Reacción de armadura en alternador o máquina síncrona

<p>El devanado del inducido en una máquina eléctrica es el devanado que transporta la corriente de carga. En condiciones sin carga, la corriente de armadura es cero. Pero a medida que se carga la máquina, la corriente de carga fluye a través del devanado del inducido y crea un flujo magnético. El efecto de la fmm o flujo del devanado del inducido sobre el flujo de trabajo principal creado por los polos de campo se denomina reacción del inducido. Este artículo describe la reacción del inducido en una máquina síncrona o alternador.

Para comprender mejor la reacción del inducido en una máquina síncrona, es esencial comprender primero el suceso interno. Para este propósito, la operación del alternador se considera bajo diferentes factores de potencia y cargas de operación de la siguiente manera:

• Operación sin carga
• Carga de factor de potencia unitario (pf)
• Carga retrasada con factor de potencia cero
• Carga principal de factor de potencia cero
• Carga de factor de potencia retrasada

Investiguemos ahora el efecto de la reacción de armadura para los casos mencionados anteriormente uno por uno.

Operación sin carga:

Como se mencionó anteriormente, la corriente a través del devanado del inducido del alternador es cero para la operación sin carga; por lo tanto, no habrá ninguna reacción de armadura. Cuando el devanado de campo es excitado por una fuente de CC y el alternador/generador alcanza la velocidad síncrona ajustando la velocidad del motor primario, no se genera voltaje de carga ni voltaje de excitación en los terminales del inducido del alternador. El valor del voltaje del terminal del inducido de excitación o sin carga se da como

Ef = √2πfNphKwØf

Donde Ef, Nph, Kw y Øf son voltaje de excitación, número de vueltas en serie por fase, factor de devanado y flujo de campo respectivamente.

Este voltaje de excitación generado a través de la terminal del inducido se retrasa con respecto al flujo de campo Øf en 90 grados. En general, la fem generada por el flujo de campo siempre va a la zaga del flujo de campo en 90 grados en cualquier máquina.

Carga del factor de potencia unitario:

Para comprender el efecto de la armadura mmf en la onda de campo mmf, consideremos un alternador de rotor cilíndrico de dos polos como se muestra en la figura a continuación.

En la figura anterior, las bobinas concentradas de paso completo aa’, bb’ y cc’ en el estator representan el devanado trifásico a, b y c. El devanado archivado en el rotor es alimentado por una fuente de CC para configurar mmf de trabajo o archivado principal. La corriente de campo indicada por una cruz y un punto en el devanado de campo en el rotor crea un campo mmf Ff y un flujo de campo Øf que se distribuyen sinusoidalmente a lo largo de la periferia del entrehierro. Este flujo archivado crea un polo norte (N) y sur (S) en el rotor.

Como sabemos, la fem inducida en una bobina es máxima cuando los lados de la bobina se encuentran en la posición de flujo máximo. En vista de esto, la fem máxima se generará en la bobina aa’ ya que los lados de la bobina ay a’ se encuentran por debajo de la densidad de flujo máxima. Esta fem generada se muestra mediante un punto y una cruz en ay a’, respectivamente, suponiendo una rotación del rotor en sentido contrario a las agujas del reloj. Dado que los lados b’ y c’ de la bobina también están bajo la influencia del polo N, la fem inducida en esta bobina se representa con un punto. Sin embargo, su magnitud será menor que el valor máximo. Esta fem generada solo por Øf se llama voltaje de excitación.

Ahora, cuando este alternador está conectado a una carga trifásica balanceada, una corriente trifásica balanceada comienza a fluir en las tres fases del alternador. Como la carga es de factor de potencia unitario, esto significa que la tensión de excitación Ef y la corriente de armadura Ia estarán en fase. Esto también se puede interpretar de otra manera, como que el voltaje de excitación y la corriente de armadura alcanzan su pico simultáneamente. Dado que el voltaje de excitación es máximo en la fase “a”, esto significa que la fase de corriente de armadura a también será máxima. Aunque la corriente de carga también fluye en las dos fases restantes “b” y “c” pero su magnitud es menor que el máximo para este instante de tiempo. La fuerza mmf creada por la corriente de armadura se denomina fuerza mmf de reacción de armadura.. Como sabemos, para las corrientes polifásicas equilibradas que fluyen en el devanado polifásico, el valor máximo de la onda mmf resultante se encuentra a lo largo del eje de fase que transporta la corriente máxima. Por lo tanto, la reacción de armadura resultante mmf Fa debido al efecto combinado de 3 fases mmfs se establece a lo largo de la fase “a” porque esta fase lleva la corriente máxima. Esto se muestra en la figura a continuación.

Esta onda mmf de reacción del inducido produce un polo norte (N) y sur (S) en el estator, como se muestra en la figura anterior. La interacción entre estos polos en el estator y el rotor provoca la producción de un par electromagnético. Para un alternador, el par motor principal debe contrarrestar este par electromagnético para convertir la energía mecánica en energía eléctrica.

Ahora, si combinamos el fasor espacial del campo mmf y la onda mmf del inducido, entonces se puede ver fácilmente que la reacción del inducido mmf va a la zaga de la mmf archivada en 90 grados. Esto se muestra en la figura a continuación.

El entrehierro resultante mmf será la resultante de la mmf archivada y la reacción del inducido mmf. Esto significa,

Fr = Ff + Fa

Si despreciamos la saturación, entonces el flujo de campo Øf y el flujo de armadura Øa estarán a lo largo de sus respectivas ondas mmf. Esto se muestra en la figura. Por lo tanto, podemos decir que el flujo de reacción del inducido va a la zaga del flujo de campo en 90 grados. Por lo tanto, La reacción del inducido mmf al factor de potencia unitario es completamente de naturaleza magnetizante cruzada.

Carga de retraso del factor de potencia cero:

La carga con retraso del factor de potencia cero significa que la corriente de carga está retrasada con respecto al voltaje de excitación en 90 grados. Esto se muestra en la figura a continuación.

El diagrama fasorial anterior se ha dibujado utilizando los siguientes hechos:

• La fem de excitación tiene un retraso de 90 grados con respecto al campo mmf.
• Como se desprecia la saturación, el flujo de campo estará a lo largo del campo mmf.
• La reacción de armadura mmf está a lo largo de la corriente de armadura.

Del diagrama fasorial anterior, está claro que la reacción de armadura mmf Fa está en oposición al campo mmf Øf. Esto significa que la fmm del entrehierro resultante será igual a (Ff – Fa). Por lo tanto, bajo la condición de carga del alternador con un factor de potencia cero, el efecto de la reacción del inducido mmf es puramente desmagnetizante.

Esto también se puede entender de otra manera como se describe a continuación.

Debido a la carga con atraso del factor de potencia cero, la corriente en la fase “a” del devanado del inducido será máxima cuando los polos del campo hayan avanzado 90 grados en la supuesta dirección contraria a las manecillas del reloj. Esto se muestra en la figura a continuación.

Observe atentamente la figura anterior. Se puede ver que, en este caso, la dirección de reacción del inducido mmf Fa será a lo largo del eje de fase “a” y la de mmf Øf será verticalmente hacia abajo. Esta dirección se puede encontrar usando regla del tornillo de la mano derecha. Por lo tanto, vemos que tanto la reacción del inducido como la mmf archivada se oponen entre sí. Por lo tanto, el efecto de la reacción del inducido mmf es puramente desmagnetizante en condiciones de carga con atraso de pf cero.

Carga principal de factor de potencia cero:

La condición de carga en adelanto de pf cero puede representarse mediante un diagrama fasorial de la misma manera que para la carga en atraso de pf cero. Esto se muestra a continuación.

Del fasor anterior, está claro que la reacción de armadura mmf está en la dirección del campo mmf. Por lo tanto, el efecto de la reacción del inducido mmf bajo cargas principales de factor de potencia cero es puramente magnetizante.

La conclusión anterior también se puede sacar analizando el fasor espacial del alternador. El adelanto de pf cero significa que la corriente en la fase “a” del devanado del inducido será cero cuando los polos de campo estén detrás del eje del devanado de la fase “a” en 90 grados, como se muestra en la figura a continuación.

Por lo tanto, la dirección del campo mmf y la armadura mmf serán las mismas. Por lo tanto, la reacción de armadura mmf es de naturaleza magnetizante.

Carga de factor de potencia rezagada:

Las cargas de factor de potencia retrasadas son más comunes. Entonces, consideremos un caso general de corriente de armadura Ia retrasada respecto al voltaje de excitación Ef por un ángulo Ɵ. Esto significa que el factor de potencia de la carga es cosθ.

Para una carga pf retrasada que tiene un ángulo pf θ, la corriente en las bobinas ay a’ será máxima cuando los polos de campo hayan avanzado θ grados en el espacio. En otras palabras, para cuando la corriente del inducido en la bobina a, a’ alcance el valor máximo con la misma polaridad, es decir, un punto en el lado de la bobina “a”, los polos del rotor N, S se habrán movido hacia adelante en θ grado, como se muestra en la figura a continuación.

La resultante de la armadura giratoria mmf Fa está dirigida verticalmente hacia arriba a lo largo del eje de la fase “a”, porque esta fase lleva la corriente máxima en el instante considerado. Por lo tanto, la reacción del inducido mmf Fa está rezagada con respecto a la mmf Øf archivada en (90+θ) grados. Dibujemos ahora el diagrama fasorial.

La reacción de armadura mmf se puede descomponer en dos componentes: uno a lo largo del voltaje de excitación Ef (FaCosθ) y otro opuesto al campo mmf Ff (FaSinθ). Por lo tanto, podemos decir que el efecto de la reacción del inducido en el retraso de la carga de pf es de magnetización cruzada y desmagnetización por naturaleza.

Por lo tanto, para resumir, el efecto de la reacción del inducido mmf en el campo principal mmf del alternador se tabula a continuación.

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