Esta guía cubre la construcción de generadores trifásicos, la regulación de voltaje, la clasificación de voltaje, los métodos de enfriamiento, el control de excitación y algunos ejemplos prácticos.
el es generador trifasico Tiene dos devanados principales:
| 1. | Devanado alterno trifásico |
| 2. | Otro devanado que transporta corriente continua. |
En la mayoría de los casos, el rotor tiene el devanado de CC y el estator tiene el devanado de CA. Un generador con un devanado de CA giratorio y un devanado de CC fijo, aunque es adecuado para salidas más pequeñas, no es satisfactorio para las salidas más grandes requeridas en las centrales eléctricas. Con estas máquinas, la potencia se puede expresar en megavatios, un valor demasiado grande para manejar con escobillas y anillos colectores. Dado que los voltajes de los terminales son de hasta 33 kV, la única construcción satisfactoria es disponer los devanados de CA y suministrar corriente CC al rotor.
Este arreglo tiene las siguientes ventajas:
| 1. | Espacio de bobinado adicional disponible para bobinado de CA |
| 2. | Más fácil de aislar para voltajes más altos |
| 3. | Construcción de rotor simple y sólida. |
| 4. | Voltajes y corrientes más bajos en devanados giratorios. |
| 5. | Los devanados de alta corriente tienen fuertes conexiones con el circuito "exterior". |
| 6. | Los impulsores de turbina se adaptan mejor a velocidades más altas (y recuentos de polos más bajos). |
estator
El estator de la máquina síncrona trifásica consta de un núcleo laminado dividido en el que se encuentra el devanado del estator. El devanado del estator consta de tres devanados separados físicamente desplazados entre sí por 120°E. Cada devanado de fase tiene varias bobinas conectadas en serie para formar un número definido de polos magnéticos.
Una máquina de cuatro polos, por ejemplo, tiene cuatro grupos de bobinas por fase o cuatro grupos de polos y fases. Los extremos del devanado trifásico están conectados en configuración estrella o triángulo al circuito externo.
El devanado de fase de una máquina trifásica consta de tres devanados idénticos distribuidos simétricamente alrededor del estator.
Se muestra un estator trifásico típico i Verdadero 1.
Figura 1 Estator para generador trifásico de 415 V y cuatro polos de 350 kVA
Rotor
El rotor del generador trifásico puede ser de dos tipos: de baja velocidad y de alta velocidad.
Baja Velocidad (Polo Bajo)
Este tipo generalmente consta de una "araña" como la que se usa en las máquinas de CC, a la que se atornillan los polos de campo y las bobinas de campo (ver Verdadero 2(a)). Debido a que las fuerzas periféricas producidas en la periferia del rotor serían excesivas a alta velocidad, las restricciones físicas limitan el uso de este tipo de rotor a máquinas de baja velocidad.
Figura 2 Principales tipos de rotores de generador: (a) baja velocidad, (b) alta velocidad
Alta velocidad (cilíndrico)
El rotor cilíndrico se desarrolló para satisfacer las necesidades de los motores principales de alta velocidad. Para contrarrestar las fuerzas centrífugas, su diámetro debe ser pequeño en comparación con su longitud (ver Verdadero 2(b)).
Kingspins
Baja velocidad
La mayoría de los motores diésel utilizados como motores primarios para impulsar generadores funcionan en el rango de 500 a 1000 rpm, lo que requiere el uso de rotores con muchos pares de polos.
Las turbinas hidroeléctricas tienen impulsores impulsados por agua que funcionan a bajas velocidades, por lo que también impulsan un rotor de orificios múltiples. Mientras que el generador de motor diesel generalmente tiene su eje en el plano horizontal, la unidad hidroeléctrica tiene su eje en el plano vertical. Este método de construcción significa que se deben instalar cojinetes de empuje especiales para soportar el empuje final del componente giratorio.
Alta velocidad
Las turbinas de potencia, ya sean de vapor o de gas, funcionan de manera eficiente a velocidades de alrededor de 3000 rpm. Un generador trifásico accionado por una turbina y que produce una frecuencia de 50 Hz a 3000 rpm debe tener dos polos.
La relación entre velocidad, frecuencia y número de polos se puede determinar a partir de:
Ejemplo 1
¿Qué tan rápido se debe configurar un controlador de generador diesel de 12 polos para generar una frecuencia de 60 Hz?
Un generador trifásico dentro del rango de velocidad que se muestra i Ejemplo 1 tendrá un diámetro grande y una longitud axial relativamente corta. Con las turbinas, el costo adicional y la maquinaria auxiliar limita su uso a tamaños más grandes. Las salidas más altas significan que se debe aumentar la longitud del generador, y aumentar la longitud da como resultado dificultades de enfriamiento.
Se muestra un grupo electrógeno de reserva típico i Verdadero 3 en la parte trasera. Este tipo de generador actúa como respaldo en caso de un corte de energía.
imagen 3 Grupo electrógeno de montaje deslizante
Refrigeración del generador trifásico
Baja velocidad
Con generadores accionados por motor o hidroeléctricos, no hay gran dificultad para proporcionar una ventilación adecuada debido al gran diámetro y la corta longitud axial. A la gran superficie disponible para la radiación directa de calor debido a la rotación de las esferas se añade una acción de ventilación, acción que puede incrementarse añadiendo aspas de ventilador si es necesario.
Cuando la longitud axial es corta, el calor desarrollado en los devanados embebidos es rápidamente conducido a los extremos donde puede ser disipado por la acción de la ventilación. A medida que aumenta el tamaño de la máquina, a menudo se requieren conductos de ventilación dentro del núcleo para proporcionar caminos a través de los cuales pueda fluir el aire de enfriamiento.
Alta velocidad
La provisión de instalaciones de enfriamiento adecuadas en máquinas de alta velocidad y alta capacidad es un problema, si la temperatura de operación de los devanados debe mantenerse dentro de límites seguros. El área disponible para enfriamiento en una máquina de alta velocidad es menor que en una máquina de baja velocidad de la misma capacidad.
El diámetro del rotor debe ser lo suficientemente pequeño para mantener la velocidad superficial en un valor seguro, por lo que para grandes capacidades la longitud de la máquina debe ser significativa. Debido a esta gran distancia axial, es difícil enfriar la parte central del núcleo porque el calor generado no puede evacuarse lo suficientemente rápido como para limitar el aumento de temperatura en el núcleo a un valor que proteja los devanados y el aislamiento.
Debido a estas circunstancias, fue necesario encerrar completamente el generador y permitir el uso de ventilación forzada para eliminar el calor producido. Cuando se utiliza aire de refrigeración, debe filtrarse para mantenerlo limpio y, a veces, frotarse pasándolo a través de una cámara de pulverización para evitar que se acumule polvo en la máquina. Lavar el aire tiene el beneficio adicional de enfriarlo, lo que reduce aún más la temperatura del generador, lo que permite aumentar la potencia de la máquina.
Para aumentar aún más las calificaciones del generador, se usa gas hidrógeno en lugar de aire debido a su mayor capacidad para absorber calor. La máquina se apaga por completo y el hidrógeno se sopla a través del generador y luego a través de un intercambiador de calor antes de volver a circular por el generador. La exclusión completa del aire de la máquina de sellado es absolutamente necesaria para evitar la formación de una mezcla explosiva de aire/hidrógeno.
Se tiene mucho cuidado con la pureza del gas hidrógeno. La presión del aceite de los cojinetes tiene un valor superior a la presión del hidrógeno bombeado a través de la máquina. Esto asegura que el flujo de aceite a través del sello se dirija hacia el gas hidrógeno para que quede retenido en la máquina. Luego, el aceite puede pasar por un proceso de vacío para eliminar el gas de hidrógeno o el aire antes de que se reutilice en el máquina.
Estos métodos de enfriamiento requieren mucha energía y equipos auxiliares, por lo que la salida del generador debe aumentar considerablemente para que el método sea económicamente factible. Como resultado, solo se usa en máquinas de muy alta capacidad.
Ánimo
El método habitual de CC excitando el devanado del rotor es que cada máquina tenga su propio generador de CC llamado excitador. El excitador puede ser accionado por correa o reductor desde la máquina síncrona, pero la práctica habitual es conectar el excitador directamente al eje del rotor.
El inducido del excitador gira bajo la influencia del campo del excitador, provocando que se genere un voltaje de CC en el inducido. La salida del excitador se alimenta al devanado de campo de la máquina síncrona. Al ajustar el reóstato en el circuito del campo del excitador, se puede cambiar la fuerza del campo magnético en el rotor.
El diagrama básico de un generador y su excitador se muestra en Verdadero 4.
Figura 4 Circuito generador básico
Con generadores trifásicos muy grandes, los requisitos de excitación de CC son significativos. Esto significa que los generadores de CC también deben ser voluminosos; tanto que es posible que no sean capaces de motivarse a sí mismos. Por esta razón, el generador de CC puede requerir su propio excitador; uno capaz de proporcionar autoexcitación y energía al campo del generador principal, que a su vez alimenta el campo del rotor del generador.
Algunos generadores utilizan un sistema excitador sin escobillas en el que la armadura del excitador se reemplaza por un pequeño generador trifásico que gira bajo la influencia de un pequeño campo magnético residual. Esto crea un pequeño voltaje trifásico en el excitador. Cuando se convierte a CC mediante un rectificador interno, alimenta el campo del generador principal, lo que da como resultado un voltaje de salida de CA.
Una unidad de sensor conectada a la salida de la máquina monitorea el voltaje de salida y la corriente de carga del generador y envía señales eléctricas a un rectificador de control, que controla la fuerza del campo de excitación. La unidad sensora y el rectificador de control son, en cierto sentido, el regulador de voltaje de la máquina.
Se muestra un circuito básico de un sistema generador sin escobillas i Verdadero 5.
Figura 5 Excitación sin escobillas
Voltaje generado
El valor de la tensión alterna generada depende de la intensidad del flujo del rotor y de la velocidad a la que corta los devanados. Como la velocidad debe ser constante (y está relacionada con la frecuencia requerida), el único factor restante que determina el valor del voltaje generado es la intensidad de flujo del rotor.
Para un generador trifásico, la tensión generada se obtiene de:
Ejemplo 2
Calcule el voltaje de línea de un generador de 50 Hz conectado al video dados los siguientes datos:
Efecto de la carga en el voltaje del generador
Se puede considerar que un generador trifásico consta de tres componentes en serie:
| 1. | Una fuente de corriente alterna |
| 2. | Resistencia - que muestra pérdidas de hierro y cobre |
| 3. | Un inductor que representa la inductancia de los devanados y la fuga magnética. |
Se debe suponer que cualquier carga colocada en el generador está en serie con estos componentes (ver Verdadero 6 en la espalda).
Figura 6 Circuito equivalente de un generador trifásico
La impedancia en serie de la resistencia y el inductor proporciona una caída de voltaje antes de que el voltaje generado pueda alcanzar la carga conectada. Además, la corriente de carga en los devanados de CA produce una reacción de armadura, que también afecta el voltaje de salida.
Con un factor de potencia de unidad de carga, la reacción del inducido distorsiona directamente el campo principal y el efecto sobre el voltaje es mínimo, la caída de voltaje se debe principalmente a la impedancia en serie. Verdadero 7(a) muestra que la caída de voltaje es resistiva infrarrojos en fase con la corriente de carga yo y la caída de tensión debida a la reacción IX que está a 90°E de infrarrojos otoño
Imagen 7 Fasores para varias cargas de factor de potencia en un generador
Estos dos valores se combinan para formar una caída de tensión ES debido a la prevención del devanado del generador. La suma de los pasos del voltaje de salida y ES da el voltaje generado Vgramo.
Sin embargo, en el caso de una carga de bajo factor de potencia, el efecto magnético de las corrientes del estator se opone al efecto del rotor (ver Verdadero 7(b)). Esto da como resultado un campo de rotor debilitado y reduce el voltaje de salida más de lo que lo habría hecho la carga resistiva por sí sola. Como antes, infrarrojos en fase con la corriente de carga yo. IX a 90°E en SI, un lugar como ese ES desde un ángulo diferente al caso anterior. En una manera similar, Vg es igual a la suma de los fasores de la tensión de salida y IZ.
Para cobro con anticipo Factor de potenciael flujo causado por las corrientes del estator ayuda a la corriente del rotor, lo que hace que aumente el voltaje de salida (ver Verdadero 7(c)).
Las características de los tres tipos de cargas se presentan i Verdadero 8.
Figura 8 Efecto del factor de potencia en el voltaje de salida del generador
Regulación de tensión del generador trifásico
Se requiere un generador trifásico para proporcionar un voltaje de terminal prescrito a plena carga. La diferencia de salida entre sin carga y con carga completa es una medida de su regulación de voltaje. La diferencia se compara con el valor de carga completa de la misma manera que las máquinas de CC.
Primera regulación de voltaje:
Ejemplo 3
Un generador trifásico conectado en estrella, con factor de potencia unitario, tiene un voltaje de salida de 3300 V a plena carga. Cuando se elimina la carga y la excitación no cambia, el voltaje aumenta a 3350 V. Encuentre la regulación porcentual.
Notar: La regulación también debe hacer referencia al factor de potencia de la carga ya que estos se deben a cualquier otro factor de potencia Las figuras sería diferente
Valores nominales del generador trifásico
La clasificación de un generador trifásico se basa en tres factores básicos:
| 1. | Frecuencia |
| 2. | Tensión |
| 3. | Correr. |
La frecuencia determina la velocidad a la que debe funcionar el generador, el voltaje nominal determina el voltaje de salida diseñado y la corriente nominal es la corriente de salida a plena carga. Los dos últimos factores ayudan a establecer la clasificación de voltios-amperios, generalmente expresada en kVA.
La potencia nominal de un generador trifásico no se puede dar en kilovatios porque el factor de potencia de cualquier carga colocada en el generador está fuera del control del fabricante y su valor puede variar ampliamente.
Ejemplo 4
Un generador trifásico de 415 V 50 Hz tiene una potencia nominal de 150 kVA con un factor de potencia de 0,8.
Calculalo:
| (a) | Potencia de carga en kilovatios a plena carga con valores de factor de potencia de 0,8 y 0,6 |
| (b) | Corriente a plena carga del generador. |
(a) La máquina tiene una potencia nominal de 150 kVA y un factor de potencia de 0,8, por lo que a esta carga:
Con un factor de potencia de 0,6:
(b) En ambos casos la corriente de fuga es el valor de corriente a plena carga, el cual no debe ser excedido por problemas de enfriamiento en los devanados.
Con un factor de potencia de 0,8:
Este es el valor nominal de corriente a plena carga para cada fase de devanado de ese generador en particular y se aplica independientemente de la potencia de carga o Factor de potencia.
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