Generadores Síncronos: Funcionamiento, Tipos y Operación en Sistemas Eléctricos

Introducción a los Generadores Síncronos

Definición y Función Principal

Un generador síncrono, también llamado alternador, es un tipo de máquina eléctrica rotativa capaz de transformar energía mecánica en energía eléctrica.

El Concepto de Sincronismo

Se les llama generadores síncronos por la igualdad entre la frecuencia eléctrica y la frecuencia angular; es decir, el generador gira a la velocidad del campo magnético, y a esta igualdad de frecuencias se le denomina sincronismo.

Componentes Fundamentales: Rotor y Estator

Constan fundamentalmente del rotor y el estator, ambos con devanados. El rotor y el estator representan las partes principales del generador síncrono.

Principio de Funcionamiento: Ley de Faraday

Su principio de funcionamiento se basa en la Ley de Inducción Electromagnética de Faraday. Un campo magnético variable induce voltaje en un conductor.

Principios de Operación y Excitación

Proceso de Generación de Energía Eléctrica

Se aplica una excitación de corriente directa (CD) a las terminales del devanado del rotor para producir un campo magnético. El rotor gira gracias a un motor primario (energía mecánica), lo que genera un campo magnético rotatorio. Este campo magnético rotatorio induce voltaje en los devanados del estator, produciendo energía eléctrica.

La Corriente de Excitación y su Control

La corriente que alimenta el campo del rotor se llama corriente de excitación. Si el generador trabaja aislado, la excitación controla el voltaje generado. Si está conectado a una red, la excitación controla la potencia reactiva que entrega.

Tipos de Rotores en Generadores Síncronos

Existen dos tipos principales de rotores:

• Rotor de Polos Salientes: Usado en centrales hidroeléctricas.
• Rotor de Polos Lisos (Cilíndricos): Usado en centrales térmicas (turbinas de vapor).

Métodos de Excitación del Rotor

Existen diversas formas de alimentar el rotor con corriente continua (excitación):

• Excitación Independiente: Utiliza una fuente de corriente directa (CD) externa conectada mediante anillos rozantes y escobillas.
• Excitatriz Principal y Piloto: Dos máquinas conectadas al mismo eje; la excitatriz secundaria alimenta a la principal, que a su vez energiza el rotor.
• Electrónica de Potencia: Se utiliza un rectificador controlado que toma energía del propio generador y la convierte en CD para alimentar el rotor.
• Sin Escobillas (Diodos Giratorios): Un rectificador no controlado se ubica dentro del rotor y se alimenta con corriente alterna desde un generador auxiliar.
• Excitación Estática (Compoundaje): Un transformador especial toma voltaje y corriente del estator, los rectifica y alimenta el rotor mediante escobillas.

Características de Diseño y Mantenimiento

Extracción de Tensión en Generadores con Polos Salientes en el Estator

La tensión generada se extrae mediante un sistema de colectores de anillos.

Ubicación del Inducido y Ventajas de Extracción de Tensión

En un generador síncrono con polos salientes en el rotor, el inducido está en el estator, lo que significa que la tensión generada se encuentra en el exterior y no se necesita colector de anillos para extraerla.

Generadores Síncronos Sin Escobillas y su Mantenimiento

Es un generador que usa una excitatriz (como un generador síncrono con polos salientes) cuya salida pasa por una placa electrónica que controla la excitación del generador principal. Requiere conocimientos en electrónica para el mantenimiento y reparación, enfocado en la placa y el controlador electrónico. Es utilizado en aplicaciones de mediana potencia.

Modelado y Parámetros de Generadores Síncronos

El Circuito Equivalente del Generador Síncrono

Representa el modelo de la máquina para determinar el comportamiento de la tensión en las terminales del generador.

Relación entre Potencia, Par y Velocidad Angular

La ecuación básica que relaciona la potencia activa generada (P), el par motor (T) y la velocidad angular (ω) del rotor es: P = T ⋅ ω.

Análisis de Generadores Trifásicos con Modelo Monofásico

Se analiza por fase, utilizando el mismo modelo que el monofásico.

Ensayos para la Determinación de Parámetros (Ra y Xs)

Para obtener los parámetros (resistencia de armadura) y (reactancia síncrona), se realizan los siguientes ensayos:

• Ensayo de vacío (o sin carga): Se obtiene la curva de saturación vs .
• Ensayo de cortocircuito: Se mide vs para determinar la reactancia síncrona .
• Medición directa de : Se puede medir con un puente de Wheatstone o con corriente continua aplicada a los devanados.

Valores Nominales y Límites Operativos

Propósito de los Valores Nominales

El propósito es proteger al generador del daño que pudiera ocasionarle una operación inadecuada. Establecen límites seguros de funcionamiento.

Valores Nominales Comunes

Algunos valores nominales comunes de una máquina síncrona son:

• Voltaje nominal
• Frecuencia nominal
• Velocidad nominal
• Potencia aparente nominal (kVA)
• Factor de potencia nominal
• Corriente de campo nominal
• Factor de servicio

Factores que Limitan la Potencia

Dos factores determinan los límites de potencia en las máquinas eléctricas: el par mecánico en el eje y el calentamiento de los devanados. El calentamiento de los devanados limita la potencia en estado estacionario.

Frecuencia, Potencia y Operación en Paralelo

Ecuación de Frecuencia Eléctrica

La ecuación que relaciona la frecuencia eléctrica de salida ( ), la velocidad mecánica del rotor ( ) y el número de polos (P) del generador es:

Impacto del Factor de Potencia en el Par

¿Cómo afecta el factor de potencia a la cantidad de par necesario para generar la misma potencia activa?

Definición de Potencia Aparente Nominal

La potencia aparente nominal ( ) se establece por la corriente máxima en el inducido.

• Para un sistema monofásico equivalente (por fase): .
• Para un sistema trifásico (en términos de línea-línea): .

Caída de Velocidad (Speed Drop) en Motores Primarios

La caída de velocidad (SD) en un motor primario se define por la ecuación , donde es la velocidad sin carga y es la velocidad a plena carga. La mayoría de los motores primarios tienen una caída de velocidad de 2 a 4%.

Control de Frecuencia y Voltaje en Generadores Aislados

En un generador aislado:

• La frecuencia ( ) es controlada por el regulador de velocidad (gobernador) que ajusta la velocidad del motor primario.
• El voltaje terminal ( ) es controlado por la corriente de campo ( ) o excitación.

La potencia activa (P) y reactiva (Q) dependen exclusivamente de la carga conectada.

Ventajas de la Operación en Paralelo

Operar generadores síncronos en paralelo ofrece varias ventajas:

• Capacidad para alimentar cargas mayores que superan la capacidad de una sola unidad.
• Mayor confiabilidad del sistema (redundancia), ya que la falla de un generador no interrumpe completamente el suministro.
• Flexibilidad operativa para mantenimiento, permitiendo retirar generadores sin detener el sistema.
• Optimización de la eficiencia energética, ya que los generadores operan cerca de su capacidad nominal.

Condiciones para la Conexión en Paralelo

Para conectar un generador síncrono en paralelo con otro o con la red, deben cumplirse cuatro condiciones obligatorias:

• Igualdad de magnitudes de voltaje (RMS) en cada fase.
• Sincronización de frecuencias: la frecuencia del generador entrante debe igualar la del sistema.
• Coincidencia de ángulos de fase entre las ondas de voltaje.
• Secuencia de fases correcta (el orden de fases debe ser idéntico).

Consecuencias de Voltajes Desiguales en Paralelo

Si los voltajes no tienen la misma magnitud RMS, al cerrar el interruptor se generará una corriente de circulación entre los generadores para igualar los voltajes. Esta corriente puede sobrecargar los devanados y dañar los equipos.

Método de las Tres Lámparas para Secuencia de Fases

Se conectan tres lámparas entre fases homólogas de ambos generadores (a-a’, b-b’, c-c’). Si la secuencia es correcta, las tres lámparas parpadean simultáneamente (si hay diferencia de frecuencias). El momento de cierre es cuando se apagan todas (frecuencias y ángulos alineados). Si la secuencia es incorrecta, las lámparas parpadean en rotación.

Solución a la Secuencia de Fases Incorrecta

Si la secuencia de fases es incorrecta al intentar paralelizar, se deben intercambiar dos fases cualesquiera en uno de los generadores. Por ejemplo, intercambiar las conexiones de las fases b y c en el generador G2.

Factores que Afectan el Voltaje Terminal

Diferencia entre Voltaje Generado y Terminal

Los factores que provocan la diferencia entre el voltaje generado y el voltaje en las terminales de la máquina son:

• La reacción de armadura.
• La caída de voltaje en la resistencia de armadura.
• La caída de voltaje o reactancia de distorsión en la armadura.
• La forma del rotor de polos salientes.

Ecuación del Circuito Equivalente Monofásico

La ecuación básica del circuito equivalente monofásico de un generador síncrono es: