III CONGRESO VENEZOLANO DE REDES Y ENERGÍA ELÉCTRICA Comité Nacional Venezolano Marzo 2012 DISEÑO METODOLÓGICO PARA EL DISEÑO ELECTROMAGNÉTICO EN GRANDES HIDROGENERADORAS L. Vizcaya*, P. Carvajal*, F. Navarro**, V. Mercado**, P. Castellano***, J-C. Hernández***, J. Pedroza****, J. Ñañez****, J. Toledo**** * UNEXPO - Pto. Ordaz, Edo. Bolívar ** Universidad de Oriente - UDO, Pto. La Cruz, Edo. Anzoátegui *** Universidad de Los Andes - ULA, Mérida, Edo. Mérida **** Subcomisionaduria de Ingeniería y Proyectos Orientes - CORPOELEC RESUMEN El proceso de cálculo, dimensionamiento y diseño de una máquina eléctrica rotativa como son los hidrogeneradores, es un problema con un número muy grande de grados de libertad, que implica no sólo la definición de la geometría y las dimensiones de cada una de sus partes, sino también la selección de los materiales electrotécnicos, su disposición constructiva y la selección del grado de utilización de los mismos, es decir, la elección del punto de trabajo más óptimo. La presente investigación tiene la finalidad de desarrollar una metodología que permita la realización de los cálculos electromagnéticos de generadores de las Centrales Hidroeléctricas del Bajo Caroní, lo cual constituye un factor primordial para los mantenimientos de las máquinas. La metodología de cálculo empleada usa como base ecuaciones de generadores tomadas de libros especializados en el diseño de máquinas sincrónicas de polos salientes. Adicionalmente, se desarrolló un programa computacional en Visual Basic 6.1, el cual incluye además el cálculo de parámetros eléctricos utilizando las dimensiones físicas de la máquina, mediante el uso de las ecuaciones desarrolladas por los ingenieros Kilgore y Talaat, Finalmente para la validación del programa se efectuaron los cálculos electromagnéticos para los generadores de Macagua I, obteniéndose, en aproximadamente el 80% de los resultados, porcentajes de error menores de 5%. PALABRAS CLAVES: Generador - Pruebas - Proyecto Hidroeléctrico - Geometría - Dimensionamiento -Diseño. luis_vizcaya1933@hotmail.com ; teléfono: +58-426-997.59.33 1. INTRODUCCIÓN El sistema eléctrico venezolano, presenta actualmente un crecimiento progresivo de los niveles de demanda de energía. A consecuencia de esto EDELCA, la principal empresa generadora del país, sea visto en la necesidad de implementar nuevos planes y proyectos en el área de generación. Uno de estos proyectos, es la rehabilitación de la central hidroeléctrica “Antonio José de Sucre”, en Macagua I, correspondiente al cambio y reemplazo de un conjunto de piezas no empotradas en el área de generación, mantenimiento, transformación y control, con la finalidad de aumentar la producción y confiabilidad en la central. Este trabajo de rehabilitación, será ejecutado por la empresa argentina IMPSA HYDRO, que fue el encargado de realizar los estudios, diseños y cálculos para el mejoramiento de la planta, siguiendo una serie de lineamientos y especificaciones exigidas por CORPOELEC. Estos estudios realizados por la empresa diseñadora, serán verificados y comprobados por la empresa licitadora. CORPOELEC bajo exigencias de las Especificaciones Técnicas del contrato está en la obligación de la revisión de la ingeniería de detalle, diseño electromagnético y estimación paramétrica de las máquinas sincrónicas, verificando así que se cumplan todas las características técnicas que el contratista debe imponer al equipo una vez diseñado e instalado, debido a que actualmente CORPOELEC no cuenta con una metodología de cálculo, esta investigación tiene por finalidad desarrollar una metodología para realizar el cálculo de: las dimensiones principales del generador, los parámetros eléctricos y los parámetros electromagnéticos correspondiente al diseño del generador hidroeléctrico, la finalidad de esta metodología es realizar un programa computacional desarrollado en el lenguaje Visual Basic 6.1 que le permita a la empresa realizar los cálculos de los generadores de las Centrales Hidroeléctricas de Bajo Caroní. 2. DISEÑO ELECTROMAGNÉTICO DEL GENERADOR HIDROELÉCTRICO Por dimensionamiento electromagnético se entiende la acción que determina las geometrías y dimensiones de los componentes activos del generador, que son aquellas partes de la máquina directamente vinculadas al proceso de generación ya sea por la circulación de corriente o flujo magnético. El primer paso consiste en dimensionar las partes activas con suficiente detalle, lo que es utilizado para una evaluación técnico-económico de la máquina. Luego de concluido el dimensionamiento se realizan los estudios electromagnéticos. En primer lugar se calculan los coeficientes que caracterizan la dispersión polar. Se resuelve luego el circuito magnético. Se calculan las inducciones, flujos, caídas de potencial magnético y las fuerzas magnetomotrices. Para la caracterización del funcionamiento transitorio y estacionario se modela la máquina sincrónica en variables de Park [6], y se obtienen los circuitos equivalentes de la misma según los ejes directo y transversal. Para ello se requiere calcular las reactancias sincrónicas, transitorias y subtransitorias. También se calculan las constantes de tiempo y las impedancias de secuencia. 3. DIMENSIONAMIENTO DE LAS PARTES ACTIVAS DEL GENERADOR SINCRÓNICO El dimensionamiento de un generador sincrónico de polos salientes, depende principalmente de las exigencias que establece el cliente y de criterios que forman parte de la experiencia del fabricante. El cliente con conocimientos de operación y el fabricante con conocimiento de la tecnología, ambos pueden colaborar para elegir el diseño óptimo para cada caso. Las dimensiones del generador dependen de la potencia nominal, la velocidad de giro y el efecto volante, estos valores influyen sobre el tamaño del generador, debido a que a menor velocidad mayor número de polos y por consiguiente menor diámetro del generador; a mayor potencia mayor número de bobinas. Los principales datos que se requieren para la ingeniería de diseño son: la potencia aparente y activa, el factor de potencia, tensión terminal, frecuencia, números de fases, velocidad nominal, velocidad de embalamiento, entre otros. 2 Las dimensiones primordiales de un generador sincrónico, son el diámetro interno “Di” y la longitud total del núcleo del estator “L”, ambos describen el perfil principal de la máquina con respecto a la utilización eléctrica y la inercia. 4. CALCULO ELECTROMAGNÉTICO La metodología de cálculo electromagnético consiste en determinar las ecuaciones que rigen el comportamiento electromagnético de los generadores sincrónicos de polos salientes, con las cuales se determinan: los flujos, las densidades de flujo magnético y las fuerzas magnetomotrices que se originan en el estator, rotor y entrehierro tanto en condiciones de vacío como para condiciones carga. De acuerdo a la ley de Ohm para circuitos magnéticos los amperios-vueltas requeridos en condiciones de vacío de una máquina sincrónica dependen del flujo útil por polo y de la reluctancia del circuito magnético. El circuito magnético de una máquina sincrónica consiste del núcleo del polo, el centro del polo, los dientes del estator, la corona del estator y el entrehierro (Fig. 1). Figura 1. Distribución de las líneas de flujo en el circuito magnético del generador sincrónico Como puede observarse en la Fig. 1, el flujo magnético circula a través del polo se divide en dos partes en el centro del polo y en la corona del estator, en la figura además se ilustra las partes que conforman el circuito magnético del generador sincrónico de polos salientes. El estudio de la inducción y fuerza magnetomotriz en condiciones de vacío, al no existir presencia de carga, tampoco se producirá una corriente inducida en los devanados del estator y por consiguiente no se originará una reacción del inducido, esto quiere decir, que en los cálculos y operaciones siguientes no se tomarán en cuenta las dispersiones producidas por dicho efecto. Al contrario del caso anterior, al existir una carga conectada a las terminales del generador, se originará la circulación de una corriente en el devanado estatórico, que a su vez provocará un campo magnético giratorio opuesto al campo que lo produce. El efecto de oposición que se establece entre el campo del inducido y el rotórico se denomina reacción del inducido, este causará perdidas y dispersiones en el flujo principal, que se tomarán en consideración para el estudio de las densidades de flujo y fuerzas magnetomotrices en las máquinas sincrónicas de polos salientes. La metodología para realizar el cálculo electromagnético en el estator, rotor y entrehierro tanto en condiciones de vacío como para condiciones carga, se determinaron usando ecuaciones deducidas, tomando como referencia [2] [4] [5] [7] y [8]. 5. PARÁMETROS ELÉCTRICOS DE LA MAQUINA SINCRÓNICA Las ecuaciones para el cálculo de los parámetros establecen el comportamiento eléctrico de un generador sincrónico, en periodos estable y transitorio. En este esta investigación se llevó a cabo a través de los métodos matemáticos de Kilgore [3] y Talaat [1], que permiten conocer dichos parámetros 3 solo conociendo las dimensiones físicas de la máquina. Los parámetros eléctricos a los que se hace referencia son los siguientes: - Reactancia de dispersión de armadura Reactancias de reacción de armadura en el eje d y q Reactancias sincrónicas en el eje d y q Reactancias subtransitoria en el eje d y q Reactancia transitoria en el eje d Reactancia de secuencia negativa 6. DISEÑO COMPUTACIONAL El programa computacional fue desarrollado en Microsoft Visual Basic 2008 Express Edition, el cual cuenta en el interfaz de usuario con tres pestañas principales, una para realizar el cálculo electromagnético, una pestaña para realizar el cálculo de reactancias y constantes de tiempo de la máquina sincrónica y otra para realizar el cálculo de las geometrías del generador. En el caso del cálculo electromagnético el usuario puede seleccionar realizar el cálculo en vacio o en condiciones de carga. Para condiciones de carga el programa requiere datos adicionales para calcular la reactancia de dispersión, también se requiere colocar el porcentaje de carga y el factor de potencia. El interfaz de usuario consta de varios controles, como botones, campos para la introducción de texto, en la Fig. 2 se muestra el diseño de la pestaña para el cálculo electromagnético. Y en la Fig. 3 se muestra una ampliación de las cajas de textos agrupadas correspondientes a los datos de entrada para el cálculo en carga. Figura 2. Ventana del programa para realizar los cálculos electromagnéticos Figura 3. Ampliación del grupo de entrada de datos en el caso de realizar el cálculo electromagnético en condiciones de carga. 4 Para realizar el cálculo en condiciones de carga se selecciona el botón correspondiente a condiciones de carga, donde se habilitarán cuadros de textos para introducir el porcentaje de carga y el factor de potencia, y adicionalmente se habilita un grupo de cajas de textos para introducir datos para que el programa calcule la reactancia de dispersión del estator, en caso de que el usuario conozca el valor de la reactancia, éste puede seleccionar la opción de colocar directamente el valor de la reactancia, con lo cual se habilitará la casilla correspondiente para introducir el valor. En la figura 4 se muestran las pestaña en las cuales se introducen los datos en el programa para realizar el cálculo de las geometrías, de las reactancias y constantes de tiempo del generador hidroeléctrico. a) b) Figura 4. a) La ventana para calcular los parámetros eléctricos del generador sincrónico b) Ventana para calcular las geometrías del generador En la ventana de resultados de las reactancias se muestra una columna donde los resultados se obtienen aplicando el método de Talaat y aplicando el método de Kilgore. Adicionalmente en la ventana está la opción de ver los circuitos equivalentes del generador hidroeléctrico en los ejes “d” y “q”. 7. RESULTADOS Para la validación del programa computacional se realizaron los cálculos electromagnéticos de las Centrales Hidroeléctricas de Macagua I y de Tocoma. Y para efectos de resumen de este artículo se presentan los resultados obtenidos de la Central Hidroeléctrica Antonio José de Sucre en Macagua I y se comparan con los datos suministrados por la empresa fabricante. Tabla 1. Cálculos de las geometrías de un generador de Macagua I Parámetro Kc ( Di (m) L (m) NZ q (m) (m) (m) (m) (m) (m) Descripción ) Coeficiente de utilización Diámetro interno Longitud del núcleo del estator Número de ranuras Número de ranuras por polo y fase Paso de ranura Ancho de ranura Altura de ranura Altura de la corona del estator Longitud de la corona del estator Altura de los ductos de ventilación software Fabricante % Error 6,43 6,3 2,06 8,08 1,719 450 2,5 0,0564 0,020 0,1365 0,1595 0,223 0,206 8,10 1,746 450 2,5 0,0565 0,0202 0,1374 0,1501 0,223 0,216 -0,25 -1,57 0 0 -0,01 -0,99 0,66 3,06 0 -4,63 5 Tabla 1. Cálculos de las geometrías de un generador de Macagua I (continuación) Parámetro Descripción software Fabricante % Error 34 36 5.55 Número de canales de ventilación (m) Longitud neta del núcleo del estator 1,424 1,489 -4,36 (m) Ancho del núcleo polar 0,211 0,212 0,47 (m) Ancho de la expansión polar 0,296 0,298 0,67 Altura de la expansión polar 0,0355 0,033 0,76 0,0017 0,002706 4 18,58 0,0017 0,00276 4 19 0 1,96 0 2,2 (m) (m) (m) (m) Entrehierro mínimo Entrehierro máximo Número de barras amortiguadoras por polo Diámetro de las barras amortiguadoras Los resultados (Tabla 1) muestran que aproximadamente el 100 % de los datos comparados poseen un nivel de error comprendido entre el 0% y 5% considerándolos como despreciables. Tabla 2. Cálculos electromagnéticos de un generador de Macagua I Parámetro Flujo Útil (Wb) Inducción en el entrehierro en vacio (Tesla) Inducción en el diente en carga nominal (Tesla) Inducción en la corona en carga nominal (Tesla) Inducción en el núcleo del polo en carga nominal (Tesla) Amper Vueltas en el entrehierro en carga nominal (Av) Amper Vueltas de reacción de inducido en carga nominal (Av) Amper Vueltas en el diente del estator en carga nominal (Av) Amper Vueltas en la corona del estator en carga nominal (Av) Amper Vueltas en el núcleo del polo en carga nominal (Av) Amper Vueltas en el entrehierro entre el núcleo del polo y la corona del estator en carga nominal (Av) Amper Vueltas totales del generador (Av) software 0,42 0,787 1,62 1,05 1,69 12550 9999 511 102 1210 Fabricante 0,42 0,79 1,63 1,06 1,67 12565 9999 505 104 1155 %Error 0,00% 0,38% 0,61% 0,94% -1,20% 0,12% 0,00% -1,18% 1,92% -4,76% 806 785 -2,67% 25178 25113 -0,26% Los resultados (Tabla 2) muestran que aproximadamente el 96 % de los datos comparados poseen un nivel de error comprendido entre el 0% y 3% considerándolos como despreciables. El mayor porcentaje de error es de 4,76% en los Amper-vueltas en el núcleo del polo de la máquina, sin embargo los resultados son aceptables, ya que los métodos para realizar cálculos electromagnéticos en máquinas eléctricas nunca son exactos, sino que proporcionan valores aproximados a los reales. Tabla 3. Reactancias y constantes de tiempos de los generadores de Macagua I Parámetro Xl Xad Xaq Xd Xq X'd X''d X''q X2 T'do T''do software (Método de Talaat) 0,194 0,865 0,458 1,058 0,65 0,38 0,31 0,39 0,35 5,11 0,059 software (Método de Kilgore) 0,181 0,865 0,458 1,046 0,64 0,40 0,289 0,31 0,27 5,11 0,056 Datos del fabricante 0,19 0,87 0,48 1,06 0,67 0,36 0,27 0,39 0,33 4,89 0,055 %Error (Talaat) -2,11% 0,57% 4,58% 0,19% 2,99% -5,55 -14,81% 0,00% -6,06% -4,50% -7,27% %Error (Kilgore) 4,74% 0,57% 4,58% 1,32% 4,48% -11,11 -7,04% 18,33% 18,18% -4,50% -1,82% 6 Los resultados (Tabla 3) muestran que aproximadamente el 70% de los datos comparados poseen un nivel de error comprendido entre el 0% y 5% considerándolos como despreciables, debido a las pequeñas diferencias existentes. El 30% de los resultados se encuentran entre el 8% y 16% de error, que según el criterio establecido pueden ser calificados como aceptables, esto a causa de que las diferencias en función de la magnitud son reducidas. 8. CONCLUSIONES 1. La investigación realizada permitió desarrollar un programa computacional con el cual se puede determinar las geometrías, el cálculo electromagnético y los parámetros eléctricos de una máquina sincrónica de polos salientes, esto fue posible gracias a la recopilación de información y búsqueda de fórmulas en bibliografía y Memorias de Cálculo de distintos fabricantes. 2. Se realizó el cálculo del dimensionamiento de un generador de la Central Hidroeléctrica “Antonio José de Sucre”, en Macagua I, y se obtuvieron valores satisfactorios, ya que los resultados se compararon con los datos suministrados por la empresa fabricante IMPSA HYDRO, y el 90% de los porcentajes de error fueron menores de 1%. 3. Dicho estudio hizo posible verificar la información entregada por el fabricante en cuanto al Cálculo Electromagnético, ya que los errores conseguidos en general fueron relativamente pequeños, aproximadamente un 96% de los errores son menores al 1%, lo que es un resultado satisfactorio, el resto de los resultados con errores de aproximadamente 5% respectivamente, esta diferencia encontrada se considera aceptable debido a que los cálculos realizados por el fabricante están hechos mediante programas computacionales avanzados con procesos iterativos y se basan en fórmulas mejoradas según su experiencia, arrojando resultados más precisos y cercanos a la realidad. 4. los Modelos Matemáticos de Kilgore y Talaat, son una buena herramienta, pues al comparar los resultados obtenidos según la aplicación de estos modelos con los valores dados por IMPSA, se encontraron errores dentro de un rango aceptable. Los errores más grandes para ambos modelos se presentaron en la reactancia subtransitoria del eje en “q” x´´q y la reactancia de secuencia negativa x2 de 18% en ambos casos, esto se debe en parte. 5. Los cálculos con el método de Kilgore presenta un nivel de error superior a los obtenidos por el método de Talaat, siendo este último de mayor confiabilidad, por tal motivo es el método de mayor confiabilidad para realizar los cálculos de los parámetros eléctricos. REFERENCIAS [1] L. Kilgore., “Calculations Synchronous Machines Constant Reactance and Time Constant Affecting Transient Characteristics”. AIEE Transactions, vol. 50, pp. 1201-1214. 1931. [2] Jain, G. (1966). Design, Operation and Testing of Synchronous Machines. Asia Publishing House. New York. [3] M. Talaat, “A New Approach to the Calculation of Synchronous Machines Reactance”. AIEE Transactions. Part I, pp.317-328. 1956. [4] Corrales, J (1982), “Cálculo Industrial de Máquinas Eléctricas”, Tomo I, Fundamentos del Cálculo., Editorial Marcombo, Barcelona, España. [5] Wieseman, R. (1927). Graphical Determination of Magnetic Fields. Practical Applications to Salient Pole Synchronous Machine Design. AIEE. New York. [6] Carvajal, Pedro. (2005). Regímenes Transitorios y Estabilidad de Máquinas rotativas de Corriente Alterna. Ed. 1. CVG Electrificación del Caroní C.A. [7] Walker J. H. (1981) Large Synchronous Machines Design, Manufacture, and Operation. Oxford University Press, New York, United States. [8] Pyrhônen, J. (2008). Design of Rotating Electrical Machines. Editorial Wiley. Ed 1. 7