Refrigeración de máquinas síncronas

Aislamiento térmico en máquinas síncronas
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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
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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
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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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
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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