máquinas generadoras de energía eléctrica “alternadores”
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UNIVERSIDAD AUTÓNOMA METROPOLITANAUnidad Iztapalapa
División de Ciencias Básicas e Ingeniería
Licenciatura en Ingeniería en Energía
Seminario de Proyectos I y II
Máquinas generadoras de energía eléctrica“Alternadores”
Raúl Domínguez Morales Dr. Raúl Lugo LeyteAlumno Asesor
Dr. Juan José Ambriz GarcíaCoordinador de la Licenciatura
en Ingeniería en Energía
Diciembre 2005
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA METROPOLITANAUNIDAD IZTAPALAPA
Lic. en Ing. en EnergíaRAÚL DOMINGUEZ MORALES
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íNDICE
Pág
Introducción
Capítulo 1. Las máquinas eléctricas
1.1 Introducción 4
1.2 Generadores eléctricos 7
1.3 Estructura general de los alternadores 8
Capitulo 2. Generadores síncronos
2.1 Introducción 11
2.2 Construcción de un alternador 12
2.3 El estator 14
2.4 El rotor 17
2.5 Alternadores trifásicos 22
2.6 Devanados de armadura 24
2.7 Factor de distribución 26
Capítulo 3. Principios de electricidad y magnetismo
3.1 Introducción 28
3.2 Corriente eléctrica 28
3.3 Intensidad de corriente eléctrica 31
3.4 Tensión eléctrica 32
3.5 Resistencia eléctrica 32
3.6 Resistencia de un conductor 33
3.7 Variación de la resistencia con la temperatura 34
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3.8 Potencia eléctrica 35
3.9 Magnetismo 36
3.10 Campos magnéticos producidos por medio de
corriente eléctrica 37
3.11 Campo magnético producido por una espira
de alambre 38
3.12 Fuerza electromotriz y corriente inducida 40
3.13 Fem inducida en un conductor en movimiento 41
Capitulo 4. Sincronización de generadores
4.1 Introducción 43
4.2 Método de sincronización de generadores trifásicos 46
4.2.1 El método de las tres lámparas apagadas 46
4.2.2 El método de las dos lámparas encendidas
y una apagada 48
4.3 El funcionamiento de los generadores en paralelo 48
Conclusiones 50
Bibliografía
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INTRODUCCIÓN
Durante los últimos años, el servicio de energía eléctrica ha crecido aceleradamente en todo
el mundo. México no es ajeno a este consumo, con una tasa superior al 6% anual de
crecimiento. Asociado a este desarrollo, se observan limitaciones en el desempeño
operativo y financiamiento de este sector, con elevados costos económicos para el
gobierno, las empresas eléctricas y los consumidores.
La planeación, por parte de la secretaría de energía estima instalar 27,3567 MW de
capacidad adicional durante la presente década, para poder satisfacer adecuadamente la
demanda esperada.
De ahí la importancia de contar con infraestructura moderna y suficiente. En conjunto con
un decisivo impulso al uso eficiente de la energía y a la investigación y desarrollo
tecnológico en este campo.
Un elemento importante para el desarrollo futuro del sector eléctrico, es la selección de las
tecnologías más adecuadas para los nuevos proyectos de generación, transmisión y
distribución de energía eléctrica, así como, su control y operación.
Considerando lo anterior, es importante el estudio de los alternadores. En el capitulo uno se
clasifican las máquinas. Las partes mecánicas y eléctricas, que integran un alternador, se
presentan en el capitulo dos. Los principios básicos del electromagnetismo para la
conversión de energía mecánica a eléctrica se muestran en el capitulo tres. Como los
alternadores trabajan interconectados dentro de una central eléctrica que a su vez se acopla
al sistema de transmisión de energía eléctrica, el capitulo cuatro explica los detalles para la
conexión.
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CAPÍTULO 1
LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS
1.1 Introducción
En la naturaleza se encuentra la energía bajo diferentes formas. La energía mecánica que se
traduce por el movimiento. La energía térmica la cual permite evaporar el agua o fundir
metales. La energía química está contenida en los combustibles: carbón, petróleo, gas, etc.
La energía del sol, permite el crecimiento de las plantas. La energía nuclear que, cuando se
rompen los núcleos de los átomos se desprende gran cantidad de energía. La energía
eléctrica que se obtiene a partir de una batería o generador.
La energía que se libera, por ejemplo, de un combustible, de una reacción nuclear, o bien la
energía acumulada en una presa hidráulica son formas que rara vez encuentran una
utilización directa, esto hace necesario que se transforme una forma de energía en otra con
el objeto de obtener una utilización conveniente.
Los elementos físicos en los cuales se realiza la transformación de una forma a otra, toman
el nombre genérico de máquinas.
Si se toma como ejemplo una turbina de vapor, en este tipo de máquina se transforma la
energía térmica del vapor en energía mecánica de rotación que se presenta disponible en el
eje (fig. 1.1). Los fenómenos físicos que se realizan en la turbina son una expansión del
vapor con transformación de la energía térmica del vapor en energía cinética y
simultáneamente en energía mecánica aplicada en el eje .
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Las partes que constituyen una máquina pueden ser estáticas o tener un determinado
movimiento. Las máquinas que no tienen partes en movimiento son llamadas estáticas en
tanto que las otras son dinámicas y pueden ser giratorias o alternativas según sea el tipo de
movimiento.
Turbina de vapor
Vapor
Movimientorotatorio
Figura 1.1 transformación de la energía térmica en energía mecánica.
Con relación a la función de las máquinas se pueden clasificar en la siguiente forma:
máquinas generadoras o generadores, máquinas motrices o motores y máquinas
transformadoras o transformadores.
Los generadores generan una forma de energía debido a la transformación, que ocurre
dentro de él, de otro tipo de forma de energía, por ejemplo el generador eléctrico (fig. 1.2).
Los generadores eléctricos transforman un tipo de energía a otro tipo de energía, en este
caso, transforman la energía mecánica en energía eléctrica.
Los motores son máquinas en las cuales se obtiene la energía mecánica (fig. 1.3), por
ejemplo las turbinas hidráulicas (fig. 1.4), de vapor o gas.
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GEnergía mecánica Energía eléctrica
Figura 1.2 Transformación de la energía en un generador eléctrico.
M Energía mecánicaEnergía eléctrica
Figura 1.3 El motor eléctrico es una máquina donde setrasforma la energía eléctrica en energía mecánica rotativa.
Figura 1.4 Turbinas utilizadas en plantas hidroeléctricas. (a) Turbina tipoPelton. (b) Turbina tipo Kaplan.
(a)
(b)
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Las máquinas transformadoras transforman las características de la energía sin cambiar su
tipo, como ejemplo de estas máquinas transformadoras se pueden mencionar los
transformadores eléctricos (fig. 1.5).
Bajo Voltaje Alto Voltaje
Transformadoreléctrico
1.2 Generadores eléctricos
Los generadores eléctricos son máquinas que transforman en energía eléctrica otras formas
de energía. Los generadores giratorios utilizan la energía mecánica de los motores térmicos
o hidráulicos que le dan y, mantiene en movimiento giratorio ver figura 1.6. La entrada de
la máquina está constituida por el eje de rotación en donde se aplica la energía mecánica.
La salida eléctrica se encuentra en las terminales, a través de las cuales se conecta el
generador con la red eléctrica externa.
Las principales características eléctricas de un generador eléctrico son: el voltaje generado
en terminales y la corriente que se puede entregar, si la corriente entregada es continua se le
denomina “generador de corriente continua”; también llamado dinamo o simplemente
generador , si es alterna se le llama “generador de corriente alterna” o alternador.
Figura 1.5 El transformador eléctrico es una máquina estática, donde seeleva o reduce el voltaje que entra, no cambia el tipo de energía.
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Los alternadores pueden ser monofásicos o trifásicos, aun cuando en la práctica la mayoría
son trifásicos, de acuerdo con la estructura de los sistemas eléctricos.
1.3 Estructura general de los alternadores
El alternador está constituido esencialmente de una parte activa fija, que constituye el
inducido llamado también estator y de una parte interna giratoria coaxial al estator y se
conoce como el inductor ó también denominado rotor (fig. 1.7).
Entre la superficie cilíndrica interna del estator y la externa del rotor se encuentra un
pequeño espacio de aire, que se conoce como entre hierro, y cuyo espesor puede variar de
algunos milímetros hasta algunos centímetros.
Figura 1.6 Unidad Turbina-Generador de la planta termoeléctricaFrancisco Pérez Ríos en Tula Hidalgo, la planta tiene una capacidadinstalada de 1,500 MW y consta de 6 unidades como ésta.
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Alimentación devoltaje de C. D.
Anillos rozantes
Voltajegenerado
Ampermetros
Rotor
Estator
Entre hierro
El sistema inductor que gira dentro del estator, aloja a los polos magnéticos excitados con
corriente continua destinada a crear el flujo inductor. El circuito de excitación de los polos
del rotor se alimenta mediante un sistema de dos anillos colectores que giran naturalmente
con el rotor y a los cuales llega la alimentación de corriente continua.
El rotor puede ser de polos salientes o liso, en el primer caso se emplean para máquinas
lentas, es decir generadores en centrales hidroeléctricas y en el segundo caso se utilizan en
centrales termoeléctricas que operan a mayor velocidad.
Con respecto a su montaje mecánico, los alternadores, se pueden colocar con eje horizontal
o vertical. Es común encontrar máquinas con montaje vertical en las centrales
hidroeléctricas (fig 1.9) y con montaje horizontal cuando son accionados por turbinas de
vapor o gas (fig 1.8).
Figura 1.7 Partes principales de un alternador trifásico.
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Figura 1.8 Montaje típico de una turbina de gas, acoplado a un generador, enforma horizontal.
Figura 1.9 Montaje vertical de un generador, en una planta hidroeléctrica.
Aire
Combustible
Generador
CompresorTurbina
Gases deescape
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CAPÍTULO 2
GENERADORES SÍNCRONOS
2.1 Introducción
Los alternadores trifásicos se usan para generar grandes cantidades de potencia, los niveles
de voltaje que se generan a estas potencias se encuentran en los rangos de 13.8 kV a 28 kV,
este voltaje está limitado por consideraciones de aislamiento y el número de conductores
que se pueden colocar dentro de las ranuras del estator, ya que estos conductores deben
tener una adecuada sección transversal para conducir corriente y mantener las pérdidas por
resistencia a un mínimo práctico.
A los niveles de voltaje mencionados sería posible transmitir la potencia generada en forma
directa, pero esto podría tener también un nivel de pérdidas inaceptables así como una
excesiva caída de voltaje, aún a distancias cortas, por lo tanto, es absolutamente esencial
transmitir potencias a niveles de voltaje altos que pueden ser: 115, 161, 230, 400, 765 y 800
kV, esta elevación de voltaje se logra por medio de los transformadores en las
subestaciones eléctricas elevadoras para ser transmitidos a varios cientos de kilómetros, en
donde los voltajes son reducidos a distintos valores para subdistribución y utilización.
Los generadores síncronos comerciales se pueden construir con campos magnéticos de
C.D. estacionario o rotatorio, en los generadores síncronos de campo estacionario, los polos
salientes crean el campo magnético, el cual es cortado por una armadura giratoria. La
armadura tiene un devanado trifásico cuyas terminales están conectadas a tres anillos
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rozantes montados sobre el eje por medio de un grupo de escobillas deslizantes sobre los
anillos rozantes, se permite a la armadura su conexión a una carga trifásica externa.
Los generadores síncronos de campo rotario tienen una armadura estacionaria denominada
estator, el devanado trifásico del estator está directamente conectado a la carga sin
necesidad de usar anillos rozantes y escobillas, el estator estacionario facilita el aislamiento
de los devanados debido a que éstos no están, como en el caso del campo estacionario,
sujetos a fuerzas centrífugas. A este tipo de generador se le conoce también como
alternador.
2.2 Construcción de un alternador
En términos generales se puede decir que una máquina eléctrica se compone de dos partes;
una parte estática, que se llama estator y una parte, que tiene forma cilíndrica, llamada rotor
(fig. 2.1a).
Figura 2.1 (a) Estator de una máquina síncrona. (b) Rotor de polossalientes para una máquina síncrona.
(a) (b)
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En la cavidad del estator se coloca el rotor , el rotor es la parte giratoria de la máquina (fig.
2.1b). El rotor se monta en un eje que descansa en dos cojinetes; éstos pueden estar
montados en sus respectivos pedestales que se apoyan en el soporte, ó forman parte de las
tapas que están sujetas a la carcasa del estator.
Los generadores síncronos (fig 2.2) se deben accionar a una velocidad constante, la razón
es que la frecuencia de voltaje generado, que es la de la red eléctrica que alimenta, está
directamente relacionada con la velocidad, por la tanto, la velocidad mecánica del
generador se debe sincronizar con la frecuencia eléctrica, de aquí el nombre de máquina
síncrona.
Figura 2.2 Montaje normal de máquina síncrona con excitatrizmontada en el mismo eje.
El principio es el siguiente: la acción del generador depende totalmente del movimiento
relativo del conductor con respecto a las líneas de campo (fig. 2.3), esto sugiere que es
ESTATOR
EXCITATRIZANILLÓSROZANTES
ROTOR
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posible construir un generador de C.A., en el cual el devanado donde se induce los voltajes
(devanado de armadura) están colocados en el estator (fig. 2.4). El circuito del campo está
sobre el rotor.
Las razones, de por qué es preferible el arreglo de campo giratorio (rotor) y armadura
estacionaria (estator), son las siguientes:
1. El devanado de armadura generalmente está dimensionado para altos voltajes y
corrientes, es mucho más grande y complejo que el devanado de campo, por lo
tanto, es mejor y más seguro que esté en la parte estacionaria, tanto en la parte
eléctrica como la mecánica.
2. El devanado de armadura es más fácil de enfriar cuando es estacionario que cuando
es rotatorio o giratorio. Debido a que el núcleo del estator es más grande, otorga una
mejor circulación del aire forzado, permitiendo disponer de un número mayor de
ductos de aire.
3. Las bobinas del campo llevan relativamente poca corriente comparativamente con
las bobinas de armadura y, por lo tanto, las conexiones eléctricas rotativas son
menores y, se emplean anillos rozantes.
4. No se requiere acción del conmutador, haciendo que las conexiones de la armadura
de alta potencia sean más fácil de hacer sobre algún miembro estacionario.
2.3 El estator
El estator de un alternador consiste de acero de buena calidad eléctrica, en forma laminada
para minimizar las pérdidas por corrientes circulantes.
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N
S
(+)C. D. paraexcitar elcampo
(-)
Figura 2.3 Generador con armadura en el rotor.
El concepto de buen acero eléctrico, quiere decir que, tanto la permeabilidad como la
resistividad del material sean altas, generalmente el acero al silicio satisface este requisito.
El número de ranuras deben ser las necesarias para poder usar un devanado trifásico
simétrico (fig. 2.5), esto es posible cuando la relación entre el número de ranuras y el
número de polos, multiplicado por el número de fases es un entero, esto es:
fasesdenúmeropolosdenúmero
ranurasdenúmeroentero - - - - - - - - (2.1)
En las máquinas de baja velocidad y gran diámetro, tales como los alternadores usados en
las centrales hidroeléctricas, que tienen un elevado número de polos, la longitud del estator
es relativamente corta, en cambio en las máquinas de alta velocidad, como aquellas
accionadas por turbinas de vapor, se usan sólo 2 ó 4 polos y la longitud axial es varias
veces su diámetro.
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N
S
N
S
C. D. paraexcitar elcampo
(+) (-)
Figura 2.4 Generador con armadura en el estator.
En la medida que la máquina sea más grande, se requiere de más cobre en la armadura y
para acomodar conductores de gran tamaño se requiere ranuras de mayor profundidad,
entonces el estator debe ser más ancho y fuerte en la base. Alrededor del 55% de la
circunferencia el estator se debe dejar para los dientes, para permitir transportar el flujo
magnético necesario en forma segura y sin exceder la máxima densidad de flujo, esto deja
aproximadamente el 45 % de la circunferencia para ranuras que se deben llenar con los
conductores y el aislamiento.
Más bobinas, significa tener un mayor número de ranuras; por otro lado, con menos ranuras
pero más anchas se tienen menos espiras de conductores más robustos.
En el primer caso se tiene características de alto voltaje y baja corriente, y en el segundo
caso se puede tener alta corriente con bajo voltaje.
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La capacidad de una máquina se da normalmente en kVA (kilovolt-ampere), cuando se
excede esta capacidad, las máquinas operan a alta temperatura y el aislamiento tiende a
deteriorarse más rápido. La capacidad determina el tamaño global, el cual se relaciona con
las dimensiones de la máquina y del tipo de diseño del sistema de enfriamiento (fig. 2.6).
2.4 El rotor
La parte rotatoria de un alternador; tiene alimentación de C.D. en el devanado de campo del
rotor. Para producir el campo magnético, normalmente se construye de una de las dos
formas siguientes:
1. Con polos salientes.
Figura 2.5 Vista frontal delestator de un alternador.
Figura 2.6 Estator completo de un generador, paraturbina de gas de 87.5 MVA, enfriado por aire.
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2. Con rotor cilíndrico.
En la máquina con rotor de polos salientes, a la zapata polar se le da una forma, que permita
que la densidad de flujo en el entre hierro tenga una forma senoidal (fig. 2.7).
En los alternadores de rotor cilíndrico, el devanado está colocado en las ranuras del rotor,
como el entrehierro es uniforme se obtiene una mejor distribución del flujo,
comparativamente con los alternadores de rotor con polos salientes (fig. 2.8).
Figura 2.8 Rotor cilíndrico ranurado.
ARAÑA DEACERO
PIEZA DE POLOLAMINADO
VENTILACIÓN
Figura 2.7 Rotor de polos salientes.
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Las máquinas de rotor con polos salientes se usan en las centrales hidroeléctricas, debido a
que operan a muy baja velocidad, y entonces requieren de un gran número de polos (fig.
2.9).
La relación entre la velocidad del rotor (N), el número de polos (P) y la frecuencia (f) se
expresa de la siguiente manera:
120
PNf - - - - - - - - (2.2)
Ejemplo 2.1: Una máquina con 48 polos y la generación la realiza a 60 Hz, opera a:
rpm150
48
60120
P
f120N - - - - - - - - (2.3)
Con la formula 2.3 concluimos que con un gran número de polos, necesitamos una menor
velocidad en el rotor para mantener una frecuencia constante de 60 Hz, como lo confirma el
resultado. Esto es aplicado en las plantas hidroeléctricas.
Brida deacoplamiento
Polos
Eje
Anillos rozantes
Muñón para elcojineteEje
Extremo de ejepara la excitatriz
Cubo
Figura 2.9 Vista general de un rotor de polos salientespara un alternador. El acoplamiento con el eje es fijo.
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Los rotores de tipo cilíndrico se usan en forma exclusiva en alternadores accionados por
turbinas de vapor (fig. 2.10), y como tales, son conocidos como turboalternadores o
turbogeneradores, tienen por lo general, dos o cuatro polos por sus aplicaciones a altas
velocidades y debido a que estos rotores son compactos, pueden soportar las fuerzas
centrífugas desarrolladas en los grandes generadores a alta velocidad.
La figura 2.11 representa un alternador elemental monofásico de dos polos, de polos
salientes (fig. 2.11a) y de rotor cilíndrico (fig. 2.11b), indicando las trayectorias para las
líneas de flujo.
Ejemplo 2.2.
Una turbina hidráulica gira a 200 rpm, está conectada a un generador síncrono. Si el voltaje
inducido tiene una frecuencia de 60 Hz, calcular el número de polos que tiene el rotor.
De la expresión (2.2) se tiene que el número de polos vale:
N
f120P
Figura 2.10 Rotor cilíndrico para 87.5 MVA del estator mostradoen la a figura 6, con un diámetro de 0.94 m.
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Sustituyendo los valores correspondientes:
polos36
200
60120P
En este ejemplo corroboramos, que para mantener una frecuencia de 60 Hz, el número de
polos para un alternador depende de la velocidad del rotor.
l1
l2
Entre hierrono uniforme
Líneasde flujo
Bobinas decampo
Zapata polar Figura 2.11(a) Alternadorde polos salientes, el entrehierro no es uniforme.
Entre hierrouniforme
Eje
l1
l2
Figura 2.11 (b) Alternadorde rotor cilíndrico, el entrehierro es uniforme.
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Ejemplo 2.3.
Un alternador de 4 polos opera a 1800 rpm, calcular la frecuencia a la que opera el
alternador.
De la expresión (2.2) se obtiene la expresión de la frecuencia.
Hz60
120
18004
120
NPf
Con este problema confirmamos que la frecuencia depende de la velocidad del rotor y el
número de polos. Si el número de polos aumenta la velocidad debe disminuir, como el
ejemplo 2.1. Si la velocidad del rotor aumenta el número de polos tiene que disminuir,
como el ejemplo 2.2 . Algo importante que debemos de considerar es que el número de
polos debe ser un número entero y par, por lo tanto, la velocidad también debe ser un
número entero.
2.5 Alternadores trifásicos
Para un alternador trifásico se deben tener tres bobinas, que deben estar colocadas sobre el
estator de manera que estén separadas 120° eléctricos (fig. 2.12), en donde cada bobina está
separada 120° una con respecto a otra, los voltajes inducidos son ea, eb, ec en valores
instantáneos y el valor eficaz ó r.m.s. correspondientes son EA, EB, EC, en donde los
subíndices A, B, C se refieren a la secuencia de los voltajes inducidos, que significa el
orden en que los voltajes son generados.
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Las tres bobinas del estator generalmente están conectadas en estrella (Y) ó también pueden
estar conectadas en delta (), para producir una fuente de voltaje trifásica, el voltaje
inducido en cada bobina del estator se conoce como un voltaje de fase E y el voltaje que
aparece entre cualquiera de los dos conductores de fase a fase o de línea, se conoce como el
voltaje de línea VL, o bien el voltaje terminal (Vt), cuando se mide en las terminales del
alternador.
La magnitud del voltaje de cada fase se expresa de la siguiente forma:
Emáx = Bmlr - - - - - - - - (2.4)
en donde:
Emáx es la magnitud del voltaje generado. Bm es la densidad de flujo máxima producida
por el rotor.
l es la longitud de ambos lados de la bobina. es la velocidad angular del rotor (rad/s).
r es el radio de la armadura.
Figura 2.12 Alternador trifásico.
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2.6 Devanados de armadura
Hay dos formas de realizar un devanado de armadura para un alternador:
1. Devanados de capa sencilla
2. Devanados con doble capa
Un devanado trifásico se forma agregando dos ó más grupos de bobinas de armadura,
desplazadas 120° Y 240° eléctricos con respecto a la primera bobina (fase) para producir un
sistema de tres voltajes iguales en magnitud y desplazados 120° uno con respecto a otro,
para producir un sistema de tres voltajes y una máquina denominada alternador trifásico.
En la figura 2.13, se muestra el devanado desarrollado de un alternador trifásico de 4 polos.
Hay un sólo lado de bobina en cada ranura, haciendo un devanado de una sola capa.
Si los inicios de bobina se designan por Sa, Sb, y Sc y las terminaciones son fa, fb y fc, se
puede unir en dos formas, estas son la conexión delta () y la conexión estrella (Y).
Figura 2.13 Devanado trifásico de capassimples distribuidas en una ranura porpolo por fase.
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Para los devanados de las armaduras trifásicas, la separación entre los devanados de fase es
120° eléctricos o 60° mecánicos, esto se concluye de un razonamiento simple, que un ciclo
completo de la FEM se genera cuando los cuatro polos del rotor giran 180° mecánicos (fig.
2.14).
Figura 2.14 Vista desarrollada del devanado de armadura.
Un ciclo completo de la Fem representa 360° eléctricos, extendiendo esto a un alternador
de número de polos (P debe ser siempre un número entero positivo), se tiene la siguiente
relación entre el ángulo mecánico del rotor mec y el ángulo eléctrico elc.
P
mecánicos360αmec
- - - - - - - - (2.5)
ó bien
mecelec α2
Pα - - - - - - - - (2.6)
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Ejemplo 2.4.
Un alternador trifásico tiene 12 polos, calcular el ángulo mecánico correspondiente a 180°
eléctricos.
Solución:
El ángulo mecánico entre los polos norte y sur es:
3012polos
360αmec
el ángulo en grados eléctricos vale:
180302
12α2
Pα mecelec
El ángulo mecánico es la separación física que debe haber entre los devanados de fase, que
para el caso del ejemplo 2.4 debe ser de 30° mecánicos.
2.7 Factor de distribución
Cuando un devanado está construido de un cierto número de bobinas colocadas en ranuras
separadas, las Fem’s generadas en las distintas bobinas por fase no están en fase, en
consecuencia, la Fem en terminales es menor que aquella que se ha concentrado en los
devanados, el factor por el cual la Fem de un devanado distribuido se debe multiplicar para
obtener la Fem total generada se conoce como “Factor de distribución” (kd) para el
devanado, este factor es siempre menor que la unidad.
Si se supone que hay un número de ranuras (n) por fase y por polo, la separación entre
ranuras (), en grados eléctricos se expresa como sigue:
n(m)
eléctricos180ψ - - - - - - - - (2.7)
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donde: m es el número de fases.
el factor de distribución es:
2
ψnsen
n(m)2
1sen
kd
La ventaja real de los devanados distribuidos es que mejora la forma de onda del voltaje
generado.
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CAPÍTULO 3
PRINCIPIOS DE ELECTRICIDAD Y MAGNÉTISMO
3.1 Introducción
Las máquinas eléctricas tienen circuitos eléctricos y magnéticos interconectados a través de
un medio que es el flujo magnético, la corriente eléctrica fluye a través de los circuitos
eléctricos que son conductores eléctricos y bobinas, en tanto que los flujos magnéticos
fluyen a través de circuitos magnéticos que están hechos de núcleos de fierro. La
interacción entre la corriente eléctrica y el campo magnético es la base del principio de
conversión de la energía electromagnética, que tiene lugar en los generadores.
En los dispositivos de conversión de la energía se transforma la energía mecánica en
energía eléctrica (acción del generador), o bien el proceso inverso (acción de motor). Por lo
tanto, los circuitos electromagnéticos juegan un papel importante en las máquinas eléctricas
rotatorias.
Los circuitos eléctricos y magnéticos son muy similares, por lo que en ocasiones se puede
hacer una analogía entre los circuitos eléctricos y los circuitos magnéticos.
3.2 Corriente eléctrica
Todos los materiales tienen átomos unidos en alguna forma, pues de lo contrario se
desintegraría. Existen diferentes tipos y formas de uniones; por eso, unos elementos son
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gases, algunos son líquidos y otros sólidos. Además, existen varias formas en que los
átomos de los sólidos están unidos, por esta razón, algunos metales son suaves y otros
duros. El tipo de unión que nos interesa para el estudio de la electricidad básica es la unión
metálica.
Por ejemplo, el cobre tiene el número atómico; 29. Por lo tanto, tiene 29 protones y 29
electrones; en estado neutro, los cuales están distribuidos en cuatro orbitas (fig. 3.1), de la
siguiente forma:
1ª Órbita 2 electrones
2ª Órbita 8 electrones
3ª Órbita 18 electrones
4ª Órbita 1 electrón (capa de valencia)
Protonesy
Neutrones
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-e-
e-
e-
e-
e-e-
e-e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-e-
Electrónde
valencia
Figura 3.1 Átomo de cobre con número atómico 29.
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Así, los átomos del cobre disponen como carga móvil, un sólo electrón, situado en la
última orbita. La poca fuerza de atracción ejercida por el núcleo sobre dicho electrón, hace
que fácilmente éste pueda salir del átomo.
En un trozo se cobre los átomos están tan próximos, unos de otros, que las orbitas
exteriores se sobre ponen. Al girar el electrón de un átomo, puede ser atraído por otro
átomo e incorporarse a la capa de éste. Aproximadamente al mismo tiempo, un electrón en
el segundo átomo se desprende y pasa a la capa de otro átomo. La mayor parte de los
electrones exteriores continuamente cambian de órbita en esta forma, de manera que los
electrones de valencia en realidad no están asociados con ningún átomo en particular.
Todos los átomos comparten a todos los electrones de valencia y así se unen entre sí. Los
electrones están libres para moverse al azar. La acción es continua, de manera que todo
átomo siempre tiene un electrón, cada electrón siempre está en un átomo. Por lo tanto, el
número total de protones y electrones es el mismo y el material es eléctricamente neutro,
pero el conductor tiene un gran número de electrones libres.
La corriente eléctrica se produce, cuando en un conductor hay muchos electrones libres
que se mueven en la misma dirección (fig. 3.2), y se puede definir de la siguiente manera:
Corriente eléctrica: es el paso de electrones a través de un conductor.
Conductor
Figura 3.2 Los electrones libres que se muevenen la misma dirección producen una corrienteeléctrica.
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3.3 Intensidad de corriente eléctrica
La intensidad de corriente que fluye en un alambre está determinado por el número de
electrones que pasan por un punto dado, en un segundo (fig. 3.3). Relaciona la cantidad de
carga eléctrica con el tiempo y, se puede definir de la siguiente manera:
Intensidad de corriente eléctrica: es la cantidad de carga eléctrica que circula por un
conductor en la unidad de tiempo. Quiere decir que es una medida de corriente.
Matemáticamente se expresa
t
qI - - - - - - - - (3.1)
su unidad es el amper y un coulomb es 6.28x10 18 electrones. Si un coulomb pasa en un
punto durante un segundo, se tendrá una corriente de un amper.
Figura 3.3 Intensidad de corriente eléctrica.
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3.4 Tensión eléctrica
Para que exista una corriente eléctrica es necesario que algo obligue a los electrones a
moverse ordenadamente, en un sentido, esta fuerza externa es la que proporcionan los
generadores de electricidad (pilas, alternadores, celdas solares, etc.). Desde un punto de
vista práctico, se puede definir de la siguiente manera:
Tensión eléctrica: es la fuerza que da lugar a que los electrones se muevan ordenadamente
a través de un conductor, produciéndose así una corriente eléctrica.
Para mover un electrón de un punto a otro es necesario aplicar una fuerza, entonces, se
desarrolla un trabajo. Por lo tanto, la tensión es la relación del trabajo que se hace para
mover una carga alrededor de un circuito. Matemáticamente se expresa por:
q
wV - - - - - - - - (3.2)
la unidad de tensión eléctrica es el volt; por tanto, el voltaje es la medida de la tensión
eléctrica. Así, se dice que la tensión de la batería del coche es de 12 V, la tensión de la red
eléctrica es de 127 V, una pila de 1,5 V, etc.
Un volt resulta ser el trabajo de un joule sobre la carga de un coulomb.
3.5 Resistencia eléctrica
Cuando una corriente circula por un conductor, los electrones libres “chocan”, no sólo unos
con otros, sino también con los electrones en la frontera de los átomos del conductor que no
tiene movimiento. Estos choques impiden la circulación de los electrones libres y, al efecto
se le conoce como resistencia. Se puede definir como:
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Resistencia eléctrica: es la mayor o menor oposición que presentan los materiales al paso
de la corriente eléctrica.
Los materiales son mejores conductores cuando menor sea su cantidad de electrones libres.
Esto se presenta en elementos cuyo número de electrones de valencia es menor a cuatro
electrones. Esto implica que la resistencia del material sea menor.
3.6 Resistencia de un conductor
A una temperatura dada, la resistencia de un conductor depende de su longitud (l), su
sección transversal (s) y la naturaleza del material () (fig. 3.4). Esta relación está dada por
:
s
lρR - - - - - - - - (3.3)
Longitud
(l)
Figura 3.4 La resistencia del material depende de su área transversal,longitud y resistividad (característica de cada materia).
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El coeficiente de resistividad es una propiedad cualitativa de los materiales.
Cuando circula corriente por un conductor se produce una pérdida de energía eléctrica, que
se convierte en calor (efecto joule), que es mayor cuanto mayor es la resistencia del
conductor.
Por esta razón, la alimentación del motor eléctrico de arranque de un coche utiliza cables
conductores de bastante sección transversal, con el fin de obtener la mínima resistencia,
debido a la alta intensidad de corriente que circula. De lo contrario con conductores
delgados, la resistencia es mayor y, como consecuencia del elevado amperaje, la pérdida de
energía eléctrica convertida en calor podría hacer que se queme la instalación.
3.7 Variación de la resistencia con la temperatura
En general en la mayoría de los conductores metálicos, la resistencia aumenta al aumentar
la temperatura. Por ello, el valor resistivo de los conductores aumenta, conforme se van
calentando, debido a la circulación de la corriente.
Es por ello que los aparatos eléctricos como planchas, estufas eléctricas, focos, etc.,
consumen más corriente en el momento de su conexión que cuando llevan un cierto tiempo
funcionando, en frío la resistencia es menor y, en consecuencia, puede circular mayor
corriente.
No obstante, en ciertos materiales la resistencia se mantiene constante o disminuye al
aumentar la temperatura. En el constantán la resistencia se mantiene constante, no varía con
la temperatura. En cambio, en el carbón la resistencia disminuye al aumentar la
temperatura.
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La variación de la resistencia en función de la temperatura se puede calcular de acuerdo a la
expresión:
RC = Rf(1 + T) - - - - - - - - (3.4)
en donde:
Rc es la resistencia del conductor a una temperatura fuera del estándar.
Rf es la resistencia del conductor a temperatura estándar (20° C).
es el coeficiente de temperatura, obtenido de forma experimental y presentado en tablas.
T es el intervalo de temperatura a la cual se quiere calcular la resistencia.
3. 8 Potencia eléctrica
Para que se produzca una corriente eléctrica – que es un desplazamiento de carga - se
precisa de una fuerza que se denomina tensión.
Matemáticamente el trabajo eléctrico se puede expresar de la forma siguiente:
w = V(q) - - - - - - - - (3.5)
despejando la carga de la ecuación (3.1) tenemos:
q = It - - - - - - - - (3.6)
sustituyendo la ecuación (3.6) en la ecuación (3.5), entonces el trabajo eléctrico se puede
expresar por medio de la siguiente expresión:
w = V(It) - - - - - - - -(3.7)
El concepto de potencia eléctrica, indica la capacidad que tiene la electricidad para realizar
un trabajo en un cierto tiempo:
t
wP - - - - - - - - (3.8)
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pero el trabajo eléctrico es:
w = V(q) - - - - - - - - (3.9)
sustituyendo el trabajo en la relación de la potencia, se obtiene:
t
qVP - - - - - - - - - (3.10)
y sustituyendo la expresión (3.1) en la expresión (3.10), tenemos que la potencia eléctrica
se expresa como sigue:
P = VI - - - - - - - - (3.11)
3.9 Magnetismo
En la naturaleza hay cuerpos que tienen la propiedad de atraer el hierro y algunos otros
metales por lo cual reciben el nombre de imanes.
La causa que provoca la atracción de los cuerpos se denomina magnetismo y, designamos
con el nombre de fuerza magnética la cantidad de atracción que ejercen los cuerpos
imantados sobre los otros no imantados.
Todos los imanes tienen dos polos denominados norte y sur.
Los cuerpos oponen cierta resistencia para ser imantados o desimantados, a esta resistencia
se le llama fuerza coercitiva. Los metales que pueden ser atraídos por un imán como el
hierro, el acero, el niquel, etc., reciben el nombre de materiales magnéticos.
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3.10 Campos magnéticos producidos por medio de corriente eléctrica
Hans Christian Oersted observó que un alambre que conducía corriente eléctrica afectaba
la orientación de la aguja de una brújula cercana. El descubrimiento de Oersted, que
vinculó el movimiento de las cargas eléctricas con la creación de un campo magnético,
señalo el inicio de una disciplina tecnológica importante denominada electromagnetismo.
Cuando pasa corriente por un alambre se observa que las agujas de las brújulas apuntan en
un patrón circular alrededor del alambre. Si se invierte la dirección de la corriente,
entonces, también las agujas invierten su direcciones, indicando que se ha invertido la
dirección del campo magnético. La dirección del campo magnético, en un conductor, puede
obtenerse utilizando la regla de la mano derecha (fig. 3.5).
BrujulaConductor
Líneas decampo
Corriente hacia elinterior de la hoja
Corriente hacia elexterior de la hoja
Regla de la manoderecha
Figura 3.5 Dirección del campo magnético alrededor de unconductor que transporta corriente.
Regla de la mano derecha para conductores: coloque los dedos de la mano derecha en
forma de semicírculo. Apunte el pulgar en la dirección de la corriente y, las puntas de los
dedos apuntarán en la dirección del campo magnético.
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Se encontró que la magnitud del campo magnético (B) es directamente proporcional a la
corriente e inversamente proporcional a la distancia radial:
r
IBα - - - - - - - - (3.12)
La constante de proporcionalidad se determina experimentalmente y se expresa como:
2πμ0 - - - - - - - - (3.13)
por tanto el campo magnético se expresa de la siguiente forma:
r2πIμ
B 0 - - - - - - - - - (3.14)
la constante 0 se denomina permeabilidad del espacio libre y su valor es: 4x10-7.
Analizando el efecto de la distancia, radial, a menor distancia del alambre las líneas de
campo magnético están más próximas entre sí.
3.11 Campo magnético producido por una espira de alambre
Si un alambre conductor de corriente se curva en forma de espira circular, entonces las
líneas de campo magnético alrededor de la espira tiene un patrón (fig. 3.6). en el centro de
una espira de radio r, el campo magnético es perpendicular al plano de la espira y tiene el
valor:
r2πIμ
B 0 - - - - - - - - (3.15)
La magnitud del campo magnético en el eje de un anillo circular de corriente esta dado por
la siguiente ecuación:
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39
23
22
20
2
IrμB
zr - - - - - - - - (3.16)
donde z es la longitud del anillo y r es el radio del anillo. Si z >> r, de modo que no se
consideren los puntos cerca del anillo, la ecuación se reduce a:
3
20
2z
IrμB - - - - - - - - (3.17)
Figura 3.6 Campo magnético alrededor de unabobina donde circula una corriente.
A menudo, la espira consta de n-vueltas de alambre que están devanadas aparentemente
entre sí de modo que forman una bobina con un solo radio, el campo total es n-veces mayor
que el de una sola espira.
2r
INμB 0 - - - - - - - - (3.18)
la dirección del campo magnético en el centro de la espira puede determinarse con ayuda de
la regla de la mano derecha para bobinas (fig. 3.7).
Regla de la mano derecha para bobinas: se empuña el alambre con la mano derecha, con
el pulgar indicando la dirección del polo norte, y los demás dedos se enroscan en dirección
a la corriente.
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40
Líneas deflujo
Dirección delcampo
Figura 3.7 Regla de la mano derecha paradeterminar la dirección del flujo magnético.
3.12 Fuerza electromotriz y corriente inducida
Si una corriente eléctrica produce un campo magnético, es natural preguntar si un campo
magnético es capaz de producir una corriente eléctrica.
Cuando una barra imantada se coloca dentro de una bobina de alambre. Si no hay
movimiento relativo entre la barra y la bobina, no se genera ninguna corriente. Sin
embargo, cuando el imán se mueve, en la bobina aparece una corriente. A medida que el
imán se acerca, el campo magnético en la bobina es cada vez más fuerte, y este campo
magnético variable produce la corriente. Cuando el imán se aleja de la bobina, también
existe una corriente, pero su dirección sea invertido. En este caso, el campo magnético en la
bobina se hace más débil a medida que el imán se aleja.
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También se produciría una corriente si el imán se mantiene estacionario y se moviera la
bobina, porque el campo magnético en la bobina cambiaría a medida que éste se acercara o
alejara del imán. Para generar una corriente solamente se necesita movimiento relativo
entre el imán y la bobina, no importando cual de los dos se mueva.
La corriente en la bobina se denomina corriente inducida, porque la corriente es producida
por un campo magnético variable. Debido a que es necesario una fuente de fuerza
electromotriz (fem) para producir una corriente, la bobina en sí se comporta como si fuera
una fuente de fem. la fem se conoce como fem inducida, y su valor puede medirse
conectando un voltmetro con la bobina.
Por lo tanto, un cuerpo magnético variable induce fem en la bobina y, la fem lleva una
corriente inducida.
También, se genera una Fem inducida cuando una bobina de área constante se hace girar en
un campo magnético y la orientación de la bobina cambia con respecto al campo. Cuando
cesa la rotación la Fem y, por tanto, la corriente, se desvanece.
3.13 Fem inducida en un conductor en movimiento
Cuando una barra conductora se mueve a través de un campo magnético constante, en la
barra se induce una Fem, considere la barra metálica de longitud l que se mueve a la
derecha. La velocidad v de la barra es constante y perpendicular a un campo magnético
uniforme. Los electrones libres en movimiento son excitados hacia la parte inferior de la
barra, dejando atrás una cantidad igual de cargas positivas en la parte superior de la barra.
Las cargas positivas y negativas se acumulan cada vez más, hasta que la fuerza de atracción
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entre las dos distribuciones de carga se vuelve igual en magnitud a la fuerza magnética.
Cuando la fuerza eléctrica equilibra la fuerza magnética, se llega al equilibrio y ya no
ocurre separación de cargas.
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43
CAPÍTULO 4
SINCRONIZACIÓN DE GENERADORES
4.1 Introducción
Una parte importante del estudio de los generadores síncronos la constituye la operación en
paralelo; en la mayoría de los sistemas eléctricos de potencia, los generadores no operan de
forma aislada alimentando a una carga , más bien, operan interconectados a través de una
red eléctrica, para alimentar cargas localizadas geográfica y eléctricamente en puntos
diversos del sistema.
En las centrales eléctricas es condición normal, que se tenga más de una unidad generadora
operando en paralelo, y para lograr ésto, es necesario que se satisfagan tres condiciones en
el momento de la conexión:
- Debe existir igualdad de voltajes.
- Debe existir igualdad de frecuencias.
- Debe haber coincidencia de fases.
De lo anterior, también se puede decir que, para acoplar una unidad generadora al resto del
sistema se debe cumplir las mismas condiciones.
La condición de fases se dice también que, es una igualdad en el sentido de rotación, esto se
puede verificar en la actualidad con aparatos que permitan la conexión en paralelo o
sincronización en forma automática. El procedimiento consiste en individualizar el sentido
cilíndrico de las sucesiones de las fases.
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44
La igualdad de los otros valores se realiza con otros aparatos llamados, aparatos de puesta
en paralelo y que están constituidos básicamente por dos vólmetros, dos frecuencimetros y
un vólmetro de cero que se inserta en el circuito (fig. 4.1).
V
V
f
f
V
LINEA
c
b
a
n
Figura 4.1 Diagrama de conexión de instrumentos para la puesta en línea de un generador.
El vóltmetro de cero mide la diferencia entre las dos tensiones, y se pone en posición de
cero, cuando las dos tensiones además de ser iguales se encuentran también en fase; la
velocidad de desplazamiento del índice del vólmetro de cero y es función creciente de la
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diferencia de las dos frecuencias, de modo que cuando éstas son muy cercanas, la velocidad
de desplazamiento es muy pequeña.
El acoplamiento en paralelo mediante el cierre del interruptor se puede efectuar en el
momento en que el índice del vólmetro de cero alcanza su posición muy lentamente; para
alcanzar este valor con la mayor exactitud, se recomienda que el vólmetro de cero se
construya con una escala, muy amplia para valores alrededor del cero, y con escala
reducida para valores más altos. Con el vólmetro de escala cero se instalan en paralelo dos
pequeñas lámparas cuyo parpadeo da una visión objetiva de la diferencia entre las
frecuencias.
Como se indicó antes, el vólmetro de cero se puede sustituir ó ser complementado con un
aparato de conexión automática en paralelo, que manda el cierre automático del interruptor
paralelo.
Prácticamente las puestas en paralelo de un alternador con su red se efectúa en la forma
siguiente:
- se abre la turbina (hidráulica o térmica) de manera que se ponga en movimiento el
grupo o se haga girar a la velocidad normal.
- Se inserta el regulador automático de velocidad que mantiene la velocidad del grupo
próxima a la velocidad de sincronismo.
- Se excita el alternador hasta obtener una tensión igual a la tensión de la red.
- Se inserta el grupo de aparatos se conexión en paralelo.
- Se regula lentamente la velocidad del grupo de manera que se lleve la frecuencia del
alternador a ser igual a la red (que es una frecuencia que varía un poco de acuerdo
con la variación de la carga). La lectura de los aparatos de conexión en paralelo dan
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46
una indicación de cómo se debe variar la velocidad del grupo hasta que se
verifiquen las condiciones para la conexión.
Si el cierre del interruptor de conexión en paralelo se efectúa en el momento justo, no se
tendrá ningún cambio de corriente y por lo tanto de potencia entre el generador y la red.
4.2 Método de sincronización de generadores trifásicos
Para la puesta en paralelo de generadores trifásicos ya sea a la red eléctrica a la que se van a
acoplar o bien a otros generadores, como ya se ha mencionado, se puede hacer por medios
automáticos que contienen no sólo los instrumentos de sincronización. También los
relevadores de protección en caso de que por alguna razón la sincronización no ocurra en
forma correcta. No obstante esto, en generadores pequeños usados para servicios propios o
como plantas de emergencia, así como para el acoplamiento en paralelo de generadores en
los laboratorios de enseñanza de máquinas eléctricas, se pueden usar dos métodos
conocidos y denominados genéricamente como el método de las lámparas apagadas y el
método de las lámparas encendidas. Estos métodos de sincronización para su realización
deben cumplir con los requisitos para la conexión en paralelo de generadores; para explicar
estos métodos se emplea la figura 4.2.
4.2.1 El método de las tres lámpara apagadas
Con relación a la figura 4.2 el generador B es el que se va a acoplar, tiene conectadas las
tres lámparas de manera que éstas brillan y se opacan juntas. Si brillan y se apagan en
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47
secuencia quiere decir que el generador B no se encuentra conectado correctamente con las
barras y por lo tanto, se deben cambiar dos de los tres conductores del generador de su
posición. Cuando el parpadeo en las lámparas se hace más lento, el interruptor de puesta en
paralelo se cierra instantáneamente cuando las lámparas están apagadas.
La desventaja de este método, es que las lámparas pueden observarse apagadas aun cuando
exista un voltaje considerable entre sus terminales, y si los generadores se conectan en
paralelo cuando hay una diferencia de voltaje considerable entre ellos, pueden ocurrir
disturbios considerables sobre todo en máquinas de gran potencia y alta velocidad, en el
caso de pequeñas máquinas de laboratorio probablemente no pase de frenado del rotor.
También tiene la desventaja de que no se sabe si la máquina opera a baja velocidad ó va
muy rápido.
A B C
VV
L1L2L3 L1L2L3
a
b
c
Figura 4.2 Método de las lámparas encendidas y una apagada.
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4.2.2 El método de las dos lámparas encendidas y una apagada
En este método dos lámparas se conectan cruzadas como se muestra en el caso del
generador C de la figura 4.2.
Cuando el generador entrante está en sincronismo con el generador A o con las barras, las
lámparas L3 y L1 están encendidas y la lámpara L2 está apagada. Dado que cerca del punto
de sincronismo la brillantez de las lámparas se incrementa la otra se obscurece, la
sincronización se pude lograr con cierta precisión por lo que es más fácil determinar el
momento de cerrar el interruptor.
El interruptor de cierre en paralelo se cierra cuando los cambios de la luz son muy lentos y
en el instante en que la lámpara L2 se conecta directamente a la fase en oscuro. Cuando la
lámparas se conectan formando un círculo cuando el sentido de encendido y apagado es
contrario a las manecillas del reloj indica que la máquina entrante va lenta y un sentido de
encendido contrario indica que la máquina va rápido, es decir, que observamos el sentido
de encendido de las lámparas se puede determinar si la máquina va rápida o lenta.
4.3 El funcionamiento de los generadores en paralelo
En los sistemas eléctricos que manejan grandes volúmenes de energía es común que el
tamaño de un generador aislado sea pequeño en comparación con la del sistema completo,
esto es debido a que es práctica común preferir unidades de potencia no muy grande (300
MW, 600 MW y hasta 1200MW) en lugar de unidades de potencias mayores.
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49
El uso de varios generadores en paralelo ofrece varias ventajas durante la operación como
son:
Se tiene una mejor posibilidad de que las unidades generadoras tomen cargas a
valores donde tengan mayor eficiencia.
La confiabilidad se aumenta con varias unidades operando en paralelo.
Se tiene mayor flexibilidad en los programas de mantenimiento.
El costo de la salida de servicio de una unidad es menor.
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50
CONCLUSIONES
En la actualidad uno de los retos y objetivos que enfrenta México es mejorar la generación
de energía eléctrica, aplicando lo mejor de la técnica y aumentando la calidad y
confiabilidad del servicio eléctrico.
El presente trabajo cumple con la finalidad de proporcionar, una base teórica; para iniciar el
estudio de los alternadores, que son parte fundamental en la generación de electricidad.
Los alternadores utilizados en las centrales eléctricas son del tipo trifásico. Constituidos de
una parte fija (donde se induce una fuerza electromotriz) y de una parte interna móvil
(donde se alojan los polos magnéticos). La parte móvil (rotor) puede ser de polos salientes,
utilizados en centrales hidroeléctricas, ó lisos, empleados en centrales termoeléctricas.
Los polos magnéticos interconectan circuitos eléctricos y magnéticos para producir un flujo
magnético. La interacción entre la corriente eléctrica y el campo magnético es la base de la
conversión de la energía electromagnética.
Los alternadores no operan en forma aislada para alimentar una carga, por lo tanto, en las
centrales eléctricas se tiene más de una unidad generadora conectadas en paralelo. Para
acoplar una unidad generadora con otra ó al resto del sistema de transmisión de energía
eléctrica, se deben cumplir ciertas condiciones: debe existir igualdad de voltaje, frecuencia
y haber una coincidencia de fases.
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Bibliografía
Álvarez, Jesus A y Callejón, Ismael. 2005. Máquinas térmicas motoras, Alfaomega-
Marcombo.
Camarena, Pedro. 1982. Bobinado de alternadores, CECSA.
CFE 55 aniversario. 1992. Hacia el siglo XXI, Hernández Cueto Editores.
Corrales , Juan. 2003. Cálculo modular de máquinas eléctricas “Manual practico”,
Alfaomega-Marcombo.
Enriquez, Gilberto. 2005. Máquinas eléctricas, Noriega Editores.
Enriquez, Gilberto. 2000. Manual de electricidad industrial II, Noriega Editores.
Enriquez, Gilberto. 1983. Curso de maquinas síncronas, LIMUSA.
Enciclopedia CEAC de Eléctricidad. 1990. Centrales eléctricas, ceac.
Gray, C. B. 1997. Máquinas eléctricas. Alfaomega.
Hermoso, Antonio.2000. Principios de electricidad y electrónica I y II, Alfaomega-
Marcombo.
Mileaf, Harry. 2002. Serie Electricidad 1-7, Noriega editores.
Secretaria de Energía. 2001. Prospectiva del sector eléctrico 2001-2010, SENER.