Generador síncrono

Un motor síncrono funciona como generador. Es un generador de corriente alterna de uso común. En la industria energética moderna, se utiliza ampliamente en la generación de energía hidroeléctrica, térmica, nuclear y diésel. Dado que los generadores síncronos generalmente utilizan excitación de corriente continua, cuando funcionan de forma independiente, la corriente de excitación se puede ajustar para regular fácilmente la tensión del generador. Si se conectan a la red eléctrica, dado que la tensión viene determinada por la red y no se puede modificar, el ajuste de la corriente de excitación permite regular el factor de potencia y la potencia reactiva del motor.

La estructura del estator y del rotor de un generador síncrono es la misma que la de un motor síncrono. Generalmente, adoptan una configuración trifásica, salvo que el devanado del inducido en algunos generadores síncronos de pequeño tamaño utiliza una configuración monofásica.

Características de funcionamiento

Las principales características de rendimiento de un generador síncrono son sus características en vacío y con carga. Estas características son referencias importantes para los usuarios al seleccionar un generador.

Características sin carga

Cuando el generador no está conectado a una carga, la corriente de armadura es cero, lo que se denomina funcionamiento en vacío. En este caso, los devanados trifásicos del estator del motor solo generan la fuerza electromotriz en vacío E0 (trifásica simétrica) debido a la corriente de excitación If, y su magnitud aumenta con el incremento de If. Sin embargo, debido al fenómeno de saturación del núcleo del circuito magnético del motor, ambas no son directamente proporcionales. La curva que refleja la relación entre la fuerza electromotriz en vacío E0 y la corriente de excitación If se denomina característica en vacío del generador síncrono.

Reacción de la armadura

Cuando el generador se conecta a una carga simétrica, la corriente trifásica en el devanado del inducido genera un campo magnético giratorio, denominado campo magnético de reacción del inducido. Su velocidad de rotación es exactamente igual a la del rotor, y ambos giran de forma síncrona.

El campo magnético de reacción de la armadura del generador síncrono y el campo magnético de excitación del rotor pueden considerarse aproximadamente distribuidos según una ley sinusoidal. La diferencia de fase espacial entre ellos depende de la diferencia de fase temporal entre la fuerza electromotriz en vacío E0 y la corriente de armadura I. El campo magnético de reacción de la armadura también está relacionado con la condición de carga. Cuando la carga del generador es inductiva, el campo magnético de reacción de la armadura tiene un efecto desmagnetizante, lo que provoca una disminución de la tensión del generador; cuando la carga es capacitiva, el campo magnético de reacción de la armadura tiene un efecto magnetizante, lo que provoca un aumento de la tensión de salida del generador.

Características de operación de carga

Se hace referencia principalmente a las características externas y de ajuste. Las características externas son la relación entre la tensión en los terminales del generador U y la corriente de carga I cuando la velocidad está en el valor nominal, la corriente de excitación y el factor de potencia de la carga son constantes. Las características de ajuste son la relación entre la corriente de excitación If y la corriente de carga I cuando la velocidad y la tensión en los terminales están en el valor nominal y el factor de potencia de la carga es constante, como se muestra en la Figura 3. La Figura 2 también muestra las situaciones de cargas resistivas, capacitivas e inductivas. Debido a los diferentes efectos del campo magnético de reacción de la armadura, las curvas de las tres también son diferentes. En las características externas, el grado de cambio de tensión desde vacío hasta carga nominal se denomina tasa de cambio de tensión △U, que comúnmente se expresa como un porcentaje.

La tasa de variación de voltaje del generador síncrono oscila entre el 20 % y el 40 %. Las cargas industriales y domésticas generalmente requieren que el voltaje se mantenga prácticamente constante. Por lo tanto, a medida que aumenta la corriente de carga, la corriente de excitación debe ajustarse en consecuencia. Existen tres tipos de características de ajuste para diferentes propiedades de carga. Si bien la tendencia de las características de ajuste varía en sentido contrario a las características externas, para cargas inductivas y puramente resistivas, la tendencia es ascendente, mientras que para cargas capacitivas, generalmente es descendente.

Estructura y clasificación

La estructura de un generador síncrono se clasifica en dos tipos según su velocidad: alta y baja (o media). Los primeros se utilizan principalmente en centrales térmicas y nucleares; los segundos, en turbinas hidráulicas de baja velocidad o motores diésel. En cuanto a su estructura, los generadores síncronos de alta velocidad suelen emplear rotores de polos ocultos, mientras que los de baja (o media) velocidad suelen utilizar rotores de polos convexos.

Generador síncrono de alta velocidad

Dado que la mayoría de los generadores están acoplados al motor primario coaxialmente, las centrales térmicas utilizan turbinas de vapor de alta velocidad como motores primarios, por lo que los generadores de turbina de vapor suelen utilizar motores de 2 polos de alta velocidad, con una velocidad que alcanza las 3000 revoluciones por minuto (a una frecuencia de red de 60 Hz, son 3600 revoluciones por minuto). Las centrales nucleares utilizan principalmente motores de 4 polos, con una velocidad de 1500 revoluciones por minuto (cuando la frecuencia de red es de 60 Hz, son 1800 revoluciones por minuto). Para cumplir con los requisitos de alta velocidad y alta potencia, el generador síncrono de alta velocidad adopta las siguientes características estructurales: primero, utiliza un rotor en derivación; segundo, está equipado con un sistema de refrigeración específico.

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