UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA
INSTALACIONES INDUSTRIALES TRABAJO INDIVIDUAL CENTRALES HIDRÁULICAS: GENERADOR SÍNCRONO
2 0 0 6
ÍNDICE OBJETIVOS ………………………...………………………………………. FUNCIONAMIENTO DEL GENERADOR SINCRONO ………………….. ECUACIONES CARACTERISTICAS DEL GENERADOR SINCRNO … GENERADOR SINCRONO TRIFASICO ………………………………….. GENERADOR DE LA CORRIENTE ALTERNA …………………………. ALTERNADOR ……………………………………………………………… CONSTITUCION DE UN ALTERNADOR ………………………….. CIRCUITO MAGNETICO …… …………………………………………….. INDUCIDO FIJO O ESTATOR ………………………………………. INDUCTOR GIRATORIO …… …………………………………………….. CIRCUITOS ELECTRICOS ………………………………………………… DEVANADOS DE UNA MAQUINA SINCRONA ………………………… DIFERENCIA ENTRE UN DINAMO Y UN ALTERNADOR …………….. INDUCIDO ……………………………………………………………… COLECTOR ……………………………………………………………. VELOCIDAD DE GIRO ……………………………………………….. E!CITATRI" …………………………………………………………… REGULACION DE LA TENSION ………………………………………….. METODOS DE REGULACION DE LA INTENSIDAD DE E!ITAC ……. CARACTERISTICAS DE UN ALTERNADOR SINCRONO ……………. $ERDIDAS …………………………………………………………………… CA$ACIDAD Y CALENTAMIENTO ………………………………………. MATERIALES AISLANTES ……………………………………………….. SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO DE LOS TURBOALTERNAD ………. SISTEMA DE REFRIGERACION $OR AIRE ……………………… SISTEMA DE ENFRIAMIENTO $OR &IDROGENO ………………. TENDENCIAS DE LOS SITEMAS DE ENFRIAM ……………………….. SISTEMAS DE REFRIGERACION $OR AGUA …………………… SISTEMA DE REF. $OR LIQUIDO CON ESTAT CON ACEIT…… SISTEMA DE REF. $OR EVA$ORACION …………………………. SISTEMA DE REF. $OR FRIO ARTIFICIAL ……………………….. SISTEMA DE E!CITACI'N DE LOS TURBOALTERNADORES …….. $ARADA DE UN ALTERNADOR …………………………………………. $OTENCIA NOMINAL DE LOS ALTERNADORES …………………….. COM$ENSADORES SINCRONOS ………………………………………..
03 04 07 10 11 12 12 12 12 13 15 15 17 17 1 1 1 1# 20 21 22 25 2% 2# 2# 31 34 34 35 35 35 37 40 40 41
OBJETIVOS
Conocer el funcionamiento de un generador generador síncrono.
Conocer las ecuaciones características del generador síncrono.
Conocer las variantes del generador síncrono.
2
2 0 0 6
ÍNDICE OBJETIVOS ………………………...………………………………………. FUNCIONAMIENTO DEL GENERADOR SINCRONO ………………….. ECUACIONES CARACTERISTICAS DEL GENERADOR SINCRNO … GENERADOR SINCRONO TRIFASICO ………………………………….. GENERADOR DE LA CORRIENTE ALTERNA …………………………. ALTERNADOR ……………………………………………………………… CONSTITUCION DE UN ALTERNADOR ………………………….. CIRCUITO MAGNETICO …… …………………………………………….. INDUCIDO FIJO O ESTATOR ………………………………………. INDUCTOR GIRATORIO …… …………………………………………….. CIRCUITOS ELECTRICOS ………………………………………………… DEVANADOS DE UNA MAQUINA SINCRONA ………………………… DIFERENCIA ENTRE UN DINAMO Y UN ALTERNADOR …………….. INDUCIDO ……………………………………………………………… COLECTOR ……………………………………………………………. VELOCIDAD DE GIRO ……………………………………………….. E!CITATRI" …………………………………………………………… REGULACION DE LA TENSION ………………………………………….. METODOS DE REGULACION DE LA INTENSIDAD DE E!ITAC ……. CARACTERISTICAS DE UN ALTERNADOR SINCRONO ……………. $ERDIDAS …………………………………………………………………… CA$ACIDAD Y CALENTAMIENTO ………………………………………. MATERIALES AISLANTES ……………………………………………….. SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO DE LOS TURBOALTERNAD ………. SISTEMA DE REFRIGERACION $OR AIRE ……………………… SISTEMA DE ENFRIAMIENTO $OR &IDROGENO ………………. TENDENCIAS DE LOS SITEMAS DE ENFRIAM ……………………….. SISTEMAS DE REFRIGERACION $OR AGUA …………………… SISTEMA DE REF. $OR LIQUIDO CON ESTAT CON ACEIT…… SISTEMA DE REF. $OR EVA$ORACION …………………………. SISTEMA DE REF. $OR FRIO ARTIFICIAL ……………………….. SISTEMA DE E!CITACI'N DE LOS TURBOALTERNADORES …….. $ARADA DE UN ALTERNADOR …………………………………………. $OTENCIA NOMINAL DE LOS ALTERNADORES …………………….. COM$ENSADORES SINCRONOS ………………………………………..
03 04 07 10 11 12 12 12 12 13 15 15 17 17 1 1 1 1# 20 21 22 25 2% 2# 2# 31 34 34 35 35 35 37 40 40 41
OBJETIVOS
Conocer el funcionamiento de un generador generador síncrono.
Conocer las ecuaciones características del generador síncrono.
Conocer las variantes del generador síncrono.
2
FUNCIONAMIENTO FUNCIONAMIENTO DEL GENERADOR SINCRONO
Los generadores síncronos o alternadores son máquinas sincrónicas que se usan usa n para para con conve vertir rtir pot potenc encia ia mec mecáni ánica ca en po poten tencia cia elé eléctr ctrica ica de co corrie rriente nte alterna. Son utilizados en aplicaciones donde el generador de cc convencional no es capaz de suministrar la corriente suficiente para grandes demandas de electricidad.
3
El gen genera erador dor sín síncro crono no co consi nsiste ste en un ele electr ctroim oimán án girand girando, o, llamad llamado o rotor 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 aber una velocidad relativa entre el rotor !también llamado campo" # el estator !o armadura". Se conectan las bobinas en estrella principalmente por dos razones$ %ara obtener una ma#or tensión de línea con menor esfuerzo, además se traba&a con conductores más delgados. 'iene que ver con las armónicas. En cone(ión estrella se anula el efecto de la )ra armónica, esto reduce pérdidas por calor contribu#endo a una máquina más eficiente. En cone(ión delta las armónicas se suman # las corrientes #a no son cero, sino una peque*a 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 cam po mag magnét nético ico rotato rotatorio rio de dentr ntro o de la máq máquin uina. a. Este Este ca campo mpo mag magnét nético ico rotatorio inducirá un sistema trifásico de volta&es dentro del embobinado del estator del generador. El rotor de un generador síncrono es esencialmente un gran electroimán. Los polos magnéticos del rotor pueden ser de construcción construcción saliente o no saliente. El término saliente significa protuberante o resaltado+ # un polo saliente es un polo magn ma gnét étic ico o qu que e resa resalta lta de la su supe perfi rfici cie e de dell mo moto tor. r. Lo Los s roto rotore res s de po polo lo no saliente se usan normalmente para rotores de dos # cuatro polos, mientras que los de polo saliente se utilizan normalmente en rotores de cuatro o más polos. Como el rotor está su&eto a cambios cambios en los campos magnéticos, magnéticos, se constru#e constru#e
4
de láminas delgadas para reducir pérdidas por corriente parásitas. n flu&o de cc debe alimentar el circuito de campo del rotor. %uesto que éste está girando, se necesita un arreglo especial para llevar la fuerza de cc a su embobinado de campo. -a# dos métodos comunes para suministrar esta fuerza de cc$ Suministrarle al rotor la potencia de cc desde una fuente e(terna de cc, por medio de anillos de rozamiento # escobillas. Suministro de potencia de cc desde una fuente de cc especial, montado directamente en el e&e del generador síncrono. Los anillos de rozamiento son anillos metálicos que envuelven completamente el e&e de la máquina, pero aislados de él. Cada e(tremo del embobinado del rotor de cc está unido a cada uno de los dos anillos de rozamiento del e&e de la máquina síncrona # sobre cada uno de ellos se coloca una escobilla. Si el e(tremo positivo de una fuente de volta&e de cc se conecta a una escobilla # el e(tremo negativo a la otro, entonces el mismo volta&e de cc llegará al embobinado de campo en todo momento, sin tener en cuenta la posición angular o la velocidad del rotor.
Los anillos de rozamiento # 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 e(aminarse periódicamente para ver su estado de desgaste. demás, la caída de volta&e en las escobillas puede ser la causa de pérdidas significativas de potencia de rozamiento # las escobillas se usan en todas las máquinas síncronas más peque*as, porque
5
ning/n otro método es tan económico para suministrar la corriente de campo.
ECUACIONES CARACTERISTICAS DEL GENERADOR SINCRONO
La ecuación básica del generador síncrono monofásico es$
N ( 120 ) * +
0onde$
6
1$ n/mero de revoluciones por minuto f$ frecuencia en -z p$ n/mero de polos
diferencia del motor asíncrono, esta relación se cumple e(actamente en una máquina síncrona. En el caso más típico la frecuencia será 23 -z # el generador tendrá 4 polos, así que la velocidad de giro será de )233 5%6. El generador síncrono puede ser monofásico o trifásico, pero a partir de los 7 89 resulta más económico fabricar generadores trifásicos, igualmente a medida que aumenta el tama*o de la máquina el campo se encuentra en el rotor.
n generador peque*o a condiciones nominales tiene ba&a eficiencia, por e&emplo un generador de : ;9 puede tener una eficiencia de 73 a 23<, mientras que uno de :3 69 puede tener una eficiencia de =3< # uno de :333 69 puede alcanzar ==< de eficiencia.
El siguiente modelo corresponde a un generador alimentado con una fuente de corriente continua llamada e(citador. ntiguamente este e(citador era un generador de cc en cone(ión paralela # alimentaba al campo del generador síncrono mediante un sistema de anillos, escobillas # carbones. -o# en día se usa un e(citador que consiste en un peque*o generador síncrono con el campo en el estator.
7
La corriente alterna generada en el estator es rectificada # 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 # pierde precisión cuando el generador es de polos salientes.
5e(i$ resistencia de e(citación interna 5e(e$ resistencia de e(citación e(terna !con la que se regula >e( # el flu&o ?m" 0el circuito deducimos que$
E, ( U - I, /, - !
%ero E, ( 4.44 ) ( 6 , donde ( 2$ )
%or otro lado, la potencia mecánica suministrada por el generador viene dada por$
$8 ( T ( E, I, 89 :
0onde$ ?t $ ángulo de /, - ! - "
Entonces$
T ( 6 I, 89 :
8
dicionalmente deducimos la ecuación$
U; ( I; R; - R;<
%ara 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 9=>9 =?@, que toma en cuenta el efecto de tensiones que aparecen porque el campo no es totalmente sinusoidal.
GENERADOR SÍNCRONO TRIFSICO %ara el caso del generador síncrono trifásico, el circuito equivalente es
@rf4
9
Similarmente al circuito monofásico, las ecuaciones características por fase son$
E,) ( U) - I, /, - ! E,) ( 4.44 ) ( 6 U; ( I; R; - R;<
A la potencia mecánica total será
$8 ( T ( 3 6 I, 89 :
GENERACION DE LA CORRIENTE ALTERNA
La generación de la corriente alterna puede obtenerse por dos procedimientos distintos$
,.-aciendo girar una bobina en un campo magnético fi&o. .-aciendo girar un campo magnético manteniendo una bobina fi&a.
10
El primer sistema es utilizado para generar peque*as cantidades de energía, por que ella se recoge en los anillos # 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 acer mas o menos intenso el campo del electroimán+ en cambio para grandes potencias se empe*a el segundo sistema, en este caso la corriente alterna se produce en bobina&es fi&os, alo&ados en las ranuras del armazón de la maquina que entregan la energía al circuito e(terior sin acer uso de ning/n 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 # escobillas.
ALTERNADOR 5ecibe el nombre de alternador una maquina eléctrica que transforma energía mecánica !que recibe por su e&e" en energía eléctrica !que suministra por sus bornes".
11
CONSTITUCION DE UN ALTERNADOR l igual que un dinamo, un alternador esta constituido por tres circuitos$ un circuito magnético # dos circuitos eléctricos.
CIRCUITO MAGNETICO.? La construcción típica de un alternador es de inductor fi&o o inductor giratorio.
INDUCIDO FIJO O ESTATOR.? Esta constituido de un con&unto de capa metálica en el cual se distinguen dos partes$ un cuerpo e(terior cilíndrico llamado corona, de cu#a superficie interior salen los dientes # entre estos quedan las ranuras. El espesor de la capa magnética es por lo regular de 3.7mm, # esta esmaltada convenientemente.
INDUCTOR GIRATORIO Esta parte giratoria del circuito magnético esta constituida de dos formas distintas.
:.B En los alternadores multipolares, los polos inductores son salientes como indica la figura.
12
En estas maquinas se usan ,//, ,9/:<,=9/, para originar pares de tipo motor de inducción que a#udan a aminorar las oscilaciones electromecánicas de rotor que siguen a las perturbaciones transitorias+ las barras amortiguadoras # el collarín del campo están en cortocircuito entre sí en el e(tremo del rotor, formando una estructura que se parece muco a la &aula de ardilla en un motor de inducción # cu#a función es bastante similar.
4.BEn los alternadores bipolares, resulta elevada la velocidad periférica de la rueda polar, #a que gira a )233 r.p.m. !con frecuencia de 23 ertz". %or este motivo se constru#e el
inductor de forma cilíndrica con ranuras en su
periferia en la cual van colocadas las
bobinas polares. 0e este modo se
consigue dar la suficiente seguridad contra la fuerza centrifuga.
13
6aquina de polos lisos
6aquina de polos salientes
Entonces la razón para que algunos generadores sincronicos tengan estructuras de rotor con polos salientes # otros tengan rotores cilíndricos se puede comprender con la a#uda de la ecuación básica de la maquina sincrónica$
f %.n D :43 !-z" Siendo$ % numero de polos. n velocidad mecánica.
na construcción de polos salientes es característica de los generadores idroeléctricos, debido a que las turbinas idráulicas traba&an a velocidades relativamente ba&as # tienen un numero grande de polos para producir la frecuencia deseada+ la construcción con polos salientes esta mecánicamente me&or adaptada a esta situación. Sin embargo las turbinas de vapor # las de gas traba&an me&or a velocidades relativamente altas, # los alternadores impulsados por turbinas o turbogeneradores son com/nmente de dos o cuatro polos de rotor cilíndrico.
CIRCUITOS ELECTRICOS.?
14
El circuito eléctrico inducido
esta constituido por el con&unto de bobinas
polares que rodean a los polos salientes o a las que van colocadas en las ranuras del n/cleo de forma cilíndrica. quí se recibe # se induce corrientes, se crean los campos magnéticos que van a ser el e&e del funcionamiento del alternador # de las maquinas rotatorias.
DEVANADOS DE UNA MAQUINA SINCRONICA.? En una maquina sincrónica el devanado de armadura esta en el estator, # el devanado de campo en el rotor.
E> =,,=9 = 8,+9 se e(cita 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 ba&a potencia en el rotor.
E> =,,=9 = >, ,/,=/, que consta de tres bobinas para el caso de un sistema trifasico con fase desplazada :43 grados eléctricos en el espacio+ para así generar tres volta&es desfasados :43 grados eléctricos # a su vez poderlo conectar en estrella o en delta. Cuando un generador sincrónico suministra energía eléctrica a una carga, la corriente crea una onda de flu&o magnético en el entreierro, que gira a velocidad sincrona. Este flu&o reacciona con el flu&o creado por la corriente del campo # 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, # la maquina de impulsión debe suministrar el par
15
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.
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.
16
a"Con el inducido móvil # el inductor fi&o. b"Con el inducido fi&o # el inductor móvil.
0e estas dos formas de construcción, la típica en los alternadores de mediana # gran potencia es la de inducido fi&o, que recibe el nombre de estator e inductor giratorio.
CONSITUCION ELECTROMECANICO DE LOS MOTORES SINCRONOS DE ANILLOS RO"ANTES
VENTILADOR
ESTATOR $RINCI$AL
.1>LLS
EJE
5F.1'ES
ROTOR $RINCI$AL
ESCG>LL.S
ESTATOR $RINCI$AL
- ?
$ L1 DESDE LA FUENTE
L1 L2
SISTEMA DE ARRANQUE $ARA BAJA
L3
L3
RECTIFICADOR DE ONDA COM$LETA
TENSION
Q
4.B" COLECTOR.? Las dinamos e(igen un colector de delgas para rectificar la corriente alterna generada en los
conductores del bobinado inducido. Los
alternadores no necesitan de estos, #a que suministran la energía eléctrica en forma de corriente lterna.
17
En cambio e(igen un con&unto de anillos por la cual pasa la corriente que recorre el bobinado giratorio. Esta corriente será la de e(citación en los alternadores de inductor giratorio # la /til e(terior en los alternadores de inducido móvil.
3.? VELOCIDAD DE GIRO.? na dinamo queda definido por su fuerza electromotriz. El valor de esta f.e.m. puede ser obtenido a cualquier velocidad, #a que siempre se a de regular la e(citación para conseguir la tensión deseada. En cambio un alternador, además de la tensión, tiene otra característica fundamental, esta es la )/88<,. El valor de esta frecuencia depende de la velocidad de giro del bobinado inducido # del numero de polos de la maquina.
H.B" E!CITARI".? Las bobinas inductoras deben ser e(citadas 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 autoe(citada. En cambio en un alternador no es posible acer uso de esta venta&a, #a que en sus bornes e(iste 'ensión alterna. %or consiguiente, para poder e(citar las bobinas inductoras de un alternador es necesario disponer de una dinamo de peque*a potencia con relación con la de aquel. Esta dinamo recibe el nombre de e(citatriz, # va montada por lo regular en el propio e&e del alternador.
REGULACION DE LA TENSION.B %ara mantener lo mas constante posible el valor.
18
0e la tensión en los bornes, es preciso regular la intensidad de corriente de e(citación que recorre las bobinas inductoras+ así se consigue variar el valor del flu&o creado por los polos # en consecuencia, la fuerza electromotriz en carga, a fin de compensar la caída de tensión interior.
METODOS DE REGULACION DE LA INTENSIDAD DE E!CITACION Existen dos métodos de regular la intensidad de excitación los cuales son: 1.- Manteniendo constante el valor de la fuerza electromotriz de la excitatriz # variando la resistencia del circuito de excitación del alternador.
LINEA
! "
19
$ara conseguir esto se conecta un reostato de regulación en serie con el %o%inado inductor del alternador véase en la fig. $ara regular la intensidad de la corriente de excitación del alternador) (ue tome el valor deseado) se varia la resistencia * * del reostato.
&
'
( s * *
t + a
,
A
4.Btro procedimiento consiste en conectar el bobinado inductor a los bornes de la dinamo e(citatriz # variar la f.e.m. generada en el inducido de esta. Este procedimiento obliga a regular la intensidad de la corriente de e(citación de la e(citatriz+ para ello se inclu#e un reostato en serie con su bobinado inductor principal. En este caso se regula la e(citación del alternador regulando la e(citación del alternador regulando la f.e.m. generada en la dinamo e(citatriz, para lo que se varía la intensidad de la corriente de e(citación de la misma. En la practica se utiliza el primer procedimiento por que tiene la venta&a de permitir una regulación mas fina de la tensión en bornes, aunque e(ige un reostato más voluminoso # mas costoso.
CARACTERISTICAS DE UN ALTERNADOR SINCRONICO
l comparar las maquinas sincrónicas de diferentes tipos de construcción, de diferentes tensión # potencia resulta mas cómodo e(presar las magnitudes principales # los parameros no en unidades físicas sino en unidades relativas
20
que pueden calcularse por sus valores en tantos por ciento o en fracciones de las magnitudes adoptadas por unidad. En el sistema de unidades relativas se adoptan por unidad las magnitudes siguientes$
:. %otencia nominal total de la maquina %.n. m. un.in. 4. 'ensión nominal de fase en vacío n Eo ). Corriente nominal de fase >n H. 5esistencia nominal
zn n D >n Eo D >n.
7. Ielocidad angular nominal del rotor Ωn, es decir, velocidad angular con frecuencia nominal. 2. ngulo equivalente a un radian. J. 'iempo durante el cual la fase de corriente # 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 # resistencia son unidades para las respectivas magnitudes del circuito del estator.
$ERDIDAS Es importante tener en cuenta las perdidas de la maquinaria por tres razones$
21
:" Las perdidas determinan la eficiencia de la maquina e influ#en muco en su costo de operación. 4" Las perdidas determinan el calentamiento de la maquina # por consiguiente la capacidad o potencia de salida que puede obtenerse sin demasiado deterioro del aislamiento. )" Las caídas de volta&e 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
Σ 0 η
/ 1
-
---------$ Σ 0
0onde % es la potencia /til # Σp es la suma de todas las perdidas. En general las maquinas rotatorias traba&an en forma eficiente, e(cepto 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 e(actamente los mismos métodos de medición # calculo. %or este motivo las diversas perdidas # las condiciones para medirlas las define con precisión el merican 1ational Standard >nstitute !1S>", el >nstitute of Electrical and Electronics Engineers !>EEE", #
la 1ational
Electrical
6anufactures ssociation !1E6". 22
L, +/=<=, ,>:/,=9/ <8/H<89 se pueden dividir en dos grupos$
a"
+/=<=, +/<8<+,> # b" +/=<=, ,=<8<9,>.
Las perdidas
principales son las perdidas en los procesos electromagnéticos # mecánicos que ocurren en las maquinas en su funcionamiento. estas perdidas pertenecen$ las principales en el cobre del devanado del estator # en el cobre del devanado de e(citación, perdidas en el acero activo en el estator, perdidas por rozamiento en los co&inetes # escobillas de los anillos de contacto # las perdidas por ventilación. las perdidas adicionales pertenecen las perdidas que surgen como resultado de los procesos secundarios de carácter electromagnético. lgunas de ellas surgen durante el funcionamiento de la maquina en vacío, otras aparecen ba&o carga. sí, tenemos$ a" las perdidas adicionales en vacío # b" los armónicos superiores de f.m. del estator # del rotor # c" los dientes del rotor # del estator. Las perdidas adicionales surgen principalmente por los flu&os de dispersión del estator. Estos flu&os crean las perdidas adicionales en$ a" las partes frontal # de ranura del devanado del estator # b" todas las partes metálicas por donde penetra el flu&o de dispersión$ en las pantallas, placas de presión, banda&es, etc. Los armónicos superiores de f.m. crean perdidas adicionales en la superficie del estator # del rotor, desplazándose con respecto a estos a diferentes velocidades. Estas perdidas, a causa del efecto de blinda&e de las corrientes parásitas, no penetran mu# profundamente en las partes metálicas # por eso se llaman superficiales.
23
Los armónicos dentales del campo magnético provocan en parte, a causa de las oscilaciones transversales del flu&o, perdidas superficiales en las superficie del estator # del rotor #, en parte, perdidas por pulsación debido a las oscilaciones longitudinales del flu&o en el diente. Las perdidas por pulsación son generalmente peque*as en comparación con las superficiales.
Los medios para reducir las perdidas adicionales son$ a" La división, por la altura de la ranura, de los ilos conductores del devanado del estator en varios ilos conductores elementales # su transposición en la parte activa # a veces en la parte frontal del devanado+ b" el monta&e del devanado con la correspondiente reducción del paso # con las partes frontales dispuestas en forma de cono+ c" la fabricación de las placas de presión, banda&es, etc. 0e acero amagnético+ d" la estriadura del rotor en los turboalternadores.
CA$ACIDAD Y CALENTAMIENTO
na de las preguntas más importantes en la aplicación de maquinas, transformadores # demás equipos eléctricos es$ Kque salida má(ima se puede obtener La respuesta, desde luego, depende de varios factores, #a
24
que la maquina, si bien da una potencia, debe cumplir en general normas definidas de desempe*o. n 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 o(idación lenta # un endurecimiento frágil que conduce a la perdida de duración mecánica # de resistencia dieléctrica. En mucos casos la velocidad de deterioro es tal
que la vida del aislamiento se puede
representar como una función e(ponencial.
B α.ϖ Iida 'ais 5 . ε
0onde$ 5 es el plazo de servicio del aislamiento particular que pueden ser de la clase$ A,,E,G,- # C
α 3.3MM son coeficientes establecidos e(perimentalmente, ϖ es la temperatura del aislamiento e(presada en grados centígrados. ε es la base de los logaritmos naturales.
M,:/<,> A<>,: 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
25
utilizan se dividen por su resistencia al calor en las siguientes clases$ A, , E, G, - # C.
AISLAMIENTO CLASE Y %ertenecen a los materiales fibrosos de celulosa # de se da que no están impregnados de material dieléctrico liquido. La temperatura de operación es igual a =3NC.
AISLAMIENTO CLASE A %ertenecen a los materiales fibrosos de celulosa # de
seda que está impregnados de material dieléctrico liquido # que están
metidos en el. La temperatura de operación es igual a :37NC.
AISLAMIENTO CLASE
E %ertenecen a
algunas películas sintéticas
orgánicas. La temperatura de operación es igual a :43NC.
AISLAMIENTO CLASE B >nclu#e en sí a materiales a base de mica !incluso base de a*adiduras orgánicas", de asbesto # de fibra de vidrio impregnados con compuestos orgánicos impregnadores # ligantes. Con una resistencia al calor igual a :)3NC.
AISLAMIENTO CLASE F Están ecos a base de mica, asbesto # fibra de vidrio. tilizados en combinación con compuestos sintéticos impregnadores # ligantes. Con una resistencia al calor igual a :77NC.
26
AISLAMIENTO CLASE & %ertenecen a materiales que tienen una resistencia al calor igual a:M3NC. -ecos a base de asbesto, fibra de vidrio empleados con&untamente con compuestos orgánicos de silicio impregnadores.
AISLAMIENTO CLASE C Están ecos de mica, de materiales cerámicos, de vidrio, de cuarzo # que se utilizan sin compuestos orgánicos impregnadores # aglutinantes. Con una temperatura de operación de mas de :M3NC. 0e esta formula se deduce que para un aislante tipo su 5 J.:7 ( :3OH . a" el aislamiento de la clase A puede traba&ar fiablemente durante :2B43 a*os a una temperatura limite ϖlim =7P=3NC+ b" con el aumento de la temperatura de la clase en MNC el plazo de su servicio se reduce en dos veces. sí pues, si el plazo de su servicio de este aislamiento a ϖ =7NC constitu#e :2 a*os entonces a ::3NC se reducirá asta en H a*os # asta :73N asta en varios días.
demás 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. b" 5esistencia del aislante a las solicitaciones mecánicas # el grado de elasticidad que debe conservar el material durante el efecto prolongado de los calentamientos en traba&o.
%ara la normalización de la temperatura # pruebas se consulta a las normas de 1S>, >EEE, # 1E6. 'ambién a# que tener en cuenta que e(iste un factor de
27
servicio para los aislamientos para que puedan funcionar seguramente ante cualquier sobrecarga temporal de la maquina.
'odo 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 e&emplo si la maquina es cerrada, el tipo de enfriamiento es!de aire, con ventilación, enfriamiento por idrogeno, etc." que veremos a continuación.
SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO DE LOS TURBOALTERNADORES Y ALTERNADORES &IDRAULICOS
El problema del enfriamiento de un aparato eléctrico en general aumenta en dificultad con el aumento de tama*o. El área superficial de la que se debe eliminar el calor aumenta apro(imadamente de acuerdo con el cuadrado de las
28
dimensiones, mientras que el calor
desarrollado por las perdidas es casi
proporcional al volumen, # por lo tanto aumenta apro(imadamente de acuerdo con el cubo de las dimensiones.
Ientilación de los turboalternadores con enfriamiento ordinario
A. SISTEMA DE REFRIGERACI'N $OR AIRE. %or el tama*o de los turboalternadores e(iste varios problemas en la elección del sistema de ventilación debido a su gran velocidad de rotación # dimensiones e(teriores. En los inicios con esta tecnología los turboalternadores se construían con este tipo de enfriamiento # se lograban é(itos considerables # se seguían perfeccionando.
La
má(ima
potencia
de
los
turboalternadores
con
enfriamiento por aire era de :3369. La utilización del idrogeno gaseoso como medio refrigerante izo posible el
desarrollo
ulterior
de
los
sistemas
de
enfriamiento
de
los
turboalternadores. %or eso, actualmente, el enfriamiento por aire solo se utiliza en los turboalternadores de relativa poca potencia !asta )3PH369". En estas maquinas se utiliza, generalmente el esquema de ventilación radial de corros m/ltiples con ciclo cerrado de circulación de aire . En la siguiente figura se represente esquemáticamente un truboalternador con sistema de ventilación de aire # 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. na parte del aire in#ectado por el ventilador ba*a las parte s frontales del devanado del
29
estator, pasa por el entreierro de entre el estator # el rotor # se evacua a través de los canales radiales, que están mas pró(imos a las superficies de los e(tremos del n/cleo del estator, a las cámaras anulares de aire caliente
2, # luego se dirige a la cámara del sótano a los enfriadores de aire a través de una cámara com/n de de salida 3. tra parte del aire refrigerante pasa por entre la cámara 2 # el revestimiento del alternador a la cámara anular 4, por los canales radiales se dirige al entre ierro de la maquina, de donde análogamente entra en las cámaras de aire caliente 5 # 2 a continuación en la cámara com/n de salida ) acia los enfriadores de aire. 0e los enfriadores de aire este, a través de las cámaras %pasa de nuevo a los ventiladores # luego a la maquina. Este sistema de ventilacion se llama de tres corros por el numero de flu&os de aire caliente que salen del alternador. En los '.. de n/cleos largos se utilizan sistemas de corros m/ltiples.
30
G. SISTEMA DE ENFRIAMIENTO $OR &IDROGENO. En los :=H3B:=HM empezaron a utilizarse este tipo de sistema en los turboalternadores. Cuando se utiliza el idrogeno como medio refrigerante aumenta considerablemente la eficacia del enfriamiento # disminu#e las perdidas por el rozamiento del rotor con el gas que, en la refrigeración por aire, constitu#en una parte esencial de las perdidas totales. El idrogeno tiene las siguientes propiedades que lo acen factibles para este uso$ : Su densidad están solo 3.3J veces la del aire a la misma temperatura # presión, # por lo tanto las perdidas de fricción con el gas # de ventilación son muco menores. 4 Su calor especifico en la misma base de peso es de unas :H.7 veces la del aire. Esto significa que para la misma temperatura # presión, el aire # el
idrogeno
tienen
igual
eficacia
en
cuanto
a
capacidad
de
almacenamiento de calor por unidad de volumen, pero la transferencia de
31
calor es mediante convección forzada entre las partes calientes de la maquina # el gas de enfriamiento es muco ma#or en el idrogeno que el aire. ) La vida del aislamiento aumenta # los gastos de mantenimiento disminu#en debido a la ausencia de polvo, umedad # o(igeno. H Se reduce al mínimo el peligro de incendio. na mezcla de idrogeno # aire no e(plotara si el contenido de idrogeno esta apro(imadamente arriba del J3<. %ero e(iste el peligro latente de e(plosión, lo que conlleva a ermetizar todo el volumen de la maquina lleno de idrogeno # de reforzar la resistencia mecánica
del cuerpo del turboalternador. demás en las
centrales donde se utiliza este sistema es preciso disponer del así llamado servicio de idrogeno donde este prevista la obtención de este gas, el control de su pureza, la alimentación adicional # su purificación.
En los sitios de salida del e(tremo del árbol del rotor se utilizan obturadores de aceite especiales para evitar el escape de idrogeno. 'ambién se empaquetan los terminales del alternador. nas de las partes del turboalternador más intensas por su calentamiento es el rotor, cu#o enfriamiento, cuando su construcción es del tipo normal, se efect/a por gas que ba*a la superficie e(terior del rotor. El enfriamiento por idrogeno se utiliza también en los compensadores sincrónicos grandes. n paso importante que a eco posible casi duplicar la capacidad de un turbogenerador enfriado por idrogeno de un tama*o físico dado
es el
32
desarrollo del
)/<,<:9 = 89=8:9/ al que también se le llama
)/<,<:9 <:/<9/. En él, el medio de enfriamiento !liquido o gas", se ace 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 idrogeno. %ara el enfriamiento del los conductores del estator se puede emplear #a sea gas o liquido. %udiendo ser este aceite transil o agua.
Sistema de refrigeración por idrogeno
33
TENDENCIAS DE LOS SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO DE LOS TURBOALTERNADORES
A. S<:, = /)/</,8:, +9/ ,,. En este sistema con el agua no solo se enfría los devanados del estator # del rotor, sino también el n/cleo del estator # algunos otros órganos # elementos constructivos. %ara el enfriamiento del n/cleo del estator se utilizan elementos refrigerantes especiales ecos en forma de segmentos fundidos con el tubo refrigerante en su interior e instalados entre los paquetes del n/cleo. El segmento refrigerante se coloca por toda la circunferencia del n/cleo, el cual no supera la ancura de los canales radiales. En este sistema se asegura una ma#or eficacia del enfriamiento. 'ambién a# que prever un sistema multiparalelo para el devanado del rotor, el enfriamiento por agua de las placas de presión, pantalla amortiguadoras en el estator # otros elementos.
5otor # Estator de un generador enfriado por agua
34
B. S<:, = /)/</,8<@<=9 89 > :,:9/ >>9 = ,8<:. En este sistema el estator se ace ermético colocando en el mandrinado un cilindro aislante que se une erméticamente con los platillos del estator. El aceite circula
ba&o la acción de una bomba
instalada en el circuito idráulico e(terior. El sistema de refrigeración con el relleno de aceite asegura un enfriamiento regular # bastante eficaz de los devanados # del n/cleo del estator.
C. S<:, = )/<,<:9 +9/ ,+9/,8
D. S<:, = /)/</,89 @ :<><, > )/K9 ,/:<)<8<,>. l utilizar el freon como medio refrigerante #a que este puede ser enfriado en las instalaciones frigoríficas asta una temperatura de )3BH3NC ba&o cero. Esto permite reducir la temperatura de calentamiento del devanado # las perdidas en el mismo. Esta será económica si no a# muca potencia gastada en la refrigeración. %or esta razón tiene mas
35
perspectivas la refrigeración criostatica de los turboalternadores en la cual se utilizan materiales superconductores # metales puros. Estas maquinas deberán tener una nueva forma constructiva #a que los criostatos deberán estar introducidos en criostatos especiales. Se utiliza en el devanado del estator aluminio de alta pureza. estas temperaturas criogenicas , la resistencia eléctrica del aluminio puro disminu#e en decenas de veces, además este, a diferencia de los superconductores, no pierde su alta electroconductivilidad con la presencia de fuertes campos magnéticos alternativos.
36
SISTEMAS DE E!CITACI'N DE LOS TRUBOALTERNADORES
l aumentar las capacidades de los turbogeneradores, se a eco mas difícil el problema de suministrar la e(citación de campo de
cd !en
el orden
de los ;". La fuente convencional de e(citación es un generador de cd cu#a salida pasa al campo del generador a través de escobillas # anillos deslizantes. Los problemas de enfriamiento # mantenimiento siempre se relacionan con los anillos deslizantes, conmutadores # escobillas. 6ucos sistemas modernos de e(citación an reducido al minimo estos problemas cuando reducen al mínimo el empleo de contactos # anillos deslizantes # escobillas.
En el centro del sistema tiene a los rectificadores de diodo de silicio, que están montados en el mismo e&e del generador, # que suministran en forma directa la e(citación de cd al campo. n e(citador de ca con armadura rotatoria alimenta la corriente por el e&e para los rectificadores giratorios. El campo estacionario del e(citador ca se alimenta a través de un amplificador magnético que controla # regula el volta&e de salida del generador principal. %ara acer al sistema autocontenido # libre de contactos deslizantes, la potencia de e(citación para el amplificador magnético se obtiene de la armadura estacionaria de un peque*o alternador de imán permanente, impulsado también mediante el e&e principal. El volta&e # la frecuencia del e(citador se escogen para optimizar el funcionamiento # el dise*o del sistema en general. El sistema puede tener la venta&a adicional de no
37
necesitar e(citadores de reserva, interruptores del circuito del campo del generador, ni reostato del campo.
Los sistemas mas recientes se constru#en sin e(citador B alternador giratorio. En sistemas la corriente de e(citación se obtiene mediante un transformador au(iliar especial alimentado del sistema local de energía. 'ambién se puede obtener directamente de las terminales principales del generador+ en un sistema se inclu#e un devanado especial de armadura en el generador principal para suministrar la potencia a la e(citación. En cada uno de esos sistemas la corriente se rectifica mediante dispositivos de silicio controlados por cada fase !SC5, rectificadores controlados de silicio". Estos rectificadores son seme&ante a los diodos, pero pueden disiparse mediante una se*al de activación e(terna, de modo que se puede variar la el volta&e de salida de cd.
38
CONSITUCION ELECTRICA DE LOS MOTORES SINCRONOS COM$LETAMENTE INDUCTIVOS E!CITATRI" ESTATOR
ROTOR
$UENTE RECTIFICADOR
ROTOR
ESTATOR
DESDE LA FUENTE
L1 F,7 /
FASE R
L2 F,7
FASE S F,7 : R,=0
FASE T
MASA MOVIL
-
?
RECTIFICADOR DE ONDA COM$LETA
L3
L3 L2 L1
39
$ARADA DE UN ALTERNADOR %ara sacar del acoplamiento un alternador, primero se reduce la potencia suministrada por este, para lo que se ace disminuir la velocidad actuando sobre el regulador del motor # en cuanto el amperímetro se*ala un nulo se abre su interuptor. Luego se reduce la corriente de e(citación, para lo que se opera el regulador de la corriente de campo!reostato". Cuando esta corriente es peque*a se desconecta el motor # el grupo se para en poco tiempo.
O/,8
$OTENCIA 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. %erdidas en el inducido.B Las perdidas en el inducido debidas a la corriente de carga, limitan la potencia Qtil del alternador. Estas perdidas dependen de la corriente del inducido # son independientes de del factor de potencia. La potencia Qtil o activa en cambio, es proprocional al factor de potencia.
40