Capitulo 3 - El Alternador de Polos Salientes

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    CAPITULO 3 EL ALTERNADOR DE POLOS SALIENTES

    3.1 DEFINICION

    3.2 CARACTERISTICAS NOMINALES.

    3.2.1 Potencia nominal

    3.2.2 Tensin y frecuencia nominales

    3.3 FORMA DE ONDA DE LA TENSION.

    3.3.1 Condiciones elctricas

    3.4 CARACTERISTICAS DE LA AISLACION.

    3.4.1 Ensayos dielctricos

    3.5 VALORES PARA ENSAYOS DIELECTRICOS.

    3.6 COMENTARIOS REFERENTES A LOS ENSAYOS DIELECTRICOS.

    3.7 OTRAS CARACTERISTICAS.

    3.7.1 Sobreintensidad ocasional de los alternadores

    3.7.2 Desequilibrio de corriente de las mquinas sincrnicas

    3.8 CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO.

    3.9 SOBREVELOCIDAD.

    3.10 PERDIDAS.

    3.10.1 Prdidas constantes

    3.10.2 Prdidas en carga.

    3.10.3 Prdidas adicionales debidas a la carga

    3.10.4 Prdidas en los circuitos de excitacin

    3.10.5 Prdidas de excitacin

    3.10.6 Prdidas en las escobillas

    3.11 METODOS DE ENSAYOS PARA LA DETERMINACION DE LAS PERDIDAS Y DEL RENDIMIENTO. [a]

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    3.12 SISTEMAS DE EXCITACION.

    3.12.1 Excitatriz rotante.

    3.12.1.1 Excitatriz de corriente continua.

    3.12.2 Excitatriz de corriente alterna.

    3.12.2.1 Excitatriz de corriente alterna con rectificadores estticos.

    3.12.2.2 Excitatriz de corriente alterna con rectificadores giratorios (sin escobillas, "brushless").

    3.12.3 Excitatriz esttica.

    3.12.3.1 Excitatriz esttica a fuente de tensin.

    3.12.3.2 Excitatriz esttica compuesta.

    3.13 TOLERANCIAS DE LAS CARACTERISTICAS NOMINALES.

    3.14 IRREGULARIDADES DE LA FORMA DE ONDA.

    3.14.1 Prescripciones de ensayo

    3.15 GRADOS DE PROTECCION

    3.15.1 Algunos tipos de ventilacin

    3.16 DESCRIPCION DE FORMAS CONSTRUCTIVAS.

    3.17 MOTORES SINCRONICOS.

    3.18 GRANDES ALTERNADORES. [b]

    3.19 ESFUERZOS EN LAS CABEZAS DE BOBINAS.

    3.20 CRITERIOS DE DIMENSIONAMIENTO Y METODO DE CALCULO

    3.21 DETERMINACION DE DATOS BASICOS Y PRIMERAS ESTIMACIONES (PASO1)

    3.22 FUERZA ELECTROMOTRIZ INDUCIDA. [c]

    3.23 DEVANADOS DE ALTERNA.

    3.24 DETERMINACION DEL ARROLLAMIENTO (PASO 2).

    3.25 DETERMINACION DE LA RANURA (PASO 3) [d]

    3.26 DETERMINACION DE LAS INDUCCIONES EN EL ESTATOR (PASO 4)

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    3.27 DETERMINACION DEL FACTOR DE CARTER Y PARAMETROS DEL ESTATOR (PASO 5).

    3.27.1 Reactancia del inducido

    3.27.1.1 Flujo disperso de ranura.

    3.27.1.2 Flujo disperso de cabezas de bobinas.

    3.27.1.3 Flujo disperso de entrehierro.

    3.27.1.4 Factor de Carter

    3.28 DIMENSIONAMIENTO DEL INDUCTOR (PASO 6).

    3.29 CARACTERISTICAS MAGNETICAS (PASO 7).

    3.30 DETERMINACION DE LA CARACTERISTICA DE VACIO (PASO 8). [e]

    3.31 FUERZA MAGNETOMOTRIZ DE REACCION.

    3.32 DETERMINACION DEL DEVANADO DEL POLO INDUCTOR (PASO 9).

    3.33 ARROLLAMIENTOS AMORTIGUADORES.

    3.34 DETERMINACION DE LAS PERDIDAS.

    3.34.1 Prdidas mecnicas y de ventilacin.

    3.34.2 Prdidas adicionales.

    3.35 BIBLIOGRAFIA MAQUINAS ROTANTES Y ALTERNADOR. [f]

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    CAPITULO 3 EL ALTERNADOR DE POLOS SALIENTES

    3.1 DEFINICION

    El alternador es una mquina sincrnica que funciona como generador, en el se inducen fuerzas electromotrices de frecuencia proporcional a la velocidad, obtenindose tensiones y corrientes alternas.

    Concretamos ahora nuestro estudio sobre el alternador, aunque muchos conceptos que examinamos sern aplicables tambin a los motores de corriente alterna en general tanto sincrnicos como asincrnicos.

    Las condiciones normales de servicio ya han sido examinadas en el captulo dedicado a las mquinas rotantes, y a continuacin agregaremos algunos comentarios particulares que corresponden especficamente al alternador.

    Es importante destacar que en las notas que siguen se incluyen recomendaciones de las normas que son vlidas (como ellas mismas dicen) salvo que se especifique lo contrario.

    An as es conveniente evitar especificaciones particulares que se apartan de las normas en forma tal que conducen a proyectos especiales, no necesariamente mas confiables, siendo preferible en general adquirir mquinas normalizadas y cuando se presentan condiciones que se apartan de las normas utilizarlas con prestaciones reducidas para tener en cuenta la situacin.

    3.2 CARACTERISTICAS NOMINALES.

    3.2.1 Potencia nominal

    Para un generador sincrnico es la potencia elctrica aparente expresada en VA, complementada con el factor de potencia.

    Es vlido el criterio de las normas que fijan el factor de potencia para los generadores sincrnicos sobreexcitados en 0.8, lgicamente es importante cuando se especifica la mquina asegurarse de que en funcionamiento normal esta situacin es representativa.

    3.2.2 Tensin y frecuencia nominales

    Son respectivamente la tensin y frecuencia normales en los bornes de lnea de la mquina.

    Los alternadores deben poder suministrar su potencia aparente (kVA) en bornes, con el factor de potencia nominal cuando el mismo puede ser controlado separadamente, para distintos valores de la tensin y frecuencia que pueden apartarse de sus valores nominales segn muestra la Figura 3.1.

    Cuando las mquinas funcionan dentro de la zona sombreada debern ser capaces de entregar en forma permanente, su potencia nominal, pero sin respetar algunas de las restantes garantas (que son aplicables a tensin y frecuencia nominales).

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    Cuando las mquinas funcionan sobre el lmite de la zona sombreada se puede aceptar un incremento de 10 grados C en los lmites de sobreelevacin de temperatura que las normas fijan para condiciones normales.

    Cuando las mquinas funcionan dentro de la zona delimitada por la lnea punteada (y fuera de la zona sombreada), deben ser capaces de entregar la potencia nominal, pero generalmente presentarn una sobreelevacin de temperatura muy superior a los lmites que fijan las normas.

    En consecuencia no es conveniente un funcionamiento prolongado fuera de la zona sombreada indicada en la figura, y si esta condicin de operacin se presenta frecuentemente, ser conveniente reducir la carga de la mquina (o al momento de especificarla incrementar su potencia nominal) a fin de que trabajando aliviada desde el punto de vista de los efectos trmicos no se vea afectada su vida til.

    Si una mquina est diseada para funcionar a ms de un valor de tensin nominal, o bien si la tensin nominal puede variar dentro de un cierto rango, los lmites de sobreelevacin de temperatura establecidos por las normas, se debern aplicar para todos los valores de tensin.

    3.3 FORMA DE ONDA DE LA TENSION.

    3.3.1 Condiciones elctricas

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    Se supone que el circuito al cual el alternador se conecta no es deformante y es prcticamente simtrico como se define a continuacin.

    a) Un circuito puede ser considerado prcticamente como no deformante si, cuando se lo alimenta con una tensin sinusoidal, la corriente es prcticamente sinusoidal, es decir, para la misma fase ninguno de los valores instantneos difiere del valor instantneo de la onda fundamental en ms del 5% de la amplitud de este ltimo.

    b) Un circuito polifsico se lo considera como prcticamente simtrico si, alimentado por un sistema de tensiones simtrico, est recorrido por un sistema de corrientes prcticamente simtrico, es decir, donde ni la componente inversa, ni la homopolar superan el 5% de la componente directa.

    La situacin que se presenta cuando se alcanzan los lmites definidos en a) y b) simultneamente con la carga nominal, no debe conducir a temperaturas perjudiciales en el alternador (en esta condicin es conveniente que las sobreelevaciones de temperatura no excedan en 10 C los valores establecidos por las normas). 3.4 CARACTERISTICAS DE LA AISLACION.

    3.4.1 Ensayos dielctricos

    Estas pruebas se realizan en las instalaciones del fabricante sobre una mquina nueva y terminada, con todas sus partes ubicadas en condiciones equivalentes a las condiciones normales de funcionamiento.

    La tensin de ensayo se debe aplicar entre los arrollamientos sometidos al ensayo y la carcaza de la mquina, a la cual se conectan los circuitos magnticos y los arrollamientos no sometidos al ensayo.

    Cuando se efecta un ensayo de calentamiento, las pruebas dielctricas deben ser realizadas inmediatamente despus.

    En el caso de mquinas polifsicas con tensin nominal superior a 1 kV, donde los dos extremos de cada fase son accesibles individualmente, la tensin de ensayo se deber aplicar entre cada fase y la carcaza, a la cual se conectan el circuito magntico y los arrollamientos de otras fases no ensayados.

    La tensin de ensayo debe ser a frecuencia industrial y de forma prcticamente sinusoidal.

    El ensayo debe comenzar con una tensin no superior a la mitad de la tensin de ensayo. La tensin se debe aumentar hasta el pleno valor, de un modo progresivo o bien por escalones que no superen el 5% del valor de la tensin plena y el tiempo para alcanzar este valor no debe ser inferior a 10 s.

    La plena tensin de ensayo se mantiene durante 1 min de acuerdo con los valores especificados por las normas.

    El ensayo a plena tensin realizado sobre los devanados durante la recepcin no debe ser repetido. Si se considera necesario repetirlo (a pedido del comprador), despus de un

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    nuevo secado de la mquina, la tensin de ensayo debe ser igual al 80% de la tensin plena.

    En el caso de rebobinado parcial de arrollamientos cuando entre cliente y reparador se conviene efectuar ensayos dielctricos es recomendable proceder de la siguiente manera:

    a) los arrollamientos parcialmente rebobinados son ensayados a 75% de la tensin prevista para una mquina nueva. Antes del ensayo se deben limpiar y secar las partes originales de los arrollamientos.

    b) las mquinas revisadas son sometidas, despus del limpiado y secado, a un ensayo con tensin igual a 1.5 veces la tensin nominal, con un mnimo de 1000 V si la tensin nominal es igual o mayor a 100 V y un mnimo de 500 V si la tensin nominal es inferior a 100 V.

    3.5 VALORES PARA ENSAYOS DIELECTRICOS.

    En la Tabla 3.1 se indica la tensin de ensayo que corresponde a los distintos arrollamientos segn condiciones de diseo de la mquina.

    Tabla 3.1

    PARTE DE LA MAQUINA TENSION DE ENSAYO (VALOR EFICAZ) Arrollamientos aislados:

    potencia inferior a 1 kW o 1 kVA y tensin

    nominal U menor de 100 V

    potencia inferior a 10000 kW o (kVA)

    potencia 10000 kW (o kVA) o mayor y tensin

    hasta 24000 V

    Arrollamientos de excitacin:

    tensin de excitacin 500 V

    tensin > 500 V

    500 V + 2 U

    1000 V + 2 U

    1000 V + 2 U con un mnimo de 1500 V

    Diez veces la tensin nominal de excitacin con

    un mnimo de 1500 V

    4000 V + dos veces la tensin nominal de excita-

    cin

    3.6 COMENTARIOS REFERENTES A LOS ENSAYOS DIELECTRICOS.

    La tendencia actual de la normativa internacional en lo referente a la coordinacin del aislamiento es la de especificar las prescripciones generales de aislamiento fase-tierra de los equipos utilizados en los sistemas trifsicos de corriente alterna.

    En consecuencia cada Comit de Aparatos es responsable de especificar los niveles de aislacin y el procedimiento de los ensayos para sus equipos.

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    Las normas fijan criterios acerca de los niveles de tensin a impulso entre fase y tierra que deben soportar las mquinas rotantes de corriente alterna para tensiones que van de 3 a 15 kV inclusive y con bobinas estatricas preformadas.

    Estos ensayos tienen por finalidad evaluar el diseo, la calidad de los materiales que constituyen el aislamiento de las bobinas, as como tambin su proceso de elaboracin, antes de que sean montadas en la mquina.

    El valor de pico de la tensin de impulso que se debe aplicar se determina mediante la siguiente relacin debiendo redondearse los valores obtenidos al ms prximo:

    Up: valor de pico de la tensin que se debe aplicar en kV

    Un: valor nominal de la tensin de servicio en kV

    La forma de onda que se debe aplicar es la normalizada para tensiones de impulso con un tiempo de frente (hasta alcanzar el valor de pico) de 1.2 microsegundos, y un tiempo de cola (hemivalor del pico) de 50 microsegundos.

    Los niveles de tensin de ensayo que se obtienen aplicando este criterio se juzgan apropiados considerando por un lado las caractersticas promedio de las mquinas, y por otro que las mquinas funcionan generalmente en condiciones normales.

    Estos niveles de tensiones de ensayo pueden no resultar adecuados en aquellos casos en que las mquinas funcionan en condiciones especiales (mquinas conectadas directamente a lneas areas) o en circunstancias anormales (reencendido de interruptores).

    En estos casos los arrollamientos debern estar diseados para soportar niveles de impulso superiores, o debern estar protegidos adecuadamente, y a veces deben ser necesarias ambas acciones.

    Las normas indican los distintos ensayos y procedimientos que se deben aplicar para probar tanto la aislacin entre espiras como as tambin la aislacin principal (contra masa).

    3.7 OTRAS CARACTERISTICAS.

    3.7.1 Sobreintensidad ocasional de los alternadores

    Los alternadores con potencia nominal inferior o igual a 1200 MVA deben ser capaces de soportar una corriente igual a 1.5 veces la corriente nominal durante por lo menos 30 s.

    Los alternadores con potencia nominal superior a 1200 MVA deben ser capaces de soportar una corriente igual a 1.5 veces la corriente nominal durante un tiempo que ser objeto de acuerdo entre constructor y cliente, pero que no ser inferior a 15 s.

    3.7.2 Desequilibrio de corriente de las mquinas sincrnicas

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    Las mquinas sincrnicas trifsicas deben ser capaces de funcionar en forma permanente sobre una red asimtrica de modo tal que, ninguna de las corrientes de las fases exceda la corriente nominal.

    Adems las normas establecen (ver Tabla 3.2 para mquinas de polos salientes) los valores que no deben superarse de la relacin de la componente inversa del sistema de corrientes (I2) a la corriente nominal (In) y los valores del producto (I2/In)2 por el tiempo en segundos (t) que se pueden admitir para un funcionamiento en condiciones de falla.

    TABLA 3.2

    TIPO DE MAQUINA Mximo I2/In

    permanente

    Mximo t (I2/In)2

    falla Mquina a polos salientes:

    refrigeracin indirecta

    refrigeracin directa

    0.08

    0.05

    20

    15

    3.8 CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO.

    El valor de pico de la corriente de cortocircuito, en el caso de un cortocircuito trifsico en funcionamiento a tensin nominal, no debe superar 21 veces el valor eficaz de la corriente nominal.

    Esta condicin en alguna medida fija un valor mnimo (12 %) de la reactancia subtransitoria.

    3.9 SOBREVELOCIDAD.

    Todos los alternadores deben ser capaces de soportar al menos una sobrevelocidad igual a 1.2 veces la velocidad nominal por un tiempo de 2 minutos.

    Los alternadores accionados mediante turbinas hidrulicas (como tambin las mquinas auxiliares de cualquier tipo que se encuentran en el mismo eje) deben soportar la velocidad de embalamiento del grupo, pero al menos 1.2 veces la velocidad nominal.

    El ensayo de sobrevelocidad se lo considera satisfactorio si, al final del mismo, no se observa ninguna deformacin permanente anormal ni otros signos de falla que impidan a la mquina su funcionamiento normal y adems si los arrollamientos rotricos satisfacen despus de esta prueba los ensayos dielctricos.

    3.10 PERDIDAS.

    La determinacin de las prdidas totales se obtiene como suma de las siguientes prdidas, que se garantizan por separado.

  • 173

    3.10.1 Prdidas constantes

    a) Prdidas en el hierro (paquete magntico) y prdidas adicionales en otras partes metlicas.

    b) Prdidas por rozamiento (cojinetes y escobillas). Las prdidas en los cojinetes comunes deben ser indicadas separadamente aunque los mismos se suministren con la mquina.

    c) Prdidas por ventilacin que incluyen la potencia absorbida por los ventiladores, y eventualmente las mquinas auxiliares que forman parte integral de la mquina.

    3.10.2 Prdidas en carga.

    a) Prdidas joule en los devanados del inducido.

    b) Prdidas joule en los devanados de arranque o amortiguadores de las mquinas trifsicas. Debe notarse que las prdidas en los devanados amortiguadores son particularmente significativas solamente en mquinas monofsicas.

    Las prdidas Joule deben ser referidas a determinadas temperaturas segn sea la clase de aislacin.

    La temperatura de referencia de las prdidas que las normas fijan puede coincidir o no, con la temperatura que corresponde al lmite de sobreelevacin (tambin de norma) de cada clase de aislamiento.

    Las temperaturas de referencia para las distintas clases de aislamiento son:

    CLASE TEMPERATURA (C) A, E y B

    F y H

    75

    115

    3.10.3 Prdidas adicionales debidas a la carga

    a) Son las prdidas que se producen en carga tanto en el paquete magntico, como en otras partes metlicas de la mquina.

    b) Prdidas por corrientes parsitas en los conductores de los devanados del inducido.

    3.10.4 Prdidas en los circuitos de excitacin

    a) Prdidas joule en los devanados y en los restatos de excitacin.

    b) Prdidas totales de la excitatriz mecnica conducida por el eje principal cuando forma parte de la unidad completa, y que se utiliza solamente para excitar la mquina, conjuntamente con las prdidas en los restatos del circuito de excitacin, pero con excepcin de las prdidas de rozamiento y ventilacin.

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    Se deben incluir tambin las prdidas en los rectificadores de los sistemas de excitacin sin escobillas ("brushless"), en los engranajes, correas o transmisiones similares entre el eje de la mquina y la excitatriz.

    Se deben tener en cuenta todas las prdidas en cualquier aparato que se utilice para la autoexcitacin y regulacin y que est conectado a los terminales de la mquina sincrnica.

    3.10.5 Prdidas de excitacin

    Las prdidas de excitacin se calculan con la expresin I2 R, tenindose en cuenta que la resistencia del devanado de excitacin corresponde al valor corregido a la temperatura de referencia, y la corriente de excitacin corresponde a la condicin nominal de funcionamiento, medida directamente durante el ensayo en carga.

    En casos en que no es posible la realizacin del ensayo en carga el mtodo de determinacin de la corriente que se utiliza para evaluar las prdidas debe ser acordado entre el fabricante y el comprador.

    3.10.6 Prdidas en las escobillas

    Se determinan como el producto de la corriente de excitacin nominal por la cada de tensin en escobillas. La cada de tensin admitida para todas las escobillas de cada polaridad ser:

    escobillas de carbn o grafticas 1.0 V escobillas metalgrafticas 0.3 V es decir una cada total de 2.0 V para las de carbn o grafticas, y 0.6 para las metalgrafticas.

    3.11 METODOS DE ENSAYOS PARA LA DETERMINACION DE LAS PERDIDAS Y DEL RENDIMIENTO.

    Los ensayos se deben realizar en la mquina nueva con todos los elementos necesarios para su servicio normal, con todos los dispositivos de regulacin automtica de tensin.

    Los instrumentos de medicin y sus accesorios, tales como transformadores de medicin, shunts y puentes utilizados durante los ensayos, deben ser al menos de clase 1.0. Los instrumentos utilizados para la medicin de las resistencias en corriente continua deber ser al menos de clase 0.5.

    La determinacin del rendimiento de una mquina sincrnica puede ser realizada utilizando un mtodo directo o uno indirecto.

    El mtodo directo requiere la medicin simultnea de la potencia entregada y de la potencia absorbida, y se puede aplicar en aquellos casos en que la diferencia de potencia alcanza un valor considerable, de modo tal que los errores de medida puedan considerarse despreciables respecto al valor de las prdidas medidas.

  • 175

    En mquinas medianas y grandes se prefiere recurrir al mtodo indirecto, que consiste en la determinacin del rendimiento convencional, mediante la medicin separada de las distintas prdidas presentes en la mquina.

    En tal sentido las normas proponen distintos mtodos y en el caso de que se puedan utilizar mtodos alternativos para un determinado tipo de mquina, se indican cuales son aquellos preferibles.

    Se debe tener en cuenta que el proyectista evala las prdidas y el rendimiento mediante clculos que no siempre tienen en cuenta la totalidad de las prdidas que se manifiestan en la mquina en las condiciones normales de funcionamiento.

    Son los ensayos los que en definitiva determinan el grado de apartamiento entre los valores calculados y los medidos y que como se sabe son motivo de las garantas.

    Por ello cuando el rendimiento o las prdidas totales se obtienen mediante la medicin de la potencia de entrada y de salida, una inexactitud en estas mediciones se traduce en un error directo del rendimiento (mediciones de potencia con una exactitud no mayor del 1%, pueden dar un error de la determinacin del rendimiento o de las prdidas del 2%).

    3.12 SISTEMAS DE EXCITACION.

    Tienen la funcin de suministrar la corriente de campo de la mquina, y comprenden todos los elementos de control y de regulacin, como as tambin los dispositivos de proteccin.

    Segn como estn realizados estos sistemas se clasifican en la forma que a continuacin se indica:

    3.12.1 Excitatriz rotante.

    Mquina rotante que recibe la potencia mecnica por el eje. Normalmente la excitatriz se encuentra montada en el mismo eje de la mquina sincrnica. En algunos casos la excitatriz est impulsada por otra mquina.

    3.12.1.1 Excitatriz de corriente continua.

    Excitatriz rotativa que utiliza un colector y escobillas para suministrar corriente continua.

    3.12.2 Excitatriz de corriente alterna.

    Excitatriz rotativa que utiliza rectificadores para suministrar corriente continua. Los rectificadores pueden ser controlados o no.

    3.12.2.1 Excitatriz de corriente alterna con rectificadores estticos.

    Es aquella en la cual la salida de los rectificadores se conecta a las escobillas de anillos rozantes del arrollamiento de campo de la mquina sincrnica.

    3.12.2.2 Excitatriz de corriente alterna con rectificadores giratorios (sin escobillas, "brushless").

  • 176

    Es aquella en la cual los rectificadores giran con el eje comn de la excitatriz y de la mquina sincrnica, la salida de los rectificadores se conecta directamente, sin anillos ni escobillas, al arrollamiento de campo de la mquina sincrnica.

    3.12.3 Excitatriz esttica.

    Excitatriz que suministra su potencia a travs de una o ms fuentes elctricas estticas, utilizando para ello rectificadores fijos para suministrar la corriente continua.

    3.12.3.1 Excitatriz esttica a fuente de tensin.

    Es aquella que recibe su potencia nicamente de una fuente de tensin (que pueden ser los terminales de la mquina sincrnica) y utiliza rectificadores controlados.

    3.12.3.2 Excitatriz esttica compuesta.

    Es aquella que recibe su potencia de la combinacin de una fuente de corriente y una de tensin (dependiendo de las magnitudes en bornes de la mquina sincrnica).

    La adicin de los aportes puede ser realizada indistintamente por la fuente de corriente alterna o la de continua de los rectificadores, y puede efectuarse en paralelo o en serie. Los rectificadores pueden ser controlados o no dependiendo ello del diseo adoptado.

    3.13 TOLERANCIAS DE LAS CARACTERISTICAS NOMINALES.

    En la Tabla 3.3 se indican las tolerancias fijadas por las normas que corresponden para cada una de las magnitudes de las caractersticas nominales que son objeto de garantas por parte del fabricante y que se comprueban durante la recepcin de la mquina.

    TABLA 3.3

    MAGNITUD TOLERANCIA Rendimiento determinado por suma de prdidas:

    mquinas de potencia a 50 kW

    mquinas de potencia > a 50 kW

    Prdidas totales:

    mquinas de potencia > 50 kW

    Valor de pico de la corriente de cortocircuito de

    un alternador en las condiciones especificadas:

    Corriente de cortocircuito permanente de un al-

    ternador para una excitacin especificada:

    Momento de inercia:

    - 15% de (1 - rendimiento)

    - 10% de (1 - rendimiento)

    + 10% de las prdidas totales

    30% del valor garantizado

    15% del valor garantizado

    10% del valor garantizado

  • 177

    1.14 IRREGULARIDADES DE LA FORMA DE ONDA.

    3.14.1 Prescripciones de ensayo

    Estas prescripciones se aplican solamente a mquinas sincrnicas de potencia igual o superior a 300 kW (o kVA) destinadas a ser conectadas a sistemas que funcionan a frecuencias nominales de 16 2/3 Hz a 100 Hz inclusive con el fin de reducir a un mnimo las interferencias entre lneas de transporte y los circuitos adyacentes.

    El grado de deformacin de la onda de tensin de un generador, respecto a una onda sinusoidal, se puede determinar experimentalmente y para ello se requiere un instrumento adecuado (analizador de armnicas) que permita medir el valor eficaz de las armnicas.

    La gama de frecuencias de medida debe cubrir todas las armnicas desde la frecuencia nominal hasta 5000 Hz inclusive.

    La prueba se realiza con la mquina funcionando en vaco a la velocidad y tensin nominales.

    Con los valores eficaces obtenidos de cada una de las armnicas se calcula el factor armnico telefnico (FAT) de la tensin con la siguiente frmula:

    En: valor eficaz de la armnica de rango "n" de la tensin entre bornes delnea.

    U: valor eficaz de la tensin entre bornes de lnea.

    lambdan: factor de ponderacin para la frecuencia correspondiente a la armnica de rango "n".

    Los valores numricos del factor de ponderacin para las diferentes frecuencia estn indicados en la Figura 3.2.

    Por ltimo digamos que el factor armnico telefnico (FAT) de la tensin entre bornes de lnea medida conforme a los mtodos indicados por las normas no debe superar los valores indicados en la Tabla 3.4.

    TABLA 3.4

    POTENCIA DE LA MAQUINA FAT desde 300 hasta 1000 kW (kVA)

    ms de 1000 hasta 5000 kW (kVA)

    ms de 5000 kW (kVA)

    5.0%

    3.0%

    1.5%

  • 178

    3.15 GRADOS DE PROTECCION

    El grado de proteccin contra la penetracin en el interior de la mquina de cuerpos slidos o de agua est ntimamente vinculado con el tipo de ventilacin y refrigeracin adoptado, y adems con el lugar donde la mquina deber funcionar, es decir, interior o intemperie.

    3.15.1 Algunos tipos de ventilacin

    La Figura 3.3 muestra un esquema de ventilacin de un mquina protegida. Se observa que el aire ingresa por ambos extremos de la mquina (por el lado acoplamiento directamente y por el lado contrario a travs de la excitatriz, refrigerando esta ltima.

    Es conducido adecuadamente e impulsado por dos ventiladores a circular desde los extremos hacia el centro de la mquina.

    Parte del aire refrigera las cabezas de bobinas y el resto pasando a travs de los canales radiales de refrigeracin refrigera las bobinas y el paquete magntico, siendo luego conducido a salir por los costados de la mquina.

  • 179

    La Figura 3.4 muestra un esquema de ventilacin de una mquina protegida contra la intemperie segn las normas americanas NEMA.

    la parte superior encierra el sistema de ventilacin; la parte inferior encierra la mquina propiamente dicha.

    El aire es aspirado a travs de amplias aberturas a persiana existentes sobre el cajn superior pasando a travs de filtros y, as depurado, experimenta tres cambios de direccin a 90 grados, desciende en la mquina para refrigerar las partes activas en forma anloga a lo descripto en el caso anterior; la seccin de los canales debe ser de modo tal de obtener una baja velocidad del aire, no superior a 3 m/s. Por ltimo sale del cajn superior por ambos extremos.

  • 180

    Si se impele demasiado aire la energa necesaria para la ventilacin es demasiado grande y ello va en detrimento del rendimiento.

    Si el caudal de aire es demasiado bajo la mquina puede superar los niveles de temperatura fijados por las normas.

    El caudal de aire que es necesario suministrar a una mquina es proporcional a la energa disipada y depende de la velocidad media del flujo dentro de la misma. Normalmente la velocidad es del orden de 4 a 5 m/s y no debe superar los 7 m/s.

    La Figura 3.5 muestra un esquema de ventilacin de una mquina cerrada con bocas de ventilacin.

    La aspiracin y descarga del aire se realiza a travs de un cajn dispuesto sobre la carcaza, sobre el cual estn ubicadas las bocas para la conexin de los conductos de ventilacin. El aire proviene de un ambiente distinto de aquel en el cual est instalada la mquina.

    Esta ejecucin permite instalar la mquina en ambientes con atmsfera contaminada.

    La Figura 3.6 muestra un esquema de ventilacin de mquinas cerradas con refrigeracin por agua.

    Como se puede observar el circuito de ventilacin es cerrado, la refrigeracin del aire se realiza mediante un intercambiador de calor aire-agua, montado sobre la carcaza de la mquina que puede ser fcilmente desmontado para el mantenimiento o bien para una eventual reparacin, quedando la mquina en condiciones de funcionamiento temporneo refrigerada con aire a ciclo abierto.

    El agua debe ser dulce, sin sustancias que puedan corroer o incrustar los tubos y consecuentemente reducir con el tiempo la capacidad de intercambio de calor del sistema.

  • 181

    3.16 DESCRIPCION DE FORMAS CONSTRUCTIVAS.

    La Figura 3.7 muestra en conjunto la construccin de un alternador de eje horizontal.

    La carcaza est construida en chapa de acero dulce cilindrada y soldada con placas de base para su anclaje sobre la fundacin.

    La caja de bornes se encuentra ubicada directamente sobre la carcaza.

  • 182

    Las tapas o escudos tambin estn construidos con acero dulce soldado, confirindole una adecuada rigidez mediante costillas.

    Tiene una sola tapa porta cojinete debido a que esta mquina se acopla rgidamente con el motor primario.

    Adems es de tipo autoventilado con circuito abierto, protegida contra goteo y entrada de cuerpos slidos de pequeo tamao.

    Tiene aberturas de ventilacin protegidas por medio de una malla metlica o chapa matrizada.

    El paquete estatrico est formado por chapas de hierro silicio de 0.5 mm de espesor, tratadas con barnices aislantes con el objeto de disminuir las prdidas debidas a las corrientes parsitas.

    El paquete magntico est montado en la carcaza mediante un adecuado sistema de costillas y anillos prensa paquete.

    El inductor est formado por el eje, la corona polar, los polos, los devanados inductores y la jaula amortiguadora. En algunos casos con objeto de lograr un valor de GD2 necesario la mquina puede tener un volante.

    La corona polar est construida en acero dulce laminado fijada al eje mediante chavetas tangenciales o por calado en caliente con adecuada interferencia.

    Los ncleos polares estn construidos formando un paquete de chapas de acero dulce de aproximadamente 1.5 mm de espesor y una vez prensadas mantenidas mediante adecuados planos frontales, los que a su vez estn unidos por medio de un tirante pasante soldado a los mismos.

    Como se puede observar el montaje de los polos est realizado mediante un encastre de tipo cola de milano y fijado a la corona polar por medio de una chaveta longitudinal.

    Los anillos colectores estn colocados en el extremo del eje sobre el lado de la excitatriz, y la conexin entre anillos y devanado inductor se efecta por medio de cables muy flexibles aislados que pasan a travs de un orificio (debidamente aislado) que est ejecutado en el mismo eje.

    La circulacin del aire de refrigeracin se obtiene mediante un ventilador instalado sobre la rueda polar.

    La excitatriz es un generador de corriente continua de construccin protegida, autoventilada con circuito abierto, estando montado su inducido sobre la prolongacin del eje del alternador, y su estator en voladizo sobre un escudo de este ltimo.

    La Figura 3.8 muestra una mquina fabricada con criterios similares, pero con algunas diferencias importantes que se destacan.

    La mquina tiene dos tapas portacojinete y el acoplamiento con el motor impulsor debe ser de tipo elstico.

  • 183

    Esta mquina es de mayor potencia que la anterior, sus bornes estn ubicados en la parte central inferior de la carcaza con el objeto de facilitar la conexin de los cables (de gran seccin).

    La corona polar est constituida con acero dulce cilindrado y soldado y vinculada con el cubo que la fija al eje mediante rayos tambin soldados. El montaje de los polos se realiza para este caso con bulones de acero.

    La Figura 3.9a muestra el aspecto exterior de generadores sincrnicos del tipo sin escobillas ("brushless") con regulador electrnico de tensin incorporado que se encuentra ubicado en la parte superior de la mquina conjuntamente con los bornes de conexin, la

    figura de arriba corresponde a una mquina tamao 160, la de abajo tamao 400, la Figura 3.9b muestra el principio de funcionamiento del regulador.

  • 184

    Estos alternadores responden a dimensiones normalizadas construidos segn cinco alturas de eje distintas y cubren con distinto nmero de polos, y para distintas tensiones y frecuencias la gama de potencias indicada en la Tabla 3.5.

    TABLA 3.5

    POTENCIA

    kVA

    FRECUENCIA Hz

    POLOS TENSION

    V 10 a 1200 50 4 400/231 12 a 1440 60 4 450/260 350 a 800 50 6 400

    420 a 960 60 6 450 210 a 500 50 8 400 250 a 600 60 8 450

    La proteccin normal de estas mquinas es IP21, es decir, no pueden penetrar cuerpos slidos con un dimetro mayor de 8 mm y adems no pueden penetrar gotas de agua que caen verticalmente.

    La carcaza est realizada en fundicin o en hierro dulce soldado, las tapas o escudos son en fundicin con orificios de ventilacin.

    La Figura 3.10 muestra algunos detalles constructivos de los rotores correspondientes, arriba tamao 200, abajo tamao 400.

    Las ruedas polares estn construidas de hierro dulce laminado con jaula amortiguadora realizada con cobre.

  • 185

    La excitatriz de corriente alterna sin escobillas est montada coaxialmente del lado opuesto al acoplamiento.

    Se pueden observar los elementos de sujecin del devanado de excitacin como as tambin otros detalles constructivos.

    3.17 MOTORES SINCRONICOS.

    La mquina sincrnica tambin puede funcionar como motor para accionar por ejemplo compresores y bombas, generalmente se utiliza trabajando con un factor de potencia en adelanto contribuyendo de esta manera a compensar la potencia reactiva de las cargas inductivas.

    La Figura 3.11 muestra un tpico motor sincrnico de cuatro polos, totalmente cerrado y refrigerado por agua-aire mediante un intercambiador de calor.

  • 186

    Como se observa el flujo axial de aire es impulsado por un ventilador montado sobre el eje de la mquina y conducido a travs de conductos para refrigerar el rotor y el estator, pasando luego a travs del intercambiador de calor para retornar nuevamente al circuito de refrigeracin.

    El sistema de excitacin es del tipo sin escobillas con rectificadores rotativos.

    Se pueden observar adems algunos detalles constructivos del amarrado y sujecin del paquete estatrico mediante dos anillos frontales y tirantes con tuercas de fijacin en ambos extremos.

    Otro detalle interesante de destacar es la forma de armado de las piezas polares mediante bulones de acero magntico ubicados en adecuadas fresaduras realizadas en la expansin polar.

    Las bobinas se colocan en el paquete estatrico fuera de la carcaza y luego todo el conjunto es impregnado con un sistema de aislamiento que se realiza en autoclave mediante un tratamiento de vaco, secado e impregnacin con adecuadas resinas epxicas, y posterior secado en un horno a alta temperatura para endurecerla.

    Este sistema confiere al conjunto (bobinas y paquete) una slida resistencia mecnica y confiable aislacin.

    Por ltimo se observa en la figura que la mquina tiene cojinetes del tipo con metal antifriccin, con refrigeracin forzada en aceite.

    Para proteger las superficies de metal de los cojinetes de las corrientes que pueden circular por el eje de la mquina produciendo una degradacin de las superficies, se aisla adecuadamente respecto al eje de la mquina uno de los cojinetes.

    3.18 GRANDES ALTERNADORES.

    La Figura 3.12 muestra el paquete estatrico de un generador constituido por chapas magnticas de hierro silicio, prensado y puede observarse que el conjunto est sujeto por medio de una robusta jaula de acero soldado que garantiza su rigidez.

    Este tipo de construccin permite realizar el devanado y su impregnacin fuera de la carcaza lo cual asegura una mejor ejecucin y una impregnacin ms eficaz, cuando es as se dice que el paquete estatrico esta bobinado fuera de la carcaza.

  • 187

    El paquete una vez terminado con su devanado se monta en caliente en la carcaza, de la cual puede ser retirado con relativa facilidad si fuese necesario sustituirlo.

    Se pueden observar los canales radiales de ventilacin y los dispositivos de sujecin de las cabezas de bobinas que tienen por finalidad sostener solidariamente esta parte del devanado.

    Adems estos dispositivos de sujecin de las cabezas de bobinas, se utilizan para sujetar las conexiones frontales de las bobinas entre si para la formacin de las respectivas fases o bien las conexiones de los posibles circuitos en paralelo.

    La Figura 3.13 muestra en detalle las cabezas de bobinas de un alternador de polos salientes de 4 polos (potencia 16 MVA) soportadas con ataduras de fibra de vidrio.

    La Figura 3.14 permite observar algunos detalles constructivos de la carcaza de un generador sincrnico de 22.5 MVA, 13.2 kV, 50 Hz, 4 polos refrigerado con aire.

    En la Figura 3.15 se observa la mquina durante el proceso de montaje del paquete magntico.

    En mquinas de gran tamao, como estas ltimas, el paquete estatrico se debe armar con segmentos de chapas magnticas prensados en una sola operacin (que se observan

  • 188

    en la parte superior de la figura) que se van apilando con la ayuda de dispositivos que permiten su perfecta alineacin longitudinal.

    El montaje se realiza de modo que las juntas que se forman queden alternadas, es decir, se empieza por una primera capa de segmentos colocados uno a continuacin del otro; la segunda capa se coloca de modo que la junta entre dos segmentos de la capa anterior se encuentre en la parte central de un segmento, completndose de este modo la segunda capa y as sucesivamente.

    Una vez realizada esta operacin el paquete es prensado y sujetado mediante los tirantes como se observa en la figura ltima pudindose tambin ver los canales radiales de ventilacin.

    La Figura 3.16 muestra el eje de la mquina y parte del inductor (cuello) que es un conjunto forjado de una pieza trmicamente tratada en caliente, de resistencia mecnica y permeabilidad magntica elevadas y luego mecanizada.

    La Figura 3.17 indica la forma de la expansin polar, parcialmente laminada, con la zapata polar formada por paquetes remachados, y asegurados al cuerpo macizo en las entalladuras de la figura anterior (previa colocacin del devanado de excitacin mostrado en la Figura 3.18), mediante tirantes que pasan a travs de los orificios de mayor dimetro, esta forma constructiva se la conoce con el nombre de tipo a peine.

  • 189

    Los restantes orificios que se observan en la zapata polar alojan las barras del devanado amortiguador.

    Las barras amortiguadoras estn soldadas en ambos extremos a los anillos de cobre los cuales se encuentran reforzados mediante anillos de acero que sirven de montaje de los ventiladores.

    En la Figura 3.19 se muestra un corte longitudinal de la mquina que permite observar en conjunto algunos detalles constructivos y adems el recorrido del flujo del aire de refrigeracin.

    La nomenclatura de las partes componentes de la mquina indicadas en esta ltima figura se detallan en la Tabla 3.6.

  • 190

    TABLA 3.6

    Pos. COMPONENTES 1 Cabeza de bobina 2 Deflector del aire de refrigeracin 3 Ventilador centrfugo 4 Devanado de excitacin 5 Soporte cojinete (con refrigeracin forzada) lado acoplamiento 6 Soporte cojinete (con refrigeracin forzada) lado excitatriz

    7 Termmetro del cojinete 8 Barral porta escobillas 9 Anillos rozantes para alimentar el devanado del inductor

    10 Bornes de conexin de los detectores de temperatura estatrica 11 Bornes de conexin de la mquina 12 Acoplamiento elstico de la excitatriz 13 Excitatriz principal (excitacin convencional) 14 Excitatriz piloto (excitacin convencional) 15 Entrada de aceite forzado 16 Salida de aceite forzado 17 Entrada del aire de refrigeracin 18 Salida del aire de refrigeracin

  • 191

    3.19 ESFUERZOS EN LAS CABEZAS DE BOBINAS.

    La cabeza del devanado estatrico se encuentra solicitada por fuerzas espaciales, no contenidas en un plano, y que varan con una frecuencia doble a la de la red.

    Estas fuerzas son proporcionales al cuadrado de la corriente y son muy elevadas tanto en sentido radial como tangencial, de modo que durante un cortocircuito las fuerzas actuantes pueden ser de 60 a 250 veces mayores que durante las condiciones normales de funcionamiento.

    El dimensionamiento de los elementos de soporte de las cabezas de bobina no deber basarse solamente en criterios estticos, sino que deber igualmente considerarse el comportamiento dinmico. Se debe tener en cuenta que el aflojamiento del devanado, debido a los desplazamientos relativos de las partes, podra ser la causa de daos locales.

    Algunos constructores han previsto dispositivos de retensado de las cabezas de bobina, que pueden verificarse con facilidad durante las revisiones o despus de haberse presentado un cortocircuito de magnitud importante, de este modo se puede asegurar que las cabezas del devanado tengan siempre la misma rigidez durante toda la vida til de la mquina.

    Es de suma importancia retensar las cabezas en los primeros aos de explotacin debido a que durante su funcionamiento se producen aflojamientos que deben ser corregidos a tiempo.

    Para conocer el comportamiento estructural de los soportes, y poder evaluar sus caractersticas despus del montaje del devanado y del soporte de las cabezas del mismo se pueden realizar ensayos, para ello la cabeza del devanado se excita mecnicamente con un dispositivo adecuado y se miden las frecuencias propias y la grfica de la oscilacin.

    La frecuencia propia se deber encontrar suficientemente apartada respecto al duplo de la frecuencia de la red, y que corresponde a la frecuencia de las fuerzas de cortocircuito.

    El diseo de un apropiado sistema soporte de cabezas de bobinas se basa en el conocimiento de los esfuerzos actuantes tanto en estado permanente como transitorio.

    Dado que estas fuerzas no se pueden medir directamente es esencial que al menos los clculos tericos y consecuentemente los esfuerzos, sean controlados mediante mediciones.

    De este modo resulta posible cuantificar los errores introducidos por las aproximaciones y simplificaciones que dependen del modelo de clculo utilizado.

    El clculo de los esfuerzos puede encararse con el principio mostrado en la Figura 3.20, la fuerza instantnea que acta sobre un elemento j que conduce corriente debida al elemento k, puede calcularse aplicando la ley de Biot-Savart, siendo:

  • 192

    ij : corriente en el elemento lj : longitud del elemento j en direccin de la corriente rjk: radio vector entre los elementos j y k fj : fuerza instantnea Las fuerzas de cortocircuito son importantes en todas las mquinas, pero asumen mximos valores en las mquinas de dos polos (grandes turbogeneradores). En cambio en las mquinas de polos salientes, que tienen un paso menor y por consiguiente las cabezas de bobinas sobresalen menos se presentan esfuerzos menores.

    En mquinas de gran nmero de polos aparece otra razn que contribuye a la reduccin de los esfuerzos, en efecto las corrientes en las cabezas son relativamente menores porque hay ms vas de corriente.

    3.20 CRITERIOS DE DIMENSIONAMIENTO Y METODO DE CALCULO

    Normalmente se conocen las especificaciones que deber satisfacer la mquina que se debe proyectar.

  • 193

    Como para el transformador, la especificacin conduce a adopciones que deben acompaarse con otras que el proyectista con su mejor criterio debe hacer para avanzar en su tarea.

    Quedan entonces definidos:

    el tipo de generador la velocidad el mtodo de refrigeracin la clase de aislamiento el tipo de excitacin algunas caractersticas mecnicas los materiales utilizados Los criterios con los que el proyectista avanza en su tarea, son los mismos ya comentados para el transformador, y en general son vlidos cualquiera sea el proyecto de mquina de que se trate.

    El mtodo de clculo adoptado es uno de los posibles, y se ha dividido en pasos que en algunos casos son comunes con otras mquinas.

    Es todava importante recordar que en este texto slo se encara el clculo y dimensionamiento electromagntico de las mquinas elctricas, no debiendo olvidar que particularmente para las mquinas rotantes son fundamentales las verificaciones mecnicas, (esfuerzos, vibraciones, etc.) cuya importancia aumenta con la velocidad y la potencia (tamao), como as tambin las verificaciones trmicas (permanentes y transitorias)

    3.21 DETERMINACION DE DATOS BASICOS Y PRIMERAS ESTIMACIONES (PASO1)

    El clculo requiere disponer (o adoptar algunos) de los siguientes datos:

    Potencia del generador kVA Tensin de generacin V Frecuencia en Hz Conexin (estrella o tringulo) Velocidad sincrnica vpm Coseno

  • 194

    Rendimiento % Se determina el nmero de polos en base a la frecuencia y la velocidad sincrnica, controlando que este nmero debe ser par, y coherente con la frecuencia y la velocidad.

    Se calcula la corriente de lnea y de fase, en base a la potencia, y se determina la tensin de fase teniendo en cuenta la conexin.

    El proyecto bsico debe iniciar proponiendo dimensiones que se adoptan con distintos criterios, independientemente de ellos se debe tener claro el significado de estas dimensiones.

    En pequeas mquinas, para potencias hasta alrededor de 100 kVA, los paquetes magnticos se hacen compactos, es decir, sin canales de ventilacin.

    Para obtener una adecuada refrigeracin en mquinas grandes, es decir, evitar la presencia de zonas calientes en aquellas partes de la mquina donde la ventilacin resulta ms dificultosa, se adoptan canales radiales de refrigeracin.

    Para ello se subdivide la longitud del hierro estatrico conformando paquetes que estn separados entre si por canales que tienen una dimensin que va de 10 a 15 mm a medida que aumenta la potencia.

    Normalmente la longitud de los paquetes est comprendida entre 40 y 80 mm y su longitud se hace decrecer en modo racional desde los extremos hacia el centro del inducido (para hacer ms efectiva la refrigeracin en esta zona presumiblemente ms caliente).

    En consecuencia la longitud total del paquete estatrico resulta suma de las longitudes de los paquetes elementales (longitud de hierro) ms la longitud que corresponde a los canales de refrigeracin.

    En correspondencia con los canales radiales de ventilacin se produce una desuniformidad del campo magntico (axial) en el entrehierro, un fenmeno similar se presenta en los extremos frontales del paquete.

    El efecto de distorsin del campo magntico depende principalmente de la dimensin del entrehierro de la mquina y tambin de la existencia de canales slo en el estator, slo en el rotor o en ambos y para este ltimo caso si se encuentran enfrentados o no.

    Otros datos que deben estar impuestos o se deben adoptar con algn criterio son:

    paso polar en mm relacin largo ideal paso polar densidad lineal de corriente A.esp/mm nmero de ranuras por polo y por fase tipo de entrehierro (variable o constante)

  • 195

    factor de devanado factor de apilado del estator ancho total de los canales de ventilacin en mm Recordemos que en este texto se trata de dar criterios generales de dimensionamiento aplicables a mquinas de pequea y mediana potencia.

    Tambin se hacen comentarios aplicables a mquinas de gran tamao, sin pretender agotar estos complejos temas.

    El paso polar se determina en base a la potencia relativa (en kVA.seg) que se obtiene de dividir la potencia por el nmero de polos, la frecuencia y la relacin lamda (largo ideal / paso polar).

    En consecuencia antes de adoptar el paso polar se debe proponer un valor adecuado de lamda, para lo cual se puede utilizar la Figura 3.21 da la relacin entre el largo ideal y el paso polar (lamda) en funcin del nmero de polos.

    Valores elevados de esta relacin conduce a obtener mquinas ms largas y en consecuencia de construccin ms econmica, pero con mayores problemas de refrigeracin, siendo esta dificultad la que impone un lmite a la longitud de la mquina.

    La tendencia actual es la de construir mquinas de mayor longitud, estudiando adecuadamente su refrigeracin.

    Los valores de lamda son sensiblemente ms altos en turbogeneradores (mquinas de dos polos) por razones de resistencia mecnica.

  • 196

    Adoptado lamda, determinada la potencia relativa y con el nmero de polos, de la Figura 3.22 se obtiene el valor tentativo del paso polar y en consecuencia queda determinado el dimetro al entrehierro de la mquina y el largo ideal.

    No se comete un error grosero en las primeras iteraciones de clculo de una mquina rotante si se considera que el largo ideal es igual al largo total del ncleo.

    El largo ideal tiene en cuenta las lneas de campo que entran lateralmente en los extremos del ncleo y a travs de los canales radiales de ventilacin (cuando existen).

    Para tener en cuenta el efecto del ancho de los canales de ventilacin se debe determinar un ancho equivalente.

    Cuando no hay canales radiales de ventilacin la longitud ideal es la del ncleo (con un error mnimo), mientras que cuando la mquina tiene canales se tienen que determinar tres longitudes: la del ncleo, la del hierro y la ideal.

    Debido a los canales de ventilacin la permeancia no es constante a lo largo de la mquina y por lo tanto la induccin en el entrehierro experimenta variaciones en el sentido axial, presentando una disminucin frente a los canales de ventilacin. El ancho magntico equivalente del canal depende de su ancho geomtrico y del entrehierro de la mquina.

    Si se trata de mquinas donde nicamente en una parte estator o rotor hay canales radiales de refrigeracin, el largo ideal se determina descontando al largo total del estator o del inducido, el nmero de canales por el ancho (magntico) equivalente del canal.

    Cuando ambas partes de la mquina tienen canales de ventilacin, estos pueden encontrarse enfrentados o no.

  • 197

    Si se encuentran enfrentados la longitud ideal se determina en igual forma al caso en que se tienen canales de un solo lado, cuando en cambio no estn enfrentados se debe descontar al largo total la suma del producto del nmero de canales estatricos por su ancho equivalente ms el nmero de canales rotricos por su correspondiente ancho equivalente (los canales del estator y rotor pueden tener distinta dimensin).

    Las mquinas de polos salientes y los turbogeneradores tienen entrehierros relativamente grandes (respecto del ancho de los canales que normalmente se utilizan) por lo que el ancho equivalente es relativamente pequeo y consecuentemente el largo ideal est ms prximo al largo del ncleo.

    La densidad lineal de corriente, magnitud anloga a la utilizada en el diseo del transformador, se calcula en las mquinas rotantes multiplicando el nmero de fases, por el nmero de conductores por fase, por la corriente de fase y dividido por el desarrollo del entrehierro.

    Las mquinas rotativas estn constituidas por materiales activos (hierro y conductores) en los cuales se generan prdidas, y por materiales inertes (aislantes).

    Los materiales activos poseen una gran conductividad trmica al menos en una direccin.

    Ello conduce a pensar que los mismos se calientan uniformemente, es decir, que la temperatura es la misma en todos los puntos.

    Si una parte activa de la mquina posee superficies terminales diversamente refrigeradas, y por lo tanto temperaturas distintas, se establece un flujo trmico interno.

    Las partes inertes atravesadas por el flujo trmico, son principalmente los materiales aislantes y las superficies en contacto con el fluido refrigerante.

    La densidad lineal de corriente tiene relacin con el calentamiento de la mquina y se elige en funcin de la potencia y del nmero de polos.

    Se determina si corresponde la relacin entre el largo ideal y el paso polar en base al nmero de polos.

    Luego se determina si corresponde en base al grfico de la Figura 3.22 el paso polar.

    Con estos datos se determina el dimetro al entrehierro y la longitud ideal.

    Por ltimo se determina la densidad lineal de corriente en el caso de no haber sido impuesta, los valores utilizados fueron extrados de la Figura 3.23, pero se han incrementado con un factor 1.2 para adecuarlo a las construcciones actuales.

  • 198

    3.22 FUERZA ELECTROMOTRIZ INDUCIDA.

    Si en un alternador de polos salientes en vaco relevamos la distribucin de la componente de la induccin normal a la superficie del entrehierro, se obtiene un diagrama que se aparta notablemente de una onda sinusoidal segn indica la Figura 3.24.

  • 199

    Su forma est influenciada por diversos factores como ser la relacin entre la longitud de la expansin polar y el paso polar, la dimensin del entrehierro en cada uno de sus puntos (entrehierro constante o variable), la forma de la ranura, la saturacin de los dientes.

    Actuando adecuadamente sobre estos diversos elementos es posible modificar, claro est dentro de ciertos lmites, la distribucin del flujo a lo largo del entrehierro, y en consecuencia el grado de deformacin de la onda de tensin respecto de una onda sinusoidal.

    En la Figura 3.24 se indica como ya hemos mencionado la forma del campo magntico en vaco producida por un inductor de polos salientes, para una relacin igual a 0.7

    A medida que esta relacin aumenta la forma del campo se hace ms sinusoidal, pero aumenta notablemente el flujo de dispersin que se establece entre dos polos inductores contiguos.

    Como consecuencia de ello el valor ptimo normalmente utilizado es 2/3 que resulta de una situacin de compromiso entre la deformacin del campo y el valor de la dispersin entre polos aceptables.

    De esta relacin y del tipo de entrehierro (constante o variable) depende adems el factor de forma que se indica en la Figura 3.25 y que se utiliza en el clculo de la fundamental de la f.e.m. con la frmula:

    siendo:

    HK1 : factor de forma

  • 200

    HK2 : factor de distribucin HK3 : factor de acortamiento HN : nmero de conductores activos por fase FO : frecuencia WB : flujo Para una dada curva de campo se puede realizar un anlisis armnico que conduce a considerar una distribucin de flujo constituido por una suma de flujos sinusoidales de frecuencia creciente con la serie de nmeros impares.

    La fuerza electromotriz inducida se puede expresar con la frmula:

    donde

    siendo:

    n: orden de la armnica HK2n: factor de distribucin de la armnica considerada HK3n: factor de acortamiento de la armnica considerada HN: nmero de conductores activos por fase FOn: frecuencia de la armnica considerada WBn: flujo de la armnica considerada El factor de distribucin para un arrollamiento trifsico en funcin del orden de la armnica se calcula con la expresin (vlida para ngulos dados en grados):

    siendo:

    NFAS: nmero de fases QPFE: ranuras por polo y por fase equivalentes

  • 201

    El factor de acortamiento en funcin del orden de la armnica se calcula con la expresin:

    siendo ANGU el ngulo de acortamiento de la bobina.

    Es importante recordar que en la conexin estrella las armnicas tercera y sus mltiplos (homopolares) tienen resultante nula, es decir, no aparecen en la tensin de lnea.

    Las armnicas de las cuales es necesario preocuparse con el objeto de reducir su magnitud son la quinta y la sptima.

    Como se puede observar en la Tabla 3.7 los factores de distribucin, a medida que crece el orden de la armnica decrecen ms rpidamente con el incremento del nmero de ranuras por polo y por fase que el correspondiente para la fundamental.

    El factor de distribucin puede ser negativo, y ello significa que esta armnica se encuentra en oposicin de fase respecto de la fundamental.

    Las Figuras 3.26/a, Figura 3.26/b, Figura 3.26/c, muestran los valores del factor de distribucin en funcin del orden del armnico ponindose en evidencia que a medida que aumenta el nmero de ranuras por polo y por fase, los armnicos para los que se presenta el valor del factor de distribucin igual al de la fundamental se alejan ms entre si, por ejemplo para QPF = 2 los mximos se presentan para n = 11, 13, 23, 25 mientras que para QPF = 5 se presentan para n = 29, 31, 59, 61.

  • 202

    Surge inmediatamente que una forma de reducir la distorsin de la forma de onda de la f.e.m. inducida, es la de adoptar un nmero elevado de ranuras por polo y por fase.

    Como es lgico la ejecucin de la mquina impone por razones constructivas y econmicas lmites prcticos al nmero de ranuras totales.

  • 203

    TABLA 3.7

    QPF 1 2 3 4 5 6 10 infinito n

    1 1.000 0.966 0.960 0.958 0.957 0.956 0.955 0.955 3 1.000 0.707 0.667 0.653 0.647 0.644 0.639 0.637 5 1.000 0.259 0.218 0.205 0.200 0.197 0.193 0.191

    7 1.000 -0.259 -0.177 -0.158 -0.149 -0.145 -0.140 -0.136 9 1.000 -0.707 -0.333 -0.271 -0.247 -0.236 -0.220 -0.212 11 1.000 -0.966 -0.177 -0.126 -0.109 -0.102 -0.092 -0.087 13 1.000 -0.966 0.218 0.126 0.102 0.092 0.079 0.073 15 1.000 -0.707 0.667 0.271 0.200 0.173 0.141 0.127 17 1.000 -0.259 0.960 0.158 0.102 0.084 0.064 0.056 19 1.000 0.259 0.960 -0.205 -0.109 -0.084 -0.060 -0.050 21 1.000 0.707 0.667 -0.653 -0.247 -0.173 -0.112 -0.091 23 1.000 0.966 0.218 -0.958 -0.149 -0.092 -0.054 -0.042 25 1.000 0.966 -0.177 -0.958 0.200 0.102 0.052 0.038

    27 1.000 0.707 -0.333 -0.653 0.647 0.236 0.101 0.071 29 1.000 0.259 -0.177 -0.205 0.957 0.145 0.050 0.033 31 1.000 -0.259 0.218 0.158 0.957 -0.197 -0.050 -0.031 33 1.000 -0.707 0.667 0.271 0.647 -0.644 -0.101 -0.058 35 1.000 -0.966 0.960 0.126 0.200 -0.956 -0.052 -0.027 37 1.000 -0.966 0.960 -0.126 -0.149 -0.956 0.054 0.026 39 1.000 -0.707 0.667 -0.271 -0.247 -0.644 0.112 0.049 41 1.000 -0.259 0.218 -0.158 -0.109 -0.197 0.060 0.023 43 1.000 0.259 -0.177 0.205 0.102 0.145 -0.064 -0.022

    45 1.000 0.707 -0.333 0.653 0.200 0.236 -0.141 -0.042 47 1.000 0.966 -0.177 0.958 0.102 0.102 -0.079 -0.020 49 1.000 0.966 0.218 0.958 -0.109 -0.092 0.092 0.019

    51 1.000 0.707 0.667 0.653 -0.247 -0.173 0.220 0.037 53 1.000 0.259 0.960 0.205 -0.149 -0.084 0.140 0.018 55 1.000 -0.259 0.960 -0.158 0.200 0.084 -0.193 -0.017 57 1.000 -0.707 0.667 -0.271 0.647 0.173 -0.639 -0.034 59 1.000 -0.966 0.218 -0.126 0.957 0.092 -0.955 -0.016 61 1.000 -0.966 -0.177 0.126 0.957 -0.102 -0.955 0.016 63 1.000 -0.707 -0.333 0.271 0.647 -0.236 -0.639 0.030

    65 1.000 -0.259 -0.177 0.158 0.200 -0.145 -0.193 0.015

  • 204

    El nmero de ranuras por polo depende de la dimensin del paso polar y de la tensin nominal de la mquina.

    Cuanto menor es el paso polar y ms alta es la tensin, tanto menor debe ser el nmero de ranuras por polo para reducir el porcentual del espacio ocupado por los materiales aislantes del devanado.

    Es por este motivo que para mquinas de alto nmero de polos (hidrogeneradores) que tienen naturalmente un nmero de ranuras por polo y por fase relativamente pequeo, es conveniente adoptar un nmero de ranuras por polo y por fase fraccionario, y de este modo aun con un valor pequeo se puede obtener una forma de onda de tensin con un bajo contenido armnico.

    El nmero de ranuras por polo y por fase del inducido se encuentra normalmente dentro de los siguientes lmites:

    mquinas de polos salientes trifsicas entre 1.5 y 5 turbogeneradores trifsicos entre 5 y 12 Se nota en la tabla que el factor de distribucin para cada valor de ranuras por polo y por fase, tiene para algunas armnicas el mismo valor que para la fundamental.

    Estas armnicas que se las denomina armnicas de ranura, producen deformaciones en la cresta de la onda debido a la discontinuidad que introducen las ranuras en la superficie del inducido.

    En general las armnicas de ranura no son de gran amplitud pero aunque pequea, debido a su frecuencia elevada, pueden resultar una fuente de ruido introduciendo disturbios en los circuitos de comunicaciones.

    El orden de la armnica se calcula con la expresin:

    donde k = 1,2,3,...

    Estas armnicas pueden atenuarse inclinando los bordes de la expansin polar respecto del eje de la mquina de una distancia igual a un paso de ranura del estator.

    La prctica muestra que la relacin entre la longitud de la expansin polar y el paso polar 2/3 es adecuada. La rutina DETALF utiliza este valor considerado correcto en aplicaciones normales y para uso didctico.

    3.23 DEVANADOS DE ALTERNA.

    Los dos problemas que se presentan en la realizacin de los devanados abiertos de corriente alterna utilizados en los alternadores y motores de induccin son:

    la forma de conexin de los conductores entre s para formar una fase.

  • 205

    la forma de conexin de las fases entre s y a la lnea. Estudiaremos en particular los devanados trifsicos que tienen dos lados por ranura (a doble estrato) muy utilizados en la prctica.

    Respecto a los arrollamientos a simple estrato tienen la ventaja de permitir la adopcin de un paso de devanado acortado en un nmero de ranuras cualquiera, lo que permite anular (cuando se puede) o atenuar la quinta y la sptima armnicas, siendo aconsejable para ello elegir un acortamiento de alrededor de 30 grados elctricos.

    El acortamiento de paso reduce la longitud de las cabezas de bobina lo cual redunda en economa (menor peso de conductor) y adems como se ver ms adelante incide en el aporte que la cabeza de bobina hace a la reactancia de dispersin del devanado.

    Estos devanados se caracterizan por tener un nmero de bobinas igual al de ranuras. Por lo general, las cabezas de los devanados son iguales y estn distribuidos en dos capas, y adems todas las bobinas son iguales.

    Cuando el nmero de ranuras por polo y por fase es entero la realizacin del devanado es inmediata, no obstante ello el siguiente ejemplo pone en evidencia como se conduce esta parte del clculo.

    Ejemplo:

    Con los siguientes datos se debe disear un devanado:

    NFAS (nmero de fases) = 3 NPOL (nmero de polos) = 8 QPF (nmero de ranuras por polo y por fase) = 2 queda definido de este modo el nmero de ranuras totales de la mquina (QQ) que es igual a 48.

    De estas 48 ranuras corresponden 1/3, es decir, 16 ranuras a cada fase y estas se deben distribuir con regularidad debajo de todos los polos.

    Resulta evidente que este caso se tienen 6 ranuras por polo segn se puede ver en la Figura 3.27.

    Con el nmero de ranuras por polo se determina el ngulo elctrico por ranura 180/6 = 30 grados.

    Como se puede observar en este ejemplo resulta posible efectuar un acortamiento del paso de la bobina de 1 ranura, que como se dijo anteriormente es el acortamiento conveniente.

    Se ha representado solamente el devanado de una fase debajo de un par de polos, indicndose el principio y el final de cada bobina y para mayor claridad del dibujo solamente las cabezas de bobina de un solo extremo de la mquina.

  • 206

    El devanado se repite en forma idntica para los restantes polos, debiendo conectarse el final de las bobinas debajo del primer polo con el final de las bobinas debajo del segundo polo; el principio de las bobinas debajo del segundo polo con el principio de las bobinas debajo del tercer polo y as sucesivamente quedando de este modo dos extremos libres que son el principio y el final de la fase considerada.

    En este caso las bobinas debajo de cada polo de la fase considerada estn conectadas en serie de modo tal que las f.e.m. se sumen y en sus extremos se tiene la tensin de fase deseada. Debido a la uniformidad a que se hizo mencin las bobinas debajo de cada polo tienen todas la misma f.e.m. y la misma fase, y pueden por consiguiente conectarse todas en paralelo o bien conectar las bobinas debajo de cada par de polos en serie y estos cuatro grupos de bobinas en paralelo.

    Los devanados a doble estrato que tienen un nmero de ranuras por polo y por fase entero, tienen la ventaja de una mayor flexibilidad para realizar circuitos en paralelo, el nmero mximo de vas de corriente por fase es igual al nmero de polos; en general el nmero de ramas posibles (entero) se obtiene a partir de los divisores del nmero de polos.

    Un arrollamiento dado se puede realizar conectando en serie entre s los distintos grupos simtricos que pueden formarse, y estos a su vez en paralelo, tenindose que verificar para que las ramas resulten absolutamente equivalentes que tengan la misma resistencia y reactancia por fase.

    Claro est que para que no vare la tensin de fase el nmero de conductores (activos) que contribuyen a formar la f.e.m. total de la fase debe ser el mismo, independientemente de como se conecten las bobinas debajo de cada polo.

    Esto significa que en el caso ltimo considerado, es decir, cuatro grupos en paralelo, el nmero de conductores de cada bobina deber ser cuatro veces mayor pero como la

  • 207

    corriente de fase se reparte ahora en las cuatro ramas en paralelo su seccin deber ser cuatro veces menor.

    En consecuencia el peso del conductor es el mismo, pero la seccin que se maneja es menor facilitando la realizacin prctica de las bobinas. En este caso no todos los conductores que se pueden observar en la ranura contribuyen a la f.e.m. total razn por la cual se los denomina conductores presentes.

    El nmero de conductores presentes resulta entonces igual al nmero de conductores activos multiplicado por el nmero de ramas en paralelo (o vas de corriente).

    Los principios de las tres fases deben encontrarse a 120 grados elctricos entre s. En realidad lo que se pretende es que las f.e.m. resultantes en cada fase estn a 120 grados elctricos entre si.

    Por razones de comodidad constructiva no es rigurosamente necesario que los principios de las tres fases se encuentren a 120 grados elctricos entre s, es decir, los principios estarn separados 120 + n 360 grados elctricos, donde "n" puede ser igual a 0, 1, 2 etc.

    Veamos ahora como se generan los devanados con un nmero de ranuras por polo y por fase fraccionario y cuales son sus caractersticas.

    En el ejemplo anterior hemos visto que a cada fase le correspondan 16 ranuras. Si adicionamos una ranura por fase el nmero de ranuras totales de la mquina resulta igual a 17 3 = 51. La ranura por fase que hemos adicionado se debe repartir tericamente debajo de los 8 polos que tiene la mquina, en consecuencia el nmero de ranuras por polo y por fase se ve incrementado en 1/8 resultando su nuevo valor 2 1/8 que expresado como fraccin de dos nmeros enteros resulta 17/8

    Si adicionamos otra ranura por fase el nuevo nmero de ranuras totales resulta igual a 18 3 = 54. Con un razonamiento anlogo al anterior el nmero de ranuras por polo y por fase se incrementa en 2/8 y su nuevo valor resulta 2 2/8 que expresado como funcin de dos nmeros enteros es igual a 18/8.

    Como resulta evidente el numerador de la fraccin es el nmero de ranuras por fase y el denominador es el nmero de polos de la mquina.

    Ahora bien en el primer caso el mximo comn divisor entre el numerador y el denominador es igual a 1.

    En el segundo caso el m.c.d. es igual a 2 y por lo tanto el nmero de ranuras por polo y por fase es igual a 9/4.

    El nmero de ranuras por fase dividido este m.c.d. da el nmero de ranuras equivalentes por polo y por fase, en este caso 9.

  • 208

    El nmero de ranuras por polo y por fase es 2.25, su realizacin prctica exige un nmero de ranuras por polo y por fase entero (2 3), se introduce de este modo una asimetra en el devanado como se puede observar en la Figura 3.28, es decir, debajo de los tres primeros polos se tienen 7 ranuras y debajo del ltimo polo solamente 6.

    Debido a que cada costado de bobina alojado en una ranura ocupa una posicin diferente frente al polo correspondiente como se observa en la figura, se obtiene de este modo una mejor distribucin del devanado y a los efectos del clculo de los coeficientes de distribucin para las distintas armnicas es equivalente a como si el nmero de ranuras por polo y por fase fuese igual a 9.

    El nmero de polos totales dividido por el m.c.d. da el nmero de polos de la unidad de devanado.

    En el caso que estamos considerando es igual a 4, es decir, para poder realizar el devanado que permita obtener tres tensiones de igual mdulo y desfasadas entre si en 120 grados se requiere utilizar la mitad de los polos de la mquina.

    Debajo de los otros 4 polos restantes se puede realizar un devanado idntico al anterior donde las f.e.m. de las fases tienen igual magnitud y fase, por lo tanto se puede conectar este ltimo en paralelo con el primero.

    El nmero de vas de corriente en los devanados que tienen un nmero de ranuras por polo y por fase fraccionario es igual a este m.c.d., es decir, no se tiene la flexibilidad como ya visto cuando el nmero de ranuras por polo y fase es entero, siendo esto una limitacin de estos devanados.

    Con referencia al nmero de conductores activos y presentes son vlidas las consideraciones realizadas para los devanados que tienen un nmero de ranuras por polo y por fase entero.

    Adems la relacin entre el nmero de polos por unidad de devanado y el nmero de fases no debe ser entero a fin de que el devanado sea construible.

    En el ejemplo considerado el nmero de ranuras por polo es igual a 54/8 = 6.75 por lo tanto el ngulo elctrico de una ranura es igual a 180/6.75 = 26.6 grados.

    Veamos ahora el criterio con que se debe elegir el acortamiento del paso de la bobina.

  • 209

    Como el nmero de ranuras por polo es igual a 6.75 quiere decir que si no efectuamos ningn acortamiento se debera ir de la ranura 1 a la 7.75, por lo tanto si el paso se realiza de la ranura 1 a la 7 el acortamiento resultante es igual a 0.75 26.6 = 20 grados. La otra posibilidad sera acortar el paso en una ranura ms, es decir, el acortamiento resultar igual a 1.75 26.6 = 46.6 grados, pero en este caso se lo considera excesivo, por cuanto el valor de 20 grados est ms prximo al acortamiento conveniente.

    En el programa se llama una rutina para aceptar y verificar o proponer un nmero de ranuras por polo y por fase, cuando el usuario no lo propone.

    Si el nmero de ranuras por polo y fase es entero se lo acepta y se determina el nmero de ranuras equivalente (que coincide con el nmero de ranuras por polo y fase) y el nmero de ranuras por polo y totales.

    Si en cambio el nmero de ranuras es fraccionario eventualmente se ajusta un nmero de ranuras por polo y totales.

    Si este nmero es nulo (recordemos que estamos ejecutando el programa de clculo de la mquina sincrnica) se propone en funcin del nmero de polos, un valor fraccionario adecuado.

    El nmero de ranuras por fase debe ser entero, debe entonces controlarse que el nmero de ranuras por fase sea entero y eventualmente se ajusta.

    Partiendo del nmero de ramas por fase y el nmero total de polos busca el mximo comn divisor entre stos, el nmero de ranuras por fase dividido este mximo comn divisor da el nmero de ranuras equivalentes.

    El nmero de polos totales dividido por ese mismo factor da el nmero de polos de la unidad de devanado.

    La relacin entre el nmero de ranuras por polo y por fase equivalente y el nmero de polos de la unidad de devanado da el nmero de ranuras por polo y por fase expresada como fraccin de dos nmeros enteros.

    Aplicando el algoritmo de Euclides se determina el mximo comn divisor que es el nmero de ramas en paralelo.

    La relacin entre el nmero de polos por unidad de devanado y el nmero de fases no debe ser entero a fin de que el devanado sea construible.

    Si en ese momento esta relacin fuese un entero se incrementa en uno el nmero de ranuras por fase y se recicla volvindose a efectuar las tareas ya descriptas.

    Cuando el nmero de ranuras por polo y fase es fraccionario se determina como se debe realizar el bobinado, en cambio cuando el nmero de ranuras por polo y fase es entero, la construccin del devanado es inmediata.

    A este punto se conocen el nmero de ranuras totales, el nmero de fases y de polos de la mquina.

  • 210

    Se ha determinado el mximo comn divisor del nmero de ranuras por fase y el nmero de polos que define la unidad de devanado.

    Se entiende por unidad de devanado la mnima cantidad de ranuras y polos que permiten obtener un devanado que genere un sistema de tensiones simtricas.

    El bobinado se debe distribuir de modo de tener debajo de los polos de la unidad de devanado el nmero correspondiente de ranuras totales de dicha unidad con regularidad.

    Para ello se construye una matriz que tiene en una de sus dimensiones tantas filas como polos de la unidad de devanado y en la otra tantas columnas como ranuras de la unidad de devanado.

    En la parte superior de la "Tabla de valores de determinacin del nmero de grupos y de bobinas de cada grupo" (ver corrida) se indica con 1, 2 y 3 cuales son los elementos de la matriz que corresponden a cada una de las fases.

    Para ello partiendo del primer elemento, que corresponde a un costado de bobina, se dejan libres tantos espacios como el nmero de polos de la unidad de devanado menos uno.

    Observando en la matriz la ubicacin de los elementos que representan costados de bobina para cada una de las fases, se obtiene la distribucin que satisface las condiciones de simetra requeridas.

    La "Tabla de valores de nmero de grupos de bobinas de cada fase del devanado debajo de cada polo", sintetiza la cantidad de ranuras por fase y la secuencia de ubicacin debajo de los polos de la unidad de devanado.

    Los grupos de bobinas de una misma fase deben conectarse de modo de obtener la tensin de fase correspondiente.

    Se determina por ltimo el nmero de conductores activos por fase tericos partiendo del valor de la densidad lineal de corriente adoptado. Se determina el flujo por polo correspondiente.

    3.24 DETERMINACION DEL ARROLLAMIENTO (PASO 2).

    Otro conjunto de datos o adopciones permite definir:

    Entrehierro (mm) Nmero de vas de corriente Densidad de corriente (A/mm2) Coeficiente de aprovechamiento Resistividad (ohm mm2/m) Peso especfico (kg/dm3)

  • 211

    Induccin en la corona (T) Como hemos visto la forma del campo debe ser lo ms sinusoidal posible, debiendo mantenerse esta condicin an en carga.

    La longitud del entrehierro se debe determinar de modo tal que la distorsin del campo inductor resultante, en carga, se encuentre dentro de lmites admisibles.

    La distorsin del campo inductor resultante se debe a la presencia de la f.m.m. de reaccin de inducido que actuando conjuntamente con la f.m.m. del campo creado por el inductor determinan la f.m.m. resultante.

    Cabe recordar que la curva de induccin en carga no es igual a la suma algebraica de las dos anteriormente mencionadas, debido a los efectos de la saturacin (en un extremo de la expansin polar el campo se incrementa y satura, en el otro se debilita).

    Las siguientes frmulas sirven segn sea el tipo de entrehierro adoptado, para determinar un valor adecuado del mismo para una distorsin admisible del campo en carga.

    1. entrehierro constante

    2. entrehierro variable (en el eje del polo)

    Las expresiones indicadas muestran que en el eje del polo el entrehierro constante resulta mayor que si fuera variable en la relacin 0.75/0.30 = 2.5 para un mismo valor AFC/BEN.

    De esto surge que las mquinas de polos salientes con entrehierro constante requieren una f.m.m. de excitacin en el inductor mayor de aquellas cuyo entrehierro es variable.

    Se determina la induccin en el entrehierro:

    siendo ALFA un coeficiente que da la relacin entre la induccin mxima y media y que depende de la forma del campo, es decir, de la relacin BETAUP adoptada. Este coeficiente se indica en la Figura 3.29 para entrehierro constante y variable.

    Si corresponde se determina el entrehierro teniendo en cuenta si es variable o constante, luego se determina el dimetro del rotor.

    El programa determina el nmero de vas de corriente externas (NVIAS), validando el nmero de paralelos entrado, y controlando que sea un valor igual o menor que el nmero impuesto y que sea una parte entera del mximo comn divisor entre el nmero

  • 212

    de ranuras por fase y el nmero de polos hallado en el paso anterior mediante el algoritmo de Euclides.

    Conductores activos por ranura son los que participan en la generacin de la f.e.m.

    El nmero de conductores presentes por ranura est dado por el producto del nmero de conductores activos por ranura por el nmero de vas en paralelo (internas y vas de corriente externas), es decir, es el nmero de conductores que participan en la conduccin de la corriente (total de la fase de la mquina).

    El nmero de conductores dentro de la ranura (presentes sin tener en cuenta el nmero de vas internas) debe ser par, es decir, el nmero de conductores activos por ranura por el nmero de vas debe ser par.

    Se determina el acortamiento (ngulo elctrico) y el paso acortado utilizado (entero).

    Para la armnica fundamental, se determina el factor de distribucin, de acortamiento y de devanado.

    Se corrige el flujo por el nmero de conductores adoptado y el factor de devanado determinado, al final se corrige la induccin y se recalcula la densidad lineal de corriente definitivamente adoptada.

    Se determina (utilizando reiteradamente la misma rutina), para distintas armnicas los factores de distribucin, acortamiento y devanado e imprime una tabla con esta informacin de proyecto que ayuda a evaluar la distorsin de la onda de tensin.

    Con la densidad de corriente se determina la seccin del conductor activo, con el nmero de conductores activos por ranura la seccin total de conductor de la ranura.

  • 213

    Con el coeficiente de aprovechamiento (tiene en cuenta solamente la aislacin entre espiras) la seccin bruta del conductor, una rutina imprime los resultados.

    Adems se determina el dimetro de un eventual conductor de seccin circular. Si este valor resulta excesivo, es decir, supera los lmites prcticos, el usuario en la etapa de transformar los clculos en proyecto constructivo, deber subdividir adecuadamente esta seccin adoptando varios conductores en paralelo (paralelos internos), o planchuelas si el proyecto de la mquina as lo requiere.

    3.25 DETERMINACION DE LA RANURA (PASO 3)

    En la Figura 3.30 se indican los esquemas representativos de algunas de las formas de ranuras ms utilizadas en las construcciones normales de distintos tipos de mquinas rotantes.

    Las ranuras tipo 1 (abierta rectangular) y tipo 2 (semicerrada rectangular) se pueden utilizar tanto en la construccin de paquetes estatricos como rotricos (motores asincrnicos, mquinas de corriente continua).

    Las ranuras tipo 3 (semicerrada trapezoidal) y tipo 4 (semicerrada trapezoidal con fondo semicircular) se utilizan (como es obvio por su forma) exclusivamente en la construccin de paquetes estatricos.

    Tambin hay ranuras semicerradas trapezoidales (tipo 7 incluida en la figura 5.22) que se utiliza en rotores de jaula simple de motores asincrnicos trifsicos cuya potencia va de 4 a 10 kW, cuya jaula est realizada en aluminio fundido (generalmente con el proceso de fundicin inyectada).

    La ranura tipo 6 (semicerrada trapezoidal) se utiliza para rotores bobinados de motores asincrnicos trifsicos con potencia superior a los 2 3 kW.

    Debe destacarse que la forma que muestra la figura para esta ranura est estilizada en modo importante, su forma real tiene amplios radios de curvatura (para facilitar la fusin del metal) o bien para alojar los conductores de seccin circular en el caso de rotor bobinado.

    La ranura tipo 5 (semicerrada redonda), se utiliza en rotores de motores asincrnicos de jaula o bien en la construccin de los devanados amortiguadores de los alternadores, con barras redondas.

    Para los alternadores la eleccin del tipo de ranura a utilizar en el inducido se debe realizar en funcin del tamao de la mquina (potencia y tensin).

    Si la mquina es de baja tensin y su devanado es realizable con conductor de seccin redonda las ranuras ms apropiadas son las tipo 2, 3 y 4 (semicerradas), y la eleccin final depende de otras consideraciones vinculadas con el diseo (mejor aprovechamiento del espacio disponible o debido a la solicitacin magntica de los dientes) o bien de carcter econmico (por ejemplo disponibilidad de una matriz de corte adecuada).

    Para pequeas mquinas de baja tensin la tendencia es utilizar las ranuras tipo 3 y 4 (semicerradas trapezoidales).

  • 214

    Si en cambio se trata de un alternador donde por su potencia es necesario utilizar planchuela la ranura adecuada es la tipo 1 (abierta rectangular).

    Si se trata de una mquina de alta tensin construidas con bobinas preformadas y aisladas por cualquiera de los procedimientos utilizados por los distintos fabricantes, tambin corresponde la ranura abierta rectangular.

    Cabe recordar que de la eleccin del tipo de ranura dependen otros aspectos de diseo como son la forma de onda de la tensin inducida (armnicas de ranura), prdidas adicionales por pulsacin de flujo etc. que debern ser tenidos en cuenta pero que pueden ser controlados independientemente del tipo de ranura utilizada.

  • 215

    Se adoptan los datos que permiten determinar la geometra de la ranura del estator.

    tipo de ranura ancho de la entrada de la ranura ancho de la ranura proyectada en el entrehierro altura de la entrada altura de la cua (para los tipos 1 y 2) o altura del trapecio donde el ancho de la ranura se reduce al ancho de entrada

    altura de la aislacin superior espesor de la aislacin estos datos estn incluidos en el quinto registro, recordemos que todas las dimensiones se dan en mm, y cuando algunos datos son nulos el programa adoptar valores adecuados (como ocurre en otros casos).

    El programa acepta slo los siguientes tipos de ranura para el estator:

    1. abierta rectangular

    2. semicerrada rectangular

    3. semicerrada trapezoidal

    4. semicerrada trapezoidal con fondo semicircular

    Para determinar la geometra de la ranura y validar los restantes datos o adoptar valores adecuados, el programa determina el paso de ranura, compara la mitad de este valor con el ancho de ranura en el entrehierro (B1), y lo acepta si se encuentra comprendido dentro de cierto rango lgico.

    Adems controla que dentro de la ranura quepa la correspondiente aislacin contra masa.

    Realizadas estas verificaciones se determinan las dimensiones caractersticas de la ranura elegida. Para tal fin se utilizan distintas rutinas que calculan los anchos an no definidos o los verifican.

    Finalmente en base a la seccin bruta y al espesor de la aislacin, se calculan las distintas alturas (ver Figura 3.30) y la profundidad de la ranura.

    Rutinas adecuadas dimensionan la ranura adoptada, se imprimen las dimensiones correspondientes y se determina el coeficiente de aprovechamiento total que tiene en cuenta adems la aislacin contra masa considerndose que la cua de cierre, cuando corresponde, no pertenece a la seccin til de la ranura.

  • 216

    Finalmente se determina el coeficiente de aprovechamiento total, y se imprimen los resultados obtenidos.

    A este punto se seala que en algunos casos el dimensionamiento de las ranuras (tipos 3 y 4) exige la resolucin de una ecuacin de segundo grado que conduce a obtener dos soluciones, cuando stas son reales el programa adopta la solucin vlida, y en caso de no encontrar una solucin vlida seala esta situacin.

    3.26 DETERMINACION DE LAS INDUCCIONES EN EL ESTATOR (PASO 4)

    Se determina el ancho del diente a un tercio de la parte ms estrecha, el paso en el fondo de la ranura, y el dimetro correspondiente.

    Se determina la induccin a un tercio de la seccin ms estrecha del diente del estator, teniendo en cuenta el factor de apilado.

    Con el valor de induccin en la corona estatrica se determina la altura correspondiente, el dimetro externo del paquete, y el peso del mismo (corona y dientes).

    Si se observa la configuracin del campo magntico en la corona del estator se nota que en correspondencia con el eje polar las lneas de flujo se separan hacia ambos lados, en cambio en correspondencia con el eje interpolar las lneas de flujo son normales a este eje.

    En consecuencia se tiene flujo nulo en la seccin de la corona que corresponde al eje del polo y flujo mximo en la seccin correspondiente al eje interpolar.

    El criterio utilizado para determinar la seccin de la corona es adoptar un flujo uniforme a lo largo de la corona que se fija en cierto porcentaje (del orden de 80%) del valor mximo, con este flujo y la induccin adoptada se determina finalmente la altura de la corona.

    3.27 DETERMINACION DEL FACTOR DE CARTER Y PARAMETROS DEL ESTATOR (PASO 5).

    3.27.1 Reactancia del inducido

    Cuando se mantiene constante la excitacin y la velocidad de rotacin de la mquina, y esta toma carga, se observa una variacin de la tensin en bornes.

    La primera causa de esta variacin, respecto a la f.e.m. en vaco, se debe a la cada hmica que se produce en cada una de las fases.

    Pero los fenmenos vinculados con las acciones magnticas de la corriente de inducido tienen una importancia mucho mayor en la determinacin de esta cada.

    Las corrientes del inducido producen flujos variables que solamente se concatenan con los conductores del inducido, lo cual permite concebir una reactancia de dispersin.

    Adems estas corrientes producen la llamada reaccin de inducido, que causa una variacin del flujo principal cuyo anlisis dejamos para ms adelante.

  • 217

    Los flujos dispersos que participan en la determinacin de la reactancia de dispersin son los siguientes:

    a. flujo disperso de ranura

    b. flujo disperso a lo largo de las cabezas de bobinas

    c. flujo disperso de entrehierro

    3.27.1.1 Flujo disperso de ranura.

    El coeficiente de autoinduccin de un circuito como el que se indica en la Figura 3.31 est definido por:

    es decir est expresado por la relacin entre la sumatoria de los concatenamientos del circuito con el flujo generado y la corriente unitaria. El flujo a su vez es igual a:

    reemplazando se obtiene:

  • 218

    siendo Rx la reluctancia del circuito, que es inversa de la permeancia especfica (por unidad de longitud del paquete magntico) y su valor depende de la forma de la ranura.

    La frmula es vlida con gran nmero de conductores y en el caso que el nmero de conductores por ranura sea muy pequeo (al lmite igual a 1), la frmula no es ms aplicable debido a que la corriente no se reparte uniformemente dentro de la barra (conductor nico) y tiende a concentrarse en la parte superior (prxima al entrehierro) disminuyendo de este modo el verdadero valor de la reactancia.

    La permeancia de ranura se determina partiendo de sus componentes elementales, parte con conductor y parte sin conductor.

    La parte con conductor


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