Coeficiente de rendimiento de las máquinas sincronicas

Generador sincrónico

La transformación de energía en las máquinas sincrónicas esta naturalmente ligada con perdidas de energías y estas se clasifican de la siguiente manera:

Perdidas mecánicas ( $ P_{mecánicas} $ )

Estas perdidas están representadas básicamente por la rotación de la máquina con el rozamiento que se produce en los cojinetes de guía y empuje, así como fricción en el sistema de enfriamiento y perdidas por contactos en anillos y escobillas.

Perdidas magnéticas ( $ P_{magnéticas} $ ) 

Tienen lugar en el núcleo de los materiales ferromagnéticos, compuesta básicamente por el ciclo de histéresis y las corrientes de Foucault. 

Perdidas de excitación ( $ P_{excitación} $ )

Están ligadas a la excitación de la máquina incluyendo la energía que hay que aportar para excitar la máquina.

Esas perdidas nombradas se denominan perdidas de vació y se representan como:

$$ P_0 = P_{mecánicas} + P_{magnéticas} + P_{excitación} $$

Perdidas eléctricas ( $ P_{eléctricas} $ )

Esta tiene lugar en los circuitos eléctricos del estator y rotor de la máquina disipándose en forma de calor y tomando como referencia 75 ºC como temperatura de trabajo.

$$ P_{eléctrica} = 3 I^2 r_{(75ºC)} $$

Perdidas adicionales ( $ P_{ad} $ )

Estas perdidas surgen como resultado de los procesos secundarios de carácter electromagnético provocados por:

• Flujo de dispersión básicamente en el estator.
• Armónicos superiores de las fuerzas magnéticas en el estator y el rotor.
• Detalles constructivos del estator y el rotor.

Siendo la principal la que provoca el flujo de dispersión en el estator de la máquina, tanto en las ranuras del devanado así como las partes metálicas donde penetra el flujo de dispersión. Estas perdidas eléctricas y adicionales se consideran perdidas eléctricas variables y la suma total de perdidas sería;

$$ \sum P_1=P_{mecenicas}+P_{magneticas}+ P_{excitacion}+ P_{electricas}+P_{adicionales} $$

$$ \sum P_1 = P_0 + P_{electricas} + P_{adicionales} $$ 

El coeficiente de rendimiento ( $ \eta $ )

$$ \eta = \frac {P_2} { P_1 } = \frac {P_1 - \sum P} {P_1} $$

$$ \eta = 1 - \frac { \sum P} { P_2 + \sum P }

$ P_2 $ → Potencia eléctrica a la salida del generador.

$ P_1 $ → Potencia mecánica aportada en forma de momento de torsión por el motor primario.

Como es mas fácil medir la potencia eléctrica a la salida del generador regularmente se calcula utilizando al ecuación:

$$ \eta = 1- \frac { \sum} {P_2 + \sum P} $$

$$ P_2 = m U I_1 Cos \varphi_1 $$ 

y

$$ \eta = f(I, Cos \varphi_1 $$

(imagen)

Este coeficiente de rendimiento de excitación muestra que a menor factor de potencia menor coeficiente de rendimiento. Muestra que el mayor coeficiente de rendimiento se obtiene para una carga ligeramente inferior a la potencia nominal. Naturalmente para sobrecarga disminuye considerablemente, de igual forma para carga relativamente pequeña, de igual forma este coeficiente de rendimiento dependerá de la capacidad de la máquina ya que las perdidas no aumentan proporcionalmente con el aumento de la capacidad.

Si la máquina es de gran potencia podríamos obtener el coeficiente de rendimiento por encima de 95 - 96% para máquinas menores este coeficiente podría variar de un 85 hasta un 95%. A modo de ejemplo para un turbo-generador refrigerado por aire a plena carga, con un factor de potencia de 0.8 y con capacidad de 0.5 a 3 MW, esto podría estar en el rango de un 92 a un 95%, sin embargo, para esas mismas condiciones pero con potencia de 3.5 a 300 MW podría llegar prácticamente hasta un 97 o 98%. En caso de que la refrigeración fuese por hidrógeno ese coeficiente de rendimiento podría aumentar hasta en un 0.8%.