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Generadores

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Capítulo 1 Generadores 1.1 Generalidades sobre los generadores En la actualidad, la generación de energía eléctrica se realiza casi exclusivamente con alternadores trifásicos de 50 Hz ó 60 Hz. Solamente en algunos países centroeuropeos existen centrales eléctricas para servicio exclusivo de ferrocarriles, en las que se encuentran grandes aHernadores cuya frecuencia es de 16 2/3 Hz. Sin embargo, también se suelen equipar pequeñas centrales hidroeléctricas y centrales eólicas con generadores asíncronos. El empleo de turboaHernadores o alternadores de polos salientes en las centrales eléctricas se rige por la velocidad de rotación de la máquina motriz. Solamente se suelen encontrar cajas reductoras entre turbina y generador en casos excepcionales, como ocurre en pequeñas instalaciones industriales de turbinas de vapor .

En centrales térmicas con combustibles convencionales (carbón, gas-oil, gas, etc.), se emplean turbogeneradores con una velocidad de giro síncrona de 3000 rev/min (f =50 Hz). En las centrales termonucleares con reactores de agua en ebullición (BWR), se emplean turbogeneradores tetrapolares de 1500 rev/min (50 Hz). Para reactores de agua a presión (PWR), se emplean generadores bipolares de 3000 rev/min ( f =50 Hz). Si los alternadores se accionan por medio de turbinas hidráulicas o motores diesel, se habrán de tomar en consideración ejecuciones muHipolares, cuyas velocidades de sincronismo puedan llegar a ser inferiores a 100 rev/min. Los generadores que se emplean en las centrales hidroeléctricas de acumulación y acumulación por bombeo tienen habitualmente velocidades de sincronismo de 600 rev/min a 750 rev/min; mientras que las velocidades de sincronismo de los generadores de grandes centrales hidroeléctricas fluviales están dentro del intervalo de 60 rev/rnin a 125 rev/min (con p = 24 pares de polos y f =50 Hz). En los turbogeneradores de 3000 rev/min aparecen en la periferia del rotor grandes esfuerzos, por lo que sus diámetros están limitados en la actualidad a aproximadamente 1250 mm. A los valores anteriores les corresponde una velocidad periférica de aproximadamente 200 mis. Turboalternadores con refrigeración por aire se construyen de hasta 40 MVA (grupos turboaHernadores industriales). Se pueden fabricar de hasta 170 MVA, siempre que se tome

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en consideración un rendimiento menos favorable. En la actualidad, por razones económicas, los turbogeneradores de potencia superior a los 50 MVA se realizan con refrigeración por hidrógeno.

1111 o

45

70

90

230

750

1500

S,[MVA]

Fig. 1. 1. 1

Secciones de Jos devanados del estator y del rotor indicando Jos correspondientes medios de refrigeración de Jos mismos en función de la potencia nominal de Jos generadores.

Un mayor aprovechamiento de los generadores se hizo posible gracias a la refrigeración directa por agua del devanado estatórico y de parte del devanado rotórico. El aumento de la refrigeración permite ante todo una elevación importante de la capa de corriente del rotor, lo que conduce a un mejor aprovechamiento de la máquina. En los grandes generadores bipolares se alcanzan cargas de corriente por encima de los 2,5 .1 os Al m y la inducción llega a aproximadamente 1,2 T. Hoy día se obtienen para grandes generadores elevados rendimientos de alrededor del98,5 % para plena carga. También se han conseguido enormes mejoras desde el punto de vista del aislamiento de los bobinados a base de resinas sintéticas termoelásticas sin disolventes, de tal manera que hoy pueden fabricarse aislamientos del estator impregnados al vacío, que son resistentes al envejecimiento y totalmente insensibles al aceite y al agua. La potencia del generador se elige en función de la tensión nominal del mismo según la figura 1.1.2. Como intervalo de regulación se prevé en la mayoría de los casos el± 5%. Para los generadores de baja tensión, Un=400 V, la potencia está limitada a 2 MVA.

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Generadores

un [kV] 35 30

- - 27 kV 25

- 24kV

21 kV 20 15

10,5 kV

10

G,3 kV

5

o

' '

' o

500

' 1000

' ' ' '

' 1500

Fig. 1. 1.2 Elección de la tensión del generador en función de la potencia .

La forma típica de refrigeración de las grandes máquinas bipolares y tetrapolares es la refrigeración directa por agua del arrollamiento estatórico y refrigeración directa por H2 del rotor, figura 1.1.3.

Fig. 1.1.3 Corte esquemático de un turbogeneradorde 1490 MVA, cos cp = 0,9, 24 kV, 60 Hz, 1800 min·t de la BBC.

Un aumento de la potencia unnaria es posible con refrigeración directa por agua de los arrollamientos estatórico y rotórico. Las capacidades de evacuación de calor de los medios refrigerantes aire, hidrógeno, agua se comportan como 1: 5 : 50. Otra de las soluciones empleadas consiste en la refrigeración directa por agua de los devanados estatóricos y rotóricos, mientras que las restantes piezas están refrigeradas por hidrógeno, figura 1.1.4.

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Centrales eléctricas

Fig. 1.1.4 Corte esquemático de un turbogenerador de 1530 MVA. cos rp = 0,8, 27 kV, 50 Hz, 1500 min·1 de la KWU.

Se pueden llegar a potencias unitarias de 2000 MVA para turboalternadores de dos pares de polos y de 2500 MVA para turboatternadores de cuatro pares de polos. La potencia límite de los attemadores no viene impuesta en primer lugar por problemas de refrigeración, sino más bien por una serie de problemas parciales, oomo la resistencia de los materiales, el peso, etc. Así el rotor de un atternador de 1500 MVA, cuatro polos, puede pesar 200 toneladas. El peso del estator para el transporte puede ser del orden de las 370 toneladas. Respecto a los generadores superconductores hay que decir que están en una fase experimental. En el M.I.T. se construyó un generador superconductor experimental de 80 kV A.

1.2 Diagramas vectoriales de corrientes y potencias de los alternadores Los grandes alternadores que se emplean en las centrales eléctricas tienen el devanado inductor situado en el rotor y el devanado trifásico, el inducido, situado en el estator. La corriente de excitación del devanado rotórioo se suministra generalmente a través de anillos rozantes. Cuando la alimentación se hace por medio de una excitatriz de corriente alterna, a través de diodos que giran con el rotor, no se necesitan anillos ni escobillas. Las diferencias constructivas entre los generadores de polos salientes y los de rotor cilíndrico (turbogeneradores) condicionan el distinto comportamiento eléctrico. Los arrollamientos del estator son en ambos casos iguales. De la teoría básica de los generadores síncronos, se sabe que para que el generador suministre potencia activa a la red, el rotor debe de ser acelerado por el motor primario (turbina) hasta un ángulo de carga (J tal que el par de freno que se origina sea igual al par motor (prescindiendo de las pérdidas).

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Generadores

A partir del diagrama fasorial del generador de polos salientes, utilizando el método de los dos ejes, se pueden obtener de la figura 1.2.1 las siguientes relaciones:

Eje d (lm)

o

!J.p

lq

& p

l.jXq

e

1 .X q

Id ld.xd

Eje q (Re)

q

B

Fig. 1.2. 1 Diagrama fasorial simplificado de un generador síncrono de polos salientes sobreexcitado.

(1.2.1)

.U.p

~u+ j

xq 1

~ ~ll+jXdld + j){,¡lq siendo:

Xa ~ Reactancia de dispersión del estator.

X;d

~

Reactancia de reacción del inducido longnudinal (según el eje longitudinal).

X;q ~ Reactancia de reacción del inducido transversal (según el eje transversal).

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~ ~ ~

Tensión simple o de fase en bornes del generador. Corriente de fase del estator (retrasada un ángulo rp respecto de la tensión .!.!J. La tensión en el entrehierro.

~

La f.e.m. de generador.

Xd

~

Reactancia síncrona longnudinal:

Xq

~

Reactancia síncrona transversal:

1 E., E.

(1.2.2) (1.2.3)

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Centrales eléctricas

Para el ángulo de carga 8, y para las potencias activa y reactiva de las tres fases, se obtienen las siguientes relaciones:

(1.2.4)

p

3U E sen a

2

+

xd

O= 3U(Ecose- U)

~(-1-- ~sen2e ~

2 2

+~(-1-~

2

xd

xd

1 - -)(cos2e- 1) xd

(1.2.5)

(1.2.6)

El segundo miembro de la ecuación 1.2.5 es independiente de la excttación y determina el círculo de reacción con radio ( 1/Xq - 1/Xd). El generador de polos salientes puede dar potencia reactiva sin excttación, que se designa como potencia de reacción, y cuyo valor máximo se obtiene para un valor del ángulo de carga 8 = 45°. Para hallar experimentalmente la reactancia síncrona no saturada, Xd, de una máquina síncrona se alimenta ésta a su tensión nominal, se hace girar a la velocidad de sincronismo sin excitar y se mide la corriente estatórica. El valor de la reactancia síncrona no saturada se obtiene como el cociente entre los valores obtenidos de la tensión de fase, Urn• y de la corriente de fase estatórica, /, es decir:

u

X=~ d

(1.2.7)

1

El diagrama del turbogenerador se puede deducir del diagrama de la máquina de polos salientes, teniendo en cuenta que mientras que, en la máquina de polos salientes se verifica que Xq < Xd, en el turbogenerador se cumple que )(',¡= )(,¡. El circutto equivalente está representado en la figura 1.2.2.

fu Fig. 1.2.2 Circuito equivalente de un turbogenerador.

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Generadores

A partir de la expresión de la potencia aparente:

S=3!.ll

•

(1.2.8)

y teniendo en cuenta los valores de J!. e 1que se obtienen del diagrama fasorial del turbogenerador representado en la figura 1.2.3, la potencia aparente del turbogenerador vale:

.Q = 3 U l(cos cp+ j sen cp)

sen

e

(1.2.9)

+ j 3UE (Cose-.!:!.¡

xd

E

(1.2.10)

lm

Fig. 1.2.3 Diagrama fasoria/ de un turbogenerador.

Si se dividen los fasores de tensión de la figura 1 .2.3 por j >=Y.i' ~

(1.2.13)

= p ±jq

(1.2.14)

lm +1 Límite de potencia de la turbina Sobreexcitado

o

Re

Subexcitado

o

-1

Fig 1.2.5 Diagrama de potencias de un turbogenerador en p. u.

El lím~e de estabilidad real presente en cada caso depende del sistema de excitación, de la función de transferencia del regulador de tensión y de la reactancia exterior. El diagrama de potencias de un generador de polos salientes se muestra en la figura 1.2.6.

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Generadores

La diferencia entre Xd y Xq determina el círculo de reaccton. Para los puntos de funcionamiento exteriores al círculo de reacción es la corriente de excitación i9 > O ; para puntos interiores al círculo se verifica, por el contrario i9 < O (excitación negativa), mientras para el propio círculo, i. = O. lm +1

t---Límite de potencia de la turbina

q Sobreexcitado

t 1

8

-- p

Re

Subexcitado

Límite teórico de estabilidad estática

Fig. 1.2.6 Diagrama de potencias de un generador de polos salientes en p.u..

Centrales eléctricas

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La potencia activa expresada en p. u. vale: {1.2.15) siendo:

Un = La tensión simple nominal en bornes del generador. In

= La corriente nominal de línea del generador.

Sustituyendo en la ecuación (1.2.15) el valor de Ppor el obtenido en la ecuación (1.2.5) y transformando todas las magnitudes a valores un~arios, se obtiene:

p =

u.e .sen" 1 x d " + u2 (

2

1

xq -i