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Calderón Gonzalez Aldo.

Cardona Ojeda Diego Fernando.

Mioni Colombo Ernesto.

Nuñez Salvador Alejandro.

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Los generadores síncronos o alternadores son máquinas síncronas que se utilizan para convertir potencia mecánica en potencia eléctrica de ca. [1].

Los generadores síncronos constituyen el elemento esencial de las centrales eléctricas convencionales. En ellos, se producen el proceso de conversión de la energía mecánica suministrada por un eje de energía eléctrica que se cede a través de los bornes a la carga. [3].

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De forma general, un generador síncrono se compone de un estator ranurado, en el que se aloja un devanado trifásico, y un rotor, en el que se aloja un sistema de excitación. Este sistema de excitación es quien actuara como el inductor de la máquina, generando un campo magnético giratorio de amplitud constante. Al hacer girar al rotor a velocidad constante, se induce una fuerza electromotriz (f.e.m) en los devanados del estator. Y gracias al desfase geométrico de 120° introducido en las bobinas del estator, se obtiene una señal trifásica a la salida del generador.

Existe una relación directa entre la frecuencia f de estas f.e,m,s inducidas, la velocidad de giro del rotor Ω y el número de pares de polos p de la máquina (Formula 1).

Entonces, para una misma frecuencia de 50 – 60 Hz, a mayor número de pares de polos se requiere una menor velocidad en el rotor, y de la misma manera, a menor número de pares de polos se requiere una mayor velocidad en el rotor.  Por ello, cuando se trabaja a velocidades altas, es necesario un número pequeño de pares de polos. Pero cuando se opera bajo un régimen de operación de velocidades más reducidas, se obliga a que el numero de polos sea muy superior. [3].

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Circuito equivalente completo de un generador síncrono trifásico

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Circuito equivalente completo de un generador síncrono trifásico

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Circuito equivalente de un generador conectado en a) Y y b) Delta.

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Circuito equivalente de un generador conectado en a) Y y b) Delta.

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Circuito equivalente por fase de un generador síncrono.

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Circuito equivalente por fase de un generador síncrono.

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DIAGRAMA FASORIAL DE UN GENERADOR SÍNCRONO

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DIAGRAMA FASORIAL DE UN GENERADOR SÍNCRONO

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Debido a que los voltajes en un generador síncrono son voltajes de ca, por lo general se expresan como fasores. Y puesto que los fasores tienen tanto magnitud como ángulo, la relación entre ellos se debe expresar en una gráfica bidimensional. Cuando se hace una gráfica de los voltajes dentro de una fase (EA, Vf, jXSIA y RAIA) y la corriente IA en la fase de tal forma que se muestren las relaciones entre ellos, la gráfica resultante se llama diagrama fasorial.

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Este diagrama fasorial se puede comparar con los diagramas fasoriales de los generadores que operan con factores de potencia en retraso o en adelanto.

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Este diagrama fasorial se puede comparar con los diagramas fasoriales de los generadores que operan con factores de potencia en retraso o en adelanto.

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Potencia y Par en los generadores síncronos

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Potencia y Par en los generadores síncronos

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La fuente de la potencia mecánica, el motor primario, puede ser un motor diesel, una turbina de vapor, una turbina hidráulica u otro equipo similar. Cualquiera que sea la fuente, debe tener la propiedad básica de mantener su velocidad constante sin importar la demanda de potencia. Si esto no se cumple, entonces la frecuencia resultante del sistema de potencia podría presentar fallas (variar).

La diferencia entre la potencia de entrada y la potencia de salida representa las pérdidas en la máquina.

Los generadores reales típicamente tienen ángulos de par de plena carga de 20 a 30°, de modo que la potencia instantánea máxima y el par máximo instantáneo que pueden suministrar son por lo menos el doble de sus valores a plena carga. Esta reserva de potencia y de par es esencial para la estabilidad de sistemas de potencia que contengan estos generadores, como veremos en la sección [1].

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Observe que tanto la potencia convertida de la forma mecánica a la forma eléctrica en un generador síncrono y el par inducido en el rotor del generador dependen del ángulo del par. [1].

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Observe que tanto la potencia convertida de la forma mecánica a la forma eléctrica en un generador síncrono y el par inducido en el rotor del generador dependen del ángulo del par. [1].

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La potencia mecánica de entrada es la potencia eje en el generador.

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La potencia mecánica de entrada es la potencia eje en el generador.

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Potencia mecánica convertida a potencia eléctrica internamente

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Potencia mecánica convertida a potencia eléctrica internamente

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Ecuación para obtener una aproximación de potencia de salida del generador si se desprecia la resistencia del inducido RA.

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Ecuación para obtener una aproximación de potencia de salida del generador si se desprecia la resistencia del inducido RA.

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La relación de cortocircuito de un generador se define como la relación entre la corriente de campo que se requiere para el voltaje nominal en circuito abierto y la que se requiere para la corriente del inducido nominal en cortocircuito.

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La relación de cortocircuito Xs​ en un generador síncrono se puede expresar en términos de impedancia de sincronización (Zs​), que es la impedancia total del generador síncrono cuando se conecta a una fuente infinita de corriente en su terminal de salida. La relación de cortocircuito (Xs​) se define como la parte reactiva de la impedancia de sincronización en relación con la corriente nominal (In​) del generador.

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La impedancia de sincronización (Zs​) es una combinación de la impedancia síncrona (Xd​ e Xq​) y la resistencia síncrona (Rs​) del generador. Dependiendo del modelo y las características específicas del generador, la impedancia de sincronización puede tener diferentes formas. En algunos casos, se utiliza la impedancia síncrona directa (Xd​) o la impedancia síncrona en cuadratura (Xq​) directamente en lugar de Zs​ para describir la relación de cortocircuito.

Es importante tener en cuenta que estos parámetros (Xd​, Xq​, Rs​) dependen del diseño específico del generador síncrono y pueden variar entre diferentes modelos y fabricantes. Para obtener información precisa sobre la relación de cortocircuito de un generador síncrono en particular, se debe consultar la documentación técnica proporcionada por el fabricante del generador.

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[1]. S. J. Chapman, Máquinas Eléctricas, 5a ed. Estado de México: Mc Graw Hill, 2012.

[2]. UNAM, “Generadores”, trabajo, UNAM, México.

[3]. “Sistemas de generación”, Trabajo, UNAM, México, 2018.

[4] D. Martínez, “Cortocircuitos en el generador síncrono trifásico”, Ensayo, Univ. Valladolid, Valladolid, 2017. Accedido el 20 de noviembre de 2023. [En línea]. Disponible: https://uvadoc.uva.es/bitstream/handle/10324/25348/TFG-P-628.pdf?sequence=1&amp;isAllowed=y

[5] M. Á. Rodríguez, “Máquinas síncronas: Cortocircuitos”, UNIV. CANTAB., 2024. Accedido el 20 de noviembre de 2023. [En línea]. Disponible: https://personales.unican.es/rodrigma/PDFs/Cortos%20sincronas.pdf