¿Alguna vez te has preguntado cómo funcionan los generadores síncronos? ¿Te intriga su construcción y su principio de funcionamiento? En este artículo te explicaremos todos los detalles sobre estos fascinantes dispositivos que convierten energía mecánica en energía eléctrica de manera eficiente y confiable. Descubre cómo se genera y se transfiere la electricidad gracias al principio de sincronización y los elementos clave de su construcción. ¡No te lo pierdas!
Este artículo describe la construcción y el principio de funcionamiento de un generador síncrono (también llamado alternador). Entonces, comencemos con la introducción básica del generador síncrono.
Generador síncrono
A generador síncrono también conocido como un generador de ca o alternadores un dispositivo electromecánico de conversión de energía que convierte la energía mecánica de fuentes como motores, turbinas, etc. en energía eléctrica en forma de corriente alterna (CA).
Se le llama alternador porque produce electricidad de corriente alterna, y se le llama generador síncrono porque es accionado necesariamente a velocidad síncrona (NS) para generar electricidad a la frecuencia deseada.
Aunque un generador síncrono puede ser monofásico o trifásico, debido a algunos beneficios técnicos y económicos, los generadores síncronos trifásicos son los más utilizados.
Construcción de generador síncrono
La construcción de un generador síncrono (alternador) se muestra en la figura-1.
Como cualquier otra máquina eléctrica giratoria, un generador síncrono también tiene dos partes principales, a saber, el estator y el rotor, como se muestra en la figura anterior. Como su nombre lo indica, el estator es la parte estacionaria del generador síncrono, mientras que el rotor es la parte móvil del generador.
Construcción del estator del generador síncrono
En el generador síncrono, el estator lleva el devanado del inducido colocado en las ranuras cortadas en la periferia interna del núcleo del estator.
El estator del alternador incluye varias partes como el marco, el núcleo del estator, los devanados del estator o del inducido, la caja de terminales del estator, el CT neutral y su caja de terminales y disposición de enfriamiento. Las siguientes son las características del estator o armadura del generador síncrono.
- El marco del estator de un alternador de tamaño pequeño está hecho de hierro fundido y el marco del estator de un alternador de gran tamaño está hecho de acero soldado.
- El núcleo del estator está ensamblado con láminas de acero de alto contenido de silicio que se utilizan en el núcleo del estator. Las laminaciones del núcleo de acero reducen la histéresis y las pérdidas por corrientes de Foucault en el núcleo del estator.
- Las ranuras del estator están cortadas en la periferia interior del núcleo del estator. Las ranuras del estator sostienen el devanado del inducido.
- El devanado del inducido del generador síncrono está conectado en estrella y, por lo tanto, necesita menos aislamiento.
- El devanado de cada fase se distribuye por igual en varias ranuras. El devanado del inducido distribuido produce FEM sinusoidal.
Construcción del rotor del alternador
El rotor lleva el devanado de campo que se excita desde una fuente de CC externa para producir un campo magnético de rotor estacionario. Para reducir la pérdida de potencia debido a las corrientes de Foucault y la histéresis, el núcleo del rotor del generador síncrono está hecho de chapa de acero laminado.
El núcleo del rotor está enchavetado a un eje del rotor que está conectado a un motor primario como una turbina, un motor, etc. Todo este conjunto interno está encerrado en una cubierta cilíndrica hueca para brindar resistencia mecánica a la máquina y protegerla de impactos externos.
En los generadores síncronos, se utilizan los siguientes dos tipos de construcciones de rotor:
Rotor de polo saliente
En el caso del rotor de polos salientes, los polos del rotor se proyectan hacia afuera, es decir, los polos proyectados se fijan en un marco metálico circular grande, como se muestra en la figura 2. Por lo tanto, los polos de un rotor de polo saliente sobresalen de la superficie del núcleo del rotor. Cada devanado de polo de campo está conectado en serie y está energizado por el voltaje de CC de un excitador de CC. La disposición del devanado de campo se realiza de tal manera que los polos adyacentes tengan polaridad opuesta.
El diseño del rotor de tipo polo saliente es adecuado para velocidades bajas y medias (de 120 a 400 RPM). Estos alternadores son accionados por motores diesel o turbinas hidráulicas. Las razones de la operación a baja velocidad del rotor de polos salientes son las siguientes.
- El rotor de tipo de polo saliente no puede soportar grandes esfuerzos mecánicos porque sus polos están proyectados. Por lo tanto, el rotor de polos salientes no puede funcionar a altas velocidades.
- A altas velocidades, el rotor de tipo polo saliente provoca una fuerte pérdida por efecto del viento y ruido.
El rotor de polo saliente tiene un gran diámetro para acomodar más polos. Por lo tanto, un rotor de polo saliente tiene un diámetro mayor y una longitud axial corta.
rotor cilíndrico
La construcción del rotor cilíndrico se compone de una pieza circular lisa de metal, donde se cortan las ranuras de la periferia exterior para colocar los devanados del rotor, consulte la figura 2. Esta construcción de rotor es la más adecuada para generadores síncronos de alta velocidad.
Por lo tanto, a partir de la discusión sobre la construcción del generador síncrono, podemos concluir que el generador síncrono consta de una armadura estacionaria y un sistema de campo magnético giratorio.
Un alternador de rotor cilíndrico tiene una longitud axial comparativamente larga y un diámetro pequeño. Los otros nombres de los alternadores de rotor cilíndrico son turboalternadores o turbogeneradores. Siempre se instalan en una configuración horizontal.
Las siguientes son las características del rotor cilíndrico.
- Los polos del rotor cilíndrico no se pueden ver físicamente como en el rotor de polos salientes.
- En aproximadamente el 66 % de la periferia exterior del rotor cilíndrico, las ranuras se cortan uniformemente a intervalos regulares y todas las ranuras son paralelas al eje del rotor.
- Estas ranuras albergan devanados de campo y reciben suministro de CC para la excitación de los devanados. El devanado de campo es de tipo distribuido.
- La porción de un tercio sin ranuras forma las caras polares.
- Como podemos ver en la figura, los polos del rotor cilíndrico no están proyectados y no son salientes. Por lo tanto, los polos no sobresalen de la superficie del rotor.
- Se utilizan forjas sólidas de acero de níquel-cromo-molibdeno de alto grado para formar un rotor cilíndrico.
La construcción del rotor de tipo cilíndrico es adecuada para aplicaciones de alta velocidad y se utilizan ampliamente en máquinas de alta velocidad para alternadores de 1500-3000 RPM (4 polos y 2 polos). Estos alternadores son accionados por una turbina de vapor. El rotor cilíndrico se utiliza para aplicaciones de alta velocidad por las siguientes razones.
- A alta velocidad, las partes del rotor experimentan más fuerza mecánica y es imprescindible que todas las partes del rotor sean capaces de soportar la fuerza. La construcción del rotor de tipo cilíndrico puede soportar una mayor resistencia mecánica debido a su construcción de tipo cilíndrico y también permite un equilibrio dinámico más preciso.
- El espacio de aire en el rotor cilíndrico es uniforme y, como resultado, tiene un funcionamiento silencioso a altas velocidades.
- El entrehierro uniforme y la disposición distribuida del devanado del rotor cilíndrico producen una distribución uniforme del flujo alrededor de la periferia del rotor. Y, por lo tanto, produce mejor EMF y casi una onda sinusoidal.
Ahora, analicemos el principio de funcionamiento y el funcionamiento del generador síncrono.
Principio de funcionamiento del generador síncrono
El principio de funcionamiento de un generador síncrono es el mismo que el de un generador de CC, es decir, el principio fundamental de inducción electromagnética. Este principio establece que cuando cambia el flujo magnético que une un conductor o una bobina, se induce una fuerza electromotriz (FEM) en el conductor o la bobina.
En el generador síncrono, el devanado del rotor (devanado de campo) se excita desde una fuente de potencia de CC para desarrollar polos N y S alternos en el rotor. Ahora, este rotor gira en sentido contrario a las agujas del reloj con la ayuda de un motor principal, como una turbina o un motor. La velocidad de rotación del rotor es constante y es igual a la velocidad síncrona.
El campo magnético giratorio del rotor corta los conductores del inducido. En consecuencia, se induce una fem en los conductores del inducido debido a la inducción electromagnética. Dado que los polos alternos N y S cortan los conductores de la armadura en cada rotación, por lo tanto, la fem inducida es de naturaleza alterna. La FEM inducida en la armadura es el resultado del movimiento relativo entre el conductor y el campo. El voltaje inducido es una onda sinusoidal.
La frecuencia de esta fem inducida alterna está dada por,
Dónde PAG es el número de polos del rotor, norteS es la velocidad sincrónica en RPM (Revolución por minuto).
La dirección de esta fem inducida está determinada por Regla de la mano derecha de Fleming (FRHR).
Por lo tanto, se trata de la construcción y el principio de funcionamiento de un generador síncrono.
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