2-3-2015

MAQUINAS SINCRONICAS Y DE CD.

MAESTRO: ING. FLORENCIO SOTELO MORENO

ALUMNO: ALVARADO RAFAEL OLIVER

TRABAJO: GENERADOR SINCRONO.

‘’6 YA’’

DEFINICIÓN:El Generador Síncrono, o también llamado Alternador, es un tipo de máquina eléctrica rotativa capaz de transformar energía mecánica (en forma de rotación) en energía eléctrica.

Son los encargados de generar la mayor parte de la energía eléctrica consumida en la red, y su respuesta dinámica resulta determinante para la estabilidad del sistema después de una perturbación. Por ello, para simular la respuesta dinámica de un sistema eléctrico es imprescindible modelar adecuadamente los generadores síncronos.

Es capaz de convertir energía mecánica en eléctrica cuando opera como generador y energía eléctrica en mecánica cuando operada como motor.

Los generadores síncronos funcionan bajo el principio de que en un conductor sometido a un campo magnético variable crea una tensión eléctrica inducida cuya polaridad depende del sentido del campo y su valor del flujo que lo atraviesa.

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 a esta igualdad de frecuencias se le denomina sincronismo.

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.

Cuando un generador síncrono está sometido a carga, la tensión inducida sufre cambios por lo que se deberá utilizar equipos auxiliares que garanticen una óptima operación del mismo.

ROTOR

El rotor es el componente que gira (rota) en una máquina eléctrica, sea ésta un motor o un generador eléctrico. Junto con su contraparte fija,

el estator, forma el conjunto fundamental para la transmisión de potencia en motores y máquinas eléctricas en general.

El rotor está formado por un eje que soporta un juego de bobinas arrolladas sobre un núcleo magnético que gira dentro de un campo magnético creado bien por un imán o por el paso por otro juego de bobinas, arrolladas sobre unas piezas polares, que permanecen estáticas y que constituyen lo que se denomina estator de una corriente continua o alterna, dependiendo del tipo de máquina de que se trate.

En máquinas de corriente alterna de mediana y gran potencia, es común la fabricación de rotores con láminas de acero eléctrico para disminuir las pérdidas asociadas a los campos magnéticos variables, cómo las corrientes de Foucault y las producidas por el fenómeno llamado histéresis.

ESTATOR

El estator es la parte fija de una máquina rotativa y uno de los dos elementos fundamentales para la transmisión de potencia (siendo el otro su contraparte móvil, el rotor). El término aplica principalmente a la

construcción de máquinas eléctricas y dependiendo de la configuración de la máquina, el estator puede ser:

El alojamiento del circuito magnético del campo en las máquinas de

corriente continúa. En este caso, el estator interactúa con la

armadura móvil para producir par motor en el eje de la máquina. Su

construcción puede ser de imán permanente o de electroimán, en

cuyo caso la bobina que lo energiza se denomina devanado de

campo.

El alojamiento del circuito de armadura en las máquinas de corriente

alterna. En este caso, el estator interactúa con el campo rotante para

producir el par motor y su construcción consiste en una estructura

hueca con simetría cilíndrica, hecha de láminas de acero

magnético apiladas, para así reducir las pérdidas debidas a

la histéresis y las corrientes de Foucault.

CORRIENTE DE FOUCAULT

Se produce cuando un conductor atraviesa un campo magnético variable, o viceversa. El movimiento relativo causa una circulación de electrones, o corriente inducida dentro del conductor. Estas corrientes circulares de Foucault crean electroimanes con campos magnéticos que se oponen al efecto del campo magnético aplicado. Cuanto más fuerte sea el campo magnético aplicado, o mayor la conductividad del conductor, o mayor la velocidad relativa de movimiento, mayores serán las corrientes de Foucault y los campos opositores generados.

En los núcleos de bobinas y transformadores se generan tensiones inducidas debido a las variaciones de flujo magnético a que se someten aquellos núcleos. Estas tensiones inducidas son causa de que se produzcan corrientes parásitas en el núcleo (llamadas corrientes de Foucault), que no son óptimas para la buena eficiencia eléctrica de éste.

HISTERESIS

La histéresis es la tendencia de

un material a conservar una de

sus propiedades, en ausencia del estímulo

que la ha generado. Podemos encontrar

diferentes manifestaciones de este

fenómeno. Por extensión se aplica a

fenómenos que no dependen sólo de las

circunstancias actuales, sino también de cómo se ha llegado a esas

circunstancias.

Las partes principales son: carcasa, escudos, rodamientos (balineros, cojinetes), eje, bornera, entre otros.

TIPOS CONSTRUCTIVOS

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 o 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.

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO:El principio de funcionamiento de un G.S se basa en la ley de Faraday. Para crear tensión inducida en el circuito de armadura (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 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 (o sea, está en una isla de potencia), 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.

REGULADOR DE TENSIÓN (AVR):El regulador automático de voltaje, proporciona una extinción al rotor, el rotor debe tener un campo magnético constante en cuanto a la dirección de sus líneas magnéticas (no en cuanto a intensidad del campo) y este se logra excitándolo con corriente directa (alterna rectificada) la corriente alterna generada por el generador, debe ser de una frecuencia constante 60hz; y para eso el rotor siempre gira a la misma velocidad independientemente de que carga esté produciendo (se mide en mega watts) no en voltaje, como los requerimientos de carga (consumo de la energía producida) son variables, la generación de mega watts es variable a frecuencia y voltaje constante, si no tienes un regulador automático de voltaje (llamado AVR en ingles) esto no se puede lograr.

REGULADOR DE VELOCIDAD (RAS):No hemos de confundir estos dispositivos con los reguladores de tensión de los alternadores, pues si bien actúan al unísono sobre el grupo, como elementos reguladores que son, sus funciones, aunque relacionadas, están perfectamente delimitadas.Regulador de velocidad es el mecanismo, de distinta índole, destinado a conseguir, en cualquier circunstancia, el equilibrio de los trabajos motor y resistente presentes en una turbina, manteniendo, sensiblemente constante, la velocidad de sincronismo del grupo ante todas las cargas solicitadas, protegiéndole, además, contra velocidades excesivas que pudieran surgir.

CIRCUITO EQUIVALENTE MONOFASICO DE UN GENERADOR SINCRONOEl circuito monofásico equivalente de un Generador Síncrono viene representado en la siguiente figura:

Fig. 3: Circ. Equivalente Monofásico del GS

De este circuito, solo nos centraremos en el circuito de armadura, en la cual se tienen tres cantidades que son fundamentales en el comportamiento del GS, las cuales son:

Para determinar estos valores se realizan principalmente tres pruebas, la prueba resistencia de armadura, la prueba de vacío y la prueba de cortocircuito.

Prueba de Resistencia de Armadura:Esta prueba consiste en hacer uso de una fuente de corriente continua en cada fase de la armadura, aplicando el método del Voltio-Amperimétrico, como se muestra en la figura:

Fig. 4: Conexión de la Prueba de Resistencia de Armadura

De cuyas mediciones se obtiene que:

para conexión estrella.

para conexión delta.Cabe mencionar que si la prueba se realiza con corriente continua, el valor de la resistencia obtenida debe ser ajustada, en primer lugar por temperatura (a temperatura de trabajo), y posteriormente por efecto skin, para finalmente obtener el valor de la resistencia n corriente alterna.

Prueba de Vacío:Esta prueba consiste, como dice su nombre, en colocar el Generador en vacío, es decir sin carga alguna en sus bornes, haciéndola girar a su velocidad nominal y con corriente de campo igual a cero.Al ir aumentando gradualmente el valor de la corriente de campo, se

obtienen diversos valores de  y ya que la corriente que circula por la

armadura siempre será cero  debido que se encuentra en vacío,

se obtendrá que Gracias a ésta prueba, con los valores obtenidos, se puede formar "La

curva de Características de Vacío"  que permite encontrar la tensión interna generada por una corriente de campo dada.

Fig. 5: Curva de las Características de Vacío

Se debe notar que en un principio, la curva es prácticamente una recta, esto es debido a que al inicio la fuerza magnetomotriz se ejerce en el entrehierro, y el incremento de la corriente de campo es casi lineal.

Prueba de Cortocircuito:Finalmente se tiene la prueba de cortocircuito, el cual consiste en llevar nuevamente la corriente de campo a cero, para luego cortocircuitar los bornes del generador y proseguir a ir incrementando la corriente de campo, obteniéndose la siguiente gráfica.

Fig. 6: Curva de Características de Cortocircuito

Se observa que al contrario de la curva en vacío, en esta prueba se obtiene una recta, esto es debido a que los campos magnéticos que se generan al conectar la armadura en cortocircuito, prácticamente se anulan, produciendo un campo neto pequeño como se muestra en el diagrama fasorial siguiente;

provocando que la máquina no se sature, obteniendo así la recta de la gráfica:

Fig. 7: Diagrama Fasorial de CamposPosteriormente, con los datos de las dos gráficas obtenidas, para un valor de corriente de campo dada, se tiene que:

Entonces, haciendo uso del valor de la resistencia:  ; ya que

generalmente  se puede asumir que 

Por último, hay que tener en cuenta que estas ecuaciones son aplicables hasta el punto de saturación de la curva d vacío, ya que después, los valores obtenidos en las ecuaciones son aproximados.

Otras Pruebas:Como complemento, a los GS se les debe someter a otras pruebas, entre las cuales tenemos:

Prueba de Aislamiento: Mide el aislamiento entre las bobinas y, entre las bobinas y la carcasa.

Prueba de Calentamiento: Mide la temperatura de trabajo del generador a plena carga.

Pruebas bajo Carga Resistiva, Inductiva, Capacitiva y Mixta.

CARACTERISTICAS DE LOS GENERADORES SINCRONOS BAJO CARGALa diferencia de funcionamiento en vacío al de carga es que existe una composición de flujos, debido a las corrientes que circulan en el inducido, éstas alteran el valor y forma de la tensión inducida.Un incremento de carga es un incremento en la potencia real o la reactiva suministrada por el generador. Tal incremento de carga aumenta la corriente tomada del generador. Si no cambiamos la

resistencia de campo, la corriente de campo se mantiene constante, y por tanto, el flujo (también es constante.Además, si el motor primario mantuviera su velocidad (constante, la

magnitud del voltaje interno generado  también sería constante.

Fig. 8: Esquema del GS bajo cargaSupongamos un generador síncrono reducido a su mínima expresión: monofásico, bipolar, una espira, y en los siguientes estados de carga:

Carga inductiva puraEn este caso los flujos aparecen en sentido contrario. Produciendo un efecto desmagnetizante, es decir que los flujos se restan; y además produciendo que los polos inducidos de igual nombre estén enfrentados.

Fig. 9: Esquema del GS y resta de flujos

Supongamos que colocamos una carga con una f.d.p. en atraso y le adicionamos otra con el mismo f.d.p.; podemos observar que el valor

de  aumenta pero mantiene el mismo ángulo de desfase con respecto

a  entonces tenemos un incremento en el valor de  que como ya dijimos antes, debe conservar el mismo ángulo de desfase con respecto

a  y ya que el valor de  es constante, entonces se produce una

disminución en el valor de  tal como se muestra en el siguiente diagrama fasorial.

Fig. 10: Diagrama Fasorial del GS con Carga Inductiva

CARGA RESISTIVA

El flujo producido por los polos del rotor  y el producido por las

corrientes del inducido  están desfasados. Generando así una distorsión del campo resultante.

Fig. 11: Esquema del GS y desfasaje de flujos

Si tuviéramos un generador síncrono con una carga resistiva, le aplicamos otra con el mismo f.d.p. (f.d.p.=1), y teniendo en cuenta las mismas restricciones que en el caso anterior, podemos observar en el

diagrama fasorial que el valor de  decrece ligeramente.

Fig. 12: Diagrama fasorial del GS con Carga Resistiva

CARGA CAPACITIVA PURAEn este caso los flujos tienen igual sentido. Dando como consecuencia un efecto magnetizante, es decir que los flujos se van a sumar; y los polos inducidos contrarios enfrentados.

Fig. 13: Esquema del GS y suma de flujos

Del mismo modo que en los casos anteriores, si colocamos una carga con f.d.p. en adelanto, y le agregamos otra con el mismo f.d.p. notamos

que el valor de  se incrementa realmente, es decir se produce un aumento de la tensión en sus terminales, tal como vemos en el diagrama fasorial.

Fig.14: Diagrama Fasorial del GS con Carga Capacitiva

CARGA R-LEn este caso los flujos están desfasados un ángulo que depende de la carga del generador; en consecuencia se produce un efecto desmagnetizante, la suma vectorial de los flujos es menor; y los polos de igual nombre enfrentados, se rechazan apareciendo un momento resistente.

Fig. 15: Esquema del GS y suma vectorial de flujos

REGULACION DE TENSION DE UN GENERADOR SINCRONOUna manera conveniente de comparar el comportamiento de los voltajes de los generadores síncronos es mediante su regulación de voltaje, que viene definida por la ecuación:

Donde  es el voltaje del generado en vacío y  es el voltaje a plena carga del generador. Un generador síncrono que opera con factor de potencia en atraso tiene una regulación de tensión positiva muy grande; si opera con f.d.p. unitario, tiene una regulación positiva muy pequeña, y si opera a f.d.p. en adelanto tiene, regulación de voltaje negativo.

OPERACIÓN EN PARALELO:

En la actualidad es raro encontrar la existencia de un alternador único que de manera aislada alimente su propia carga. Esto sólo se lo puede encontrar en aplicaciones tales como los generadores de emergencia.Con objeto de aumentar el rendimiento y fiabilidad del sistema, las diferentes centrales están conectadas entre sí en paralelo, por medio de líneas de transporte y distribución. La red así constituida representa un generador gigantesco en el que prácticamente la tensión y la frecuencia se mantienen constantes.Esto se debe a que sobre esta gran red, la introducción de un nuevo generador no altera los parámetros básicos anteriores, por representar una potencia muy reducida frente al conjunto total.

Resumen de Reglas para poner en paralelo a los GS:Tener varios generadores incrementa la confiabilidad del sistema de potencia, debido a que la falla de cualquiera de ellos no causa la perdida tola de potencia en la cargaTener varios generadores que operan en paralelo permite la remoción de uno o más de ellos para cortes de potencia y mantenimientos preventivosSe utiliza un solo generador y este opera cerca de plena carga, entonces será relativamente ineficiente. Con varias máquinas más pequeñas trabajando en paralelo, es posible operara solo una fracción de ellas. Las que están operando lo hacen casi a plena carga y por lo tanto de manera más eficiente.

La figura 16 muestra un generador síncrono G1 que suministrar potencia a una carga con otro generador G2 a punto de conectarse en paralelo con G1 por medio del cierre del interruptor S1.Si el interruptor se cierra de manera arbitraria en cualquier momento, es posible que los generadores se dañen severamente y que la carga pierda potencia. Si los voltajes no son exactamente iguales en cada uno de los generadores que se conectan juntos, habrá un flujo de corriente muy grande cuando se cierre el interruptor. Para evitar este problema, cada una de las tres fases debe tener exactamente la misma magnitud de voltaje y ángulo de fase que el conductor al que se conectara. En otras palabras, el voltaje de fase a debe ser exactamente igual al voltaje en la fase a" y así en forma sucesiva para las fases b-b` y c-c`. Para lograr esto se deben cumplir las siguientes condiciones de puesta en paralelo:

Deben de ser iguales los voltajes de línea rms. Los dos generadores deben tener la misma secuencia de fase. Los ángulos de fase de las dos fases deben de ser iguales. La frecuencia del generador nuevo, llamado generador en aproximación,

debe ser un poco mayor que la frecuencia del sistema en operación.

Fig. 16: Generador que se conecta en paralelo con un sistema de potencia en operación

Estas condiciones de puesta en paralelo requieren ciertas explicaciones. La condición 1 es obvia: para de dos grupos de voltajes sean idénticos, deben tener la misma magnitud de voltaje rms.Los voltajes en las fases a y a" serán completamente idénticos en todo momento si ambas magnitudes y sus ángulos son iguales, lo que explica la condición.

Fig. 17: Esquema de secuencia de fases.

La condición 2 asegura que la secuencia en la que el voltaje de fase llegue a su pico en los dos generadores sea la misma. Si la secuencia de fase es diferente en la figura 2a entonces aun cuando un par de voltajes (los de fase a) estén en fase, los otros dos pares de voltajes estarán desfasados por 120º. Si se conectan los generadores de esta manera, no habrá problema con la fase a, pero fluirá enormes corrientes en las fases b y c, lo que dañara ambas maquinas.

CURVAS DE CAPACIDAD DE UN GENERADOR SINCRONO

Las curvas de capacidad son unas curvas de potencia que nos muestran los límites de calentamiento del rotor y del estator, asumiendo que la

tensión en bornes se mantiene constante y que  Para explicar cómo sé que se obtienen estas curvas, tenemos el siguiente diagrama fasorial de un generador con FP en atraso y a tensión nominal.

Fig. 19: Diagrama FasorialEn primer lugar nótese que se ha colocado unos ejes en el extremo

de  A continuación multiplicamos estos valores por el factor  con la finalidad de cambiar la escala de los ejes a unidades de potencia, y de esta manera obtenemos un nuevo diagrama fasorial.

Fig. 20: Nuevo Diagrama FasorialEn este nuevo diagrama hay que notar que el origen del diagrama

fasorial se encuentra en el punto  además que la longitud

correspondiente a  sobre el diagrama vine dado por  y

también que la proyección de  es el valor de S. Por último hay que señalar que la curva de capacidad, es un dibujo de P vs Q, en la cual el límite del circuito de armadura viene dado por una circunferencia con centro en el origen y con radio "S"; y el límite de campo es una

circunferencia con centro en Q" y radio 

Fig. 21: Curvas de Capacidad del GS

SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO DE LA MÁQUINA SÍNCRONA Toda máquina síncrona presenta una eficiencia menor al 100% debido a que se presentan pérdidas, las pérdidas que se presentan en los conductores de los devanados son en forma de calor. Este calor hace que la máquina aumente su temperatura, tal aumento de temperatura determina la transmisión de calor de la máquina al medio ambiente en forma de irradiación y parte en convección.

Derivado de diferentes estudios de máquinas eléctricas es sabido que el aislamiento de los devanados presenta deterioro por sobrecalentamiento, por lo que la temperatura del generador debe ser monitoreada y limitada, de tal forma que el devanado sufra el menor desgaste.

Para el monitoreo de la temperatura de los devanados de estator se hace uso de termopares en determinadas posiciones y números embebidos en él. Con relación al sistema de enfriamiento, las máquinas síncronas se pueden clasificar como siguen:

Ventilación natural Aquellas en las cuales no se tiene ningún dispositivo particular para aumentar la ventilación producida por los dispositivos en movimiento de la misma máquina o de la circulación del aire externo.

Auto ventilación Aquí la ventilación se da por dispositivos instalados en el rotor, los cuales son capaces de activar el movimiento del aire proveniente del exterior o de la misma máquina.

Ventilación forzada El aire se lleva al interior del medio que contiene al generador por medio de ventiladores externos

Ventilación en circuito cerrado Se usa gas pesado como ventilante (aire o hidrógeno) en contacto con las partes vivas, se hace circular por un circuito cerrado por medio de ventiladores propios del generador.

Enfriamiento por líquido El enfriamiento se lleva a cabo mediante la circulación de líquidos o agua, figura 1.11.

Enfriamiento mixto Se presenta en turbo alternadores de potencia grande en los cuales por uno de

los devanados es enfriado por medio de circulación de líquido y el otro es enfriado por gas circulante.

ROTOR DE POLOS SALIENTES En el rotor de polos salientes se cuenta con una estructura soporte en la cual se alojan los polos. La forma de dicha estructura depende de diferentes factores entre los cuales el más importante el número de polos a ser colocados, lo cual se debe a que este tipo de rotores es aplicado en turbinas hidráulicas, las cuales alcanzan velocidades hasta 1200 rpm y se tiene la necesidad de una frecuencia de 50 ó 60 Hz.

Los polos regularmente son insertados sobre una masa sólida que tiene una superficie externa formada por tantas superficies elementales como polos tiene el rotor (fig. 1.1), de tal forma que el núcleo tiene forma de un prisma. En el caso de rotores de diámetros grandes la franja superficial del rotor se construye de paquete de laminaciones con una debida distribución para fijarse al núcleo.

Es notable el hecho de que las bobinas de excitación van alrededor de los núcleos polares y las bobinas se conectan en serie con el polo adyacente teniendo polaridad opuesta. Conjuntamente se utiliza un devanado de jaula de ardilla o expansiones polares. En condiciones normales este devanado no lleva ninguna corriente debido a que el rotor gira a la velocidad de sincronismo. Sin embargo, cuando la carga en el generador cambia repentinamente la velocidad del rotor empieza a fluctuar, produciendo variaciones momentáneas de velocidad por arriba o por debajo de la velocidad síncrona. Esto induce voltaje en el devanado de jaula de ardilla y a su vez una corriente la cual interacciona con el campo magnético rotatorio del estator que es traducido en corrientes parasitas.

ROTOR DE POLOS LISOS Es bien sabido que la eficiencia en turbinas de vapor de gran velocidad es mayor que las turbinas hidráulicas, lo cual se hace extensivo en los generadores. La velocidad centrifuga ejercida en los rotores de polos lisos es la limitante en el diámetro máximo permitido. Otra limitante que se tiene es la velocidad máxima debido a que para un sistema de 60 Hz, no se puede utilizar menos de 2 polos por lo que la velocidad máxima puede ser 3600 rpm ó 1800 rpm para rotores de 4 polos. Es por eso que para máquinas de gran capacidad los rotores deben tener una longitud muy grande (fig. 1.2).

Con este tipo de construcción el entrehierro cuenta con un espesor constante a lo largo de toda la circunferencia de tal forma que para que el campo magnético sea de forma senoidal, la distribución de las ranuras no es uniforme.

En este tipo de rotores las bobinas se colocan en forma radial lo cual permite una mayor distribución de la fuerza magnetomotriz (fmm) en cada polo consiguiendo una mejor onda senoidal en la fuerza electromotriz generada (fem).

En este tipo de rotores las bobinas de excitación son conductores de cobre de sección rectangular, colocadas a presión en las ranuras del rotor, las cuales cuentan con mica con fibra de vidrio como aislamiento.

ARMONICOSLos armónicos son corrientes y/o voltajes presentes en un sistema eléctrico, con una frecuencia múltiplo de la frecuencia fundamental. Así, en sistemas con frecuencia de 60 Hz y cargas monofásicas, las

armónicas características son la tercera (180 Hz), quinta (300 Hz), y séptima (420 Hz) por ejemplo. Con el creciente aumento en el uso de cargas no lineales (procedentes de la electrónica de potencia), se han empezado a tener algunos problemas en las instalaciones eléctricas debido a los efectos de las componentes armónicas de corrientes y voltajes en el sistema eléctrico.

EFECTO DE LOS ARMÓNICOS.Efecto en los motores de inducción: fundamentalmente, las armónicas producen los siguientes efectos en las máquinas de corriente alterna: un aumento en sus pérdidas y la disminución en el torque generado.

Pérdidas en los motores de inducción: si el voltaje que se alimenta a un motor de inducción contiene componentes armónicas, entonces se incrementarán sus pérdidas I2R en el rotor y estator, pérdidas de núcleo (histéresis) y pérdidas adicionales, en tanto que las pérdidas de fricción y ventilación no son afectadas por las armónicas.

En forma más detallada, tenemos el siguiente análisis de las pérdidas:

1. Pérdidas I²R en el estator: las pérdidas en el estator son determinadas utilizando la resistencia a corriente directa de la máquina, corregida a la temperatura especificada. Al operar la máquina de inducción con voltajes con contenido armónico no sólo aumentan estas pérdidas por el efecto piel que incrementa el valor de la resistencia efectiva, sino que también aumenta el valor de la corriente de magnetización, incrementándose aún más las pérdidas I²R.

2. Pérdidas I²R en el rotor: éstas aumentan de manera más significativa que las anteriores, por el diseño de la jaula en los motores de inducción que se basa en el aprovechamiento del efecto piel para el arranque. Esta resistencia aumenta en forma proporcional a la raíz cuadrada de la frecuencia y por ende las pérdidas.

3. Pérdidas de núcleo: estas pérdidas son función de la densidad de flujo en la máquina. Éstas aumentan con excitación de voltaje no senoidal puesto que se tienen densidades de flujo pico más elevadas, sin embargo su aumento es aún menor que el de las pérdidas mencionadas anteriormente e incluso son más difíciles de cuantificar.

4. Pérdidas adicionales: son muy difíciles de cuantificar aún bajo condiciones de voltaje senoidal. Al aplicar voltaje no senoidal, éstas aumentan en forma particular para cada máquina. Torque en el motor

de inducción: las armónicas de secuencia positiva producen en el motor de inducción un torque en el mismo sentido de la dirección de rotación, en tanto que las desecuencia negativa tienen el efecto opuesto. En caso de que se tenga conectado el neutro, el par producido por las armónicas “triplen” es igual a cero. Dependiendo del contenido armónico del voltaje aplicado, el par promedio de operación puede verse disminuido considerablemente, sin embargo en la mayoría de los casos el efecto producido por las armónicas de secuencia negativa se cancela con el efecto de las de secuencia positiva, por lo que su efecto neto en el par promedio puede despreciarse.

La interacción de las corrientes armónicas del rotor con el flujo en el entrehierro de otra armónica resultan torques pulsantes en los motores, los que pueden afectar la calidad del producto donde las cargas de los motores son sensibles a estas variaciones. Estos torques pulsantes también pueden excitar una frecuencia de resonancia mecánica lo que resultaría en oscilaciones que pueden causar fatiga de la flecha y otras partes mecánicas conectadas. Por lo general la magnitud de estos torques es generalmente pequeña y su valor promedio es cero.