Alternador para grupo electrógeno

Aunque no sepas muy bien de qué se está hablando cuando se trata de alternadores, estoy seguro que con este artículo lo vas a entender de forma rápida y fácil.

El alternador para grupo electrógeno es un dispositivo similar al aparato que mueve el ventilador del techo de tu salón, solo que, en lugar de consumir corriente para generar un movimiento mecánico, aprovecha un movimiento mecánico para generar electricidad.

¡Así de simple!

Si has leído el artículo anterior sobre el motor para grupo electrógeno, ya has entendido que en este caso aprovechamos la fuerza mecánica del motor para poner en marcha la máquina eléctrica y generar corriente.

Hago de tu conocimiento que desde el punto de vista eléctrico no es una máquina sencilla de entender, por ello, aquí no hablaremos de ‘porqué’ funciona, sino más bien, de cómo se presenta y de su integración en el grupo electrógeno.

¿Qué sabes de un alternador para generador?

Un alternador, que también se llama generador, es una máquina eléctrica cuyo funcionamiento está basado en las propiedades de la inducción electromagnética. Este fenómeno hace que cuando un conductor se mueve dentro un campo magnético, se genera un cierto voltaje a sus extremos. Este voltaje provoca una corriente y así conseguimos electricidad.

El movimiento relativo del conductor y del campo magnético es provocado por el motor diésel, por lo tanto:

Energía mecánica ⇒ electricidad

 

Un generador para grupo electrógeno está compuesto por una parte exterior fija y hueca, en cuyo interior se aloja una especie de cilindro móvil. La parte fija se llama ESTATOR o INDUCIDO y es lo que se ve, la parte interna es el ROTOR o INDUCTOR, que está conectado al motor y da vueltas porque este le trasmite su rotación.

El campo magnético se provoca en la parte llamada ROTOR e induce el voltaje que comentábamos antes en los conductores que forman el ESTATOR. De forma que en los terminales de estos conductores podrás conseguir una tensión, 230 V, 400 V o la que quieras, para conectar los aparatos eléctricos que desees.

Es importante distinguir entre alternadores síncronos y asíncronos. Sin entrar en detalles técnicos, será suficiente con saber que los grupos electrógenos emplean los síncronos. Los alternadores asíncronos se usan para otras aplicaciones, sobre todo en generación fija de potencia elevada conectada a la red eléctrica como generadores eólicos o hidroeléctricos.

Los alternadores síncronos para grupos electrógenos son máquinas muy eficientes. Su rendimiento varía desde un mínimo del 80 % en los más pequeños hasta alcanzar un 97 % en los de mayor potencia.

A continuación, te voy a hablar en detalle de las características más importantes de un alternador para grupo electrógeno.

Características de un alternador para grupo electrógeno

El rotor

El rotor es el conjunto de las partes que conectadas al motor diésel, rotan en el interior del alternador generando un campo magnético.

Está compuesto por un eje mecánico sobre el que están fijados diversos bobinados de cobre. El tipo y el número de bobinados determinan el número de polos del alternador, que es una característica muy importante, porque establece la frecuencia del suministro eléctrico a un dado régimen de revoluciones de motor. Cada bobinado tiene dos polos.

¿Y el campo magnético, de dónde viene?

Para generar el campo magnético en el rotor se le debe de suministrar una corriente eléctrica denominada EXCITACIÓN, alternativamente se pueden usar imanes permanentes. Los alternadores de imanes permanentes son más costosos y de construcción más compleja.

Existen muchas formas de excitar una máquina síncrona, sin embargo, solo te voy a contar las que realmente se usan hoy en día en grupos electrógenos.

A continuación expongo dos tipos de excitación:

Sin escobillas (Brushless) con puente de diodos: la alimentación se toma directamente desde el mismo rotor, bien a través de un bobinado auxiliar, bien a través de un mini-alternador montado en el mismo. Esto permite que no haya necesidad de conexión eléctrica entre el mismo rotor y el estator, antiguamente sí existía esta necesidad  y por ello se empleaban escobillas.

Compound: la alimentación se consigue a través de un transformador conectado a la tensión de salida del mismo alternador. Se trata de un transformador especial pues controla tanto voltaje como corriente con dos devanados distintos.

El estator

El estator es el conjunto de partes que constituyen el exterior del alternador y están fijas mientras el rotor da vueltas.

También está formado por una estructura metálica y una serie de bobinados de cobre. A las extremidades de estos bobinados tendremos el voltaje inducido por el campo magnético del rotor.

El bobinado se realiza enrollando un hilo de cobre aislado entorno a una estructura metálica, cada giro es una espira. Una vez terminado el bobinado, se impregna en resinas especiales.

La cantidad de bobinados, el número de espiras y su disposición física, determinan la tensión de salida, mientras que la frecuencia solo depende del número de revoluciones del motor principal y del rotor. Por ellos todos los fabricantes disponen de distintos tipos de bobinado que identifican con códigos específicos. El que proporciona 400 Vac y 50 Hz trifásico con neutro es el más común pero también hay más configuraciones como monofásicos, con neutro, sin neutro, bifásicos, y más tensiones como 380 V, 600 V o 690 V entre otras. Sin hablar de los de media tensión… ¡Ya Paro!

Los bobinados se identifican por su disposición y el número de terminales.

Hay bobinados ESTRELLA, DOBLE ESTRELLA, TRIÁNGULO, DOBLE TRIANGULO, ZIG-ZAG y más.  Dependiendo de la configuración deseada tienen 6 bornes o 12 bornes. Es decir, 6 puntas para 3 bobinas, o 12 puntas para 6 bobinas.

Muchos son los datos característicos de los alternadores desde el punto de vista eléctricos, aquí solo mencionaré algunos.

La corriente de corto circuito y el conjunto de las reactancias intrínsecas de la máquina eléctrica (Z transitoria directa e indirecta, Z subtransitoria directa e indirecta, por ejemplo). Estos valores dependen de las características mecánicas constructivas y del diseño y son parámetros fundamentales para la instalación del equipo. Son necesario para realizar los cálculos de ingeniería a la hora de conectar el grupo electrógeno a una red eléctrica.

La clase de aislamiento es otro aspecto a tener en cuenta. Para grupos electrógenos solemos hablar de clase H aunque se utilicen también F y B en algunos casos.

Este parámetro indica la calidad de la impregnación de los bobinados -la capacidad del aislamiento entre un conductor y otro-. Por ejemplo, ‘Aislamiento clase H’ quiere decir que los devanados están preparados para calentarse hasta 165 ºC cuando la temperatura ambiente es de 40 ºC.

Sin embargo, puede ser necesario el aislamiento clase H y funcionamiento ser de clase F. Esto significa que, aunque el bobinado esté preparado para trabajar hasta 165 ºC cuando la temperatura ambiente es de 40 ºC, nosotros lo limitaremos a 145 ºC.

En resumen:

El Automatic Voltage Regulator -AVR- es el dispositivo que regula la salida de tensión y que se encarga de mantenerla controlada en todas las condiciones de carga.

Puede funcionar de dos formas: isócrona -tensión siempre constante- o droop -hay una diferencia controlada entre plena carga y vacío-, según esté configurado el sistema. Ampliaremos este aspecto cuando tratemos el paralelo.

El AVR puede ser digital o analógico y dialogar o no con otros dispositivos del sistema. Importante destacar que según el tipo de carga y el grado de precisión que necesites, podrás optar por uno que monitoriza al mismo tiempo todas las fases del circuito o solo una. La precisión de la regulación suele estar entre un 0,5 % y 1 %, dependiendo de la calidad del regulador.

¿Todavía más?

El sistema de refrigeración es normalmente de aire, pero también puede ser agua con circuitos cerrado. La refrigeración por agua se prefiere en ambientes con contaminación en el aire, riesgos químicos o de explosión.

La distorsión armónica -THD- en la línea del suministro que dependerá de la carga pero también del alternador y de sus reactancias intrínsecas vistas arriba.

Las conexiones del alternador se realizan por la caja puesta encima del mismo. Suele ser una caja sencilla con una serie de bornes y barras en su interior donde se pueden atornillar los cables.

Accesorios de un alternador para grupo electrógeno

Entre los accesorios más importantes, se debe recordar a los sensores de temperatura de los devanados los cuales cumplen la función de monitorear que no haya un excesivo calor que pueda dañar el aislamiento y provocar un cortocircuito.

Otros sensores son los de temperatura de cojinetes, especialmente importantes en aplicación de suministro continuo, distintas cajas de conexión especial y adaptadores mecánicos para el acoplamiento al motor.

El PMG, o generador de imanes permanentes, sirve para separar la alimentación de la excitación y suministro eléctrico principal. Es especialmente útil cuando se suministran equipos electrónicos que inducen elevadas distorsiones armónicas en la línea de alimentación.

Para saber más

Mucho más se podría decir sobre los alternadores para grupo electrógeno pero no se pretende aquí entrar en detalles técnicos y aspectos de ingeniería.

No obstante, si te gusta la física puedes consultar la Ley de Faraday de inducción electromagnética; si tienes deseos de aprender más te recomiendo comenzar por este y este otro artículos de Wikipedia; y si no se te ha quedado claro qué son las escobillas puedes averiguarlo aquí.

Los Grid Codes en Europa están regulados  por la Comisión Europea y definidos por un comité de expertos. Puedes consultarlos aquí Europa.eu/Electricity Network Codes.

Por último, te recomiendo visitar los sitios web de fabricantes como Stamford-avk.com, Marelli motori.com, Meccalte.com. Por nombrar algunos europeos.