GENERADOR ELECTRICO PRACTICO
- 1. GENERADOR ELÉCTRICO Un generador eléctrico es todo dispositivo capaz de mantener una diferencia de potencial eléctrica entre dos de sus puntos (llamadospolos, terminales o bornes) transformando la energía mecánica en eléctrica. Esta transformación se consigue por la acción de uncampo magnético sobre los conductores eléctricos dispuestos sobre una armadura (denominada también estátor). Si se produce mecánicamente un movimiento relativo entre los conductores y el campo, se generará una fuerza electromotriz (F.E.M.). Este sistema está basado en la ley de Faraday. Aunque la corriente generada es corriente alterna, puede ser rectificada para obtener una corriente continua. En el diagrama adjunto se observa la corriente inducida en un generador simple de una sola fase. La mayoría de los generadores de corriente alterna son de tres fases. El proceso inverso sería el realizado por un motor eléctrico, que transforma energía eléctrica en mecánica. Introducción El generador síncrono está compuesto principalmente de una parte móvil o rotor y de una parte fija o estator,el principio de funcionamiento de un generador síncrono se basa en la ley de Faraday. Para crear tensión inducida en el (estator), debemos crearun campo magnético en elrotor o circuito de campo, esto lo lograremos alimentado el rotor con una batería, este campo magnético inducirá una tensión en el devanado de armadura por lo que tendremos una corriente alterna fluyendo a través de él. Al operar como generador, la energía mecánica es suministrada a la máquina por la aplicación de un torque y por la rotación del eje de la misma, una fuente de energía mecánica puede ser, por ejemplo, una turbina hidráulica, a gas o a vapor. Una vez estando el generador conectado a la red eléctrica, su rotación es dictada por la frecuencia de la red, pues la frecuencia de la tensión trifásica depende directamente de la velocidad de la máquina. Para que la máquina síncrona sea capaz de efectivamente convertir energía mecánica aplicada a su eje, es necesario que el enrollamiento de campo localizado en el rotor de la máquina sea alimentado por una fuente de tensión continua de forma que al girar el campo magnético generado por los polos del rotor tengan un movimiento relativo a los conductores de los enrollamientos del estator. Debido a ese movimiento relativo entre el campo magnético de los polos del rotor, la intensidad del campo magnético que atraviesa los enrollamientos del estator irá a variar el tiempo, y así tendremos por la ley de Faraday una inducción de tensiones en las terminales de los enrollamientos del estator. Debido a distribución y disposición espacial del conjunto de enrollamientos del estator, las tensiones inducidas en sus terminales serán alternas senoidales trifásicas. La corriente eléctrica utilizada para alimentar el campo es denominada corriente de excitación. Cuando el generador está funcionando aisladamente de un sistema eléctrico, la excitación del campo irá a controlar la tensión eléctrica generada. Cuando el generador está conectado a un sistema eléctrico que posee diversos generadores interligados, la excitación del campo irá a controlar la potencia reactiva generada. Tiposdeconstrucción La principal diferencia entre los diferentes tipos de generadores síncronos, se encuentra en su sistema de alimentación en continua para la fuente de excitación situada en el rotor. Excitación Independiente: excitatriz independiente de continua que alimenta el rotor a través de un juego de anillos rozantes y escobillas. Excitatriz principal y excitatriz piloto: la máquina principal de continua tiene como bobinado de campo otra máquina de excitación independiente, accionada por el mismo eje. Electrónica de potencia: directamente, desde la salida trifásica del generador, se rectifica la señal mediante un rectificador controlado, y desde el mismo se alimenta directamente en continua el rotor mediante un juego de contactores (anillos y escobillas). El arranque se efectúa utilizando una fuente auxiliar (batería) hasta conseguir arrancar. Sin escobillas, o diodos giratorios: la fuente de continua es un rectificador no controlado situado en el mismo rotor (dentro del mismo) alimentado en alterna por un generador situado también en el mismo eje y cuyo bobinado de campo es excitado desde un rectificador controlado que rectifica la señal
- 2. generada por el giro de unos imanes permanentes situados en el mismo rotor (que constituyen la excitatriz piloto de alterna). Excitación estática:También llamada excitación por transformador de compoundaje, consiste en que el devanado de campo del rotor es alimentado desde una fuente de alimentación a transformador y rectificadores que toma la tensión y corriente de salida del estator. El transformador, de tipo especial, posee dos devanados primarios, llamados de tensión e intensidad, que se conectan en paralelo y en serie a los bornes de salida del estator. El transformador convierte la tensión de salida a una más baja (30V aprox), que se rectifica y aplica al rotor por medio de escobillas y anillos deslizantes. Es un sistema con autorregulación intrínseca, ya que al tener elbobinado serie, alaumentar el consumo sobre el generador, aumenta el flujo del transformador y por lo tanto aumenta la excitación del generador. Partesdeungeneradorsíncrono A continuación se detalla las partes fundamentales que componen un generador síncrono: Fig 1: Partes del Alternador 1. Estator. 2. Rotor. 3. Sistema de enfriamiento. 4. Excitatriz. 5. Conmutador. ESTATOR Parte fija de la máquina, montada envuelta del rotor de forma que el mismo pueda girar en su interior, también constituido de un material ferromagnético envuelto en un conjunto de enrollamientos distribuidos al largo de su circunferencia. Los enrollamientos del estator son alimentados por un sistema de tensiones alternadas trifásicas. Por el estator circula toda la energía eléctrica generada,siendo que tanto la tensión en cuanto a corriente eléctrica que circulan son bastante elevadas en relación al campo, que tiene como función sólo producir un campo magnético para "excitar" la máquina de forma que fuera posible la inducción de tensiones en las terminales de los enrollamientos del estator. La máquina síncrona está compuesta básicamente de una parte activa fija que se conoce como inducido o ESTATOR y de una parte giratoria coaxial que se conoce como inductor o ROTOR. El espacio comprendido entre el rotor y el estator, es conocido como entrehierro. Esta máquina tiene la particularidad de poder operar ya sea como generador o como motor. Su operación como alternador se realiza cuando se aplica un voltaje de c-c en el campo de excitación del rotor y a su vez éste es movido o desplazado por una fuente externa,que da lugar a tener un campo magnético giratorio que atraviesa o corta los conductores del estator, induciéndose con esto un voltaje entre terminales del generador.
- 3. Fig 3: Estator del Alternador Los elementos mas importantes del estator de un generador de corriente alterna, son las siguientes: 1. Componentes mecánicas. 2. Sistema de conexión en estrella. 3. Sistema de conexión en delta. Componentes mecánicas. Las componentes mecánicas de un generador son las siguientes: 1. La carcaza La carcasa delestator está formada por bobinas de campo arrollados sin dirección, soportadas en piezas de polo sólidas. Las bobinas están ventiladas en su extremo para proporcionar de esta forma una amplia ventilación y márgenes de elevación de temperatura. La carcasa del estator es encapsulada por una cubierta apropiada para proporcionar blindado y deflectores de aire para una correcta ventilación de la excitatriz sin escobillas. 2. El núcleo. 3. Las bobinas. 4. La caja de terminales. Sistema de conexión en estrella. Los devanados del estator de un generador de C.A. están conectados generalmente en estrella,en la siguiente figura T1, T2, T3 representanlas terminales de linea (alsistema) T4, T5, T6 son las terminales que unidas forman el neutro. Fig 4: conexión en estrella Sistema de conexión delta. La conexión delta se hace conectando las terminales 1 a 6, 2 a 4 y 3 a 5, las terminales de linea se conectan a 1, 2 y 3, con esta conexión se tiene con relación a la conexión estrella, un voltaje menor, pero en cambio se incrementa la corriente de linea.
- 4. Fig 4: conexión en delta ROTOR Es la parte de la máquina que realiza el movimiento rotatorio, constituido de un material ferromagnético envuelto en un enrollamiento llamado de "enrollamiento de campo", que tiene como función producir un campo magnético constante así como en el caso del generador de corriente continua para interactuar con el campo producido por el enrollamiento del estator. La tensión aplicada en ese enrollamiento es continua y la intensidad de la corriente soportada por ese enrollamiento es mucho más pequeño que el enrollamiento del estator, además de eso el rotor puede contener dos o más enrollamientos, siempre en número par y todos conectados en serie siendo que cada enrollamiento será responsable por la producción de uno de los polos del electroimán. Fig 5: Rotor del Alternador Sistema de enfriamiento. 1. Generadores enfriados por aire: Estos generadores se dividen en dos tipos básicos: abiertos ventilados y completamente cerrados enfriados por agua a aire. Los generadores de tipo OV fueron los primeros construidos, el aire en este tipo de generadores pasa sólo una vez por el sistema y considerable cantidad de materias extrañas que pueden acumularse en las bobinas, interfiriendo la transferencia de calor y afectando adversamente al aislamiento. Los generadores tipo TEWC, son un sistema de enfriamiento cerrado, donde el aire recircula constantemente y se enfría pasando a través del tubo del enfriador, dentro de los cuales se hace pasar agua de circulación. La suciedad y materias extrañas no existen en el sistema, y puesto que se tiene agua de enfriamiento disponible, la temperatura del aire puede mantenerse tan baja como se desee. 2. Generadores enfriados por hidrógeno: Los generadores de mayor capacidad, peso, tamaño y los más modernos, usan hidrógeno para enfriamiento en vez de aire en circuito de enfriamiento cerrado. El enfriamiento convencional con hidrógeno puede usarse en generadores con capacidad nominal aproximada de 300 MVA. 3. Generadores enfriados por hidrógeno / agua Pueden lograrse diseños de generadores aun más compactos mediante el uso de enfriamiento con agua directo al devanado de la armadura del generador. Estos diseños emplean torones de cobre a través de los cuales fluye agua desionizada. El agua de enfriamiento se suministra vía un circuito cerrado.
- 5. Tiposde diseños A continuación vamos a enumerar cuales son los tipos de diseños que se encuentran en la construcción de generadores síncronos. Estos son: De polos salientes en el estator De polos salientes en el motor Generador sin escobillas Ahora vamos a proceder a analizar cada uno de estos, recalcando la utilidad y aplicación de cada uno de estos diseños. Generadorsíncronoconpolossalientesenelestator Fig. 6. Generador con polos en el estator. El estator está constituido principalmente de un conjunto de láminas de acero al silicio (y se les llama "paquete"), que tienen la habilidad de permitir que pase a travésde ellas el flujo magnético con facilidad; la parte metálica del estator y los devanados proveen los polos magnéticos. La particularidad de este tipo de generador es que tiene el inducido en el rotor, esta configuración es propia de máquinas de baja y media velocidad y potencia, hasta 1000 rpm. Por tal razón para poder sacar la tensión producida, necesitamos de un sistema de colector de anillos. El número de anillos a utilizar va a depender directamente del número de fases con la que nos encontremos trabajando. Generadorsíncronoconpolossalientesenelrotor Fig. 7. Generador con polos en el rotor Este generador a diferencia del anterior tiene el inducido en el estator,por tal razón no necesitamos un mecanismo de colector de anillos para extraer la tensión generada ya que esta va a encontrarse en la parte externa de la máquina, necesitaríamos únicamente un par de anillos, con la finalidad de ingresar el voltaje de campo, pero esto es de gran ayuda ya que el voltaje de campo es considerablemente más pequeño que la tensión generada,por talrazón este parde anillos van hacerde medidas pequeñas, y así mismo las escobillas no tendrían un tamaño mayor. Fig. 5. Polos salientes en el rotor Se utiliza este tipo de generadores,para gran potencia, por la versatilidad que nos brinda.
- 6. Generadorsíncronosinescobillas Fig. 5. Generador sin escobillas Este tipo de generadores son de mediana potencia, para la excitación podríamos tener un banco de baterías que sería de respaldo, la excitatriz podría ser un alternador, es decir un generador síncrono con polos salientes en el estator, luego de esta etapa, sale a una placa electrónica en donde por medio de dispositivos electrónicos, se envía al circuito de excitación del generador principal. Para realizar reparaciones en este tipo de generadores,es necesario saber sobre dispositivos electrónicos, y centrarse en el controlador. Fig. 5. Alternador sin escobillas Debido a que no presenta ningún contacto mecánico entre el rotor y el estator estas máquinas requieren mucho menos mantenimiento. TIPOSDEGENERADORESELECTRICOS GENERADORES ELECTRICOS Solar: Los generadores eléctricos solares transforman los rayos solares en energía eléctrica, que permitie abastecer varias formas de uso. La energía producida por los módulos fotovoltaicos, es controlada por un regulador de carga y reserva las energias baterías. Nuclear: En las plantas nucleares, energía eléctrica se produce a través de la fusión de átomos de uranio, lo que genera una gran cantidad de energía calórica que hacen funcionar al generador eléctrico, generando energía eléctrica. A pesar de parecer un conveniente generador tiene los contras de ser un generador con altisimos riesgos. Eolica: Los generadores eléctricos eólicos funcionan con la fuerza que el viento. Usan los denominados “molinos de vientos”. Este movimiento de rotación es transmitido al eje del generador eléctrico, el cual transforma la energía mecánica de rotación en energía eléctrica. Los molinos se ubican en “parques eolicos”. Las aspas pueden estar vertica o horizontalmente Geotérmica: Las centrales geotérmicas funcionan a través del calentamiento de un líquido que alcanza una gran temperatura,que se destina a producir vapor con el que se da impulso a la turbina, que a su vez mueve un generador eléctrico, generando electricidad. Hidraulica: Son centrales hidroelectricas las que producen esta electricidad, y estan puesta en lugares donde las aguas fluyan con mucha fuerza. Se utiliza la energia del agua moviendo turbinas, las cuales deben mover grandes volúmenes de agua salada o dulce con un pequeño salto, pero con grandes costos.
- 7. Mareomotriz: Se usa el movimento de las aguas del mar, en las centrales mareomotrices. Todo esto consiste en que las corrientes de agua deben pasar por unas tubinas, en las cuales el movimiento de estas genera energia electrica. Combustibles fosiles: Produce electricidad a partir de la combustión de: Gas, Petróleo o Carbón. En este caso se quema el combustible para calentar calderas de agua y producir vapor de agua, éste vapor a alta presión es disparado contra las aspas de grandes generadores,moviéndolos y produciendo la energía mecánica necesaria para convertirla posteriormente en energía eléctrica. GENERADOR ASINCRONO Nota: antes de leer esta página deberá haber completado las tres páginas anteriores sobregeneradores de turbinas eólicas.La mayoría de turbinas eólicas del mundo utilizan un generador asíncrono trifásico (de jaula bobinada), también llamado generador de inducción, para generar corriente alterna. Fuera de la industria eólica y de las pequeñas unidades hidroeléctricas, este tipo de generadores no está muy extendido; aunque de todas formas, el mundo tiene una gran experiencia en tratar con ellos: Lo curioso de este tipo de generador es que fue inicialmente diseñado como motor eléctrico. De hecho, una tercera parte delconsumo mundial de electricidad es utilizado para hacer funcionar motores de inducción que muevan maquinaría en fábricas,bombas, ventiladores, compresores,elevadores, y otras aplicaciones donde se necesita convertir energía eléctrica en energía mecánica. Otra de las razones para la elección de este tipo de generador es que es muy fiable, y comparativamente no suele resultar caro. Este generador también tiene propiedades mecánicas que lo hace especialmente útil en turbinas eólicas (el deslizamiento del generador, y una cierta capacidad de sobrecarga). El rotor de jaula Este es el rotor que hace que el generador asíncrono sea diferente del generador síncrono. El rotor consta de un cierto número de barras de cobre o de aluminio, conectadas eléctricamente por anillos de aluminio finales. En el dibujo del principio de la página puede verse el rotor provisto de un núcleo de "hierro", utilizando un apilamiento de finas láminas de acero aisladas, con agujeros para las barras conductoras de aluminio. El rotor se sitúa en el centro del estator, que en este caso se trata de nuevo de un estator tetrapolar, conectado directamente a las tres fases de la red eléctrica. Funcionamiento como motor Cuando se conecte a la corriente, la máquina empezará a funcionar como motor, girando a una velocidad ligeramente inferior a la velocidad síncrona del campo magnético del estator. ¿Qué es lo que ocurre? Si miramos las barras delrotor desde arriba (en el dibujo de la derecha) tenemos un campo magnético moviéndose respecto al rotor. Esto induce una corriente muy elevada en las barras del rotor, que apenas ofrecen resistencia,pues están cortocircuitadas por los anillos finales. El rotor desarrolla entonces sus propios polos magnéticos, que se ven, por turnos, arrastrados por el campo magnético giratorio del estator. Funcionamiento como generador Ahora bien, ¿qué es lo que ocurre si hacemosgirar elrotor de forma manual a,exactamente,la velocidad síncrona del generador, p.ej. 1500 r.p.m. (revoluciones por minuto) para el generador síncrono tetrapolar, tal y como se vio en la página anterior? La respuesta es:nada. Dado que el campo magnético gira exactamente a la misma velocidad que el rotor, no se produce ningún fenómeno de inducción en el rotor, por lo que no interaccionará con el estator.
- 8. ¿Y si aumentamos la velocidad por encima de las 1500 r.p.m.? En ese caso el rotor se mueve más rápidamente que el campo magnético giratorio del estator, lo que significa que, una vez más, el estator inducirá una gran corriente en el rotor. Cuanto más rápidamente hagamos girar el rotor, mayor será la potencia transferida al estator en forma de fuerza electromagnética, y posteriormente convertida en electricidad suministrada a la red eléctrica. Deslizamiento del generador La velocidad de un generador asíncrono variará con la fuerza de giro (momento, o par torsor) que se le aplique. En la práctica, la diferencia entre la velocidad de rotación a potencia máxima y en vacío es muy pequeña, alrededor de un 1 por ciento. Esta diferencia en porcentaje de la velocidad síncrona es el llamado deslizamiento del generador. Así pues, un generador tetrapolar girará en vacío a 1500 r.p.m. si se conecta a una red con una corriente de 50 Hz. Si el generador está funcionando a la máxima potencia, girará a 1515 r.p.m. El hecho de que el generador aumente o disminuya ligeramente su velocidad si el par torsor varía es una propiedad mecánica muy útil. Esto significa que habrá menor rotura y desgaste en la caja multiplicadora (menor par torsor máximo). Esta es una de las razones más importantes para la utilización de generadores asíncronos, en lugar de generadores síncronos, en aerogeneradores directamente conectados a la red eléctrica. Ajuste automático de los polos del rotor ¿Se ha dado cuenta de que no especificamos el número de polos del estator cuando describíamos el rotor? Lo bueno del rotor de jaula es que él mismo adapta el número de polos del estator de forma automática. Así pues, un mismo rotor puede ser utilizado con una gran variedad de números de polos. Requerimientos de conexión a la red En la página sobre el generador síncrono de imán permanente mostramos que podía funcionar como generador sin conexión a la red pública. En un generador asíncrono es diferente, pues precisa que el estator esté magnetizado por la red antes de funcionar. Sin embargo, se puede hacer funcionar un generador asíncrono de forma autónoma si se le provee de condensadoresque le suministren la corriente magnetizante necesaria.También es preciso que haya algo de remanencia en el hierro del rotor, es decir, algo de magnetismo restante,cuando se ponga en marcha la turbina (en caso contrario, necesitará una batería y electrónica de potencia, o un pequeño generador diesel, para arrancar el sistema).