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JORNADAS SAM/ CONAMET/ SIMPOSIO MATERIA 2003
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ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO DINAMICO DE UNA CABEZA DE BOBINA
DE UNA BARRA ESTATÓRICA DE UN GENERADOR ELÉCTRICO DE GRAN
POTENCIA ANTE DIFERENTES ESTADOS DE TENSIÓN
Dr. O. García Peyranoa , Ing. L. Cismondia , Ing. H. Damiania , Ing. E. Torres a, R. Kocha.
[a] Laboratorio de Análisis de Vibraciones del Centro Atómico Bariloche-CNEA,Instituto Balseiro-Universidad
Nacional de Cuyo, S. C. de Bariloche, Argentina, [email protected]
Toda central de generación eléctrica posee entre sus componentes más importantes un turbogenerador, el cual
lleva a cabo la misión esencial en el funcionamiento de la planta, de convertir la energía primaria en energía
eléctrica. Por lo cual, una falla en este componente podría producir la salida de servicio y la correspondiente
pérdida económica para la planta y para el sector productivo.
Existen antecedentes de fallas de estas máquinas en diferentes centrales de generación eléctrica de todo el
mundo. La principal causa histórica de indisponibilidad de los grandes generadores eléctricos radica en la falla
de los bobinados estatóricos de los mismos, y esencialmente, en las cabezas de las bobinas (transición física
entre bobinas) que los forman.
El origen principal de estas fallas son las altas vibraciones a las que se hallan sometidas las cabezas de bobinas,
durante el funcionamiento de la máquina. Lo cual conlleva a la ruptura de los aislantes y conductores que
componen este elemento.
En estos hechos radica la importancia de la necesidad de estudiar y analizar la respuesta vibratoria de las cabezas
de bobinas de generadores eléctricos de gran potencia.
El estudio del comportamiento dinámico de las cabezas de bobinas se realizó mediante tres metodologías
diferentes: se realizaron simulaciones digitales por elementos finitos de la estructura de las cabezas de bobinas,
se construyó un prototipo experimental de las cabezas de las bobinas y se compararon con mediciones obtenidas
de generadores eléctricos típicos de ciclo a vapor.
Se encontró que las cabezas de las bobinas estatóricas estudiadas pueden tener frecuencias naturales de vibración
y/o una disminución importante de la rigidez estructural en el rango de trabajo de esta máquina, lo cual podría
comprometer el funcionamiento de la misma.
Palabras Claves: alternadores, cabeza de bobina, modos y frecuencias naturales
1. INTRODUCCION
las facilidades de ensayo experimental con que cuenta
la CNEA, en el CAB, y el área industrial de Invap SE.
En el marco de desarrollo de tecnología de diagnóstico
on-line en máquinas eléctricas importantes como
generadores eléctricos de gran potencia, se han
desarrollado cálculos y experimentos con el objeto de
conformar una metodología de inspección adecuada
para el análisis del comportamiento de una máquina
eléctrica en lo que respecta al bobinado estatórico.
Esta metodología constituye además, la base de
ingeniería teórica-experimental para la actividad de
extensión de vida de grandes máquinas de producción,
hecho que en el contexto financiero actual significa
una cuestión de suma importancia
3. DESARROLLO EXPERIMENTAL
En la figura 1 se muestra un esquema de una cabeza
de bobina de un estator de un generador eléctrico
perteneciente a un turbogrupo a vapor.
Las cabezas de bobinas, como se puede ver, están
formadas por chapas de diferentes tamaños en forma
de ángulo.
El estudio del comportamiento vibratorio de las
mismas se realizó mediante tres metodologías
diferentes: simulación digital por computadora,
ensayo en laboratorio y mediciones en campo.
2. DESARROLLO DEL TRABAJO
El laboratorio de vibraciones ha analizado los aspectos
financieros, técnico-operativos y la ingeniería de
ensayo de sistemas integrados de inspección en
servicio, en forma tal que la información generada en
campo como en el laboratorio quede disponible para
su utilización inmediata por los operadores de las
centrales eléctricas.
La información generada proviene de las mediciones
de campo en diferentes generadores, de la simulación
digital de la estructura de las cabezas de bobinas y de
3.1. Metodología de análisis mediante simulación
digital
Mediante el programa de elementos finitos
NASTRAN, desarrollado por la NASA (National
Aeronautics and Space Administration), se calcularon
los modos y frecuencias naturales de las chapas que
forman una cabeza de bobina. Este programa es una
copia licenciada propiedad de INVAP SE y se utilizó
con su asesoramiento.
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La forma de los seis primeros modos naturales de
vibración de la chapa interna se muestran en la figura
4.
Figura 1. Esquema del final de vuelta de una bobina.
En la figura 2 se puede ver el modelo general creado
para simular las chapas de las cabezas de bobinas.
Se modelaron la chapa más externa y la más interna
del prototipo de la cabeza, para tener una idea de las
frecuencias naturales de éstas.
modo 1 : 873 Hz
modo 2: 1469 Hz
modo 3: 2891 Hz
modo 4: 4265 Hz
modo 6: 8056 Hz
modo 5: 4880 Hz
Figura 4. Modos y frecuencias naturales de vibración
de modelo de la chapa interna del prototipo de la
cabeza de bobina.
Las frecuencias naturales de cada modo de vibración
de las chapas externa e interna del prototipo de una
cabeza de bobina, hasta el décimo, se resumen en la
tabla I.
Modo
Figura 2. Modelo creado para simular la chapa más
externa y la más interna del prototipo de la cabeza de
bobina.
La forma y la frecuencia de los seis primeros modos
naturales de vibración de la chapa externa se muestran
en la figura 3.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Frecuencia [Hz]
Chapa externa
195
324
770
954
2027
2701
3925
5273
5753
5975
Frecuencia [Hz]
Chapa interna
873
1469
2891
4265
4880
8056
8879
10943
11548
14398
Tabla I. Frecuencias naturales de cada modo de
vibración de las chapas.
modo 1: 195 Hz
modo 3: 770 Hz
modo 2: 324 Hz
modo 4: 954 Hz
modo 6: 2701 Hz
modo 5: 2027 Hz
Figura 3. Modos y frecuencias naturales de vibración
del modelo de la chapa externa del prototipo de la
cabeza de bobina.
Los valores de las frecuencia calculadas para las
chapas externa e interna del prototipo de la cabeza de
bobina, y por lo tanto para todas las intermedias, están
alejados de la frecuencia de giro, de la de línea (50 hz)
y de la de paso de polos las cuales se hallan entre los
25 y 100 hz para un generador que gira a 25 hz, pero
no así de las armónicas de la frecuencia de paso de
polos. Por ejemplo, la frecuencia del primer modo de
vibración de la chapa externa es cercano a la segunda
armónica del paso de los polos.
La chapa externa respondería con mayor sensibilidad
al estímulo vibratorio del paso de los polos que la
interna lo cual de debe a la mayor esbeltez de la
primera.
JORNADAS SAM/ CONAMET/ SIMPOSIO MATERIA 2003
Además, se observa que muchos de los modos
provocan una torsión de las chapas, lo cual es
altamente nocivo para las mismas, ya que introduce
concentración de tensiones en la zona de soldadura
con la caja de entrada o salida de refrigerante.
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entre las dimensiones reales y las del modelo en escala
1-1.
3.2. Metodología de análisis en prototipo de
laboratorio
En el laboratorio de vibraciones del CAB se construyó
un prototipo escala 1-1 de una cabeza de bobina.
Para las mediciones se utilizaron un micrófono y un
sensor de fuerza montado sobre un martillo de
impacto con el que se golpeó la cabeza de bobina de
manera de excitar sus modos naturales (Figura 5).
Figura 6. Magnitud y la fase de la función de
transferencia entre un sensor de fuerza (entrada) y un
micrófono (salida) tomada golpeando la chapa más
externa del prototipo de laboratorio con un martillo.
El sensor de fuerza es, básicamente, un acelerómetro
sin masa; por lo tanto, la señal que entrega es
directamente proporcional a la fuerza.
Se utilizó un micrófono, pues mediante este sensor se
puede medir directamente el ruido producido por la
vibración del prototipo, lo cual es lo más similar a la
realidad en planta en donde la vibración de las cabezas
de bobina produce ondas de presión en el medio y
éstas producen el movimiento de la carcasa del
generador. Además, como el micrófono en un sensor
de no contacto su masa no influirá sobre las
frecuencias naturales de la cabeza de bobina.
En la figura 6 se muestra la magnitud y la fase de la
función de transferencia entre un sensor de fuerza
(entrada) y un micrófono (salida) obtenida con
Analizador de Señales Scientific Atlanta. La misma se
tomó golpeando la chapa más externa del prototipo
con un martillo al cual se había montado el sensor de
fuerza.
La función de transferencia permite analizar como
responde una estructura para diferentes frecuencias de
excitación, por lo cual un cambio en esta función
indicaría que la estructura o alguno de sus
componentes se ha modificado, o bien que la
excitación ha cambiado.
La mayor actividad de la función de transferencia se
halla en un rango de frecuencias que coincide con
varios modos de las chapas estudiadas mediante
elementos finitos. (ver tabla I) debido a la coherencia
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Función de Transferencia
Figura 5. Prototipo de una cabeza de bobina de un
generador eléctrico de ciclo a vapor, que se montó en
el Laboratorio de Vibraciones del C.A.B.
3.3. Metodología de análisis en campo
Además de los estudios realizados mediante
computadora y en laboratorio, se calculó la función de
transferencia entre dos puntos de la estructura de un
generador eléctrico de dimensiones particulares
perteneciente a un turbogrupo de vapor. Se utilizaron
datos medidos en planta con máquinas similares.
En la figura 7 se puede ver la función de transferencia
del sistema entre dos puntos arbitrarios sobre la
carcasa del generador ubicados sobre el plano de la
sección de las cabezas de bobinas.
Los 25 Hz (frecuencia de giro de la máquina), los 100
Hz (paso de polos), y sus armónicas dominan todo el
espectro y, además, se observa que la mayor
transferencia de energía entre los puntos de medición
ocurre para frecuencias entre 2000 Hz y 8000 Hz.
150
100
50
0
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
frecuencia [Hz]
Figura 7. Magnitud de la función de transferencia
entre dos puntos de la estructura del generador.
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Comparando con la figura 6 se ve que ambas tienen,
en líneas generales, el mismo perfil se observa mayor
actividad entre los 2000 y 6000 Hz. Lo cual indica que
las vibraciones medidas sobre el generador, en ese
rango de frecuencias, podrían deberse a las
frecuencias naturales de las bobinas y/o el sistema de
sujeción de las mismas.
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[3] D. Fink, W. Beaty, Standard handbook for
electrical engineers, 2000, McGraw-Hill Book
Company.
[4] “MSC/NASTRAN for Windows Installation and
Application Manual”,1995, by The MacNealSchwendler Corporation.
[5] W. Pilkey, John Wiley & sons, Formulas for
Stress, Strain, and Structural Matrices, 1994.
4. CONCLUSIONES
Se observaron vibraciones en las carcasas de los
generadores para frecuencias entre, aproximadamente,
2000 y 4000 Hz. Para el caso en que éstas
correspondan con un modo resonante siempre estaría
presente el riesgo de una rotura del componente
asociado a ese modo.
El rango de frecuencias en el que se encuentran estas
vibraciones coincide con el de las frecuencias que se
encontraron para el prototipo de la cabeza de bobina
que se montó en el Laboratorio de Vibraciones del
CAB, debido al cuidado que se tuvo en repetir
dimensiones y formas, para obtener un método de
observación y cálculo con alta repetitividad.
Los niveles de vibración atribuibles a las cabezas de
bobinas son muy intensos en relación a otros
problemas como podría ser un desbalanceo residual, lo
cual es llamativo.
La chapa externa se excitaría con mayor sensibilidad
al paso de los polos que la chapa interna lo cual se
debe a la mayor esbeltez de la primera.
A través de la medición de las señales de vibración
que se realicen sobre el generador y la comparación de
las mismas con las ya medidas y analizadas, se podría
tener un indicio de algún cambio que se produzca
dentro del generador, por ejemplo un aflojamiento del
sistema de sujeción (acuñado, empaquetamiento, etc.)
debidos, posiblemente, a la alta vibración de las
cabezas de las bobinas.
Este último punto es de extrema importancia, ya
que si es posible anticiparse a la ocurrencia de una
falla como las mencionadas podría llevar a
considerar una revisión y aseguramiento de esos
sistemas en la próxima parada programada,
evitando la salida de servicio forzada de la planta,
y la consiguiente pérdida económica, para el
operador y el sistema productivo.
En base a los resultados obtenidos con estas
metodologías, la empresa NASA (Nucleoeléctrica
Argentina S.A.), operadora de las centrales nucleares
argentinas, se interesó en la aplicación a futura de las
mismas a sus grandes máquinas eléctricas.
5. REFERENCIAS
[1] C. Harris, Shock & Vibration Handbook,
McGraw-Hill Book Company, 1988, Tercera Edición.
[2] J. Bendat, A. Piersol, Random Data: Analysis and
Measurement
Procedures,
Wiley-Interscience
Publication, 2000, Tercera Edición.
[6] Ingeniería básica del MP-100, Laboratorio de
Vibraciones, H. Damiani, L. Cismondi, E. Torres, O.
García Peyrano, R. Koch, 2000.
[7] Mediciones de campo en generadores eléctricos de
la central costanera (SEGBA), O. García Peyrano, A.
DePaz.
[8] Cálculo de modos y frecuencias naturales de
vibración aplicado a componentes de máquinas
eléctricas, Laboratorio de Vibraciones, E. Torres, L.
Cismondi, H. Damiani, O. García Peyrano.
[9] Campañas de medición en generadores eléctricos
de centrales al sistema interconectado nacional. O.
García Peyrano, L. Cismondi, H. Damiani, E. Torres,
R. Koch.