Modernizar mi Viejo Generador de Manera Sencilla

Diagnósticos en Máquinas Eléctricas

Serie de  recomendaciones sobre Máquinas Sincrónicos

Capítulo 7

Modernizar mi vieja máquina sincrónica

de manera sencilla y económica.

Luis O. Corvalán

Tucumán – Enero de 2011

            Vamos a seguir con una línea de pensamiento que ya fue mencionado en otros artículos respecto a usinas industriales y usinas comerciales de bajo módulo. Hablamos de máquinas que abarcan una gama de 1 a 40 MVA aproximadamente. En la región de donde provengo son muchos los establecimientos azucareros, y en menor medida las papeleras y la minería que disponen de usinas propias. La mayoría son establecimientos centenarios y es frecuente encontrar máquinas de más de 50 años. Latinoamérica en general está progresando paulatinamente merced a su capacidad de ahorro interno, excluida de los grandes centros financieros y las inversiones deben evaluarse cuidadosamente, y la máxima cantidad de criterios posibles a tener en cuenta son bienvenidos. Con ese espíritu comenzamos esta nota.

            Ya mencionamos en el artículo “Precauciones sobre nuevos aislantes” que las máquinas eléctricas en general y los generadores sincrónicos en particular se han vuelto más pequeños, livianos y baratos con el paso del tiempo y los avances técnicos, pero justamente éstos permitieron fabricar máquinas más compactas a costa de su temperatura de trabajo y su eficiencia. Al contrario de los dispositivos mecánicos que en general (motores y maquinaria) han ido mejorando su eficiencia y racionalizando su consumo específico a la par de su reducción en tamaño, las máquinas eléctricas han logrado reducir su tamaño a costa de bajar su rendimiento general.

            Por esta razón yo recomiendo a las empresas que están pensando en modernizar sus usinas, a invertir primero en las máquinas de accionamiento, y si el tamaño de sus generadores todavía es útil en función de la demanda total de energía actual, no deshacerse de ellos. Un generador de 50 años de antigüedad con buenos cojinetes, arrollamientos nuevos, sistemas modernos de control y protección, es una máquina más confiable y eficiente que un generador nuevo.

Una buena reparación de una máquina de 5MVA de la década de 1940, llevándola a una tensión de generación adecuada, mejorando su clase térmica, rectificando o renovando sus cojinetes y renovando sus aparatos de control y maniobra puede salir menos del 35% del costo de una máquina nueva, y con excelentes resultados.

Hay aquí unas sugerencias para eliminar uno de los puntos más molestos que son característicos de estas máquinas antiguas y que fueron desapareciendo en los modelos más nuevos. Nos referimos al conjunto de colector-escobillas/escobillas-anillos que fueron el medio por excelencia para alimentar las ruedas polares desde fines del siglo XIX hasta bien entrada la década del 1960, incluso más allá en algunos casos. La combinación dínamo (excitatriz) con cables externos, interruptores de potencia en corriente continua, alimentación a través de escobillas y anillos rozantes a la rueda polar fue sustituyéndose por una configuración llamada “brushless” por su denominación inglesa y que significa literalmente “libre de escobillas”. Esta consiste en reemplazar la dínamo accionada por acople en la punta del eje rotórico por un alternador polifásico montado en el propio eje, un puente rectificador también solidario al eje y una conexión a la rueda polar mediante cables incorporados en el rotor. De esta manera se logra la alimentación del rotor principal del generador sin necesidad de escobilla alguna. Esta es la principal ventaja de los generadores nuevos respecto de los más viejos.

En este artículo vamos a dar un método que a mi entender es sorprendentemente sencillo para transformar un generador antiguo con colector-escobillas-anillos en un generador brushless, similar a los nuevos.

La dínamo – principio de funcionamiento: la clásica excitatriz rotativa antigua no es otra cosa que una dínamo, una simple máquina de corriente continua configurada en derivación, autoexcitada. Algunos generadores además de la excitatriz principal tienen una excitatriz piloto que es una fuente de tensión constante destinada a alimentar los campos de la excitatriz principal. En este caso estamos en una configuración de excitación independiente en lugar de la configuración en derivación de la excitatriz convencional. Al momento de reemplazar los viejos reguladores de tensión electromecánicos por reguladores electrónicos ambos modelos pasar a ser de excitación independiente, ya que el regulador será el encargado de alimentar los campos de la excitatriz alimentándose normalmente de la salida de potencia del generador.

La excitatriz, en su condición de máquina de corriente continua está compuesta por campos montados en el estator que crean un número determinado de pares norte-sur de polos magnéticos y el rotor está compuesto por un arrollamiento distribuido donde, gracias al movimiento de rotación de estos, se inducirán tensiones alternadas, que por otro lado, son las únicas tensiones posibles de ser generadas en arrollamientos, ya que Faraday definió la tensión inducida como producto de la variación de flujo magnético. Estas bobinas están conectadas a un colector, que en su rotación mecánica, va dejando en contacto con las escobillas fijas solamente los valores de pico de las tensiones inducidas en distintas bobinas logrando así una tensión continua a la salida. Si no fuera por este conjunto mecánico de delgas y escobillas, lo descrito hasta aquí es exactamente la configuración de un generador sincrónico polifásico. La diferencia está que en este último dejamos accesible la tensión alterna tal cual fue generada, sin recurrir a su rectificación.

No nos cuesta mucho esfuerzo proseguir desde aquí con el razonamiento. Si eliminamos por completo el colector de nuestra excitatriz convencional, tendremos un arrollamiento polifásico en el inducido (rotor) de la excitatriz. Según los grados eléctricos que dejemos entre los puntos de acceso a este arrollamiento se definirá la cantidad de fases de tensión alterna que generará nuestra excitatriz y la cantidad de diodos requeridos para una rectificación de onda completa polifásica similar a lo que realiza el colector. El colector permite conducir a cada bobina del inducido un instante muy breve tomando de esta manera cada una de ellas como una fase de un sistema polifásico. Replicar este comportamiento significaría incorporar una cantidad muy grande de diodos rectificadores, por lo que se recomienda tomar grupos de bobinas para limitar el número de diodos necesarios. Una derivación cada 60º eléctricos del arrollamiento del inducido nos dará un sistema trifásico de tensiones y serán necesarios 6 diodos rectificadores. La disminución del valor de tensión continua y el ripple producido por este tipo de rectificación son muy bajos. Cuánto más derivaciones tome y más diodos tenga el puente rectificador más perfecta es la tensión continua obtenida. De paso mencionamos que los diodos serán más pequeños cuando su número aumenta, lo que significa que una mayor cantidad de diodos no necesariamente se traduce un mayor costo. Pero hace más laboriosa la artesanía de armar el rectificador. 

Este primer paso dado nos permite eliminar el colector, elemento caro sujeto a desgaste que requiere de mantenimiento periódico y reposición cada determinados años. Ahora tenemos disponible sobre el rotor del inducido la tensión continua necesaria para alimentar nuestra rueda polar y sin necesidad de modificar el bobinado de la excitatriz. Aquí tenemos dos caminos a seguir. Lo que queda por hacer son soluciones de tipo mecánicas. Si la excitatriz está solidaria al eje principal, podemos mecanizar el eje para conectar los polos de la rueda polar a nuestro rectificador sin necesidad de exteriorizar la corriente de excitación, con lo que nuestro viejo generador se ha convertido en “brushless” con una intervención mínima y a un bajo costo. Si el generador tiene sus arrollamientos en buen estado, ya sea porque fueron renovados o se los conservó y fueron cuidados correctamente, tenemos ahora un generador con una configuración similar a los nuevos pero muy probablemente más eficiente y con una capacidad de sobrecarga mayor que un generador nuevo.

Las soluciones mecánicas para llevar la corriente a la rueda polar incluso en excitatrices independientes acopladas elásticamente al eje principal son generalmente realizables con mayor o menor imaginación. El reposo relativo entre los ejes permite idear las soluciones, llevando conductores por dentro de los manchones de acople, ahuecando ejes si los diámetros los permiten o llevando la corriente por barras rígidas sobre los ejes dejando encastres en los acoples para su montaje. Aquí interviene la creatividad para el diseño mecánico como forma de resolver este problema. Con la excitatriz convencional esto no era posible porque los portaescobillas necesariamente debían estar en reposo para lograr la rectificación. Con la modificación de eliminar el colector tenemos la tensión continua girando sobre el eje de nuestra máquina. Transmitirla hasta la rueda polar es ahora un problema menor.

Lo importante es haber logrado convertir nuestra vieja excitatriz con colector en un moderno alternador con rectificador de estado sólido sin modificar sus arrollamientos y, lo más importante, sin alterar en absoluto sus características principales. Por estas nos referimos a tensión y corriente nominal, características de vacío y cortocircuito, solicitaciones eléctricas, magnéticas y térmicas y la concordancia con los aparatos de control (reguladores de tensión, protecciones) existentes.

Esto que suena a voluntarismo o una visión excesivamente optimista sobre la sencillez del método en realidad está corroborado en la práctica, ya que vengo concretando estas modificaciones desde hace casi 20 años, en máquinas que van desde los pocos kVA hasta generadores de 2 y 3 MVA. 

La imagen corresponde a una excitatriz de generador SKODA de 1300kVA construido en 1927. En la foto se aprecia que ya no existe el colector de la excitatriz y las conexiones van por el centro del eje hasta la rueda polar. Aun están montados los soportes de los portaescobillas tanto en la excitatriz como en el generador, pero sin aquellos ya que no son necesarios. Esta modificación se hizo en el año 2006 funcionando normalmente hasta le fecha. No se modificaron los arrollamientos de fábrica. La única modificación fue la eliminación de los polos de conmutación de la excitatriz que dejaron de ser necesarios ya que no se conmuta mediante colector ni tampoco tenemos disponible la corriente de carga que era la que circulaba por estos polos. Al haber más espacio entre polos principales, estos refrigeran mejor.