generador entrante esta adquiriendo velocidad, el ángulo de fase entre V y V´esta variando constantemente, si este ángulo d, en el instante en que los ejes de los devanados R y F están desplegados mecánicamente por el ángulo q, el par que actúa sobre la bobina R es:

T_R = K Sen q Cos d´

Flujo de Dispersión

Todo el flujo magnético que es creado por cada polo principal no entra al núcleo de  armadura a través del entrehierro, algún flujo escapa de la superficies laterales del núcleo del polo y zapata polar, pasa a través de la zona interpolar y entra en iguales superficies de polos adyacentes. Para la mayoría de las máquinas bien diseñadas este es el llamado flujo de dispersión y representa alrededor del 10 al 20 % del flujo que es útil en el proceso de generación de voltaje. El área del núcleo del polo debe ser determinada sobre una base de valores actuales de flujo y de densidades de flujo permisible, un factor de dispersión I_f es útil para realizar estos cálculos. Es definido como la razón de flujo total por polo al flujo útil de armadura y es dado por:

I_f = (f + f₁ ) / f

Donde:

f = Flujo útil de armadura                                     f₁= Flujo de dispersión

GENERADORES CON EXCITACIÓN SEPARADA Y AUTOEXCITADOS.

Hay dos clasificaciones de generadores de C.D.

Que la máquina sea autoexcitada o con excitación independiente depende de la clase de servicio y condiciones de operación, pero los siguientes puntos practicos deberán ser considerados en esta conexión.

1.    Los generadores con excitación independiente son usados con poca frecuencia.

2.    En el caso de un generador compuesto excitado independientemente, solamente el campo shunt es excitado por una fuente externa de CD; bajo tal condición puede ser dicho que la máquina es dualmente excitada.

3.    El campo serie de un generador compuesto puede ser colocado en serie con la armadura o en serie con una de las líneas que alimenta la carga.

Las condiciones que deben llenarse para que un generador autoexcitado genere en el instante del arranque un voltaje arriba de Er son:

1.    La máquina debe desarrollar o generar un pequeño voltaje como resultado del magnetismo residual.

2.    La resistencia total del campo debe ser menor que la llamada “ Resistencia Crítica ”.

3.    La velocidad de la armadura debe estar arriba de la llamada “ Velocidad Crítica ”.

4.    Debe haber una adecuada relación entre la dirección de rotación y las conexiones del campo a las terminales de armadura. El valor del voltaje a el cual la máquina opera será determinado por la forma de la curva de magnetización y la resistencia total del circuito de campo.

Importancia de la Eficiencia en Maquinas de CD

Por  cualquiera de los métodos que se calcule la eficiencia o rendimiento h, observamos que ésta incrementa con aumento de la carga y alcanza un máximo y posteriormente cae.

Las máquinas de CD, son en general bien diseñadas, bien construidas y manufacturadas acorde a las normas standard de NEMA ( NATIONAL ELECTRICAL MANUFACTURES ASSOCIATION ). Además las máquinas cada vez están siendo mejoradas, usando mejores materiales de manera tal que se pueden obtener más grandes rangos de temperatura de operación y la continuidad de servicio es mejor bajo condiciones severas de operación.

La eficiencia tiene una influencia extremadamente importante sobre las características de operación de una máquina de CD, ya que afecta a factores tales como, la elevación de temperatura continua del servicio y costo de la energía eléctrica. Así una máquina que trabaja a una alta eficiencia pierde poca potencia e inversamente todas las pérdidas de potencia son convertidas a calor por lo cual se comprenderá que la elevación de temperatura de una máquina es en gran parte afectado por la eficiencia. Sí la elevación de temperatura excede a los valores preestablecidos de 40º C y 50º C, tenderá a causar una falla de aislamiento y eventual ruptura.

Obviamente que desde el punto de vista de calentamiento es deseable minimizar las pérdidas de manera tal que la eficiencia sea alta. Además si una máquina tiene baja eficiencia y la temperatura excede lo preestablecido es necesario usar abanicos de enfriamiento montados sobre el eje, lo cual requiere potencia adicional, bajando en consecuencia la eficiencia aún más.

Otra importante consideración cuando un gran número de motores son empleados, es el costo de operación. Los costos de energía debido a las pérdidas, como un porcentaje del costo total de operación se elevan a medida que la eficiencia cae.

Es generalmente cierto que las máquinas más grandes son más eficientes que las pequeñas, también las máquinas a más altas velocidad funcionan mejor que las de baja velocidad desde el punto de vista de eficiencia. Tales condiciones resultan del hecho de que las pérdidas, como un porcentaje de la entrada total, tienden a ser menores para las altas capacidades y altas velocidades, tanto en motores como generadores.

Eficacia de un Generador.

La eficiencia de una máquina es definida como la razón de su potencia útil de salida a la potencia total de entrada. En el generador la eficiencia es la razón de la potencia eléctrica de salida Po = VI_L a la potencia mecánica de entrada Pi convertida a watt así:

           

            Po = Potencia de salida.

Pi = Potencia de entrada.

P_L = Pérdidas totales para un valor dado de Po.

Pi = Po + P_L

%h= ( Po / Pi ) x 100

Po = Pi - P_L

En la práctica existen dos métodos para determinar la eficiencia o rendimiento de un generador:

1.    Método Convencional, basado en cálculo de las pérdidas.

2.    Método Directo, en el cual se mide directamente Pi. Este método es difícil de realizarse prácticamente, poco preciso y se desperdicia mucha energía cuando las máquina son comparativamente grandes. La falta de exactitud resulta debido a que las eficiencias de generadores son comparativamente altas, lo cual significa que la entrada y la salida no difieren grandemente, pequeños errores numéricos al realizar las mediciones, dan como resultado relativamente grandes porcentajes de errores. Para pequeñas máquinas el método directo es simple, barato y preferido respecto al método de pérdidas. Además es exacto debido a que las eficiencias son bajas y en consecuencia existe una diferencia apreciable entre la potencia de entrada y la potencia de salida.

Perdidas por Corriente de Eddy.

A medida que la armadura gira, se generan voltajes en el hierro de la misma manera que en los conductores de cobre, tales voltajes son nocivos, debido a que crean un flujo de corriente en forma de remolinos. Las corrientes de Eddy ( remolino ) resultan debido a que las fem´s generadas en los filamentos de hierro que corren paralelos al eje, son mayores en los externos que en los internos, ya que la razón de corte de flujo es mayor externamente. Así estas corrientes de Eddy tiene caminos que en su gran mayoría son para lelas al eje y el nodo lógico de minimizarlos es introducir altas resistencias en estos caminos. La forma práctica en que se realiza estos, es laminar el núcleo y a cada laminación se le aplica barniz aislante de alta resistencia. Esto lógicamente no afecta los caminos de flujo normal. Las corrientes de Eddy son proporcionales al cuadrado del espesor.

Pe = Ke f² t² B² v

Ke = Constante que depende de la resistividad del hierro y de las dimensionales empleadas.

f = Frecuencia ( cps ).

t = Espesor de las laminaciones ( Cm ).

B = Densidad Máxima de flujo en el núcleo ( Web / Cm² ).

v = Volumen de hierro en el núcleo ( Cm³ ).

Estas pérdidas son electromagnéticas pero resultan por que la armadura gira.

Generador Eléctrico de CD

CONMUTACIÓN:

De la anterior discusión deberá ser clara que el voltaje generado, al igual que la corriente, en un devanado de armadura de C. D. es alterno. La frecuencia f en ciclos por segundo es proporcional a la velocidad en rps, ( rpm / 60 ), y el número de pares de polos (  p/2 ).

Sistemas de Enfriamiento en Generadores Sincrono.

En el sistema convencional de enfriamiento el gas hidrogeno se hace circular por medio de un ventilador interno y una vez que la perdida de calor producida en el generador se absorbe por el agua de enfriamiento, el gas circula de 30 a 40 veces por minuto. Usando gas hidrogeno es posible aumentar la potencia asignada incrementando la presión del gas, posteriormente los adelantos obtenidos en los materiales de rotor y otros componentes han permitido un aumento constante en la potencia de estas unidades. En los generadores enfriados por hidrogeno en forma convencional no obstante que se utilizan presiones mayores de 2 Kg / cm² se dificulta aumentar la potencia debido al grueso espesor de la pared de aislamiento de la bobina de excitación. Para evitar este problema ya se utilizan turbogeneradores enfriados internamente, en este caso a los conductores de estator y rotor se les perfora y se alimentan a través de los  agujeros gas hidrogeno a alta velocidad y a mayor presión que el sistema convencional.

VENTAJAS DEL USO DE HIDROGENO.

1.    El hidrogeno posee poca densidad y por lo tanto se reducen las pérdidas aerodinámicas.

2.    Como el gas hidrogeno tiene una alta conductividad térmica y un alto coeficiente de transferencia térmica por su superficie, el aumento de la potencia por volumen de unidad del material activo se ve asegurada, con el hidrogeno se pueden fabricar turbogeneradores de mayor potencia.

3.    Se reducen los gastos de mantenimiento ya que el sistema cerrado del gas de recirculación no permite la entrada de polvo y humedad.

4.    La vida útil del aislamiento del devanado del estator se prolonga debido a que la ausencia de oxigeno y de humedad disminuyen el efecto corona que pudiera presentarse durante condiciones normales.

5.    El ruido aerodinámico se reduce por la menor densidad del gas y por el sistema cerrado de ventilación.

6.    El generador enfriado por hidrogeno es muy apto para usarse en exteriores.

Sistemas de Excitación.

Un sistema de excitación o un sistema de control de excitación es una combinación de aparatos diseñados para suministrar y controlar la corriente de campo del generador por medio de reguladores automáticos. En la operación del sistema eléctrico en estado estable el sistema de excitación controla el voltaje del generador y también es el medio para distribuir la potencia reactiva para los generadores operados en paralelo.

El sistema de excitación de los generadores síncronos esta constituido por los siguientes elementos:

1)    .- El devanado de campo, localizado en las ranuras del rotor o sobre los polos en forma de bobinas. Las conexiones del devanado de campo pasan a lo largo de la flecha y son conectadas a anillos  deslizantes montados en la flecha que son alimentados con corriente directa a través del contacto con escobillas o por un puente rectificador montado sobre la flecha en la máquina síncrona. ( En los sistemas de excitación sin escobillas ).

2)    .-El excitador, que es la fuente de CD con un equipo auxiliar. Puede ser un generador de CD, un alternador con rectificación o con un rectificador estático. Dependiendo del tipo de excitador, el sistema de excitación puede ser clasificado  como electromecánico o electrónico. Los sistemas de CD pueden ser autoexcitados o con excitación independiente. En los alternadores una configuración normal ( campo rotatorio y armadura estática ) la señal rectificada se suministra al arrollamiento de excitación a través de anillos deslizantes. En el sistema de excitación con generador invertido, la armadura se encuentra en el rotor, por lo tanto la conexión al devanado de campo del generador se hace directamente sin la necesidad de anillos y escobillas. En los sistemas de excitación estáticos no existen elementos rotatorios, la señal de corriente directa se obtiene de dispositivos electrónicos en configuraciones diversas, la alimentación al devanado de campo se hace a través de anillos y escobillas.

3)    .- El regulador automático de voltaje ( RAV ) que trata de controlar la corriente de campo de la máquina síncrona, de acuerdo con criterios específicos. Los sistemas de excitación logran evolucionar, sustituyendo los elementos electromecánicos por elementos estáticos, aumentando significativamente la respuesta en el tiempo.

4)    .- Circuito y Sistemas auxiliares para estabilización interna, limitadores de corriente de campo máxima y mínima, cambio de operación nominal,etc.

El control automático de excitación de los generadores síncronos es un medio importante para conseguir la calidad necesaria de la energía eléctrica, estabilidad y confiabilidad del servicio eléctrico.

Configuración simplificada de los componentes de un sistema de excitación.

Sistema Inductor a Rotor Cilindrico.

Su empleo es obligado en la construcción de turbo alternadores, puesto la enorme velocidad angular que se alcanza impide una buena sujeción de los devanados inductores.  Las espiras de las bobinas inductoras se alojan en ranuras semejantes a las del inducido, generalmente fresadas pero dejando un espacio sin conductores para el centro de cada polo.

Actualmente se construyen 4 tipos de Turborotores:

a)    Turborotor Macizo.- El rotor y el eje constituyen una sola pieza, generalmente de acero especial templeado por enfriamiento rápido en baño de aceite y después recocido.

b)    Turborotor de Tambor.- Consiste de un cilindro hueco forjado sobre mandril en el que introduce por ambos extremos los muñones del eje separados, formados a forja y asentados en caliente para que se contraigan al enfriarse.

c)    Turborotor de Placas.- Constituido por un eje macizo o hueco con anillos discoidales encajados en su interior. Se emplea este tipo constructivo en máquinas tetrapolares o hexapolares.

d)    Turborotor de Discos.- Esta formado por discos ajustados entre sí, el eje esta constituido por dos extremos y dos muñones sobre los que se comprimen los discos por medio de pernos pasantes y bridas.

Debido a su configuración constructiva, el arrollamiento de un Turborotor esta constituido por bobinas de diferente ancho. Las bobinas están constituidas con cinta desnuda de cobre de sección rectangular, bobina de canto y separados entre sí por tiras aislantes intermedias, generalmente de micarta con fibra de vidrio.