Electrogeneradores

ELECTRO-GENERADORES

Introducción:

Definición:

Generador eléctrico, también llamado dínamo, cualquier máquina que convierte energía mecánica en electricidad para su transmisión y distribución a través de líneas eléctricas a clientes domésticos, comerciales e industriales. Los generadores también producen la energía eléctrica requerida para automóviles, aviones, barcos y trenes. La potencia mecánica para un generador eléctrico generalmente se obtiene de un eje giratorio y es igual al par del eje multiplicado por la velocidad rotacional o angular. La potencia mecánica puede provenir de varias fuentes: turbinas hidráulicas en presas o cascadas; turbinas de viento; turbinas de vapor que utilizan vapor producido con calor de la combustión de combustibles fósiles o de fisión nuclear; turbinas de gas que queman gas directamente en la turbina; o motores de gasolina y diesel.

La construcción y la velocidad del generador pueden variar considerablemente según las características del motor primario mecánico.

Casi todos los generadores utilizados para suministrar redes de energía eléctrica generan corriente alterna, que invierte la polaridad a una frecuencia fija (generalmente 50 o 60 ciclos, o dobles inversiones, por segundo). Dado que varios generadores están conectados a una red eléctrica, deben operar a la misma frecuencia para la generación simultánea. Por lo tanto, se conocen como generadores síncronos o, en algunos contextos, alternadores.

Generadores Sincrónicos:

Una razón importante para seleccionar la corriente alterna para las redes de energía es que su variación continua con el tiempo permite el uso de transformadores.Los dispositivos convierten la energía eléctrica a cualquier voltaje y corriente que se genera en alto voltaje y baja corriente para la transmisión a larga distancia y luego la transforman en un bajo voltaje adecuado para cada consumidor individual (generalmente 120 o 240 voltios para el servicio doméstico). La forma particular de corriente alterna utilizada es una onda sinusoidal, que tiene la forma que se muestra en la Figura 1. Esta ha sido elegida porque es la única forma repetitiva para la que se pueden sumar o resta

FIGURA 1

Rotor:

Un generador sincrónico elemental se muestra en sección transversal en la Figura 2. El eje central del rotor está acoplado al motor mecánico principal. El campo magnético es producido por conductores, o bobinas, enrollados en ranuras cortadas en la superficie del rotor cilíndrico de hierro. Este conjunto de bobinas, conectadas en serie, se conoce como devanado de campo. La posición de las bobinas de campo es tal que el componente radial o dirigido hacia afuera del campo magnético producido en el entrehierro al estator se distribuye aproximadamente sinusoidalmente alrededor de la periferia del rotor. En la Figura 2, la densidad del campo en el entrehierro es máxima hacia afuera en la parte superior, máxima hacia adentro en la parte inferior y cero en los dos lados, aproximándose a una distribución sinusoidal.

FIGURA 2

Estator:

El estator del generador elemental en la Figura 2 consiste en un anillo cilíndrico hecho de hierro para proporcionar una ruta fácil para el flujo magnético. En este caso, el estator contiene solo una bobina, los dos lados están alojados en ranuras en la plancha y los extremos están conectados entre sí por conductores curvados alrededor de la periferia del estator. La bobina normalmente consta de varias vueltas.Cuando se gira el rotor, se induce

un voltaje en la bobina del estator. En cualquier instante, la magnitud del voltaje es proporcional a la velocidad a la que el campo magnético rodeado por la bobina cambia con el tiempo, es decir, la velocidad a la que el campo magnético pasa por los dos lados de la bobina. Por lo tanto, el voltaje será máximo en una dirección cuando el rotor gire 90 ° desde la posición que se muestra en la Figura 2 y será máximo en la dirección opuesta 180 ° más tarde. La forma de onda del voltaje será aproximadamente de la forma sinusoidal que se muestra en la Figura 1.

Frecuencia:

La estructura del rotor del generador en la Figura 2 tiene dos polos, uno para el flujo magnético dirigido hacia afuera y el correspondiente para el flujo dirigido hacia adentro. Se induce una onda sinusoidal completa en la bobina del estator por cada revolución del rotor. La frecuencia de la salida eléctrica, medida en hercios (ciclos por segundo) es, por lo tanto, igual a la velocidad del rotor en revoluciones por segundo. Para proporcionar un suministro de electricidad a 60 hertzios, por ejemplo, la velocidad del motor principal y del rotor debe ser de 60 revoluciones por segundo, o 3.600 revoluciones por minuto. Esta es una velocidad conveniente para muchas turbinas de vapor y gas. Para turbinas muy grandes, dicha velocidad puede ser excesiva por razones de tensión mecánica. En este caso, el rotor del generador está diseñado con cuatro polos espaciados a intervalos de 90 °. El voltaje inducido en una bobina del estator, que abarca un ángulo similar de 90 °, consistirá en dos ondas sinusoidales completas por revolución. La velocidad requerida del rotor para una frecuencia de 60 hertzios es entonces de 1800 revoluciones por minuto. Para velocidades más bajas, como las empleadas por la mayoría de las turbinas de agua, se puede usar un mayor número de pares de polos. Los valores posibles de la velocidad del rotor, en revoluciones por minuto, son iguales a 120 f/p, donde f es la frecuencia yp el número de polos.

Bobinados del estator:

El valor máximo de la densidad de flujo en el espacio de aire está limitado por la saturación magnética en el estator y el hierro del rotor, y generalmente es de aproximadamente un tesla (weber por metro cuadrado). El voltaje efectivo, o raíz cuadrática media (rms), inducido en una vuelta de una bobina del estator en un generador de 2 polos y 60 hertzios es de aproximadamente 170 voltios por cada metro cuadrado de área abarcada por la vuelta. Los generadores síncronos grandes generalmente están diseñados para un voltaje terminal de varios miles de voltios. Por lo tanto, cada bobina del estator puede contener varias vueltas de conductor aisladas, y cada devanado del estator generalmente consiste en una serie de bobinas similares colocadas en ranuras secuenciales en la superficie del estator y conectadas en serie como se muestra para el devanado a-a 'en la Figura 3.

FIGURA 3

Fases:

Los voltajes inducidos en bobinas individuales en el devanado distribuido de la Figura 3 están algo desplazados en el tiempo uno del otro. Como resultado, el voltaje de bobinado máximo es algo menor que el voltaje por bobina multiplicado por el número de bobinas. La forma de onda es, sin embargo, todavía de forma aproximadamente sinusoidal. En la figura, el devanado a-a 'abarca dos arcos, cada uno de 60 °. Para hacer uso de toda la periferia de la superficie del estator, se insertan otros dos devanados similares. La tensión inducida en el devanado b-b 'será igual en magnitud máxima a la de a-a' pero se retrasará en el tiempo en un tercio de un ciclo. El voltaje en el devanado c-c 'se retrasará un tercio adicional de un ciclo. Esto se conoce como un sistema trifásico de bobinados. Las formas de onda para los tres devanados, o fases, se muestran en la Figura 4.

FIGURA 4

La disposición trifásica tiene una serie de ventajas. Un solo devanado, o fase, requiere dos conductores para la transmisión de su energía eléctrica a una carga. A primera vista, podría parecer que se necesitarían seis conductores para el sistema en la Figura 3. Sin embargo, si las formas de onda de la Figura 4 se consideran como las corrientes que fluyen en los devanados trifásicos, se verá que la suma de las tres corrientes es cero en cada instante en el tiempo. Por lo tanto, siempre que las tres fases se carguen por igual, los terminales a ', b' y c 'de la Figura 3 pueden conectarse entre sí para formar un punto neutro que puede conectarse a tierra o, en algunos casos, dejarse abierto. La potencia de las tres fases se puede transmitir en tres conductores. Esta conexión se llama conexión estrella o estrella. Alternativamente, dado que los tres voltajes de los devanados también suman cero en cada instante, los tres devanados se pueden conectar en serie (a 'a b, b' a c y c 'a a) para formar una conexión delta. La salida se puede transmitir utilizando solo tres conductores conectados a los tres puntos de unión. Otras ventajas del sistema trifásico se harán evidentes en la discusión de los motores eléctricos a continuación.
Excitación de campo:
Se requiere una fuente de corriente continua para el devanado de campo, como se muestra en la Figura 2. En generadores síncronos muy pequeños, esta corriente puede suministrarse desde una fuente externa al ajustar el eje del generador con dos anillos de cobre (o deslizamiento) aislados, conectando el La bobina de campo termina en los anillos y proporciona una conexión a la fuente externa a través de escobillas de carbón fijas que se apoyan en los anillos.La potencia requerida para el devanado de campo es la que se disipa como calor en la resistencia del devanado. En generadores grandes, esto generalmente es menos del 1 por ciento de la capacidad nominal del generador, pero en un generador con una capacidad de 1,000 megavoltios-amperios, esto seguirá siendo de varios megavatios. Para la mayoría de los generadores síncronos, la corriente de campo la proporciona otro generador, conocido como excitador, montado en el mismo eje. Esto puede ser un generador de corriente continua. En la mayoría de las instalaciones modernas, se utiliza un generador síncrono como excitador. Para este propósito, los devanados de campo del excitador se colocan en su estator y los devanados de fase en su rotor. Se utiliza un rectificador montado en el eje giratorio para convertir la corriente alterna en corriente continua. La corriente de campo del generador principal se puede ajustar controlando la corriente de campo del excitador.
Calificación del generador:

La capacidad de un generador síncrono es igual al producto del voltaje por fase, la corriente por fase y el número de fases. Normalmente se indica en megavoltios-amperios (MVA) para generadores grandes o kilovoltios-amperios (kVA) para generadores pequeños. Tanto el voltaje como la corriente son los valores efectivos, o rms, (igual al valor máximo dividido por la raíz cuadrada de √2).La capacidad nominal de la máquina difiere de la potencia del eje debido a dos factores, a saber, el factor de potencia y la eficiencia. El factor de potencia es la relación de la potencia real entregada a la carga eléctrica dividida por el producto total de voltaje-corriente para todas las fases. La eficiencia es la relación entre la salida de energía eléctrica y la entrada de energía mecánica. La diferencia entre estos dos valores de potencia es la pérdida de potencia que consiste en pérdidas en el hierro magnético debido al flujo cambiante, pérdidas en la resistencia del estator y los conductores del rotor, y pérdidas por el viento y la fricción del rodamiento. En los grandes generadores síncronos, estas pérdidas son generalmente inferiores al 5 por ciento de la capacidad nominal. Estas pérdidas deben eliminarse del generador mediante un sistema de enfriamiento para mantener la temperatura dentro del límite impuesto por el aislamiento de los devanados.

VIDEO INFORMATIVO:

                                   

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