Generating Insights: Generadores con bobinado en barra versus generadores bobinado de alambre

Si bien es peligroso hacer caracterizaciones generales sobre algo tan complejo como el diseño de generadores, describimos la diferencia de diseño entre los generadores con bobinado de barra (también llamado bobinado conformado) y con bobinado de alambre (también llamado bobinado aleatorio), y proporcionamos recomendaciones para el uso de cada tipo por parte de los diseñadores de sistemas.



Diseños de generadores con bobinado en barra

Los generadores con bobinado de barra difieren de los diseños bobinados de alambre en que los devanados de cobre del estator están compuestos por barras de cobre individuales, en lugar de haces de alambre.

La Figura 1 muestra vistas de sección de ranuras típicas para estator en máquinas con bobinado de barra y bobinado de alambre. Tenga en cuenta que los bobinados del estator en la máquina con bobinado de barra están compuestos por conjuntos de barras que se colocan en la ranura en una configuración mecánica precisa.

Figura 1 La comparación del tamaño del bobinado y de la ranura muestra que para un tamaño de bobinado similar, el tamaño de la ranura de una máquina bobinada de alambre (arriba a la derecha) será mucho menor, lo que resultará en una distorsión armónica más baja en el voltaje producido

Para colocar las barras en la ranura, la abertura de la ranura debe ser bastante grande, y esto conduce a algunas de las diferencias más importantes en el rendimiento entre las máquinas con bobinado de barra y bobinado de alambre.

Diseños de generadores bobinados de alambre

En un diseño de bobinado de alambre, los bobinados del generador suelen ser haces de alambre preformados, que se insertan en el estator, a menudo mediante procesos de la máquina. Tenga en cuenta que con el diseño de bobinado de alambre, la abertura de la ranura es significativamente más pequeña y los devanados individuales están compuestos de materiales de sección transversal mucho más pequeños. Tenga en cuenta también que el espacio de aislamiento entre los cables individuales es menor que con las bobinas enrolladas en barra.

Diferencias de rendimiento

Las diferencias en los diseños físicos entre los dos sistemas conducen a algunas diferencias de rendimiento obvias que puede esperar, y algunas que son menos evidentes.

■ En general, puede esperar que una barra de cobre sea un objeto más rígido que un haz de alambre. Lo que no se puede ver en estas ilustraciones es que probablemente sea más fácil sujetar una máquina de bobinado de barra para tensiones mecánicas que una máquina de bobinado de alambre. Dicho esto, no se debe suponer que una máquina de bobinado de alambre es siempre menos duradera que una máquina de bobinado de barra, simplemente es más fácil proporcionar una estructura mecánicamente resistente.

■ La máquina de bobinado de barra generalmente tendrá más espacio para el aislamiento del que hay disponible entre los cables en una máquina de bobinado de alambre. El aislamiento adicional es más importante en generadores de voltaje medio donde la diferencia de voltaje entre los conductores es mayor. Por otro lado, los mayores niveles de aislamiento en el diseño de bobinado de barra tienden a dificultar el enfriamiento de la máquina, por lo que se necesitan más materiales para alcanzar objetivos similares de aumento de temperatura.

[Desde la perspectiva del cliente, el objetivo es comprar un producto que satisfaga sus requisitos funcionales y tenga la mejor relación calidad-precio.]

■ En general, el espacio de aire más grande y el tamaño de la apertura de la ranura darán como resultado mayores niveles de distorsión de forma de onda de voltaje inherente (particularmente a frecuencias más altas). Por lo tanto, las máquinas de bobinado de barra generalmente exhibirán una calidad de forma de onda más pobre que las máquinas de bobinado de alambre de características mecánicas similares.

■ Dado que la apertura de la ranura es mayor en las máquinas de bobinado de barra, el circuito magnético que existe entre el rotor y el estator es más eficiente en el diseño de bobinado de alambre. Además, los diseños de bobinado de barra tienden a tener arreglos de giro final más largos. Estos dos factores conducen a un mejor rendimiento general del diseño de bobinado de alambre para un contenido de material similar. Por ejemplo, la máquina de bobinado de barra requerirá más cobre y acero para alcanzar el mismo cortocircuito y capacidad de arranque del motor de una máquina de bobinado de alambre de calificación similar. Por lo general, las reactancias de una máquina de bobinado de alambre serán relativamente más bajas que las de una máquina de bobinado de barra de tamaño similar, lo que refleja esta distancia física.

■ En resumen, los diseños de generadores con bobinado de barra suelen ofrecer mayor resistencia mecánica que los diseños con bobinado de alambre y una mayor resistencia dieléctrica, pero proporcionan menos rendimiento en términos de calidad de forma de onda de voltaje, rendimiento de arranque del motor y rendimiento de cortocircuito.

Recomendaciones de aplicación

Las características físicas y las diferencias de rendimiento en los dos diseños básicos de generadores llevan a las siguientes recomendaciones para su uso:

Los diseños de bobinado de barra son generalmente más deseables para aplicaciones de voltaje medio. En estas situaciones, la capacidad de proporcionar un mejor aislamiento giro a giro dará como resultado una máquina más confiable, con sacrificios relativamente menores en el costo.

Los diseños de bobinado de barra también son generalmente deseables para aplicaciones de energía permanente que necesitan la resistencia mecánica más resistente del diseño de bobinado de barra. En particular, las aplicaciones que utilizan cargas de sobretensión continuas y repetidas en la máquina generalmente se atienden mejor con un diseño de bobinado de barra. Las cargas de sobretensión producen reacciones magnéticas en los bobinados, particularmente en los giros finales del estator, que tienden a deformar los bobinados, o incluso a romperlos con el tiempo. Con un diseño rígido y fuertemente arriostrado, el impacto de estas tensiones mecánicas se puede mitigar más fácilmente.

Una situación común de este tipo ocurre en aplicaciones de yacimientos petrolíferos, donde las operaciones de perforación ponen cargas repentinas continuas en el grupo electrógeno. Los diseños de bobinado de alambre tienden a proporcionar el mejor rendimiento en términos de calidad de forma de onda de voltaje, resistencia a la distorsión de forma de onda, rendimiento de cortocircuito y rendimiento de arranque del motor. Por lo tanto, casi siempre son la mejor opción para aplicaciones de voltaje de línea en situaciones de emergencia/reserva. Esto es particularmente cierto en situaciones donde hay grandes cargas del motor o cuando una buena calidad de forma de onda es importante, como debido a la presencia de cargas no lineales en el sistema.

Las aplicaciones como el suministro de energía ininterrumpida (UPS) para centros de datos, el tratamiento de agua o el levantamiento de aguas residuales a menudo pueden beneficiarse de un generador bobinado de alambre. Estas aplicaciones tienen grandes concentraciones de cargas basadas en rectificadores. Son diferentes de, por ejemplo, las aplicaciones de perforación en que las cargas se aplican al generador en un proceso relativamente gradual para minimizar las caídas y oleajes de voltaje, ya sea que operen en el servicio público o en la energía del grupo electrógeno.

Por ejemplo, UPS aumentará las cargas en un grupo electrógeno después de una falla de energía, y extraerá energía de reserva de una fuente de batería cuando se aplica una carga repentina a su salida. Estas cargas en el grupo electrógeno son mucho menos estresantes mecánicamente que las de las aplicaciones de perforación. En consecuencia, no hay una necesidad clara del diseño de bobinado de barra, y se puede desear una mayor eficiencia del diseño de bobinado de alambre.

Tanto los diseños de bobinado de barra como los de bobinado de alambre necesitan una protección especial cuando se usan en entornos hostiles como áreas costeras o donde podrían sufrir corrosión.

Conclusión

La conclusión es que no hay aplicaciones que requieran absolutamente un diseño de generador sobre otro. En general, para máquinas de tamaño similar, la máquina con bobinado de barra es la más adecuada para aplicaciones de alto voltaje y casos en los que las cargas someten al generador a tensiones mecánicas severas. La máquina bobinada de alambre, construida correctamente, proporcionará el mejor servicio en aplicaciones donde la capacidad de arranque del motor y la mejor resistencia a la distorsión de la forma de onda son importantes.

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