Generador de una central hidroeléctrica

PROYECTO DE FINAL DE CARRERA GENERADOR DE UNA CENTRAL HIDROELÉCTRICA Fecha: 6 de junio del 2014 Titulación: Grado de Ingeniería Industrial Especialidad: Electricidad Director PFC: Luís Martínez Barrios Alumno: Jimmy Chamba Ochoa Generador de una central hidroeléctrica AGRADECIMIENTOS. Me gustaría mostrar mi agradecimiento a mi profesor y director Luis Martínez Barrios por todas las horas dedicadas en la consecución de mi proyecto de final de carrera, donde me ha demostrado su apuesta decidida por la ingeniería para el desarrollo personal y profesional. A la empresa OTSA de Sabadell que me ha facilitado la información necesaria para poder resolver todas aquellas dudas de carácter constructivo que sobre el papel son muy difíciles de conocer, quienes me han abierto de forma incondicional las puertas de su empresa y me han brindado su valioso tiempo en explicaciones que les han parecido oportunas. A todos mis compañeros y demás profesores que me han guiado durante la discusión de algunos temas de mí trabajo y que gracias a sus sugerencias me han servido de pauta para replantearme los problemas con una perspectiva diferente. Quiero agradecer a toda mi familia, en especial a mis dos hijos Dustin y Arnau por todas las horas que no les he podido dedicar íntegramente y sobre todo a mi esposa Ismenia por todo su apoyo incondicional y el ánimo recibido a lo largo de toda mi vida como pareja así como la de mi formación profesional. Jimmy Chamba Ochoa I Generador de una central hidroeléctrica CONTENIDO DEL PROYECTO PARTE I MEMORIA TÉCNICA PARTE II CÁLCULOS PARTE III PLANOS PARTE IV ANEXOS II Generador de una central hidroeléctrica PARTE I MEMORIA TÉCNICA Página 1. INTRODUCCIÓN. ................................................................................................. IV 2. OBJETIVOS. ........................................................................................................ - 4 - 3. CARACTERISTICAS TÉCNICAS DE LA TURBINA. .................................... - 5 - 4. CARACTERISTICAS TÉCNICAS NOMINALES. ............................................ - 6 4.1. Características nominales. ............................................................................. - 6 4.2. Aislamiento.................................................................................................... - 9 4.3. Calentamiento. ............................................................................................... - 9 4.4. Refrigeración del alternador. ......................................................................... - 9 4.5. Excitatriz...................................................................................................... - 10 4.6. Dimensiones y pesos. .................................................................................. - 10 - 5. DESCRIPCIÓN CONSTRUCTIVA. ................................................................. - 10 5.1. Generalidades. ................................................................................................. - 10 5.2. Estator. ............................................................................................................. - 12 5.2.1 la carcasa.................................................................................................... - 12 5.2.2. La corona estatórica de chapa magnética. ................................................ - 13 5.2.3 los conductores del inducido. .................................................................... - 15 5.3. Rotor. ............................................................................................................... - 17 5.3.1. Eje. ............................................................................................................ - 17 5.3.3. Los polos. ................................................................................................. - 17 5.3.4 las bobinas polares. .................................................................................... - 19 5.4. Cojinetes. ......................................................................................................... - 20 5.5. Sitema de refrigeración.................................................................................... - 20 5.6. Instrumentación y controles............................................................................. - 21 5.7. Excitatriz de corriente alterna sin escobillas. .................................................. - 22 - 6. METODO DE CÁLCULO. ................................................................................ - 24 - 7. BIBLIOGRAFIA. ............................................................................................... - 25 - III Generador de una central hidroeléctrica PARTE II CÁLCULOS MECANICOS Y ELÉCTRICOS Página CÁLCULOS ELÉCTRICOS. ............................................................ - 26 1. DATOS PRINCIPALES. ........................................................................... - 26 2. SISTEMA INDUCIDO. ............................................................................. - 27 2.1. Armaduras valores provisionales. ....................................................... - 27 2.2. Armaduras valores adoptados. ............................................................ - 30 2.3. Arrollamiento inducido. ...................................................................... - 34 2.4. Conductores por ranura y totales. ....................................................... - 39 2.5. Dimensiones de los conductores y ranuras (provisionales). ............... - 42 2.6. Trazado completo de la ranura y ordenación de los conductores. ...... - 46 2.7. Conductores. ....................................................................................... - 47 2.7. Dientes. ............................................................................................... - 47 2.8. Yugo .................................................................................................... - 51 3. SISTEMA INDUCTOR. ............................................................................ - 52 3.1. Entrehierro. ......................................................................................... - 52 3.2. Coeficientes de corrección para el entrehierro. ................................... - 52 3.3. Nucleos y expasiones polares. ............................................................ - 54 3.4. Núcleo rotórico de acero fundido........................................................ - 57 4. DIMENSIONES COMPLEMENTARIAS DEL INDUCIDO. .................. - 59 4.1. Longitud media del conductor. ........................................................... - 59 4.2. Vuelo de las cabezas de bobina........................................................... - 61 5. CONSTANTES DEL INDUCIDO............................................................. - 61 5.1. Resistencia y pérdidas óhmicas........................................................... - 61 5.2. Pérdidas adicionales en el cobre inducido. ......................................... - 64 5.3. Caídas de tensión y pérdidas totales en la resistencia del inducido. ... - 69 IV Generador de una central hidroeléctrica 6. REACTANCIA DE DISPERSIÓN. ........................................................... - 70 6.1. Generalidades. ..................................................................................... - 70 6.2. Ranuras................................................................................................ - 71 6.3. Cabezas de dientes. ............................................................................. - 75 6.4. Cabezas de bobinas. ............................................................................ - 76 6.5. Caida de reactancia. ............................................................................ - 76 7. EXITACIÓN. ............................................................................................. - 77 7.1. Exitación en vacío. .............................................................................. - 78 7.1.1. Entrehierro. .................................................................................. - 78 7. 1.2. Dientes. ....................................................................................... - 78 7. 1.3. Yugo. .......................................................................................... - 80 7. 1.4. Pearmeancia de dispersión polar. ............................................... - 81 7. 1.5. Polos. .......................................................................................... - 83 7. 1.6. Núcleo del rotor. ......................................................................... - 85 7. 1.7. Excitación total en vacío. ........................................................... - 87 7.2. Excitación a p.c y cos φ normal (cos φ = 0,85). ................................ - 87 7.2.1. Reacción de inducido en máquinas de polos salientes. ............... - 87 7.2.2. F.e.m a inducir por el flujo resutante ........................................... - 89 7.3. Excitación en carga. ............................................................................ - 91 7.3.1. Inducido. ...................................................................................... - 91 7.3.2. Inductor. ....................................................................................... - 93 7.4. Excitación total. .................................................................................. - 95 8. BOBINAS POLARES. ............................................................................... - 96 8.1. Sección del conductor. ........................................................................ - 96 8.2. Número de espiras por bobina. ........................................................... - 97 8.3.pérdidas y calentamientos de las bobinas inductoras. .......................... - 98 - V Generador de una central hidroeléctrica 9. EXCITATRIZ........................................................................................... - 101 10. RENDIMIENTO .................................................................................... - 102 10.1. Pérdidas en el hierro en carga. ........................................................ - 102 10.2. Perdidas en los cojinetes. ................................................................ - 105 10.3. Pérdidas por ventilación. ................................................................. - 106 10.4. Rendimiento en servicio (a 120ᵒc). ................................................. - 107 10.5. Rendimiento a 75ᵒc. ........................................................................ - 107 - CALCULOS MECÁNICOS. ............................................................. - 109 11. DISITRIBUCIÓN DEL BOBINADO DEL INDUCIDO. ..................... - 109 11.1. Generalidades. ................................................................................. - 109 11.2. Estimaciones en la distribución del bobinado. ................................ - 110 11.3. Proceso de distribución. .................................................................. - 111 11.4. Datos del esquema de bobinado. ..................................................... - 112 11.5. Cuadro de principios de fase. .......................................................... - 113 12. VOLANTE DE INERCIA. ..................................................................... - 116 12.1. Generalidades. ................................................................................. - 116 12.2. del volante de inercia. ............................................................. - 116 - 12.3. Diametro del volante de inercia. ..................................................... - 118 12.4. Peso del volante de inercia. ............................................................. - 118 - VI Generador de una central hidroeléctrica PARTE III PLANOS Generales. Plano 01 Ref. 0001 Implantación. Plano 02 Ref. 0003 Sistema de regulación de tensión. Plano 03 Ref. 0100 Conjunto del estator. Plano 04 Ref. 0101 Troquelado de la chapa estatórica. Plano 05 Ref. 0102 Chapa estatórica. Plano 06 Ref. 0103 Canal de ventilación y guías de fijación. Plano 07 Ref. 0104 Aro protector y dedo de apriete de la chapa. Plano 08 Ref. 0105 Bobina del inducido. Plano 09 Ref. 0106 Ranura del inducido. Plano 10 Ref. 0107 Devanado estatórico. Plano 11 Ref. 0200 Corona polar. Plano 12 Ref. 0201 Chapa polar. Plano 13 Ref. 0202 Bobina polar. Ref. 0300 Eje. Estator. Polos. Eje. Plano 14 VII Generador de una central hidroeléctrica PARTE IV ANEXOS Anexos 1 Guía matemática. Anexos 2 Excitatriz Y diodos rectificadores Anexos 3 bobinas catalogo ABB Anexos 4 Pletinas conductoras Anexos 5 Cojinetes Anexos 6 Acople elástico normalizado Anexos 7 Chapa magnética Anexos 8 norma IEC 34-5 Código IP, clasificación y grado de protección para máquinas eléctricas rotativas. Anexos 9 Norma IEC 34-6 Código IC, método de refrigeración para Máquinas eléctricas rotativas. Anexos 10 norma IEC 34-7 Código IM, tipo constructivo para máquinas Eléctricas rotativas. VIII Generador de una central hidroeléctrica Parte I Memoria Técnica PARTE I MEMORIA TÉCNICA Parte I Memoria Técnica 1. INTRODUCCIÓN. El desarrollo y progreso de las sociedades implica directamente un aumento en la demanda dela energía eléctrica, por tal motivo para poder satisfacer todas estas necesidades es necesario su generación. Actualmente la generación de energía apuesta por diferentes tecnologías renovables (parques eólicos, fotovoltaicos, etc.), sin olvidar que estos sistemas dependen directamente de una energía mecánica que no es una fuente constante, pudiendo quedar sin el suministro de energía si solo dispusiéramos de estas alternativas, por lo que es necesario contar con un sistema de producción continuo como serían las centrales térmicas y además regulable como son las centrales hidroeléctricas. Las centrales térmicas utilizan turbogeneradores y las hidroeléctricas los hidrogeneradores, que son máquinas síncronas cuya velocidad de rotación está vinculada rígidamente a la frecuencia y al número de polos. Las turbogeneradores van acopladas a turbinas de vapor que tienen un gran rendimiento a elevadas velocidades, pudiendo llegar hasta 3000 r.p.m con un alternador de dos polos y a una frecuencia de 50 Hz, son de ejes horizontales, son de rotor liso y con unas potencias de salida hasta de 1000 MVA. Los hidrogeneradores van acopladas a turbinas hidráulicas, cuya velocidad depende del salto de agua disponible, pero no alcanzan grandes velocidades, cuentan con un gran número de polos, el rotor es de polos salientes y la potencia media suele estar entre 150 y 300 MVA, pero se han llegado a construir unidades de hasta 750 MVA. L -1- Parte I Memoria Técnica as centrales hidroeléctricas tienen una gran versatilidad en lo que se refiere a continuidad y regulación, su tecnología se basa en aprovechar la energía potencial almacena mediante un salto de agua disponible de manera natural o en represas y que se transmiten a una turbina acoplada directamente por un eje a un alternador que transforma la energía mecánica en eléctrica para su posterior distribución. En la siguiente figura tenemos el funcionamiento básico de un hidrogenerador con una turbina Pelton. Figura 1: Salto de agua hacia un turbina y turbina acoplada a un generador Fuente: Apuntes de la asignatura Centrales Eléctricas. Tabla resumen de valores característicos de las principales turbinas. Turbina Salto de agua Velocidad (rpm) Eje Pelton Grandes 750-375 Horizontal Francis Medios 150 Vertical Kaplan Pequeños 100 Vertical -2- Parte I Memoria Técnica En el cálculo y dimensionamiento de los alternadores hay condiciones de tipo mecánico impuestas por el constructor de la turbina como es la velocidad de rotación y el GD^2 y las de tipo eléctrico como tensión y potencia de salida que alimenta una carga con un determinado cos φ. Estos valores son datos importantes que determinan las dimensiones de la máquina y todos los componentes que lo integran. Un hidrogenerador es una máquinas síncrona que tienen como función crear un flujo magnético rotórico que se transmite a la una parte fija de la máquina denomina estator, donde se induce la f.e.m necesaria que se ha determinado. Figura 2: Esquema de generadores polos salientes y de rotor liso Fuente: Apuntes de la asignatura Centrales Eléctricas. Tenemos que aclarar que casi nunca en la construcción de las máquinas se tiene que recurrir al cálculo integral de la misma, los constructores normalmente utilizan datos de máquinas ya construidas con sus diferentes factores de corrección, con la finalidad de implementar métodos que ya ha sido sometida a ensayos y que nos servirá de gran utilidad. -3- Parte I Memoria Técnica 2. OBJETIVOS. El objeto de este proyecto es el cálculo y el dimensionamiento de una máquina rotativa síncrona de eje horizontal arrastrada por una turbina hidráulica de tipo Pelton, que basado en las condiciones de tipo mecánico proporcionados por el constructor de la turbina y eléctricas por el cliente, adaptaremos información de máquinas ya construidas para proyectarla a nuestras condiciones. Otro objetivo que me ha motivo a escoger este tema para la realización de mi proyecto de final de carrera es la gran inquietud que he tenido respecto a construcción de las máquinas eléctricas y es especial a las rotativas. Este interés se vio cada vez más acentuado a medida que profundizaba en cada una de las asignatura como son la de máquinas eléctricas en general y la de construcción de las mismas, por lo cual no quería desaprovechar esta oportunidad y adquirir más conocimientos teóricos. Una de las metas trazadas es poderla evaluar mediante una máquina de características similares cuales son las mejoras obtenidas y los inconvenientes que podemos encontrar en el proceso de cálculo. Finalmente este es un trabajo que tiene como objetivo ser uno de los pilares en mi carrera profesional, mediante el cual en un futuro sea la base de proyectos de construcción y mantenimiento de centrales eléctricas. -4- Parte I Memoria Técnica 3. CARACTERISTICAS TÉCNICAS DE LA TURBINA. - Tipo Pelton - Fabricante Alsthom Power - Potencia máxima en el eje 8.415 kW - Momento de inercia 90 t.m2 - Velocidad nominal 514,3 min - Velocidad de embalamiento 920 min - Empuje axial 196,14 kN - Peso del rodete 14.710 ,5 N - Distancia del centro del rodete (turbina) al centro del cojinete del generador alternador) 1.490 mm Figura 3: Turbina Pelton con sus receptivas palas e inyectores. Fuente: Apuntes de la asignatura Centrales Eléctricas. -5- Parte I Memoria Técnica 4. CARACTERISTICAS TÉCNICAS NOMINALES. 4.1 CARACTERÍSTICAS NOMINALES. - Forma constructiva (s/ IEC 34-7) IM-7311 - Protecciones (s/ IEC 34-5) IP-23 - Sistema de refrigeración (s/ IEC 34-6) IC-01 - Potencia Aparente - Factor de Potencia. cos φ 08 - Tensión de línea U = 13,8 kV - Número de fase. m=3 - Conexión. Estrella - Frecuencia. f = 60 Hz min - Velocidad de giro - Velocidad de embalamiento 0 m -GD^2 del sistema rotórico - Pares de polos - Rendimiento a plena carga. η min 0 -6- Parte I Memoria Técnica Principales conceptos a tener en consideración. Potencia en bornes Es la potencia aparente en bornes, en este caso viene establecida por el salto de agua que mueve la turbina y transmite esta energía al rotor del generador. Coseno de Fi Es el desfase de la intensidad respecto a la tensión, lo cual nos indica la proporción de potencia activa y reactiva que se transmite. Tensión de línea Generalmente la tensión de salida de los generadores es del orden de 6 kV que posteriormente mediante transformadores sé eleva a tensión superiores para su respectivo transporte, pero en nuestro caso es una caso especial donde se ha impuesto que la tensión sea un poco más del doble de lo que normalmente suele ser. Número de fases Al ser un generador de gran potencia se utiliza un sistema trifásico para su mejor aprovechamiento. Número de fases Se ha elegido la esta conexión porque mediante ella podemos obtener una tensión menor en los devanados del inducido, porque si fuera la conexión en triangulo los devanados estarían sometidos una tensión de línea. -7- Parte I Memoria Técnica Frecuencia Esta frecuencia es utilizada en América y en concreto en Costa Rica que es el país donde se instalara este generador, cabe indicar que la frecuencia es muy importante a tener en cuenta, en nuestro caso como la velocidad viene fijada es la que nos condiciona el número de polos de la máquina. Velocidad de giro Este parámetro de la máquina síncrona casi nunca la elige el constructor normalmente viene fijada por la turbina en función del caudal disponible, a este dato lo podemos encontrar unidades como rpm (revoluciones por minuto) o min (1/minutos). Velocidad de embalamiento Esta velocidad no se pude superar porque de lo contrario se podría destruir la máquina por las fuerzas centrifugas que se pueden llegar a desarrollar en el embalamiento, se tiene que conocer que este embalamiento se puede producir por un fallo en la demanda de potencia en el alternador, con lo cual al alternador al estar trabajando en vacío no ofrece ningún par resistente. GD^2 del sistema rotórico Este es un valor que es proporcionado por el constructor de la turbina mediante el cual podemos equilibrar el par entregado por la turbina con el par resistente del alternador mediante un volante de inercia. Pares de polos Van vinculadas directamente con la velocidad de giro y la frecuencia de la red. -8- Parte I Memoria Técnica Rendimiento Es un valor que se impone con la finalidad de obtener las mejores prestaciones posibles. 4.2. AISLAMIENTO. Los conductores del rotor y del estator poseen un aislamiento de vidrio tratado en caliente de 2 mm de espesor y 5 mm respectivamente, todo el conjunto a su vez se encubierto por una cinta aislante de 3,5 mm en cada caso, con lo que aseguramos una correcto funcionamiento para la tensión de servicio, tal como se demuestran en apartado 70 de cálculo. 4.3. CALENTAMIENTO. Rotor Clase Térmica B Estator Clase Térmica B Es el incremento de temperatura máximo en servicio, que es de 80 ᵒC respecto a la temperatura ambiente de 40 para este clase térmica. La clase térmica es muy importante porque mediante estos parámetros podemos definir la temperatura tanto en régimen permanente como la máxima que puede soportar la máquina y con ello las pérdidas en los devanados. 4.4. REFRIGERACIÓN DEL ALTERNADOR. El alternador como se ha mencionado sigue las norma ( s/ IEC 34-6) IC01, que hace referencia a una ventilación de aire natural, pero se ha incorporado un ventilador cuyas dimensiones se especifican el apartado 267 de cálculo, con la finalidad de mejor la evacuación de aire caliente. -9- Parte I Memoria Técnica 4.5. EXCITATRIZ. - Potencia aparente 82 kVA - Tensión nominal 90 V - Intensidad nominal 900 A - Número de polos 12 4.6. DIMENSIONES Y PESOS. - Dibujo de dimensiones generales: L = 705 mm D = 2890 mm - Peso neto del alternador incluido placa base y excitatriz (aproximadamente) 50000 kg 5. DESCRIPCIÓN CONSTRUCTIVA. 5.1. GENERALIDADES. El alternador síncrono está compuesta por un eje horizontal acoplado a una turbina Pelton, dispone de dos cojinetes radiales, que soportan el peso de todas las partes rotativas del alternador y esta refrigerado con entrada libre de aire y salida de canalización, todo esto se especifica en las siguientes normas. La forma constructiva es según la denominación La protección de la máquina es El sistema de refrigeración es (s IP-23 (s/IEC 34 – 5) IC – 21 (s/IEC 34 – 6) – ) - 10 - Parte I Memoria Técnica El alternador cuenta con un rotor compuesto por siete pares de polos envueltos cada uno con pletinas de cobre por donde circula una intensidad que crea el campo magnético, en el estator encontramos ranuras con conductores de cobre en los que se induce un flujo y que crea la f.e.m. En el estator los dos extremos de cada grupo de bobinas que corresponden a cada fase son conducidos a la caja de terminales, situado en un lado lateral de la carcasa, donde se realizará el conexionado en estrella de las entradas y de quedando libres tres conductores donde posteriormente irá conectada la carga. En el rotor el arrollamiento dispuesto en los polos está en serie, por tanto tiene una entrada y una salida las cuales se comunican con los diodos rotativos y de estos a la excitatriz, que se encuentra montada en el mismo eje del alternador. El bobinado de la excitatriz es alimentado por medio de un transformador de excitación a través de un regulador automático de voltaje (AVR). El volante de inercia está situado en el lado opuesto al acoplamiento y del conexionado, con el fin de facilitar las operaciones de montaje y mantenimiento de la máquina. Figura 4: Constitución de una máquina síncrona - 11 - Parte I Memoria Técnica Fuente: “El fenómeno electromagnético” de José Antonio de Gurrutxaga Ruiz. 5.2. ESTATOR. El estator está conformado por la carcasa, la corona estatórica de chapa magnética con sus respectivas ranuras y los conductores de las bobinas inducidas. Fig. 5: Hidroalternador síncrono trifásico de la central de Itaipú de 824 MVA, 90 r.p.m., 60 Hz Fuente: Revista ABB, nº 1, 1992. 5.2.1 LA CARCASA. Es la encargada de soportar la corona estatórica, los bobinados alojados en las ranuras y otros compontes como la caja del conexionado y a su vez de mantenerlo completamente fijo, porque de lo contrario al menor movimiento del estator el rotor podría causar grandes daños en la estructura. Está diseñada y construida de acero laminado soldado teniendo como componentes básicos dos coronas circulares, tubos distanciadores entre las mismas, envolvente y placas de apoyo. - 12 - Parte I Memoria Técnica Los protectores van atornillados a ambos lados de la carcasa y los tubos distanciadores aseguran la estanquidad y solidez de la estructura. 5.2.2. LA CORONA ESTATÓRICA DE CHAPA MAGNÉTICA. Está corona se forma por láminas de chapa que se apilan en diferentes capas, cada capa contiene nueve piezas idénticas por motivos de troquela y reducción de costo. Debido a que la chapa magnética está sometida a un campo magnético variable, se utiliza varias capas de láminas con un espesor de 0,5 mm y con un alto nivel de saturación, con la finalidad de reducir las pérdidas magnéticas por el efecto de Foucault que se disipan en forma de calor y por de histéresis en el ciclo B-H de magnetización y desmagnetización. Las láminas tienen la designación ( e 0 0 ), con unas pérdidas específicas de 1,35 W/kg y una inducción de 3,3 T como máximo. Las nueve piezas de chapa de cada capa se encuentran dispuestas unas sobre otra, pero de tal manera que los cortes no coincidan entre ellas, para conseguir que mecánicamente formen un solo bloque de chapa y además no generar entrehierros no deseados. El núcleo magnético es apretado por medio de tirantes soldados que ayudan a una mejor la compactación. Figura 6: Yugo y dientes del estator. Fuente: OTSA Maquinaria Eléctrica S.L - 13 - Parte I Memoria Técnica Para permitir la refrigeración natural de la corona estatórica, la máquina consta de diez canales radiales de ventilación que facilitan el flujo del aire con el fin de reducir las pérdidas por calentamiento. Figura 7: Canales de ventilación radial en el estator. Fuente: OTSA Maquinaria Eléctrica S.L El criterio de elección del número de ranuras ha sido en función de las dimensiones de la máquina a construir y el nivel de aprovechamiento del material es necesario a tener en cuenta tanto el transporte como de troquelado de las diferentes piezas, para poder realizar la construcción con criterios de seguridad y rentabilidad económica, como se explica en el apartado 40 de cálculo. Una vez formado la corona se realiza un ensayo no destructivo a baja inducción, para comprobar cualquier posible cortocircuito entre láminas. - 14 - Parte I Memoria Técnica Figura 8: Canales de ventilación radial en el estator. Fuente: Catálogo de ABB. 5.2.3 LOS CONDUCTORES DEL INDUCIDO. En las ranuras del estator se alojan de grupos de bobinas formados cada una de ellas por 32 conductores, que son pletina de cobre de ( ) mm, cada bobina está transpuesta y son de iguales dimensiones permitiendo una distribución más uniforme y un conexionado accesible. Figura 9: Conductores transpuesto en el inducido. Fuente: Catalogo Winding Wire. - 15 - Parte I Memoria Técnica El bobinado es de tipo imbricado, fraccionario, trifásico en doble capa y conexión en estrella, se encuentran perfectamente aislado entre ellos, además cuenta con una capa que lo protege del posible contacto con la chapa. Los bobinados fraccionarios se utiliza mucho en alternadores, en donde los grupos polares de una fase no son todos iguales, que da origen a una ligera asimetría, pues el devanado no es igual en todos los polos de la máquina, logrando que las f.e.m inducidas en las fases tengan una forma más sinusoidal y por tanto con menos armónicos. Se denomina doble capa porque se encuentran dos conductores activos en cada ranura separadas adecuadamente por aislante, cada capa está envuelto con una cinta de micanita con un espesor de 3,5 mm y además tenemos un relleno de 7 mm de fibra de vidrio porosa como separación entre ellas. Figura 10: Devanado imbricado en doble capa Fuente: OTSA Maquinaria Eléctrica S.L Una vez terminadas las bobinas se introducen en las ranuras del estator, asegurándose mediante cuñas antimagnéticas de sujeción y posteriormente los extremos se sueldan con sus respectivos grupos de bobinas. - 16 - Parte I Memoria Técnica 5.3. ROTOR. Es la marte móvil de la máquina y se conforma fundamentalmente del eje, los polos y los conductores del inductor (bobinas polares). Figura 11: Rotor de un generador Fuente: Catálogo de ABB. 5.3.1. EJE. Es de acero fundido de la mejor calidad, esta mecanizado en toda su longitud y pulido en las superficies en las superficies de deslizamiento de los cojinetes, es la parte de acople con la turbina y sobre el que ira dispuesto el volante de inercia y la parte móvil de la excitatriz. 5.3.3. LOS POLOS. Es la parte inductora de la máquina, debido al efecto electromagnético que produce hacer circular una intensidad constante que envuelve un medio magnético (chapa o acero), creando un flujo constante que cuando atraviesa el entrehierro barre a todos los conductores del estator y de esta forma fundamentalmente crea la fuerza electromotriz. - 17 - Parte I Memoria Técnica Debido a que la chapa magnética está sometida a un campo magnético constante, no tendríamos pérdidas magnéticas por el efecto de Foucault, pero se ha empleado chapa de 1 mm para tener una mejor rigidez mecánica, además para evitar pérdidas por histéresis en el ciclo B-H de magnetización y desmagnetización se ha empleado chapa de una alta calidad de saturación. Las láminas tienen la designación ( e 00 00 ), con unas pérdidas específicas de 3 W/kg y una inducción de 7 T como máximo. La expansión polar es de forma senoidal que con la finalidad de obtener una onda de inducción con el menor número de armónicos. La chapa troquelada forman una masa polar que encaja en la corona polar y está en el eje, posteriormente mediante unos pernos axiles se prensa todo el conjunto. Figura 12: Polo de un generador Fuente: OTSA Maquinaria Eléctrica S.L - 18 - Parte I Memoria Técnica 5.3.4 LAS BOBINAS POLARES. En el núcleo polar se alojan las bobinas polares formadas pletina de ) mm, las pletinas rodean al polo formando 40 espiras cobre de ( 0 en serie, cada pletina tiene un aislamiento de 0,5 mm y por tanto de 10 mm entre ambas y son las responsables de la excitación que la máquina necesita. Figura 12: Bobinas polares con pletinas de cobre soldadas. Fuente: OTSA Maquinaria Eléctrica S.L Para disminuir los efectos de reacción de inducido se tiene que crear un campo contrario que lo contrarreste y con este fin se incorpora bobinados amortiguadores que se instalan en la expansión polar y están formador por barras de cobre dispuestas axialmente y cortocircuitadas en los extremos. Figura 13: Bobinas polares con pletinas de cobre soldadas. Fuente: OTSA Maquinaria Eléctrica S.L - 19 - Parte I Memoria Técnica 5.4 COJINETES. El eje del rotor se apoya en cojinetes a ambos lados del cuerpo rotórico. Están diseñados para soportar los empujes radiales y axiales procedentes de la turbina y de las propias vibraciones de la máquina. Los cojinetes son lubricados por un sistema de circulación forzada de aeite que consta de su propio sistema de refrigeración. Los casquillos de los cojinetes pueden ser remplazados sin necesidad de remplazar el eje. Figura 13: Cojinetes de Centrales Eléctricas. Fuente: Wikipedia Creative Conmons. 5.5. SITEMA DE REFRIGERACIÓN. El generado dispone de un sistema de refrigeración en circuito abierto, para mejorar la circulación se ha incorporado un ventilador que se encargara de absorber el aire caliente tanto de las bobinas polares como del estator. - 20 - Parte I Memoria Técnica Figura 13: Ventilador en un generador de polo salientes. Fuente: Wikipedia Creative Conmons. 5.6. INSTRUMENTACIÓN Y CONTROLES. El generador es está equipado con detectores de temperatura (RTD´s) y termómetros para la supervisión de las temperaturas. Cuenta con indicadores de nivel de aceite, una bomba de aceite y contacto de alarma en el caso de niveles bajos. Las principales zonas que se controlan son - Devanado del estator. - Casquillos y segmentos de los cojinetes. - Entrada y salida del aire de refrigeración. Todos los instrumentos están conectados a un juego de terminales ubicados en la caja de bornes auxiliares. - 21 - Parte I Memoria Técnica 5.7. EXCITATRIZ DE CORRIENTE ALTERNA SIN ESCOBILLAS. La excitatriz no es objeto de este proyecto, porque al ser una máquina de pequeñas dimensiones es fácil poder encontrarlas en el mercado, para este proyecto se utiliza una de la casa ABB. Es fundamentalmente un alternador de corriente alterna que va acoplado al eje de la turbina, en este caso el inductor se encuentra en el estator y el inducido en el rotor, a la salida del inducido se acoplan los diodos que rectifican la corriente que luego irán a los polos del generador. Hoy en día con la gran versatilidad que brinda el control de Potencia Electrónica podemos utilizar una excitatriz sin escobillas, o diodos giratorios y controlar externamente su correcto funcionamiento. Principalmente se compone de un estator, rotor y rectificadores. En el estator están alojados lo polos y estos se encuentran fijados a una cubierta metálica de acero, cada polo está formado por un núcleo polar macizo arrollado por una bobina. En el rotor su periferia esta ranurada para alojar el bobinado inducido compuesto por pletinas esmaltadas de cobre y consiste básicamente en un anillo que se ajusta en caliente al eje principal del rotor del generador. Los diodos rectificadores de corriente convierten la corriente alterna producida por la excitatriz en corriente continua de excitación de las bobinas del rotor del generador principal, y se alojan en un anillo que se monta en el rotor. - 22 - Parte I Memoria Técnica Figura 14: Excitatriz sin escobillas. Fuente: Wikipedia Creative Conmons. - 23 - Parte I Memoria Técnica 6. METODO DE CÁLCULO. Los nuevos proyectos de construcción de máquinas se basan en la experiencia de máquinas ya construidas, utilizando una serie de datos de basados en tablas y graficas que diferentes fabricantes han obtenido en sus procesos donde podemos encontrar resultados óptimos en el proceso de cálculo. Las máquinas eléctricas en su proceso de construcción actual siguen los mismos principios que los des hace muchos años con la diferencia que las curvas característica de los materiales han mejorado y con esto el rendimiento y dimensiones de las máquinas. Para la construcción del alternador síncrono en cuestión hemos utilizado los rinci ios de cálculo mencionados en el libro “ ÁL ULO ÁQU S LÉ R S” de Juan orrales US R L artín aunque el roceso de cálculo nos da la base de partida, tenemos que recordar que hoy en día se cuenta con tablas de datos y materiales mejorados con respecto a esta edición. En este proyecto, se ha utilizado curvas, características, normativa y legislación, según la normativa vigente IEC. En el apartado de cálculo del devanado estatórico está basado en el tomo de J.Ra “ ORÍ Y ÁL ULO BOB OS LÉ R OS” en el cual el método utiliza es bastante sencillo de entender y de fácil aplicación. - 24 - Parte I Memoria Técnica 7. BIBLIOGRAFIA. - Juan Corrales Martín. “ alculo industrial de máquinas eléctricas” omo y . - Ed. Marcambo, Boixareu Editores – 1982 Jesús Rapp Ocariz “Teoría y cálculo de bobinados eléctricos” - - Ed. J. Rapp – 1987 omo Luis Martínez Barrios “ untes de máquinas eléctricas” y “ onstrucción de máquinas” Departamento de expresión gráfica. AutoCAD y Normativa Vigente ISO - ABB Asea Brown Boveri Nº de publicación 2TT2034 11/92-5000 - Jesús Fraile Mora “ aquinas léctricas” Quinta dición. Ed. Mc Graw Hill - 2003 - 25 - PARTE II CÁLCULOS ELÉCTRICOS Y MECÁNICOS PARTE II CÁLCULOS ELÉCTRICOS Y MECÁNICOS 26 Parte II Cálculos Eléctricos CÁLCULOS ELÉCTRICOS. 1. DATOS PRINCIPALES. 001. Potencia en bornes. 002.- Factor de potencia normal . cos φ = 0,85 003.- Tensión de línea. U = 13,8 kV 004.- Número de fases. m=3 005.- Conexión. Estrella 006.- Frecuencia. f = 60 Hz 007.- Velocidad de giro. 8 008.- Velocidad de embalamiento. 0 m 009.- GD² del sistema rotórico. 010.- Posición del eje. Eje horizontal 011.- Ventilación. Circuito Abierto 012.- Arrollamiento estabilizador. De compensación. 013.- Aislamiento. Rotor y estator clase B 014.- Tensión de fase. U U √ 800 √ - 26 - Parte II Cálculos Eléctricos 015. Corriente por fase. 0 m U 016. Pares de polos. 0 017. Rendimiento supuesto. 0 0 η = 0,9 2. SISTEMA INDUCIDO. 2.1. ARMADURAS VALORES PROVISIONALES. 018.- Potencia por par de polos. 0 0 ar de olo 019. Relación λ Polos rectangulares; … . = 1,20 Provisionalmente la longitud es un 20% más grande que el paso polar, ésta relación entre la longitud del inducido y el paso polar muestra la proporción del cobre respecto al hierro. - 27 - Parte II Cálculos Eléctricos Grafica 1: Relación L para alternadores de polos salientes Fuente: Corrales (Fig. 2.04.06.c) 20. Correcciones. En la gráfica 2 se puede obtener el paso polar va en función de la potencia aparente por par de polos, en la que considera las siguientes condiciones. a 0 L cos 0 Por tanto es necesario realizar las correcciones necesarias para obtener un valor relativamente aproximado del paso polar. Por tensión se considera una reducción de un 10% Coeficiente = 1,10 or cosφ 0,85 es 7% mayor (aproximación lineal). Coeficiente = 1,07 Cociente total de reducción de potencia base. 021. Potencia base por par de polos. - 28 - Parte II Cálculos Eléctricos 0 0 0 0 8 022. Paso polar recomendable. En la gráfica 2 el paso recomendado en función de la potencia base es. . Grafica 2: Paso polar en función de la potencia base. Fuente: Corrales (Fig. 2.04.06.a) 023. Diámetro con el entrehierro. 024. Longitud del inducido. - 29 - Parte II Cálculos Eléctricos L L cm 2.2. ARMADURAS VALORES ADOPTADOS. Los valores anteriormente encontrados eran provisionales por lo tanto es necesario fijar valores determinados para los siguientes cálculos. 025. Diámetro. D = 240 cm 026. Longitud. L = 70,5 cm 027. Canales de ventilación radial. 028. Longitud axial por canal. 029. Longitud bruta del hierro. Es la longitud del conjunto de paquete de chapa sin canales de ventilación. L L n 0 ( 0 ) 030. Longitud neta del hierro. Es una corrección mediante el factor de empilado, debido al asilamiento entre chapas y al prensado de las mismas. La chapa que se va a utilizar es de 0,5 mm a la que le corresponde un factor de L L 0 0 0 . 031. Paso polar. - 30 - Parte II Cálculos Eléctricos Es la distancia semicircular que abarca cada polo en el inducido de la máquina, mediante la cual se sabe a partir de qué punto se dejan de sentir los efectos de un polo y empieza a actuar el siguiente. 0 032. Velocidad periférica. Es la velocidad lineal que adquiere la máquina, su valor tiene importancia tanto para criterios calentamiento como de soporte mecánico. 0 [ ] 0 [ ] 033. Velocidad de embalamiento. Es la velocidad máxima a la que pude llegar la máquina sin sufrir daños en su estructura, debido a las fuerzas centrifugas que se puedan llegar a generar a esta velocidad. 034. Recubrimiento polar. Suele ser un valor comprendido entre 0,6 y 0,7. Si su valor es más grande mayor será dispersión polar, por lo que se ha adoptado un valor intermedio. - 31 - Parte II Cálculos Eléctricos 035. Tipo de entrehierro. La forma del entrehierro influye en la onda de inducción y por tanto directamente en la f.m.m inducidas en cada una de las fases de la máquina, comúnmente para alternadores de polos salientes encontramos entrehierros uniformes (tipo uno) y senoidales (tipo dos). Entrehierro Senoidal - 32 - Parte II Cálculos Eléctricos 036. Factor relativo de forma. Según la gráfica 3 para entrehierros senoidales el factor de forma será. Grafica 3: Factor de forma en función del recubrimiento polar. Fuente: Corrales (Fig. 1.04.06.a) 037. Arco polar. 0 8 cm 038. Factor relativo de amplitud. En la gráfica 4 para entrehierros senoidales el factor de amplitud será. - 33 - Parte II Cálculos Eléctricos Grafica 4: Factor de amplitud en función del recubrimiento polar. Fuente: Corrales (Fig. 1.04.08.b) 2.3 ARROLLAMIENTO INDUCIDO. 039. Tipo de arrollamiento. Trifásico, bobinado excéntrico imbricado, fraccionario simétrico y doble capa. 040. Consideraciones previas al cálculo del bobinado. Sabemos que el bobinado va alojado en las ranuras del inducido por lo que es necesario primero considerar las dimensiones de la máquina para un mayor aprovechamiento del material necesario. La empresa que se encarga de suministrar la chapa magnética dispone de rollos de 1000 mm de ancho para el troquelado, por tanto se realizaran piezas iguales para cada una de las capas de la corona magnética con la finalidad de evitar que la pérdida de material sea cuantiosa. Como solución el mejor ángulo de corte. - 34 - Parte II Cálculos Eléctricos 00 Datos de la chapa: 00 r 00 r 0 ( ro ) Figura 2: a) Máquina troqueladora y rollo de chapa. b) Chapa del estator y ángulo de corte. Fuente: Elaboración propia. sen cateto o uesto i otenusa 00 0 0 0 0 ᵒ 0 ᵒ - 35 - Parte II Cálculos Eléctricos Una de las condiciones que tiene que permitirme este ángulo es que las piezas sean todas iguales, para lo cual encontraremos primero el número de piezas con el ángulo encontrado y escogeremos el número entero próximo superior. 0 ie as 0 ie as 041. Ranuras por polo y fase. 0 0 0 8 0 Como se trata de un devanado fraccionario debe de cumplir unas condiciones de compatibilidad en lo que se refiere al número de ranuras por polo y por fase que son las siguientes. n y entero y rimos entre si entero Elegimos la siguiente configuración porque cumple los criterios de compatibilidad, además porque nos interesa tener un número de ranuras elevado. 042. Número de ranuras. Es el resultado de multiplicar el número de polos por las fases y por número fraccionario elegido. n ( m) - 36 - Parte II Cálculos Eléctricos Una de las condiciones de este número es que sea múltiplo de 9 para que todas las piezas de chapa tengan el mismo número de ranuras. n entero (cum le la condición ) 043. Ranuras por polo. 8 044. Ranuras por polo eléctrico n m n . . 045. Paso de bobinas. Es la distancia entre los dos lados de una bobina conocido como paso natural. 045. Paso Acortado. El paso de bobinas se acorta para mejorar la forma de onda, según la experiencia de unos fabricantes este paso se suele acortar entre un 20% y un 30%, además tiene que ser un número entero para su respectiva distribución. 0 8 0 ( 0 8 ) 8 - 37 - Parte II Cálculos Eléctricos Con lo que se tiene un acortamiento que se encuentra dentro de los límites recomendados tal y como se puede comprobar en la siguiente operación. ( ) ( 0 8 8 00 0 8 ) 046. Paso relativo. n . ( ) 8 0 0 8 8 047. Coeficiente de distribución. Este coeficiente es un factor de corrección para la f.e.m.. Se aplica porque la f.e.m en cada bobina es perpendicular al flujo y por tanto la suma de todas las f.e.m son vectoriales y no lineales y que dependen directamente del armónico que se quiere estudiar en este caso es el de para la fundamental. ( ( 0 ) 0 ) ( ( 0 ) 0 ) 048. Coeficiente de acortamiento. Si el paso de bobinas no es diametral, es decir que no abarca un arco polar superior o inferior a los 180 ᵒ electromagnéticos de un paso polar aparece un desfase entre las f.e.m de ambos lados de la bobina que es la causa de una nueva reducción de la f.e.m resultante que se designa como coeficiente de acortamiento . - 38 - Parte II Cálculos Eléctricos cos ( ( y ) n 0) ( cos( 0 8) 0) 049. Coeficiente de bobinado. 0 8 0 050. Ángulo vectorial entre ranuras. n 0 0 051. Número máximo de vías en paralelo. 2.4. CONDUCTORES POR RANURA Y TOTALES. ̂ 052. Inducción 𝐵̰ en vacío provisional. Según la gráfica 5 la inducción supuesta del entrehierro en vacío es. ̂ 𝐁̰ - 39 - Parte II Cálculos Eléctricos Grafica 5: Inducción máxima senoidal en el entrehierro en función del paso polar. Fuente: Corrales (Fig. 2.04.05.a) 053. Conductores por ranura. 0 00 0 ( ) 𝐵̰̂ ( 00 ) ( 0 0 ) 0 88 Para devanados en doble capa el número de conductores tiene que ser par, por tanto. 054. Inducción teórica Senoidal en el entrehierro en vacío. 𝐵̰̂ 𝐵̰̂ 055. Carga lineal especifica. ( ) ̂ 𝑩̰ ( ) 8 0 88 8 8 8 0 - 40 - Parte II Cálculos Eléctricos Como podemos observar la carga lineal que puede soportar la máquina es mayor que la recomendada en la gráfica 6, debido a que se han incorporado más conductores por fase, con todo esto disminuye el calentamiento y la densidad de corriente. q 0 c cm ( ) Grafica 6: Carga lineal específica en el entrehierro en función del paso polar. Fuente: Corrales (Fig. 2.04.05.b) 056. Flujo teórico Senoidal en el entrehierro en vacío. ̰̂ ̰̂ 𝐵̂ ̰ 0 8 [m] 0 0[m] 0 057. Flujo efectivo en el entrehierro en vacío. ̰̂ 058.-Conductores totales. ̰̂ ( ̰̂ ( ro isional) ) 0 [ ] 0 8 - 41 - Parte II Cálculos Eléctricos 059.-Conductores por fase. 2.5. DIMENSIONES DE LOS CONDUCTORES Y RANURAS (PROVISIONALES). 060. admisible en la superficie de las cabezas de bobinas. En la gráfica 7 se considera un punto intermedio entre los inducidos cortos y largos. Grafica 7: Calentamiento de las cabezas de bobinas en función de la velocidad lineal. Fuente: Corrales (Fig. 2.04.19 a) - 42 - Parte II Cálculos Eléctricos 0.61. Incremento de temperatura admisible en las cabezas de bobinas. Con asilamiento tipo B el incremento admisible de temperatura puede ser 80 . Para una longitud normal de inducido, la diferencia entre la temperatura media del arrollamiento y la exterior de las cabezas de bobina la como máximo no será de 40 ᵒC 0.62- ( 80 ) admisible. 0 0 El producto de la carga lineal específica por la densidad de corriente se puede considerar como un índice de posible calentamiento de los conductores. 0 0.63. Densidad de corriente admisible. q 00 q 00 00 8 8 0.64. Sección de conductor por fase. s s 8 8 0.65. Inducción teórica aparente máxima en los dientes en vacío. Según la información de algunos fabricantes la esta inducción se puede considerar entre los siguientes valores. - 43 - Parte II Cálculos Eléctricos B̰̂ … 8 … ̂ 𝐁̰ 0.66. Factor de corrección lineal para los dientes. 0 0.67. Paso de ranuras en el entrehierro. 0 n 0.68. Grueso del diente en el entrehierro. ̰̂ B B̰̂ to 0 08 0.69. Anchura de ranura. a to 0 0.70. Aislamiento necesario por conductor. Grueso de la doble pared. El conductor se encuentra compuesto por 16 hilos de cobre (8 x 2), por tanto el campo eléctrico se reparte equitativamente. d 0 U 0 0 8 0 0 mm - 44 - Parte II Cálculos Eléctricos Las pletinas de cobre seleccionadas figuran en los anexos como ) tienen un aislamiento de barniz y vidrio tratado en (material u caliente con un espesor al contorno de 0,2 mm cada una. 0.71. Grueso del manguito de ranura. t 0 U ( ) 0 8 mm Cada capa o grupo de bobina están envueltos con una cinta de micanita con un espesor de aislante de 3,5 mm más el anti efluvios de 0,15 mm. - 45 - Parte II Cálculos Eléctricos 2.6. TRAZADO COMPLETO DE LA RANURA Y ORDENACIÓN DE LOS CONDUCTORES. 0.72. Disposición definitiva de la ranura. 0.73.- Anchura de la ranura. a = 21,5 mm 0.74.- Profundidad de la ranura. - 46 - Parte II Cálculos Eléctricos 2.7. CONDUCTORES. 0.75. Sección del conductor por fase. La sección adoptada figura en la tabla del anexos, de perfiles del pletinas de cobre de un catálogo de ABB y se trata de cobre con la designación ( u . – i ), el conductor está conformado de 8 hilos de cobres en paralelo de (6,7 x 2,24) mm. 0.76. Densidad definitiva de corriente. 8 8 00 s 0.77. Producto (q· ). 8 8 0.78. Calentamiento probable medio. ( ) 0 8 0 C 2.7. DIENTES. 0.79. Diámetro mínimo de dientes. - 47 - Parte II Cálculos Eléctricos 0.80. Diámetro a 1/3 de la altura. Este cálculo lo que nos permite es tener una aproximación bastante real, porque es a partir de la base a 1/3 de altura es donde se obtiene la inducción máxima. 0 0.81. Diámetro medio de dientes. 0 0.82. Diámetro en la raíz de los dientes. 0 0.83. Paso mínimo de dientes. n 0 0.84. Paso a 1/3 de la altura. n 0.85. Paso medio de dientes. n - 48 - Parte II Cálculos Eléctricos 0.86. Paso en la raíz. n 0.87. Grueso mínimo del diente. t a 0.88. Grueso a un tercio de la altura. t a 0 0.89. Grueso medio. t a t a 8 0.90. Grueso en la raíz. 0.91. Parámetro t 0 - 49 - Parte II Cálculos Eléctricos 0.92.- Parámetro 0 t 0.93. Parámetro 8 0.94. Parámetro t COMPROBACIÓN. 0.95. Inducción máxima teórica, aparente en los dientes con onda Senoidal en vacío. B̰̂ to ̂ 𝐁̰ ̂ B̰ 0 0 0.96. Inducción máxima teórica aparente a 1/3 de altura. B̰̂ B̰̂ ̂ 𝐁̰ t t 8 0 - 50 - Parte II Cálculos Eléctricos 2.8. YUGO 0.97. Inducción admisible en vacío (provisional). Se recomienda que la inducción se encuentre entre los siguientes valores. ̂ 𝐁 0.98. Altura del yugo. ( 𝐵̂ )( ) ( ̂ B ̂ B ( ̂ B ) 0 ( 0 0 ) )( ( 0.99. Inducción resultante en vacío. ̂ B … cm ) ) ̂ 𝐁 100. Diámetro medio del Yugo. 0 101. Diámetro exterior. ( ) 102. Longitud media de la línea de fuerza. l 8 - 51 - Parte II Cálculos Eléctricos 3.- SISTEMA INDUCTOR. 3.1. ENTREHIERRO. 103. Relación del entrehierro al paso polar. Para una máquina de polos salientes y entrehierro Senoidal. 0 q ̂ B 0 8 8 00 104. Valor del entrehierro. 00 00 00 8 mm 105. Comprobación mecánica. 000. . 0 mm 00. . 00 000. . mm. . mm. . 00 00. . mm 00 Por tanto podemos decir que cumple con la condición mecánica. 3.2. COEFICIENTES DE CORRECCIÓN PARA EL ENTREHIERRO. 106. Longitud efectiva del canal radial. - 52 - Parte II Cálculos Eléctricos La máquina al estar provista de canales de ventilación no tiene una longitud totalmente uniforme, debido a esto la inducción máxima necesaria es mayor para lo se necesita su respectivo factor de corrección. Figura 1: Factor de corrección por canal de ventilación. Fuente: Corrales (Figura 1.04.09. a) En la gráfica 8 podemos encontrar el factor de corrección de ventilación de 10mm de ancho Gráfica 8: Factor de corrección para canales . para canales de ventilación. Fuente: Corrales (Figura 1.04.09. b) 107. Longitud efectiva del entrehierro. L L n 0 0 - 53 - Parte II Cálculos Eléctricos 108. Factor de corrección axial. L L 0 8 109. Coeficiente de CARTER. a ( ) a ( ) ( ( ) ) Corresponde al efecto de las ranuras sobre el flujo como lo podemos observar en la siguiente figura. Figura 3: Coeficiente de cárter. Fuente: corrales (Figura 1.04.10 a) 3.3. NUCLEOS Y EXPASIONES POLARES. 110. Inducción admisible en los polos (provisional). - 54 - Parte II Cálculos Eléctricos Se recomienda que esta inducción se encuentre entre los valore siguientes. 𝐁 B ( … ) 111. Coeficiente de dispersión en vacío. Se recomienda que esta inducción se encuentre entre los valore siguientes. … 112. Factor de empilado del rotor. Para los polos emplearemos una chapa de 1 mm, es de mayor espesor que en el estator, por ser la parte rotativa se asegura un mejor comportamiento mecánico y con el siguiente factor de empilado. 113. Longitud del núcleo polar. 114. Coeficiente longitudinal del polo. 0 0 8 0 - 55 - Parte II Cálculos Eléctricos 115. Anchura del núcleo polar. b ( ) B ̂ B 0 B ( 0 ( 116. Inducción provisional en vacío. B 0 ( ) 𝐁 0 ) 8 cm ) b b 8 117. Longitud de la bobina polar (provisional). q 00√0 8 8 0 00√0 0 ( 8 ) 118. Altura radial del núcleo polar. Dada la importante fuerza centrífuga que han de soportar las bobinas de esta máquina y los considerables esfuerzos con que habrá que contar en las cabezas libres dejaremos un poco más la altura. 118. Altura de la expansión polar. ( ) La forma del polo es senoidal, por lo cual el valor que se adopte de esta expansión tiene que ser mayor que 27,74 mm que corresponde a los extremos del arco polar descritos en el apartado 109, por tanto adoptamos el siguiente valor. 119. Longitud total del polo. - 56 - Parte II Cálculos Eléctricos l 00 0 120. Configuración cosenoidal del entrehierro. ( ( 0) (0) ( 0) 0 ( 0) 8 ) 0 ( 0) ( 0) ( ) 121. Longitud axial de la expansión polar. 3.4. NÚCLEO ROTÓRICO DE ACERO FUNDIDO. 122. Diámetro máximo de la corona polar. ( l ) 0 ( ) 123. Inducción admisible en el núcleo en vacío. Se recomienda que esta inducción este entre los siguientes valores. 𝐵 … - 57 - Parte II Cálculos Eléctricos 𝐁 ( 124. Factor de empilado del núcleo. ) Consideramos que el núcleo es macizo por tanto el factor de empilado. 125. Longitud del núcleo. 126. Coeficiente longitudinal del núcleo. L 0 L 0 127. Altura radial del núcleo. ( )( ) B B̰̂ ( B 129. diámetro medio del núcleo. B ( )( cm ( 128. Inducción provisional en vacío. 0 0 ) 0 ) ) 𝐁 8 - 58 - Parte II Cálculos Eléctricos 130. Diámetro mínimo. 131. Longitud media de las líneas de fuerza. 8 l 4. DIMENSIONES COMPLEMENTARIAS DEL INDUCIDO. 4.1. LONGITUD MEDIA DEL CONDUCTOR. 132. Saliente de manguito. Manguito cortó. Manguito largo. 0 0 ( 8) ( 8) 8 8 133. Juego entre bobinas. 0 (0 8) 134. distancia entre fases. 8 - 59 - Parte II Cálculos Eléctricos 135. Distancia a masa. 8 136. Longitud media de las cabezas de bobinas. Devanado en doble capa. L a L L 0 a √ 8 8 √ cm cm a a ( ) 0 0 ( ) ( ) 8 0 cm Adoptamos como cabeza de bobina 137. Longitud media del conductor. 0 0 0 0 0 ( 0 80 ) - 60 - Parte II Cálculos Eléctricos 4.2. VUELO DE LAS CABEZAS DE BOBINA. 138. Saliente de bobina. 8 ( √ ) 8 0 8 0 ( √ 0 Adoptaremos como vuelo de la bobina 0 8) 8 0 8 80 8 0 8 5. CONSTANTES DEL INDUCIDO. 5.1. RESISTENCIA Y PÉRDIDAS ÓHMICAS. 139. Clases de aislamiento. En la tabla 1 tenemos los valores de incremento medio de temperatura y el valor medio de temperatura en servicio para el tipo de aislamiento B. - 61 - Parte II Cálculos Eléctricos Tabla 1 : Tabla de elección del tipo de aislamiento. Fuente : Corrales ( Tabla 1.01.16.a) 140. Resistividad en caliente. En la tabla 2 encontramos los valores de resistividad del cobre Cu 56 a temperaturas normalizadas de 75 ᵒC ᵒ ᵒ - 62 - Parte II Cálculos Eléctricos Tabla 2 : Caracteristicas del cobre Cu 56 a las temperaturas admitidas según aislamiento. Fuente : Corrales ( Tabla 1.01.16 b) 141. Resistencia óhmica a . R l S ᵒ 00 00 8 142. Peso del cobre del inducido. 8 ( ) 000 ) 000 ( 8 00 143. Pérdidas relativas por efecto Joule y caídas óhmicas. 0 A 0 00 0 0 u A 0 ( ) ̂ ( 000) 𝐵̰ (0 0) ( 000 ) 0 (multiplicamos directamente por el factor u ) 0 8 144. Pérdidas absolutas por efecto Joule y caídas óhmicas. A - 63 - Parte II Cálculos Eléctricos U A u 00 U 00 0 8 0 U u 00 U 00 0 00 0 8 00 0 00 0 0 00 5.2.- PÉRDIDAS ADICIONALES EN EL COBRE INDUCIDO. EN LAS BARRAS INDIVIDUALES. 145. Altura de una barra. 146. Número de estratos por ranura. Son los conductores aislados, radialmente superpuestos. 147. Altura de cobre por ranura. 148. Altura del conjunto de barras por ranura. ( 0 0 ) ( ( 0 )) - 64 - Parte II Cálculos Eléctricos 149. Anchura de cobre por ranura. a 150. Resistividad a 75ᵒC 151. Parámetro 0 √ a a 000 √ 0 8 0 08 0 000 0 0 152. Altura ficticia. 0 153. Factor de corrección por paso acortado. 8 0 ᵒ El factor de corrección ky en los devanados de doble capa va en función del paso relativo, yn n 0 8 (apartado 46) y su valor es. - 65 - Parte II Cálculos Eléctricos Grafica 9: Factor de corrección Ky para las perdidas adicionales en devanados en doble capa en función del paso acortado Fuente: Corrales (figura 1.10.28 a) 154. Longitud axial efectiva en la dispersión de ranuras. Como podemos observar en la gráfica 9 para un ancho de ranura 21,5mm y canal de ventilación de 10 mm el factor de corrección mm Por tanto la longitud sería. L L n 0 0 es. cm ( 0 0 ) - 66 - Parte II Cálculos Eléctricos Grafica 9: Expansión del flujo de dispersión de ranuras frente a los canales de ventilación. Fuente: Corrales (figura 1.05.06 a-b) 155. Incremento de pérdidas en las barras individuales a 75ᵒC en doble capa. ̰ ̰ ( ) (( 0 )0 ̰ L l ) 0 Lo que nos indica que las pérdidas son el 5,46 % en las ranuras y el 2,16% en el promedio de cada barra. ENTRE BARRAS EN PARALELO DEL INDUCIDO. 156. Parámetro ´ para el conductor compuesto. 0 0 8 √ 0 08 √ a a l 000 L 000 0 0 0 - 67 - Parte II Cálculos Eléctricos 157. Altura del conductor compuesto. 158. Altura ficticia del conductor compuesto. 0 08 ᵒ 159. Estratos compuestos por ranura. ( ) ( ) 160. Incrementos de pérdidas en las barras en paralelo a 75 ᵒC. ̰ ( ) ̰ L l 8 ( 0 0 8 ) Lo que nos indica que el 13,42 % en las ranuras y el 5,30 % en el promedio de cada barra. 161. Incremento relativo de caída por resistencia y pérdidas en el bobinado A 75ᵒC: ̰ (0 0 0 ) 0 ̰ 0 Que representa un 18,86 % de pérdidas en las ranuras y un 7,4 % en el promedio del bobinado. A 120 ᵒC Directamente dividimos por el factor a 120 ᵒC ( ) - 68 - Parte II Cálculos Eléctricos ̰ (0 88 ) 0 ̰ 0 Que representa las pérdidas en un 16,54 % en las ranuras y el 5,73 % en el conjunto del arrollamiento. 5.3. CAÍDAS DE TENSIÓN Y PÉRDIDAS TOTALES EN LA RESISTENCIA DEL INDUCIDO. 162.- Pérdidas a 75ᵒC ( u ̰ 163.- Pérdidas a 120ᵒC ṵ ̰ ( ( ) U 00 ( 0 ̰) u U 00 00 ̰) ( ( 0 8 0 8 )0 8 00 00 0 00 de U 0 de ̰ 0 00 00 00 0 )0 8 00 00 0 00 ( u ̰ )u ( u ̰ )0 0 )0 0 8 8 de U de ̰ ̰ - 69 - Parte II Cálculos Eléctricos 6. REACTANCIA DE DISPERSIÓN. 6.1. GENERALIDADES. Con dispersión nos referimos exclusivamente al efecto autoinductivo de los flujos alternos tal y como se presentan en el alternador. La dispersión polar de flujo constante, se sitúa en el rotor en el caso del alternador d polos salientes. Es ahí donde el flujo disperso contribuye a aumentar la saturación de los núcleos y de las coronas polares, cosa no deseable. No es preciso llegar siempre a la valoración numérica del flujo de dispersión para calcular las f.e.m de reactancia. El coeficiente de autoinducción y las permeancias son parámetros auxiliares suficientes para calcularlos. Estos parámetros dependes de las dimensiones geométricas del circuito magnético donde se asienta el flujo de dispersión, del número de espiras de las bobinas inducidas por él y la permeabilidad del medio. Debido a que la reluctancia variable en los circuitos ferromagnéticos es mucho menor que la reluctancia que aparece en los espacios de aire, se puede despreciar, quedando así, una reluctancia constante. Con el fin de poder efectuar el estudio analítico de la dispersión de los arrollamientos, se debe de considerar separadamente cada uno de los circuitos por donde discurren los flujos de dispersión, para así llegar al valor propuesto de permeancia combinada . Así mismo llegar al valor permeancia específica por unidad de longitud de ranura . El planteamiento analítico de los problemas aplicando valores relativos, adquiere unas ecuaciones relativamente sencillas de aplicar, como se verá en los siguientes apartados. - 70 - Parte II Cálculos Eléctricos 6.2. RANURAS. 164. Alturas y anchuras. En la siguiente tabla se muestra los valores correspondientes ALTURAS VALORES ANCHURAS VALORES (mm) (mm) Capa interior De ranura Capa exterior Asiento de cuña Entre capas. Salida Extremo de ranura entrehierro. del Cuña. Salida del entrehierro. - 71 - Parte II Cálculos Eléctricos 165. Corrección para la altura de conductores y resto de ranura. En la gráfica 10 podemos encontrar factores de corrección kc y ka para el paso relativo siguiente 0 8. Kc es el factor de corrección aplicado por la permeancia del cuerpo de las bobinas en la ranura. Ka es el factor de corrección debido a la permeancia del espacio exterior a las bobinas con arrollamiento de paso acortado Grafica 10: Factores de corrección kc y ka para la permeancia del cuerpo y espacio exterior de las bobinas. Fuente: Corrales (figura 1.05.14 c y d) - 72 - Parte II Cálculos Eléctricos 166. Corrección por concentración de corriente. Esta corrección se la realiza mediante el factor de corrección para obtener la permeancia de dispersión en el cuerpo del bobinado, dentro de la ranura en función de la altura aparente de conducción. Altura aparente de conducción se realiza para los conductores compuesto por el motivo que para los simples la corrección es despreciable. 8 0 8 0 cm ᵒ El siguiente factor de corrección lo hemos obtenido de la gráfica 10. Gráfica 10: Factor de corrección para la permeancia de dispersión dentro de la ranura. Fuente: Corrales (figura 1.06.06. b) - 73 - Parte II Cálculos Eléctricos 167. Longitud axial efectiva de dispersión. En la gráfica de perdida de longitud por dispersión por ranura podemos encontrar el factor de corrección 0 Ranura Base de cuña Salida entrehierro para en ancho correspondiente. 0 8 0 0 Cálculo de longitudes. L L L L L n 0 0 n 00 0 n L 0 0 Gráfica 11: Factor de corrección en la longitud axial. Fuente: Corrales (figura 1.06.06. b) 168. Permeancia especifica de ranura. ( a a a ( L a ) L L L L a L 0 a L L L )08 0 8 0 08 0 - 74 - Parte II Cálculos Eléctricos 8 0 08 0 0 0 0 0 08 0 0 00 6.3. CABEZAS DE DIENTES. 169. Entrehierro medio. 0 0 170. Permeancia específica. a 08 08 0 0 8( 0 8 ) 08 0 Figura 4: Permeancia específica de cabeza de diente. Fuente: Corrales (Figura 1.06.08 a) - 75 - Parte II Cálculos Eléctricos 6.4. CABEZAS DE BOBINAS. 171. Devanado en doble capa. L ) L n (0 (0 𝐁 0 0 ) 6.5. CAIDA DE REACTANCIA. 172. Permeancia especifica combinada. ∑ 0 173. Permeancia combinada. L 0 8 174. Inductancia por fase. L 8 0 n 8 0 8 175. Reactancia por fase. L 0 0 176. F.E.M de reactancia por fase. 8 8 8 0 ase - 76 - Parte II Cálculos Eléctricos e U 00 0 00 de U 177. Cálculo directo de la caída relativa de reactancia. e 8 q ( )( ̂ n 00 B ) e 0 8 ( 8 8 )( 00 0 8 ) de U Los resultados obtenidos son prácticamente iguales, por tanto adoptamos como resultado valido. 7. EXITACIÓN. La excitación necesaria en carga depende de dos factores: Por un lado la f.e.m interna ligada a las caídas de tensión de la máquina en condiciones previstas, lo cual determina el flujo requerido en el circuito magnético principal, y por lo tanto, el número de amperios vuelta de excitación que hay que prever para vencer la reluctancia de este circuito. Por otro lado, la reacción magnética del inducido, cuyo efecto será preciso compensar mediante la excitación principal, a fin de que no quede mermada la f.m.m necesaria para el circuito magnético. Con el fin de encontrar la excitación necesaria para nuestro alternador, se calculara la excitación en vacío, y a plena carga. - 77 - Parte II Cálculos Eléctricos 7.1. EXITACIÓN EN VACÍO. 7.1.1. ENTREHIERRO. 178. Inducción máxima corregida, en el entrehierro. ̂ B ̰̂ )B ( ( 0 ̂ 𝐁 0 )0 0 179. Intensidad de campo en el entrehierro. ̂ B ̂ 08 0 ̂ 8 0 m 180. Excitación para el entrehierro en vacío. ̂ ̂ ̂ 8 7. 1.2. DIENTES. 181. Inducción máxima corregida a un 1/3 de la altura. ̂ B ̂ B ̂ 𝐁 0 0 182. Inducción real corregida a 1/3 de la altura e intensidad de campo. En la gráfica 12 tenemos el campo magnético correspondiente a la inducción aparente teórica utilizando chapa Fe V 330-50 HA es. ̂ B ̂ 0 m cm - 78 - Parte II Cálculos Eléctricos Utilizando el primer método de para el cálculo del campo necesario para los dientes, tenemos que se dibuja por eje de ordenadas una paralela a la recta de parámetro . En la ecuación de la recta el valor obtenido es directamente el incremento que tenemos que adicionar a la inducción aparente teórica, teniendo en cuenta que las unidades de la gráfica 12 están dadas en testas (T) y este valor que tiene unidades de Guaus (G), por tanto se tiene que hacer la conversión. ̂ B ̂ B [ ] ̂ B [ ] [ ] 0 00 Para inducciones menores de 1,8 T la tensión magnética en los dientes es bastante reducida y el flujo que deriva radialmente en paralelo por el espacio de las ranuras y del aislamiento entre chapas resulta bastante despreciable. Adoptando como definitivo el siguiente. ̂ 𝐁 - 79 - Parte II Cálculos Eléctricos Gráfica 12: Inducción real aparente en el diente. Fuente: Catalogo UGINE (anexo 2) 183. Excitación para los dientes en vacío. ̂ 7. 1.3. YUGO. ̂ ̂ 184. Inducción efectiva en vacío. 185. Intensidad de campo. ̂ 𝐁 En la gráfica 13 encontramos el valor de la intensidad de campo en función de la inducción que es el siguiente. - 80 - Parte II Cálculos Eléctricos ̂ Gráfica 13: Inducción en el yugo. Fuente: Catalogo UGINE (anexo 2) 186. Excitación para el yugo en vacío. ̂ ̂ ̂ l 7. 1.4. PEARMEANCIA DE DISPERSIÓN POLAR. 187. Longitud de la expansión polar. 188. Arco de la expansión polar. - 81 - Parte II Cálculos Eléctricos 189. Altura de la expansión polar. En el centro En los extremos Equivalente ( ) 190. Arco medio entre expansiones. ) ( b b ( 0 ( ) ) 191. Arco medio entre núcleos polares. b b ( ( 0 ) ( ) ( ) b 0) 192. Permeancia de dispersión polar. La dispersión polar depende de la excitación , que va en función de la carga del alternador, debido a que las caídas de tensión y la reacción de inducido obligan a aumentar la corriente inductora para mantener la tensión en bornes. Es por lo tanto, muy importante calcular la característica magnética en vacío. 0 L b L b - 82 - Parte II Cálculos Eléctricos 0 0 8 log 8 log 8 ( ) 8 0 ( 8 80 0 ) 0 log 0 8 ( ) 0 log ( 0 0 b 00 8 8 0 ) 7. 1.5. POLOS. 193. F.m.m de dispersión polar en vacío. ̂ ̂ ̂ 194. flujo de dispersión polar. 00 0 8 8 00 0 195. Flujo polar. ̂ 0 196. Coeficientes de dispersión polar en vacío. ̂ 00 0 8 - 83 - Parte II Cálculos Eléctricos Renunciando al cálculo exacto de la permanencia de dispersión polar se puede optar el valor admitido provisionalmente de 197. Sección neta del núcleo polar. 0 0 198. Inducción en el núcleo polar. B 199. Intensidad de campo en el polo. 𝐁 S 0 0 0 Mediante la gráfica 14 observamos que para la chapa Fe V 700 -100 HA y con una inducción de 1,38 T el campo en el polo necesario sería. - 84 - Parte II Cálculos Eléctricos Gráfica 14: Inducción en el polo. Fuente: Catalogo UGINE (anexo 2) 200. Excitación para el polo en vació. l 7. 1.6. NÚCLEO DEL ROTOR. 201. Flujo en el núcleo. 202. Sección del núcleo macizo. S L 0 8 cm - 85 - Parte II Cálculos Eléctricos 203. Inducción en el núcleo. B 𝐁 0 S 0 08 204. Intensidad de campo en el núcleo de acero dinamo. Mediante la gráfica 15 observamos que para núcleos de acero dinamo y una inducción de 1,15 T el campo en el núcleo sería. Gráfica 15: Inducción en el núcleo macizo. Fuente: Corrales (Figura 1.03.02 a) 205. Excitación para el núcleo en vacío. l 0 - 86 - Parte II Cálculos Eléctricos 7. 1.7. EXCITACIÓN TOTAL EN VACÍO. 206. Suma de excitaciones en vacío. (̂ ̂ 00 0 ̂ ) 8 0 8 7.2. EXCITACIÓN A P.C Y COS ϕ NORMAL (cos φ = 0,85). 7.2.1. REACCIÓN DE INDUCIDO EN MÁQUINAS DE POLOS SALIENTES. 207. Coeficientes de reacción. Mediante la siguiente grafica 15, podemos encontrar tanto los coeficientes longitudinal ( ) y transversal ( ), para un entrehierro senoidal y un recubrimiento polar de 0,65. Gráfica 16: Coeficientes Cl y Ct para polos salientes de entrehierro uniforme. Fuente: Corrales (Figura 1.07.14 d) - 87 - Parte II Cálculos Eléctricos 208. Componentes transversales. (0 cos q (0 ) 0 8 ) 0 8 8 209. Flujo transversal fundamental. ̰̂ (cos ) 08 ̰̂ 08 0 0 ̰̂ ( 08 ) 0 L 8 0 210. F.e.m ficticia debida a este flujo. U cos m ̰̂ 0 0 00 211. Valor relativo de la f.e.m ficticia transversal. U (cos ) U cos U 00 00 212. Cálculo directo del valor relativo de la f.e.m ficticia transversal U cos U cos 0 0 0 0 0 0 ̂ B 0 8 q 00 8 8 0 00 - 88 - Parte II Cálculos Eléctricos 7.2.2. F.E.M A INDUCIR POR EL FLUJO RESUTANTE 213. A temperatura de servicio (θ =120 ᵒ ) Sabiendo que 0 : 8 cos φ 00 08 u cos φ 00 (( (0 sin φ e sin φ 08 ) 08 ) (0 00 0 (e cos φ ( 0 0 )) u sin φ) 00 ) 214. Ángulo . 00 sin tan 00 cos 8 ( 00 0 ) ( 00 0 8 ) cos tan sin 08 215. F.e.m equivalente a la reactancia transversal. u u cos cos U u U 00 cos 0 8 0 0 00 - 89 - Parte II Cálculos Eléctricos 216. F.e.m a inducir por el flujo. √ 00 00 √ 0 00 217. Componente longitudinal de la reacción de inducido. (0 0 (0 8 8 q ) sen 8 ) 0 88 0 8 218. Diagrama vectorial. - 90 - Parte II Cálculos Eléctricos Figura 13: Diagrama vectorial. Fuente: Corrales (Figura 1.07.14 d) 7.3. EXCITACIÓN EN CARGA. 7.3.1. INDUCIDO. 219. F.e.m a inducir. 00 Factor para las inducciones = 1,1323. 220. Entrehierro. nducción ̂ B am o ̂ citación ̂ B ̂ 𝐁 ̂ B ̂ ̂ 221. Flujo en le entrehierro. ̂ 08 0 ̂ 0 80 m 8 ̂ ̂ ̂ 0 222. Inducción aparente en los dientes a 1/3 de la altura. 𝐵̂ 𝐵̂ 𝐵̂ - 91 - Parte II Cálculos Eléctricos Para encontrar la inducción aparente real utilizamos el primer método, empleando datos dela grafica 17, donde el incremento de inducción será el resultado de la siguiente recta. ̂ B ̂ B ̂ B nducción am o ̂ citación ̂ [ 8 ̂ B 00 8 00 ̂ m 0 ] [ ] ̂ 𝐁 [ ] ̂ B 00 ̂ ̂ Gráfica 17: Inducción aparente en los dientes. Fuente: Catalogo UGINE (anexo 2) - 92 - Parte II Cálculos Eléctricos 223. Yugo. ̂ nducción B 00 ̂ B am o ( rá ica 8) ̂ citación ̂ ̂ l 0 0 m ̂ 𝐁 8 ̂ ̂ Gráfica 18: Inducción en el yugo. Fuente: Catalogo UGINE (anexo 2) 7.3.2. INDUCTOR. 224. F.m.m de dispersión polar en carga. ( (̂ ̂ ̂ ) ) - 93 - Parte II Cálculos Eléctricos 225. Flujo de dispersión polar en carga. 226. Flujo polar en carga. ̂ 0 88 00 227. Coeficiente de dispersión en carga. 00 0 88 ̂ 228. Núcleo polar en carga. nducción B am o (grá ica citación B ) ̂ l 0 8 0 00 𝐁 m - 94 - Parte II Cálculos Eléctricos Gráfica 19: Inducción en el núcleo polar. Fuente: Catalogo UGINE (anexo 2) 229. Núcleo del rotor. lu o nducción B B ̂ ̂ ) (B am o 0 0 ̂ l citación 0 7.4. EXCITACIÓN TOTAL. 8 00 m 𝐁 230. Valor de la excitación. (̂ ̂ ̂ ) ( 0 ) ( ) - 95 - Parte II Cálculos Eléctricos 8. BOBINAS POLARES. 8.1. SECCIÓN DEL CONDUCTOR. 231. Tensión nominal de la excitatriz. ( 232. Tensión disponible. ) 233. Número de vías del circuito inductor. 234. Tensión de excitación por bobina polar. U U 0 235. Clase de aislamiento. 236. resistividad en caliente. 80 𝐁 0 80 0 mm m - 96 - Parte II Cálculos Eléctricos 237. Grosor de la bobina polar. Hemos adoptado el siguiente valor coincidiendo con el valor máximo donde ira alojada la bobina tal y como se pueden observar en los planos. 238. Espira media. l (L b ) ( 0 g ) ( ) 239. Excitación a producir. Con 7,5% de imprevistos. 0 0 8 0 240. Sección del conductor. S l U S 00 8 0 8 00 8 mm Adoptando un conductor de (60 x 3,5) mm con un aislamiento de 0,5 mm de barniz y vidrio tratado en caliente. ( ) 8.2. NÚMERO DE ESPIRAS POR BOBINA. 241. Densidad de corriente admisible. Se recomienda que la densidad se encuentre entre estos valores. - 97 - Parte II Cálculos Eléctricos … mm 242. Corriente de excitación por bobina. S 0 243. Espiras por bobina. 0 8 244. Corriente de excitación total. 0 8.3. PÉRDIDAS Y CALENTAMIENTOS DE LAS BOBINAS INDUCTORAS. 245. Pérdidas totales en las bobinas. U 0 0 246. Perdidas por bobina. 00 - 98 - Parte II Cálculos Eléctricos 247. Desarrollo exterior de una bobina. l l g ( 0 ) 248. Altura de la bobina polar. 0( ( obre) (0 0 ) ) Se había adoptado una altura de 200 mm, por tanto esta correctos los cálculos. 249. Superficie de ventilación por bobina. S l 0 0 250. Coeficiente de ventilación. Según la gráfica 20 para una el coeficiente de ventilación es. m s y bobinas de una sola capa - 99 - Parte II Cálculos Eléctricos Gráfica 20: Coeficiente de ventilación para las bobinas inductoras en función de la velocidad periférica del rotor. Fuente: Corrales (Figura 2.04.30 a) 251. Incremento de temperatura. S 0 0 0 0 Incremento medio de la bobina: ( 0… ) ( 0… ) Las normas especifican que como máximo puede haber un incremento medio de 0 , por tanto cumple está especificación. - 100 - Parte II Cálculos Eléctricos 9. EXCITATRIZ. La excitatriz es independiente, la principal ventaja es que se cuanta con un control en la regulación mucho menor tiempo que si estuviera acoplada a la misma turbina. 252. Características. Tensión de servicio. Corriente de servicio. A U Potencia de servicio. 0 0 Tensión nominal. 0 Corriente a la tensión nominal. Potencia nominal. U 00 00 R 253. Potencia absorbida en servicio. Rendimiento supuesto 0 η 0000 0 En los anexos la excitatriz que se adopta tiene las siguientes características. - 101 - Parte II Cálculos Eléctricos Modelo: WE Wechsel Exciter Diámetro 680 mm Longitud 150 mm Polos 12 Potencia 82 kVA Peso del excitatriz 1400 Kg 10.- RENDIMIENTO Para calcular el rendimiento, calculamos las pérdidas por separado en cada uno de los siguientes apartados. 10.1.- PÉRDIDAS EN EL HIERRO EN CARGA. 254. Peso de los dientes. 000 L nt 000 255. Peso del yugo. 000 L 000 0 256. Pérdidas específicas en los dientes en carga. Debido a que el catálogo de chapa utilizada no contamos con datos de pérdidas a la inducción que se someterá al diente, se utiliza la gráfica 21 para tener un valor más aproximado. - 102 - Parte II Cálculos Eléctricos Con una chapa de buena calidad estas pérdidas se pueden reducir hasta el 50% ̂ ara B 8 y 0 0 0 g Gráfica 21: Pérdidas específicas en los dientes. Fuente: Corrales (Figura 1.10.18 a) 257. Pérdidas especificas en el yugo en carga. Para una inducción de 𝐵̂ según la gráfica 22 las pérdidas específicas serian. - 103 - Parte II Cálculos Eléctricos Gráfica 22: Pérdidas específicas en los dientes. Fuente: Catalogo UGINE (anexo 2) 258. Pérdidas en los dientes. 0 259. Pérdidas en el yugo. 260. Pérdidas en el hierro en carga a 7967 V/Fase. 0 - 104 - Parte II Cálculos Eléctricos 10.2. PERDIDAS EN LOS COJINETES. 261. Tipo de cojinetes. De deslizamiento. 262. Diámetro cojinete lado accionamiento. .. √ d 0 √ 00 d 0 cm 𝐁 263. Longitud cojinetes de deslizamiento. l … d 0 Adoptados 𝐁 264. Velocidades lineales de los cojinetes. d 0 0 0 0 𝐁 265. Pérdidas en los cojinetes. 0 d l √ 0 d l √ 0 0 0 0 √8 08 √8 08 0 0 0 0 - 105 - Parte II Cálculos Eléctricos 10.3. PÉRDIDAS POR VENTILACIÓN. 266. Pérdidas a eliminar por ventilación en servicio. Pérdidas en el hierro En los conductores del inducido a 120 ᵒC ̰ otencia absorbida or la e citatri Perdidas de evacuación por el aire. 0 8 0 8 8 8 267. Diámetro del ventilador adoptado. 268. Velocidad periférica. 0 0 269. Perdidas evacuadas por el aire. 0000 0000 0 0 (a ro imación) 8 - 106 - Parte II Cálculos Eléctricos 10.4. RENDIMIENTO EN SERVICIO (A 120ᵒC). 270. Tabla de pérdidas a 120ᵒC. 88 Pérdidas evacuadas por el aire. 000 Pérdidas en los cojinetes. 8 Pérdidas por ventilación Imprevistos (0 0 ) Pérdidas totales en servicio 0 271. Rendimiento a P.C en servicio y cosϕ = 0,85. η ( ) 00 ( 80 ) 00 0 10.5. RENDIMIENTO A 75ᵒC. 272. Tabla de pérdidas a 75ᵒC. 000 Perdidas en el hierro En los conductores del inducido en c.a. 75 ᵒC Potencia absorbida por la excitatriz 8 Pérdidas en los cojinetes. Pérdidas por ventilación. Imprevistos (0 000 0 ) 000 8 0 - 107 - Parte II Cálculos Eléctricos 000 000 8 000 8 0 273. Rendimiento referido a 75ᵒC. η ( ) 00 ( 8 0 ) 00 - 108 - Parte II Cálculos Mecánicos CALCULOS MECÁNICOS. 11. DISITRIBUCIÓN DEL BOBINADO DEL INDUCIDO. 11.1 GENERALIDADES. TRIFÁSICO, BOBINADO EXCÉNTRICO IMBRICADO, FRACCIONARIO SIMÉTRICO Y DOBLE CAPA. Imbricado: Teóricamente se puede optar por ondulado o imbricado obteniendo resultados teóricos similares. El sistema imbricado es más económico para generadores de tamaña medio. Un bobinado es imbricado cuando después de haber recorrido una sección inducida retrocede por la cara anterior de la armadura para buscar el principio de la siguiente. Doble capa: Las bobinas tienen uno de los lados activos en la capa superior y el otro en la inferior, por lo tanto, todas son iguales en dimensiones, autoinducción, etc. lo que favorece al funcionamiento de la máquina. Es decir el flujo medio, f.e.m media, etc. de las bobinas son iguales y por lo tanto la suma de todas las bobinas será igual. Bobinado abierto y excéntrico: Es el típico de las máquinas de corriente alterna, en las cuales existe una o más fases, cada una de las cuales tiene un principio y un final libres. Y los cuales son unidos mediante un solo tipo de cabezas, consiguiendo un número de bobinas iguales. Fraccionario simétrico: Se ha escogido debido a que se obtiene una curva de f.e.m casi exactamente senoidal y por la perfecta igualdad de las f.e.m, es decir, prácticamente no aparecen armónicos o se ven muy reducidos respecto la forma fundamental. - 109 - Parte II Cálculos Mecánicos La condición a cumplir para que sean simétricos es que las fuerzas electromotrices generadas en las diferentes fases, que se compone el conjunto, sean exactamente iguales y estén desfasadas en el ángulo característico del sistema, que se logra mediante el correcto reparto del bobinado, es decir que las fases estén constituidas por igual número de bobinas. Según la norma IEC 34-1, para este sistema la variación de la onda senoidal de nuestro alternador y una onda senoidal perfecta es como máximo del 1,5% 11.2. ESTIMACIONES EN LA DISTRIBUCIÓN DEL BOBINADO. Una vez calculadas las ranuras tenemos que hacer una distribución simétrica de las bobinas del inducido, para lo cual utilizamos el método del Sr. Jesús Ra Ocári de su libro de “ eoría de álculo de Bobinados” adaptándolo a nuestra simbología. 274. Calculo de constante M. M = 2 p q = 2 p m = 2·7·3 M = 42 274. Número de ranuras por polo y fase. U B n q m 275. Comprobación de devanado simétrico. Para esta comprobación utilizamos la tabla de su libro para poder determinar la constante propia, con la condición de simetría es que la relación K/CP, debe de ser un número entero. n ( ó í ) - 110 - Parte II Cálculos Mecánicos Tabla 2: Tabla de constante propia de simetría. Fuente: J. Rapp (Tomo III) 11.3. PROCESO DE DISTRIBUCIÓN. Para efectuar esta distribución seguiremos el método del mínimo común múltiplo que consiste en los siguientes pasos. Paso 1.- Del número de bobinas o ranuras y de la constante M se determina el m.c.m. n m. c. m 008 Paso 2.-Se construye una tabla de cuadros igual al valor del m.c.m encontrado y que tiene tantas filas como polos tenga la máquinas y en las columnas por otro número correspondiente, además las columnas se subdividen en trozos como número de fases tenga el bobinado. ilas olunmas m. c. m ilas 008 - 111 - Parte II Cálculos Mecánicos Paso 3.- Construida la tabla se construye el paso de cuadro, que nos es más que repartir uniformemente las bobinas en las ranuras. Y m. c. m B m. c. m n 008 Paso 4.- Una vez construida la tabla colocamos el número 1 en el primer cuadro y avanzamos seguidamente con el paso de cuadro en toda la primera fila, al acabar seguimos consecutivamente contando el paso de cuadro en las siguientes, hasta llegar al final de la tabla. Paso 5.- En la tabla tenemos que cada fila hace referencia a un polo en concreto, por lo cual si sumamos el número colocado en los cuadros de cada fase, para la fila en cuestión, obtendremos el número de bobinas correspondiente por fase y polo. Paso 6.- Así mismo sobre el cuadro se conocerá el número de grupos de repetición que forma el bobinado. gru o de re etición Y Esto indica que se colocará 7 bobinas en serie y 2 en paralelo. Con lo cual el número de vías en paralelo es 2. 11.4. DATOS DEL ESQUEMA DE BOBINADO. Las fases del esquema del bobinado, deben de tener color según las norma, que se estable para la fase U el color naranja, la fase V el color verde, y la fase W debe de ser magenta o lila. Las conexiones finales se llevan a la caja de conexiones donde se conectar en estrella, además permite cualquier comprobación que se quiera realiza. - 112 - Parte II Cálculos Mecánicos 11.5. CUADRO DE PRINCIPIOS DE FASE. Y q . re etición m Cuadro Principios U W n Cuadro Finales V X Z Y 1 25 49 74 15 39 84 108 132 135 98 122 En la siguiente tabla podemos encontrar la distribución secuencial por ranuras y por número de polos de todos los bobinados. - 113 - Parte II Cálculos Mecánicos FASE U p 1 1 1 2 3 4 5 6 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 1 1 1 2 1 1 1 1 5 6 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 14 1 1 1 13 1 1 12 1 1 1 11 1 1 10 1 1 1 9 1 1 1 7 1 1 1 4 1 1 1 3 8 7 1 1 1 1 FASE W p 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 1 1 1 2 3 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 14 1 1 1 13 1 1 1 12 1 1 11 1 1 1 9 1 1 1 8 1 1 7 1 1 1 5 10 1 1 4 6 1 1 1 1 FASE V p 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 1 1 1 1 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 13 14 1 1 11 1 1 1 10 1 1 1 9 12 1 1 6 8 1 1 1 7 1 1 1 4 1 1 1 3 5 1 1 1 1 1 1 - 114 - Parte II Cálculos Mecánicos p n f 1 U 2 U 3 U 4 U 5 W p n f 12 U 13 U 14 U 15 W POLO 2 16 17 W W p POLO 1 6 W 7 W 8 V 9 V 10 V 18 W 19 V 20 V 21 V 11 V POLO 3 n 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 f U U U W W W W V V V n 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 f U U U U W W W V V V V n 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 f U U U W W W V V V V n 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 f U U U W W W W V V V n 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 f U U U U W W W V V V n 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 f U U U U W W W V V V V n 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 f U U U W W W W V V V n 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 f U U U W W W W V V V p POLO 4 p POLO 5 p POLO 6 p POLO 7 p POLO 8 p POLO 9 p POLO 10 p POLO 11 n 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 f U U U U W W W V V V V p POLO 12 n 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 f U U U W W W V V V V n 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 f U U U W W W W V V V n 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 f U U U U W W W V V V p POLO 13 p POLO 14 - 115 - Parte II Cálculos Mecánicos 12. VOLANTE DE INERCIA. 12.1. GENRALIDADES. Es un componente que fundamentalmente protege a la estructura del generador, mediante el cual evitamos posibles embalamiento que en cuestión de segundos pueden llegar a crear fuerzas centrifugas que dañarían a todo el conjunto. Todo esto puede llegar a ocurrir por motivo de un corte inesperado de la demanda o una avería en el sistema, con lo cual el único par resistente que tendría la turbina es el de la máquina y de esta manera mediante el volante de inercia es intentar igualar estas fuerzas. 12.2. DEL VOLANTE DE INERCIA. Primeramente sabemos que como datos del turbinista nos impone que el tiene que ser igual a 90 tm , ahora tenemos que buscar el correspondiente el generador. 276. Fórmula general. Para encontrar el del generador se tendría que encontrar individualmente el de cada una de las piezas que lo componen, pero con una aproximación bastante grande lo podríamos encontrar mediante la siguiente expresión. 277. Diámetro del rotor D. 00 ( ) 278. Longitud del rotor L. L = 705 mm = 0,705 m - 116 - Parte II Cálculos Mecánicos 279. Coeficiente empírico k. Dependiendo de la naturaleza del volante Para un cilindro sólido. k = (0,45...0,5) ( ) Para un disco spider. (0,45 máquinas grandes y ,5 máquinas pequeñas) Se empleara un disco spider y tratándose de una máquina grande tenemos que el valor del coeficiente será. k=0 280. ( ) =0 k = 1,40 del generador. L 281. 282. de la turbina. 0 0 0 . . 𝐁 del volante de inercia. 0 . - 117 - Parte II Cálculos Mecánicos 12.3. DIAMETRO DEL VOLANTE DE INERCIA. 283. Condiciones del diámetro del volante de inercia. - Debe soportar los esfuerzos debidos a la fuerza centrífuga. - Debe dejar paso al aire de refrigeración. - Debe caber dentro de la carcasa. 284. Diámetro exterior del volante de inercia. 285. Diámetro interior del volante de inercia. 286. Montaje del volante de inercia. Debido a que el diámetro interior de nuestro volante es muy grande, sería muy laborioso colocarlo en el eje mediante dilatación, por tanto, se opta por un anclaje mediante una fijación cónica soldada a la llanta del rotor. 12.4. PESO DEL VOLANTE DE INERCIA. 287. Formula general. ( ) 288. Factor de corrección fc. En la gráfica 22, podemos encontrar el factor de corrección en función de K. 00 800 0 - 118 - Parte II Cálculos Mecánicos Gráfica 23: factor de corrección fc para el peso del volante de inercia. Fuente: Grafica de ABB. 289. Peso del volante de inercia. ( ( ) ) ( 8 88 ) 08 - 119 - Parte II Cálculos Mecánicos 290. Longitud del volante de inercia. [( L L [( ) ( )] L ) 8 [( 0 mm ( )] ) ( 0 8 )] 0 m - 120 - Parte IV Anexos PARTE III PLANOS - 109 - Parte IV Anexos CONTENIDO DE PLANOS Generales. Plano 01 Ref. 0001 Implantación. Plano 02 Ref. 0003 Sistema de regulación de tensión. Estator. Plano 03 Ref. 0100 Conjunto del estator. Plano 04 Ref. 0101 Troquelado de la chapa estatórica. Plano 05 Ref. 0102 Chapa estatórica. Plano 06 Ref. 0103 Canal de ventilación y guías de fijación. Plano 07 Ref. 0104 Aro protector y dedo de apriete de la chapa. Plano 08 Ref. 0105 Bobina del inducido. Plano 09 Ref. 0106 Ranura del inducido. Plano 10 Ref. 0107 Devanado estatórico. - 110 - Parte IV Anexos Polos. Plano 11 Ref. 0200 Corona polar. Plano 12 Ref. 0201 Chapa polar. Plano 13 Ref. 0202 Bobina polar. Eje. Plano 14 Ref. 0300 Eje. - 111 -