¿Cómo produce electricidad un generador? ¡Comprenda los principios, estructura y operación y mantenimiento en un solo artículo!

El generador es el "último paso en la producción de energía eléctrica"—convierte la energía mecánica transmitida por la turbina en energía eléctrica que podemos utilizar. ¿Cómo produce electricidad el generador? ¿Cuáles son las funciones de componentes como el estator y el rotor? A continuación los presentaremos uno por uno.

1.El generador produce electricidad mediante la "inducción electromagnética".

El principio de funcionamiento del generador se basa fundamentalmente en la ley de inducción electromagnética; dicho de manera sencilla, se trata de "un campo magnético rotativo que corta los cables, generando corriente eléctrica". Tomando como ejemplo el "generador síncrono" comúnmente utilizado en plantas de generación eléctrica por calor residual, todo el proceso de generación consta de 4 pasos:

Paso Uno : Establecer un Campo Magnético ("Fuente Magnética")

Principio: Al suministrar corriente directa al "devanado de excitación" del rotor del generador, se produce un campo magnético con polaridades alternas (por ejemplo, polos N y S dispuestos alternadamente), el cual es el "campo magnético principal", equivalente a proporcionar una "fuente magnética" para la generación de electricidad.

Fuente Principal: La corriente de excitación es suministrada por el "sistema de excitación" (por ejemplo, transformadores de excitación, dispositivos rectificadores), similar a "cargar" el campo magnético para garantizar la estabilidad de la intensidad del campo magnético.

Paso dos : Proporcionar potencia de corte (entrada de "movimiento")

Principio: La turbina (motor primario) de la planta de energía acciona el rotor del generador para que gire mediante un acoplamiento; la potencia de la turbina proviene del vapor (el vapor impacta las palas para hacerlas girar, convirtiendo la energía interna en energía mecánica), y el rotor gira junto con el campo magnético principal, formando un "campo magnético rotativo".

Acción clave: La velocidad del campo magnético rotativo coincide con la velocidad de la turbina (por ejemplo, 3000 r/min corresponde a una corriente alterna de 50Hz); este paso es "proporcionar una entrada de energía mecánica al generador", y también es "la fuente de energía para que el campo magnético corte los conductores".

La turbina acciona el rotor del generador para que gire a 3000 r/min, por lo tanto, el campo magnético rotativo puede cortar continuamente las bobinas del estator.

Paso tres : Generación de fuerza electromotriz inducida

Principio: El campo magnético rotativo corta sucesivamente las 'devanados trifásicos simétricos' en el estator (tres fases A-X, B-Y, C-Z, separadas espacialmente por un ángulo eléctrico de 120°). Según la ley de inducción electromagnética, un conductor que corta líneas de fuerza magnéticas generará una 'fuerza electromotriz inducida', similar a la 'presión del agua en una tubería'.

Características clave: La fuerza electromotriz inducida es una 'corriente alterna trifásica simétrica', cuya magnitud y dirección varían periódicamente con la rotación del campo magnético, siendo este el 'prototipo' de la energía eléctrica.

Paso cuatro : Salida de energía eléctrica

Principio: Las conexiones terminales del devanado del estator se extraen y conectan al circuito de alimentación; el potencial inducido impulsa el flujo de carga, generando así "corriente" — la energía mecánica se convierte finalmente en energía eléctrica, completando todo el proceso de conversión de energía.

Garantía de estabilidad: Para obtener energía eléctrica utilizable y estable, también se requiere un "sistema de protección y control" (como reguladores de voltaje y protección diferencial) para evitar fluctuaciones de voltaje o fallos que puedan dañar el equipo.

2. Estructuras Clave: Los 'Cuatro Componentes Principales' de un generador. El generador puede parecer complejo, pero su estructura básica se compone de cuatro partes, cada una con una función específica:

Estator: "El extremo fijo que genera electricidad"

Componentes: tres partes principales: núcleo del estator, devanado del estator y base de la máquina.

Núcleo del estator: Fabricado con láminas de acero al silicio sin orientación magnética de "grado F" apiladas (con un espesor de aproximadamente 0,35 mm), tiene buena conductividad magnética y bajas pérdidas;

Devanado del estator: Tejido con múltiples hilos de cobre sólido y aislado con "cinta de mica de grado F", actúa como el "cable" que genera el potencial eléctrico inducido;

Base de la máquina: Una estructura de acero de una sola pieza con "costillas de posicionamiento elásticas" en la cavidad interior, las cuales pueden reducir la vibración armónica durante el funcionamiento (para evitar que la vibración se transmita desde el núcleo hacia la base).

Función: Permanece estacionaria, permitiendo que el campo magnético rotatorio del rotor atraviese el devanado, generando así energía eléctrica.

Rotor: "Campo magnético rotatorio"

Composición: Núcleo del rotor (o polos), devanado de excitación, anillos rozantes y eje del rotor.

Eje del rotor: Fabricado en acero de alta resistencia, es una pieza forjada maciza capaz de soportar el par del turbine de vapor, actuando como el "esqueleto" del rotor;

Devanado de excitación: Enrollado en las ranuras del núcleo del rotor, conduce corriente continua para producir el campo magnético principal. Los conductos de aire en las ranuras forman un "pasaje de aire de refrigeración" (para evitar que el devanado se sobrecaliente);

Anillo rozante: Conecta el devanado de excitación al sistema de excitación externo, responsable de transmitir la corriente continua de excitación (la superficie del anillo rozante debe ser lisa para evitar mal contacto). Un anillo rozante áspero puede causar fácilmente chispas.

Función: Gira con el campo magnético principal, proporcionando la "potencia para cortar las líneas magnéticas."

Tapa y cojinete: "Conexión y soporte"

Tapa: Fijada en ambos extremos de la base de la máquina, sella el interior del generador para evitar que entren polvo y humedad;

Cojinete: Dividido en "cojinete radial" y "cojinete de empuje" - el cojinete radial soporta el peso del rotor y reduce la fricción durante la rotación; el cojinete de empuje limita el movimiento axial del rotor (evitando que el rotor toque el estator), y el aceite lubricante pasa a través del cojinete formando una "película de aceite" que reduce el desgaste.

Enfriador de aire: "La clave para el enfriamiento"

Función: Cuando el generador está en funcionamiento, el núcleo y los devanados generan calor (por ejemplo, pérdidas en el cobre y en el hierro). El enfriador de aire elimina el calor mediante la "circulación de aire frío", manteniendo la temperatura del estator en ≤130°C y la temperatura del rotor en ≤120°C (temperatura máxima permitida para el aislamiento clase F).

Detalles del Campo: Los enfriadores suelen instalarse en ambos extremos del generador (algunos también pueden estar en el centro), con la temperatura del agua de entrada controlada entre 30-35°C y la temperatura del agua de salida no superior a 40°C para garantizar la efectividad del enfriamiento.

3. Puntos Clave de Operación y Mantenimiento:

1. Monitoreo de Temperatura: Evitar Daños por Sobrecalentamiento

Enfoque de la inspección:

Temperatura del devanado del estator: Monitorear mediante elementos de detección de temperatura integrados, normal ≤130°C, activa una alarma si supera los 140°C (se puede usar un termómetro infrarrojo para medir de forma complementaria la temperatura superficial del núcleo);

Temperatura del devanado del rotor: Monitoreada mediante resistencias de temperatura cerca del anillo rozante, normal ≤120°C;

Temperatura del cojinete: cojinete radial ≤ 65℃, cojinete de empuje ≤ 75℃, el sobrecalentamiento puede provocar el daño del cojinete (una central eléctrica determinada tuvo que detenerse para mantenimiento debido a que la temperatura del cojinete superó los 80℃).

2. Inspección de vibraciones: Evitar la fricción dinámica y estática

3. Inspección del aislamiento: evitar fallos por fuga

Enfoque de la inspección:

Aislamiento del devanado del estator: una vez al mes, medir el aislamiento respecto a tierra con un medidor de resistencia de aislamiento de 2500V, se considera apto si es ≥1MΩ (a 25°C), y se requiere tratamiento de secado si es inferior a 0,5MΩ;

Aislamiento del anillo rozante: verificar si hay daños en la funda aislante entre el anillo rozante y el eje del rotor para evitar fugas de corriente de excitación.

Acciones de operación y mantenimiento: limpiar el polvo de la superficie del devanado del estator durante la parada para evitar que manchas de aceite y humedad afecten al aislamiento.

4. Monitoreo de parámetros: garantizar la calidad de la energía

Enfoque de la inspección:

Tensión: La desviación de la tensión de salida del estator debe ser ≤ ±5% del valor nominal (por ejemplo, para un generador de 10,5 kV, la tensión debe estar entre 9,975 y 11,025 kV);

Corriente: No debe exceder la corriente nominal (por ejemplo, para un generador de 15 MW, la corriente nominal es aproximadamente 866 A), para evitar sobrecargas;

Corriente/Tensión de excitación: Estable alrededor del valor nominal, con fluctuaciones ≤ ±2% (una corriente de excitación anormal puede provocar campos magnéticos inestables, afectando la tensión).

5. Limpieza y mantenimiento: Reducción de riesgos de fallo

Enfoque de la inspección:

Refrigerador de aire: Limpiar el polvo de las aletas de disipación cada trimestre (soplar con aire comprimido) para evitar obstrucciones que puedan provocar una reducción de la eficiencia de refrigeración;

Anillo deslizante: Mantener la superficie lisa, revisar el desgaste de las escobillas de carbón (reemplazarlas cuando alcancen la longitud especificada) y asegurar una transmisión estable de la corriente de excitación; no olvide revisar si hay holgura en el portaescobillas.

Dentro de la base de la máquina: Inspeccione el núcleo del estator para verificar si hay holgura y los devanados para detectar deformidades una vez al año durante el período de inactividad, y limpie cualquier polvo acumulado en el interior.