Curvas características de un alternador

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Un alternador, precisa de un cierto grado de excitación para mantenerse en sincronismo con la red. Se puede decir que esta excitación es la que mantiene unido el alternador a la red y se debe mantener por encima de un valor mínimo si no se quiere que el sistema pierda estabilidad. La pérdida total de excitación provocaría la salida del alternador de sincronismo así como una caída importante de la tensión en bornes de la máquina (esto depende de la potencia del sistema).

De forma que los límites se definen por medio de una serie de curvas:

Curvas de capacidad del alternador

En la figura 1 se indica el diagrama de potencias de un alternador, con indicación de todo su campo de funcionamiento cuando está acoplado a una red de potencia infinita. Este campo está limitado por las condiciones siguientes:

El calentamiento del cobre del rotor debido a la corriente de excitación (Zona A).

El calentamiento del cobre del estator (Zona B).

El calentamiento de las chapas (hierro) de la parte final del estator (Zona C).

Una parte del diagrama (izquierda) comprende todos los puntos de funcionamiento del alternador con sobreexcitación del rotor. El alternador suministra energía reactiva a la red.

La otra parte del diagrama (derecha) comprende todos los puntos de funcionamiento del alternador con sub-excitación del rotor. El alternador recibe energía reactiva de la red.

El diagrama muestra que para aumentar la estabilidad de funcionamiento, bajo una potencia activa dada, es necesario aumentar la corriente de excitación.

curvas de capacidad

curvas de capacidad


Límite de estabilidad estática
 

Partiendo del alternador en situación flotante (f.e.m. de éste y tensión de red iguales y en fase) si se actúa sobre el regulador de velocidad, aumentando el flujo de gas en la turbina, o la inyección de combustible en los cilindros (caso de motores diesel) el efecto inmediato es un aumento de la potencia mecánica .El rotor se acelera haciendo que la f.e.m. generada se adelante a la tensión de la red un ángulo (ángulo polar o de potencia δ) tal que la potencia activa de salida se equilibre con la potencia mecánica de entrada.

Aunque ambas tensiones tienen el mismo valor eficaz, el desfase entre ellas determina una tensión que a su vez provoca la circulación de una corriente retrasada 90 grados respecto a ella. La potencia eléctrica cedida por el alternador a la red, depende del ángulo de potencia δ (ángulo formado entre la f.e.m. del alternador y la tensión de la red), de manera que si la excitación permanece constante, al aumentar la potencia activa, aumenta el ángulo δ. Para una determinada excitación la potencia activa será máxima cuando δ= 90º que corresponde al límite de capacidad de sobrecarga estática llamado límite de estabilidad estática del alternador (límite teórico). Un aumento posterior de combustible hace que la potencia activa disminuya, convirtiéndose el exceso de potencia del motor primario en par de aceleración, provocando así la salida del sincronismo por el aumento de velocidad sufrido en el grupo.

Si se introduce progresivamente la potencia mecánica entregada por el motor primario, el ángulo δ formado por la f.e.m. del alternador y la tensión de la red comienza a disminuir, reduciéndose al mismotiempo la potencia activa suministrada por el alternador, pudiendo llegar en este proceso a la situación dealternador trabajando como compensador síncrono (potencia activa nula).

Si en esta situación se continua cerrando la admisión de combustible al motor primario el ángulo δ se hace negativo, ya que el rotor comienza a retrasarse respecto al campo del estator. En estas condiciones la máquina comienza a funcionar como motor síncrono transformando la energía eléctrica absorbida de la red en energía mecánica en el eje. Continuando con este proceso, si el ángulo δ superase el límite de estabilidad, la máquina perdería el sincronismo al ser la potencia mecánica superior a la potencia absorbida de la red.

Límite de excitación mínima (MEL)

Al objeto de tener un cierto margen de seguridad, el límite de estabilidad práctico se desplaza un poco más a la izquierda reduciendo la potencia máxima correspondiente al límite teórico un cierto porcentaje.

Llamamos intensidad de excitación mínima a la que puede ser alcanzada sin riesgo de desacoplamiento del alternador.

 

Figura 2. Curvas características de un alternador.
 

Artículo escrito por: David Mateos Fernández

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