Carácteristicas electricas de variación de los generadores Sincrónicos

Características de vacío

Esta característica muestra como varia la tensión generada en el generador para variaciones de la corriente de excitación si se mantiene constante la velocidad de rotación y una corriente nula de carga.

Sí n = constante ; I = 0

$$ E_0 = f(I_0) $$

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Generalmente esta característica se obtiene con parámetros referidos a la unidad.

$ E_0* = f (I_0*) $ → Característica normal de vacío

Las características obtenidas de esta forma difieren poco unas de otras porque se construyen con materiales similares los generadores y de ahí que se obtengan las características normales de vacío;

Donde,

$$ E_0* = \frac {E_0} {U_n} ; I_0* = \frac {I_0} {I_{0 N}} $$

De ellos se obtienen las gráficas para conseguir las características de vacío.

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Diagrama vectorial

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Característica de Cortocircuito

Esta característica muestra la forma en que varia la corriente en el estator de la máquina para variaciones de la corriente de excitación poniendo en corto la salida y manteniendo la velocidad de rotación de la máquina.

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Igual que una máquina sincrónica debido a que el cortocircuito se considera un régimen de avería la corriente de excitación se controla y va variando en valores mas pequeños de forma tal que la corriente de corto circuito no sobre pase el 25% de la corriente nominal.

$ I_k = f (I_0) $ → $ 0.25 I_N $

Debido a esta limitación de la corriente de excitación se reduce el valor del flujo de excitación $ I_0 $ por lo que se deduce que la máquina se encuentra en al zona lineal de un circuito magnético no saturado, está es la razón por la que esta característica sera una linea recta.

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Luego con esta linea recta y extrapolando se pudiese conseguir el valor real de la corriente a través de la gráfica.

Generalmente la resistencia activa del devanado del estator al ser relativamente pequeño con relación a su inductancia se desprecia

$ r_a \simeq 0 $

$$ I_k = \frac {E_{0 K}} {X_{sincrónica}} $$ 

De esta forma el régimen de cortocircuito la carga del generador se considera puramente inductivo. Por lo que la reacción del inducido del generador tendrá un efecto totalmente desmagnétizante.

Diagrama vectorial

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Circuito Eléctrico equivalente

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$$ E_a = -j I X_{a} $$

$$ E_{\sigma a} = -j I X_{\sigma a} $$

$$ E_{0k} = E_a + E_{\sigma a} $$

La FEM representando la tensión de cortocircuito es como si tuviese dos componentes. Uno para compensar la caída de tensión por el flujo de dispersión y la otra con carácter totalmente desmagnétizante producida por la reacción del inducido.

Relación de cortocircuito (RCC)

Para la calificación de las propiedades de una máquina sincrónica tiene importancia la relación que resulta:

$ I_0 = I_{0 Nominal} → E_0 = U_{Nominal} $ → Característica de vacío

$ I_{0 K} → I_K = I_{Nominal} $ → Corriente de cortocircuito

$$ RCC = \frac {I_{0 Nominal}} {I_{0 K}} $$

Esta relación de cortocircuito caracteriza fundamentalmente la influencia de la relación del inducido sobre el devanado de excitación de la máquina.

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Partiendo de esto podemos establecer las siguientes relaciones:

$ RCC = \frac  {I_{0 Nominal}} {I_{0 K}} = \frac {E_{0 Nominal}} {E_{0 K}} $ → Si el circuito magnético no se satura.

En sentido general:

$ E_0 = I_N * X_{Sincrónica} $

$ E_{0 K} = I_N * X_{Sincrónica} $

$ U_{Nominal} = I_N * Z_N $

$ \frac {E_0} {U_{Nominal}} = \frac {I_N * X_{Sincrónica}} {I_N * Z_N} \cdots $

$ \cdots = \frac {X_{Sincrónica}} {Z_N} = X_{Sincrónica}*$

$X_{Sincrónica}* $ → Impedancia sincrónica en P.U.

$ RCC = \frac {I_{Nominal}} {I_{0 K}} = \frac {E_{0 Nominal}} {E_{0 K}} \frac {U_N}{U_N} $

$ = \frac {E_{0 Nominal}} {U_N} \frac {U_N} {E_{0 K}} = 1 * \frac {U_N}{E_0} = $

$= \frac {1} {X_{Sincrónica}*} $

$ RCC = \frac {1} {X_{Sincrónica}} $ 

Para circuito magnético no saturado: $ \frac {E_0} {U_N} = 1 $

Así para una máquina sincrónica con un circuito magnético no saturado la relación de cortocircuito es igual a la cantidad inversa de la impedancia sincrónica referida a la unidad.

Máquina de polos interiores RCC oscila desde 0.4 a 0.7

Máquina de polos salientes RCC oscila desde 1.0 a 1.4

Como máquinas de polos interiores se puede tomar como ejemplo los turbo-generadores. Como máquina de polos salientes se pueden tomar como ejemplo los Hidro-Generadores.

Para una máquina sincrónica de polos interiores y con valores relativamente pequeños de la relación de cortocircuito se producen mayores variaciones de tensiones para variaciones de carga, es decir, estas máquinas resultan menos estables durante el funcionamiento en paralelo por ser máquinas que tienen menos volumen peso o tamaño, es decir, ( $ P*D^2$ ), y al ser relativamente pequeñas para su capacidad son menos estables pero su construcción resulta mas baratas por menor cantidad de materiales, peso o volumen para una capacidad dada.

Dicho de otra forma en estas máquinas la utilización de materiales activos es relativamente mayor que aquella que tiene una relación de cortocircuito grande. Sin embargo cuando aumenta el entre-hierro de la máquina por ser esta de mayor peso volumen o tamaño, la relación de cortocircuito disminuye y esto contribuye a un mejor funcionamiento en paralelo y hace mas estable su funcionamiento cuando varia la carga.

En resumen un aumento de entrehierro conlleva a un aumento de masa o volumen del generador y naturalmente que estas máquinas en su construcción resultan mas costosas. 

Características de Carga

Esta característica muestra la forma en que varia la tensión a la salida del generador para variaciones de la corriente de excitación si se mantienen constantes la carga eléctrica, su factor de potencia y su velocidad de rotación.

$ U = f(I_0) $ Para I = constante, $ Cos \varphi $ = Constante, $ n $ = constante.

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Para carga inductivas la tensión a la salida resulta menor dificultando la regulación de tensión por el efecto desmagnétizante de la carga.

Para carga capacitiva el voltaje resulta mayor y esto favorece la regulación de tensión por el efecto magnétizante de la carga.

Características externas del generador sincrónico

Esta característica muestra la forma que varia la tensión o la salida del generador para variaciones de la corriente de carga manteniendo constante la corriente de excitación, el facto de potencia y la velocidad de rotación.

$ U = f(I) $ Para $ I_0$ = constante, $ Cos \varphi $ = constante $ n $ = constante.

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La tensión U a la salida del generador disminuye cuando aumenta la carga si esta es carácter inductiva debido al efecto desmagnétizante de la reacción del inducido, en caso de carga capacitiva, la tensión aumenta para aumenta para aumentos de carga tal como se muestra en la gráfica por el efecto magnétizante de la reacción del inducido.

Característica de regulación del generador sincrónico

Esta característica muestra la forma en que varia la corriente de excitación para variaciones de la corriente de carga si se desea mantener constante la tensión a la salida así como el factor de potencia y la velocidad de rotación.

$ I_0 = f(I) $ Para U = constante, $ Cos \varphi $ = constante, $ n $ = constante.

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Cuando se trata de cargas inductivas esta característica muestra que cuando aumenta la carga es necesario aumentar la corriente de excitación para poder mantener la tensión a la salida constante, en caso de carga capacitiva debe reducirse la corriente de excitación si aumenta la carga para mantener la tensión constante a la salida.

Regulación de tensión del generador sincrónico

Para ello tomaremos las características externas como referencia.

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Para variación de la tensión:

$ \Delta U = \frac {E_0 - U_N} {U_N} *100 $

Cuando la carga es de carácter inductivo como tenemos $ Cos \varphi_1 $ y $ Cos \varphi_2 $ si se aumenta la carga disminuye la tensión o lo contrario si disminuimos la carga, la tensión aumenta dando un $ \Delta U $ positivo.

Carga Inductiva:

I ↑ → U↓

I↓ → U ↑ → $ \Delta U $ (+)

Carga capacitiva:

I↓ → U↓ → $ \Delta U $ (-)

De esto se deduce lo siguiente:

Para cargas inductivas el efecto de la reacción del inducido provoca en las máquinas sincrónicas una disminución del flujo magnético resultante, es decir, un efecto desmagnétizante provocando una reducción de tensión cuando aumenta la carga debido al aumento de las caídas de tensiones tanto resistivas como reactivas en el inducido. En cambio para cargas capacitivas, el efecto de la reacción del inducido provoca en la máquina sincrónica un aumento del flujo magnético, es decir, un efecto magnétizante provocando un aumento de tensión para un aumento de carga.

Por lo general la carga en los sistemas eléctricos tienden a ser de carácter inductiva por lo que la tensión tiende a disminuir. Por la reacción del inducido, la reactancia del flujo de dispersión, la caída de tensión de la resistencia activa y la regulación de voltaje se logra manteniendo una tensión constante a la salida mediante reguladores automáticos de tensión que regulan la excitación a través de las excita-trices cuando la carga varia y varia su factor de potencia.