Caracteríscas y Diseño Técnico de Generadores de Corriente Alterna. Los generadores se construyen de diferentes modos para satisfacer diferentes cargas y necesidades del cliente. Constan fundamentalmente del rotor y el estator, ambos con devanados. Las necesi necesida dades des del client clientee pue pueden den tambié tambiénn determ determina inarr cambio cambioss en los tipos tipos de conexión, procesos de producción y accesorios. En esta sección veremos algunos de los elementos del diseño básico del generador. generador.
ELEMENTOS DEL ROTOR Y DEVANADOS DEVANADOS El rotor se define como el devanado que gira o el elemento del generador. uede describirse como un con!unto de láminas delgadas de acero magnéticas, comprimidas fuertemente y luego remac"adas, empernadas o soldadas !untas, para formar el paso del campo magnético. Es alrededor de este n#cleo donde se enrollan o se insertan los devanados de campo o bobinas.
CAMPO DE POLOS SALIENTES
El rotor de polos salientes, o de disposición no cilindrica, se usa en la mayor$a de las máquinas máquinas con generador generadores es impulsado impulsadoss por motor motor con clasificacio clasificaciones nes de %& '( '() ) o mayores. Los rotores de polo saliente son definidos como superficies de polo en saliente de la superficie del rotor. Los devanados generalmente se enrollan alrededor de estos polos, como se muestra en la figura. figura.
CAMPO DE POLOS NO SALIENTES La figura muestra un campo campo rotatorio rotatorio de polos polos no salientes, salientes, o rotor cilindrico. cilindrico. Este se usa princi principal palme mente nte en turbin turbinas as de vapor vapor grande grandes, s, accion accionada adass por gen genera erador dores es y ocasionalmente con inducidos enfriados por agua. *recuentemente, se "acen ranuras en las superficies de los polos para poner los devanados y reducir pérdidas. Este tipo de diseño de generador no se usa en algunos grupos electrógenos.
CAMPO DE IMÁN PERMANENTE El campo de imán permanente se usa generalmente en pequeños generadores +menores de '()-. Esta es una máquina de campo fi!o e inducido rotatorio. os interesa el uso de este tipo de generador pequeño no como generador de volta!e primario, sino como excitador +lo + lo cual se verá más adelante en detalle-. La función del excitador es proporcionar corriente de campo al rotor principal.
DENSIDAD DE FLUJO Y ROTOR Los devanados del rotor crean un flu!o magnético en el generador. La densidad del campo magnético es proporcional a la corriente continua +CC- suministrada por el excitador. )lgunos cientos de vueltas de cable se enrollan generalmente en un rotor.
NÚCLEO DEL ESTATOR El n#cleo del estator es en donde se genera la electricidad #til. Los devanados en el n#cleo del estator transportan la electricidad que se va a usar.
LAMINAS DEL ESTATOR El n#cleo del estator está "ec"o de cientos de láminas de acero delgadas. Las máquinas que las prensan usan soldadura automática, para asegurar ángulos de ranura, presiones de compresión y alineamiento correctos de las ranuras. Las láminas del estator generalmente son de acero siliconado especial. El n#cleo del estator está su!eto a un flu!o alterno, que induce pequeñas corrientes internas al acero, llamadas /corrientes parásitas/ o de /*oulcaut/. Las corrientes parásitas generan calor y pérdidas de eficiencia.
)l ser el n#cleo de láminas comprimidas, en lugar de una sola pie0a sólida de acero, se in"iben las corrientes parásitas, lo cual reduce la circulación de estas corrientes y las pérdidas que genera. La adición de silicio al acero también tiene el propósito de in"ibir las corrientes parásitas.
DEVANADOS DEL ESTATOR Cargas diferentes requieren tipos diferentes de volta!e. Los generadores se diseñan con varias combinaciones de ranuras, conductor y tipos de devanados, para proporcionar la clase especifica de volta!e requerido por las cargas del generador.
DEVANADOS DEL INDUCIDO 1ientras más amperios puedan acumular los devanados del estator, mayor será la salida del generador. 2in embargo, "ay l$mites a la capacidad de corriente, por e!emplo, el aumento de la temperatura. El aumento de la temperatura es la limitante del aislamiento de los devanados del estator para resistir el calor producido por la corriente que pasa a través de los devanados del estator. La expansión térmica de los cables, al producirse calor, es parte de esta limitante.
TIPOS Y PROCESOS DE LOS DEVANADOS 3ay varios tipos de devanados del estator y procesos por los cuales se construyen. Cada uno tiene venta!as propias de acuerdo a su uso
Caracteríscas y Diseño Técnico de Generadores de Corriente Alterna.
4546)2 7E())7)2 )LE)8596)1E8E Las bobinas enrolladas aleatoriamente son económicas y se usan en clasificaciones de potencia ba!a. La figura muestra la sección transversal de una ranura del generador. 8$picamente, se necesitan dos bobinas por cada ranura, como se muestra en la figura
En las bobinas devanadas aleatoriamente se usa cable de cobre alrededor de un imán, aislado con una pel$cula de poliéster altamente resistente a la "umedad y resistente al
rayado. Cada ranura contiene dos bobinas con m#ltiples conductores por vuelta, y cada bobina puede tener una o más vueltas. )demás, cada ranura contiene material aislante, que proporciona aislamiento eléctrico adicional de los devanados del estator.
95CE252 7E 89)8)16E85 7EL 7E())75 )LE)85965 El estator devanado aleatoriamente pasa por un proceso de /baño y "orneado/. El estator se sumerge completamente en una resina de poliéster. La resina de poliéster se usa para permitir mayor disipación de calor, flexibilidad, fuer0a de rompimiento por volta!e alto y resistencia a la "umedad. La resina penetra en los espacios entre los conductores y de!a una capa uniforme de resina. La resina entonces se cura mediante un ciclo de "orneado. )l mantener los conductores !untos, la resina minimi0a la vibración y la falla prematura de los devanados.
7espués, el estator pasa por el proceso de baño y "orneado, usando una resina epóxica. La resina epóxica añade protección contra la "umedad, los qu$micos y otros factores ambientales. 2i es necesario, procesos adicionales de baño y "orneado maximi0an la capa de resina y añaden mayor protección contra el ambiente +de % a : baños más-. ;na resina epóxica a base de asfalto puede también aplicarse al extremo del cable, para dar más protección contra la abrasión y la "umedad. 8odos los estatores de devanado aleatorio se roc$an con un sellador ro!o de formulación especial, para ayudar a evitar problemas de aislamiento. Los problemas de aislamiento pueden incluir formación de caminos conductores carboni0ados sobre la superficie del material y
salinos, que pueden quedar atrapados en las vueltas de los extremos de las bobinas y que por acción de las corrientes microsuperficiales que siempre están presentes se convierten en carbonatos. Estos caminos conductores carboni0ados crean tensiones en el sistema de aislamiento eléctrico.
958ECC6= 7E )62L)16E85 E )146E8E2 C528E952 La protección de aislamiento en ambientes costeros se reali0a algunas veces a los devanados aleatorios, para aumentar la protección ambiental. Las vueltas en el extremo son las más susceptibles a la "umedad y a la formación de contaminantes, de modo que se añade cinta de vidrio a las vueltas del extremo para añadir retención extra de la resina uniforme. La cinta también "ace que los extremos de las vueltas de la bobina sean más lisos, lo cual retarda la "umedad y la formación de contaminantes. *inalmente, !unto con los procesos normales de baño y "orneado, se reali0an un baño y un "orneado extra con resina epóxica. La fotograf$a muestra los devanados después de la cinta de vidrio, pero a#n sin el baño ni el "orneado de resina epóxica.
7E())75 15L7E)75 En los devanados moldeados se utili0an cables cuadrados o rectangulares muy !untos entre si. Esto permite la máxima cantidad de cobre en cada ranura, lo que resulta en una eficiencia y duración superior. Los devanados moldeados generalmente no son prácticos para generadores por deba!o de >.&&& '(), debido a las limitaciones de espacio f$sico para acomodar este tipo de devanado.
619E?)C6= 59 9E26= )L ()C65 La 6mpregnación por resión al (acio +(6 por su sigla en inglés- es un proceso de aislamiento especial usado en los devanados moldeados. El proceso (6 pone el estator del generador en una cámara al vacio y, entonces, inyecta un barni0 especial de resina de poliéster. 7ebido a que el generador está al vacio, el barni0 impregna totalmente los devanados. El resultado de este proceso es un devanado libre de puntos sin barni0, lo cual resulta en una vida #til muc"o mayor.
E286L52 7E 7E())752 3ay dos estilos de devanados que se usan en la construcción de la mayor$a de los generadores@ imbricado y concéntrico. Los devanados imbricados son bucles distribuidos a través uno del otro y enrollados en forma de diamante doble. Los devanados concéntricos son bucles enrollados dentro de bucles más grandes.
C5289;CC6= 7E L52 7E())752 61496C)752 2i el generador tiene A& ranuras, tendr$a > ranuras por polo. ;na bobina de paso completo tendr$a un intervalo de > ranuras. 2i el devanado fuera de % ranuras- >& ranuras.
)25 Cuando una bobina tiene un devanado de >D& grados eléctricos, se llama una bobina de paso completo. )lgunas veces, cuando una bobina se devana menos de >D& grados, se dice que es una bobina de paso fraccionado.
)91=6C52 Las bobinas de paso fraccionado se usan para reducir ciertos factores de armónico. Se reuiere de una cone!ión delta en un "rupo electró"eno "rande #mayor de $%& '() para a*ustar una con+"uración de $,- de paso ue ayude a reducir los efectos del tercer armónico. Se muestra la tabla ue resume los efectos de reducción de armónicos de al"unos de/anados de paso. Los armónicos se /er0n m0s adelante con detalle en la sección 12endimiento1 de este módulo.
Bos
os
os
)91=6C52
)91=6C52
)91=6C52
D
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342C56TA75 D5 25D8CC9:6 D5 A2;:69C4S Caracteríscas y Diseño Técnico de Generadores de Corriente Alterna.
CL)2E2 7E )62L)16E852
En los años sesenta, las clases de aislamiento eléctrico comen0aron a preferirse para la clasificación de generadores, debido al l$mite máximo de temperatura de superficie de diferentes materiales aislantes.
Clases de Aislamiento Clase
Teme!at"!a M#$% de Oe!a&i'n
Mate!iales
A
>&H C
)lgodón, 8ela, apel 6mpregnado
(
>B&H C
(idrio, 1ica, egado
>H C
Elastómero de silicona, 1ica, (idrio, egado de resinas de silicona
>D&H C
(idrio, 1ica, egado, con materiales que permiten >H C de operación.
F
)
L6168E2 7E 8E1E9)8;9) El aislamiento de los generadores se diseña solamente para mane!ar ciertos niveles de temperatura. El material de aislamiento de los devanados se selecciona con base en la capacidad de operación a temperaturas espec$ficas.
L6168E2 7E 8E1E9)8;9)@ 1E76C6= 59 9E2628EC6) El procedimiento establecido para determinar la temperatura de superficie dentro del generador es el método de /elevación por resistencia/. El método de elevación por la resistencia consta de tres elementos@ temperatura ambiente, tolerancia del punto caliente y elevación de la temperatura. 2abemos que, a medida que cambia la temperatura de un conductor +devanados-, lo "ace la resistencia. )l medir la resistencia de un generador caliente, es posible determinar la temperatura de los devanados. La temperatura ambiente es la temperatura alrededor del generador, y se considera generalmente de :&I C. La tolerancia del punto caliente es el punto de los devanados del estator con la más alta temperatura. Está locali0ada aproximadamente en el centro de cada ranura del estator y devanado de campo. Esta tabla muestra los valores de aumento por resistencia y la tolerancia del punto caliente en cada clase de generador.
*+C, Am-iente
*.C, Tole!an&ia &aliente
:&
A
:&
*.C, "ntoEle/a&i'n !esisten&ia
*+C, Total
Clase
A&
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>&
F&
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4
:&
>&
>&
>
*
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>
>%
>D&
3
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?9J*6C5 7E 4)99)2 7E L52 L6168E2 7E 8E1E9)8;9) 7E )62L)16E85 Estos gráficos de barras muestran los l$mites de temperatura de las clases de aislamiento, medidos por resistencia en temperaturas ambiente de :&I C y &I C. 5bserve la inclusión del punto caliente como factor separado en las gráficas de resistencia. En algunas aplicaciones, puede especificarse una temperatura ambiente de &I C, lo que resulta en un valor menor de tolerancia de elevación por resistencia de cada tipo de aislamiento.
C;9()2 7E 9E2628EC6) 8K916C) 2e muestran las curvas de resistencia térmica de los diferentes tipos de aislamiento. La resistencia térmica es la capacidad del aislamiento de soportar calor. Las curvas representan la vida del aislamiento en "oras contra la temperatura de los devanados. Estas curvas no predicen la vida real del diseño de la máquina, sino que muestran la relación entre la vida #til, el tipo de aislamiento y la temperatura de operación. 9egla práctica@ or cada >&o C de incremento de la temperatura del devanado, la vida del aislamiento se reduce a la mitad
E*EC852 7EL 7E8E96595 8K916C5 3ay varias indicaciones de que "a ocurrido deterioro térmico en un sistema de aislamiento de los devanados@ )umento de la dure0a de las capas poliéster
(67) 86L 7EL )62L)16E85 +5 9EL)C65)7) C5 L) 8E1E9)8;9)El calor no es la #nica causa del deterioro del aislamiento de los devanados. Las causas adicionales de las fallas del aislamiento incluyen@
Contaminantes conductores como suciedad uímicos etc.
Daño mec0nico por c
Crestas de /olta*e "eneradas por la car"a o en la línea
4peración con /olta*e corriente o factor de potencia anormales
Conductos de /enlación bloueados.
(5L8)ME 7E *)LL) El exceso de volta!e es una de las causas que llevan a que falle el aislamiento del estator. Cada tipo de aislamiento tiene un limite de cuánto volta!e puede tolerar el material antes de fallar. Este limite de volta!e se llama N(olta!e de falla/.
)62L)16E85 7E C)15 958)86(5 7ebido a que t$picamente las bobinas de campo son de volta!e ba!o, la mayor$a de las aver$as del aislamiento son mecánicas. ) medida que gira el rotor, se e!ercen fuer0as centrifugas a las bobinas de campo, lo que "ace que las bobinas se muevan "acia afuera. Cuando separamos la fuer0a centrifuga en sus componentes, "ay una fuer0a vertical +*(- y una fuer0a lateral +*L-. La fuer0a lateral es la que "ace que las bobinas se desplacen "acia fuera.
C)15 958)86(5O2549E(EL5C67)7 ara asegurar que el aislamiento del rotor pueda tolerar las tensiones mecánicas en operación normal, el sistema de aislamiento del rotor se prueba por varias "oras, de >%G a >&G de la sobrevelocidad de clasificación.
CONE0IONES DE LA (O(INA El diseño de las conexiones de la bobina en un generador y el modo de conectar una carga determinan el nivel y el tipo de volta!e de salida del generador especifico.
VOLTAJE EN RELACI1N CON LAS CONE0IONES 7iferentes tipos de conexiones inducen a diferentes volta!es. or tanto, los tipos de conexiones usados en un generador dependen del volta!e que requiere la carga. El diagrama muestra dos conexiones@ en una se usa volta!e alto y en la otra, volta!e ba!o.
CONE0IONES DE VOLTAJE En la figura se muestra diferentes tipos de conexiones monofásicas de un devanado de tres fases, : polos. La fase consta de : grupos poloOfase, uno para cada polo en la fase. Cada bobina puede tener cualquier n#mero de vueltas, limitado sólo por el espacio dentro de la ranura. Los grupos poloOfase pueden conectarse en serie, : en paralelo, o % en serie, % en paralelo.
CALCULO DE VOLTAJES LINEA A NEUTRAL Y LINEA A LINEA Las fórmulas proporcionadas demuestran la relación entre los volta!es l$nea a neutral y l$nea a l$nea en las conexiones en estrella. El volta!e l$nea a l$nea en el sistema de tres fases es igual a la ra$0 cuadrada de B +>,B- por el volta!e de la l$nea a neutral. Conociendo ya sea el volta!e l$nea a neutral o el volta!e l$nea a l$nea, usted puede "allar en estas fórmulas el valor desconocido. 2e muestran también otras formas de la ecuación. 8odas darán las respuestas apropiadas si se aplican correctamente.
En una conexión en estrella, el volta!e terminal es la ra$0 cuadrada de B +>,B- por el volta!e terminal a neutral +representado por la letra /(%/ en la figura-. En el mismo generador, una conexión en delta tendr$a el mismo volta!e terminal a neutral de la conexión en estrella de este volta!e terminal. 2in embargo, la corriente de la l$nea en delta +6- no seria la ra$0 cuadrada de B +>,B- por la corriente de la l$nea en estrella +6-.
CONE0IONES DE CA(LES ;n generador puede conectarse de varios modos, dependiendo del tamaño y del uso que se vaya a dar al generador. En la figura se muestra una conexión de B ó : cables +B cables, más neutral-. La conexión de A cables, también mostrada en la figura, se usa algunas veces para permitir que los circuitos de protección diferencial se conecten en el neutral. ;na alternativa de la conexión de A cables es la conexión delta
NUMERACI1N DE TERMINALES DE CA(LES El sistema de numeración de terminales de cables sigue el patrón mostrado en la figura. Este sistema se usa tanto para generadores trifásicos como para motores.
ACCESORIOS DEL 2ENERADOR ueden incluirse varias opciones y accesorios para ayudar a cumplir con los requerimientos del generador. Estos pueden incluir sistemas de co!inetes, dispositivos de protección ambiental, calentadores de espacio y medidores de temperatura.
SISTEMAS DE COJINETES Los generadores pueden tener dos sistemas de co!inetes@ de un co!inete y de dos co!inetes. Los sistemas de un co!inete se encuentran en generadores pequeños de menos de >.&&& '().
SISTEMA DE UN COJINETE El sistema de un co!inete se usa en los generadores pequeños.
SISTEMA DE DOS COJINETES Es necesario tener un sistema de dos co!inetes cuando el peso del rotor exceda los l$mites del co!inete principal trasero del motor. En un sistema tradicional de dos co!inetes, el generador no está unido directamente a la ca!a del volante del motor. Esto puede causar dificultad en la alineación, debido a la separación de las dos máquinas. El sistema de dos co!inetes acoplados !untos alivia estas dificultades de alineación original, al unir el generador a la ca!a del volante. La figura muestra una máquina de dos co!inetes.
CALENTADORES DE ESPACIO Los calentadores de espacio se usan, frecuentemente, para disminuir la condensación y la absorción de "umedad al mantener caliente el generador mientras no esté en uso. El uso de este dispositivo es de aplicación espec$fica, dependiendo del ambiente.
DETECTORES DE TEMPERATURA Los detectores de temperatura se usan para vigilar la temperatura de los devanados y de los co!inetes. 3ay dos tipos de detectores de temperatura@ de resistencia +987- y termopares. Los 987 son sensores electrónicos cuya resistencia var$a con el cambio de temperatura. 2e mide este cambio de resistencia y se convierte en una lectura de temperatura. Estos son más delicados que los termopares y, por tanto, sólo se usan en las máquinas con devanado moldeado. Los 987 permiten tomar lecturas promedio, a diferencia de los termopares. El termopar es un tipo más robusto de dispositivo sensor de temperatura, usada en máquinas con devanado aleatorio, que dan una lectura en un punto preciso.
COMPARTIMIENTO3 PROTECCI1N DEL 2ENERADOR Los generadores y los compartimientos proporcionan protección a las personas en contacto con las pie0as en movimiento y a las máquinas contra condiciones ambientales indeseables.
