La generación trifásica de energía es la forma más común de los conductores y la que provee un uso más eficiente de la electricidad. La utilización de electricidad en forma trifásica se aprovecha mayoritariamente en industrias donde muchas de las máquinas funcionan con motores adaptados para esta tensión. Las corrientes trifásicas se generan mediante alternadores que presentan tres bobinas o grupos de bobinas, que están enrollados sobre tres sistemas de piezas polares equidistantes entre sí. En este sentido, debemos saber que el retorno de cada uno de estos circuitos o fases se acopla en un punto, denominado neutro –si el sistema está equilibrado, es cero–, por lo que el transporte puede ser efectuado usando solamente tres cables. Las ventajas de utilizar un sistema alterno trifásico son las siguientes:
• Ahorro en los costos de materiales en líneas de transmisión y distribución eléctrica.
•Generación de campos giratorios.
• Potencia instantánea constante.
Es decir, un sistema trifásico es el conjunto de tres fases monofásicas que se encuentran desfasadas en 120°. En el esquema simplificado del generador trifásico, vemos los valores instantáneos de cada fase: estos valores pueden ser positivos o negativos, cuando el valor se hace cero se anula la fase. En los motores trifásicos, no disminuye la velocidad de giro, sino que se mantiene constante la velocidad de rotación.
En una máquina de corriente alterna, la fuerza electromotriz se caracteriza por los siguientes parámetros:
• Magnitud
• Frecuencia
• Forma de curva
Generador elemental
Este tipo de sistema está conformado por una pieza móvil llamada rotor, que se ubica dentro de la parte fija de la maquina llamada estator. El giro del rotor se puede realizar de distintas maneras: con un motor diesel, turbina de vapor, eólica, etcétera, que mantiene la velocidad constante. El rotor es un electroimán alimentado por corriente continua. Este consiste en un acoplamiento de chapas de acero que forma un cilindro solidario con el eje del rotor. La parte fija o estator está constituida por un paquete de chapas magnéticas que forman un cilindro con ranuras longitudinales donde estarán implantadas las bobinas de la máquina. Los lados de la bobina se ubicarán en las ranuras que serán iguales en su construcción y cuya distribución geométrica será tal que sus ejes magnéticos formen 120°.
Esquema simplificado de generador trifásico. Las ondas sinusoidales básicas espaciales se desplazan 120°eléctricosen el espacio.
El principio de funcionamiento del generador elemental nos dice que la máquina sincrónica está compuesta mediante una pieza giratoria, el rotor, cuya bobina es excitada con corriente continua; y otra pieza, el estator o armadura, por cuyas bobinas circulan corrientes alternas. La corriente alterna que circula por el estator produce un campo magnético rotatorio que gira en el entrehierro de la máquina con la frecuencia angular de las corrientes de armadura. El rotor gira a la misma velocidad del campo magnético rotatorio producido por el estator. El rotor gira mecánicamente a la misma frecuencia que la del campo magnético rotatorio del estator durante el régimen permanente. La velocidad del rotor es igual a la velocidad angular del campo magnético producido por el estator. Luego se inyecta corriente mediante una fuente externa para producir una fuerza magnetomotriz en el rotor; de esta forma vamos a tener dos campos magnéticos rotatorios: uno generado por el estator y otro por el rotor. Estos campos interactúan y dan como resultado un par eléctrico que produce la conversión de la energía.
Una de las características de las máquinas generadoras sincrónicas es que la velocidad depende de la frecuencia de la red de alimentación eléctrica del sistema. La máquina giratoria sincrónica puede trabajar como motor, generador o compensador. El principio de operación de un generador síncrono o alternador se basa en la ley de Faraday, de inducción electromagnética. La generación de la fuerza electromotriz (fem) se obtiene por medio del movimiento relativo entre conductores y un flujo magnético. Al colocar una espira dentro de un campo magnético al que se lo hacer girar, sus lados cortarán las líneas de fuerzas del campo, induciéndose entonces una fem que se puede verificar entre los extremos del conductor en forma de espira, y se comprueba que la fem es alterna. Las dos partes básicas de una maquina síncrona son: la estructura del campo magnético, que lleva un devanado excitado por corriente continua, y la armadura. La armadura tiene con frecuencia un devanado trifásico en el que se genera la fem de corriente alterna. Casi todas las máquinas síncronas modernas tienen armaduras estacionarias y estructuras de campo giratorias. El devanado de corriente continua sobre la estructura giratoria del campo se conecta a una fuente externa por medio de anillos deslizantes y escobillas.
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