Descripción constructiva del Generador síncrono (Parte 1ª)

La máquina síncrona es la principal responsable de la generación eléctrica que se produce a partir de fuentes de energía primaria.

Su uso está completamente extendido como generador de c.a. en centrales hidráulicas, térmicas y nucleares. En tal caso recibe el nombre de ALTERNADOR.

También se utiliza en sistemas autónomos de generación eléctrica bajo el nombre de GRUPOS ELECTRÓGENOS. En estos casos es normal que vaya acoplado a un motor de combustión interna como motor primario.

Las máquinas síncronas también pueden funcionar como MOTORES en aplicaciones especiales donde se requiera mantener una velocidad de giro del motor con independencia de la carga. 

Antecedentes históricos

1849   Nollet primeros pasos

En 1849 Nollet diseñó una máquina de corriente alterna que fue perfeccionada por Holmes y construida por la firma "L'Alliance" (Compañía belga que se dedicaba a instalaciones de alumbrado de faros).

Una máquina de "L'Alliance" se utilizó en el primer alumbrado de la puerta del Sol de Madrid el 24 de Enero de 1878.

1870-85   Investigación en torno a la dínamo de c.c.

Los grandes logros técnicos en la segunda mitad del siglo XIX (principalmente entre 1870 y 1885) estuvieron basados en el perfeccionamiento de la dínamo de c.c. como generador de energía eléctrica.

Sin embargo, aunque se hicieron grandes avances, las investigaciones revelaron también una serie de dificultades técnicas relacionadas con la obtención de grandes potencias y alta tensión en sus terminales, algo necesario para conseguir un transporte de energía eficiente en corriente continua.

1885-86   La introducción del transformador

En 1885, la Compañía Westinghouse compró los derechos de la Casa Ganz y uno de sus ingenieros, William Stanley construyó un transformador de tipo acorazado con núcleo formado por láminas individuales de chapas de hierro.

En 1886, la Compañía Westinghouse, instalaba un sistema de distribución por c.a. en Great Barrigton, Massachusetts (EEUU) basado en una línea de transporte de 1200 m en la que se incorporaban dos transformadores, uno a principio y otro a final de la línea.

La puesta en marcha de tal sistema influyó decisivamente en la aceptación de la corriente alterna para la distribución de la energía eléctrica frente a la alternativa de los sistemas de c.c.

Esto nunca hubiese sido posible sin la aportación decisiva de los transformadores.

Las disputas de la corriente continua y la corriente alterna

La introducción de la corriente alterna estuvo llena de grandes disputas, en las que se reflejaban motivos tanto técnicos como económicos.

En Europa estaban a favor de la corriente continua: Lord Kelvin, Crompton, A.W. Kennedy y J. Hopkinson, y a favor de la corriente alterna: Ferranti, Gordon, W.M.Mordey y Silvanus Thompson.

En Estados Unidos, donde las disputas alcanzaron su mayor feracidad, Edison defendía la corriente continua y la corriente alterna la defendían Westinghouse, Tesla, Sprague y Steinmetz.

En 1893 el Proyecto de la Central a instalar en las cataratas del Niágara fue finalmente adjudicado a la Compañía Westinghouse tras una larga disputa con la Compañía de Edison. Este hecho representó el  comienzo del declive de la corriente continua a favor del auge de la corriente alterna, que es el sistema usado hoy en día para la generación, el transporte y la distribución de la energía eléctrica.

DESCRIPCIÓN CONSTRUCTIVA DEL GENERADOR SÍNCRONO

El Generador Síncrono (El Alternador)

Figura 1: Corte en sección de los componentes de un Alternador

Leyenda de la figura 1:

(1) Eje

El rotor del motor gira soportado por el eje de la máquina. En el eje suele instalarse la excitatriz principal del alternador y en su caso la excitatriz piloto, así como los ventiladores pertinentes.

(2) Sistema de excitación

Los alternadores modernos están equipados por un sistema de excitación sin escobillas, lo que permite una explotación fiable con un mantenimiento mínimo.

Este sistema comprende esencialmente una excitatriz principal de corriente alterna, una máquina síncrona con polos exteriores y un rectificador giratorio. En alternadores de gran potencia, se utilizan sistemas de excitación con excitatriz auxiliar de imán permanente.

Cuando ciertas exigencias especiales sobre la dinámica de regulación exijan un sistema de excitación estática, los alternadores (>100MVA) pueden equiparse igualmente con anillos rozantes y portaescobillas.

(3) Devanado del Rotor

En las máquinas de rotor liso se utilizan devanados en forma de barra que van introducidos en ranuras realizadas en el rotor. Debido a las altas velocidades y a las fuerzas centrífugas asociadas, se construyen con cuñas de sujeción de alta seguridad.

En las máquinas de polos salientes, la construcción del devanado se hace en forma de paquetes dispuestos alrededor de las expansiones polares.

(4) Devanado del Estátor

El devanado del estátor es trifásico y se forma en base a las bobinas instaladas en las ranuras del núcleo magnético del estátor. Estas bobinas, en los grandes alternadores, pueden ser refrigeradas directamente por medio de agua.

(5) Núcleo magnético

Se construye en base a planchas anulares formando un cilindro que sirve de circuito magnético a la máquina. Unas ranuras en el interior del cilindro del núcleo magnético permiten la instalación posterior del devanado estatórico.

(6) Rotor

Los rotores de las máquinas síncronas son simplemente electroimanes giratorios, construidos de modo que tengan tantos polos como tenga el devanado del estátor. Los polos del rotor se magnetizan por corriente continua que fluye en las bobinas de campo que rodean a cada polo.

Los rotores de las máquinas síncronas pueden ser de polos salientes, para aplicaciones de velocidades bajas (centrales hidroeléctricas), o rotores lisos, especialmente indicados en turboalternadores para térmicas o centrales nucleares, donde las velocidades de giro son muy elevadas.

(7) Estátor

El estátor de un alternador está constituido por el núcleo magnético, el devanado del estátor y la envoltura o carcasa que los engloban.

(8) Cojinetes

 Figura 2: Cojinete

Situación del devanado inductor e inducido

Las máquinas síncronas, como el resto de las máquinas eléctricas, están constituidas por dos devanados independientes:

• Un devanado inductor. Se alimenta por corriente continua dando lugar a los polos de la máquina.
• Un devanado inducido distribuido formando un arrollamiento trifásico recorrido por corriente alterna.

En las máquinas pequeñas (menos de 10KVA), el devanado inductor se coloca normalmente en el estátor en forma de devanado concentrado sobre expansiones magnéticas (polos salientes).

El inducido en tal caso se sitúa en el rotor formando generalmente tres fases que tienen una salida al exterior por medio de tres anillos rozantes.

Figura 3: Situación de los devanados inducidos e inductores

Problemas de este sistema:

• El inducido giratorio requiere 3 anillos rozantes (máquina trifásica) para recoger la tensión generada y enviarla al circuito exterior. Estos anillos están más o menos descubiertos y son difíciles de aislar, especialmente para las tensiones elevadas del orden de 6000 a 25000V en las que suelen funcionar estas máquinas.
• Además estos anillos suelen producir perturbaciones debidas a chispas, cortocircuitos, etc.
• Es más difícil aislar los conductores en un inducido giratorio que en un inducido fijo, debido a la fuerza centrífuga y a las vibraciones que produce la rotación.

En máquinas grandes (en alternadores puede llegarse a 1000 – 1500 MVA), los polos del inductor se coloca en el rotor y el devanado trifásico en el estátor. En este caso el rotor puede ser de dos tipos:

• De polos salientes: Para máquinas de baja velocidad. (Turbinas hidroeléctricas).
• De polos lisos (rotor cilíndrico): Para máquinas de alta velocidad. (Turboalternadores de centrales térmicas o nucleares).

Figura 4: Rotor de polos salientes y polos lisos

La alimentación del devanado inductor por corriente continua puede realizarse por dos métodos:

•  Suministrar la c.c. al rotor desde una fuente externa de c.c. por medio de dos anillos de rozamiento y escobillas.
• Suministrar la c.c. desde una fuente de c.a. y un rectificador anexo, que van montados directamente en el eje del generador síncrono (excitatriz piloto).

Ventajas de este sistema:

• Un inducido fijo no necesita anillos y sus conductores pueden llevar un aislamiento continuo desde las espiras hasta las barras del cuadro de salida.
• Si el inductor se sitúa en el rotor, la corriente continua que lo alimenta llegará hasta él por medio de dos anillos si bien la tensión de alimentación del inductor raras veces supera los 1000V, y como la potencia que absorbe el inductor es baja, raras veces producen problemas graves.

Tipos de rotores

El rotor de los generadores síncronos es la parte móvil de la máquina. En los alternadores de generación el rotor generalmente lleva el devanado de excitación (inductor). Este devanado inductor se alimenta por corriente continua dando lugar a un campo magnético constante. Cuando el generador gira movido por el motor primario, el campo magnético del rotor comienza a girar induciendo tensiones en el devanado estatórico.

El cuerpo del rotor suele construirse en una pieza forjada, térmicamente tratada en caliente con unas características de resistencia mecánica y permeabilidad magnética elevadas.

Rotor de polos salientes

Los polos salientes son demasiado débiles mecánicamente y producen demasiada resistencia aerodinámica y ruido, por esto no se usan en los grandes alternadores de alta velocidad movidos por turbinas de gas o de vapor

Figura 5: Rotor de polos salientes

Rotor de polos lisos o rotor cilíndrico

Para grandes turboalternadores de centrales térmicas y nucleares, el rotor debe ser un cilindro sólido de acero forjado para proveer la resistencia necesaria. En la superficie del cilindro se cortan ranuras paralelas al eje para alojar los devanados de campo. La mayoría de los rotores sólo tienen dos polos (36000 rev/min a 60 Hz). Unos pocos tienen cuatro polos (1800 rev/min a 60 Hz).

Los alternadores de 60 Hz que se diseñan para ser movidos por máquinas diesel, frecuentemente tienen 14 polos, porque estas máquinas pueden diseñarse para alta eficiencia a la velocidad correspondiente. Los alternadores que se usan en hidroturbinas tienen frecuentemente más de 100 polos. Los hidroalternadores tienen siempre polos salientes.

Figura 6: Rotor cilíndrico o de polos lisos

Los generadores pueden impulsarse mediante turbinas a vapor, agua o gas, así como mediante motores de explosión o hélices.

La construcción del rotor depende de la frecuencia de giro n de la máquina de impulsión (motor primario), de la frecuencia f y de la potencia nominal S_N del generador. Se distinguen los siguientes tipos de rotores según la aplicación a que vayan definidos:

Turbogeneradores

Movidos por turbinas de vapor, con gran rendimiento y altas velocidades de rotación.

Tienen rotor cilíndrico devanados generalmente para 2 polos, lo que corresponde a una velocidad de 3000 rpm para 50 Hz. No obstante, son más económicos con 4 polos a velocidades de 1500 rpm a 50 Hz.

El eje turbina-alternador es horizontal y se construyen con potencias cercanas en la actualidad a los 2000MVA.

Los turboalternadores se utilizan para potencias superiores a 10 MVA, velocidades superiores a 1500 rpm y frecuencias de red de 50 Hz.

Figura 7: Sección de un turbogenerador

Hidrogeneradores

Por debajo de potencias de 10 MVA, y para menores frecuencias de giro, se utilizan rotores con polos salientes, también llamados ruedas polares. Las máquinas de rotación lenta presentan un número mayor de polos.

Este tipo de alternadores son movidos por turbinas hidráulicas cuyo tipo y velocidad de giro dependen de las características del salto:

• Turbinas Pelton. Para saltos de gran altura. Impulsan grupos de eje horizontal que giran a velocidades comprendidas entre 759 y 375 rpm.
• Turbinas Francis. Para saltos medios. Con disposición vertical del grupo, siendo las velocidades de unos 150 rpm.
• Turbinas Kaplan. Para saltos de pequeña altura (< 30 m.). Con eje vertical y velocidades inferiores a 100 rpm.

Debido a las reducidas velocidades de giro se construyen en forma de polos salientes con un gran número de éstos, entre 20 y 40 polos, existiendo el caso de hasta 100 polos. (La central de Bonneville, EEUU, tiene alternadores de 60 MVA, 15 KV, 96 HZ, 75 rpm).

Figura 8: Hidrogenerador

Generador diesel

Movidos por motores térmicos a velocidades que superan las 1500 rpm con potencias próximas a los 20MVA. Se construyen con rotor cilíndrico.

Las máquinas de pequeña potencia (por ejemplo, dínamos trifásicas) tienen rotores de polos intercalados o rotores con imanes permanentes.

Continua en:  Descripción constructiva del Generador síncrono  (y Parte 2ª)
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