Características constructivas, disposición y refrigeración de los generadores síncronos trifásicos

Juan Antonio López Martínez

TMA 7.- Características constructivas, disposición y refrigeración de los generadores síncronos trifásicos

1.- ¿Cuáles son los parámetros fundamentales de un generador?

1. Potencia.
2. cos γ (factor de potencia).
3. Velocidad (r.p.m.).
4. Tensión.

2.- Magnitudes complementarias con influencia sobre las dimensiones y disposición constructiva

1. Reactancia síncrona.
2. Reactancia transitoria y subtransitoria.
3. Pérdidas.
4. Calentamientos admisibles.
5. Momento de inercia.

3.- ¿Qué otros parámetros hay que considerar en los generadores hidráulicos? (Características constructivas generales de los generadores para centrales hidráulicas)

1. Velocidad máxima: que resulta del tipo de salto y del tipo de turbina.
2. Velocidad de embalamiento: dependiente del tipo de turbina.
3. Momento de inercia: resultante de la elección de la turbina.
4. Posición geométrica del alternador: a construirse en función del caudal, altura del salto, tipo de turbina…
5. Tensión nominal: crece con la potencia.
6. Factor de potencia: depende de la posición que ocupa la central en la red de distribución.
7. Relación de cortocircuito: comprendida entre 0,8 y 1,1 para generadores de velocidad elevada; y 1,1 y 1,3 para los de baja velocidad.

4.- Refrigeración por aire en circuito abierto

Para alternadores de pequeña potencia, aspira aire fresco del exterior por medio de ventiladores del rotor, descargándose una vez que se ha calentado. En cuanto al recorrido del aire puede ser:

1. Ventilación radial: la más sencilla y utilizada.
2. Ventiladores aspirantes: la más eficiente.
3. Ventiladores independientes: menor número de revoluciones.

5.- Refrigeración por aire en circuito cerrado

El aire caliente que sale del alternador es enviado a un refrigerador que se encuentra debajo del alternador en un compartimiento estanco. Este refrigerador está constituido por un conjunto de tubos rodeados de aletas exteriores; por el interior circula el agua de refrigeración y por el exterior el aire caliente procedente del alternador, que cede calor a los tubos, siendo absorbido por el agua de circulación. El aire, una vez enfriado, retorna al alternador cerrando el ciclo.

6.- Ventajas de la refrigeración por aire en circuito cerrado

1. Evitan la acumulación de impurezas en el interior de la máquina.
2. Impiden sobretemperaturas en los alternadores.
3. La temperatura del aire de enfriamiento permanece constante en el transcurso del día y es independiente de las variaciones de la temperatura externa (aumenta la vida media de la máquina).
4. La supresión de los canales de aspiración y evacuación del aire reduce la superficie de la sala de máquinas y permite una mejor disposición de las canalizaciones eléctricas.

7.- Ventajas e inconvenientes de la refrigeración por hidrógeno en el generador o turbogenerador

Ventajas:

1. Las pérdidas de carga que originan la ventilación se reducen, ya que éstas son proporcionales a la densidad del fluido.
2. Los intercambios de calor se realizan más fácilmente con hidrógeno, ya que la conductividad térmica del H₂ es 7 veces mayor que la del aire y el coeficiente de cesión de calor 15 veces superior.
3. Los intercambios de calor se realizan con mayor facilidad cuanto más se eleva la presión del hidrógeno.

Inconvenientes:

1. Peligro de explosión al mezclarse con el aire a consecuencia de una pérdida de estanqueidad.

8.- ¿Qué ventajas tiene la obtención de hidrógeno en la propia central con el fin de abastecer el sistema de refrigeración?

La producción de hidrógeno “in situ” puede, con la tecnología actual, sustituir fácilmente al suministro externo de hidrógeno en la central. Esta sustitución acarrea las siguientes ventajas:

• Ofrece costes competitivos del hidrógeno con retornos de inversión inferiores a 2 años en algunos casos.

• Mejora la pureza del hidrógeno en el interior del alternador, reduciendo las pérdidas por rozamiento del rotor.

• Asegura la fiabilidad del suministro de hidrógeno, proporcionando una ventaja operativa a la planta al disminuir la dependencia exterior de un suministro necesario para la operación de la misma.

• Mejora la seguridad de la planta, reduciendo los stocks de hidrógeno y la necesidad de la operación de los tanques de hidrógeno. Además se eliminan los posibles riesgos asociados al suministro y transporte del gas hasta la planta.

• Reduce los costes asociados al hidrógeno al disminuir la necesidad de personal para su operación y eliminar el inventario de botellas y los costes asociados a su mantenimiento. Estos costes pueden, en algunos casos, llegar a triplicar los costes del hidrógeno.

• Evita las fluctuaciones de presión en el alternador al poder estar conectado el sistema de generación a la línea de alimentación de hidrógeno.

9.- ¿Qué condiciones deben cumplir la refrigeración combinada hidrógeno-agua? (¿Son las mismas para las que deben cumplir el sistema de refrigeración combinada hidrógeno-agua empleada en turbogeneradores de potencias superiores a 500 MVA?) ¿Qué potencias pueden alcanzar los generadores refrigerados con este sistema combinado?

• Condiciones de refrigeración combinada hidrógeno-agua:
  • Para el agua:
• La circulación, en los circuitos del alternador, del flujo de agua necesario para la correcta refrigeración de barras y bornes de salida.
• La evacuación de las pérdidas, refrigerando el agua que ha circulado por los devanados del estator.
• Estanqueidad del circuito, con el fin de evitar que circule por los circuitos eléctricos y magnéticos.
• La presión del agua en los conductores será siempre inferior a la del hidrógeno para que, en el caso de avería, esto impida su fuga.
• El agua utilizada debe ser de elevada pureza, pues el agua pura es muy poco conductora.
  • Para el hidrógeno:
  • Permitir el llenado del alternador con H₂ sin que permanezca aire en su interior (necesario después de cada revisión).
  • Permitir el vaciado total del H₂ contenido en el circuito de ventilación, remplazándolo por aire (antes de cualquier revisión).
  • Mantener la presión de H₂ en un valor adecuado.
  • Asegurar el secado del H₂, con el fin de evitar la entrada de humedad en el alternador.

• Potencias superiores a 125 MW.

10.- ¿Por qué se adopta la refrigeración combinada de hidrógeno y agua?

- Casi la mitad de las pérdidas totales del alternador se deben al circuito del estator, por lo que la refrigeración de alternadores de elevada potencia se hace difícil.

11.- Describe las trayectorias de circulación del hidrógeno.

• El hidrógeno es aspirado del recinto externo por los ventiladores, introduciéndose en el interior, donde su flujo se divide en varias partes, recorriendo el rotor y el estator:

1ª parte: asegura la refrigeración de las cabezas de las bobinas.

2ª parte: penetra en el entrehierro rotor-estator para salir por los canales radiales practicados en el apilamiento magnético del estator.

3ª parte: penetra por los canales radiales de forma centrípeta hacia el eje, para salir por estos canales de forma centrífuga hacia la periferia.

4ª parte: recorre las ranuras, alrededor de los bornes, en el seno de los conductores y en tubos previstos para ello.

El hidrógeno caliente se envía por un sistema de tabiques hacia los refrigerantes.

12.- ¿La tensión de generación de los generadores empleados en centrales hidráulicas puede ser superior a la de los generadores utilizados en las centrales térmicas? ¿Por qué? ¿Qué sistema de refrigeración se emplea para evacuar el calor en grupos hidráulicos?

• A corto plazo sí, pero a largo plazo las centrales térmicas generan mayor tensión.
• Porque las centrales hidráulicas tienen tiempos de arranque menores.
• Sistemas de refrigeración:
• Por aire: P_max = 100 MW.
• Por hidrógeno: P_max = 750 MW.
• Por hidrógeno-agua: P_max = 750 MW.

13.- ¿Qué parámetros distintos a los de la expresión (P_max = a × b × d² × l × n) son los que pueden condicionar la potencia máxima de un turboalternador?

1. El sistema de refrigeración:
   1. Por aire: P_max = 100 MW.
   2. Por hidrógeno: P_max = 750 MW.
2. Las condiciones de transporte:
   1. Por carretera: P_max < 250 t.
   2. Por ferrocarril: P_max limitada por el gálibo de los túneles.
3. Temperatura de refrigeración:
   1. T^a estator a 110 ºC: P > 5 MVA.
   2. T^a rotor a 115 ºC: P > 5 MVA.
   3. T^a rotor con longitud rotor > 3 m: T^a < 115 ºC.
4. El rendimiento se halla comprendido entre el 94 % y 98 % en generadores de pequeña y mediana potencia. Para potencias mayores de 250 MW el rendimiento es del 99 %.
5. Disposición de la excitatriz:
   1. P < 100 MW: la excitatriz piloto y la principal se montan en el mismo eje del grupo.
   2. 100 MW < P < 125 MW: la excitatriz gira a 1500 r.p.m., por lo que no se montan en el mismo eje, sino que se acoplan a través de un reductor de velocidad mediante una máquina auxiliar (motor eléctrico o turbina auxiliar).
   3. P > 125 MW: la excitatriz gira a 750 r.p.m., por lo que se mueve mediante un motor auxiliar o turbina auxiliar.

14.- Explica cómo se efectúa el proceso de llenado de hidrógeno en el turboalternador. ¿Cada cuánto tiempo es necesario rellenar y presurizar el turboalternador?

- El hidrógeno se encuentra almacenado en botellas a 150 bares en un local exterior de la central, se expansiona hasta 4 bares y se envía por medio de tuberías a otro expansionador, ya en la central, manteniendo la presión de 0,35 a 2 bares. El hidrógeno se envía al circuito de ventilación del alternador donde se regula la presión en función de la carga del alternador. Para el llenado de hidrógeno utilizamos CO₂ como fluido aislante para sacar el aire de las tuberías.

- Después de cada revisión.

15.- ¿Cuáles son las tensiones de generación más comunes? ¿Qué condiciona el valor de tensión de generación? ¿Por qué el inducido del generador siempre está ubicado en el estator de la máquina?

• Tensiones de generación:
  1. Para potencias ≤ 150 MW: tensión entre 10 y 15 kV.
  2. Para potencias superiores: 20 kV.

- La potencia unitaria.

• Porque tiene mayor estabilidad al estar fijo al estator y por supuesto, por la refrigeración que es mayor en el estator al poder ser mediante agua a 29 ºC y 35 ºC para el aire.

16.- ¿Por qué el diámetro del rotor de un turbogenerador no puede superar los 1,2 m? ¿Por qué el inducido de los generadores síncronos se sitúa en el estator?

• Porque la fuerza centrífuga que se ejercería sobre el rotor produciría esfuerzos mecánicos peligrosos para el turbogenerador.
• Porque tiene mayor estabilidad al estar fijo al estator y por supuesto, por la refrigeración que es mayor en el estator al poder ser mediante agua a 29 ºC y 35 ºC para el aire.

17.- ¿Cuáles son los parámetros geométricos que condicionan la potencia de un turboalternador?

Los parámetros geométricos que condicionan la potencia de un turboalternador vienen determinados por: P_max = 5·d²·l·n

• Diámetro: la longitud del diámetro está limitada por los esfuerzos mecánicos ocasionados por la fuerza centrífuga que se ejerce sobre el rotor. El diámetro máximo es de 1,2 metros para velocidades de 3000 rpm.
• Longitud: la longitud viene determinada por la velocidad de embalamiento del grupo, siendo esta longitud máxima 6 veces el diámetro del rotor, con lo que como máximo puede ser de 7,2 metros.
• Sistema de refrigeración: en alternadores refrigerados por aire, el límite máximo está en los 100 MW y en los refrigerados por hidrógeno está en los 750 MW.

18.- ¿Cada cuánto tiempo es necesario rellenar y presurizar un generador refrigerado con H₂?

Aproximadamente 1 vez al año.

¿Qué otros gases se emplean en el proceso de llenado y vaciado de H₂ del turbogenerador?

Para estas operaciones se utiliza CO₂ y aire comprimido.

19.- ¿Qué disposiciones constructivas suelen emplearse en los grupos hidráulicos de eje vertical? ¿En qué circunstancia se emplea cada disposición?

• 3 soportes guías y soporte en la traviesa superior → para desmontajes rápidos del mismo.
• 2 soportes de guía y soporte de suspensión de la traviesa superior → cuando se dispone de poca altura.
• 3 soportes de guía y soporte de suspensión en la traviesa inferior → en grupos de gran diámetro y marcha lenta.
• 2 soportes de guía y soporte de suspensión de la traviesa inferior (disposición en Y) → permite una reducción notable de la altura del grupo.
• 3 soportes de guía y soporte de suspensión en la tapa de la turbina → grupos de marcha lenta.
• 2 soportes de guía y soporte de suspensión en la tapa de la turbina (disposición en Y) → permite reducción notable de la altura del grupo y se adopta en grupos de marcha lenta.

20.- Efectos o causas del alternador

Los alternadores durante su operación producen una gran cantidad de calor originado por 2 causas:

• El efecto Joule debido a las altas corrientes que circulan por los arrollamientos del mismo.

• Las pérdidas por rozamiento con el aire que se producen cuando el rotor, que gira a altas velocidades, debe vencer la resistencia de la atmósfera que existe en el interior del alternador.

21.- ¿Qué es la electrólisis del agua? ¿Por qué es el método de producción de hidrógeno más usado?

- La electrólisis es un proceso por el cual se produce oxígeno e hidrógeno a partir de la ruptura de la molécula de agua mediante una corriente eléctrica que rompe el enlace químico proporcionando 2 iones.

- La electrólisis es el método preferido en las centrales, debido a la disponibilidad de electricidad, a la posibilidad de modular la producción en función de la demanda de forma eficiente, a la capacidad de producir el hidrógeno a la presión necesaria en la central (alrededor de 4 bares) sin necesidad de compresor y a la baja temperatura de trabajo que permite arranques rápidos del sistema de producción de hidrógeno.

22.- ¿Qué ventajas presenta la refrigeración combinada por hidrógeno y agua en turboalternadores?

Además de las ventajas individuales del hidrógeno y del agua se obtienen las siguientes ventajas:

• Permite alcanzar potencias superiores a 125 MW, que mediante refrigeración individual sería difícil.

• Permite lograr el incremento de la potencia unitaria de los turboalternadores, evacuando el calor directamente del cobre en lugar de disiparlo a través del aislamiento.
• Se tiene un menor salto de temperatura entre el cobre y el hierro, permitiendo de este modo alcanzar longitudes del paquete magnético crecientes, requeridas para las mayores potencias.

23.- ¿En qué tipo de generadores se emplean los rotores representados en la figura?

a- Turboalternadores de elevada potencia

b- Turboalternadores de elevada potencia