EL ALTERNADOR DE POLOS SALIENTES
Tienen la función de suministrar la corriente de campo de la máquina, y comprenden todos los elementos de control y de regulación, como así también los dispositivos de protección.
Según como estén realizados estos sistemas se clasifican en la forma que a continuación se indica:
Máquina rotante que recibe la potencia mecánica por el eje. Normalmente la excitatriz se encuentra montada en el mismo eje de la máquina sincrónica. En algunos casos la excitatriz está impulsada por otra máquina.
3.12.1.1 Excitatriz de corriente continua.
Excitatriz rotativa que utiliza un colector y escobillas para suministrar corriente continua.
3.12.2 Excitatriz de corriente alterna.
Excitatriz rotativa que utiliza rectificadores para suministrar corriente continua. Los rectificadores pueden ser controlados o no.
3.12.2.1 Excitatriz de corriente alterna con rectificadores estáticos.
Es aquella en la cual la salida de los rectificadores se conecta a las escobillas de anillos rozantes del arrollamiento de campo de la máquina sincrónica.
Es aquella en la cual los rectificadores giran con el eje común de la excitatriz y de la máquina sincrónica, la salida de los rectificadores se conecta directamente, sin anillos ni escobillas, al arrollamiento de campo de la máquina sincrónica.
Excitatriz que suministra su potencia a través de una o más fuentes eléctricas estáticas, utilizando para ello rectificadores fijos para suministrar la corriente continua.
3.12.3.1 Excitatriz estática a fuente de tensión.
Es aquella que recibe su potencia únicamente de una fuente de tensión (que pueden ser los terminales de la máquina sincrónica) y utiliza rectificadores controlados.
3.12.3.2 Excitatriz estática compuesta.
Es aquella que recibe su potencia de la combinación de una fuente de corriente y una de tensión (dependiendo de las magnitudes en bornes de la máquina sincrónica).
La adición de los aportes puede ser realizada indistintamente por la fuente de corriente alterna o la de continua de los rectificadores, y puede efectuarse en paralelo o en serie. Los rectificadores pueden ser controlados o no dependiendo ello del diseño adoptado.
3.13 TOLERANCIAS DE LAS CARACTERISTICAS NOMINALES.
En la Tabla 3.3 se indican las tolerancias fijadas por las normas que corresponden para cada una de las magnitudes de las características nominales que son objeto de garantías por parte del fabricante y que se comprueban durante la recepción de la máquina.
TABLA 3.3
|
MAGNITUD |
TOLERANCIA |
|
Rendimiento determinado por suma de pérdidas: máquinas de potencia £ a 50 kW máquinas de potencia > a 50 kW Pérdidas totales: máquinas de potencia > 50 kW Valor de pico de la corriente de cortocircuito de un alternador en las condiciones especificadas: Corriente de cortocircuito permanente de un al- ternador para una excitación especificada: Momento de inercia: |
- 15% de (1 - rendimiento) - 10% de (1 - rendimiento) + 10% de las pérdidas totales ± 30% del valor garantizado ± 15% del valor garantizado ± 10% del valor garantizado |
1.14 IRREGULARIDADES DE LA FORMA DE ONDA.
3.14.1 Prescripciones de ensayo
Estas prescripciones se aplican solamente a máquinas sincrónicas de potencia igual o superior a 300 kW (o kVA) destinadas a ser conectadas a sistemas que funcionan a frecuencias nominales de 16 2/3 Hz a 100 Hz inclusive con el fin de reducir a un mínimo las interferencias entre líneas de transporte y los circuitos adyacentes.
El grado de deformación de la onda de tensión de un generador, respecto a una onda sinusoidal, se puede determinar experimentalmente y para ello se requiere un instrumento adecuado (analizador de armónicas) que permita medir el valor eficaz de las armónicas.
La gama de frecuencias de medida debe cubrir todas las armónicas desde la frecuencia nominal hasta 5000 Hz inclusive.
La prueba se realiza con la máquina funcionando en vacío a la velocidad y tensión nominales.
Con los valores eficaces obtenidos de cada una de las armónicas se calcula el factor armónico telefónico (FAT) de la tensión con la siguiente fórmula:
En: valor eficaz de la armónica de rango "n" de la tensión entre bornes delínea.
U: valor eficaz de la tensión entre bornes de línea.
lambdan: factor de ponderación para la frecuencia correspondiente a la armónica de rango "n".
Los valores numéricos del factor de ponderación para las diferentes frecuencia están indicados en la Figura 3.2.
Por último digamos que el factor armónico telefónico (FAT) de la tensión entre bornes de línea medida conforme a los métodos indicados por las normas no debe superar los valores indicados en la Tabla 3.4.
TABLA 3.4
|
POTENCIA DE LA MAQUINA |
FAT |
|
desde 300 hasta 1000 kW (kVA) más de 1000 hasta 5000 kW (kVA) más de 5000 kW (kVA) |
5.0% 3.0% 1.5% |
El grado de protección contra la penetración en el interior de la máquina de cuerpos sólidos o de agua está íntimamente vinculado con el tipo de ventilación y refrigeración adoptado, y además con el lugar donde la máquina deberá funcionar, es decir, interior o intemperie.
3.15.1 Algunos tipos de ventilación
La Figura 3.3 muestra un esquema de ventilación de un máquina protegida. Se observa que el aire ingresa por ambos extremos de la máquina (por el lado acoplamiento directamente y por el lado contrario a través de la excitatriz, refrigerando esta última.
Es conducido adecuadamente e impulsado por dos ventiladores a circular desde los extremos hacia el centro de la máquina.
Parte del aire refrigera las cabezas de bobinas y el resto pasando a través de los canales radiales de refrigeración refrigera las bobinas y el paquete magnético, siendo luego conducido a salir por los costados de la máquina.
La Figura 3.4 muestra un esquema de ventilación de una máquina protegida contra la intemperie según las normas americanas NEMA.
· la parte superior encierra el sistema de ventilación;
· la parte inferior encierra la máquina propiamente dicha.
El aire es aspirado a través de amplias aberturas a persiana existentes sobre el cajón superior pasando a través de filtros y, así depurado, experimenta tres cambios de dirección a 90 grados, desciende en la máquina para refrigerar las partes activas en forma análoga a lo descripto en el caso anterior; la sección de los canales debe ser de modo tal de obtener una baja velocidad del aire, no superior a 3 m/s. Por último sale del cajón superior por ambos extremos.
Si se impele demasiado aire la energía necesaria para la ventilación es demasiado grande y ello va en detrimento del rendimiento.
Si el caudal de aire es demasiado bajo la máquina puede superar los niveles de temperatura fijados por las normas.
El caudal de aire que es necesario suministrar a una máquina es proporcional a la energía disipada y depende de la velocidad media del flujo dentro de la misma. Normalmente la velocidad es del orden de 4 a 5 m/s y no debe superar los 7 m/s.
La Figura 3.5 muestra un esquema de ventilación de una máquina cerrada con bocas de ventilación.
La aspiración y descarga del aire se realiza a través de un cajón dispuesto sobre la carcaza, sobre el cual están ubicadas las bocas para la conexión de los conductos de ventilación. El aire proviene de un ambiente distinto de aquel en el cual está instalada la máquina.
Esta ejecución permite instalar la máquina en ambientes con atmósfera contaminada.
La Figura 3.6 muestra un esquema de ventilación de máquinas cerradas con refrigeración por agua.
Como se puede observar el circuito de ventilación es cerrado, la refrigeración del aire se realiza mediante un intercambiador de calor aire-agua, montado sobre la carcaza de la máquina que puede ser fácilmente desmontado para el mantenimiento o bien para una eventual reparación, quedando la máquina en condiciones de funcionamiento temporáneo refrigerada con aire a ciclo abierto.
El agua debe ser dulce, sin sustancias que puedan corroer o incrustar los tubos y consecuentemente reducir con el tiempo la capacidad de intercambio de calor del sistema.
3.16 DESCRIPCION DE FORMAS CONSTRUCTIVAS.
La Figura 3.7 muestra en conjunto la construcción de un alternador de eje horizontal.
La carcaza está construida en chapa de acero dulce cilindrada y soldada con placas de base para su anclaje sobre la fundación.
La caja de bornes se encuentra ubicada directamente sobre la carcaza.
Las tapas o escudos también están construidos con acero dulce soldado, confiriéndole una adecuada rigidez mediante costillas.
Tiene una sola tapa porta cojinete debido a que esta máquina se acopla rígidamente con el motor primario.
Además es de tipo autoventilado con circuito abierto, protegida contra goteo y entrada de cuerpos sólidos de pequeño tamaño.
Tiene aberturas de ventilación protegidas por medio de una malla metálica o chapa matrizada.
El paquete estatórico está formado por chapas de hierro silicio de 0.5 mm de espesor, tratadas con barnices aislantes con el objeto de disminuir las pérdidas debidas a las corrientes parásitas.
El paquete magnético está montado en la carcaza mediante un adecuado sistema de costillas y anillos prensa paquete.
El inductor está formado por el eje, la corona polar, los polos, los devanados inductores y la jaula amortiguadora. En algunos casos con objeto de lograr un valor de GD2 necesario la máquina puede tener un volante.
La corona polar está construida en acero dulce laminado fijada al eje mediante chavetas tangenciales o por calado en caliente con adecuada interferencia.
Los núcleos polares están construidos formando un paquete de chapas de acero dulce de aproximadamente 1.5 mm de espesor y una vez prensadas mantenidas mediante adecuados planos frontales, los que a su vez están unidos por medio de un tirante pasante soldado a los mismos.
Como se puede observar el montaje de los polos está realizado mediante un encastre de tipo cola de milano y fijado a la corona polar por medio de una chaveta longitudinal.
Los anillos colectores están colocados en el extremo del eje sobre el lado de la excitatriz, y la conexión entre anillos y devanado inductor se efectúa por medio de cables muy flexibles aislados que pasan a través de un orificio (debidamente aislado) que está ejecutado en el mismo eje.
La circulación del aire de refrigeración se obtiene mediante un ventilador instalado sobre la rueda polar.
La excitatriz es un generador de corriente continua de construcción protegida, autoventilada con circuito abierto, estando montado su inducido sobre la prolongación del eje del alternador, y su estator en voladizo sobre un escudo de este último.
La Figura 3.8 muestra una máquina fabricada con criterios similares, pero con algunas diferencias importantes que se destacan.
La máquina tiene dos tapas portacojinete y el acoplamiento con el motor impulsor debe ser de tipo elástico.
Esta máquina es de mayor potencia que la anterior, sus bornes están ubicados en la parte central inferior de la carcaza con el objeto de facilitar la conexión de los cables (de gran sección).
La corona polar está constituida con acero dulce cilindrado y soldado y vinculada con el cubo que la fija al eje mediante rayos también soldados. El montaje de los polos se realiza para este caso con bulones de acero.
La Figura 3.9a muestra el aspecto exterior de generadores sincrónicos del tipo sin escobillas ("brushless") con regulador electrónico de tensión incorporado que se encuentra ubicado en la parte superior de la máquina conjuntamente con los bornes de conexión, la figura de arriba corresponde a una máquina tamaño 160, la de abajo tamaño 400, la Figura 3.9b muestra el principio de funcionamiento del regulador.
Estos alternadores responden a dimensiones normalizadas construidos según cinco alturas de eje distintas y cubren con distinto número de polos, y para distintas tensiones y frecuencias la gama de potencias indicada en la Tabla 3.5.
TABLA 3.5
|
POTENCIA kVA |
FRECUENCIA Hz |
POLOS |
TENSION V |
|
10 a 1200 |
50 |
4 |
400/231 |
|
12 a 1440 |
60 |
4 |
450/260 |
|
350 a 800 |
50 |
6 |
400 |
|
420 a 960 |
60 |
6 |
450 |
|
210 a 500 |
50 |
8 |
400 |
|
250 a 600 |
60 |
8 |
450 |
La protección normal de estas máquinas es IP21, es decir, no pueden penetrar cuerpos sólidos con un diámetro mayor de 8 mm y además no pueden penetrar gotas de agua que caen verticalmente.
La carcaza está realizada en fundición o en hierro dulce soldado, las tapas o escudos son en fundición con orificios de ventilación.
La Figura 3.10 muestra algunos detalles constructivos de los rotores correspondientes, arriba tamaño 200, abajo tamaño 400.
Las ruedas polares están construidas de hierro dulce laminado con jaula amortiguadora realizada con cobre.
La excitatriz de corriente alterna sin escobillas está montada coaxialmente del lado opuesto al acoplamiento.
Se pueden observar los elementos de sujeción del devanado de excitación como así también otros detalles constructivos.
La máquina sincrónica también puede funcionar como motor para accionar por ejemplo compresores y bombas, generalmente se utiliza trabajando con un factor de potencia en adelanto contribuyendo de esta manera a compensar la potencia reactiva de las cargas inductivas.
La Figura 3.11 muestra un típico motor sincrónico de cuatro polos, totalmente cerrado y refrigerado por agua-aire mediante un intercambiador de calor.
Como se observa el flujo axial de aire es impulsado por un ventilador montado sobre el eje de la máquina y conducido a través de conductos para refrigerar el rotor y el estator, pasando luego a través del intercambiador de calor para retornar nuevamente al circuito de refrigeración.
El sistema de excitación es del tipo sin escobillas con rectificadores rotativos.
Se pueden observar además algunos detalles constructivos del amarrado y sujeción del paquete estatórico mediante dos anillos frontales y tirantes con tuercas de fijación en ambos extremos.
Otro detalle interesante de destacar es la forma de armado de las piezas polares mediante bulones de acero magnético ubicados en adecuadas fresaduras realizadas en la expansión polar.
Las bobinas se colocan en el paquete estatórico fuera de la carcaza y luego todo el conjunto es impregnado con un sistema de aislamiento que se realiza en autoclave mediante un tratamiento de vacío, secado e impregnación con adecuadas resinas epóxicas, y posterior secado en un horno a alta temperatura para endurecerla.
Este sistema confiere al conjunto (bobinas y paquete) una sólida resistencia mecánica y confiable aislación.
Por último se observa en la figura que la máquina tiene cojinetes del tipo con metal antifricción, con refrigeración forzada en aceite.
Para proteger las superficies de metal de los cojinetes de las corrientes que pueden circular por el eje de la máquina produciendo una degradación de las superficies, se aisla adecuadamente respecto al eje de la máquina uno de los cojinetes.
La Figura 3.12 muestra el paquete estatórico de un generador constituido por chapas magnéticas de hierro silicio, prensado y puede observarse que el conjunto está sujeto por medio de una robusta jaula de acero soldado que garantiza su rigidez.
Este tipo de construcción permite realizar el devanado y su impregnación fuera de la carcaza lo cual asegura una mejor ejecución y una impregnación más eficaz, cuando es así se dice que el paquete estatórico esta bobinado fuera de la carcaza.
El paquete una vez terminado con su devanado se monta en caliente en la carcaza, de la cual puede ser retirado con relativa facilidad si fuese necesario sustituirlo.
Se pueden observar los canales radiales de ventilación y los dispositivos de sujeción de las cabezas de bobinas que tienen por finalidad sostener solidariamente esta parte del devanado.
Además estos dispositivos de sujeción de las cabezas de bobinas, se utilizan para sujetar las conexiones frontales de las bobinas entre si para la formación de las respectivas fases o bien las conexiones de los posibles circuitos en paralelo.
La Figura 3.13 muestra en detalle las cabezas de bobinas de un alternador de polos salientes de 4 polos (potencia 16 MVA) soportadas con ataduras de fibra de vidrio.
La Figura 3.14 permite observar algunos detalles constructivos de la carcaza de un generador sincrónico de 22.5 MVA, 13.2 kV, 50 Hz, 4 polos refrigerado con aire.
En la Figura 3.15 se observa la máquina durante el proceso de montaje del paquete magnético.
En máquinas de gran tamaño, como estas últimas, el paquete estatórico se debe armar con segmentos de chapas magnéticas prensados en una sola operación (que se observan en la parte superior de la figura) que se van apilando con la ayuda de dispositivos que permiten su perfecta alineación longitudinal.
El montaje se realiza de modo que las juntas que se forman queden alternadas, es decir, se empieza por una primera capa de segmentos colocados uno a continuación del otro; la segunda capa se coloca de modo que la junta entre dos segmentos de la capa anterior se encuentre en la parte central de un segmento, completándose de este modo la segunda capa y así sucesivamente.
Una vez realizada esta operación el paquete es prensado y sujetado mediante los tirantes como se observa en la figura última pudiéndose también ver los canales radiales de ventilación.
La Figura 3.16 muestra el eje de la máquina y parte del inductor (cuello) que es un conjunto forjado de una pieza térmicamente tratada en caliente, de resistencia mecánica y permeabilidad magnética elevadas y luego mecanizada.
La Figura 3.17 indica la forma de la expansión polar, parcialmente laminada, con la zapata polar formada por paquetes remachados, y asegurados al cuerpo macizo en las entalladuras de la figura anterior (previa colocación del devanado de excitación mostrado en la Figura 3.18), mediante tirantes que pasan a través de los orificios de mayor diámetro, esta forma constructiva se la conoce con el nombre de tipo a peine.
Los restantes orificios que se observan en la zapata polar alojan las barras del devanado amortiguador.
Las barras amortiguadoras están soldadas en ambos extremos a los anillos de cobre los cuales se encuentran reforzados mediante anillos de acero que sirven de montaje de los ventiladores.
En la Figura 3.19 se muestra un corte longitudinal de la máquina que permite observar en conjunto algunos detalles constructivos y además el recorrido del flujo del aire de refrigeración.
La nomenclatura de las partes componentes de la máquina indicadas en esta última figura se detallan en la Tabla 3.6.
TABLA 3.6
|
Pos. |
COMPONENTES |
|
1 |
Cabeza de bobina |
|
2 |
Deflector del aire de refrigeración |
|
3 |
Ventilador centrífugo |
|
4 |
Devanado de excitación |
|
5 |
Soporte cojinete (con refrigeración forzada) lado acoplamiento |
|
6 |
Soporte cojinete (con refrigeración forzada) lado excitatriz |
|
7 |
Termómetro del cojinete |
|
8 |
Barral porta escobillas |
|
9 |
Anillos rozantes para alimentar el devanado del inductor |
|
10 |
Bornes de conexión de los detectores de temperatura estatórica |
|
11 |
Bornes de conexión de la máquina |
|
12 |
Acoplamiento elástico de la excitatriz |
|
13 |
Excitatriz principal (excitación convencional) |
|
14 |
Excitatriz piloto (excitación convencional) |
|
15 |
Entrada de aceite forzado |
|
16 |
Salida de aceite forzado |
|
17 |
Entrada del aire de refrigeración |
|
18 |
Salida del aire de refrigeración |
