Generadores síncronos: excitación, ángulo de carga y sincronización con la red

Cómo genera CA un alternador

Un generador síncrono tiene un rotor con un devanado de campo de CC (alimentado mediante anillos rozantes en las máquinas más pequeñas) y un devanado de inducido trifásico en el estator. Una máquina motriz, como una turbina de vapor, una turbina hidráulica o un motor diésel, hace girar el rotor. El campo giratorio corta los conductores del estator e induce tres tensiones desfasadas 120°. La frecuencia queda ligada a la velocidad del rotor:

f = p × n / 120

donde p es el número de polos y n la velocidad en rpm.

• 4 polos a 1500 rpm: 50 Hz
• 4 polos a 1800 rpm: 60 Hz
• 2 polos a 3000 rpm: 50 Hz (alternador típico de turbina de vapor)
• 24 polos a 250 rpm: 50 Hz (alternador hidráulico lento)

La máquina se llama síncrona porque el rotor gira exactamente a la velocidad del campo giratorio fijado por las corrientes del estator, sin deslizamiento, a diferencia de una máquina de inducción.

La excitación fija la tensión

La FEM inducida en cada fase, E_f, es proporcional a la velocidad y al flujo de campo, que a su vez depende de la corriente de campo. Aumentar la excitación eleva E_f. En vacío la tensión en bornes es igual a E_f, así que la corriente de campo es el control de la tensión. La curva de E_f frente a la corriente de campo es la característica de vacío, y se curva porque el hierro se satura.

Con carga, la corriente de inducido circula por la reactancia síncrona X_s de la máquina, que representa a la vez la reacción de inducido y la dispersión. Una fase se describe con

E_f = V + (R_a + jX_s) × I

La mayor parte de la caída es reactiva, de modo que la tensión depende mucho del factor de potencia de la carga. Una carga inductiva (en retraso) desmagnetiza el campo, así que la tensión cae y hay que subir la excitación. Una carga capacitiva (en adelanto) magnetiza, y la tensión puede subir por encima de su valor en vacío. El regulador automático de tensión de una central real ajusta la corriente de campo para mantener estable la tensión.

Las cuatro condiciones para sincronizar

Cerrar un interruptor entre un alternador y una red en tensión cuando no están en paso es como embragar dos ejes que giran: circulan corrientes y pares enormes. Antes de cerrar deben cumplirse cuatro condiciones.

• Tensión igual: dentro de unos pocos por ciento de la tensión de la red.
• Frecuencia igual: casi la misma, de modo que la diferencia de fase cambie solo lentamente.
• Ángulo de fase igual: la tensión del generador debe pasar por el mismo punto de su ciclo que la tensión de la red en el momento de cerrar.
• Misma secuencia de fases: A-B-C frente a A-B-C, no A-C-B. Se comprueba una sola vez en la puesta en marcha.

El operador lleva la máquina a velocidad, ajusta el campo para igualar la tensión y después corrige la velocidad hasta que la frecuencia sea solo ligeramente distinta de la de la red. Un sincronoscopio muestra la diferencia de fase como una aguja: si el generador va un poco rápido, la aguja gira despacio en un sentido, y si va un poco lento, en el otro. El interruptor se cierra justo antes de que la aguja llegue a la posición de las 12, donde el ángulo de fase es cero. Las lámparas y los sincronizadores automáticos hacen el mismo trabajo.

Cerrar con un ángulo erróneo produce una corriente de pico limitada solo por la reactancia subtransitoria de la máquina, muchas veces la corriente nominal, y sacude el eje.

Potencia activa, potencia reactiva y ángulo de carga

Una vez que la máquina se pone en paralelo con una red grande (un bus infinito), la red fija la tensión y la frecuencia, y la velocidad ya no puede cambiar. Los dos controles adoptan entonces papeles distintos:

• La máquina motriz controla la potencia activa. Abrir la válvula de la turbina empuja más potencia del eje hacia el rotor, y el eje polar del rotor se adelanta al campo del estator con un ángulo de carga δ mayor. La potencia es

P = 3 × V × E_f × sin δ / X_s (despreciando la resistencia), utilizando magnitudes por fase, y es máxima en δ = 90°. Más allá de ahí la máquina no puede mantener el sincronismo y pierde un polo, una pérdida de estabilidad.

• La corriente de campo controla la potencia reactiva. Una máquina sobreexcitada (E_f grande) entrega potencia reactiva a la red, como un condensador. Una máquina subexcitada la absorbe. Cambiar el campo cambia la corriente y el factor de potencia, pero no la potencia activa.

Si se representa la corriente de inducido frente a la corriente de campo a potencia constante se obtiene la curva en V: el mínimo está en factor de potencia unidad y la corriente aumenta a ambos lados, hacia el lado inductivo cuando está sobreexcitada y hacia el capacitivo cuando está subexcitada.

Un ejemplo resuelto

Un alternador de 100 kVA, 400 V, 50 Hz y cuatro polos tiene una reactancia síncrona de 1,6 Ω por fase.

1. Velocidad: n = 120 × f / p = 120 × 50 / 4 = 1500 rpm. 2. Potencia activa nominal con factor de potencia 0,8: 100 × 0,8 = 80 kW. La corriente nominal es 100 000 / (√3 × 400) = 144 A. 3. Potencia máxima en δ = 90° con E_f igual a V (unos 231 V por fase): P_max = 3 × 231 × 231 / 1,6 = 100 kW. Con el campo subido de modo que E_f sea 1,5 V, el máximo es 150 kW, así que la corriente de campo es también un margen de estabilidad.

Con el 60 % de la potencia de la turbina, el generador entrega algo menos de 48 kW a la red. Aumentar el campo solo cambia la potencia reactiva.

Cómo modela el simulador el generador síncrono

El simulador de generador síncrono de Curvo Studio usa un modelo por fase de rotor cilíndrico, E_f = V + (R_a + jX_s) × I, con X_s de 1 por unidad deducida del punto nominal, R_a de 0,015 por unidad y una curva de vacío con saturación. La máquina motriz es un accionamiento rígido: la velocidad no cae con la carga. Hay dos modos.

• En isla: el alternador alimenta su propia carga de impedancia constante. La velocidad fija la frecuencia, la corriente de campo fija la tensión y la carga decide la corriente y la caída o subida de tensión.
• En la red: un bus infinito fija la tensión y la frecuencia. El interruptor solo puede cerrarse si coinciden la tensión (dentro de ±5 %), la frecuencia (±0,2 Hz), el ángulo de fase (±10°) y la secuencia de fases. Tras cerrar, la potencia de la turbina fija la potencia activa y la corriente de campo fija la reactiva. El ángulo de carga se estabiliza con una oscilación amortiguada, y superar el límite de estabilidad indica pérdida de sincronismo.

El ángulo del sincronoscopio es un deslizador estático, no una aguja que gire de forma continua; la aguja de la escena 3D solo gira cuando la diferencia de frecuencia está fuera del límite. El modelo no tiene saliencia, estatismo del regulador ni regulador automático de tensión.

Para la máquina predeterminada de 100 kVA, 400 V y 4 polos (reactancia síncrona de 1,6 Ω, corriente de campo nominal de 10 A), en isla a 1500 rpm con una carga del 60 % a 0,8 inductivo y 8 A de campo, el simulador da 50 Hz, 403,7 V, 87,4 A y un ángulo de carga de 19,1°.

Pruébelo en el simulador del generador síncrono

Abra el simulador del generador síncrono y pruebe lo siguiente.

• En isla, baje la Corriente de campo (excitación) de 8 A a 6 A. La tensión en bornes cae de unos 404 V a unos 308 V y aparece un aviso de subtensión. Ponga la Carga al 0 % con 8 A de campo y la tensión sube a 584 V, porque sin carga la tensión en bornes es igual a la FEM de excitación.
• Cambie el Tipo de carga a Capacitiva (adelanto) y vea cómo la tensión sube con la carga, mientras que Inductiva (retraso) la hace bajar. (El ajuste Factor de potencia de la carga es independiente.)
• Cambie la Velocidad de la máquina motriz y observe la frecuencia, que sigue a f = p × n / 120.
• Cambie el Modo de funcionamiento a En la red. Compruebe las cuatro condiciones (Tensión, Frecuencia, Ángulo de fase, Secuencia de fases) en el panel Sincronización: cambie el Ángulo del sincronoscopio, la Frecuencia de la red o la Tensión de la red hasta que se cumplan las cuatro, y cierre el Interruptor solo entonces. La lectura Corriente máxima si se cierra ahora muestra por qué importa el momento.
• Con el interruptor cerrado y la Potencia de la turbina al 60 % (48 kW de potencia en el eje), la máquina entrega unos 45,8 kW y, con 8 A de campo, unos 38 kvar. Suba el campo a 12 A y la potencia reactiva sube a unos 105 kvar con el ángulo de carga bajando a 11,6°, mientras que la potencia activa se mantiene casi igual. Baje el campo a 5 A y la lectura Potencia reactiva (negativa = absorbida) se vuelve negativa (absorbida), unos −20 kvar, con el ángulo de carga subiendo a unos 30°.
• Suba la Potencia de la turbina y observe el ángulo de carga δ y el Límite de estabilidad P_max. El Diagrama de capacidad (P–Q) muestra la región permitida y la gráfica Curva en V: corriente de inducido según la corriente de campo muestra la corriente de inducido frente a la corriente de campo.

Pruébalo en el simulador