¿Qué es un generador síncrono (alternador)?
Principio de funcionamiento
Un generador síncrono convierte la potencia del eje en corriente alterna trifásica. Una corriente continua de campo magnetiza el rotor y los polos en giro inducen una FEM E_f en los devanados del estátor. El rotor debe girar exactamente a la velocidad síncrona n = 120·f/p, de modo que una máquina de 4 polos a 1500 rpm da 50 Hz. Por fase, E_f = V + jXs·I: la tensión en bornes es la FEM de excitación menos la caída en la reactancia síncrona, y E_f adelanta a V en el ángulo de carga δ. Casi toda la electricidad del mundo se produce así, con turbinas que mueven alternadores.
Funcionamiento aislado y regulación de tensión
Cuando el alternador alimenta su propia carga, la velocidad fija la frecuencia y la corriente de campo fija la tensión, mientras que la carga decide la corriente. Una carga inductiva, como un motor, hace desmagnetizante la reacción de inducido: la tensión cae y hay que subir el campo. Una carga de factor de potencia 1 la baja menos, y una carga capacitiva magnetiza la máquina y puede subir la tensión por encima de su valor en vacío. La regulación de tensión es (E_f − V)/V: positiva con cargas inductivas y negativa con capacitivas.
Funcionamiento en paralelo y sincronización
Antes de conectar un alternador a la red deben cumplirse cuatro condiciones: igual tensión, igual frecuencia, la misma secuencia de fases y ángulo de fase nulo, que muestra el sincronoscopio. Cerrar el interruptor fuera de fase provoca un gran pico de corriente y un fuerte golpe de par. Ya en la red, la tensión y la frecuencia pertenecen al embarrado: el par de la turbina fija la potencia activa y la corriente de campo fija la reactiva. Sobreexcitada, la máquina entrega reactiva; subexcitada, la absorbe.
Ángulo de carga, estabilidad y capacidad
La potencia activa es P = 3·V·E_f·sen δ / Xs, por lo que δ crece con la potencia de la turbina. A δ = 90° la potencia alcanza su máximo, de unos 3·V·E_f/Xs; más allá el rotor desliza polos y se pierde el sincronismo. Un campo más fuerte eleva el límite. El diagrama de capacidad (P–Q) reúne todos los límites: calentamiento del estátor (círculo de corriente de inducido), del rotor (círculo de corriente de campo), potencia de la máquina motriz y límite de estabilidad.
Preguntas frecuentes
- ¿Por qué cae la tensión en bornes al añadir una carga inductiva?
- Una corriente en retraso produce un flujo de reacción de inducido que se opone al flujo del campo, y además provoca caída de tensión en la reactancia síncrona. Ambos efectos actúan casi en línea con E_f, así que V cae más que con una carga de factor de potencia 1. Para mantener la tensión se sube la corriente de campo. Una carga capacitiva hace lo contrario y puede subir la tensión.
- ¿Cómo se controlan la potencia activa y la reactiva de un alternador en la red?
- La red mantiene la tensión y la frecuencia, así que no se pueden elegir. Abrir la válvula de la turbina aumenta el par en el eje y con él la potencia activa y el ángulo de carga. La corriente de campo cambia la potencia reactiva: súbala para entregar más y bájela para absorber. Pruebe ambas en el simulador y siga P y Q en el diagrama de capacidad.
- ¿Qué pasa si la potencia de la turbina es demasiado alta?
- El ángulo de carga crece hasta alcanzar 90°, el límite de estabilidad estática. Más allá, la potencia eléctrica ya no equilibra la de la turbina, el rotor se acelera y desliza polos respecto al campo de la red, y hay que disparar la máquina. Una mayor corriente de campo eleva el límite, por lo que una máquina poco excitada es la primera en perder el sincronismo.