Enciclopedia del generador

Enciclopedia del generador
Motor que convierte la energía mecánica en energía eléctrica. Por lo general, mediante una turbina de vapor, una turbina o un motor de combustión interna. También es útil para pequeños generadores eólicos u otros sistemas mecánicos o accionados por correa o engranajes.
Los generadores de corriente continua se dividen en dos categorías principales: generadores y alternadores. Estos últimos pueden dividirse a su vez en dos tipos: generadores síncronos y generadores asíncronos. En las centrales eléctricas modernas, los generadores síncronos son los más utilizados. Este generador se caracteriza por la excitación en corriente continua; además de proporcionar potencia activa, también puede suministrar potencia reactiva para satisfacer las necesidades de una variedad de cargas. Dado que el generador de inducción no cuenta con un devanado de campo independiente y tiene una estructura sencilla y un funcionamiento conveniente, no puede suministrar potencia reactiva a la carga, sino que debe obtenerla de la red de alimentación a través de la corriente de magnetización. Por lo tanto, el generador de inducción debe funcionar en paralelo con otro motor síncrono o con un número considerable de condensadores. Esto limita la aplicación de los generadores de inducción, que se utilizan únicamente en una pequeña parte de la automatización y, en mayor medida, en la energía hidroeléctrica. Los tranvías urbanos, la electrólisis y las fuentes de alimentación electroquímicas de corriente continua utilizadas en la industria se desarrollaron, en el siglo XX, más de 50 años antes que los generadores de corriente continua. Sin embargo, el generador de corriente continua con conmutador, de estructura compleja, es lento de fabricar, costoso y propenso a fallas, además de difícil de mantener, y no es tan eficiente como un alternador. Por lo tanto, desde la llegada de los rectificadores controlados de alta potencia —un rectificador semiconductor que utiliza la corriente alterna obtenida mediante la conversión a corriente continua—, existe una tendencia a reemplazar el generador de corriente continua.
El generador síncrono se utiliza con diferentes motores primarios y se divide en tres tipos: generador de turbina, turbina y generador diésel. Su estructura común consiste en que, además de un pequeño motor de imán permanente que genera un campo magnético, se produce un campo magnético de excitación adicional mediante corriente continua que pasa por la bobina de excitación en el rotor y los devanados del inducido en el estator. Debido a que el voltaje de la bobina de excitación es bajo y de baja potencia, solo cuenta con dos conectores de salida y se conecta fácilmente a través de los anillos colectores; en cambio, el voltaje del devanado del inducido es alto y de gran potencia, con un devanado trifásico multiuso que cuenta con tres o cuatro conectores en el cabezal, lo cual resulta relativamente sencillo en el estator. El inducido del generador (estator) está construido con un núcleo de silicio de cuatro capas, con el fin de reducir las pérdidas en el hierro. Dado que el flujo pasa a través del núcleo del rotor de la misma manera, se puede utilizar un bloque completo fabricado en acero. En motores grandes, debido a que el rotor está sometido a una fuerte fuerza centrífuga, el material del rotor debe ser acero de alta calidad.
Conjunto de turbina y generador de turbina de vapor. Para lograr una alta eficiencia, por lo general se fabrica con una turbina de alta velocidad, normalmente de 3000 r/min (frecuencia de 50 Hz) o 3600 r/min (frecuencia de 60 Hz). En las centrales nucleares, la velocidad de la turbina es baja, pero aún así alcanza las 1500 rev/min o más. Para reducir la fuerza centrífuga generada por el esfuerzo mecánico y disminuir la abrasión por el viento, los turbogeneradores de alta velocidad suelen tener un diámetro de rotor relativamente pequeño y una longitud relativamente grande, es decir, utilizan un rotor delgado. Especialmente en las unidades de alta velocidad y gran capacidad que operan a 3000 r/min o más, debido a la relación entre la resistencia del material y el diámetro del rotor, este último está estrictamente limitado, por lo general a no más de 1,2 metros. La longitud del cuerpo del rotor limita la velocidad crítica. Cuando la longitud del cuerpo es más de 6 veces el diámetro, la segunda velocidad crítica del rotor se acercará a la velocidad de funcionamiento del motor, lo que puede provocar grandes vibraciones durante el funcionamiento. Por lo tanto, el tamaño del rotor de los turbogeneradores grandes de alta velocidad está severamente restringido. En los motores de unos 100 000 kilovatios refrigerados por aire, el tamaño del rotor ya ha alcanzado sus límites; para aumentar aún más la capacidad del motor, solo se puede lograr mediante el aumento de la carga electromagnética. Por lo tanto, debemos reforzar el enfriamiento del motor. De ahí que, para turbogeneradores de 5 a 10 millones de kilovatios, las mejores tecnologías de enfriamiento sean las de hidrógeno o agua. Desde la década de 1970, la energía de vapor ha alcanzado una capacidad máxima de 130 a 150 millones de kilovatios. Desde 1986, la investigación sobre materiales superconductores de alta temperatura crítica ha logrado un avance significativo. Se espera que la tecnología superconductora se aplique en las turbinas y los turbogeneradores, lo que representará un nuevo salto histórico.
Turbina impulsada por el generador de turbina. Debido a las diferentes condiciones naturales de la energía hidroeléctrica, la capacidad y la velocidad de las unidades de generación hidroeléctrica varían ampliamente. Por lo general, las pequeñas centrales hidroeléctricas y las de impacto de alta velocidad impulsadas por turbinas cuentan con una estructura más horizontal, mientras que las grandes y de velocidad media, con generación por generador, tienen una estructura vertical multiuso. Dado que, en la mayoría de los casos, las centrales se encuentran alejadas de la ciudad, por lo general se tarda más en cargar las líneas de transmisión de energía; por lo tanto, se exigen mayores requisitos de estabilidad en el funcionamiento del sistema de energía hidroeléctrica: los parámetros del motor deben seleccionarse cuidadosamente; se requiere un momento de inercia elevado del rotor. Por lo tanto, el aspecto del generador hidráulico con turbina es diferente, ya que su rotor tiene un diámetro grande y una longitud corta. El arranque de la unidad hidroeléctrica y su puesta en marcha en red requieren menos tiempo, lo que brinda flexibilidad en la programación; además de su potencia general, es particularmente adecuada como unidad de punta y como unidad de reserva en caso de accidentes. La capacidad máxima de las unidades hidroeléctricas ha alcanzado los 70 millones de kilovatios.
Generador diésel impulsado por un motor de combustión interna. Arranca rápido y es fácil de operar. Sin embargo, debido al mayor costo de la generación de energía con motores de combustión interna, los grupos electrógenos diésel se utilizan principalmente como fuente de energía de emergencia, en estaciones de energía móviles o en algunas redes eléctricas regionales grandes donde aún no se ha alcanzado el uso de generadores diésel. La velocidad suele ser de 1000 r/min, con una capacidad que va desde unos pocos kW hasta mil kilovatios; en particular, las unidades de 200 kilovatios son las que se utilizan con mayor frecuencia. Su diseño es relativamente sencillo. El par del eje de salida del motor presenta fluctuaciones cíclicas, por lo que el generador se encuentra en condiciones de vibración severa. Por lo tanto, los componentes estructurales de los generadores diésel, especialmente el eje, deben tener suficiente resistencia y rigidez para evitar roturas debido a la vibración de estas piezas. Además, para evitar la ondulación del par del generador causada por una velocidad angular no uniforme —lo que da lugar a fluctuaciones de voltaje que provocan parpadeos en las luces—, el rotor del generador diésel también requiere un mayor momento de inercia, y la frecuencia de la vibración torsional del eje y la fluctuación inherente del par motor deben tener una diferencia de más de 20% en la frecuencia del componente alterno, a fin de evitar la resonancia, lo que provocaría un accidente por rotura del eje.