Selección del generador eléctrico parte I
Introducción
¡Hola!
¡Qué emoción volvernos a encontrar! Espero que sigas con ese mismo ímpetu de la primera clase y sigas aprendiendo, por lo tanto te invito a esta séptima clase titulada Selección del generador eléctrico de una central generadora de energía eléctrica de la unidad de aprendizaje Centrales Eléctricas.
El objetivo de esta sesión es proporcionarte las técnicas y herramientas para resolver problemas en el ámbito del diseño de redes eléctricas.
En esta clase digital se verán los conceptos de la selección de los generadores eléctricos, los cuales se utilizan para convertir la energía mecánica en energía eléctrica. En específico, un generador hidroeléctrico opera cambiando la energía mecánica del agua que cae o del agua estacionaria en energía eléctrica. La energía mecánica se compone de energía cinética, o en movimiento, y energía potencial o en reposo, estos aspectos son importantes para realizar una correcta selección de un generador eléctrico, a continuación se desarrollará este tema.
Sin otro en particular, te reitero la bienvenida a esta clase digital y mis mejores deseos para poder completar con éxito nuestro temario.
Desarrollo del tema
Generador eléctrico
Un generador eléctrico es una máquina rotatoria, la cual tiene su principio de funcionamiento en la ley de inducción de Faraday. Si una bobina de alambre se encuentra inmersa en un campo magnético, en ella se inducirá un voltaje si su posición se hace variar con respecto a la del campo. Un generador de energía eléctrica está compuesto por varias bobinas de alambre que se encuentran en su estator y en su rotor.
El generador (o alternador) esta compuesto por dos partes fundamentales:
- El rotor (o inductor móvil), que se encarga de generar un campo magnético variable al girar arrastrado por la turbina.
- El estator (o inducido fijo), sobre el que se genera la corriente eléctrica aprovechable.
En centrales menores de 1000 KW la tensión de trabajo del generador es de 380 o 500 voltios y para potencias más elevadas la generación se produce en media tensión (3000, 5000 O 6000 voltios).
Tipos de generadores eléctricos
Básicamente se utilizan dos tipos de generadores eléctricos para generar energía eléctrica a gran escala. Los generadores eléctricos pueden ser sincrónicos y asincrónicos o de inducción. Sin importar el tipo de generador eléctrico que se utilice, siempre se requiere de alguna forma de obtención de energía mecánica debido a que es necesario que los campos magnéticos del generador varíen para que éste pueda cumplir con su función.
Generadores sincrónicos
A estos generadores se les da este nombre porque su señal de salida es proporcional a la frecuencia que le proporciona su primotor, es decir, la fuente de energía mecánica. Los generadores sincrónicos requieren de una fuente de excitación de corriente directa para poder generar energía eléctrica alterna. El campo magnético que produce la corriente directa es estático, con el movimiento que proporciona el primotor al rotor se induce tensión en los devanados del estator. Un alternador es similar en construcción a un motor síncrono de rotor excitado; éste consiste en un estator con arrollamiento trifásico y un rotor de polos inductores salientes excitados con corriente continua. La presencia o ausencia de jaula de ardilla depende del uso a que se destine el alternador. El alternador tiene que ser accionado por un motor eléctrico, una turbina de vapor, un motor Diesel, etc. Del arrollamiento del estator, que por lo regular va conectado en estrella, salen tres hilos o cuatro si la distribución se hace con tres fases y neutro.
Para entrar en servicio un alternador se lleva primero a la velocidad de régimen y luego se excitan lentamente los polos rotóricos con corriente continua. Al girar el campo magnético creado por el rotor, el arrollamiento estatórico corta líneas de fuerza, y por tanto se induce en él una tensión. Si el estator lleva un arrollamiento trifásico, se generará una tensión trifásica; si se necesita monofásica, sólo se utilizan dos de los hilos exteriores, o, si la conexión es en estrella, un hilo de fase y el neutro. La frecuencia de la tensión generada por un alternador es función de la velocidad y del número de polos de la máquina, la variación de la tensión de excitación no influirá sobre la frecuencia, aunque sí sobre la tensión generada por la máquina. Esta tensión varía con la carga, razón por la cual si se desea mantener la primera constante es preciso gobernar la tensión de excitación, sea manualmente, sea con auxilio de un regulador automático.
Frecuencia de la señal del generador sincrónico
La frecuencia de la señal proporcionada por el generador depende del número de polos de este y de la velocidad mecánica que le proporciona su primotor, se expresa con la ecuación:
𝑓 = 𝑛𝑚 𝑃 120
- 𝑓 Es la frecuencia de la señal generada
- 𝑛𝑚 Es la velocidad mecánica del generador
- 𝑃 Es el número de polos del generador
En este tipo de generadores, la conversión de energía mecánica en eléctrica se produce a una velocidad constante llamada velocidad de sincronismo (𝑛𝑚).
Se requiere que la frecuencia de la señal sea de 60 Hz, entonces lo que se puede hacer variar es la velocidad mecánica del generador, ya que el generador viene de fábrica con determinado número de polos sólo al hacer variar la velocidad mecánica del generador podemos variar la frecuencia de la señal.
Generadores de inducción
Los generadores de inducción no cuentan con una fuente de excitación de corriente directa, en estos el estator induce una tensión en el rotor y comienza a circular una corriente en éste, con lo que se genera un campo que se opone al que produjo la inducción inicialmente, esto ocurre siempre que el primotor del generador le provea de potencia mecánica; este hecho hace que solo se genere potencia reactiva, no potencia activa. Las máquinas de inducción son utilizadas en su mayoría como motores no como generadores, siempre absorben potencia activa, aunque trabajen como generadores.
Dada la simplicidad, robustez y bajo costo de los clásicos motores eléctricos, estos han comenzado a usarse como generadores eléctricos. Para ello es necesario que el par mecánico comunicado al rotor produzca una velocidad de giro superior a la de sincronismo. Este exceso de velocidad produce un campo giratorio excitador. Interesa que la diferencia sea pequeña para reducir las perdidas en el cobre del rotor.
Es necesaria la colocación de una batería de condensadores que compense la energía reactiva generada. La corriente para la creación del campo magnético se toma de la red, a la que se debe estar conectado. El empleo de este tipo de generadores no precisa regulador de velocidad en la turbina. Para arrancar en grupo se abre el distribuidor de la turbina hasta que se llega a una velocidad próxima a la de sincronismo y en ese momento se conecta a la red por medio de un interruptor automático.
Generadores de corriente directa
Básicamente existen tres tipos de generadores de corriente directa, pero su tipo depende de la conexión de su campo, los tres tipos son: generador en derivación o conexión shunt, generador en serie, y generador compuesto o compound. Las máquinas de corriente directa que funcionan como motores tienen diferentes características que dependen de la conexión de su devanado de campo; cuando el campo de un motor de corriente directa se conecta en serie se tiene un mejor par de arranque, por lo tanto, es mejor utilizar esta conexión cuando se le utiliza como motor. Cuando el motor se conecta con el campo en derivación se tiene una mejor regulación de voltaje, ya que todo el voltaje de alimentación aparece en este devanado. Una combinación de las dos conexiones mencionadas dará como resultado la mezcla de estas dos características: buena regulación de voltaje y mejor par de arranque. Cuando se trata de un generador de corriente directa que va a ser utilizado como fuente de excitación para un generador trifásico de corriente alterna es mejor utilizar la conexión del campo en derivación o shunt, ya que se requiere que todo el voltaje generado aparezca en el devanado de campo en paralelo con la armadura y que se tenga una buena regulación de voltaje.
La regulación de voltaje se refiere a la relación de voltajes que aparecen cuando se tiene carga y cuando no se tiene, ésta se da en porcentaje. El diagrama 1 muestra la conexión shunt utilizada cuando la máquina de corriente directa trabaja como generador eléctrico.
Conclusión
En resumen, el generador eléctrico en conjunto con la turbina hidráulica es la base del sistema de generación, se debe seleccionar de acuerdo con la potencia de entrada que recibe por parte de la turbina. Por lo regular para la generación de energía eléctrica se utilizan generadores sincrónicos, ya que la frecuencia de la señal está en sincronía con la velocidad mecánica del generador, además se requiere de una fuente de corriente directa para que el generador eléctrico pueda funcionar.
En la actualidad los generadores eléctricos alcanzan magnitudes bastante grandes ya que la demanda de energía y la eficiencia de los sistemas utilizados para su transmisión se han desarrollado con una eficiencia sorprendente. Como ya es sabido, los generadores de inducción generan potencia reactiva pero no activa, los generadores sincrónicos si generan potencia activa y potencia reactiva, es por ello por lo que es preferible utilizar estos últimos para generar energía.
Hemos llegado al final de la sesión y no me resta más que felicitarte por llegar hasta esta parte del curso. Te invito a que continúes con tu proceso formativo realizando la tarea asignada y mandarla como corresponde. Te encuentro próximamente.
Fuentes de información
- Klempner, G., & Kerszenbaum, I. (2008). Handbook of Large turbo-generators, operation and maintenance. (2a ed.). Wiley-IEEE Press.
- Nag. P. K. (2002). Power Plant Engineering. (2a ed.).Tata McGraw Hill Education.
- Drbal, L., Westra, K., & Boston, P. (Eds). (1996). Power Plant Engineering. Springer EE. UU.