Método de Impedancia Sincrónica
El Método de Impedancia Sincrónica, también conocido como el Método de FEM, reemplaza el impacto de la reacción de armadura con una reactancia imaginaria equivalente. Para calcular la regulación de tensión usando este método, se requieren los siguientes datos: resistencia de armadura por fase, la curva Característica en Circuito Abierto (OCC) que muestra la relación entre la tensión en circuito abierto y la corriente de campo, y la curva Característica en Cortocircuito (SCC) que muestra la relación entre la corriente de cortocircuito y la corriente de campo.
Para un generador síncrono, las ecuaciones dadas a continuación son:
Para calcular la impedancia sincrónica Zs, se toman mediciones y se deriva el valor de Ea (FEM inducida en la armadura). Usando Ea y V (tensión terminal), se calcula entonces la regulación de tensión.
Medición de la Impedancia Sincrónica
La impedancia sincrónica se determina a través de tres pruebas principales:
Prueba de Resistencia DC
En esta prueba, se asume que el alternador está conectado en estrella con su bobina de campo DC en circuito abierto, como se muestra en el diagrama de circuito a continuación:
Prueba de Resistencia DC
Se mide la resistencia DC entre cada par de terminales utilizando el método del amperímetro-voltímetro o el puente de Wheatstone. Se calcula el promedio de los tres valores de resistencia medidos Rt, y la resistencia DC por fase RDC se deriva dividiendo Rt por 2. Considerando el efecto piel, que aumenta la resistencia AC efectiva, la resistencia AC por fase RAC se obtiene multiplicando RDC por un factor de 1.20–1.75 (valor típico: 1.25), dependiendo del tamaño de la máquina.
Prueba en Circuito Abierto
Para determinar la impedancia sincrónica mediante la prueba en circuito abierto, el alternador opera a velocidad sincrónica nominal con los terminales de carga abiertos (cargas desconectadas) y la corriente de campo inicialmente ajustada a cero. El diagrama de circuito correspondiente se muestra a continuación:
Prueba en Circuito Abierto (Continuación)
Después de ajustar la corriente de campo a cero, se incrementa gradualmente en pasos mientras se mide la tensión terminal Et en cada incremento. La corriente de excitación se suele aumentar hasta que la tensión terminal alcance el 125% del valor nominal. Se traza un gráfico entre la tensión de fase en circuito abierto Ep = Et/sqrt 3 y la corriente de campo If, lo que produce la Curva Característica en Circuito Abierto (O.C.C). Esta curva refleja la forma de una curva de magnetización estándar, con su región lineal extendida para formar una línea de hueco aéreo.
La O.C.C y la línea de hueco aéreo se ilustran en la figura a continuación:
Prueba en Cortocircuito
En la prueba en cortocircuito, los terminales de armadura se cortocircuitan a través de tres amperímetros, como se ilustra en la figura a continuación:
Prueba en Cortocircuito (Continuación)
Antes de iniciar el alternador, la corriente de campo se reduce a cero, y cada amperímetro se ajusta a un rango que excede la corriente nominal de plena carga. El alternador se opera a velocidad sincrónica, con la corriente de campo aumentada en pasos graduales, similar a la prueba en circuito abierto, mientras se mide la corriente de armadura en cada incremento. La corriente de campo se ajusta hasta que la corriente de armadura alcance el 150% del valor nominal.
Para cada paso, se registran la corriente de campo If y el promedio de las lecturas de los tres amperímetros (corriente de armadura Ia). Un gráfico que traza Ia contra If produce la Característica en Cortocircuito (S.C.C), que generalmente forma una línea recta, como se muestra en la figura a continuación.
Cálculo de la Impedancia Sincrónica
Para calcular la impedancia sincrónica Zs, primero se superponen la Característica en Circuito Abierto (OCC) y la Característica en Cortocircuito (SCC) en el mismo gráfico. A continuación, se determina la corriente de cortocircuito ISC correspondiente a la tensión nominal del alternador por fase Erated. La impedancia sincrónica se deriva entonces como la razón de la tensión en circuito abierto EOC (a la corriente de campo que produce Erated) a la corriente de cortocircuito correspondiente ISC, expresada como s = EOC / ISC.
El gráfico se muestra a continuación:
A partir de la figura anterior, considere la corriente de campo If = OA, que produce la tensión nominal del alternador por fase. Correspondiente a esta corriente de campo, la tensión en circuito abierto se representa por AB.
Suposiciones del Método de Impedancia Sincrónica
El método de impedancia sincrónica supone que la impedancia sincrónica (determinada a partir de la razón de la tensión en circuito abierto a la corriente de cortocircuito a través de las curvas OCC y SCC) permanece constante cuando estas características son lineales. Además, supone que el flujo bajo condiciones de prueba coincide con el flujo bajo carga, aunque esto introduce un error ya que la corriente de armadura en cortocircuito se retrasa respecto a la tensión en aproximadamente 90°, causando principalmente una reacción de armadura desmagnetizadora. Los efectos de la reacción de armadura se modelan como una caída de tensión proporcional a la corriente de armadura, combinada con una caída de tensión de reactancia, con la reticencia magnética asumida constante (válido para rotores cilíndricos debido a los huecos aéreos uniformes). A bajas excitaciones, es constante (impedancia lineal/no saturada), pero la saturación reduce más allá de la región lineal de la OCC (impedancia saturada). Este método produce una regulación de tensión mayor que la real, ganándose el término de método pesimista.
