3- Una Breve Introducción a La Teoría de Generadores Sincrónicos

7/24/2019 3- Una Breve Introduccin a La Teora de Generadores Sincrnicos

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Fundamentos de Diseo y Rehabilitacin de

Generadores para Centrales HidroelctricasUna breve introduccin a la teora de

generadores sincrnicos

Santiago, Agosto de 2011J. Johnny Rocha E.


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Una breve introduccin a la teora de generadores sincrnicos - JJRE

. . . 130 years shaping the future. . . 130 years shaping the future. . . 130 years shaping the future. . . 130 years shaping the future


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Agenda


4/75



Mdico, fisilogo y fsico italiano, sus estudios le permitierondescifrar la naturaleza elctrica del impulso nervioso.

A partir aproximadamente de 1780, Galvani comenz a

incluir en sus conferencias pequeos experimentos prcticosque demostraban a los estudiantes la naturaleza ypropiedades de la electricidad. En una de estas experiencias,el cientfico demostr que, aplicando una pequea corrienteelctrica a la mdula espinal de una rana muerta, seproducan grandes contracciones musculares en losmiembros de la misma. Estas descargas podan lograr que laspatas (incluso separadas del cuerpo) saltaran igual quecuando el animal estaba vivo.

As lo hizo en la Universidad de Pava el colega de Galvani,Alejandro Volta, quien afirm que los resultados erancorrectos pero no qued convencido con la explicacin deGalvani.

1780 Luigi Galvani (1737 1798)


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1780 Luigi Galvani (1737 1798)


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1818 Mary Shelley


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Fsico italiano, famoso principalmente por haber desarrolladola pila elctrica en 1800.

En 1780, un amigo de Volta, Luigi Galvani, observ que el

contacto de dos metales diferentes con el msculo de una ranaoriginaba la aparicin de corriente elctrica. En 1794, a Voltale interes la idea y comenz a experimentar con metalesnicamente, y lleg a la conclusin de que el tejido muscularanimal no era necesario para producir corriente elctrica. Estehallazgo suscit una fuerte controversia entre los partidarios dela electricidad animal y los defensores de la electricidadmetlica, pero la demostracin, realizada en 1800, delfuncionamiento de la primera pila elctrica certific la victoria

del bando favorable a las tesis de Volta.La unidad de fuerza electromotriz del Sistema Internacional deUnidades lleva el nombre de voltio en su honor desde el ao1881.

1800 Alessandro Volta (1745 1827)


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Electromagnetismo - El principio

Hans Christian Oersted

1777 - 1851

1819 El electromagnetismo


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1820 Andr-Marie Ampre (1775 1836)

es la integral de lnea del circuito cerrado C;

B es el campo magntico en teslas;

denota producto vectorial;

d se trata de un elemento infinitesimal del circuitocerrado C (i.e. un vector con magnitud igual a lalongitud infinitesimal del elemento de lnea, y dedireccin definida por la tangente a la curva C),

d

C

Regla de la mano derecha


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Emulando la naturaleza

Concentrando lneas deflujo magntico

Solenoide emulando un imn permanente


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Investigando la fuerza magntica


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1825 William Sturgeon (1783 1850)


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Introduciendo un ncleode ferro,se mejora la concentracin de flujoen centenas de veces

Colocando un estator, casi se elimina el flujodisperso e, as, se transforma casi toda acorriente en flujo magntico

Dominio del flujo magntico


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A

=

Densidad de lneas de flujoCampo magntico

iL =Flujo magntico

Distribucin espacial de ladensidad de flujo magntico

Electromagnetismo Controlando la distribucin del flujo


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Electromagnetismo - polos

Circuito de lneas de flujo magntico


18/75



0 63.66 127.33 190.99 254.66 318.32 381.990

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

Campo do plo

1a harmnica do campo

Valor medio

Valor rms

Campo do plo


Valor medio

Valor rms

Induo sobre a linha do entreferrro

Passo Polar [mm]

Ind

uomagntica[T]

cy

fox

f1x

avg

rms

cx

tx

Un refinamiento el polo senoidal


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Control de la distribucin de lneas de flujo


20/75



0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

FEM RESULTS

TRASSNIO FUNCTION

1.7

1.0

1.2

1.4

1.5

1.6

M

m

Magne

ticfield[pu

]

Polepitch

Control de la distribucin de lneas de flujoModelando la forma del campo magntico


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Generador deeje vertical

Generador deeje horizontal

Una aplicacin al generador sincrnico


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Dinmica del campo magntico


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Agenda


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1830 Joseph Henry (1797 1878)

Henry descubri, de forma independiente ysimultnea a Faraday, que un campo magnticovariable induce una fuerza electromotriz. En

particular, Henry observ que, si un conductor semueve perpendicularmente a un campomagntico, aparece una diferencia de potencialentre los extremos del conductor.

El inters del experimento de Henry reside en quela aparicin de la fuerza electromotriz inducidapuede ser explicada de forma clara por la ley deLorentz, es decir, por las fuerzas que el campo

magntico ejerce sobre las cargas del conductor.


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1830 Joseph Henry (1797 1878)


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1831 Michel Faraday (1791 1867)

Fsico y qumico britnico que estudi elelectromagnetismo y la electroqumica.

Fue discpulo del qumico Humphry Davy, y ha sidoconocido principalmente por su descubrimiento de lainduccin electromagntica, que ha permitido laconstruccin de generadores y motores elctricos, y delas leyes de la electrlisis, por lo que es consideradocomo el verdadero fundador del electromagnetismo y

de la electroqumica.

En 1831 traz el campo magntico alrededor de unconductor por el que circula una corriente elctrica (yadescubierta por Oersted), y ese mismo ao descubri lainduccin electromagntica, demostr la induccin de

una corriente elctrica por otra, e introdujo el conceptode lneas de fuerza, para representar los camposmagnticos.


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29/75



1832 Gerador de Hippolyte Pixii

Armadura estacionria e magneto mvel.

O magneto era uma estrutura pesada


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1832 Gerador de Hippolyte Pixii


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1833 Magneto-generador de Sther

W. Ritchie inventa el conmutador yparece que Saxton fue el primero enaplicarlo de manera plausible.

Sthrer mejora considerablemente la

eficacia del magneto-generadorintroduciendo una armadura mvil,un conjunto de magnetosestacionarios e un conmutador.


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1833 los magneto generadores de Klarke


33/75



)()( tdt

dte =

)()( tvlte =

El voltaje inducido - El principio


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35/75



El voltaje inducido - La mquina

Estator y rotor


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Haciendo bobinas con barras Roebel


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N

N

N

S

S

El voltaje inducido - La mquina

U1

U2

U

Time t

1

2


38/75



Concepto de fasor

f(t)

g(t)

t

-

g(t)

f(t)


39/75



0 65.45 130.9 196.35 261.8 327.25 392.70

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

1.2

Campo do plo


Campo do plo



Passo Polar [mm]

Induomagntica[T]

cyf0xx

f1xx

cx

ttxx

M

m1.45=

0 5 10 15 20 250

0.033

0.067

0.1

Campo dos polos

Fbfkf

Fbf1

0

kf

0 0.0028 0.0056 0.0083 0.0111 0.0139 0.01672.76 .10

4

0

2.76.104

Tenso F-N

Tenso F-N 1o Harmnico

Tenso F-F

Tenso F-F 1o Harmnico

Tenso F-N


Tenso F-F


Tenso nos terminais do gerador

tempo [s]

Tenso[kV]

U 2

3

U 2

efnAx

efn1Ax

Effabx

Eff1abx

tx

y 3=

q 1= 1=

0 5 10 15 20 25 30 35 400

0.025

0.05

0.075

0.1

Tenso Fase-Neutro

Fefnkf

Fefn1

0

kf

0 5 10 15 20 25 30 35 400

0.025

0.05

0.075

0.1

Tenso Fase-Fase

Feffkf

Feff1

0

kf

Nr = 60

Np = 20

TIFRES 76.836= TIFBAL 91.555=

El voltaje inducido - Caso: q = 1 y paso pleno

)()( tvlte =


40/75



0 65.45 130.9 196.35 261.8 327.25 392.70

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

1.2

Campo do plo


Campo do plo



Passo Polar [mm]

Induomagntica[T]

cyf0xx

f1xx

cx

ttxx

M

m1.45=

0 5 10 15 20 250

0.033

0.067

0.1

Campo dos polos

Fbfkf

Fbf1

0

kf

0 0.0028 0.0056 0.0083 0.0111 0.0139 0.01672.76 .10

4

0

2.76 .104

Tenso F-N


Tenso F-F


Tenso F-N


Tenso F-F



tempo [s]

Tenso[kV]

2 U

2 U

U 2

3

U 2

efnAx

efn1Ax

Effabx

Eff1abx

1

f

0 tx

y 8=

q 3= 0.889=

0 5 10 15 20 25 30 35 400

0.025

0.05

0.075

0.1

Tenso Fase-Neutro

Fefnkf

Fefn1

0

kf

0 5 10 15 20 25 30 35 400

0.025

0.05

0.075

0.1Tenso Fase-Fase

Feffkf

Feff1

0

kf

Nr = 180

Np = 20


El voltaje inducido - Caso: q = 3 y paso acortado


41/75



Nr = 180Np = 20

0 65.45 130.9 196.35 261.8 327.25 392.70

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

1.2

Campo do plo


Campo do plo



Passo Polar [mm]

Induomagntica[T]

1.2

0

1

cy

f0xx

f1xx

2

0

cx

ttxx

M

m1=

0 5 10 15 20 250

0.033

0.067

0.1Campo dos polos

0.1

0

Fbfkf

Fbf1

0

0 kf

0 0.0028 0.0056 0.0083 0.0111 0.0139 0.01672.76 .10

4

0

2.76 .104

Tenso F-N


Tenso F-F


Tenso F-N


Tenso F-F



tempo [s]

Tenso[kV]

U 2

3

U 2

efnAx

efn1Ax

Effabx

Eff1abx

tx

y 8=

q 3= 0.889=

0 5 10 15 20 25 30 35 400

0.025

0.05

0.075

0.1

Tenso Fase-Neutro

Fefnkf

Fefn1

0

kf

0 5 10 15 20 25 30 35 400

0.025

0.05

0.075

0.1Tenso Fase-Fase

Feffkf

Feff1

0

kf


El voltaje inducido - Gap constante q = 3 y paso acortado


42/75



Devanado del estator voltaje inducido


43/75



Corolario: el rotor cilndrico

cmo obtener una forma senoidal de campo magntico con un rotor cilndricomanteniendo el entrehierro constante?

Corolario: sale la espira...


44/75



pentra el conductor elemental

Como romper la hegemona de la espira y usar libremente apenas el conductor elemental?

1

1

f i

xi

1

1

fyi

xi

1

1

fi

fyi

fi fyi+

xi


45/75



Corolario: el devanado polar

Bobinas distribuidas y de paso acortado

VavgVrms

FMM i

Fmm1i

xi

1

1

fi

fyi

fi fyi+

xi


46/75



Corolario: forma de onda del voltaje

0 541.925 1.084 103

1.215

0

1.215

Vavg

Vrms

FMM i

Fmm1 i

xi

Vrms 0.875=

Vavg 0.729=

0 5 10 15 20 25 30 350

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

Frf krf

Frf 1

0

krf

Anexo A:


47/75



Cinemtica de movimientos ondulatorios

Fundamentos de Diseo y Rehabilitacin de

Generadores para Centrales HidroelctricasAnexo A

Cinemtica de movimientos ondulatorios

Santiago, agosto de 2011

J. Johnny Rocha E.


48/75



Agenda

L i d d


49/75



Fuente de Corriente Alternada

Campo Magntico Generado

La reaccin de armadura

L d t i i l t


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La onda estacionaria pulsante

El campo magntico girante resultado de lad d d l t


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suma de dos ondas pulsantes

1856 - 1943

Bi-fsico 1888 Tesla e Ferrai

Motor bifsico Ferrari


52/75



Motor bifsico - Ferrari

Motor bifsico Tesla


53/75



Motor bifsico - Tesla

Motor bifsico Tesla


54/75



Motor bifsico - Tesla

1891 El campo girante trifsico


55/75



1891 - El campo girante trifsico

1861 - 1919

Tri-fsico 1891 - Dobrovolsky

Motor trifsico Dolivo Dobrovolsky


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Motor trifsico Dolivo Dobrovolsky

La reaccin de armaduraLapidando la forma de onda


57/75



Lapidando la forma de onda

Distribucin y paso son los recursos

1.5

1.2

0.9

0.6

0.3

0

0.3

0.6

0.9

1.2

1.5

MMFCp th harmonic1st harmonic

MMF for a Regular Trifasic Winding

1.308

1.308

0

FAri

FArCpi

FAr1i

2Cp p0

2pCpp

xi4

3.2

2.4

1.6

0.8

0

0.8

1.6

2.4

3.2

4



3.766

3.766

0

FAri

FArCpi

FAr1i

2Cp p0

2pCpp

xi

3

2.4

1.8

1.2

0.6

0

0.6

1.2

1.8

2.4

3



2.527

2.527

0

FAri

FArCpi

FAr1i

2Cpp0

2pCp p

xi6

4.8

3.6

2.4

1.2

0

1.2

2.4

3.6

4.8

6



5.011

5.011

0

FAri

FArCpi

FAr1i

2Cp p0

2pCpp

xi

1.5

1.2

0.9

0.6

0.3

0

0.3

0.6

0.9

1.2

1.5



1.133

1.133

0

FAri

FArCpi

FAr1i

2Cpp0

2pCpp

xi2.5

2

1.5

1

0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5



2.441

2.441

0

FAri

FArCpi

FAr1i

2Cp p0

2pCpp

xi4

3.2

2.4

1.6

0.8

0

0.8

1.6

2.4

3.2

4



3.539

3.539

0

FAri

FArCpi

FAr1i

2Cpp0

2pCpp

xi5

4

3

2

1

0

1

2

3

4

5



4.84

4.84

0

FAri

FArCpi

FAr1i

2Cp p0

2pCpp

xi

2p =20 Ns =60

Q = 1 y = 3

Devanado de Paso Pleno

Q = 1 y = 2 Q = 2 y = 5 Q = 3 y = 8 Q = 4 y = 10

Devanado de paso acortado 5/6 de p

2p =20 Ns =120

Q = 2 y = 6

2p =20 Ns =180

Q = 4 y = 12

2p =20 Ns =180

Q = 3 y = 9

La reaccin de armaduraLapidando la forma de onda


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Lapidando la forma de onda

O enrolamento de q fracionrio o mais comum

5

4

3

2

1

0

1

2

3

4

5

4.389

4.389

0

FAri

FArCpi

FAr1i

2Cpp0

2p Cp p

xi

5

4

3

2

1

0

1

2

3

4

5


4.84

4.84

0

FAri

FArCpi

FAr1i

2Cp p0

2pCpp

xi

6

4.8

3.6

2.4

1.2

0

1.2

2.4

3.6

4.8


5.011

5.011

0

FAri

FArCpi

FAr1i

2Cpp0

2pCpp

xi

2p =20 Ns =180

Q = 4 y = 12

passo pleno

2p =20 Ns =180

Q = 4 y = 10

passo encurtado

2p =20 Ns =180

Q = 3 4/5 y = 9

passo encurtado

Aplicacin de un modelo avanzado


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Aplicacin de un modelo avanzado

Dnamo trifsico Central de Lauffen 1891


60/75



Dnamo trifsico Central de Lauffen 1891

Charles Brown & Michael Dolivo-Dobrowolsky - AEG

300 hp

1901 Generador Sincrnico Trifsico


61/75



1901 Generador Sincrnico Trifsico

1901 Generador Sincrnico TrifsicoRotor Cilndrico Macizo 2 polos


62/75



p

Agenda


63/75



g

Tecnologa del devanado El problema


64/75



g

Tecnologa del devanado Las soluciones


65/75



Longitud del ncleo

Bobinas de mltiplas espirascon transposicin natural

Barra Roebel contransposicin interna

Bobinas de mltiplas espiras


66/75



Barra Punga Transposicin interna primitiva


67/75



La barra Roebel


68/75



1912 patente

Brown Boveri Company

Ludwig Roebel

La barra Roebel


69/75



Agenda


70/75



Prdidas en el ncleo magntico


71/75



Pfe = Physteresis + Peddy + Pexcess

Elementos del ncleo magntico


72/75



Agenda


73/75



El devanado amortiguador


74/75




75/75

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