Máquinas Síncronas

Principio de Funcionamiento

Si se introduce movimiento y excitación en corriente continua (CC) por el rotor, este al girar crea un campo magnético que pasa al estator por inducción. En el estator se extrae la energía eléctrica alterna proveniente de esa excitación y ese movimiento.

Curva de Vacío

Relación entre la fuerza electromotriz (FEM) y la corriente de excitación (Ie): a medida que la Ie aumenta, la FEM crece hasta un punto en que se excita el material. Si se sigue aplicando Ie, se acabaría saturando. En vacío no existe corriente en el inducido, ya que aunque se genera tensión, al no haber cargas, no circulará corriente. La única corriente que circula es Ie, que es la que produce la FEM.

Ley de Lenz

Cuando empieza a circular corriente, como hay tensión y movimiento en el rotor, se crea un campo magnético que pasa por inducción al estator. Este campo en el estator se opone a la causa que lo produce, la del rotor, lo cual es conocido como la ley de Lenz.

Esquema Simplificado

Se introduce una intensidad de excitación por el rotor (Ie) y se crea una fuerza electromotriz (Fe). La intensidad que circula genera una FEM (Fi) que se opone a la causa que lo produce, y se genera una fuerza resultante Fr = Fe – Fi. Esta fuerza resultante crea un flujo, una FEM (Et), un voltaje y una intensidad.

Reactancia Síncrona (Xs)

Es una magnitud ficticia que representa en un único término los efectos combinados de dispersión y de reacción del inducido.

Ensayos de Vacío y Cortocircuito

En vacío: se mueve la máquina a velocidad de sincronismo accionada por un motor primario con el interruptor de salida abierto. Por otro lado, se alimenta el rotor con una fuente de CC regulable y se va midiendo la corriente de excitación y la tensión de salida.

En cortocircuito: se mueve el generador a velocidad de sincronismo, se mantiene el rotor sin excitación y se cortocircuita el estator. Se va elevando la tensión y la corriente de excitación hasta que los amperímetros del inducido lleguen al 130% de la intensidad nominal.

Transformadores

Ensayos de Vacío y Cortocircuito

En vacío: (Ejemplo: 2V, 1A, 1W) Al inyectar tensión en un transformador, si este está en vacío no circulará corriente. Al no tener cargas, tan solo circulará la intensidad suficiente como para soportar las pérdidas en el hierro, que es lo que se desea medir con este ensayo.

En cortocircuito: se miden las pérdidas del cobre. Se cortocircuita el devanado del primario, por ejemplo, y se conecta el otro devanado a una tensión alterna, que se aumenta hasta que la corriente en el devanado cortocircuitado es la nominal, efectuándose así las mediciones.

Principio de Funcionamiento

Se aplica tensión a uno de los devanados, lo que hará que circule una corriente y produzca un campo magnético variable. Este campo producirá un flujo que será conducido por el núcleo y producirá una tensión en el secundario.

Histéresis

Cuando un material ferromagnético, sobre el cual ha estado actuando un campo magnético, cesa la aplicación de este, el material no anula completamente su magnetismo, sino que permanece cierto magnetismo residual. Para desimantarlo será necesario otro campo contrario al inicial. Estas pérdidas por histéresis se presentan como una pérdida de energía en forma de calor en los núcleos magnéticos.

Corrientes de Foucault

Son pérdidas por calentamiento debidas a que cuando aplicamos tensión al devanado, este produce un campo en el núcleo, el cual produce circulación de corriente por el núcleo y a su vez un calentamiento en este. Por esto los núcleos son de chapas aisladas y no de material macizo, de este modo las corrientes parásitas se reducen.

Ley de Lenz en Transformadores

Al aplicar tensión al primario, se genera un campo y una circulación de corriente en el secundario. En este devanado se genera un campo que se opone a la causa que lo produce (el flujo que generó el primario). Por tanto, en los transformadores habrá efecto de Lenz en los devanados del secundario.

Flujo de Dispersión

Es el flujo que se pierde y no se aprovecha. Se establece fuera del transformador y genera pérdidas. Se genera más en los extremos de los bobinados.

Transformadores Secos vs. Transformadores en Aceite

Aunque los transformadores secos suponen una mayor inversión inicial, se ahorra en mantenimiento, incendios, espacio, y se evita el uso de una cuba. A la larga, resultan más rentables.

Componentes y Características de los Cables de Energía

Conductor

Este elemento cumple la función de conducir la corriente eléctrica. Los conductores de los cables están constituidos por cuerdas redondas compactas de cobre recocido o de aluminio. La compactación permite obtener superficies más lisas y diámetros de cuerdas menores.

Capas Semiconductoras

Son unas delgadas capas de polímero (compuesto orgánico de propiedades físicas y químicas similares a las de las resinas naturales), generalmente de la misma composición básica que el material aislante. Este polímero suele mezclarse con productos conductores (negro de humo: polvo fino de carbón) para reducir su resistencia de aislamiento. Su misión es evitar que puntos huecos del cable estén sometidos a intensos campos eléctricos, en los que la presencia de aire o vapor de agua dieran origen a la producción de descargas parciales (ionización). Se colocan dos capas semiconductoras:

• Capa semiconductora interna: Está en íntimo contacto con el conductor. Su misión es alisar el campo eléctrico más próximo al conductor, haciéndolo perfectamente cilíndrico y disminuyendo el riesgo de formación de puntos de ionización en la parte del aislamiento en la que el campo eléctrico es más intenso.
• Capa semiconductora externa: Esta capa cumple la misma función que la anterior, pero en la parte exterior del aislamiento. Se fabrican de tal manera que, aun estando en íntimo contacto con el aislamiento, son fácilmente separables de él (SF, separado fácil o en frío).

Aislamiento

Es la envoltura aislante aplicada sobre el conductor. El material aislante se coloca alrededor del conductor de tal manera que lo cubra totalmente. Su espesor ha de ser adecuado a la tensión de servicio del cable, de modo que el campo eléctrico a que está sometido el aislamiento sea muy inferior a la tensión de perforación o rigidez dieléctrica.

Pantallas

Son elementos metálicos que desempeñan distintas misiones, entre las que destacan:

• Confinar el campo eléctrico en el interior del cable.
• Lograr una distribución simétrica y radial del esfuerzo eléctrico en el seno del aislamiento.
• Limitar la influencia mutua entre cables eléctricos.

Cinta de Poliéster

Se trata de una cinta de fajado que cubre la pantalla evitando que, en el proceso de fabricación, la extrusión de la cubierta penetre entre los hilos dificultando la retirada de la misma a la hora de confeccionar accesorios.

Cubierta Exterior

Se compone de elementos de protección mecánica, no metálicos, que sirven para proteger al cable frente a agentes exteriores dañinos, ya sean de tipo químico, biológico, atmosférico, abrasivo, etc.

Tensión de Perforación

Tensión mínima que produce una perforación o ruptura en un aislante con el consiguiente paso de corriente. También es llamada tensión disruptiva.

Rigidez Dieléctrica

Se entiende por rigidez dieléctrica o rigidez electrostática al valor límite de tensión para el cual un material pierde su propiedad aislante y pasa a ser conductor. Se mide en voltios por metro (V/m). También podemos definirla como la máxima tensión que puede soportar un aislante sin perforarse.

Triple Extrusión

Es un proceso de fabricación en el cable en el cual se unen las capas semiconductoras y el aislamiento para que el cable sea de la mayor calidad posible.

Ejemplo de Designación de Cable

Cable unipolar de Cu de 50 mm² de sección en cuerda compacta, aislado con polietileno reticulado para un nivel de aislamiento de 12/20 kV, protegido con pantalla de Cu y cubierta exterior de policloropreno. RHN 12/20 kV 1 x 50 K

Los cables unipolares se designan anteponiendo siempre: 1 × sección

Los cables multipolares se designan anteponiendo siempre: nº conductores x sección

Así, una línea trifásica (3F) realizada con conductores unipolares de sección 16 mm² se designaría: 3 × (1 x 16 mm²). Si la misma línea se realizara con cable multipolar la designación sería: 3 × 16 mm²

Tipos de Aislamiento

• Termoplásticos:
  • Policloruro de vinilo (PVC) – V
  • Polietileno (PE) – E
  • Poliolefina – Z1
• Termoestables:
  • Polietileno reticulado (XLPE) – R
  • Etileno propileno (EPR) – D
  • Etileno propileno de alto módulo (HEPR)
  • Goma natural o sintética (SBR)
  • Goma de silicona

Tipos de Cubiertas

• Policloruro de vinilo (PVC) – V
• Polietileno termoplástico (PE) – E
• Policloropreno (PCP) o neopreno – N
• Poliolefina – Z1