Fundamentos y Tipos de Alternadores Eléctricos Sincrónicos

Alternadores

Los alternadores son máquinas eléctricas sincrónicas, consideradas convertidores electromecánicos rotativos que, girando a una velocidad constante proporcional a la frecuencia de la red eléctrica, transforman la energía mecánica aplicada a su eje en energía eléctrica en forma de corriente alterna. Estas máquinas tienen un devanado de inducido (generalmente en el estator) y un devanado inductor o de excitación (generalmente en el rotor), concatenados magnéticamente por un campo magnético giratorio. Se caracterizan por tener un arrollamiento inducido en el estator, donde se genera la tensión principal, y un arrollamiento inductor en el rotor, alimentado con corriente continua.

Características del Alternador

Está constituido por un devanado inductor (campo), por donde circula corriente continua para crear el campo magnético, y un devanado de inducido (armadura), donde se induce la fuerza electromotriz (f.e.m.) alterna como resultado de la rotación relativa entre el campo y los conductores. Ambos devanados están acoplados a través del flujo magnético en el entrehierro de la máquina.

Clasificación de Alternadores

Máquinas de Rotor de Polos Salientes

Son máquinas diseñadas para operar a baja velocidad (típicamente hasta 1000 rpm o menos), lo que requiere una gran cantidad de pares de polos magnéticos en el rotor para generar la frecuencia deseada (e.g., 50 o 60 Hz). Se utilizan comúnmente acopladas a turbinas hidráulicas o motores diésel. El rotor tiene polos magnéticos que sobresalen físicamente del núcleo. Estas máquinas generan un par de reluctancia además del par electromagnético principal. Esta componente de par se debe al efecto de los polos salientes y representa el hecho físico de que la onda de flujo en el entrehierro tiende a alinear los polos del rotor con el eje de mínimo entrehierro (mínima reluctancia magnética).

Máquinas con Rotor Liso o Cilíndrico

Se emplean en máquinas de alta velocidad (1500 o 3000 rpm para 50 Hz; 1800 o 3600 rpm para 60 Hz) y elevada potencia. Su rotor es un cilindro macizo o laminado con ranuras para alojar el devanado inductor, presentando un diámetro generalmente más pequeño y una longitud axial mayor que el rotor de polos salientes equivalente. Son accionadas típicamente por turbinas de gas o vapor (turboalternadores) y tienen solo uno o dos pares de polos. La descripción sobre el ángulo δ y la pérdida de sincronismo se refiere al comportamiento de una máquina síncrona operando como motor: cuando se incrementa el par de carga mecánica en su eje, el ángulo de carga δ aumenta. La máquina incrementa su par motor para satisfacer la demanda hasta alcanzar un punto de par máximo (teóricamente a δ = -90º eléctricos). Si se exige un par superior al máximo, el ángulo sigue aumentando, pero el par motor decrece, provocando una disminución de la velocidad y la pérdida de sincronismo (los polos del rotor se "desenganchan" del campo giratorio del estator), deteniéndose el motor.

Sistemas de Excitación

La excitación es el proceso de suministrar corriente continua al devanado inductor del rotor para crear el campo magnético necesario.

Excitación Electromecánica (Excitratriz Rotativa)

La excitratriz es un generador de corriente continua (dínamo) o alterna (con rectificadores), acoplado mecánicamente al mismo eje del rotor del alternador principal. Esta excitatriz alimenta, mediante escobillas de carbón y anillos rozantes colectores en el eje, al devanado inductor del alternador principal. Al arrancar el conjunto, el magnetismo remanente en el núcleo de la excitatriz (si es de CC) o del propio alternador (si la excitatriz es de CA) permite la generación inicial de una pequeña f.e.m., que luego se regula para alcanzar la tensión de excitación nominal requerida.

Excitación Electrónica o Estática

Debido a las limitaciones de las excitatrices de CC (mantenimiento de escobillas y colector, dificultades de conmutación a altas velocidades), se utilizan ampliamente los sistemas de excitación estática. Estos sistemas no tienen una máquina rotativa dedicada a la excitación, sino que utilizan rectificadores controlados (tiristores) o no controlados (diodos), alimentados generalmente a través de un transformador de potencia conectado a los bornes de salida del propio alternador principal. La corriente continua rectificada se suministra al devanado inductor del rotor a través de escobillas y anillos rozantes. El magnetismo remanente del alternador permite iniciar la generación de tensión para autoalimentar el sistema de excitación durante el arranque.

Alternador sin Escobillas (Brushless)

El alternador sin escobillas elimina la necesidad de escobillas y anillos rozantes para alimentar el rotor principal, reduciendo el mantenimiento. Se compone de un alternador principal (con inducido fijo en el estator y campo giratorio en el rotor) y un alternador auxiliar (la excitatriz, que es un alternador de campo fijo y armadura giratoria) montado en el mismo eje. El inducido (rotor) del alternador auxiliar genera corriente alterna que alimenta a un puente rectificador trifásico (con diodos), también montado sobre el eje y girando con él. La salida de corriente continua de este rectificador giratorio se conecta directamente al devanado inductor (campo) del alternador principal, que también gira. De este modo, la alimentación del campo principal se realiza sin contactos deslizantes. El campo del alternador auxiliar (que es estático) se alimenta desde una fuente externa, usualmente a través de un Regulador Automático de Tensión (AVR) que utiliza rectificadores controlados. El magnetismo remanente en los núcleos magnéticos permite el inicio de la generación.