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CURSO OCH05

GENERADORES ELECTRICOS

Edicion Nº 3 Fecha revisión: Mayo 2005 1

Indice de Materias

Pagina

___________________________________________________ Introducción

1

Componentes principales de un Generador

2

Generadores Sincrónicos

4

Refrigeración de los generadores

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Sistemas de excitación de generadores

8

Valores nominales de los generadores sincrónicos

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Funcionamiento en vacío y en carga de un generador

16

Sub-excitación y sobre-excitación de un generador

18

Reacción de armadura

20

Características mecánicas del generador

22

El generador funcionando en una red

24

Control de las potencias activa y reactiva

26

Diagrama de capacidad de carga (P-Q)

27

Condensadores sincrónicos

29

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2

GENERADORES _______________________________________________________ Introducción _______________________________________________________ Los generadores constituyen el elemento fundamental de las centrales eléctricas, ya que por medio de ellos, es posible realizar el proceso de conversión de energía mecánica suministrada en su eje, por energía eléctrica en sus bornes de salida.

Máquina Motriz

Generador

Energía Mecánica

Energía Eléctrica

Para ello, los generadores deben ser accionados por una máquina motriz, que puede ser una turbina a vapor, una turbina a gas o una turbina hidráulica.

______________________________________________________

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De acuerdo a lo anterior, los generadores también pueden ser denominados turbo generadores o generadores hidráulicos según sea el caso. Componentes principales de un Generador ________________________________________________________ Un generador esta compuesto por un estator ranurado, en el cual se encuentran alojados un conjunto de espiras llamado enrollado y un rotor con un enrollado inductor que forma igual número de polos que el enrollado del estator.

GENERADOR SINCRÓNICO TRIFÁSICO ELEMENTAL

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El enrollado del rotor, mediante la aplicación de corriente continua, tiene como misión generar el campo magnético fundamental para que la máquina produzca energía eléctrica. Es por ello, que recibe el nombre de enrollado inductor, de campo o de excitación.

GENERADOR CON ROTOR DE POLOS SALIENTES

BOBINAS DE CAMPO E INDUCIDO EN GENERADOR CON ROTOR DE POLOS SALIENTES

Si se hace girar el rotor con velocidad constante, se inducen fuerzas electromotrices en el enrollado del estator, motivo por el cual este recibe el nombre de inducido o armadura.

MONTAJE DE BOBINA EN ROTOR CILINDRICO

MONTAJE DE BOBINAS DE INDUCIDO

________________________________________________________ 5

Generadores Sincrónicos ________________________________________________________ Para que los grandes sistemas eléctricos operen de manera estable, entre otras cosas debe suministrarse la potencia activa y reactiva, que en cualquier instante demanden los consumos.

GENERADOR SINCRONICO DE EJE HORIZONTAL

GENERADOR SINCRONICO DE EJE VERTICAL ACOPLADO A TURBINA PELTON _______________________________________________________________________________

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Considerando que las potencias activas y reactivas demandadas varían de manera constante, los generadores que se utilicen para satisfacer dicha demanda, deben tener la capacidad de variar por separado ambas magnitudes.

GENERADOR SINCRONICO CON ROTOR CILINDRICO DE DOS POLOS

Los generadores sincrónicos tienen esa característica relevante, por lo cual, en el proceso de generación de energía eléctrica, se utilizan fundamentalmente dicho tipo de generadores.

GENERADOR SINCRONICO DE EJE VERTICAL

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En las centrales de Endesa, se utilizan generadores sincrónicos, por lo cual, en lo sucesivo nos referiremos a dicha máquina simplemente como generador.

GENERADOR SINCRONICO CENTRAL SAUZAL

GENERADOR SINCRONICO CENTRAL ANTUCO

Refrigeración de los generadores. _____________________________________________________ Para disipar el calor que se produce en los generadores de gran tamaño, todo el espacio interno de la máquina se envuelve en una atmósfera de hidrógeno presurizado, el cual circula por el interior del generador en sentido axial. Este hidrógeno penetra por las aberturas situadas por ambos extremos de los enrollados del rotor y se expulsa por la fuerza

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centrífuga hacia el entrehierro mediante orificios situados en la zona central del rotor.

GENERADOR REFRIGERADO POR AIRE ( A y B: TOBERAS DE PENETRACION DEL REFRIGERANTE )

El hidrógeno expulsado, circula por un circuito cerrado, el cual intercambia calor con el sistema de enfriamiento y luego este calor disipado se transfiere a la atmósfera. En los estatores también se utilizan sistemas de refrigeración directa, mediante cañerías por las cuales circula agua desmineralizada como medio refrigerante. ________________________________________________________

GENERADOR SINCRONICO LOMA ALTA

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En los generadores modernos se logra conseguir generación de potencias de gran magnitud, sólo mediante los sistemas de evacuación de calor antes indicados.

Sistemas de excitación de generadores. _____________________________________________________ Para que un generador pueda entregar energía eléctrica, es necesario alimentar el enrollado inductor con una corriente continua, mediante un sistema de excitación. ________________________________________________________

ESTRUCTURA BASICA DE UN GENERADOR SINCRONICO A) DE POLOS SALIENTES

B) DE ROTOR CILINDRICO

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Los sistemas de excitación, pueden ser clasificados básicamente en tres tipos: • Excitación propia • Autoexcitación • Excitación sin escobillas (Brushless) _____________________________________________________________________

CAMPO MAGNETICO GIRATORIO CREADO POR UN ROTOR

Excitación propia Se le denomina propia a la excitatriz compuesta por un pequeño generador de corriente continua, que se encuentra acoplado mecánicamente al eje del generador y por tanto aprovecha el giro de la maquina motriz para generar la corriente de excitación.

ESQUEMA EXCITACION PROPIA

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Este método constituye el sistema clásico de alimentación del enrollado inductor de un generador, utilizando para ello anillos rosantes y escobillas. Habitualmente se le conoce como excitatriz principal. _______________________________________________________________________

SISTEMA INDUCTOR BASICO DE POLOS SALIENTES

El voltaje de salida de la excitatriz, se regula mediante la corriente de su propio enrollado inductor, en base a las señales de voltaje y/o intensidad que proceden de los bornes del generador principal.

Estas señales están directamente relacionadas con el comportamiento de la carga conectada al generador.

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La excitatriz principal se alimenta desde otro generador de corriente continua, al cual se le conoce habitualmente como excitatriz piloto. Para el mismo sistema de excitación propia, en la actualidad existen esquemas más modernos que permiten alimentar el enrollado inductor de un generador, mediante un puente rectificador que convierte las señales del generador sincrónico acoplado al eje del generador principal, el cual a su vez es excitado desde una excitatriz piloto compuesta por un pequeño alternador de imanes permanentes y cuya salida es rectificada. Autoexcitación Se basa en la alimentación del enrollado inductor por medio de un puente rectificador controlado por tiristores. La alimentación más simple del puente se hace desde la misma salida del generador mediante un transformador de excitación.

AUTOEXCITACION CON PUENTE RECTIFICADOR

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El puente rectificador tiene mayor confiabilidad y requiere poco mantenimiento comparado con las máquinas de corriente continua, por ser un equipo de componentes estáticos. Las soluciones descritas no evitan la necesidad de anillos rozantes y escobillas adosadas al eje del generador para alimentar el enrollado de excitación. Esto es una dificultad en las máquinas mayores, pues las corrientes de excitación alcanzan a decenas de kA. Ello hace necesario muchas escobillas en paralelo sobre los anillos y tales elementos requieren de mantenimiento periódico y además producen pérdidas por la resistencia de contacto escobilla-anillo. Excitación sin escobillas Este método consiste en colocar el inducido de la excitatriz principal, en el propio rotor del generador, cuya salida previamente rectificada por un puente de diodos adosados al propio rotor, alimenta directamente al enrollado de excitación del generador sin salir del mismo. En este caso la excitatriz principal es un generador sincrónico de montaje invertido, es decir, los polos inductores están en el estator y los polos inducidos en el rotor.

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EXCITACION SIN ESCOBILLAS

La corriente de excitación se controla desde el estator modificando la corriente de excitación de la excitatriz principal. Esta se puede alimentar a través de un transformador de excitación o desde una excitatriz piloto en la cual se sustituye el enrollado de excitación por imanes permanentes

EXCITACION SIN ESCOBILLAS CON EXCITATRIZ PILOTO

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EL esquema de excitación sin escobillas con autoexcitación, tiene la dificultad de que al producirse un corto circuito próximo a los bornes del generador, la tensión disminuye a un valor cercano a cero y el generador se queda sin excitación e impide un adecuado funcionamiento de las protecciones.

Valores nominales de los generadores sincrónicos Hay

ciertos límites básicos de velocidad y de potencia

que

pueden obtenerse de un generador sincrónico. Estos límites se expresan como valores nominales de la máquina. El objetivo de estos valores nominales es proteger al generador de los peligros de un manejo equivocado. Con este fin, cada máquina tiene un listado de valores nominales en la placa de identificación adherida a ella. Los valores nominales más relevantes en la operación de un generador sincrónico son: 16

• voltaje, • frecuencia • velocidad. Valores nominales de voltaje, velocidad y frecuencia La frecuencia nominal de un generador sincrónico depende del sistema de potencia al cual esté conectado. Las frecuencias mas comunes utilizadas hoy en día en los sistemas de potencia son 50 Hz ( en Chile, Europa, Asia, etc. ), 60 Hz (en Norteamérica). Una vez conocida la frecuencia de funcionamiento, hay solo una velocidad de rotación posible para un determinado números de polos. De acuerdo a ello se puede establecer que:

n=60*f/p donde: n: velocidad de rotación de la máquina f: frecuencia de la tensión generada p: numero de pares de polo de la máquina El voltaje de un generador depende del flujo, de la velocidad de rotación y de su construcción mecánica.

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Para un tamaño de armazón mecánica y de velocidad dados, cuanto mas alto sea el voltaje deseado, más alto el flujo que se necesita en la máquina. Sin embargo, el flujo no se puede aumentar indefinidamente, puesto que siempre hay una máxima corriente de campo permitida. Otra consideración para fijar el voltaje máximo permitido, es el valor de ruptura del aislamiento del embobinado; Clases de Aislamiento El aislamiento en las máquinas eléctricas permite separar los componentes que se encuentran entre si, a niveles de tensión diferentes. El aislamiento, además permite determinar la confiabilidad de servicio de una máquina. Según la norma CEI 85 los aislantes se clasifican según lo siguiente: Denominación Clase

Temp. Máxima (ºC)

Y

90

Materiales fibrosos no impregnados en liquidos aislantes.

A

105

Materiales fibrosos impregnados en liquidos aislantes.

E

120

Fibras orgánicas sintéticas.

B

130

Materiales a base de poliéster y poliimídicos

F

155

Materiales a base de fibra de mica, amianto y fibra de vidrio

H

180

Materiales a base de mica, asbestos o fibra de vidrio (NOMEX)

200

200

Mica, vidrio, cerámica, etc.

220

220

Mica, vidrio, cerámica, etc., poliimidas (KAPTON)

250

250

Mica, vidrio, cerámica, etc., poliimidas (KAPTON)

Tipos de Materiales

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Los voltajes de funcionamiento normal no deben acercarse mucho al valor de ruptura.

Funcionamiento en vacío y en carga de un generador Como se indicó anteriormente, si se alimenta el enrollado de excitación con una corriente continua de valor constante y al mismo tiempo se hace girar el rotor mediante una máquina motriz, el campo magnético rotatorio que se crea, induce en los enrollados del estator tres fuerzas electromotrices de la misma magnitud y desfasadas, que forman un sistema trifásico equilibrado de voltajes. Al conectar una carga trifásica equilibrada en los bornes del generador funcionando en vacío, circulará por los enrollados del estator un sistema equilibrado y trifásico de corrientes. De acuerdo al teorema de Ferraris, dichas corrientes generaran un campo rotatorio de amplitud constante que girará en el entrehierro del generador a igual velocidad que el rotor. A esta velocidad se le llama velocidad de sincronismo. Ambas fuerzas magnetomotrices estacionarias entre ellas se suman para generar una fuerza magnetomotriz única, que genera un campo magnético de flujo común. 19

Esto permite la aparición de un par electromagnético constante, e induce en el estator tres fuerzas electromotrices iguales en magnitud y desfasadas entre si en 120 grados. La relación del valor eficaz de la tensión en bornes del generador y la corriente del rotor se obtiene mediante pruebas en vacío y se denomina característica de vacío del generador. Sub-excitación y sobre-excitación de un generador Si los consumos asociados a un generador son inductivos, la corriente, la corriente siempre

estará

retrasada respecto de la fuerza

electromotriz inducida. Comparando las direcciones de la corriente en el inducido y en el inductor, el campo inductor resulta de la diferencia entre la excitación del inductor y la reacción del inducido. Po tanto, si queremos obtener la misma tensión que en vacío, deberemos aumentar la excitación del inductor en una cantidad igual a la que representa la reacción del inducido. La fuerza electromotriz considerada hasta aquí, es una magnitud puramente ideal, pues es consecuencia sólo de la corriente de excitación del inductor, La fuerza electromotriz real es inducida por el campo principal,

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( flujo común al inductor y al inducido) y este es debido a la excitación resultante, o sea la excitación del inductor disminuida en la reacción del inducido. Prescindiendo de la pequeña pérdida de tensión interior, debida a la resistencia y la reactancia de dispersión, dicha fuerza electromotriz es igual y opuesta a la tensión de la red, de modo que esta prescribe un flujo principal y una excitación total constantes. Por consiguiente, si intentamos elevar la excitación aumentando la corriente del inductor, o sea sobreexcitándolo, el generador producirá un

corriente retrasada que compensará, mediante la reacción del

inductor, el aumento de corriente de imantación. Por tanto, la corriente de una máquina sobreexcitada tiene un efecto desmagnetizante y en un generador retrasa respecto a la tensión producida y en un motor adelanta respecto a la tensión aplicada. En un generador en el cual la corriente adelanta a la fuerza electromotriz inducida por el campo principal, la carga del generador presenta capacidad. En este caso, la corriente inducida actúa en el mismo sentido que la del inductor; por consiguiente, es magnetizante, la reacción del inducido es pues negativa, y la excitación resultante es la suma de las corrientes de imantación y la corriente inducida, que actúan en un mismo sentido. 21

Si disminuimos la excitación de un generador acoplado a una red de tensión constante, que exige una tensión invariable, desarrollará una corriente adelantada que por efecto de su acción magnetizante compensara la debilitación de la excitación. Así pues, la corriente de una máquina sub-excitada refuerza el campo, adelanta a la tensión producida si es generador y retrasa a la tensión aplicada si es motor. De acuerdo a lo anterior, podemos decir: Una corriente retrasada debilita el campo del generador, y refuerza el del motor. Una corriente adelantada refuerza el campo del generador y debilita el del motor. Cuando el generador esta sobreexcitado, suministra potencia reactiva Q al sistema y por tanto, actúa como un capacitor. De igual manera, cuando el generador está sub-excitado, toma la potencia reactiva Q del sistema y en este sentido actúa como un inductor. Reacción de armadura o inducido La reacción del inducido tiene por efecto una disminución del flujo a través del inducido y del inductor. El flujo debido a los amperiosvueltas y por consiguiente a la corriente de excitación a través de las espiras inducidas, varía periódicamente a causa del movimiento de 22

estas espiras respecto a los polos, de manera que a causa del movimiento relativo de los circuitos inductor e inducido, sucede como si la corriente inductora, que en realidad es continua, fuera alterna y de igual periodo que la corriente producida por la máquina, pues el período de esta corriente depende también, de la velocidad del movimiento relativo de ambos circuitos.

Es evidente que el valor eficaz de esta corriente ficticia es proporcional a la intensidad de la corriente continua real. Se puede afirmar que la reacción actúa como si produjera amperio-vueltas inductores y por tanto, una corriente dirigida en sentido contrario a la de excitación. Pero

esta corriente que hace disminuir a la inductora, es

evidentemente proporcional a la corriente de la máquina.

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REACCION DE INDUCIDO MAXIMA (DESFASE ENTRE CORRIENTE Y FUERZA ELECTROMOTRIZ ES DE 90º)

ETAPAS DEL FENOMENO DE REACCION DE ARMADURA

Características mecánicas del generador Curva potencia-ángulo de carga La potencia eléctrica que el generador entrega a la red, depende en definitiva de la potencia mecánica que recibe en su eje desde una máquina motriz y es igual al producto del par mecánico por la velocidad de sincronismo.

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Es decir:

P=T*w Donde: P. Potencia del generador. T:Par mecánico en el eje del conjunto turbina-generador. w: Velocidad de sincronismo del conjunto turbina-generador.

Si consideramos nulas las perdidas eléctricas en el generador, la potencia de salida en sus bornes será equivalente a la potencia mecánica interna producto de la interacción de campos magnéticos y corrientes.

La potencia de salida es equivalente a la potencia recibida en su eje, menos las pérdidas mecánicas del generador.

La característica mecánica de un generador se representa mediante la curva par-ángulo y mediante ella se determina que aumentando el par en el eje del generador, aumenta la potencia mecánica interna y por tanto aumenta la potencia entregada por el generador.

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El par o momento de una fuerza es el producto del modulo de una fuerza por el brazo de la misma y corresponde a la medida de la capacidad que posee una fuerza para proporcionarle a un cuerpo, un movimiento de rotación alrededor de un eje. Limite de estabilidad estático

La curva par–ángulo de carga permite determinar que aumentando lentamente el par motor en el eje del generador, aumenta el par electromagnético que genera el alternador para mantener el equilibrio de pares y la potencia mecánica convertida en potencia eléctrica va aumentado cada vez mas. Este proceso se mantiene hasta alcanzar el punto máximo de la curva, en el cual al incrementar el par mecánico, el generador ya no puede producir un incremento mayor de par interno, luego, se rompe el equilibrio y el conjunto máquina motriz-alternador se acelera. Esta situación se define como “generador operando fuera de sincronismo”. Similarmente, en condición de corto circuito, se elevan de manera importante las corrientes que circulan por los enrollados del inducido, lo cual hace indispensable desconectar el generador de la red, mediante su interruptor principal. Por tanto, el generador no pude funcionar de manera estable con ángulos de carga superiores a 90 grados. Este valor se conoce como limite de estabilidad estático y se alcanza solo incrementando el par mecánico de la máquina motriz. 26

El generador funcionando en una red Si un generador alimenta un consumo aislado, se producen fenómenos más complejos que cuando se le conecta a un sistema interconectado. Si en condición de régimen permanente aumenta la potencia demandada y si no se produce un aumento de similar magnitud en la máquina motriz, el aumento del par resistente del alternador provoca que su rotor se frene levemente. Esto genera un nuevo punto de equilibrio que se producirá para una frecuencia y tensión en bornes del generador algo menor. Como siempre es deseable mantener la frecuencia del inducido en márgenes muy estrechos, se hace necesario acoplar a la máquina motriz un regulador de potencia, que se le conoce comúnmente como regulador de velocidad. La función del regulador de velocidad es mantener constante la velocidad de giro del rotor, para lo cual se debe lograr que la potencia suministrada por la máquina motriz, sea igual a la potencia activa generada.

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Es deseable que un regulador, tenga un comportamiento cercano a una característica ideal y que en el diagrama potencia-frecuencia debe ser una recta horizontal. A este tipo de característica se conoce con el nombre de astática. Esta característica plantea una dificultad mayor cuando el generador debe operar en paralelo con otra máquina, alimentando ambas la carga de un sistema. Esta condición en paralelo es casi imposible, ya que no habrá un valor único de la frecuencia para ambos generadores, que puedan definir valores bien determinados de las potencias entregadas por cada uno de ellos. En términos prácticos uno de los generadores puede funcionar en vacío y el otro estará suministrando toda la potencia, en condición de sobrecarga. Este fenómeno es posible evitarlo definiendo las características potencia-frecuencia de los generadores con una cierta inclinación y no como rectas horizontales. Esto significa que cuando un generador pasa de funcionar desde el vacio a plena carga, su frecuencia varía levemente. Estas rectas características tienen una pendiente negativa con variaciones de frecuencia próximas a 1 Hz., entre el funcionamiento en vacío y plena carga. Esta característica recibe el nombre de característica estática.

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Cuando dos generadores operan en paralelo cada uno aporta una potencia P1 y P2, que está determinada por la intersección de cada una de las rectas, con el valor común de la frecuencia.

Control de las potencias activa y reactiva Cuando la máquina sincrónica se conecta a una barra infinita, su velocidad y voltaje en terminales permanecen fijos e inalterables. No obstante, las variables controlables serán la corriente de campo y el torque mecánico en el eje. La variación de la corriente de campo, se aplica al generador para suministrar o absorber una cantidad variable de potencia reactiva. Debido a que la máquina sincrónica gira a velocidad constante, el único medio de variar la potencia activa es mediante del control del torque que se entrega en el eje, por la acción de la fuente de energía mecánica.

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Diagrama de capacidad de carga Es un diagrama generalmente llamado PQ o carta de operación de la máquina y se pueden mostrar en él, todas las condiciones de operación normal de generadores conectados a barras infinitas. Este diagrama es importante para los operadores de las centrales de generación, quienes son responsables de la carga y operación apropiadas del generador. El diagrama se construye bajo el supuesto de que el generador tiene un voltaje en terminales Vt fijo y que la resistencia de la armadura es despreciable. La construcción se inicia con el diagrama fasorial de la máquina y se tiene a Vt como fasor de referencia, en que se muestran 5 lugares geométricos que pasan a través del punto de operación m. Estos lugares geométricos corresponden a los 5 posibles modos de operación, en los que un parámetro de la unidad de generación se conserva constante.

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Excitación constante El círculo de excitación constante, tiene al punto n como centro y un radio de longitud n-m igual a la magnitud de voltaje interno Ei, que se puede mantener constante preservando la corriente continua If constante en el devanado de campo. Ia constante. El círculo para la corriente de armadura constante tiene el punto o como centro y un radio de longitud o-m proporcional al valor fijo de Ia. Como Vt esta fijo, los puntos de operación en este lugar geométrico corresponde a la salida constante de megavolts-amperes Vt Ia, desde el generador.

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Condensadores sincrónicos Debido al carácter esencialmente variable de los consumos, tanto en magnitud como en defase, la compensación de potencia reactiva debe contemplar tanto

la compensación

de componentes inductivas

mediante elementos condensadores en las horas de mayor demanda, como la de elementos reactores en la horas de mínima demanda, cuando predominan las características capacitivas del sistema. El condensador sincrónico es un alternador que funciona como motor. La corriente alterna aplicada al estator da origen a un campo magnético giratorio de magnitud y velocidad de rotación constantes. La parte móvil consiste en una estrella de electroimanes alimentados por corriente continua provenientes de la excitatriz, cuando la velocidad de rotación de este sistema de electroimanes, denominado rotor, es igual y del mismo sentido que la del campo magnético del estator, ocurre que cada polo del estator queda frente a un polo de polaridad contraria en el rotor, el cual es arrastrado por el primero en su movimiento. Se produce así un embrague magnético entre los campos magnéticos del estator y del rotor. El flujo magnético de los polos del rotor puede regularse variando la corriente de excitación que los alimenta.

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Con esto se varía la magnitud de la fuerza electromotriz inducida en el estator. Según sea la magnitud de esta fuerza electromotriz, la corriente que toma el motor, puede estar en atraso, en fase ó en adelanto con respecto al voltaje aplicado. Se puede decir entonces que un condensador sincrónico es un motor sincrónico que no entrega potencia mecánica al exterior, de modo que no consume mas potencia activa que la que necesita para su propio funcionamiento. Por lo tanto, su función esencial es la regulación del voltaje mediante la compensación de la potencia reactiva. Según las fluctuaciones de la potencia reactiva en la red, el condensador sincrónico debe funcionar como consumo inductivo (desexcitado) en hora de baja demanda, o como consumo capacitivo, (sobreexcitado) en hora de máxima demanda. En consideración a esto, en la práctica se construye para una potencia reactiva 50 % inductiva y 100% capacitiva. La característica del condensador sincrónico, de funcionar como reactor o como condensador lo hace especialmente apto como elemento regulador en el extremo receptor de sistema de transmisión. Durante las horas de mayor demanda el condensador sincrónico operando como condensador, compensa la componente inductiva 33

demandada por los consumos, mientras que en las horas de demanda mínima operando como reactor, compensa la componente capacitiva debida a la capacidad de las líneas de transmisión.

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