La curva potencia-ángulo y la estabilidad de la máquina síncrona
¿Qué pasa pasado un ángulo de 90°?
La potencia de salida de una máquina síncrona es P = (VE/Xs)sinδ y sigue el seno del ángulo de carga δ, así que al crecer la carga y crecer δ, la potencia también crece. Al subir el ángulo de carga con el deslizador se mueven a la vez el punto de funcionamiento sobre la curva y la pendiente de la tangente trazada en ese punto (la potencia sincronizante que devuelve el ángulo de carga). Elige primero qué pasa cuando el ángulo de carga supera los 90° y luego mueve el deslizador.
La potencia es el seno del ángulo
Al despejar la potencia del circuito equivalente por fase E = V + jIXs, la potencia activa que intercambia una máquina síncrona por fase es P = (V E / Xs) sin δ; como la fórmula usa valores de fase, el total trifásico es el triple. Aquí δ es la diferencia de fase entre la FEM interna E y la tensión en bornes V, es decir, el ángulo de carga. En un generador E adelanta a V y en un motor se retrasa, pero en ambos el valor de la potencia sigue el seno del ángulo de carga, así que a mayor carga, mayor ángulo de carga y mayor potencia intercambiada.
La potencia sincronizante mantiene la estabilidad
Cuando una perturbación pequeña aumenta un poco el ángulo de carga, la potencia también sube un poco y actúa para volver a reducir el ángulo. Esa fuerza de retorno es la potencia sincronizante, que aparece como la pendiente de la curva, dP/dδ = (V E / Xs) cos δ. Con un ángulo de carga pequeño la pendiente es grande y el retorno es fuerte, pero cerca de 90° la pendiente se reduce y la fuerza se debilita; en 90° la pendiente se hace 0, y más allá es negativa, de modo que un ángulo de carga mayor reduce la potencia y abre aún más el ángulo en un círculo vicioso. Por eso el funcionamiento normal se hace con un ángulo de carga muy por debajo de 90°, y la oscilación pendular del ángulo tras un choque brusco se amortigua con el devanado amortiguador del rotor. Un choque grande, como una falla, hace oscilar mucho el ángulo de carga una vez, así que si la máquina lo resiste se estudia aparte como estabilidad transitoria.
La curva en V muestra el control del factor de un vistazo
Si se mantiene constante la carga (potencia) y se cambia la excitación del campo dibujando el módulo de la corriente del inducido, con la corriente del inducido en el eje vertical frente a la corriente de campo en el horizontal, sale una V. El fondo de la V es el punto de factor de potencia 1, donde la corriente del inducido es mínima; el lado izquierdo es subexcitado y en retraso, y el derecho, sobreexcitado y en adelanto. Al aumentar la carga, toda la curva en V sube y su fondo se desplaza a la derecha, porque una potencia mayor necesita más excitación para llegar al factor de potencia unitario. Esta sola gráfica permite tratar con números el ajuste del factor de potencia de la unidad anterior: cuánto aguanta la máquina se lee en la curva potencia-ángulo, y cómo elegir el factor de potencia, en la curva en V, de modo que las dos curvas son dos mapas para leer una máquina síncrona.
De vuelta a la primera pantalla
Si el ángulo de carga pasa de 90°, se pierde el sincronismo, porque la potencia P = (VE/Xs)sinδ llega a su máximo en 90° y después disminuye a medida que crece el ángulo de carga. La potencia sincronizante dP/dδ ∝ cosδ, que devolvía el ángulo de carga a su sitio, se hace 0 en 90° y negativa más allá, así que incluso una perturbación pequeña abre el ángulo de carga; 90° es el límite de estabilidad estática, y el funcionamiento real se mantiene muy por dentro. Si la misma máquina mantiene fija la potencia y solo se cambia la excitación, la corriente del inducido traza una V y el factor de potencia pasa de retraso a adelanto. Cuánto aguanta la máquina se lee en la curva potencia-ángulo y cómo elegir el factor de potencia en la curva en V, de modo que el par, el factor de potencia y los límites de la máquina síncrona se reúnen en estas dos curvas.
Hasta aquí llega la máquina síncrona. Hacer girar un imán produjo electricidad cuya frecuencia está atada a la velocidad (D1), la reacción de inducido de la corriente de carga se agrupó en una reactancia síncrona (D2), al funcionar como motor la excitación ajustó el factor de potencia (D3), y la curva potencia-ángulo y la curva en V resumieron de un vistazo la estabilidad y el factor de potencia (D4). Con eso quedan atrás las tres máquinas rotativas: de corriente continua, de inducción y síncrona. El último grupo, E, trata las máquinas de hoy, formadas juntas por imanes permanentes y electrónica de potencia, y empieza con un panorama de los motores BLDC, paso a paso y servo.