Tipos de generadores sincronos

Resumen

El generador síncrono (alternador) es un tipo de
máquina eléctrica rotativa capaz de transformar
energía mecánica en energía
eléctrica. A estos también se los conoce como
Máquinas Síncronas, la razón por la que se
llama generador síncrono es la igualdad entre la
frecuencia eléctrica como la frecuencia angular, es decir,
el generador girara a la velocidad del campo
magnético, por lo que a esta igualdad de frecuencias se le
denomina sincronismo. Los generadores constan fundamentalmente
del rotor y el estator, ambos con devanados.

Esta máquina funciona alimentando al rotor o
circuito de campo por medio de una batería es decir por
este devanado fluirá CC., mientras q en el estator o
circuito de armadura la corriente es alterna CA.

Principalmente en este trabajo se hace un estudio
profundo de los principales generadores síncronos como son
el generador de polos salientes en el estator, el generador de
polos salientes en el rotor, generador de polos lisos y el
generador sin escobillas, sus formas, su construcción,
cualidades de cada diseño etc.

PALABRAS CLAVE: polos, rotor, estator.

Introducción

El generador síncrono está compuesto
principalmente de una parte móvil o rotor y de una parte
fija o estator, el principio de funcionamiento de un generador
síncrono se basa en la ley de Faraday. Para
crear tensión inducida en el (estator), debemos crear un
campo magnético en el rotor o circuito de campo, esto lo
lograremos alimentado el rotor con una batería, este campo
magnético inducirá una tensión en el
devanado de armadura por lo que tendremos una corriente
alterna fluyendo a través de él.

Al operar como generador, la energía
mecánica es suministrada a la máquina por la
aplicación de un torque y por la rotación
del eje de la misma, una fuente de energía mecánica
puede ser, por ejemplo, una turbina hidráulica,
a gas o a vapor. Una vez estando el generador
conectado a la red eléctrica, su rotación es
dictada por la frecuencia de la red, pues la 
frecuencia de la tensión trifásica 
depende directamente de la velocidad de la
máquina.

Para que la máquina síncrona sea capaz de
efectivamente convertir energía mecánica aplicada a
su eje, es necesario que el enrollamiento de campo
localizado en el  rotor de la máquina sea
alimentado por una fuente de tensión continua de
forma que al girar el campo magnético generado
por los polos del rotor tengan un movimiento relativo a
los conductores de los enrollamientos del
estator.

Debido a ese movimiento relativo entre el campo
magnético de los polos del rotor, la intensidad del
campo magnético que atraviesa los enrollamientos del
estator irá a variar el tiempo, y así
tendremos por la ley de
Faraday una inducción de tensiones en las
terminales de los enrollamientos del estator.

Debido a distribución y
disposición espacial del conjunto de enrollamientos del
estator, las tensiones inducidas en sus terminales
serán alternas senoidales
trifásicas.

La corriente eléctrica utilizada para
alimentar el campo es denominada corriente de excitación.
Cuando el generador está funcionando aisladamente de un
sistema eléctrico, la excitación del campo
irá a controlar la tensión eléctrica
generada. Cuando el generador está conectado a un sistema
eléctrico que posee diversos generadores interligados, la
excitación del campo irá a controlar
la potencia reactiva generada.

Tipos de
construcción

La principal diferencia entre los diferentes tipos de
generadores síncronos, se encuentra en su sistema de
alimentación en continua para la fuente de
excitación situada en el rotor.

Excitación Independiente: excitatriz
independiente de continua que alimenta el rotor a través
de un juego de anillos rozantes y escobillas.

Excitatriz principal y excitatriz piloto: la
máquina principal de continua tiene como bobinado de campo
otra máquina de excitación independiente, accionada
por el mismo eje.

Electrónica de potencia: directamente,
desde la salida trifásica del generador, se rectifica la
señal mediante un rectificador controlado, y desde el
mismo se alimenta directamente en continua el rotor mediante un
juego de contactores (anillos y escobillas). El arranque se
efectúa utilizando una fuente auxiliar (batería)
hasta conseguir arrancar.

Sin escobillas, o diodos giratorios: la fuente de
continua es un rectificador no controlado situado en el mismo
rotor (dentro del mismo) alimentado en alterna por un generador
situado también en el mismo eje y cuyo bobinado de campo
es excitado desde un rectificador controlado que rectifica la
señal generada por el giro de unos imanes permanentes
situados en el mismo rotor (que constituyen la excitatriz piloto
de alterna).

Excitación estática: También
llamada excitación por transformador de compoundaje,
consiste en que el devanado de campo del rotor es alimentado
desde una fuente de alimentación a transformador y
rectificadores que toma la tensión y corriente de salida
del estator. El transformador, de tipo especial, posee dos
devanados primarios, llamados de tensión e intensidad, que
se conectan en paralelo y en serie a los bornes de salida del
estator. El transformador convierte la tensión de salida a
una más baja (30V aprox), que se rectifica y aplica al
rotor por medio de escobillas y anillos deslizantes. Es un
sistema con autorregulación intrínseca, ya que al
tener el bobinado serie, al aumentar el consumo sobre el
generador, aumenta el flujo del transformador y por lo tanto
aumenta la excitación del generador.

Partes de un
generador síncrono

A continuación se detalla las partes
fundamentales que componen un generador
síncrono:

Fig 1: Partes del
Alternador

• 1. Estator.

• 2. Rotor.

• 3. Sistema de enfriamiento.

• 4. Excitatriz.

• 5. Conmutador.

• ESTATOR

Parte fija de la máquina, montada envuelta del
rotor de forma que el mismo pueda girar en su interior,
también constituido de un material ferromagnético
envuelto en un conjunto de enrollamientos distribuidos al largo
de su circunferencia. Los enrollamientos del estator son
alimentados por un sistema de tensiones alternadas
trifásicas.

Por el estator circula toda la energía
eléctrica generada, siendo que tanto la tensión en
cuanto a corriente eléctrica que circulan son bastante
elevadas en relación al campo, que tiene como
función sólo producir un campo magnético
para "excitar" la máquina de forma que fuera posible la
inducción de tensiones en las terminales de los
enrollamientos del estator.

La máquina síncrona está compuesta
básicamente de una parte activa fija que se conoce como
inducido o ESTATOR y de una parte giratoria coaxial que se conoce
como inductor o ROTOR. El espacio comprendido entre el rotor y el
estator, es conocido como entrehierro.

Esta máquina tiene la particularidad
de poder operar ya sea como generador o como motor.

Su operación como alternador se realiza cuando se
aplica un voltaje de c-c en el campo de excitación del
rotor y a su vez éste es movido o desplazado por una
fuente externa, que da lugar a tener un campo magnético
giratorio que atraviesa o corta los conductores del estator,
induciéndose con esto un voltaje entre terminales del
generador.

Fig 3: Estator del
Alternador

Los elementos mas importantes del estator de un
generador de corriente alterna, son las siguientes:

• 1. Componentes mecánicas.

• 2. Sistema de conexión en
  estrella.

• 3. Sistema de conexión en
  delta.

Componentes mecánicas. Las
componentes mecánicas de un generador son las
siguientes:

• 1. La carcaza

La carcasa del estator está formada por bobinas
de campo arrollados sin dirección, soportadas en piezas de
polo sólidas. Las bobinas están ventiladas en su
extremo para proporcionar de esta forma una amplia
ventilación y márgenes de elevación
de temperatura.

La carcasa del estator es encapsulada por una cubierta
apropiada para proporcionar blindado y deflectores
de aire para una correcta ventilación de la
excitatriz sin escobillas.

• 2. El núcleo.

• 3. Las bobinas.

• 4. La caja de terminales.

Sistema de conexión en
estrella. Los devanados del estator de un generador
de C.A. están conectados generalmente en estrella, en la
siguiente figura T1, T2, T3 representan las terminales de linea
(al sistema) T4, T5, T6 son las terminales que unidas forman el
neutro.

Fig 4: conexión en
estrella

Sistema de conexión
delta. La conexión delta se hace conectando
las terminales 1 a 6, 2 a 4 y 3 a 5, las terminales de linea se
conectan a 1, 2 y 3, con esta conexión se tiene con
relación a la conexión estrella, un voltaje menor,
pero en cambio se incrementa la corriente de linea.

Fig 4: conexión en
delta

• ROTOR

Es la parte de la máquina que realiza el
movimiento rotatorio, constituido de un material
ferromagnético envuelto en un enrollamiento llamado de
"enrollamiento de campo", que tiene como función producir
un campo magnético constante así como en el caso
del generador de corriente continua para interactuar con el campo
producido por el enrollamiento del estator.

La tensión aplicada en ese enrollamiento es
continua y la intensidad de la corriente soportada por ese
enrollamiento es mucho más pequeño que el
enrollamiento del estator, además de eso el rotor puede
contener dos o más enrollamientos, siempre en
número par y todos conectados en serie siendo que cada
enrollamiento será responsable por la producción de
uno de los polos del electroimán.

Fig 5: Rotor del
Alternador

• Sistema de enfriamiento.

1. Generadores enfriados por
aire:

Estos generadores se dividen en dos tipos
básicos: abiertos ventilados y completamente cerrados
enfriados por agua a aire.

Los generadores de tipo OV fueron los primeros
construidos, el aire en este tipo de generadores pasa sólo
una vez por el sistema y considerable cantidad de materias
extrañas que pueden acumularse en las bobinas,
interfiriendo la transferencia de calor y afectando adversamente
al aislamiento.

Los generadores tipo TEWC, son un sistema de
enfriamiento cerrado, donde el aire recircula constantemente y se
enfría pasando a través del tubo del enfriador,
dentro de los cuales se hace pasar agua de circulación. La
suciedad y materias extrañas no existen en el sistema, y
puesto que se tiene agua de enfriamiento disponible, la
temperatura del aire puede mantenerse tan baja como se
desee.

2. Generadores enfriados por
hidrógeno:

Los generadores de mayor capacidad, peso, tamaño
y los más modernos, usan hidrógeno para
enfriamiento en vez de aire en circuito de enfriamiento
cerrado.

El enfriamiento convencional con hidrógeno puede
usarse en generadores con capacidad nominal aproximada de 300
MVA.

3. Generadores enfriados por hidrógeno /
agua

Pueden lograrse diseños de generadores aun
más compactos mediante el uso de enfriamiento con agua
directo al devanado de la armadura del generador. Estos
diseños emplean torones de cobre a través de los
cuales fluye agua desionizada. El agua de enfriamiento se
suministra vía un circuito cerrado.

Tipos de
diseños

A continuación vamos a enumerar cuales son los
tipos de diseños que se encuentran en la
construcción de generadores síncronos. Estos
son:

• De polos salientes en el estator

• De polos salientes en el motor

• Generador sin escobillas

Ahora vamos a proceder a analizar cada uno de estos,
recalcando la utilidad y aplicación de cada uno de estos
diseños.

Generador
síncrono con polos salientes en el
estator

Fig. 6. Generador con polos en el
estator.

El estator está constituido principalmente de un
conjunto de láminas  de acero al silicio (y se les
llama "paquete"), que tienen la habilidad de permitir que pase a
través de ellas el flujo magnético con facilidad;
la parte metálica del estator y los devanados proveen los
polos magnéticos.

La particularidad de este tipo de generador es que tiene
el inducido en el rotor, esta configuración es propia de
máquinas de baja y media velocidad y potencia, hasta 1000
rpm.

Por tal razón para poder sacar la tensión
producida, necesitamos de un sistema de colector de anillos. El
número de anillos a utilizar va a depender directamente
del número de fases con la que nos encontremos
trabajando.

Generador
síncrono con polos salientes en el rotor

Fig. 7. Generador con polos en el
rotor

Este generador a diferencia del anterior tiene el
inducido en el estator, por tal razón no necesitamos un
mecanismo de colector de anillos para extraer la tensión
generada ya que esta va a encontrarse en la parte externa de la
máquina, necesitaríamos únicamente un par de
anillos, con la finalidad de ingresar el voltaje de campo, pero
esto es de gran ayuda ya que el voltaje de campo es
considerablemente más pequeño que la tensión
generada, por tal razón este par de anillos van hacer de
medidas pequeñas, y así mismo las escobillas no
tendrían un tamaño mayor.

Fig. 5. Polos salientes en el
rotor

Se utiliza este tipo de generadores, para gran potencia,
por la versatilidad que nos brinda.

Generador
síncrono sin escobillas

Fig. 5. Generador sin
escobillas

Este tipo de generadores son de mediana potencia, para
la excitación podríamos tener un banco de
baterías que sería de respaldo, la excitatriz
podría ser un alternador, es decir un generador
síncrono con polos salientes en el estator, luego de esta
etapa, sale a una placa electrónica en donde por medio de
dispositivos electrónicos, se envía al circuito de
excitación del generador principal. Para realizar
reparaciones en este tipo de generadores, es necesario saber
sobre dispositivos electrónicos, y centrarse en el
controlador.

Fig. 5. Alternador sin
escobillas

Debido a que no presenta ningún contacto
mecánico entre el rotor y el estator estas maquinas
requieren mucho menos mantenimiento.

Conclusiones

• El generador síncrono consta de una
  igualdad entre la frecuencia eléctrica y la
  frecuencia angular, es decir, el generador girara a
  la velocidad del campo magnético a esta
  igualdad de frecuencias se le denomina
  sincronismo.

• El diseño de polos salientes en el estator,
  tiene la condición que cuenta con el inducido en el
  rotor, es decir en la parte que se mueve, de aquí que
  es necesario la utilizacion de anillos, y estos van a
  depender del numero de fases.

• El diseño de polos salientes en el estator,
  es utilizada para generadores de gran potencia, el inducido
  se encuentra en el estator, y no necesitamos sacar la tension
  generada, unicamente ingresar un voltaje minimo para la
  excitación del campo.

• El diseño del generador sin escobillas es
  mucho mas complejo que los anteriores, ya que la salida de
  este va a dirijirse hacia una placa electronica, en la cual
  van a encontrarse diferentes tipos de dispositivos, y este
  comandar el circuito de excitación.

Referencias

[1] Stephen Chapman. Máquinas Eléctricas.
Editorial Mc- Graw Hill. 3ra edición. 2003

[2] Téllez Ramírez Eugenio. Maquinas
síncronas.

[3] Murillo Huber. Diapositivas de Clase de
Máquinas Eléctricas II. UNAC – FIEE.
2010.

[4] http://www.mcgraw-hill.es/bcv/guide/
capitulo/8448141784.pdf

[5]http://www.geindustrial.com.br/download/manuais/motores/espanol

Autor:

José Sarango
Chamba

Universidad Politécnica
Salesiana

Máquinas Eléctricas
II