El
Rotor
El
devanado del rotor
Está constituido por perfiles en E de cobre duro
roblonados entre sí. Cada dos perfiles en E forman los conductores huecos de
los que consta el devanado del estátor formado por agua. El aislamiento del canal
de ranura del rotor consta de canales en U pasantes. Como material de
aislamiento se utiliza Nomex, caracterizado por una alta resistencia mecánica y
dieléctrica. El aislamiento intermedio que se encuentra entre los diferentes
conductores es igualmente de Nomex.
Figura 9: Detalles de la constitución
del rotor
Material del devanado
En el devanado del rotor, la dilatación tiene
lugar mediante la influencia adicional de la fuerza centrífuga. Dado que las
fuerzas de dilatación del devanado son, la mayoría de las veces, menores que
las fuerzas de fricción, el devanado se encuentra fuertemente solicitado
mecánicamente.
La mayor o menor deformación del devanado depende
en gran medida de las propiedades del cobre. Para los grandes alternadores, una
de las soluciones que da mejor resultado es el cobre con aleación de plata, que
tiene un límite de estirado más alto y
mejor comportamiento de durabilidad
Arrollamiento amortiguador
El arrollamiento amortiguador tiene básicamente
la finalidad de mejorar las propiedades de amortiguamiento eléctricas y
mecánicas, del mismo modo que la seguridad de funcionamiento del rotor,
posibilitando un flujo eléctrico definido, con lo que descarga eléctricamente
el hierro macizo y protege igualmente otros componentes del rotor.
Con ello, dicho arrollamiento permite que
alternador trabaje igualmente en condiciones de explotación especiales y que
pueda soportar ciertas perturbaciones en red sin peligro propio.
Montaje de las bobinas
La cuña de cierre de ranura que abarca toda la
longitud del rotor asegura el devanado contra las fuerzas centrífugas. El
material de acuñado es de aleación de aluminio de gran resitencia al calor y
buena conductividad eléctrica.
Estas cuñas actúan simultáneamente como
arrollamiento amortiguador y forman, con las envolturas de cobre duro que se
encuentran sobre el aislamiento de las caperuzas del rotor, una jaula de
amortiguamiento que abarca toda la parte activa del cuerpo del rotor.
Las envolturas de cobre duro individuales están
unidas entre sí por el contacto de la fuerza centrífuga a través de las
caperuzas del rotor.
Figura 10: Cuñas de cierre de ranuras
Con ello, se protege al mismo tiempo el
aislamiento de las caperuzas y el devanado de la excitatriz en el momento de la
colocación de las caperuzas.
Entre los conductores de las ranuras y la cuña de
cierre de ranura se encuentra un bloque aislante que asegura al devanado del
rotor la resistencia necesaria a las corrientes de fuga, en particular en las
aberturas de salida de gas en el centro del rotor.
Figura 11: Corte típico del rotor de
un turboalternador
El
Estator
La
carcasa
El estátor de un alternador es la parte fija de
la máquina. Comprende la parte propiamente activa, constituida por el núcleo
magnético y el devanado del estátor, así como la envoltura del estátor.
Figura 12: Carcasa y estator de un
alternador
La envoltura del estátor o carcasa, ejecutada
normalmente como construcción soldada resistente a la presión y hermética al
gas encierra, además del núcleo de chapa magnética y los devanados, los
diferentes dispositivos que son imprescindibles para el funcionamiento del
alternador, como refrigerante de hidrógeno, caja de bornes, sellado del eje,
difusor, cierres de envoltura y depósito de agua.
Proceso de instalación del devanado del estátor
Figura 13: Detalle de montaje de las
bobinas del estator de un gran alternador. Las bobinas en este tipo de
turboalternadores son refrigeradas por agua.
Puede observarse que un lado de las bobinas será
más externo en su ranura y el otro más interno.
Esta disposición permite una sola forma de bobina
estándar para utilizarla en todas las ranuras del estátor.
El núcleo magnético
El núcleo magnético consta de chapas magnéticas
de aleación de silicio de bajas pérdidas en forma de anillos, ranuradas en su
parte inferior y apiladas entre sí, dando como resultado una forma cilíndrica
con ranuras auxiliares en la superficie interna.
Figura 14: Núcleo magnético y
devanado estatórico
Las ranuras se extienden longitudinalmente a lo
largo del cilindro del estátor y sirven de alojamiento a las bobinas del
devanado estatórico.
El núcleo magnético es la parte esencial del
circuito magnético y se encarga de la conducción, con pocas pérdidas, del flujo
magnético que crea el devanado del rotor (que cuando funciona como generador es
el inductor).
Este flujo magnético rodea el devanado estatórico
dispuesto en las ranuras internas del estátor e induce en él la tensión
deseada.
Proceso de apilado
Los segmentos de chapa estampados, desbarbados y
revestidos a ambos lados con barniz resistente al calor se comprimen
periódicamente durante el apilado con la ayuda de prensas hidráulicas.
Tras la finalización del apilado de chapa
magnética, el cuerpo de chapa completo se somete a vibración inductiva a la
temperatura de régimen y a presión, y se prensa de nuevo acto seguido. Ello
permite su asentamiento y consolidación.
El devanado del estátor
El devanado del estátor comprende la estructura
de las barras del devanado, el sistema de refrigeración, el acuñado de las
ranuras y el apoyo de las cabezas del devanado.
Las bobinas se construyen prefabricadas para ser
montadas directamente en las ranuras del estátor.
Figura 15: Bobina del estator
Suelen construirse a base de un conjunto de
conductores de cobre individuales que se unen para formar una estructura de
barras a la que se da la forma de la espira de la bobina.
El conjunto se protege entonces con cinta
protectora aislante.
Montaje de las bobinas
La mayoría de los devanados trifásicos son de
"doble capa", es decir, se colocan dos lados de diferentes bobinas en
cada ranura del estátor. Si una bobina tienen uno de sus lados en el fondo de
una ranura, su otro lado se encontrará en la parte superior de otra ranura, o
sea en aquella posición más cercana al entrehierro.
Ya que hay dos lados de bobina en cada ranura y
cada bobina tiene dos lados, el número de bobinas en un devanado de doble capa
es igual al número de ranuras.
Además una bobina puede tener una o más espiras.
Al número de espiras en cada bobina se le da el símbolo NCOND. El
número de conductores en cada lado de una bobina es obviamente igual a NCOND;
por lo tanto, el número total en cada ranura será de 2·NCOND.
Figura 16: Detalle del montaje de
bobinas en el estator
Las bobinas se tuercen en sus extremos para
permitir que haya un espacio mecánico entre las bobinas adyacentes.
Forma de conseguir el devanado trifásico del
estátor
Las bobinas del devanado del estátor se conectan
para formar tres devanados independientes, uno para cada fase del sistema
trifásico. Las bobinas que componen el devanado de una fase se colocan en las
ranuras para formar grupos igualmente espaciados. El número de grupos en cada
devanado de fase es igual al número de polos del rotor. Los grupos de un
devanado de fase se conectan de modo que cuando un grupo presente un polo
magnético norte al entrehierro, los grupos adyacentes en ambos lados produzcan
polos sur. Entonces, para el sentido de la corriente en un instante dado, la
polaridad magnética es alternativamente N, S, N, S, etcétera, como se ve desde
el entrehierro.
Figura 17: Conexión de las bobinas
del estator
Paso de ranura (ϒ)
La distancia entre ranuras adyacentes se llama
"paso de ranura" (ϒ).
Paso de bobina (ρ)
La distancia angular entre dos polos adyacentes
del rotor se define como 180º eléctricos, y los grupos de una fase dada tienen
el mismo espaciamiento.
Al ancho de una bobina se le llama "paso de
la bobina" (ρ); puede darse en pulgadas, metros, grados o grados
eléctricos.
Figura 18: Esquema de conexión por
grupos y pasos de bobinas
Figura 19: Esquema completo del
devanado trifásico
Sistemas
de excitación
Tipos
de sistemas de excitación
Para crear el campo magnético de excitación, los
devanados del rotor se alimentan con una corriente continua.
Para obtener esta corriente continua hay dos
métodos comunes:
- Suministrarle al rotor la potencia de c.c. desde una fuente externa de c.c., por medio de anillos rozantes y escobillas.
- Suministro de potencia de c.c. desde un fuente de c.a. montada directamente en el eje del generador síncrono y rectificando su salida.
Excitatriz de corriente continua (suministra la
corriente de excitación de c.c., por medio de anillos rozantes y escobillas)
El procedimiento clásico consiste en utilizar un
generador de c.c. autoexcitado en derivación (excitatriz principal), que se
monta sobre el eje del grupo. Su salida se aplica al rotor del alternador por
medio de anillos rozantes y escobillas. Por lo general el generador es tipo
derivación.
Figura 20: Acoplamiento al motor
primario y arrastre del generador de
corriente continua que alimenta el
devanado de excitación del rotor
Figura 21: Esquema de conexiones
eléctricas del sistema de excitación
Excitatriz piloto
para grandes alternadores
En grandes alternadores, para mejorar la rapidez
de respuesta del mismo, la corriente de excitación de la excitatriz principal
se obtiene en parte de un tercer generador de continua, también acoplado al eje
principal y autoexcitación (excitatriz piloto).
Figura 22: Excitatriz principal y piloto
Las máquinas síncronas más pequeñas no suelen
tener una excitatriz piloto y la excitatriz principal trabaja en derivación
alimentando directamente el inductor o excitación de alternador.
En este tipo de generadores aparecen problemas de
enfriamiento y conservación de anillos, colector y escobillas.
Anillos de rozamiento
Son anillos metálicos situados sobre el eje de la
máquina pero aislados de él. Sobre cada uno de ellos se coloca una escobilla.
Cada extremo del devanado inductor se conecta a cada
uno de los anillos.
Se utilizan en máquinas de pequeña potencia por
ser el sistema más económico.
Inconvenientes:
- Aumenta el mantenimiento de la máquina (las escobillas deben examinarse para comprobar su desgaste).
- Las escobillas provocan caídas de tensión que pueden ser importantes.
Excitatriz de corriente alterna (sin escobillas)
Cuando las velocidades son elevadas, sobre todo
en los grandes generadores, hay problemas de conmutación en las excitatrices,
debido a los chispazos en sus colectores.
En la actualidad se emplean generadores
trifásicos como excitatriz principal. Estos generadores de corriente alterna se
construyen con el inducido en el rotor, y con su campo de excitación situado en
el estátor.
Las corrientes trifásicas que se inducen en el
rotor, se rectifican posteriormente mediante rectificadores montados
directamente sobre el eje y se llevan en forma de corriente continua al
devanado de excitación del generador principal.
Figura 23: Partes de un rotor con
excitatriz por rectificador trifásico
Controlando la escasa corriente de excitación de
c.c., en la excitatriz (localizada en el estátor), es posible ajustar la
corriente de excitación en la máquina principal sin necesidad de anillos
rozantes ni escobillas.
Figura 24: Esquema de conexiones de
los devanados del estátor, del rotor
y el control de la excitatriz
Excitatriz de corriente alterna e independencia
completa de cualquier fuente de potencia externa
En equipos autónomos es necesario independizar el
equipo de fuentes externas. Se utiliza entonces una pequeña excitatriz piloto
que permite la excitación de la excitatriz principal.
Figura 25: Esquema y perspectiva
general del conjunto excitatriz principal y piloto
Una excitatriz piloto es un generador pequeño de
corriente alterna, con imanes permanentes montados sobre el eje del rotor, y un
devanado trifásico sobre el estátor.
Esta excitatriz piloto produce la potencia para
el circuito de excitación de la excitatriz principal, que a su vez controla el
circuito de campo del alternador. Si la excitatriz piloto se incluye en el eje
del generador, entonces no se necesita potencia eléctrica externa para poner en
marcha el generador.
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