Aislamiento térmico en máquinas síncronas Página 1 de 15 Refrigeración de Máquinas Síncronas En toda máquina eléctrica, una fracción de la potencia recibida se disipa en forma de calor y prácticamente no se utiliza; es una pérdida de potencia. Por tanto, en una máquina eléctrica, constituida esencialmente por un metal magnético (hierro) y otro conductor (cobre o aluminio) (las pérdidas en los aislantes son insignificantes en todas las máquinas), ocurren: • Pérdidas en el hierro. • Pérdidas en el cobre. • Pérdidas mecánicas si gira alguno de sus órganos. El estudio de estas pérdidas es de gran interés, ya que influyen sobre dos magnitudes muy importantes en la explotación: el rendimiento y el calentamiento. Calentamiento Las pérdidas de potencia constituyen una transformación de energía mecánica o eléctrica en calorífica, y por ello producen un calentamiento de los diversos órganos de las máquinas. Importancia de la temperatura límite de los elementos que componen una máquina En toda máquina eléctrica es necesario intercalar entre los conductores con potenciales diferentes, así como entre los conductores y el hierro, sustancias aislantes. Éstas se puedes clasificar en tres categorías: • Los aislantes minerales. • Los aislantes orgánicos. • Los aislantes órgano- silícicos (por ejemplo: las siliconas). En la construcción de las máquinas eléctricas se utilizan con más frecuencia los aislantes orgánicos, a causa de la facilidad con que se les puede dar las formas a Aislamiento térmico en máquinas síncronas Página 2 de 15 menudo complejas que exige su utilización. Por desgracia, son fácilmente deformables y destruibles por el calor. Todo aislante tiene una temperatura crítica que puede soportar indefinidamente sin deteriorarse. Por encima de esta temperatura el aislante se degrada a una velocidad que aumenta exponencialmente con la temperatura. De esto se deduce que: • Las máquinas eléctricas se destruyen por la carbonización de los aislantes • La vida de un aislante no solo es función de la temperatura, sino del tiempo durante el que se aplica esta temperatura. • La potencia máxima que se puede pedir a una máquina durante un tiempo t determinado, se alcanza cuando la temperatura límite de sus aislantes es un poco inferior a su temperatura crítica para este tiempo. Se ve la importancia que presenta la determinación de la temperatura límite alcanzada, en un régimen de funcionamiento determinado, por los diferentes órganos de una máquina eléctrica. Régimen normal de una máquina eléctrica. Capacidad de sobrecarga Se llama régimen de una máquina eléctrica, en un instante dado, al conjunto de valores de las magnitudes de explotación (tensión, corriente, par, velocidad de giro) que Aislamiento térmico en máquinas síncronas Página 3 de 15 caracterizan el funcionamiento de la máquina en ese instante. El servicio de una máquina es la sucesión en el tiempo de los regímenes a los que está sometida. El régimen normal de una máquina está indicado normalmente en su placa de características, y es aquel que, en servicio continuo (régimen invariable), da a sus diferentes órganos temperaturas un poco inferiores a los límites impuestos por los reglamentos. En un servicio intermitente, a cada periodo de trabajo sigue uno de reposo en el que la máquina se enfría. La figura da, en función del tiempo, la curva de calentamiento y de enfriamiento de una máquina para un servicio continuo determinado, así como la variación en función del tiempo, de la temperatura de la misma máquina con alternativas de trabajo (durante el tiempo a) y de reposo (durante el tiempo b). Estas curvas conducen a unas conclusiones importantes: • El calentamiento de la máquina exige cierto tiempo, por tanto, una máquina puede soportar una sobrecarga sin peligro de calentamiento excesivo durante algún tiempo, tanto más corto cuanto mayor sea la sobrecarga (la curva de calentamiento asciende con mayor rapidez). • La aptitud para soportar durante un mismo tiempo, sin peligro de calentamiento excesivo, una sobrecarga más o menos fuerte caracteriza la capacidad de sobrecarga de una máquina. Se puede definir como la relación de la potencia admisible a la potencia normal, pero precisando bien el tiempo durante el cual se Aislamiento térmico en máquinas síncronas Página 4 de 15 aplica la sobrecarga. Es una magnitud muy importante para el usuario, pues constituye para él un margen de seguridad en el caso de sacudidas momentáneas en el funcionamiento. Supuestas iguales las demás cosas, esta capacidad aumenta cuando la máquina tiene más masa, cuanto mayor es el margen previsto entre la temperatura límite en régimen normal y la temperatura crítica de los aislantes y cuando la máquina está mejor ventilada (la curva de calentamiento crece con mayor rapidez cuanto pero ventilada está la máquina). De esto podemos deducir estas importantes consecuencias: • Ganancia de potencia por mejoramiento de la ventilación. • Necesidad de refrigerar mejor cuando se aumentan las dimensiones de la máquina (ya que las pérdidas en el hierro y en el cobre son proporcionales al volumen) • Necesidad de pruebas de calentamiento Cuando los tiempos de reposo de una máquina son lo bastante grandes como para que la máquina se enfrié en parte, la temperatura límite, en este régimen intermitente, es superior a la temperatura límite en régimen continuo. Por tanto, la potencia que se puede obtener de esta máquina sin sobrepasar la temperatura crítica es superior a la admisible en régimen continuo. Aislamiento térmico en máquinas síncronas Página 5 de 15 Sistemas de refrigeración Los alternadores síncronos son las máquinas eléctricas rotativas de mayores potencias unitarias que se construyen hoy en día. A pesar de los elevados elevados rendimientos que presentan (en torno al 99 %), las pérdidas son en todo caso considerables (del orden de 15 MW para un turboalternador de 1000 MVA). Esto obliga a disponer de sistemas de refrigeración cada vez más eficientes. Los modernos turboalternadores (con potencias de hasta 2000 MVA) utilizan diferentes técnicas para la evacuación de las pérdidas, según la parte de la máquina en donde se producen. Los inducidos se pueden refrigerar con agua mediante conductos que pasan a través del núcleo magnético, o también se pueden refrigerar con hidrógeno cuando no se dispone de refrigeración interna de los conductores. TIPOS DE TURBOALTERNADORES FABRICADOS POR TOSHIBA CORPORATION Este tipo de alternadores se los ubica dentro del segmento correspondiente a generadores accionados por turbinas de gas y refrigerados por aire filtrado de la atmósfera o bien circuito cerrado de aire con intercambiadores de calor aire-agua. Aislamiento térmico en máquinas síncronas Página 6 de 15 También para centrales de mediana potencia accionadas por turbinas de vapor se tienen máquinas refrigeradas con aire, para potencias más grandes se hace necesario utilizar para la refrigeración otro fluido, el hidrógeno y en casos extremos para refrigerar los conductores se hace circular por su interior agua. De datos disponibles de fabricantes de máquinas para distintas aplicaciones, se observa que para potencias que van desde 15 hasta 270 MVA el fluido de refrigeración utilizado es aire, y para potencias que van desde 70 hasta 325 MVA hidrógeno. En el caso de máquinas refrigeradas con hidrógeno con valores medianos de presión de unos 5 bars (valor absoluto), que tienen idéntica geometría e igual velocidad del medio refrigerante, la transmisión del calor y el calentamiento del medio refrigerante resulta del orden de 10 mayor que si fuese refrigerada con aire a la presión atmosférica. En algunos casos puede resultar necesario llegar a una presión de hidrógeno de hasta 8.5 bars, sin embargo a pesar de ello la densidad del hidrógeno sigue siendo muy inferior a la del aire a la presión atmosférica, de modo tal que la potencia consumida por los ventiladores, y las pérdidas de ventilación del rotor como consecuencia de la fricción superficial son comparativamente bajas. Para potencias mayores que van desde 235 hasta 1160 MVA se hace imprescindible refrigerar el devanado estatórico con agua, para lo cual se utilizan conductores huecos, y el rotor con hidrógeno (refrigeración mixta). Cuando se recurre a refrigerar el devanado del estator con agua desionizada, la transmisión del calor y el calentamiento del medio resultan del orden de 10 veces mayor que si fuese sólo refrigerado con hidrógeno. Técnicas de refrigeración mediante aire. Aislamiento térmico en máquinas síncronas Página 7 de 15 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. Los componentes del alternador experimentan un considerable aumento de la temperatura debido, sobre todo, a las pérdidas de calor del alternador y a la entrada de calor procedente del compartimento motor. La temperatura máxima admisible es de 80 a 100º C, según el tipo de alternador. La forma de refrigeración más utilizada es la que coge el aire de su entorno y la hace pasar por el interior del alternador por medio de ventiladores de giro radial en uno o ambos sentidos. TURBOALTERNADOR REFRIGERADO POR AIRE Ventilador de un solo flujo: Los alternadores que montan un ventilador en el lado de la carcasa de accionamiento se refrigeran mediante una ventilación interior. 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 la carcasa del lado de accionamiento. Por lo tanto el aire refrigerante es aspirado por el ventilador a través del alternador. Aislamiento térmico en máquinas síncronas Página 8 de 15 Ventilador interior de doble flujo: Los alternadores que montan este sistema de refrigeración llevan dos ventiladores en su interior en su eje a ambos lados del rotor. Ambos flujos de aire entran axialmente por aberturas de la carcasa de accionamiento y la carcasa de anillos rozante. Los flujos de aire son aspirados por ambos ventiladores y salen radialmente por las aberturas del contorno de la carcasa. La ventaja esencial de la configuración es la posibilidad de utilizar ventiladores más pequeños, rediciendo así el ruido aerodinámico generado por los ventiladores. 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. Aislamiento térmico en máquinas síncronas Página 9 de 15 Técnicas de refrigeración mediante hidrógeno y agua. El uso de hidrógeno en la refrigeración de alternadores tiene las siguientes propiedades y ventajas: PROPIEDAD AIRE HIDRÓGENO DENSIDAD RELATIVA 1 0,07 1 7 1 1,35 1 0,98 SI NO NO NO CONDUCTIVIDAD TÉRMICA FACTOR DE TRANSMISIÓN DE CALOR (SUP-GAS) CALOR ESPECÍFICO MANTIENE COMBUSTIÓN PRODUCE OXIDACIÓN El hidrógeno también tiene la ventaja frente al aire es que en una atmósfera exenta de oxígeno, se evitan los procesos de oxidación y envejecimiento de los materiales aislantes. Además, la viscosidad del hidrógeno es menor, incluso a presiones relativamente elevadas, y por tanto las pérdidas por fricción y ventilación se reducen apreciablemente. Al tener una menor densidad que el aire se reduce el ruido proveniente del proceso de ventilación. También se obtiene una mayor potencia por unidad de volumen, ya que el coeficiente de transmisión de calor y conductividad térmica permiten evacuar más pérdidas. Aislamiento térmico en máquinas síncronas Página 10 de 15 TURBOALTERNADOR REFRIGERADO POR HIDRÓGENO El inconveniente procede de la necesidad ineludible de garantizar un sellado perfecto que evite fugas hacia el exterior y que podría dar lugar, en un caso extremo, a mezclas explosivas si se llegase a alcanzar la proporción estequiométrica con el oxígeno del aire. Pero este sellado reduce los gastos de mantenimiento, ya que las carcasas herméticas evitan la entrada de agentes externos. TURBOALTERNADOR REFRIGERADO POR H2 ENFRIADO CON H2O Los conductores del rotor son huecos ya que es muy difícil conseguir una refrigeración directa mediante agua, debido a las dificultades de construir un circuito cerrado formado por partes fijas y móviles. El hidrógeno penetra en los conductores desde unas tomas aerodinánicas ubicadas en la zona de las cabezas de bobina y sale hacia el entrehierro mediante orificios dispuestos radialmente que atraviesan todos los conductores de una ranura. La propia velocidad del rotor provoca la impulsión radial del hidrógeno hacia el entrehierro. Aislamiento térmico en máquinas síncronas Página 11 de 15 Los conductores del estator rodean a los tubos de ventilación por los que circula el hidrógeno. El hidrógeno circula movido por un ventilador desde el interior de la carcasa hasta un circuito externo donde se encuentran las botellas que lo almacenan. El calor evacuado, tanto si procede del devanado de excitación, como de las chapas magnéticas, como de los conductores del inducido en la zona próxima al entrehierro, se cede finalmente al exterior en un cambiador de calor independiente. En el uso del hidrógeno hay que tomar varias precauciones: La mezcla de hidrógeno y aire es explosiva en una proporción del 5 al 70 %, por lo que en ningún caso se puede introducir hidrógeno en la carcasa llena de aire. En el proceso de llenado y recambio del hidrógeno se utiliza CO2 como gas intermedio para evitar la mezcla de aquel con el aire. El CO2 rellena la carcasa vaciando el contenido de aire o de hidrógeno. También se toman unas medidas de seguridad en las condiciones de uso del hidrógeno. La pureza de éste contenido en la carcasa se calcula a partir de la medición de la densidad del gas. La densidad se determina a partir de la presión creada en el ventilador que lo mueve. En la parte inferior de la carcasa existen depósitos que recogen las pérdidas de agua y/ o aceites de cierres. Los depósitos están equipados con alarmas que indican la presencia de humedad en el hidrógeno. Por esta razón se hace pasar por un desecador que contiene alúmina activada para eliminar la humedad. La alúmina puede eliminar hasta 1 kg de agua. El sistema incorpora un sistema de calefacción para evaporar el agua absorbida. También se monitoriza la presión del hidrógeno y su temperatura a la zona de salida de los bobinados. Al contener la carcasa hidrógeno a presión superior a la atmosférica es necesario que existan dos cierres en los puntos en los que el árbol lo atraviesa. En estos puntos se utiliza una película de aceite que lubrica y obtura el eje. El aceite usado proviene del sistema de aceite de los cojinetes. Aislamiento térmico en máquinas síncronas Página 12 de 15 Se utilizan dos ciclos cerrados y separados de aceite para evitar el contacto entre el aceite saturado de aire y el aceite saturado de hidrógeno, ya que si no se puede producir una mezcla explosiva. Un sistema de control hace que la presión de aceite en el lado del aire exceda siempre a la presión del hidrógeno. La presión de aceite en el lado del hidrógeno se mantiene a igual valor que en el lado del aire. Así el hidrógeno no puede fugarse y los aceites de ambos lados no se mezclan. Una vez que el aceite vuelve del lado del hidrógeno se hace pasar por tanques desespumantes en los que se extrae el hidrógeno que pudiera llevar disuelto. El aceite de ambos lados también pasa por filtros convencionales. 1. Suministro aceite lado aire 2. Suministro aceite flotación 3. Soporte anillo cierre 4. Ranura anular axial 5. Zona recogida aceite lado aire y cojinete 6. Atmósfera 7. Suministro aceite lado H2 8. Zona anular aceite lado aire 9. Anillo de cierre 10. Zona anular aceite lado H2 11. Arillos antifricción 12. Escape aceite cierre 13. Ranura anular lado H2 14. Ranura anular lado aire 15. Escape aceite cierre 16. Agujero paso conductores excitación 17. Eje 18. Zona recogida aceite lado H2 19. Interior del alternador Para evacuar las pérdidas en el núcleo magnético del estator, se puede realizar por medio de agua, que presenta la ventaja de tener un elevado calor específico. Con objeto de que el medio refrigerante esté lo más próximo posible a los conductores se dispone, o Aislamiento térmico en máquinas síncronas Página 13 de 15 bien de conductos introducidos dentro de las ranuras, compartiendo espacio con los conductores del devanado, o bien se utilizan los propios conductores, en forma de pletinas huecas, para canalizar el agua de refrigeración. En ambos casos, y sobre todo en el segundo, el agua debe de estar desmineralizada, para reducir al máximo su conductividad. El agua se inyecta y se recolecta en los extremos de las barras del rotor mediante pequeñas cajas de conexión y anillos de distribución realizados en teflón u otro material aislante, desde donde se hace llegar a un cambiador de calor de circulación forzada. Cuñas Canales ventilación Canales núcleo refrigeración Chapas Conductores magnéticas bobinas Cuando no se dispones de refrigeración interna en los conductores del inducido, la atmósfera interior del turboalternador está constituida por hidrógeno a alta presión. Los tubos de los refrigerantes están fabricados de CuNi (Cuproníquel). Otro método para refrigerar las bobinas son las transposiciones, ya que reduce pérdidas, iguala flujos magnéticos, resistencias parásitas y uniformiza la distribución de temperatura. Los conductores de las bobinas se transponen por el sistema Roebel para reducir las pérdidas derivadas de un reparto desigual del flujo magnético. La transposición reduce pérdidas, iguala flujos magnéticos, resistencias parásitas y uniformiza la distribución de temperatura. Aislamiento térmico en máquinas síncronas Página 14 de 15 CANAL DE REFRIGERACIÓN TRANSPOSICIÓN ROEBEL DE LOS CONDUCTORES CONSTRUCCIÓN DE UNA BARRA ROEBEL Conductor individual Mitad superior de la barra Mitad inferior de la barra Barra Roebel completa Aislamiento térmico en máquinas síncronas Página 15 de 15 Las bobinas se fabrican en dos mitades. Sus extremos se conectan transponiéndolos. Los conductores de cada mitad son barras Roebel. CONDUCTOS REFRIGRERACIÓN H2 TRANSPOSICIÓN DE LOS CONDUCTORES DE AMBAS MITADES CABEZAS DE BOBINA