Resumen Generadores Sincronos PDF

Tecnológico Nacional de México Campus Nuevo Laredo
Departamento de Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Mecatrónica
Ingeniería Eléctrica
Maquinas Síncronas y CD
Resumen unidad 4 Generadores Síncronos
Javier Alejandro Villanueva Pérez 17100148
ING. Jose Alejandro Gonzalez Zúñiga
Nuevo Laredo, Tamaulipas, 28 de marzo del 2020

Generadores Síncronos
4.1 Construcción De Generadores Síncronos

Dentro de un generador síncrono se produce un campo magnético en el rotor ya sea
mediante el diseño de este como un imán permanente o mediante la aplicación de una
corriente de cd a su devanado para crear un electroimán
El rotor de un generador síncrono es en esencia un electroimán grande. Los polos

magnéticos del rotor pueden ser tanto salientes como no salientes.
Debido a que el rotor está sujeto a campos magnéticos variables, se construye con
láminas delgadas para reducir las pérdidas por corrientes parasitas.
Se debe suministrar una corriente de cd al circuito de campo del rotor. Puesto que esta
gira, se requiere de un arreglo especial para que la potencia de cd llegue a los devanados
de campo. Existen dos formas comunes de suministrar esta potencia de cd:
1. Suministrar al rotor la potencia de cd desde una fuente externa de cd por medio de
anillos rozantes y escobillas.
2. Suministrar la potencia de cd desde una fuente de potencia de cd especial montada
directamente en el eje del generador síncrono.
4.2 LA VELOCIDAD DE ROTACIÓN DE UN GENERADOR SÍNCRONO
El rotor de un generador síncrono se constituye de un electroimán al que se le suministra
corriente directa. El campo magnético del rotor apunta en la dirección en que gira el rotor.
Ahora, la tasa de rotación de los campos magnéticos en la maquina está relacionada

con la frecuencia eléctrica del estator por medio de la ecuación (3-34):
Debido a que el rotor gira a la misma velocidad que el campo magnético, esta ecuación
relaciona la velocidad de rotación del rotor con la frecuencia eléctrica resultante. La
potencia eléctrica se genera a 50 o 60 Hz, por lo que el generador debe girar a una
velocidad fija que dependerá del número de polos de la máquina.
4.3 VOLTAJE INTERNO GENERADO POR UN GENERADOR SÍNCRONO
se dedujo que la magnitud del voltaje inducido en cierta fase de un estator era
Este voltaje depende del flujo f en la máquina, de la frecuencia o velocidad de rotación

y de la construcción de la máquina. Para resolver problemas de máquinas síncronas, a
menudo esta ecuación se escribe de una forma más simple que destaca las cantidades
que varían durante la operación de la máquina. Seta forma mas simple es
donde K es una constante que representa la construcción de la máquina. Si v se expresa

en radianes eléctricos por segundo, entonces
mientras que, si v se expresa en radianes mecánicos por segundo, entonces

El voltaje interno generado EA es directamente proporcional al flujo y a la velocidad, pero
el flujo en si depende de la corriente que fluye por el circuito de campo del rotor.
4.4 CIRCUITO EQUIVALENTE DE UN GENERADOR SÍNCRONO

Hay varios factores que ocasionan la diferencia que hay entre EA y Vθ
1. La distorsión del campo magnético del entrehierro debida a la corriente que fluye en
el estator, llamada reacción del inducido.
2. La autoinductancia de las bobinas del inducido (o armadura).
3. La resistencia de las bobinas del inducido.
4. El efecto de la forma del rotor de polos salientes.
Con dos voltajes presentes en los devanados del estator, el voltaje total en una fase es
simplemente la suma del voltaje interno generado EA más el voltaje de reacción del
inducido Eestat:
El campo magnético neto Bnet es simplemente la suma de los campos magnéticos del
rotor y del estator:
¿Como se pueden modelar los efectos de la reacción del inducido en el voltaje de fase?
Primero, nótese que el voltaje Eestat tiene un ángulo de 90° atrás del plano de corriente
máxima IA. Segundo, el voltaje Eestat es directamente proporcional a la corriente IA. Si X
es una constante de proporcionalidad, entonces el voltaje de reacción del inducido se
puede expresar como:
Por lo tanto, el voltaje en una fase es:
Obsérvese el circuito que se muestra en la fi gura 4-9. La ecuación de la ley de

voltaje de Kirchhoff de este circuito es
Además de los efectos de la reacción del inducido, las bobinas del estator tienen una
autoinductancia y una resistencia. Si se llama LA a la autoinductancia del estator (y se
llama XA a su reactancia correspondiente), mientras que a la resistencia del estator se le
llama RA, entonces la diferencia total entre EA y Vf está dada por
Tanto los efectos de la reacción del inducido como la autoinductancia de la maquina se

representan por medio de reactancias y se acostumbra combinarlas en una sola llamada
reactancia síncrona de la maquina:
Por lo tanto, la ecuación final que describe Vf es
Ahora es posible dibujar el circuito equivalente de un generador síncrono trifásico.

4.5 DIAGRAMA FASORIAL DE UN GENERADOR SÍNCRONO
Cuando se hace una gráfica de los voltajes dentro de una fase (EA, Vf, jXSIA y RAIA) y la
corriente IA en la fase de tal forma que se muestren las relaciones entre ellos, la gráfica
resultante se llama diagrama fasorial.
Por ejemplo, la figura 4-13 muestra estas relaciones cuando el generador alimenta una
carga con un factor de potencia unitario (una carga puramente resistiva).
Este diagrama fasorial se puede comparar con los diagramas fasoriales de los
generadores que operan con factores de potencia en retraso o en adelanto.
Se requiere una corriente de campo más grande para obtener el mismo voltaje en las
terminales en las cargas en retraso debido a que y ω debe ser constante para mantener
una frecuencia constante.
4.6 POTENCIA Y PAR EN LOS GENERADORES SÍNCRONOS
Un generador síncrono es una maquina síncrona que se utiliza como generador.

Convierte potencia mecánica en potencia eléctrica trifásica. Cualquiera que sea la fuente,
debe tener la propiedad básica de mantener su velocidad constante sin importar la
demanda de potencia. Si esto no se cumple, entonces la frecuencia resultante del
sistema de potencia podría presentar fallas (variar).
No toda la potencia mecánica que entra en un generador síncrono se convierte en
potencia eléctrica que sale de la máquina. La diferencia entre la potencia de entrada y la
potencia de salida representa las perdidas en la máquina.
La potencia eléctrica de salida real de un generador síncrono se puede expresar en

cantidades de línea a línea como
4.7 MEDICIÓN DE LOS PARÁMETROS DEL MODELO

DE GENERADOR SÍNCRONO
El circuito equivalente de un generador síncrono que se ha obtenido consta de tres
cantidades que se deben determinar para describir completamente el comportamiento
de un generador síncrono real:
1. La relación entre la corriente de campo y el flujo (y, por lo tanto, entre la corriente de
campo y EA)
2. La reactancia síncrona
3. La resistencia del inducido
El primer paso del proceso es la realización de la prueba de circuito abierto en el
generador.
Para realizar esta prueba, el generador se hace girar a velocidad nominal, se
desconectan las terminales de cualquier carga y se establece la corriente de campo
como cero. Entonces se incrementa gradualmente por etapas la corriente de campo y se
mide el voltaje en las terminales en cada etapa.
El segundo paso del proceso es la realización de una prueba de cortocircuito. Para
realizar una prueba de cortocircuito se establece la corriente de campo igual a cero y se
hace cortocircuito en las terminales del generador por medio de un conjunto de
amperímetros.
Relación de cortocircuito
Otro parámetro que se utiliza para describir los generadores síncronos es la relación de
cortocircuito.
La relación de cortocircuito de un generador se define como la relación entre la corriente
de campo que se requiere para el voltaje nominal en circuito abierto y la que se requiere
para la corriente del inducido nominal en cortocircuito.
4.8 GENERADOR SÍNCRONO QUE OPERA SOLO

El comportamiento de un generador síncrono con una carga varía mucho, lo cual
depende del factor de potencia de la carga y de que el generador opere solo o en paralelo
con otros generadores síncronos.
Efecto de los cambios en la carga en un generador síncrono que opera solo
Un incremento de la carga es un aumento de la potencia real, reactiva, o ambas, que se
obtiene del generador. Un incremento de la carga aumenta la corriente de la carga que
se obtiene del generador.
Primero, examínese un generador que opera con un factor de potencia en retraso. Si se
añade más carga con el mismo factor de potencia, entonces |IA| se incrementa, pero
mantiene el mismo ángulo u con respecto a Vf. Por lo tanto, el voltaje de reacción en el
inducido jXSIA es mayor que antes, pero tiene el mismo ángulo.
Las conclusiones generales de la discusión sobre el comportamiento de los generadores
síncronos son:
1. Si se añaden cargas en retraso (+Q o cargas de potencia reactiva inductivas) a un
generador, Vf y el voltaje en las terminales VT decrecen de manera significativa.
2. Si se añaden cargas con factores de potencia unitarios (no potencia reactiva) a un
generador, se produce una pequeña disminución de Vf y del voltaje en las terminales.
3. Si se añaden cargas en adelanto (−Q o cargas de potencia reactiva capacitivas) a un
generador, Vf y el voltaje terminal aumentaran.
4.9 OPERACIÓN EN PARALELO DE GENERADORES DE CA

¿Por qué se utilizan los generadores síncronos en paralelo? Hay muchas ventajas para
ello:
1. Varios generadores pueden alimentar una carga más grande que una sola máquina.
2. Tener varios generadores incrementa la confiabilidad del sistema de potencia, debido
a que la falla de cualquiera de ellos no causa la pérdida total de potencia en la carga.
3. Tener varios generadores que operan en paralelo permite la remoción de uno o más
de ellos para cortes de potencia y mantenimientos preventivos.
4. Si se utiliza un solo generador y este no opera cerca de plena carga, entonces será
relativamente ineficiente. Con varias máquinas más pequeñas que trabajan en paralelo
es posible operar solo una fracción de ellas. Las que operan lo hacen casi a plena carga
y por lo tanto de manera más eficiente.
Condiciones requeridas para operar en paralelo
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 conectaran juntos,
habrá un flujo de corriente muy grande cuando se cierre el interruptor.
Se deben cumplir las siguientes condiciones de puesta en paralelo:
1. Los voltajes de línea rms de los dos generadores deben ser iguales.
2. Los dos generadores deben tener la misma secuencia de fase.
3. Los ángulos de fase de las dos fases a deben ser iguales.
4. La frecuencia del generador nuevo, llamado generador en aproximación, debe ser un
poco mayor
que la frecuencia del sistema en operación.
4.10 TRANSITORIOS (OSCILACIONES MOMENTÁNEAS) EN LOS

GENERADORES SÍNCRONOS
Cuando el par aplicado al eje de un generador o la carga de salida de un generador
cambia súbitamente, siempre hay un transitorio (oscilación momentánea) que dura un
periodo fi nito antes de que el generador retorne a su estado estacionario.
Una vez que se conecta en paralelo, hay un periodo transitorio antes de que el generador
se estabilice y trabaje en la misma frecuencia de línea a la vez que suministra a la carga
una pequeña cantidad de la potencia.
Estabilidad transitoria en los generadores síncronos

La potencia máxima que el generador puede suministrar está dada por la ecuación
Transitorios en cortocircuito en generadores síncronos

La condición transitoria más severa que se puede presentar en un generador síncrono
es la situación en la que los tres terminales del generador entran en cortocircuito
súbitamente.
4.11 VALORES NOMINALES DE LOS GENERADORES SÍNCRONOS
Hay ciertos límites básicos para la velocidad y potencia que se pueden obtener de un
generador síncrono. Estos límites se llaman valores nominales de la máquina. El
propósito de los valores nominales es proteger al generador del daño que pudiera
ocasionarle una operación inadecuada. Con este fin, cada máquina tiene ciertos valores
nominales que se muestran en su placa de características.
Valores nominales del voltaje, la velocidad y la frecuencia

La frecuencia nominal de un generador síncrono depende del sistema de potencia al que
está conectado.
Las frecuencias en los sistemas de potencia que se usan comúnmente son 50 Hz (en
Europa, Asia, etc.), 60 Hz (en América) y 400 Hz (en aplicaciones especiales y de
control).
Valores nominales de la potencia aparente y del factor de potencia
Hay dos factores que determinan los límites de la potencia de las maquinas eléctricas.
Uno es el par mecánico en el eje de la maquina y el otro es el calentamiento de los
devanados.
Curvas de capacidad de los generadores síncronos

Los límites de calentamiento del estator y rotor, junto con cualquier otro límite de un
generador síncrono, se pueden expresar en forma gráfica por medio del diagrama de
capacidad de un generador.
Operación de corta duración y factor de servicio

El límite más importante de la operación en estado estacionario de un generador
síncrono es el calentamiento del inducido y de los devanados de campo.
Un generador síncrono usual a menudo es capaz de suministrar hasta 300% de su
potencia nominal temporalmente (hasta que se queman los devanados). Esta capacidad
de suministrar potencia por arriba del valor nominal se utiliza para proporcionar de
manera momentánea aumentos de voltaje durante el arranque de un motor y otros
transitorios de carga similares.

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4.1 Construcción De Generadores Síncronos

El rotor de un generador síncrono es en esencia un electroimán grande. Los polos

Ahora, la tasa de rotación de los campos magnéticos en la maquina está relacionada

4.3 VOLTAJE INTERNO GENERADO POR UN GENERADOR SÍNCRONO

Este voltaje depende del flujo f en la máquina, de la frecuencia o velocidad de rotación

donde K es una constante que representa la construcción de la máquina. Si v se expresa

mientras que, si v se expresa en radianes mecánicos por segundo, entonces

4.4 CIRCUITO EQUIVALENTE DE UN GENERADOR SÍNCRONO

Por lo tanto, el voltaje en una fase es:

Obsérvese el circuito que se muestra en la fi gura 4-9. La ecuación de la ley de

Tanto los efectos de la reacción del inducido como la autoinductancia de la maquina se

Por lo tanto, la ecuación final que describe Vf es

Ahora es posible dibujar el circuito equivalente de un generador síncrono trifásico.

4.6 POTENCIA Y PAR EN LOS GENERADORES SÍNCRONOS

Un generador síncrono es una maquina síncrona que se utiliza como generador.

La potencia eléctrica de salida real de un generador síncrono se puede expresar en

4.7 MEDICIÓN DE LOS PARÁMETROS DEL MODELO

4.8 GENERADOR SÍNCRONO QUE OPERA SOLO

4.9 OPERACIÓN EN PARALELO DE GENERADORES DE CA

4.10 TRANSITORIOS (OSCILACIONES MOMENTÁNEAS) EN LOS

Estabilidad transitoria en los generadores síncronos

Transitorios en cortocircuito en generadores síncronos

Valores nominales del voltaje, la velocidad y la frecuencia

Curvas de capacidad de los generadores síncronos

Operación de corta duración y factor de servicio

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