Generador síncrono de imanes permanentes

Un generador síncrono de imán permanente es un generador en el que el campo de excitación lo proporciona un imán permanente en lugar de una bobina. El término síncrono se refiere aquí al hecho de que el rotor y el campo magnético giran a la misma velocidad, porque el campo magnético se genera a través de un mecanismo de imán permanente montado en el eje y se induce corriente en la armadura estacionaria.

Descripción

Los generadores síncronos son la fuente principal de energía eléctrica comercial. Se utilizan comúnmente para convertir la potencia mecánica de salida de turbinas de vapor , turbinas de gas , motores alternativos y turbinas hidroeléctricas en energía eléctrica para la red. Algunos diseños de turbinas eólicas también utilizan este tipo de generador.

En la mayoría de los diseños, el conjunto giratorio en el centro del generador (el rotor) contiene el imán, y el estator es la armadura estacionaria que está conectada eléctricamente a una carga. Como se muestra en el diagrama, el componente perpendicular del campo del estator afecta el par, mientras que el componente paralelo afecta el voltaje. La carga suministrada por el generador determina el voltaje. Si la carga es inductiva, entonces el ángulo entre los campos del rotor y del estator será mayor de 90°, lo que corresponde a un aumento del voltaje del generador. Esto se conoce como generador sobreexcitado. Lo opuesto es cierto para un generador que suministra una carga capacitiva, que se conoce como generador subexcitado.

Un conjunto de tres conductores compone el devanado de la armadura en un equipo de servicio público estándar, constituyendo tres fases de un circuito de potencia. Las fases están enrolladas de manera que estén separadas 120° espacialmente en el estator, lo que proporciona una fuerza o par uniforme en el rotor. La uniformidad del par surge porque los campos magnéticos resultantes de las corrientes inducidas en los tres conductores del devanado de la armadura se combinan espacialmente de tal manera que se asemejan al campo magnético de un solo imán giratorio. Este campo magnético del estator aparece como un campo giratorio constante y gira a la misma frecuencia que el rotor cuando el rotor contiene un solo campo magnético dipolar. Los dos campos se mueven en sincronía y mantienen una posición fija entre sí mientras giran. ^[1]

Sincrónico

Se les conoce como generadores síncronos porque la frecuencia de la tensión inducida en el estator (conductores de la armadura) es directamente proporcional a la velocidad de rotación del rotor (o velocidad angular). Si los devanados del rotor están dispuestos de tal manera que produzcan el efecto de más de dos polos magnéticos, entonces cada revolución física del rotor da como resultado que más polos magnéticos pasen por los devanados de la armadura. Cada paso de un polo norte y sur corresponde a un "ciclo" completo de una oscilación del campo magnético. Por lo tanto, la constante de proporcionalidad es , donde P es el número de polos magnéticos del rotor (casi siempre un número par), y el factor de 120 proviene de 60 segundos por minuto y dos polos en un solo imán: ^[2] ${\frac {\text{P}}{120}}$

$f\left({\text{Hz}}\right)=RPM{\frac {\text{P}}{120}}.$

RPM y par

La potencia del motor primario es una función de las RPM y el par motor: , donde es la potencia mecánica en vatios, es el par motor con unidades de , y RPM son las rotaciones por minuto que se multiplican por un factor de para dar unidades de . Al aumentar el par motor del motor primario, se puede generar una mayor potencia eléctrica. $P_{m}=T_{m}\cdot RPM$ $Estilo de visualización P_{m}$ $Estilo de visualización T_{m}$ ${\frac {N\cdot m}{rad}}$ ${\frac {2\pi }{60}}$ ${\frac {Radianes}{Seg}}$

En la práctica, la carga típica es de naturaleza inductiva. El diagrama anterior muestra una disposición de este tipo. es el voltaje del generador, y son el voltaje y la corriente en la carga respectivamente, y es el ángulo entre ellos. Aquí, podemos ver que la resistencia, R , y la reactancia, , desempeñan un papel en la determinación del ángulo . Esta información se puede utilizar para determinar la potencia real y reactiva de salida del generador. $Estilo de visualización E_{i}}$ $Estilo de visualización V_{a}$ $I_{a}$ ${\estilo de visualización \theta}$ $Estilo de visualización X_{d}}$ ${\estilo de visualización \delta}$

En este diagrama, se muestra el voltaje terminal. Si ignoramos la resistencia como se muestra arriba, encontramos que la potencia se puede calcular: ^[3] $Estilo de visualización Vt$

$I_{a}={\frac {|E_{i}|\angle \delta -|V_{t}|}{jX_{d}}}$ $S=P+jQ=V_{t}I^{\star }={\frac {|V_{t}||E_{i}|\angle (-\delta )-|V_{t}|^{2}}{-jX_{d}}}={\frac {|V_{t}||E_{i}|(cos(\delta )-jsin(\delta ))-|V_{t}|^{2}}{-jX_{d}}}$

Al dividir la potencia aparente en potencia real y reactiva, obtenemos:

$P={\frac {|V_{t}||E_{i}|}{X_{d}}}sin(\delta),$ $Q={\frac {|V_{t}|}{X_{d}}}(|E_{i}|cos(\delta )-|V_{t}|)$

Aplicaciones

Los generadores de imanes permanentes (PMG) o alternadores (PMA) no requieren una fuente de alimentación de CC para el circuito de excitación, ni tienen anillos colectores ni escobillas de contacto. Una desventaja clave de los PMA o PMG es que el flujo del entrehierro no es controlable, por lo que el voltaje de la máquina no se puede regular fácilmente. Un campo magnético persistente impone problemas de seguridad durante el montaje, el servicio de campo y la reparación. Los imanes permanentes de alto rendimiento, por sí mismos, tienen problemas estructurales y térmicos. La corriente de par MMF se combina vectorialmente con el flujo persistente de los imanes permanentes, lo que conduce a una mayor densidad de flujo del entrehierro y, finalmente, a la saturación del núcleo. En los alternadores de imanes permanentes, el voltaje de salida es directamente proporcional a la velocidad.

En el caso de pequeños generadores piloto utilizados para medir la velocidad, puede que no sea necesaria la regulación de voltaje. Cuando se utiliza un generador de imán permanente para suministrar corriente de excitación al rotor de una máquina más grande en el mismo eje, se requiere algún control externo para el control de la corriente de excitación y la regulación de voltaje de la máquina principal. Esto se puede hacer con anillos colectores que conectan el sistema rotatorio a circuitos de control externos, o mediante el control a través de dispositivos electrónicos de potencia montados en el sistema rotatorio y controlados externamente.

Véase también

Referencias

^ von Meier, Alexandra (2006). Sistemas de energía eléctrica: una concepción Introducción . Hoboken, Nueva Jersey: John Wiley & Sons, Inc. pp. 92–95. ISBN 978-0-471--17859-0.
^ von Meier, Alexandra (2006). Sistemas de energía eléctrica: una introducción conceptual . Hoboken, Nueva Jersey: John Wiley & Sons, Inc., págs. 96-97. ISBN 978-0-471-17859-0.
^ Chapman, Stephen (17 de febrero de 2011). Fundamentos de maquinaria eléctrica . McGraw-Hill Education. ISBN 978-0073529547.

[1] von Meier, Alexandra (2006). Sistemas de energía eléctrica: una concepción Introducción . Hoboken, Nueva Jersey: John Wiley & Sons, Inc. pp. 92–95. ISBN 978-0-471--17859-0.

[2] von Meier, Alexandra (2006). Sistemas de energía eléctrica: una introducción conceptual . Hoboken, Nueva Jersey: John Wiley & Sons, Inc., págs. 96-97. ISBN 978-0-471-17859-0.

[3] Chapman, Stephen (17 de febrero de 2011). Fundamentos de maquinaria eléctrica . McGraw-Hill Education. ISBN 978-0073529547.