generador sincrono
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAFACULTAD DE INGENIERIA MECANICA
INSTALACIONES INDUSTRIALES
TRABAJO INDIVIDUAL
CENTRALES HIDRÁULICAS:
GENERADOR SÍNCRONO
2 0 0 6
Í NDICE
OBJETIVOS ………………………...………………………………………. 03
FUNCIONAMIENTO DEL GENERADOR SINCRONO ………………….. 04
ECUACIONES CARACTERISTICAS DEL GENERADOR SINCRNO … 07
GENERADOR SINCRONO TRIFASICO ………………………………….. 10
GENERADOR DE LA CORRIENTE ALTERNA …………………………. 11
ALTERNADOR ……………………………………………………………… 12
CONSTITUCION DE UN ALTERNADOR ………………………….. 12
CIRCUITO MAGNETICO …………………………………………….. 12
INDUCIDO FIJO O ESTATOR ………………………………………. 12
INDUCTOR GIRATORIO …………………………………………….. 13
CIRCUITOS ELECTRICOS ………………………………………………… 15
DEVANADOS DE UNA MAQUINA SINCRONA ………………………… 15
DIFERENCIA ENTRE UN DINAMO Y UN ALTERNADOR …………….. 17
INDUCIDO ……………………………………………………………… 17
COLECTOR ……………………………………………………………. 18
VELOCIDAD DE GIRO ……………………………………………….. 18
EXCITATRIZ …………………………………………………………… 18
REGULACION DE LA TENSION ………………………………………….. 19
METODOS DE REGULACION DE LA INTENSIDAD DE EXITAC ……. 20
CARACTERISTICAS DE UN ALTERNADOR SINCRONO ……………. 21
PERDIDAS …………………………………………………………………… 22
CAPACIDAD Y CALENTAMIENTO ………………………………………. 25
MATERIALES AISLANTES ……………………………………………….. 26
SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO DE LOS TURBOALTERNAD ………. 29
SISTEMA DE REFRIGERACION POR AIRE ……………………… 29
SISTEMA DE ENFRIAMIENTO POR HIDROGENO ………………. 31
TENDENCIAS DE LOS SITEMAS DE ENFRIAM ……………………….. 34
SISTEMAS DE REFRIGERACION POR AGUA …………………… 34
SISTEMA DE REF. POR LIQUIDO CON ESTAT CON ACEIT…… 35
SISTEMA DE REF. POR EVAPORACION …………………………. 35
SISTEMA DE REF. POR FRIO ARTIFICIAL ……………………….. 35
SISTEMA DE EXCITACIÓN DE LOS TURBOALTERNADORES …….. 37
PARADA DE UN ALTERNADOR …………………………………………. 40
POTENCIA NOMINAL DE LOS ALTERNADORES …………………….. 40
COMPENSADORES SINCRONOS ……………………………………….. 41
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OBJETIVOS
Conocer el funcionamiento de un generador síncrono.
Conocer las ecuaciones características del generador síncrono.
Conocer las variantes del generador síncrono.
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FUNCIONAMIENTO DEL GENERADOR SINCRONO
Los generadores síncronos o alternadores son máquinas sincrónicas que se
usan para convertir potencia mecánica en potencia eléctrica de corriente
alterna. Son utilizados en aplicaciones donde el generador de cc convencional
no es capaz de suministrar la corriente suficiente para grandes demandas de
electricidad.
El generador síncrono consiste en un electroimán girando, llamado rotor
cilíndrico generalmente, al lado de una bobina, estator conectado en estrella el
cual por efecto de la rotación del rotor va a inducir tensión trifásica en el
estator, para esto tiene que haber una velocidad relativa entre el rotor (también
llamado campo) y el estator (o armadura). Se conectan las bobinas en estrella
principalmente por dos razones:
Para obtener una mayor tensión de línea con menor esfuerzo, además se
trabaja con conductores más delgados.
Tiene que ver con las armónicas. En conexión estrella se anula el efecto de la
3ra armónica, esto reduce pérdidas por calor contribuyendo a una máquina
más eficiente. En conexión delta las armónicas se suman y las corrientes ya no
son cero, sino una pequeña corriente que empieza a calentar el sistema.
Si en un generador síncrono se aplica al embobinado del rotor una corriente
continua, se producirá un campo magnético en el rotor. Entonces el rotor del
generador se impulsará por medio de un motor primario, lo cual producirá un
campo magnético rotatorio dentro de la máquina. Este campo magnético
rotatorio inducirá un sistema trifásico de voltajes dentro del embobinado del
estator del generador.
4
El rotor de un generador síncrono es esencialmente un gran electroimán. Los
polos magnéticos del rotor pueden ser de construcción saliente o no saliente. El
término saliente significa protuberante o resaltado; y un polo saliente es un polo
magnético que resalta de la superficie del motor. Los rotores de polo no
saliente se usan normalmente para rotores de dos y cuatro polos, mientras que
los de polo saliente se utilizan normalmente en rotores de cuatro o más polos.
Como el rotor está sujeto a cambios en los campos magnéticos, se construye
de láminas delgadas para reducir pérdidas por corriente parásitas.
Un flujo de cc debe alimentar el circuito de campo del rotor. Puesto que éste
está girando, se necesita un arreglo especial para llevar la fuerza de cc a su
embobinado de campo. Hay dos métodos comunes para suministrar esta
fuerza de cc:
Suministrarle al rotor la potencia de cc desde una fuente externa de cc, por
medio de anillos de rozamiento y escobillas.
Suministro de potencia de cc desde una fuente de cc especial, montado
directamente en el eje del generador síncrono.
Los anillos de rozamiento son anillos metálicos que envuelven completamente
el eje de la máquina, pero aislados de él. Cada extremo del embobinado del
rotor de cc está unido a cada uno de los dos anillos de rozamiento del eje de la
máquina síncrona y sobre cada uno de ellos se coloca una escobilla. Si el
extremo positivo de una fuente de voltaje de cc se conecta a una escobilla y el
extremo negativo a la otro, entonces el mismo voltaje de cc llegará al
embobinado de campo en todo momento, sin tener en cuenta la posición
angular o la velocidad del rotor.
5
Los anillos de rozamiento y las escobillas crean algunos problemas cuando se
usan para suministrar potencia de cc a los embobinados de campo de una
máquina síncrona. Ellos aumentan la cantidad de mantenimiento requerido por
la máquina, puesto que las escobillas deben examinarse periódicamente para
ver su estado de desgaste. Además, la caída de voltaje en las escobillas puede
ser la causa de pérdidas significativas de potencia de rozamiento y las
escobillas se usan en todas las máquinas síncronas más pequeñas, porque
ningún otro método es tan económico para suministrar la corriente de campo.
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ECUACIONES CARACTERISTICAS DEL GENERADOR SINCRONO
La ecuación básica del generador síncrono monofásico es:
N = 120 f / p
Donde:
N: número de revoluciones por minuto
f: frecuencia en Hz
p: número de polos
A diferencia del motor asíncrono, esta relación se cumple exactamente en una
máquina síncrona. En el caso más típico la frecuencia será 60 Hz y el
generador tendrá 2 polos, así que la velocidad de giro será de 3600 RPM.
El generador síncrono puede ser monofásico o trifásico, pero a partir de los 5
kW resulta más económico fabricar generadores trifásicos, igualmente a
medida que aumenta el tamaño de la máquina el campo se encuentra en el
rotor.
Un generador pequeño a condiciones nominales tiene baja eficiencia, por
ejemplo un generador de 1 KW puede tener una eficiencia de 50 a 60%,
mientras que uno de 10 MW puede tener una eficiencia de 90% y uno de 1000
MW puede alcanzar 99% de eficiencia.
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El siguiente modelo corresponde a un generador alimentado con una fuente de
corriente continua llamada excitador. Antiguamente este excitador era un
generador de cc en conexión paralela y alimentaba al campo del generador
síncrono mediante un sistema de anillos, escobillas y carbones. Hoy en día se
usa un excitador que consiste en un pequeño generador síncrono con el campo
en el estator.
La corriente alterna generada en el estator es rectificada y así se alimenta el
campo del generador síncrono sin el uso de anillos ni escobillas. El siguiente
modelo es válido para un generador de rotor cilíndrico y pierde precisión
cuando el generador es de polos salientes.
Rexi: resistencia de excitación interna
Rexe: resistencia de excitación externa (con la que se regula Iex y el flujo Øm)
Del circuito deducimos que:
Ea = U + Ia (ra + jXs)
Pero Ea = 4.44 f Øm w = k Øm w, donde w = 2P f
Por otro lado, la potencia mecánica suministrada por el generador viene dada
por:
Pmec = Tw = Ea Ia cos Øt
Donde:
Øt : ángulo de ra + jXs + Z
8
Entonces:
Tw = k Øm Ia cos Øt
Adicionalmente deducimos la ecuación:
Uex = Iex (Rexe + Rexi)
Para los fines del curso, normalmente la resistencia ra es despreciable.
Este modelo es correcto en el caso del rotor cilíndrico. Cuando la máquina es
de polos salientes se prefiere utilizar otro modelo llamado el modelo d-q, que
toma en cuenta el efecto de tensiones que aparecen porque el campo no es
totalmente sinusoidal.
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GENERADOR SÍNCRONO TRIFÁSICO
Para el caso del generador síncrono trifásico, el circuito equivalente es
Grf2
Similarmente al circuito monofásico, las ecuaciones características por fase
son:
Eaf = Uf + Ia (ra + jXs)
Eaf = 4.44 f Øm w = k Øm w
Uex = Iex (Rexe + Rexi)
Y la potencia mecánica total será
Pmec = Tw = 3 k Øm Ia cos Øt
10
GENERACION DE LA CORRIENTE ALTERNA
La generación de la corriente alterna puede obtenerse por dos procedimientos
distintos:
a.)Haciendo girar una bobina en un campo magnético fijo.
b.)Haciendo girar un campo magnético manteniendo una bobina fija.
El primer sistema es utilizado para generar pequeñas cantidades de energía,
por que ella se recoge en los anillos y pasa al circuito de utilización a través del
frotamiento de las escobillas; es decir; que por tener el campo en el estator la
resistencia variable nos permite hacer mas o menos intenso el campo del
electroimán; en cambio para grandes potencias se empeña el segundo
sistema, en este caso la corriente alterna se produce en bobinajes fijos,
alojados en las ranuras del armazón de la maquina que entregan la energía al
circuito exterior sin hacer uso de ningún mecanismo movible, La parte giratoria
o sea la corona de polos magnéticos, requiere una corriente relativamente
reducida que puede recibirlas fácilmente a través de anillos y escobillas.
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ALTERNADOR
Recibe el nombre de alternador una maquina eléctrica que transforma energía
mecánica (que recibe por su eje) en energía eléctrica (que suministra por sus
bornes).
CONSTITUCION DE UN ALTERNADOR
Al igual que un dinamo, un alternador esta constituido por tres circuitos: un
circuito magnético y dos circuitos eléctricos.
CIRCUITO MAGNETICO.-
La construcción típica de un alternador es de inductor fijo o inductor giratorio.
INDUCIDO FIJO O ESTATOR.-
Esta constituido de un conjunto de chapa metálica en el cual se distinguen
dos partes: un cuerpo exterior cilíndrico llamado corona, de cuya superficie
interior salen los dientes y entre estos quedan las ranuras.
El espesor de la chapa magnética es por lo regular de 0.5mm, y esta
esmaltada convenientemente.
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INDUCTOR GIRATORIO
Esta parte giratoria del circuito magnético esta constituida de dos formas
distintas.
1.- En los alternadores multipolares, los polos inductores son salientes como
indica la figura.
En estas maquinas se usan barras amortiguadoras para originar pares de tipo
motor de inducción que ayudan a aminorar las oscilaciones electromecánicas
de rotor que siguen a las perturbaciones transitorias; las barras amortiguadoras
y el collarín del campo están en cortocircuito entre sí en el extremo del rotor,
formando una estructura que se parece mucho a la jaula de ardilla en un motor
de inducción y cuya función es bastante similar.
2.-En los alternadores bipolares, resulta elevada la velocidad periférica de la
rueda polar, ya que gira a 3600 r.p.m. (con frecuencia de 60 hertz). Por este
motivo se construye el inductor de forma cilíndrica con ranuras en su
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periferia en la cual van colocadas las bobinas polares. De este modo se
consigue dar la suficiente seguridad contra la fuerza centrifuga.
Maquina de polos lisos Maquina de polos salientes
Entonces la razón para que algunos generadores sincronicos tengan
estructuras de rotor con polos salientes y otros tengan rotores cilíndricos se
puede comprender con la ayuda de la ecuación básica de la maquina
sincrónica:
f = P.n / 120 (Hz)
Siendo:
P= numero de polos.
n = velocidad mecánica.
Una construcción de polos salientes es característica de los generadores
hidroeléctricos, debido a que las turbinas hidráulicas trabajan a velocidades
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relativamente bajas y tienen un numero grande de polos para producir la
frecuencia deseada; la construcción con polos salientes esta mecánicamente
mejor adaptada a esta situación. Sin embargo las turbinas de vapor y las de
gas trabajan mejor a velocidades relativamente altas, y los alternadores
impulsados por turbinas o turbogeneradores son comúnmente de dos o cuatro
polos de rotor cilíndrico.
CIRCUITOS ELECTRICOS.-
El circuito eléctrico inducido esta constituido por el conjunto de bobinas
polares que rodean a los polos salientes o a las que van colocadas en las
ranuras del núcleo de forma cilíndrica. Aquí se recibe y se induce corrientes, se
crean los campos magnéticos que van a ser el eje del funcionamiento del
alternador y de las maquinas rotatorias.
DEVANADOS DE UNA MAQUINA SINCRONICA.-
En una maquina sincrónica el devanado de armadura esta en el estator, y el
devanado de campo en el rotor.
El devanado de campo se excita con mediante corriente directa, que le llega a
través de las escobillas de carbón, que descansan sobre anillos colectores o
anillos colectores. Los factores constructivos en general esta ubicación de los
dos devanados: es conveniente tener un devanado de baja potencia en el rotor.
El devanado de la armadura, que consta de tres bobinas para el caso de un
sistema trifasico con fase desplazada 120 grados eléctricos en el espacio; para
así generar tres voltajes desfasados 120 grados eléctricos y a su vez poderlo
conectar en estrella o en delta.
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Cuando un generador sincrónico suministra energía eléctrica a una carga, la
corriente crea una onda de flujo magnético en el entrehierro, que gira a
velocidad sincrona. Este flujo reacciona con el flujo creado por la corriente del
campo y se provoca un par electromagnético de la tendencia a alinearse que
tienen estos dos campos magnéticos. En un generador este par se opone al
giro, y la maquina de impulsión debe suministrar el par
mecánico mediante para sostener la rotación. Este par electromagnético es el
mecanismo mediante el cual el generador sincrónico convierte la energía
mecánica en energía eléctrica.
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DIFERENCIA ENTRE UNA DINAMO Y UN ALTERNADOR.-
1.-)INDUCIDO.- En una dinamo el inducido es siempre móvil por lo que se
dispone de un colector el cual rectifica la corriente alterna generada en los
conductores del bobinado inducido. En cambio en un alternador se puede
conseguir que cortan las líneas de fuerza de dos maneras distintas.
a)Con el inducido móvil y el inductor fijo.
b)Con el inducido fijo y el inductor móvil.
De estas dos formas de construcción, la típica en los alternadores de mediana
y gran potencia es la de inducido fijo, que recibe el nombre de estator e
inductor giratorio.
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CONSITUCION ELECTROMECANICO DE LOS MOTORESSINCRONOS DE ANILLOS ROZANTES
ESTATOR PRINCIPAL
EJE
RECTIFICADORDE ONDA
COMPLETA
L1
L3
+ -
DESDELA
FUENTE
VENTILADOR
ESTATOR PRINCIPAL
L1L2L3
SISTEMA DEARRANQUEPARA BAJA
TENSION
ROTOR PRINCIPAL
ANILLOS ROZANTES
ESCOBILLAS
P
Q
2.-) COLECTOR.- Las dinamos exigen un colector de delgas para rectificar la
corriente alterna generada en los conductores del bobinado inducido. Los
alternadores no necesitan de estos, ya que suministran la energía eléctrica en
forma de corriente Alterna.
En cambio exigen un conjunto de anillos por la cual pasa la corriente que
recorre el bobinado giratorio. Esta corriente será la de excitación en los
alternadores de inductor giratorio y la útil exterior en los alternadores de
inducido móvil.
3.- VELOCIDAD DE GIRO.- Una dinamo queda definido por su fuerza
electromotriz.
El valor de esta f.e.m. puede ser obtenido a cualquier velocidad, ya que
siempre se ha de regular la excitación para conseguir la tensión deseada.
En cambio un alternador, además de la tensión, tiene otra característica
fundamental, esta es la frecuencia. El valor de esta frecuencia depende de la
velocidad de giro del bobinado inducido y del numero de polos de la maquina.
4.-) EXCITARIZ.- Las bobinas inductoras deben ser excitadas con corriente
continua, tanto en los dinamos como en los alternadores. En una dinamo, esta
corriente puede ser tomada de sus propios bornes, es decir, es una maquina
autoexcitada. En cambio en un alternador no es posible hacer uso de esta
ventaja, ya que en sus bornes existe Tensión alterna. Por consiguiente, para
poder excitar las bobinas inductoras de un alternador es necesario disponer de
una dinamo de pequeña potencia con relación con la de aquel. Esta dinamo
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recibe el nombre de excitatriz, y va montada por lo regular en el propio eje del
alternador.
REGULACION DE LA TENSION.-
Para mantener lo mas constante posible el valor.
De la tensión en los bornes, es preciso regular la intensidad de corriente de
excitación que recorre las bobinas inductoras; así se consigue variar el valor
del flujo creado por los polos y en consecuencia, la fuerza electromotriz en
carga, a fin de compensar la caída de tensión interior.
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METODOS DE REGULACION DE LA INTENSIDAD DE EXCITACION
Existen dos métodos de regular la intensidad de excitación los cuales son:
1.- Manteniendo constante el valor de la fuerza electromotriz de la excitatriz LINEA U V W y variando la resistencia del circuito de excitación del alternador. Para conseguir esto se conecta un reostato de regulación en serie con el bobinado inductor del alternador J K véase en la fig. Para regular la intensidad de la corriente q de excitación del alternador, que tome s el valor deseado, se varia la resistencia RR t RR del reostato. B A H a C D
2.-Otro procedimiento consiste en conectar el bobinado inductor a los bornes
de la dinamo excitatriz y variar la f.e.m. generada en el inducido de esta.
Este procedimiento obliga a regular la intensidad de la corriente de excitación
de la excitatriz; para ello se incluye un reostato en serie con su bobinado
inductor principal.
En este caso se regula la excitación del alternador regulando la excitación del
alternador regulando la f.e.m. generada en la dinamo excitatriz, para lo que se
varía la intensidad de la corriente de excitación de la misma.
En la practica se utiliza el primer procedimiento por que tiene la ventaja de
permitir una regulación mas fina de la tensión en bornes, aunque exige un
reostato más voluminoso y mas costoso.
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G
CARACTERISTICAS DE UN ALTERNADOR SINCRONICO
Al comparar las maquinas sincrónicas de diferentes tipos de construcción, de
diferentes tensión y potencia resulta mas cómodo expresar las magnitudes
principales y los parameros no en unidades físicas sino en unidades relativas
que pueden calcularse por sus valores en tantos por ciento o en fracciones de
las magnitudes adoptadas por unidad. En el sistema de unidades relativas se
adoptan por unidad las magnitudes siguientes:
1. Potencia nominal total de la maquina P.n.= m. un.in.
2. Tensión nominal de fase en vacío Un = Eo
3. Corriente nominal de fase In
4. Resistencia nominal
zn = Un / In = Eo / In.
5. Velocidad angular nominal del rotor n, es decir, velocidad angular con
frecuencia nominal.
6. Angulo equivalente a un radian.
7. Tiempo durante el cual la fase de corriente y tensión con frecuencia
nominal varia en un radian, o bien, que es lo mismo, cuando el campo
giratorio gira con frecuencia nominal gira un radian (eléctrico).
os valores indicados de la tensión, corriente y resistencia son unidades
para las respectivas magnitudes del circuito del estator.
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PERDIDAS
Es importante tener en cuenta las perdidas de la maquinaria por tres
razones:
1) Las perdidas determinan la eficiencia de la maquina e influyen mucho en
su costo de operación.
2) Las perdidas determinan el calentamiento de la maquina y por
consiguiente la capacidad o potencia de salida que puede obtenerse sin
demasiado deterioro del aislamiento.
3) Las caídas de voltaje o las componentes de corrientes, asociadas con el
suministro de las perdidas se deben tener en cuenta en una
representación de la maquina.
La eficiencia de esta, al igual que la de los transformadores o de cualquier
dispositivo de transformación de energía, es
Eficiencia = salida.. entrada
p = 1 - ----------
P + p
Donde P es la potencia útil y p es la suma de todas las perdidas.
En general las maquinas rotatorias trabajan en forma eficiente, excepto con
cargas ligeras. Las eficiencias se determinan a partir de mediciones de las
perdidas se pueden se pueden comparar maquinas competitivas si se usan en
cada caso exactamente los mismos métodos de medición y calculo. Por este
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motivo las diversas perdidas y las condiciones para medirlas las define con
precisión el American National Standard Institute (ANSI), el Institute of
Electrical and Electronics Engineers (IEEE), y la National Electrical
Manufactures Association (NEMA).
Las perdidas en un alternador sincrónico se pueden dividir en dos grupos:
a) perdidas principales y b) perdidas adicionales. Las perdidas
principales son las perdidas en los procesos electromagnéticos y mecánicos
que ocurren en las maquinas en su funcionamiento. A estas perdidas
pertenecen: las principales en el cobre del devanado del estator y en el cobre
del devanado de excitación, perdidas en el acero activo en el estator, perdidas
por rozamiento en los cojinetes y escobillas de los anillos de contacto y las
perdidas por ventilación.
A las perdidas adicionales pertenecen las perdidas que surgen como resultado
de los procesos secundarios de carácter electromagnético. Algunas de ellas
surgen durante el funcionamiento de la maquina en vacío, otras aparecen bajo
carga. Así, tenemos: a) las perdidas adicionales en vacío y b) los armónicos
superiores de f.m. del estator y del rotor y c) los dientes del rotor y del estator.
Las perdidas adicionales surgen principalmente por los flujos de dispersión del
estator.
Estos flujos crean las perdidas adicionales en: a) las partes frontal y de ranura
del devanado del estator y b) todas las partes metálicas por donde penetra el
flujo de dispersión: en las pantallas, placas de presión, bandajes, etc.
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Los armónicos superiores de f.m. crean perdidas adicionales en la superficie
del estator y del rotor, desplazándose con respecto a estos a diferentes
velocidades. Estas perdidas, a causa del efecto de blindaje de las corrientes
parásitas, no penetran muy profundamente en las partes metálicas y por eso se
llaman superficiales.
Los armónicos dentales del campo magnético provocan en parte, a causa de
las oscilaciones transversales del flujo, perdidas superficiales en las superficie
del estator y del rotor y, en parte, perdidas por pulsación debido a las
oscilaciones longitudinales del flujo en el diente. Las perdidas por pulsación
son generalmente pequeñas en comparación con las superficiales.
Los medios para reducir las perdidas adicionales son: a) La división, por la
altura de la ranura, de los hilos conductores del devanado del estator en varios
hilos conductores elementales y su transposición en la parte activa y a veces
en la parte frontal del devanado; b) el montaje del devanado con la
correspondiente reducción del paso y con las partes frontales dispuestas en
forma de cono; c) la fabricación de las placas de presión, bandajes, etc. De
acero amagnético; d) la estriadura del rotor en los turboalternadores.
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CAPACIDAD Y CALENTAMIENTO
Una de las preguntas más importantes en la aplicación de maquinas,
transformadores y demás equipos eléctricos es: ¿que salida máxima se
puede obtener? La respuesta, desde luego, depende de varios factores, ya
que la maquina, si bien da una potencia, debe cumplir en general normas
definidas de desempeño. Un requisito universal es que la vida de la maquina
no se acorte debido al sobrecalentamiento.
La temperatura de funcionamiento de una maquina esta relacionado con su
pronostico de vida, porque el deterioro del aislamiento es función tanto del
tiempo como de la temperatura. Este deterioro es un fenómeno químico que
implica una oxidación lenta y un endurecimiento frágil que conduce a la
perdida de duración mecánica y de resistencia dieléctrica. En muchos casos
la velocidad de deterioro es tal que la vida del aislamiento se puede
representar como una función exponencial.
- .
Vida = Tais = R .
Donde: R es el plazo de servicio del aislamiento particular que pueden ser de la clase:
Y,A,E,B,H y C
= 0.088 son coeficientes establecidos experimentalmente, = es la temperatura del aislamiento expresada en grados centígrados. = es la base de los logaritmos naturales.
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Materiales Aislantes
La carga admisible de la maquina se determina, ante todo por la temperatura
admisible de los materiales que en ella se utilizan. Los materiales que se
utilizan se dividen por su resistencia al calor en las siguientes clases: Y, A,
E, B, H y C.
AISLAMIENTO CLASE Y: Pertenecen a los materiales fibrosos de celulosa y
de se da que no están impregnados de material dieléctrico liquido. La
temperatura de operación es igual a 90°C.
AISLAMIENTO CLASE A: Pertenecen a los materiales fibrosos de celulosa y
de seda que está impregnados de material dieléctrico liquido y que están
metidos en el. La temperatura de operación es igual a 105°C.
AISLAMIENTO CLASE E: Pertenecen a algunas películas sintéticas
orgánicas. La temperatura de operación es igual a 120°C.
AISLAMIENTO CLASE B: Incluye en sí a materiales a base de mica (incluso
base de añadiduras orgánicas), de asbesto y de fibra de vidrio impregnados
con compuestos orgánicos impregnadores y ligantes. Con una resistencia al
calor igual a 130°C.
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AISLAMIENTO CLASE F: Están hechos a base de mica, asbesto y fibra de
vidrio. Utilizados en combinación con compuestos sintéticos impregnadores y
ligantes. Con una resistencia al calor igual a 155°C.
AISLAMIENTO CLASE H: Pertenecen a materiales que tienen una resistencia
al calor igual a180°C. Hechos a base de asbesto, fibra de vidrio empleados
conjuntamente con compuestos orgánicos de silicio impregnadores.
AISLAMIENTO CLASE C: Están hechos de mica, de materiales cerámicos, de
vidrio, de cuarzo y que se utilizan sin compuestos orgánicos impregnadores y
aglutinantes. Con una temperatura de operación de mas de 180°C.
De esta formula se deduce que para un aislante tipo A su R =7.15 x 10*4 . a)
el aislamiento de la clase A puede trabajar fiablemente durante 16-20 años a
una temperatura limite lim =95—90°C; b) con el aumento de la temperatura
de la clase A en 8°C el plazo de su servicio se reduce en dos veces. Así pues,
si el plazo de su servicio de este aislamiento a = 95°C constituye 16 años
entonces a 110°C se reducirá hasta en 4 años y hasta 150° hasta en varios
días.
Además de la resistencia al calor se deben cumplir otros requerimientos:
a) alta rigidez eléctrica de los materiales tanto en las condiciones de una
temperatura ambiente como en las condiciones de funcionamiento de la
maquina.
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b) Resistencia del aislante a las solicitaciones mecánicas y el grado de
elasticidad que debe conservar el material durante el efecto prolongado de
los calentamientos en trabajo.
Para la normalización de la temperatura y pruebas se consulta a las normas de
ANSI, IEEE, y NEMA. También hay que tener en cuenta que existe un factor de
servicio para los aislamientos para que puedan funcionar seguramente ante
cualquier sobrecarga temporal de la maquina.
Todo esto conlleva a un estudio profundo sobre el calentamiento de diversas
partes de las maquinas para así determinar el tipo de refrigeración a utilizar,
por ejemplo si la maquina es cerrada, el tipo de enfriamiento es(de aire, con
ventilación, enfriamiento por hidrogeno, etc.) que veremos a continuación.
28
SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO DE LOS TURBOALTERNADORES Y
ALTERNADORES HIDRAULICOS
El problema del enfriamiento de un aparato eléctrico en general aumenta en
dificultad con el aumento de tamaño. El área superficial de la que se debe
eliminar el calor aumenta aproximadamente de acuerdo con el cuadrado de las
dimensiones, mientras que el calor desarrollado por las perdidas es casi
proporcional al volumen, y por lo tanto aumenta aproximadamente de acuerdo
con el cubo de las dimensiones.
Ventilación de los turboalternadores con enfriamiento ordinario
A. SISTEMA DE REFRIGERACIÓN POR AIRE.
Por el tamaño de los turboalternadores existe varios problemas en la
elección del sistema de ventilación debido a su gran velocidad de rotación y
dimensiones exteriores.
En los inicios con esta tecnología los turboalternadores se construían con
este tipo de enfriamiento y se lograban éxitos considerables y se seguían
perfeccionando. La máxima potencia de los turboalternadores con
enfriamiento por aire era de 100MW.
La utilización del hidrogeno gaseoso como medio refrigerante hizo posible
el desarrollo ulterior de los sistemas de enfriamiento de los
turboalternadores. Por eso, actualmente, el enfriamiento por aire solo se
utiliza en los turboalternadores de relativa poca potencia (hasta 30—40MW).
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En estas maquinas se utiliza, generalmente el esquema de ventilación radial
de chorros múltiples con ciclo cerrado de circulación de aire.
En la siguiente figura se represente esquemáticamente un truboalternador
con sistema de ventilación de aire y con los enfriadores de aire dispuestos en
el sótano. En la maquina el aire circula por la acción de los ventiladores
empotrados 1 dispuestos a ambos lados del rotor. Una parte del aire
inyectado por el ventilador baña las parte s frontales del devanado del
estator, pasa por el entrehierro de entre el estator y el rotor y se evacua a
través de los canales radiales, que están mas próximos a las superficies de
los extremos del núcleo del estator, a las cámaras anulares de aire caliente
2, y luego se dirige a la cámara del sótano a los enfriadores de aire a través
de una cámara común de de salida 3. Otra parte del aire refrigerante pasa
por entre la cámara 2 y el revestimiento del alternador a la cámara anular 4,
por los canales radiales se dirige al entre hierro de la maquina, de donde
análogamente entra en las cámaras de aire caliente 5 y 2 a continuación en
la cámara común de salida 3 hacia los enfriadores de aire.
De los enfriadores de aire este, a través de las cámaras 6,pasa de nuevo a
los ventiladores y luego a la maquina.
Este sistema de ventilacion se llama de tres chorros por el numero de flujos
de aire caliente que salen del alternador. En los T.A. de núcleos largos se
utilizan sistemas de chorros múltiples.
30
B. SISTEMA DE ENFRIAMIENTO POR HIDROGENO. En los 1940-1948
empezaron a utilizarse este tipo de sistema en los turboalternadores.
Cuando se utiliza el hidrogeno como medio refrigerante aumenta
considerablemente la eficacia del enfriamiento y disminuye las perdidas
por el rozamiento del rotor con el gas que, en la refrigeración por aire,
constituyen una parte esencial de las perdidas totales. El hidrogeno tiene
las siguientes propiedades que lo hacen factibles para este uso:
1 Su densidad están solo 0.07 veces la del aire a la misma temperatura y
presión, y por lo tanto las perdidas de fricción con el gas y de ventilación
son mucho menores.
2 Su calor especifico en la misma base de peso es de unas 14.5 veces la
del aire. Esto significa que para la misma temperatura y presión, el aire y
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el hidrogeno tienen igual eficacia en cuanto a capacidad de
almacenamiento de calor por unidad de volumen, pero la transferencia de
calor es mediante convección forzada entre las partes calientes de la
maquina y el gas de enfriamiento es mucho mayor en el hidrogeno que el
aire.
3 La vida del aislamiento aumenta y los gastos de mantenimiento
disminuyen debido a la ausencia de polvo, humedad y oxigeno.
4 Se reduce al mínimo el peligro de incendio. Una mezcla de hidrogeno y
aire no explotara si el contenido de hidrogeno esta aproximadamente
arriba del 70%.
Pero existe el peligro latente de explosión, lo que conlleva a hermetizar
todo el volumen de la maquina lleno de hidrogeno y de reforzar la
resistencia mecánica del cuerpo del turboalternador. Además en las
centrales donde se utiliza este sistema es preciso disponer del así
llamado servicio de hidrogeno donde este prevista la obtención de este
gas, el control de su pureza, la alimentación adicional y su purificación.
En los sitios de salida del extremo del árbol del rotor se utilizan
obturadores de aceite especiales para evitar el escape de hidrogeno.
También se empaquetan los terminales del alternador.
Unas de las partes del turboalternador más intensas por su calentamiento
es el rotor, cuyo enfriamiento, cuando su construcción es del tipo normal,
se efectúa por gas que baña la superficie exterior del rotor.
El enfriamiento por hidrogeno se utiliza también en los compensadores
sincrónicos grandes.
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Un paso importante que ha hecho posible casi duplicar la capacidad de un
turbogenerador enfriado por hidrogeno de un tamaño físico dado es el
desarrollo del enfriamiento de conductores, al que también se le llama
enfriamiento interior. En él, el medio de enfriamiento (liquido o gas), se hace
pasar a través de venas o ductos dentro del conductor o los filamentos de este.
En general el medio de enfriamiento de los conductores del rotor es el
hidrogeno. Para el enfriamiento del los conductores del estator se puede
emplear ya sea gas o liquido. Pudiendo ser este aceite transil o agua.
Sistema de refrigeración por hidrogeno
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TENDENCIAS DE LOS SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO DE LOS
TURBOALTERNADORES
A. Sistemas de refrigeración completa por agua. En este sistema con el
agua no solo se enfría los devanados del estator y del rotor, sino también
el núcleo del estator y algunos otros órganos y elementos constructivos.
Para el enfriamiento del núcleo del estator se utilizan elementos
refrigerantes especiales hechos en forma de segmentos fundidos con el
tubo refrigerante en su interior e instalados entre los paquetes del núcleo.
El segmento refrigerante se coloca por toda la circunferencia del núcleo,
el cual no supera la anchura de los canales radiales. En este sistema se
asegura una mayor eficacia del enfriamiento. También hay que prever un
sistema multiparalelo para el devanado del rotor, el enfriamiento por
agua de las placas de presión, pantalla amortiguadoras en el estator y
otros elementos.
Rotor y Estator de un generador enfriado por agua
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B. Sistema de refrigeración por liquido con el estator lleno de aceite.
En este sistema el estator se hace hermético colocando en el
mandrinado un cilindro aislante que se une herméticamente con los
platillos del estator. El aceite circula bajo la acción de una bomba
instalada en el circuito hidráulico exterior. El sistema de refrigeración con
el relleno de aceite asegura un enfriamiento regular y bastante eficaz de
los devanados y del núcleo del estator.
C. Sistema de enfriamiento por evaporación. En la ex Unión Soviética y
en otros países se han elaborado sistemas de enfriamiento por
evaporación en los cuales la extracción del calor se realiza a cuenta de
un liquido conduciendo el vapor ahi formado hacia los enfriadores. Así se
reduce el gasto de liquido, en comparación con el sistema por agua,
aproximadamente 13—14 veces. No ostante, Este trae otros problemas
acondicionados por la mezcla de vapor y de liquido que circula en la
maquina. Se construyen sistemas herméticos de enfriamiento por
evporacion de agua. En algunos casos se usa el freon como medio
refrigerante por evaporación.
D. Sistemas de refrigeración en los que se utiliza el frío artificial. Al
utilizar el freon como medio refrigerante ya que este puede ser enfriado
en las instalaciones frigoríficas hasta una temperatura de 30-40°C bajo
cero. Esto permite reducir la temperatura de calentamiento del devanado
y las perdidas en el mismo. Esta será económica si no hay mucha
potencia gastada en la refrigeración. Por esta razón tiene mas
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perspectivas la refrigeración criostatica de los turboalternadores en la
cual se utilizan materiales superconductores y metales puros. Estas
maquinas deberán tener una nueva forma constructiva ya que los
criostatos deberán estar introducidos en criostatos especiales. Se utiliza
en el devanado del estator aluminio de alta pureza. A estas temperaturas
criogenicas , la resistencia eléctrica del aluminio puro disminuye en
decenas de veces, además este, a diferencia de los superconductores,
no pierde su alta electroconductivilidad con la presencia de fuertes
campos magnéticos alternativos.
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SISTEMAS DE EXCITACIÓN DE LOS TRUBOALTERNADORES
Al aumentar las capacidades de los turbogeneradores, se ha hecho mas
difícil el problema de suministrar la excitación de campo de cd (en el orden
de los KA). La fuente convencional de excitación es un generador de cd cuya
salida pasa al campo del generador a través de escobillas y anillos
deslizantes. Los problemas de enfriamiento y mantenimiento siempre se
relacionan con los anillos deslizantes, conmutadores y escobillas. Muchos
sistemas modernos de excitación han reducido al minimo estos problemas
cuando reducen al mínimo el empleo de contactos y anillos deslizantes y
escobillas.
En el centro del sistema tiene a los rectificadores de diodo de silicio, que
están montados en el mismo eje del generador, y que suministran en forma
directa la excitación de cd al campo. Un excitador de ca con armadura
rotatoria alimenta la corriente por el eje para los rectificadores giratorios. El
campo estacionario del excitador ca se alimenta a través de un amplificador
magnético que controla y regula el voltaje de salida del generador principal.
Para hacer al sistema autocontenido y libre de contactos deslizantes, la
potencia de excitación para el amplificador magnético se obtiene de la
armadura estacionaria de un pequeño alternador de imán permanente,
impulsado también mediante el eje principal. El voltaje y la frecuencia del
excitador se escogen para optimizar el funcionamiento y el diseño del
sistema en general. El sistema puede tener la ventaja adicional de no
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necesitar excitadores de reserva, interruptores del circuito del campo del
generador, ni reostato del campo.
Los sistemas mas recientes se construyen sin excitador - alternador
giratorio. En sistemas la corriente de excitación se obtiene mediante un
transformador auxiliar especial alimentado del sistema local de energía.
También se puede obtener directamente de las terminales principales del
generador; en un sistema se incluye un devanado especial de armadura en
el generador principal para suministrar la potencia a la excitación. En cada
uno de esos sistemas la corriente se rectifica mediante dispositivos de silicio
controlados por cada fase (SCR, rectificadores controlados de silicio). Estos
rectificadores son semejante a los diodos, pero pueden disiparse mediante
una señal de activación externa, de modo que se puede variar la el voltaje
de salida de cd.
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EXCITATRIZ
ROTORESTATOR ESTATORROTORPUENTE
RECTIFICADOR
FASE R
FASE S
FASE T
Fase r
Fase s
Fase t
MASA MOVIL
L1
L2
L3
RECTIFICADORDE ONDA
COMPLETA
+ - L3
L2
L1
DESDE LAFUENTE
CONSITUCION ELECTRICA DE LOS MOTORES SINCRONOSCOMPLETAMENTE INDUCTIVOS
Radj
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PARADA DE UN ALTERNADOR
Para sacar del acoplamiento un alternador, primero se reduce la potencia
suministrada por este, para lo que se hace disminuir la velocidad actuando
sobre el regulador del motor y en cuanto el amperímetro señala un nulo se
abre su interuptor. Luego se reduce la corriente de excitación, para lo que se
opera el regulador de la corriente de campo(reostato). Cuando esta corriente
es pequeña se desconecta el motor y el grupo se para en poco tiempo.
Observación Se ha de tener en cuenta de no cortar el circuito de
excitación del alternador antes de abrir este interruptor. Ya que a que si se
hiciera asi, el flujo giratorio creado por el bobinado inducido originaria
f.e.m.s, de valor peligroso en las bobinas polares, debido a que estas
pierden la velocidad de sincronismo.
POTENCIA NOMINAL DE LOS ALTERNADORES
Las potencias de los alternadores esta generalmente determinadas por el
aumento de su temperatura. Este aumento de temperatura es debido a las
perdidas den la maquina.
Perdidas en el inducido.- Las perdidas en el inducido debidas a la corriente
de carga, limitan la potencia ùtil del alternador. Estas perdidas dependen de
la corriente del inducido y son independientes de del factor de potencia. La
potencia ùtil o activa en cambio, es proprocional al factor de potencia.
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.- COMPENSADORES SÍNCRONOS.- Es un motor síncrono que funciona
sin carga mecánica y depende del valor de la excitación.
Las ventajas son:
- La flexibilidad de funcionamiento en cualquier condición de carga.
- Incrementa la potencia de corto circuito.
- Es justificado su instalación en barras de alta tensión.
La desventaja principal es el costo de instalación y su elevado costo en el
mantenimiento del motor síncrono.
MW SEP
MVARS
Rotor y Estator de un compensador sincrono de 60 000KVA de potencia,
1000 r.p.m. de la firma “Alsthom”
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MS