El generador síncrono y su FEM inducida
Si duplicas la velocidad, la frecuencia…
El rotor es un imán N-S constante creado por excitación en CC. Al girar, el flujo que ve cada fase del estátor varía senoidalmente y se induce una FEM trifásica. En una vuelta la FEM oscila tantas veces como pares de polos. Sube el deslizador y mira acelerarse la onda. Si duplicas la velocidad, ¿qué pasa con la frecuencia?
La disposición opuesta a la de inducción
En la máquina de inducción el estátor hacía el campo giratorio y el rotor lo perseguía. El generador síncrono es lo opuesto: el rotor hace el flujo. Se alimenta CC al devanado del rotor (el campo) para crear un imán N-S constante, y este imán lo gira un motor primario como una turbina. El devanado trifásico del estátor (el inducido) recibe la FEM inducida por ese flujo giratorio. Las máquinas grandes usan el tipo de campo giratorio, girando el pequeño campo que crea el flujo, para extraer la gran corriente del estátor fijo y no de una parte que gira.
La frecuencia atada a la velocidad
En una vuelta una máquina de 2 polos invierte el flujo una vez y la FEM traza un ciclo; una de P polos hace P/2 ciclos por vuelta. Así la frecuencia es f = PN/120 [Hz, N en rpm]. Para 60 Hz un 2 polos debe girar a 3600, un 4 polos a 1800 y un 6 polos a 1200 rpm. Como la velocidad del generador es la frecuencia de la red, mantenerla estable exige un regulador que mantenga con precisión la velocidad del motor primario. Velocidad y frecuencia están atadas inseparablemente, por eso se llama síncrona.
El valor de la FEM y la excitación
La FEM inducida por fase es E = 4.44 f N Φ kw. Aquí f es la frecuencia, N las espiras serie por fase, Φ el flujo por polo y kw el factor de devanado. El factor de devanado es un número menor que uno que corrige que la FEM salga algo por debajo de la suma aritmética porque las bobinas se reparten en varias ranuras (distribución) y se hacen más estrechas que el paso polar (paso acortado). El flujo Φ lo fija la corriente de excitación en CC del campo, así que subir la excitación sube el flujo y la FEM. Si la velocidad fija la frecuencia, la excitación fija el tamaño de la tensión.
De vuelta a la primera pantalla
Duplicar la velocidad duplicó la frecuencia. Cada vuelta del rotor excitado en CC invierte el flujo tantas veces como pares de polos y hace otros tantos ciclos, así que la frecuencia queda atada uno a uno a la velocidad como f = PN/120. Mantener la frecuencia de la red es, pues, lo mismo que mantener la velocidad del generador. Por su parte el valor de la FEM es E = 4.44 f N Φ kw: sobre la frecuencia que fija la velocidad, la corriente de excitación fija el tamaño de la tensión aparte a través del flujo Φ. Donde la máquina de inducción dejó escapar la velocidad por el deslizamiento, la síncrona une velocidad y frecuencia en un solo cuerpo.
Hasta aquí fue un generador en vacío. Cuando circula corriente de carga en el inducido, el flujo que crea se combina con el del campo, y la reacción de inducido vista en la máquina de inducción aparece también aquí. En la síncrona, sin embargo, ese efecto suma o resta flujo según el factor de potencia, y se agrupa en una sola reactancia síncrona. La próxima unidad ve cómo cambia la tensión de bornes bajo carga por la reacción de inducido y la reactancia síncrona (MC-D2).