Clasificación de generadores

La clasificación común de generadores es generadores eólicos, generadores síncronos de alta velocidad, generadores síncronos de baja velocidad, generadores eólicos síncronos de imanes permanentes, alternadores, generadores diésel, etc.

turbinas eólicas

Como un nuevo tipo de sistema de generación de energía de bajo costo, operación confiable y sin emisiones de gases de efecto invernadero, la capacidad instalada de generación de energía eólica se está utilizando cada vez más a nivel mundial, con una tasa de crecimiento anual superior al 30% y un valor de producción anual superior al 50%. Sin embargo, el sistema de generación de energía eólica a pequeña escala, utilizado para el suministro eléctrico independiente en zonas remotas, aún debe superar numerosas dificultades técnicas para su uso generalizado. Con la creciente inversión de mi país en agricultura, zonas rurales y agricultores, y el sostenido y rápido desarrollo económico, la mayoría de agricultores, pastores y pescadores han adoptado sistemas de generación de energía eólica a pequeña escala para generar carga local, mejorar sus condiciones de vida y satisfacer las necesidades urgentes de consumo eléctrico doméstico. La electricidad no solo puede reducir una gran inversión única, sino también eliminar las emisiones de gases de efecto invernadero de los sistemas de generación de energía térmica, mejorar el medio ambiente y la estructura energética en las zonas rurales, y contribuir al desarrollo sostenible.
Las turbinas eólicas convierten la energía eólica en trabajo mecánico e impulsan el generador para generar electricidad. En términos generales, se trata de un motor de aprovechamiento de energía térmica que utiliza el sol como fuente de calor y la atmósfera como medio de trabajo. La energía eólica utiliza energía natural. Es mucho mejor que la generación de energía diésel. Sin embargo, si se utiliza en una emergencia, sigue siendo inferior a un generador diésel. La energía eólica no puede considerarse una fuente de energía de respaldo, pero puede utilizarse durante mucho tiempo.

Generador síncrono de alta velocidad

Dado que la mayoría de los generadores están conectados coaxialmente con la máquina motriz, las centrales térmicas utilizan turbinas de vapor de alta velocidad como motores principales. Por lo tanto, los turbogeneradores suelen utilizar motores bipolares de alta velocidad con una velocidad de 3000 rpm (a una frecuencia de red de 60 Hz). Las centrales nucleares suelen utilizar motores tetrapolares con una velocidad de 1500 rpm (a una frecuencia de red de 60 Hz, es de 1800 rpm). Para satisfacer los requisitos de alta velocidad y alta potencia, el generador síncrono de alta velocidad incorpora un rotor de polos ocultos y, además, un sistema de refrigeración especial.
Rotor de polos ocultos: La superficie exterior es cilíndrica, con ranuras para alojar el devanado de excitación de CC y fijada con cuñas metálicas para ranurar, lo que proporciona un entrehierro uniforme al motor. Debido a la gran fuerza centrífuga durante la rotación a alta velocidad, el rotor debe tener una alta resistencia mecánica. Los rotores de polos ocultos suelen estar forjados en una sola pieza de acero aleado de alta resistencia, y la ranura suele ser abierta para permitir la instalación del devanado de excitación. Aproximadamente un tercio de cada paso polar no presenta ranuras, lo que forma dientes grandes; el resto de los dientes son más estrechos, llamados dientes pequeños. El centro del diente grande es el centro del polo del rotor. En ocasiones, los dientes grandes también abren ranuras de ventilación más pequeñas, pero los devanados no están incrustados; en ocasiones, se fresa una ranura pequeña, estrecha y poco profunda, en la parte inferior de la ranura de incrustación como ranura de ventilación. El rotor de polos ocultos también está equipado con anillos de protección metálicos y anillos centrales en ambos extremos del cuerpo del rotor en dirección axial. El anillo de retención es un cilindro de paredes gruesas fabricado con una aleación de alta resistencia que protege el extremo del devanado de excitación contra la expulsión por una gran fuerza centrífuga. El anillo central impide el movimiento axial del extremo del devanado y sirve de soporte al anillo de retención. Además, para conducir la corriente de excitación al devanado de excitación, se instalan un anillo colector y una escobilla en el eje del motor.

Sistema de refrigeración: Dado que la pérdida de energía del motor es proporcional a su volumen, su magnitud es proporcional al cubo de su escala lineal, y la magnitud de su superficie de disipación térmica es solo el cuadrático de dicha escala. Por lo tanto, al aumentar el tamaño del motor (limitado por los materiales, al aumentar su capacidad se incrementa su tamaño), aumenta la disipación de calor por unidad de superficie, lo que a su vez aumenta su temperatura. En un turbogenerador de alta velocidad, la fuerza centrífuga genera una gran tensión tangencial en la superficie del rotor y en la superficie de su orificio central, y cuanto mayor sea el diámetro del rotor, mayor será la tensión. Por lo tanto, dentro del límite de tensión admisible del material de forja, el diámetro del cuerpo del rotor del turbogenerador bipolar no puede superar los 1250 mm. Los turbogeneradores a gran escala necesitan aumentar la capacidad de cada unidad únicamente incrementando la longitud del cuerpo del rotor (es decir, utilizando un rotor más delgado) y aumentando la carga electromagnética. La longitud del rotor puede alcanzar los 8 metros, lo cual se acerca al límite. Para seguir aumentando la capacidad de una sola máquina, basta con aumentar la carga electromagnética del motor. Esto agrava especialmente los problemas de calentamiento y enfriamiento de los turbogeneradores de gran tamaño. Para turbogeneradores de menos de 50 000 kilovatios, se utilizan principalmente sistemas de refrigeración por aire de circuito cerrado, y los ventiladores del motor se utilizan para enfriar los componentes que generan calor. Para generadores con una capacidad de entre 50 000 y 600 000 kilovatios, se utiliza ampliamente la refrigeración por hidrógeno. El hidrógeno (pureza del 99 %) disipa mejor el calor que el aire. Su uso en sustitución del aire no solo proporciona una buena disipación térmica, sino que también reduce considerablemente las pérdidas por fricción de ventilación del motor, mejorando así significativamente la eficiencia del generador. Sin embargo, el uso de refrigeración por hidrógeno requiere medidas a prueba de explosiones y fugas, lo que complica la estructura del motor y aumenta el consumo y el coste de los materiales de los electrodos. Además, también se puede utilizar refrigeración por líquido; por ejemplo, la capacidad de refrigeración del agua es 50 veces mayor que la del aire, absorbiendo el mismo calor, y el caudal de agua requerido es mucho menor. Por lo tanto, se utiliza una parte del alambre hueco en la bobina, que se refrigera con agua, lo que reduce considerablemente el aumento de temperatura del motor, retrasa el envejecimiento del aislamiento y prolonga su vida útil.

Generador síncrono de baja velocidad

La mayoría son accionados por turbinas hidroeléctricas o motores diésel de baja velocidad. El número de polos magnéticos del motor varía de 4 a 60 polos, o incluso más. La velocidad correspondiente es de 1500 a 100 rpm o inferior. Debido a la baja velocidad de rotación, generalmente se utilizan rotores de polos salientes con menores requisitos de materiales y procesos de fabricación.
Cada polo magnético del rotor de polos salientes suele estar hecho de placas de acero de 1 a 2 mm de espesor, ensambladas mediante remaches, y los polos magnéticos están cubiertos con devanados de excitación. El devanado de campo suele estar hecho de alambre plano de cobre. La pieza polar del polo magnético también suele estar equipada con un devanado de amortiguación. Se trata de un cortocircuito formado por la tira de cobre desnudo en la ranura de amortiguación de la zapata polar y el anillo de cobre soldado en ambos extremos. Los polos magnéticos están fijados al yugo del rotor, que está hecho de acero fundido. Los rotores de polos salientes se pueden dividir en tipos horizontales y verticales. La mayoría de los motores síncronos, controladores síncronos y generadores accionados por motores de combustión interna o turbinas de impacto utilizan estructuras horizontales; los hidrogeneradores de baja velocidad y gran capacidad utilizan estructuras verticales.
El rotor del motor síncrono horizontal se compone principalmente del polo magnético principal, el yugo, el devanado de excitación, el anillo colector y el eje giratorio. La estructura del estator es similar a la de un motor asíncrono. La estructura vertical utiliza un cojinete de empuje para soportar la gravedad de la parte giratoria de la unidad y la presión descendente del agua. En los hidrogeneradores de gran capacidad, esta fuerza puede alcanzar de 40 a 50 meganewtons (equivalente a la gravedad de objetos de 4000 a 5000 toneladas), por lo que la estructura de este tipo de cojinete de empuje es compleja y requiere una tecnología de procesamiento e instalación muy exigentes. Según la posición del cojinete de empuje, los hidrogeneradores verticales se dividen en dos tipos: de suspensión y de paraguas. El cojinete de empuje suspendido se coloca en la parte superior o media del bastidor superior. Cuando la velocidad de rotación es alta y la relación entre el diámetro del rotor y la longitud del núcleo es pequeña, el funcionamiento mecánico es más estable. El cojinete de empuje tipo paraguas se coloca en el marco inferior de la parte inferior del rotor o en la cubierta superior de la turbina. El marco de carga es inferior y de menor tamaño, lo que ahorra mucho acero y reduce la altura del generador y la planta desde la base del marco.

Turbina eólica síncrona de imanes permanentes

La turbina eólica síncrona de imanes permanentes se ha convertido en otro tipo importante de turbina eólica después de la DFIG debido a sus ventajas de bajas pérdidas mecánicas, alta eficiencia operativa y bajo costo de mantenimiento, y su uso se ha extendido gradualmente. La estructura básica de un sistema de generación de energía eólica síncrona de imanes permanentes se compone principalmente de una turbina eólica, un motor síncrono de imanes permanentes, un convertidor de frecuencia y un transformador.
El principio básico de la generación de energía eólica síncrona de imanes permanentes es utilizar el viento para impulsar las palas de la turbina eólica y para impulsar el rotor del generador síncrono de imanes permanentes para generar energía. El sistema de generación de energía eólica síncrona de imanes permanentes es similar al sistema de generación de energía eólica de frecuencia constante y velocidad variable de jaula, pero el generador utilizado es un generador de imanes permanentes y el rotor es una estructura de imanes permanentes, que no requiere energía de excitación externa, lo que mejora la eficiencia. Su control de velocidad constante de frecuencia variable se realiza en el bucle del estator, y la corriente alterna de frecuencia variable del generador síncrono de imanes permanentes se convierte en la corriente alterna de la misma frecuencia de la red eléctrica a través del convertidor de frecuencia, para lograr la conexión a la red de generación de energía eólica. La capacidad nominal es la misma.
En las últimas décadas, los generadores síncronos de imanes permanentes se han vuelto cada vez más atractivos gracias a las mejoras en el rendimiento de los materiales de los imanes permanentes y la electrónica de potencia. El sistema de generación de energía eólica que utiliza un generador síncrono de imanes permanentes presenta las siguientes características:
1. El sistema de generador síncrono de imán permanente no necesita un dispositivo de excitación y tiene las ventajas de peso ligero, alto factor de potencia y buena confiabilidad;
2. El rango de operación de velocidad variable es amplio, pudiendo ser supersincrónico o subsincrónico;
3. El rotor no tiene devanado de excitación, la estructura del polo magnético es simple, la capacidad del inversor es pequeña y se puede convertir en un motor multipolar;
4. Se reduce la velocidad síncrona, de modo que la turbina eólica y el generador de imanes permanentes se pueden acoplar directamente, eliminando la necesidad de la caja de aumento de velocidad de engranajes en el sistema de generación de energía eólica, reduciendo el trabajo de mantenimiento del generador y reduciendo el ruido, de modo que se puede generar energía eólica de imanes permanentes de accionamiento directo. sistema de máquina.
Aplicaciones:
1. En zonas donde las instalaciones eléctricas son escasas, el transporte es inconveniente y faltan combustibles convencionales, pero los recursos eólicos son abundantes, se pueden resolver algunos problemas de consumo de energía, como el suministro de energía para equipos de iluminación de carreteras;
2. En parques eólicos con capacidad unitaria relativamente pequeña, el sistema de generación de energía síncrona con imanes permanentes puede conectarse eficientemente a la red para la generación de energía;
3. Suministro de alimentación de CA o CC a usuarios remotos y con poca carga en zonas rurales, zonas de pastoreo, puestos fronterizos, estaciones meteorológicas, etc. En la vida diaria, cuando se utiliza un alternador para alimentar equipos eléctricos, estos suelen no funcionar con normalidad. Por ello, las fuentes de alimentación reguladas por CA son de uso común en la vida diaria, ya que permiten estabilizar la precisión del voltaje de salida del generador dentro del rango permitido por el funcionamiento normal de los equipos eléctricos.
Construcción del alternador
La construcción del alternador es algo más compleja. Sin embargo, independientemente de si es monofásico o trifásico, se compone de las siguientes partes principales:
(1) Parte de excitación: incluye el excitador y la parte del campo magnético.
⑵ parte de la armadura.
(3) Parte del chasis: incluye el marco de hierro y la base de la máquina del equipo y las piezas de repuesto.

generador asíncrono

Los generadores asíncronos, también llamados "generadores de inducción", son alternadores que utilizan el entrehierro entre el estator y el rotor para interactuar con el campo magnético giratorio y la corriente inducida en el devanado del rotor. La rotación del rotor es la misma que la del campo magnético giratorio, pero la velocidad es ligeramente superior a la velocidad síncrona de este. Se utilizan a menudo como pequeños generadores hidroeléctricos.
El generador de excitación de CA ofrece un modo de funcionamiento flexible gracias al uso de excitación de tensión de CA en el lado del rotor. Su método tradicional resuelve problemas como la sobretensión continua a frecuencia de red en centrales eléctricas, la generación de energía a velocidad variable y frecuencia constante, y la regulación de velocidad de grupos motogeneradores en centrales eléctricas de bombeo. La superioridad del generador síncrono es incomparable. Los generadores de excitación de CA tienen tres modos de funcionamiento principales:
1) Funcionamiento en modo de frecuencia constante y velocidad variable;
2) Funciona en el modo de ajuste a gran escala de la potencia reactiva;
3) Funciona en modo eléctrico.
Con el aumento de la tensión de transmisión del sistema eléctrico y el crecimiento de la línea, cuando la potencia de transmisión de la línea es inferior a la potencia natural, se producen sobretensiones continuas de frecuencia industrial en la línea y la central eléctrica. Para mejorar las características operativas del sistema, muchos países tecnológicamente avanzados, a principios del siglo VI d. C., estudiaron la aplicación de generadores asíncronos en grandes sistemas eléctricos, creyéndose que su uso podría mejorar la estabilidad, la fiabilidad y la rentabilidad del sistema.

tacogenerador

Un tacogenerador es un microgenerador que mide la velocidad de rotación. Convierte la velocidad de rotación mecánica de entrada en una señal de voltaje de salida, que requiere que sea proporcional a la velocidad de rotación.
Clasificación de los generadores tacométricos: los generadores tacométricos se dividen en dos categorías: generadores tacométricos de CC y generadores tacométricos de CA.
Tacogenerador de CC: El tacogenerador de CC es esencialmente un generador de CC en miniatura, que se divide en electromagnético y de imán permanente según el método de excitación de los polos del estator. Su principio de funcionamiento es el mismo que el de un generador de CC general.
Tacogenerador de CA: La estructura del rotor del tacogenerador asíncrono de CA es de tipo jaula y de tipo copa. En el sistema de control, se suelen utilizar tacogeneradores asíncronos de rotor de copa hueca. El estator del tacogenerador asíncrono de rotor de copa hueca cuenta con dos devanados separados por un ángulo eléctrico de 90°: uno es el devanado de excitación y el otro, el devanado de salida.
Los principales errores del tacogenerador asíncrono de CA son:
Error no lineal: el error no lineal del tacogenerador debido al cambio del flujo magnético del eje directo;
Voltaje residual: En funcionamiento real, cuando el rotor está estacionario, el generador de tacómetro emite un pequeño voltaje;
Error de fase: debido a la reactancia de fuga del devanado de excitación y la reactancia de fuga del rotor de copa hueca, la fase del voltaje de salida y el voltaje de excitación son diferentes.
Los generadores de tacómetro síncronos de CA se dividen en tipo de imán permanente, tipo de inducción y tipo de pulso.

generadores diésel

Un grupo electrógeno diésel es un tipo de equipo independiente de generación de energía. Se refiere a una máquina potente que utiliza diésel como combustible, un motor diésel como fuerza motriz y un cigüeñal para accionar un generador y generar electricidad. El grupo electrógeno generalmente se compone de un motor diésel, un generador, una caja de control, un tanque de combustible, una batería de arranque y control, un dispositivo de protección, un gabinete de emergencia y otros componentes. El conjunto puede fijarse a una cimentación, usarse para posicionamiento o montarse en un remolque para uso móvil. El grupo electrógeno diésel es un equipo de generación de energía de operación discontinua. Si funciona continuamente durante más de 12 horas, su potencia de salida será aproximadamente un 90 % inferior a la potencia nominal.

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