El generador síncrono y su FEM inducida
Si haces la velocidad 2 veces mayor, la frecuencia…
El rotor es un par de polos N · S creado por excitación de corriente continua. Al girar este imán, el flujo que ve cada fase del estátor varía de forma sinusoidal y se induce una FEM trifásica. En una vuelta, la FEM oscila tantas veces como pares de polos haya, así que al subir el deslizador de velocidad las ondas de la derecha se aceleran. Elige primero qué pasa con la frecuencia cuando la velocidad se hace 2 veces mayor y después compruébalo con el deslizador.
La disposición opuesta a la de inducción
En la máquina de inducción, el estátor creaba el campo giratorio y el rotor lo perseguía. El generador síncrono es lo contrario: el rotor produce el flujo por sí mismo. Una corriente continua en el devanado del rotor (el campo) levanta los polos N · S, y cuando un motor primario, como una turbina, hace girar este imán, el devanado trifásico del estátor (el inducido) concatena el flujo giratorio y se induce una FEM. Las máquinas grandes hacen girar el campo pequeño que crea el flujo, el tipo de campo giratorio, para sacar la gran corriente del inducido directamente del estátor fijo y no de una parte que gira. La corriente continua que necesita el campo entra por anillos colectores o la suministra un excitador sin escobillas montado en el rotor.
La frecuencia atada a la velocidad
En una máquina de 2 polos, el flujo se invierte una vez por cada vuelta del rotor y la FEM traza un ciclo; en una de P polos, una vuelta da P/2 ciclos. Por eso la frecuencia es f = PN/120 [Hz, N en rpm], y para obtener 60 Hz hay que girar a 3600 rpm con 2 polos, a 1800 con 4 y a 1200 con 6. La velocidad de giro del generador es la frecuencia de la red, así que para mantener la frecuencia se sujeta con precisión la velocidad del motor primario mediante un regulador de velocidad. De la misma fórmula sale que las máquinas lentas, como los generadores hidráulicos, tengan decenas de polos; y como velocidad y frecuencia están atadas sin posibilidad de separarse, esta máquina se llama síncrona.
El valor de la FEM y la excitación
La FEM inducida de una fase es E = 4,44 f N Φ kw. Aquí f es la frecuencia, N el número de espiras en serie por fase, Φ el flujo por polo y kw el factor de devanado; este factor es un número menor que 1 que refleja que las bobinas se reparten en varias ranuras (devanado distribuido) y se hacen algo más estrechas que el paso polar (devanado de paso acortado), de modo que las FEM de cada bobina quedan desfasadas y su suma es algo menor que la suma aritmética. El paso acortado pierde así un poco de FEM, pero reduce los armónicos y acerca la onda a una senoide. El flujo Φ lo fija la corriente continua de excitación del campo, así que al aumentar la excitación el flujo y la FEM crecen casi en proporción hasta que el núcleo se satura; si la velocidad fija la frecuencia, la excitación fija la magnitud de la tensión.
De vuelta a la primera pantalla
Al hacer la velocidad 2 veces mayor, la frecuencia también se hizo 2 veces mayor. Cada vuelta del rotor excitado con corriente continua invierte el flujo del estátor tantas veces como pares de polos haya y produce ese número de ciclos de FEM, así que la frecuencia queda atada uno a uno a la velocidad de giro por f = PN/120, y mantener la frecuencia de la red es la misma tarea que mantener la velocidad de giro del generador. La magnitud de la FEM es E = 4,44 f N Φ kw: sobre la frecuencia fijada por la velocidad, la corriente de excitación del campo la fija aparte a través del flujo Φ. Si la máquina de inducción dejaba que su velocidad se separara de la de sincronismo en la medida del deslizamiento, la máquina síncrona ata velocidad y frecuencia como una sola.
Hasta aquí fue un generador sin carga. Cuando circula corriente de carga por el inducido, el flujo que crea se combina con el del campo, así que la reacción de inducido vista en la máquina de corriente continua aparece también en la máquina síncrona. En la máquina síncrona, sin embargo, ese efecto debilita o refuerza el flujo del campo según el factor de potencia, y se trata agrupándolo en una sola reactancia síncrona. La siguiente unidad (MC-D2) estudia, con la reacción de inducido y la reactancia síncrona, cómo cambia la tensión en bornes con carga.