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LA MAQUINA SINCRÓNICA
Descripción y funcionamiento
Está compuesta básicamente de una parte activa fija, el estator, que se
conoce como inducido, y de una parte giratoria coaxial, el rotor, llamado
inductor. El espacio comprendido entre ambos es el entrehierro. Puede trabajar
como motor o como generador.
Su operación como generador se realiza cuando se aplica un voltaje
continuo al arrollamiento del rotor, el que a su vez es movido por una fuente
mecánica externa, lo que da lugar a tener un campo magnético giratorio, que
atraviesa o corta los conductores del estator, induciéndose en éstos un voltaje
alterno.
Los generadores sincrónicos se usan para convertir energía mecánica en
energía eléctrica. Normalmente son trifásicos. El inducido es idéntico al estator
de un motor de inducción trifásico.
En reposo, al circular una corriente por el devanado del inductor (rotor),se
crea un flujo magnético que cruza el entrehierro, saliendo por un polo norte y
retornando al rotor por un polo sur.
Existen dos formas de inductores
(rotores):
TURBOROTOR (entrehierro cte)
p’ = 1 ó 2
POLOS SALIENTES
(entrehierro variable)
p’  2
Si hacemos girar el rotor a velocidad cte, el flujo concatenado por una
espira, situada en dos ranuras del estator, diametralmente opuestas, variará en
forma senoidal, induciéndose por lo tanto una tensión de frecuencia cte
proporcional a la velocidad de giro del rotor. Si conectamos una resistencia a
los extremos de esa espira, circulará una corriente, y la potencia disipada en la
resistencia, procederá de la potencia mecánica puesta en juego para mover el
rotor. Se obtiene así una máquina sincrónica monofásica elemental.
Si ahora colocamos dos espiras mas en el estator, desplazadas entre sí
120º, aparecerán en ellas los mismos fenómenos anteriores, pero con un
desfasaje en el tiempo igual a 1/3 del periodo correspondiente al tiempo que
tarda el rotor en pasar por posiciones homólogas respecto de cada una de las
tres espiras. Ahora tenemos una máquina trifásica elemental
r
s’
t’
t
bs
r’
La relación entre la frecuencia de estas fem inducidas y la velocidad de giro del
rotor y el número de pares de polos (p’), viene dada por:
ns 
60. f
p'
;
n s : velocidad de sin cronismo
Como la frecuencia debe mantenerse cte, por lo tanto la velocidad es cte. Dado que p’
ha de ser forzosamente un número entero, la gama de posibles velocidades de
sincronismo de la máquina en función de p’ será:
p’ =
ns(50 hz)
1
3000
2
1500
3
1000
4
750
5
600
6
500
EXCITACIÓN
Para que la máquina sincrónica pueda funcionar, es necesario alimentar el
devanado inductor con una tensión continua por medio del denominado
sistema de excitación
RED
EXCITATRIZ
PRINCIPAL
GENERADOR
La potencia eléctrica de estos sistemas oscila entre los 3 [KW] para generadores
de unos 100 [KVA], hasta los 4 [MW] para los grandes turbo-generadores de
1000[MVA], con intensidades que pueden llegar a ser muy elevadas (hasta 10[KA]),
dado que el devanado inductor se alimenta con tensiones relativamente pequeñas.
El sistema clásico de excitación se llama “excitación propia”, alimenta al devanado
inductor desde un generador de corriente continua, denominado excitatriz principal, a
través de anillos rozantes y escobillas. Se denomina excitatriz propia, porque la
excitatriz principal está acoplada mecánicamente al eje del generador, razón por la
cual convierte en energía eléctrica parte de la energía mecánica que le suministra la
máquina de impulso al eje.
FUNCIONAMIENTO EN VACIO Y EN CARGA
El valor de la tensión inducida en cada fase del estator por el armónico
fundamental de la excitación giratoria, vendrá dada por la conocida expresión:
U 20  4,44. f .N ef .
;
  f ( I1 )
 U 20  f ( I1 )
La relación entre el valor eficaz de la tensión en bornes de vacío y la
intensidad de la excitación (I1), se obtiene mediante el ensayo de vacío y se
denomina característica de vacío
Característica de
entrehierro
U2 0
U2N
I 10
Notamos que en la parte inferior de la curva, la tensión inducida es prácticamente
proporcional a la corriente de excitación, la mayor parte de los Av se consume en crear
los campos magnéticos en el entrehierro de la máquina. Aumentando la excitación se
hace notable la influencia de la resistencia magnética del hierro del inductor y del
inducido, de modo que al mismo aumento de excitación, finalmente corresponde un
aumento cada vez menor en la tensión. En la figura la característica parte del origen,
pero en realidad, para I1 = 0 existe una cierta tensión que debe su existencia al
magnetismo remanente del inductor y de los polos de la excitatriz. En máquinas de
alta tensión, esta tensión ya representa un valor peligroso para la vida de los
operarios.
Es de gran importancia para el estudio de la máquina el valor de la corriente que
en vacío nos da UN (I10)
Vemos que para una ordenada cualquiera, o sea, para un determinado valor de flujo
por polo, la fmm total es la suma de los Av consumidos por el entrehierro  mas los Av
consumidos por el circuito magnético del estator. Dado que el entrehierro  es un
medio de permeabilidad constante, el primer término es una recta que pasa por el
origen, mientras que el segundo término, contiene el elemento no lineal asociado al
fenómeno de la saturación. Por eso la recta se denomina característica de
entrehierro.
LA REACCIÓN DEL INDUCIDO
Si con la máquina en vacío, se conecta en bornes una carga trifásica equilibrada,
en los devanados del estator, se establecerá un sistema trifásico equilibrado de
corrientes. Estas corrientes, crearan a su vez, como vimos en la máquina asincrónica,
una excitación giratoria (2)de amplitud cte que girará en el entrehierro a la misma
velocidad que la excitación que proviene del rotor (P), o sea a la velocidad de
sincronismo. Ambas excitaciones, estacionarias entre sí, se sumarán en cada punto
del entrehierro lo que dará lugar a una única excitación giratoria, una excitación
resultante (R). La excitación proveniente del inducido se denomina REACCIÓN DEL
INDUCIDO.
En carga el estado magnético de la máquina se distingue del estado de vacío en
los siguientes aspectos:
a) La magnitud del flujo de los polos varía
b) La forma de la curva de campo, en general pierde su simetría.
c) La posición del eje del campo, en general no coincide mas con la de los ejes
geométricos de los polos
d) La tensión varía en su magnitud y forma de curva
Para poder componer las excitaciones giratorias del inductor y del inducido, se
debe determinar primeramente la posición mutua entre la curva de excitación del
inductor (eje del polo), y la de excitación del inducido. Esta posición va a depender
del ángulo de la impedancia de carga  y de la impedancia interior de la máquina.
En las siguientes figuras tenemos dibujadas las posiciones mutuas entre las tres
excitaciones (en realidad existe una sola que es la resultante), para diferentes
estados de carga:
a) En el caso de carga inductiva pura, vemos como la reacción del inducido se
encuentra en franca oposición a la excitación que proviene de los polos. Por
esta razón decimos que es una carga desmagnetizante. La excitación
resultante resulta menor que la excitación que proviene de los polos y su eje
coincide con el de los polos.
b) En el caso de carga capacitiva pura, vemos como la reacción del inducido se
encuentra alineada totalmente con la excitación que proviene de los polos. Por
esta razón decimos que es una carga magnetizante. La excitación resultante
resulta mayor que la excitación que proviene de los polos y su eje coincide con
el de los polos.
c) Este es el caso de una carga ohmico-capacitiva, donde la excitación resultante
queda un poco mayor que la de los polos y su eje ya no coincide con el eje de
los éstos, sino que existe un desfasaje .
CARGA INDUCTIVA
PURA
CARGA CAPACITIVA
PURA
EXCITACIÓN
RESULTANTE JR
EXCITACIÓN
RESULTANTE JR
EXCITACIÓN DE
LOS POLOS J p
EXCITACIÓN DE
LOS POLOS Jp
EXCITACIÓN DEL
INDUCIDO J 2
N
S
EXCITACIÓN DEL
INDUCIDO J2
N
a)
S
b)
CARGA OHMICO CAPACITIVA
EXCITACIÓN
RESULTANTE JR

EXCITACIÓN DE
LOS POLOS Jp
EXCITACIÓN DEL
INDUCIDO J2
N
S
c)
Las amplitudes de las fundamentales de las curvas de excitación, pueden trazarse
como fasores en un diagrama de fasores, ya que para cada espira del estator, la
variación de la concatenación con respecto a las curvas de excitación, sigue una ley
senoidal con la frecuencia circular 2..f. En este diagrama los fasores de excitación
tienen que coincidir con las direcciones de sus corrientes excitantes correspondientes;
hasta la corriente continua del inductor IP puede tratarse como fasor, ya que el efecto
de giro siempre puede reemplazarse por una magnitud de corriente alterna
correspondiente.
Con los tres fasores de excitación hacemos coincidir los fasores de las respectivas
corrientes excitantes que son proporcionales a ellos; la excitación P ó 1 es
proporcional a la corriente real del inductor I1, la que se introduce como fasor en el
diagrama. Con el mismo factor de proporcionalidad se introduce una corriente ficticia
Ires, que podría darnos a su vez, circulando por el inductor, la excitación resultante res
si no existiese I. A la excitación del inducido 2, corresponde una corriente ficticia I’,
que circulando por el inductor podría provocar la excitación del inducido 2.
La excitación  res es la causa del flujo real y activo  res en la máquina. De
manera formal este flujo, también puede considerarse como la resultante de los flujos
ficticios  P y  2 ;  1 es el flujo ficticio de la rueda polar y  2 el del estator. Los
triángulos formados por los fasores de los flujos por una parte, y los fasores de las
excitaciones por otra son semejantes. No perdamos de vista que en realidad existe un
único flujo (  res ) que induce la tensión activa E res en una fase del generador, estando
ésta adelantada 90º con respecto al  res .
En general: E res  j.K. res
;
K : depende de los datos de la máquina
E2
EP
y
Eres

90
-I2

-y
y
P
2
90
res
+j
I2
Otra vez es posible hacer corresponder también a los flujos ficticios  P y  2 , dos
tensiones ficticias E P y E 2 , siendo el triángulo de las tensiones E P , E 2 y E res
semejante al triángulo de los flujos y además al triángulo de las excitaciones. Por lo
tanto entre E P y E res tiene que aparecer el ángulo . La tensión ficticia E P tensión
de rueda polar. E 2 tensión inducida debida a la reacción del inducido.
Hemos partido en nuestro diagrama de un ángulo supuesto de (90 +y)º entre
 P y  2 y y, por simple observación, es el ángulo entre E P y - I . Este ángulo y se
denomina ángulo de desfasaje interior de la máquina (y  φ). y no es el ángulo de la
impedancia de carga-
Cuadro - Resumen
Relaciones entre
los fasores
1
Inducido
I
Unidad
A
'
2
Inductor
3
Excitación
4
Flujos
5
Tensiones
inducidas
I P + I = I res
J P + J 2 = J res
 P +  2 =  res
E P  E 2 = E res
A
AV
Maxwell
V
Valor efectivo
de la corriente
de carga
Corriente
continua
Amp.vuelta
por par de
polos
Flujo giratorio
resultante
Valores
efectivos de
una fase
La excitación resultante, distribuída de forma prácticamente senoidal en el entrehierro,
induce en el estator 3 fem iguales en módulo y desfasadas entre sí 120º en el tiempo