ensayos de termografía a núcleos de estatores de máquinas
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UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACIÓN DE TECNOLOGÍA E INGENIERÍA ELÉCTRICA ENSAYOS DE TERMOGRAFÍA A NÚCLEOS DE ESTATORES DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS Por: Alexis A. Chávez P. PROYECTO DE GRADO Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Electricista Sartenejas, Octubre de 2012 UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACIÓN DE TECNOLOGÍA E INGENIERÍA ELÉCTRICA ENSAYOS DE TERMOGRAFÍA A NÚCLEOS DE ESTATORES DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS Por: Alexis A. Chávez P. Realizado con la asesoría de: Prof. Jesús Rafael Pacheco PROYECTO DE GRADO Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Electricista Sartenejas, Octubre de 2012 ENSAYOS DE TERMOGRAFÍA A NÚCLEOS DE ESTATORES DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS Por: Alexis A. Chávez P. RESUMEN El presente trabajo de grado forma parte de una línea de investigación para la reconstrucción, reúso y reciclaje de las Máquinas Eléctricas Rotativas y las partes que las conforman. Para el logro de este objetivo se pretende establecer una metodología que permita definir un análisis de criticidad basado en termografías y la comparación de señales de ondas de corrientes y voltajes, enfocadas hacia núcleos de estatores. Como objetivo adicional se busca proponer un protocolo de pruebas que reúna y complemente las distintas ventajas y desventajas de cada uno de los métodos descritos, en base tanto a las dimensiones de la máquina eléctrica a evaluar como de las fuentes de alimentación y por lo tanto de flujo magnético disponibles. La realización de las pruebas propuestas se realizó en el Laboratorio de Máquinas Eléctricas de la Universidad Simón Bolívar, sede Sartenejas, estado Miranda. iv INDICE GENERAL INDICE DE TABLAS ................................................................................................. ix INDICE DE FIGURAS................................................................................................ x LISTA DE SÍMBOLOS Y ABREVIATURAS .......................................................... xiv INTRODUCCIÓN........................................................................................................ 1 Reseña histórica de los sistemas de aislamiento y pruebas de núcleo para máquinas rotativas...................................................................................................... 1 Planteamiento y Justificación del tema ..................................................................... 4 CAPÍTULO 1 CARACTERÍSTICAS CONSTRUCTIVAS DE LAS MÁQUINAS ROTATIVAS .................................................................................................................... 7 1.1. Generalidades .................................................................................................... 7 1.1.1. Generadores de rotor cilíndrico o rotor liso ................................................... 7 1.1.2. Generadores de polos salientes ...................................................................... 7 1.1.3. Motor de inducción Jaula de Ardilla .............................................................. 8 1.1.4. Motor de inducción de rotor devanado o de anillos ....................................... 9 1.2. Arrollados del estator de la máquina .............................................................. 10 1.2.1. Conductores .................................................................................................. 10 1.2.2. Núcleo magnético.......................................................................................... 11 1.2.3. El Aislamiento eléctrico ............................................................................... 11 1.3. Tipos de arrollados del estator según sea su construcción............................. 12 1.3.1. Estatores de arrollado aleatorio ................................................................... 12 1.3.2. Estatores de arrollados formados con ranuras multivueltas ...................... 13 1.3.3. Estatores arrollados formados con barras Roebel ....................................... 14 1.4. Características de los sistemas de aislamiento del arrollado del estator ...... 15 v 1.4.1. El aislamiento de los filamentos .................................................................. 15 1.4.2. Aislamiento de cada vuelta del arrollado .................................................... 17 1.4.3. Aislamiento a tierra del arrollado................................................................ 18 1.4.4. Apoyo mecánico en los terminales de los arrollados ................................... 20 1.4.5. Aislamiento interlaminar en el núcleo del estator ...................................... 21 CAPÍTULO 2 TIPOS DE FALLAS EN EL ESTATOR DE LAS MÁQUINAS ROTATIVAS 22 2.1. Generalidades ..................................................................................................... 22 2.2. Fallas en el arrollado del estator ....................................................................... 22 2.2.1. El deterioro térmico en los arrollados............................................................. 23 2.2.2. Problemas de impregnación del aislamiento de los arrollados ...................... 24 2.2.3. Pérdida del bobinado en las ranuras .............................................................. 25 2.2.4. Fallas de capas semiconductivas .................................................................... 26 2.3. Tipos de falla en el aislamiento del núcleo magnético de los arrollados del estator ........................................................................................................................ 27 2.3.1. Exposición del núcleo a altas temperaturas ................................................... 28 2.3.2. Envejecimiento eléctrico del núcleo ................................................................ 29 2.3.3. Deterioro mecánico del núcleo ........................................................................ 30 CAPÍTULO 3 PROCEDIMIENTO DE MEDICIÓN DEL AISLAMIENTO ENTRE CHAPAS INTERLAMINARES DEL NÚCLEO ESTATÓRICO ................................. 31 3.1. Generalidades ..................................................................................................... 31 3.2. Método de inspección visual ............................................................................... 32 3.3. Método del cuchillo ............................................................................................. 33 3.4. Prueba de lazo al núcleo del estator .................................................................. 34 3.4.1. Bobina de excitación ........................................................................................ 35 3.4.2. Bobina exploratoria ......................................................................................... 36 vi 3.4.3. Circuito de excitación ...................................................................................... 36 3.4.4. Diseño de la bobina de excitación y exploratoria ........................................... 37 3.4.5. Criterios técnicos para la prueba .................................................................... 39 3.5. Prueba de pérdidas de potencia activa .............................................................. 39 3.5.1. Criterios técnicos de la prueba........................................................................ 40 3.6. Prueba EL-CID (Electromagnetic Core Imperfection Detector) a bajo flujo ... 41 3.6.1. Circuito de Excitación ..................................................................................... 42 3.6.2. Procedimiento de medición ............................................................................. 42 3.6.3. Procesador de Señales ..................................................................................... 43 3.6.4. Ventajas de la prueba...................................................................................... 43 3.6.5. Desventajas de la prueba ................................................................................ 44 3.7. Prueba de variación de flujo mediante el uso de dos electroimanes ................ 45 3.7.1. Circuito de Excitación ..................................................................................... 45 3.7.2. Procedimiento de medición ............................................................................. 47 3.7.3. Ventajas de la prueba...................................................................................... 48 3.7.4. Desventajas del método................................................................................... 48 3.8. Prueba de variación de flujo mediante el uso de un electroimán de prueba ... 48 3.8.1. Procedimiento de medición ............................................................................. 49 3.8.2. Criterios técnicos para la prueba .................................................................... 51 3.8.3. Ventajas del método ........................................................................................ 53 3.8.4. Desventajas del método................................................................................... 54 CAPÍTULO 4 PROTOCOLOS DE PRUEBA ............................................................... 55 CAPÍTULO 5 RESULTADOS EXPERIMENTALES .................................................. 61 5.1. Pruebas de excitación de núcleo ....................................................................... 63 5.2. Pruebas de bobina exploratoria con excitación radial y axial de núcleo. ......... 69 vii 5.2.1. Prueba con bobina exploratoria en una máquina trifásica sin rotor............. 70 5.2.2. Medición de la tensión inducida en una bobina exploratoria enrollada en el núcleo de un motor monofásico con capacitor de arranque. .................................... 74 5.3. Prueba del aislamiento del núcleo a flujo nominal ........................................... 76 5.4. Prueba de variación de flujo mediante el uso de dos electroimanes ................ 84 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ......................................................... 86 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ....................................................................... 88 APÉNDICE A ............................................................................................................ 91 MEDICIONES Y RESULTADOS EXPERIMENTALES ......................................... 91 A.1 Tensiones y corrientes de excitación para cada caso de estudio. ................... 91 A.2 Termografías .................................................................................................... 94 A.3 Comportamiento térmico a lo largo de cada diente del núcleo estatórico ..... 96 APÉNDICE B .......................................................................................................... 105 B.1 Fotografías ..................................................................................................... 105 viii INDICE DE TABLAS Tabla 5.1: Tensiones de excitación para los casos A, B, C y D .................................... 66 Tabla 5.2: Codos de saturación para los casos A, B, C y D ......................................... 67 Tabla 5.3: Dos posibles soluciones para el arrollado de excitación ............................. 72 Tabla 5.4: Tensiones en bobina exploratoria para los casos C y D ............................. 74 Tabla 5.5: Resultados de cálculo para el diseño de la bobina de excitación de la Prueba de flujo nominal................................................................................................ 78 ix INDICE DE FIGURAS Figura 1.1: Rotores de polos salientes y liso, respectivamente ..................................... 8 Figura 1.2: Motor de inducción con rotor jaula de ardilla ............................................. 9 Figura 1.3: Motor de inducción con rotor devanado o con anillos ............................... 10 Figura 1.4: Núcleo de un estator .................................................................................. 11 Figura 1.5: Construcción del aislamiento del arrollado de un estator........................ 12 Figura 1.6: Núcleo estatórico con arrollado aleatorio.................................................. 13 Figura 1.7: Estator de arrollado formado con ranuras multivueltas e inserción de una bobina del arrollado formado en dos ranuras del núcleo ..................................... 14 Figura 1.8: Devanado con barras Roebel del estator de un turbogenerador .............. 15 Figura 1.9: Sección transversal de ranura de un estator de arrollado aleatorio ....... 17 Figura 1.10: Sección transversal de ranura con arrollado usando barras Roebel ..... 17 Figura 1.11: Sección transversal de arrollado con ranuras multivueltas .................. 20 Figura 1.12: Sección transversal de un núcleo donde el aislamiento del trenzado y de vuelta son el mismo ...................................................................................................... 21 Figura 2.1: Estator con arrollado quemado debido a altas temperaturas .................. 24 Figura 2.2: Quemaduras entre dientes de un núcleo .................................................. 29 Figura 2.3: Separación de las láminas de un núcleo ................................................... 30 Figura 3.1: Prueba del cuchillo puesta en práctica ..................................................... 34 Figura 3.2: Montaje de la Prueba a flujo nominal ....................................................... 35 Figura 3.3: Dimensiones del núcleo de un estator....................................................... 38 Figura 3.4: Montaje de la prueba de pérdidas de núcleo ............................................ 40 Figura 3.5: Montaje de la prueba EL-CID ................................................................... 42 Figura 3.6: Montaje Prueba de variación de flujo mediante dos electroimanes ........ 45 Figura 3.7: Dimensiones del núcleo de los electroimanes ........................................... 46 Figura 3.8: Disposición de un electroimán y recorrido que tendrán los flujos generados por él, bajo la prueba de variación de flujo. ............................................... 47 Figura 3.9: Montaje de prueba de variación de flujo con el uso de un electroimán de prueba ............................................................................................................................ 49 x Figura 3.10: Circuito magnético cerrado entre diente de la chapa estatórica y núcleo de prueba ....................................................................................................................... 50 Figura 3.11: Dirección de los flujos magnéticos con respecto a fallas típicas ubicadas en el diente de una chapa estatórica. Fallas en prte inferior y superior, respectivamente ............................................................................................................ 51 Figura 3.12: Ubicaciones típicas de las fallas en los dientes del núcleo ..................... 52 Figura 5.1: Direcciones del flujo magnético de un núcleo excitado, radial y axial respectivamente ............................................................................................................ 62 Figura 5.2: Curvas de magnetización para los cuatro casos de operación de la máquina......................................................................................................................... 65 Figura 5.3: Curvas de magnetización para los casos de operación de la máquina con menor tensión de excitación. ........................................................................................ 65 Figura 5.4: Flujo magnético de excitación y fuga circulante en dirección longitudinal en el núcleo .................................................................................................................... 69 Figura 5.5: Tensión inducida en la bobina exploratoria con respecto a una corriente de excitación para una máquina sin rotor con alimentación radial ........................... 72 Figura 5.6: Tensión inducida en la bobina exploratoria con respecto a una corriente de excitación para una máquina sin rotor con alimentación axial ............................. 73 Figura 5.7: Carcasas de dos de los motores de inducción sometidos a prueba. Carcasa con puntas salientes y liso, trifásico y monofásico respectivamente. ......................... 76 Figura 5.8: Fotografía panorámica del montaje realizado para la Prueba a flujo nominal.......................................................................................................................... 77 Figura 5.9: Corriente de excitación y tensión obtenida para los cálculos realizados . 78 Figura 5.10: Termografías del núcleo del estator ........................................................ 80 Figura 5.11: Orden de conteo de los dientes del núcleo estatórico. ............................ 80 Figura 5.12: Convención de medición para las líneas de temperatura ...................... 81 Figura 5.13: Variación de temperatura a lo largo de los dientes 1 (con falla controlada mediante chapas de cobre colocadas al inicio y final del diente), 2 y 3 .... 81 Figura 5.14: Variación de temperatura a lo largo de los dientes 6, 7 y 8 ................... 82 xi Figura 5.15: Variación de temperatura a lo largo de los dientes 12, 13, 14 (con falla controlada mediante anillo de cobre alrededor de par de láminas estatóricas al principio del diente), 15 y 16 ........................................................................................ 82 Figura 5.16: Variación de temperatura a lo largo de los dientes 23, 24 y 25 ............. 83 Figura 5.17: Variación de temperatura a lo largo de los dientes 29, 30 y 31 ............. 83 Figura 5.18: Variación de temperatura a lo largo de los dientes 32 y 33 ................... 84 Figura A.1: Tensión en el secundario del transformador - Caso de estudio 1, motor trifásico 85 hp................................................................................................................ 91 Figura A. 2: Tensión en el secundario del transformador - Caso de estudio 2, motor trifásico 5 hp.................................................................................................................. 91 Figura A. 3: Tensión en el secundario del transformador - Caso de estudio 3, motor trifásico 20 hp................................................................................................................ 92 Figura A. 4: Tensión en el secundario del transformador - Caso de estudio 4, motor trifásico 100 hp.............................................................................................................. 92 Figura A. 5: Tensión en bobina exploratoria – Caso de estudio 4, motor 100 hp ....... 93 Figura A. 6: Termografías para el caso de estudio 1 ................................................... 94 Figura A. 7: Termografías para el caso de estudio 2 ................................................... 95 Figura A. 8: Termografías para el caso de estudio 3 ................................................... 95 Figura A. 9: Termografías para el caso de estudio 4 ................................................... 96 Figura A. 10: Dientes 1-4 (izq. a der.) del caso de estudio 1 ....................................... 96 Figura A. 11: Dientes 5-10 (izq. a der.) del caso de estudio 1 ..................................... 97 Figura A. 12: Dientes 11-16 (izq. a der.) del caso de estudio 1 ................................... 98 Figura A. 13: Dientes 17-22 (izq. a der.) del caso de estudio 1 ................................... 99 Figura A. 14: Dientes 18-23 (izq. a der.) del caso de estudio 1 ................................. 100 Figura A. 15: Dientes 3-6 (izq. a der.) del caso de estudio 2 ..................................... 100 Figura A. 16: Dientes 11-16 (izq. a der.) del caso de estudio 2 ................................. 101 Figura A. 17: Dientes de 31-36 (izq. a der.) del caso de estudio 2............................. 102 Figura A. 18: Dientes 25-30 (izq. a der.) del caso de estudio 3 ................................. 103 Figura A. 19: Dientes 9-14 (izq. a der.) del caso de estudio 4 ................................... 104 xii Figura B. 1: Fotografía del núcleo estatórico y arrollado de excitación para el caso de estudio 1 ................................................................................................................. 105 Figura B. 2: Datos de placa del motor para el caso de estudio 1 .............................. 105 Figura B. 3: Fotografía del núcleo estatórico y arrollado de excitación para el caso de estudio 2 ................................................................................................................. 106 Figura B. 4: Datos de placa del motor para el caso de estudio 2 .............................. 106 Figura B. 5: Fotografía del núcleo estatórico y arrollado de excitación para el caso de estudio 3 ................................................................................................................. 107 Figura B. 6: Datos de placa del motor para el caso de estudio 3 .............................. 107 Figura B. 7: Fotografía del núcleo estatórico y arrollado de excitación para el caso de estudio 4 ................................................................................................................. 108 xiii LISTA DE SÍMBOLOS Y ABREVIATURAS #vueltas: Número de vueltas del arrollado Ф: Flujo magnético µo: Permeabilidad magnética en el vacío µ r: Permeabilidad magnética relativa del material Θ: Ángulo AN: Área o sección del núcleo magnético B: Densidad de campo magnético Dext: Diámetro externo de la chapa estatórica Dint: Diámetro interno de la chapa estatórica EL-CID: ELectronic Core Imperfection Detector f: Frecuencia de la red H: Intensidad de campo magnético Iexc: Corriente de excitación de la fuente ISSB: Bloques de espacio interno KC: Factor de corrección entre una alimentación radial y una axial Kd: Factor de distribución del arrollado KP : Factor de paso del arrollado L: Longitud del núcleo magnético LC: Longitud de la corona del núcleo Nbe: Número de vueltas de la bobina exploratoria NCP: Número de circuitos en paralelo Nexc: Número de vueltas de la bobina de excitación xiv Pprom: Potencia promedio debido a Vprueba e Iexc Vbe(axial): Tensión inducida en la bobina exploratoria debido a una excitación axial en el núcleo Vbe(radial): Tensión inducida en la bobina exploratoria debido a una excitación radial en el núcleo Vbe/v: Tensión de cada vuelta de la bobina exploratoria VfprimTRX: Tensión de excitación en el primario del transformador alimentador VfsecTRX: Tensión de excitación en el secundario del transformador alimentador VLN: Tensión línea-neutro de la fuente de excitación Vprueba: Tensión medida en los bornes de la bobina exploratoria Vvuelta: Tensión por cada vuelta del arrollado xv INTRODUCCIÓN Reseña histórica de los sistemas de aislamiento y pruebas de núcleo para máquinas rotativas El aminoramiento de las pérdidas eléctricas representa uno de los componentes más importantes para el buen funcionamiento de las máquinas eléctricas rotativas. Un aislamiento severamente dañado puede reducir significativamente la vida útil de ellas y a la larga, alterar sus condiciones de operación. Los aislamientos más comúnmente usados en la industria eran materiales naturales tales como fibra natural de celulosa, algodón, asbesto, lana, lino, mica, resina natural y seda [1-2]. También existían los materiales aislantes derivados de productos sintéticos los cuales fueron investigados por primera vez por el Dr. L. H. Baekeland en 1908 [1]. Esto llevó posteriormente al desarrollo de productos basados en la mezcla de resinas de cresol, fenol y formaldehídos tales como la baquelita. En los años 1913 los autores Steinmetz y Lamme publican un artículo titulado “La temperatura y el Aislamiento Eléctrico” [1] en el cual se desarrolla un estudio acerca del deterioro del aislamiento con el tiempo, cuando éste está expuesto a altas temperaturas. En 1948, Dakin publica otro artículo titulado “Deterioro del aislamiento eléctrico como un fenómeno químico” [1] demostrando cómo el deterioro térmico del aislamiento orgánico se debe a una alteración química durante el envejecimiento del material. Estos estudios permitieron alcanzar un mejor análisis de las propiedades de los materiales aislantes y establecer criterios en la manufactura de los mismos. En [1-2] se explica claramente cómo en los años 1926 se usaba la resina alquídica hecha a base de ácidos saturados y alcohol, empleados comúnmente para reemplazar las aplicaciones de la resina natural. Otros materiales usados como aislantes en máquinas fueron el cloruro de polivinilo (1927), urea-formaldehído (1929), acrílico 2 (1936), poliestiereno y nylon (1938), melanina-formaldehído (1939), poliéster, polietileno y fibra de vidrio (1942), fluorocarbono y silicona (1943), epoxi (1947) y poliuretano, polipropileno y policarbonato (1950’s). Durante los años 1950’s-60’s se comenzaron a combinar productos como el barniz de epoxi con la fibra de vidrio [1]. No obstante fue durante la segunda Guerra Mundial cuando se probó por primera vez la mezcla de estos componentes para mejorar el aislamiento a tierra de los arrollados de las máquinas. En los años 80’s los materiales naturales y sintéticos se empezaron a recombinar y modificar variando la uniformidad y grosor de los mismos que le permitían soportar mayores esfuerzos electromagnéticos y térmicos. Esto permitía traer consigo una generación nueva de máquinas en donde se alcanzarían menores costos en la manufactura y una mayor eficiencia y rendimiento. Todo esto conllevó a la necesidad de tener un mecanismo de medición que permita verificar el estado del aislamiento de las partes constructivas de los arrollados de una máquina, enfocando mayor atención y cuidado el núcleo ferromagnético laminado o núcleo estatórico, ya que en él ocurre la transformación de energía eléctrica a magnética y viceversa. De esta manera en la literatura se observa aplicaciones de diversos mecanismos de medición de aislamiento en los que se ha podido verificar el estado del material aislante de los dientes de la chapa del estator. Inicialmente los primeros mecanismos de verificación de fallas de aislamiento eran realizados a través de una detallada inspección visual del núcleo del estator mediante el cual se podía determinar algún tipo de daño buscando síntomas que involucren algunas de las fallas típicas en éste, [3-4] . Otro mecanismo sencillo de inspección es la llamada “Prueba del Cuchillo”, en la cual se intenta penetrar con un objeto filoso entre las láminas del núcleo para verificar las separaciones interlaminares del mismo. Estos métodos permitían obtener información de la presencia de una falla, pero no mayor detalle de sus características principales, he ahí la justificación en desarrollar 3 métodos más completos, tal como la “Prueba de Lazo” o “Prueba de Flujo Nominal”. Esta prueba consiste en proveer al núcleo estatórico de un flujo magnético, con el fin de exponer su aislamiento a esfuerzos electromagnéticos que destaquen cambios de temperatura y revelen “puntos o áreas calientes”, con objeto de poder evaluar fallas en el aislamiento. Sin embargo, esta prueba puede traer mayores complicaciones al material aislante debido a las altas temperaturas a las que éste se expone, implicando grandes cantidades de tiempo para ser alcanzadas. Esta desventaja conllevó a seguir en la búsqueda de pruebas de fácil maniobrabilidad para el operador, mayor precisión en los resultados y permitan brindar mayor seguridad al equipo, que resultó a mediados de 1980 en la prueba “EL-CID” (ELectromagnetic Core Imperfection Detector, por sus siglas en inglés). Dicha prueba utiliza un Detector Electromagnético de Aislamiento del Núcleo, que permite verificar la señal de las fluctuaciones del campo magnético circulante en cada diente. En cuanto a la alimentación del núcleo basta con inducir un pequeño porcentaje del flujo nominal para poder obtener una medida del estado del aislamiento. Finalmente tras la conveniente aplicación de una prueba a bajo flujo se han desarrollado actualmente algunos métodos propuestos por diferentes artículos publicados en la IEEE [3-6], en los que se desarrollan un estudio de pruebas a bajo flujo que permitan brindar mayor información del estado del aislamiento interlaminar del núcleo así como depurar las desventajas que podían existir en métodos anteriores como la “Prueba de Lazo” o la prueba de “EL-CID”. Actualmente las pruebas de aislamiento del núcleo son realizadas con mayor confiabilidad en grandes motores y generadores preservando su vida útil y permitiendo corregir los antiguos errores o problemas existentes en su manufactura. Sin embargo para la realización de las pruebas de aislamiento se requiere, en algunos casos, de un personal calificado con experiencia en las posibles causas, síntomas y consecuencias de las fallas más comunes en el arrollado del estator, así como de equipos y herramientas adecuadas que permitan analizar resultados más 4 relevantes y precisos. Dichas pruebas de aislamiento del núcleo laminado son realizadas acorde a las características constructivas de la máquina. Planteamiento y Justificación del tema Las máquinas representan un papel fundamental en el desarrollo industrial, por lo cual es más que necesario preservar su vida útil. Entre sus componentes encontramos al estator, donde ocurren los fenómenos electromagnéticos que permiten el rendimiento adecuado para el cual se ha diseñado la misma. Por esto es de suma importancia verificar y preservar su buen estado a través de pruebas como las que se plantean en los siguientes capítulos. Una máquina eléctrica diseñada con propósitos de reciclaje es aquella sencilla, fácil de ensamblar y desensamblar. Un componente para máquinas eléctricas rotativas diseñado con propósitos de reciclaje es sencillo también, e igualmente fácil de ensamblar y desensamblar. Ambos, una máquina eléctrica y un componente de la máquina eléctrica son productos. Tal máquina eléctrica emplea materiales que no envejecen significativamente durante operación, o usan materiales que pueden ser restaurados “económicamente” posteriormente en otra máquina de igual o diferentes dimensiones; máquinas eléctricas diseñadas para ser diseñadas tienen la más alta confiabilidad y disponibilidad, los menores costos iniciales y de operación, así como las menores pérdidas; una máquina eléctrica diseñada para ser reciclada es utilizada en un mundo de productores y usuarios gobernada por estándares y mecanismos que valoran y promueven el reciclaje, desde un punto de vista económico. La industria de la manufactura de máquinas rotativas, tiende probablemente, a que en un futuro no se vean productores de equipos originales desarrollando componentes de máquinas rotativas. Más bien, se espera un mundo de cooperación “moderna” donde [2]: 5 Desarrolladores de componentes como aislamiento y productores de láminas ferromagnéticas, fabricantes de bobinas y constructores de núcleos, ejes y armaduras formarán alianzas para compartir diseños e información para el desarrollo de máquinas. Fabricantes de equipos originales asumirán el rol de integradores. Habrá una intensa competición basada en conocimiento especializado y producción a gran escala (libre comercio basado en especialización internacional mediante ventajas comparativas). Productores de componentes de bajo costo expandirán sus operaciones para capturar e internalizar tecnología. Sólo las normas garantizarán compatibilidades entre las partes. Fabricantes de equipos originales y componentes se unirán a usuarios de máquinas a través de estándares o normas, para optimizar las pruebas y reducir tiempo y costo neto para traer las máquinas eléctricas al mercado. Principios de diseño para el reciclaje de máquinas eléctricas pueden ser fijados como se describe a continuación [2]: Simplificar las partes. Diseñar tanto para el ensamblaje, como para el desensamblaje. Reducir la diversidad del material. Maximizar el uso de materiales reciclables. Aislantes no deberían envejecer y deberían ser endurecidos por procesos reversibles o sus características deberían mejorar con el tiempo. Las placas ferromagnéticas y conductores no deberían envejecer o sus características deberían mejorar con el tiempo. Las relaciones entre fabricantes y usuarios deberían ser gobernadas por: a) Normas, incluyendo formas y dimensiones. b) Mecanismos que permitan a las nuevas máquinas, ser hechas a partir de partes usadas. 6 Las pruebas de núcleo explicadas en [3-5, 7], y sus diferentes aplicaciones se estudiarán en detalle en capítulos posteriores, permitiendo analizar los diversos mecanismos de medición y excitación de núcleo. La excitación del núcleo se realizó ante las siguientes condiciones de operación: con rotor trabado, con rotor girando y sin rotor, permitiendo obtener las características de magnetización del núcleo y sus puntos de operación adecuados para la saturación del mismo. También, se verificó el procedimiento de medición más adecuado del estado del núcleo, ante los diferentes esfuerzos electromagnéticos que el aislamiento debió soportar. De esta manera es necesario llevar a cabo un breve estudio acerca de los sistemas de aislamiento del núcleo laminado como parte del arrollado del estator, así como la revisión de las fallas típicas en este, permitiendo evaluar de manera adecuada y acertada si se está efectivamente en presencia de un núcleo con daños. Por ello este trabajo de grado tiene como principal finalidad el estudio de los mecanismos de excitación y medición en las pruebas de aislamiento del núcleo. Para esto se realizarán varias pruebas de excitación en máquinas de inducción, que permitirán comparar las diferentes alternativas para el análisis del aislamiento. Los mecanismos de excitación fueron desarrollados a través de una alimentación radial y una alimentación axial, nombres correspondientes según las direcciones que toman los flujos magnéticos inducidos en la máquina. CAPÍTULO 1 CARACTERÍSTICAS CONSTRUCTIVAS DE LAS MÁQUINAS ROTATIVAS 1.1. Generalidades En los sistemas eléctricos de potencia, las máquinas eléctricas tienen gran importancia, en la transformación y generación de energía. Por esto y más razones se debe conservar el buen funcionamiento de una máquina rotativa a través de un mantenimiento preventivo y correctivo que le permita realizar adecuadamente el trabajo para la cual fue asignada. Entre los generadores síncronos encontramos los siguientes tipos: 1.1.1. Generadores de rotor cilíndrico o rotor liso Son los llamados turbogeneradores, que gracias a la superficie lisa del rotor reducen significativamente el roce con el aire, permitiendo alcanzar altas velocidades de giro. Son típicamente usados en plantas generadoras térmicas. 1.1.2. Generadores de polos salientes Están construidos con múltiples pares de polos que permiten alcanzar una mayor capacidad de generación de la máquina. Como su rotor presenta una superficie que no lisa, no se caracterizará por alcanzar altas velocidades sino que opera a bajas velocidades. Son usados para centrales de generación hidroeléctricos. En cuanto a los motores asíncronos, éstos están conformados de igual manera por un devanado de excitación en el estator alimentado por una red de corriente alterna. 8 Figura 1.1: Rotores de polos salientes y liso, respectivamente En la figura 1.1 se pueden observar las diferencias constructivas entre los rotores de los dos generadores, cuyo punto en común es el devanado trifásico del estator. Sin embargo, la construcción de los devanados de los rotores sí presenta diferencias. El devanado inducido está colocado en el rotor de la máquina en donde se genera una corriente alterna debido al campo rotativo generado en el estator. Entre los tipos de motores asíncronos típicamente usados encontramos los siguientes: 1.1.3. Motor de inducción Jaula de Ardilla Son los motores más comúnmente utilizados a nivel comercial, debido a su sencillez constructiva, aspecto robusto, bajo costo y apropiados para cualquier aplicación industrial. Sin embargo, vale destacar que presentan una corriente de arranque de hasta 7 veces la corriente nominal o más, por lo que se debe buscar un arranque suave, logrado de varias maneras tales como reducir la tensión de alimentación de la máquina, y asimismo el par de arranque. El motor de inducción de Jaula de Ardilla se caracteriza por tener un rotor con barras cortocircuitadas, que generan el giro a través de la inducción electromagnética, donde el campo es generado por la corriente de los arrollados del estator. En la figura 1.2 se puede observar cómo para cada barra del rotor le corresponde una ranura en cada extremo, unidas a través de los anillos externos de cortocircuito. 9 La corriente circula en principio únicamente por la jaula, ya que su conductividad es mayor que la del hierro, y es bastante pequeña entre la jaula y el hierro de la máquina. Asimismo, como toda máquina asíncrona existe la presencia de un deslizamiento del giro del rotor con respecto al campo rotante de la máquina. Figura 1.2: Motor de inducción con rotor jaula de ardilla 1.1.4. Motor de inducción de rotor devanado o de anillos Caracterizado por tener un estator y un rotor que se encuentra enrollado con filamentos aislados eléctricamente conformando un arrollado polifásico aislado. El motor contiene unos anillos deslizantes que conectan eléctricamente los terminales de los arrollados del rotor, los cuales están conectados en estrella, y lo cortocircuitan o realizan la conexión a través de una resistencia. De igual manera la corriente del estator de este motor se induce en el rotor como principio básico de un motor de inducción o asíncrono. En muchos casos se vuelve necesaria la utilización de un motor de inducción de rotor devanado, en especial cuando se requiere que el motor realice un trabajo con turbinas o grandes compresores que representen un trabajo de alta inercia asociado a su giro, lo que generaría una alta corriente en el arranque si se usara un motor jaula de ardilla. 10 Figura 1.3: Motor de inducción con rotor devanado o con anillos En la figura 1.3 se puede observar: a) La construcción del arrollado del estator en esta máquina presenta la misma configuración que el motor con rotor jaula de ardilla. b) Sin embargo, en este caso el rotor está completamente arrollado. Estos motores contienen diferentes tipos de arrollados en el estator, los cuales serán convenientes revisar para su análisis, ya que éstos varían dependiendo de la capacidad de la máquina e influyen directamente sobre el tipo de aislamiento presente en el núcleo del estator. 1.2. Arrollados del estator de la máquina Permite llevar a cabo los fenómenos electromagnéticos en la máquina a través del fenómeno de inducción, y está conformado por un núcleo magnético, los conductores de cobre y el aislamiento eléctrico dispuesto en ellos: 1.2.1. Conductores Los conductores de cobre permiten la circulación de corriente de excitación en las bobinas del estator y la inducción magnética del campo rotante en el núcleo estatórico. Deberán estar envueltos con alguna capa o material aislante que evite cortocircuitos o contacto eléctrico entre las partes metálicas de la máquina, tales como la carcasa. 11 En el caso de un generador la corriente circulante en los conductores de las bobinas del arrollado del estator es inducida debido al flujo magnético generado por el giro del rotor. En un motor se alimenta por los bornes del arrollado del estator, por lo cual la corriente en las bobinas induce un campo magnético rotante que causa el giro del rotor. Vale destacar que la corriente que debe circular por las bobinas no debe ser mayor a la corriente nominal indicada en placa del motor. 1.2.2. Núcleo magnético. Formado por un material ferromagnético de baja reluctancia, permitiendo que se generen los caminos conductivos del campo magnético rotante. Está dispuesto de láminas de acero y material aislante interlaminar como se muestra en la figura 1.4. Este aislante tiene el fin de evitar pérdidas por corrientes parásitas que circulen en direcciones indeseadas por el camino conductivo del núcleo, pudiendo generar la saturación de éste, y la distorsión de las señales de tensión y corriente, que afectarían la operación normal de la máquina. Figura 1.4: Núcleo de un estator 1.2.3. El Aislamiento eléctrico Constituido generalmente por materiales orgánicos, y cuya función es preservar la vida útil del arrollado del estator, y por consecuencia la vida útil de la máquina. Su función fundamental es evitar que los conductores estén en contacto entre ellos y/o a tierra, además de evitar que el campo magnético tome caminos indeseados de fuga permitiendo la debida operación de la máquina. 12 En algunos tipos de motores se requiere que el aislamiento eléctrico actúe como conductor térmico, dependiendo del tipo de refrigerante con el que cuente la máquina. En estos casos, es importante que el aislamiento evite el sobrecalentamiento de los conductores, además de mantenerlos compactados y ajustados en una posición tal, que los proteja ante esfuerzos mecánicos o electromagnéticos (ver figura 1.5). Figura 1.5: Construcción del aislamiento del arrollado de un estator A continuación observaremos los diferentes tipos de arrollados encontrados en las máquinas eléctricas rotativas. Cabe destacar que este trabajo no concentrará el estudio en las características constructivas de los arrollados del rotor, sino en el análisis del comportamiento de núcleos estatóricos de las máquinas eléctricas rotativas, así como la búsqueda de puntos y áreas calientes, donde el objetivo final sea diagnosticarlos o no como reciclables, reusables o fundibles y volver a usar el material. 1.3. Tipos de arrollados del estator según sea su construcción 1.3.1. Estatores de arrollado aleatorio Usado generalmente en máquinas pequeñas que operan a una tensión nominal de 1 kV. La disposición de los conductores sobre las ranuras del núcleo no presenta un orden determinado, es decir, los conductores se envuelven seguidamente en las ranuras hasta formar el arrollado y están aislados eléctricamente sin embargo no 13 presentan ninguna recubierta especial. Esto se puede observar con mayor detalle en la figura 1.6. Éste será el arrollado más común en las máquinas usadas para la realización de las pruebas, debido a que son las máquinas más comercialmente usadas en el campo laboral. Además, el hecho de ser máquinas de pequeña potencia hace más accesible el trabajo que con otras de mayor potencia. Figura 1.6: Núcleo estatórico con arrollado aleatorio [1] 1.3.2. Estatores de arrollados formados con ranuras multivueltas Tipo de arrollado usado para máquinas de una tensión de operación de 1 kV o más, usados generalmente para motores con rotor Jaula de ardilla. Los conductores del arrollado están dispuestos en lotes con bobinas aisladas en forma de diamante, y presentan un aislamiento adicional en la curvatura de cada vuelta de arrollado. Algunas bobinas están conectadas en serie para crear un apropiado número de polos o vueltas en los arrollados según lo deseado por el fabricante, y estarán dispuestas dentro de las ranuras del núcleo estatórico mediante las llamadas “ranuras multivueltas”. 14 Figura 1.7: Estator de arrollado formado con ranuras multivueltas e inserción de una bobina del arrollado formado en dos ranuras del núcleo [1] En la figura 1.7 se aprecia cómo los arrollados con ranuras multivueltas se instalan en forma de espiral sobre los extremos del núcleo del estator, debido a que se busca reducir los efectos de distorsión en las señales de tensión y corriente, que generan las discontinuidades del entrehierro debido a la forma de la periferia de los dientes del estator, lo cual produce pulsos en el par de la máquina que a su vez ocasionan esfuerzos mecánicos sobre los arrollados. 1.3.3. Estatores arrollados formados con barras Roebel Arrollado usado para máquinas de alta potencia de 50 MW o más, donde las altas intensidades de corrientes de excitación requieren de conductores cuyas longitudes y amplia sección dificultan la instalación de estos mismos sobre la armadura. Al tener un arrollado con conductores de esta característica se incrementan las posibilidades de riesgos de fallas y daños severos en las máquinas, en especial en la curvatura de cada vuelta del arrollado. Por esto se sustituyen dichos conductores por las “Barras de Roebel”, que son barras que ayudan a las curvaturas de los conductores en el arrollado. En cada una de estas barras se instalan varios bloques de conductores obteniendo la media vuelta de bobina de manera más segura para el equipo y con la posibilidad de poder instalarlas por separado, ofreciendo tanto mayores simplicidades en la manufactura de la máquina como en el mantenimiento de ella. 15 Figura 1.8: Devanado con barras Roebel del estator de un turbogenerador [1] 1.4. Características de los sistemas de aislamiento del arrollado del estator Como se mencionó anteriormente la función principal del aislamiento es la de evitar cortocircuitos, perdidas por recalentamiento y vibraciones de los conductores por las fuerzas magnéticas, y será de gran importancia establecer los criterios necesarios que debe seguir un sistema de aislamiento sano para poder determinar de manera eficaz alguna falla en el mismo. El reconocimiento de un aislamiento sano nos permite comparar un núcleo sano de uno fallado y así comprobar la eficacia de los diferentes procedimientos de medición de aislamiento del núcleo del estator. De esta manera entre las principales características de los diferentes sistemas de aislamiento del arrollado del estator encontramos las siguientes: 1.4.1. El aislamiento de los filamentos El aislamiento de los filamentos en el estator es una capa protectora ante esfuerzos mecánicos y electromagnéticos. Para máquinas pequeñas se usa un esmalte de barniz sintético que aumenta el espesor de los hilos conductivos aproximadamente en 0,1 mm. Para un mejor aislamiento se usan cintas como macanita y para mayor resistencia térmica se usa la trenza de vidrio. 16 En algunos arrollados de máquinas de baja potencia, el aislamiento de los filamentos se puede comportar como un aislamiento en las vueltas del arrollado, de aplicarse una capa de aislamiento extra en zonas estratégicas. Los filamentos se colocan de manera trenzada como refuerzo ante esfuerzos mecánicos y electromagnéticos. El refuerzo se debe a que el trenzado es más liviano y de menor área de sección, en comparación con un solo conductor sólido de mayor área, y por lo tanto mayor peso. Además, la disposición de un trenzado de varios subconductores permite mayores facilidades en su colocación sobre las ranuras del estator evitando posibles daños en los mismos durante su instalación. El refuerzo eléctrico, es porque permite reducir las pérdidas de potencia debido al efecto pelicular, concentrando la corriente uniformemente en el área del conductor. El refuerzo magnético, se debe a que se reducen las pérdidas por “corrientes parásitas” que se pudieran generar en la sección de los filamentos que ocasionan pérdidas de potencia activa por recalentamiento de los conductores. Las corrientes parásitas se generan en la sección de los filamentos debido a que en el núcleo del arrollado circulan campos magnéticos radiales que son los que permiten que se genere el par de arranque en el rotor de la máquina para su normal funcionamiento. Igual existe una pequeña porción de campo magnético en dirección longitudinal, generado en el núcleo del estator que ocasiona corrientes circulantes en la sección de cada subconductor. Entre mayor sea el área del conductor mayor será la corriente que se induzca aumentando las pérdidas en los conductores. De esta manera el aislamiento de los filamentos está expuesto a las altas corrientes de los conductores y por lo tanto a mayores temperaturas en el estator, razón por la cual el aislamiento de los filamentos debe presentar buenas propiedades térmicas ya que su envecimiento térmico y mecánico puede causar mayores pérdidas e incrementos de temperatura repercutiendo directamente al estado operativo de la máquina. 17 Figura 1.9: Sección transversal de ranura de un estator de arrollado aleatorio [1] Figura 1.10: Sección transversal de ranura con arrollado usando barras Roebel [1] 1.4.2. Aislamiento de cada vuelta del arrollado Se usa solamente para máquinas con arrollados formados y aleatorios, y permite evitar posibles cortocircuitos en esta área. En grandes máquinas no se colocan debido a que éstas generalmente cuentan con un arrollado con barras Roebel. En muchas máquinas grandes con arrollados formados en el estator se usan delgadas capas extras de aislamiento en cada vuelta del arrollado, donde se pueden obtener altos picos de tensión. Sin embargo para máquinas de baja capacidad, donde se usan arrollados aleatorios en el estator, se usan capas más gruesas. Para máquinas con estatores de arrollados formados con ranuras multivueltas encontramos la tensión a la que está expuesta cada vuelta del arrollado a partir de la siguiente expresión: 18 (1.1) De esta manera el aislamiento adecuado a colocar en la vuelta del arrollado del estator será el aislamiento que soporte la tensión calculada en la ecuación (1.1). En general en se destaca como a lo largo del tiempo se ha unificado el aislamiento de los filamentos con el aislamiento de las vueltas de los arrollados debido a que esto reduce procesos de manufactura y costos, y permite aprovechar mas el tamaño de ranuras para ser llenados con los filamentos de cobre para mayor aprovechamiento constructivo de la máquina. Sin embargo a través de pruebas realizadas por los fabricantes se han detectado mayores posibilidades de fallas en una máquina cuando se tiene el aislamiento para los filamentos y el aislamiento para cada vuelta juntos (con respecto al caso cuando se tienen separados). Es de interés señalar el caso en el cual pueda ocurrir una pérdida de aislamiento en las vueltas del arrollado del estator, esto podría generar un incremento de la corriente y en la temperatura de este arrollado lo cual repercutirá directamente en el arrollado del rotor. Esto podría influir considerablemente en el torque de la máquina y por lo tanto en su rendimiento. Por esto es importante destacar la importancia del aislamiento en las vueltas de los arrollados debido a que en estos casos estos estarán expuestos a vibraciones mecánicas en diferentes ángulos de inclinación a causa de la rotación de la máquina, así como a fuerzas magnéticas transitorias que podrían generar fallas o incrementos en la corriente y en la temperatura de los arrollados del estator. 1.4.3. Aislamiento a tierra del arrollado La función principal del aislamiento a tierra es la de permitir mantener separado a los conductores del núcleo del estator aterrado. En los estatores con arrollados aleatorios se tiene un aislamiento a tierra que tiende a unificar con el aislamiento de cada vuelta del arrollado. En este caso se encuentra un manto de material aislante forrando la ranura y otro manto aislante separando la bobina del arrollado en diferentes fases. Estos mantos deben ofrecer gran resistencia a esfuerzos mecánicos. 19 El diseño eléctrico del aislamiento a tierra debe permitir preservar la vida útil de las máquinas. Por ello el aislamiento de todas las ranuras del estator deben ser del mismo grosor ya que esto determina el tamaño de las ranuras, las cuales deben ser iguales para tener la misma cantidad de filamentos compactados. En cuanto al diseño térmico el aislamiento a tierra debe ofrecer caminos conductivos de calor generado por los conductores de cobre dispuestos en el núcleo del estator. Es importante destacar que se deben evitar espacios en vacío o bolsas de aire en el aislamiento ya que impiden la circulación del calor además de que pueden ocasionar descargas parciales consecutivas que podrían generar una degradación del material aislante y por consiguiente una falla a tierra. Sin embargo para evitar que se formen estas bolsas de aire entre materiales aislantes existen capas de alivio a sobretensiones a tierra las cuales son materiales semiconductivos colocados en las ranuras. Estas capas contienen una baja moderada resistencia que evita descargas superficiales en esta zona. Sin embargo, la conductancia de esta capa no puede ser muy alta para que no se produzcan cortocircuitos con las láminas del núcleo del estator. Para el diseño mecánico del aislamiento a tierra se debe buscar reducir las vibraciones en las bobinas del arrollado debido a las fuerzas generadas por los campos magnéticos. Las fuerzas magnéticas serán generadas en dirección radial debido a la dirección del campo. En cuanto a las capas semiconductivas estas permiten rellenar las ranuras y mantener, a través de unas cuñas colocadas en la parte superior e inferior de la ranura, los filamentos del conductor bien compactados. Es importante destacar que si alguna queda floja dentro de la ranura esta podría recibir daños severos debido a los esfuerzos mecánicos. Si este es el caso se puede usar carbón negro para el relleno el cual reduce adecuadamente dicho impacto mecánico. 20 Figura 1.11: Sección transversal de arrollado con ranuras multivueltas [1] La figura 1.11 presenta la ubicación de cada aislamiento necesario dentro de la ranura del estator que permite aislar los conductores a tierra y mantenerlos compactados dentro de la ranura. 1.4.4. Apoyo mecánico en los terminales de los arrollados Dentro del sistema de aislamiento del arrollado del estator también se debe tomar en cuenta el soporte que existe entre los terminales del mismo. Estos soportes se presentan en forma de anillos de acero aislados con vidrio laminado los cuales envuelven los terminales de cada bobina evitando que este sufra esfuerzos mecánicos por vibraciones que podrían causar esfuerzos magnéticos conllevando a futuros problemas en la máquina. En la figura 1.12 vemos diferentes tipos de ranuras construidas con el fin de cumplir con los requerimientos mencionados. 21 Figura 1.12: Sección transversal de un núcleo donde el aislamiento del trenzado y de vuelta son el mismo [1] 1.4.5. Aislamiento interlaminar en el núcleo del estator Como se sabe el núcleo del estator está construido por láminas delgadas que contienen un aislamiento entre éstas, constituido por capas delgadas tales como barniz, fibra de vidrio u otros materiales con diferentes componentes químicos tratados previamente. El aislamiento interlaminar del núcleo permite reducir pérdidas en el mismo producidas por corrientes parásitas o fenómenos de histéresis. También es importante que el aislante interlaminar esté diseñado para soportar los esfuerzos eléctricos ocasionados por pequeñas inducciones de fuerzas electromotrices generados entre láminas del núcleo debido a las concentraciones de densidades de campo magnético resultantes durante la operación de la máquina. El aislamiento interlaminar debe estar bien sellado o adherido a las láminas para evitar la formación de bolsas de aire que podrían generar descargas parciales que desgasten el material aislante. Sin embargo a lo largo del núcleo laminado se construyen espacios adicionales de aire entre láminas que permiten crear canales o caminos de ventilación para cada diente reduciendo los esfuerzos térmicos en el mismo. CAPÍTULO 2 TIPOS DE FALLAS EN EL ESTATOR DE LAS MÁQUINAS ROTATIVAS 2.1. Generalidades Las fallas en un estator reducen no sólo la eficiencia de la máquina, sino su vida útil e incluso pueden llevarla a daños severos y permanentes. Por lo tanto es importante analizarlas para poder detectar a tiempo su tipo, severidad, ubicación, causa y síntomas que permitan evitar daños mayores en la máquina. Antes de revisar las fallas en el núcleo estatórico, revisaremos los mecanismos de falla en los demás componentes del estator, debido a que el desempeño de cada componente del arrollado influye directamente con los otros, ya que en conjunto permiten realizar los fenómenos electromagnéticos necesarios para que la máquina opere de manera adecuada. 2.2. Fallas en el arrollado del estator Las fallas en los sistemas de aislamiento en el estator pueden darse por múltiples factores ya que estos son uno de los componentes de la máquina más susceptibles a envejecimiento y daños. Las causas de fallas en el aislamiento de los arrollados del estator, según las encontradas en la literatura, pueden ser las siguientes: deterioro térmico, problemas de impregnación del aislamiento, pérdidas del bobinado en las ranuras, fallas de capas semiconductivas, sobretensiones repetitivas, contaminación, vibración y espaciamiento entre los terminales del arrollado, mala conexión eléctrica, etc. Algunas de las causas más importantes de las fallas del aislamiento de los arrollados a tomar en cuenta, serán explicadas a continuación: 23 2.2.1. El deterioro térmico en los arrollados En la mayoría de los motores eléctricos el deterioro térmico generalmente se debe a una reacción química de oxidación, generada en el material orgánico del aislante debido a un rompimiento de los enlaces químicos de sus partículas ocasionado por una excesiva excitación térmica. El deterioro térmico en los arrollados de una máquina es una de las causas más comunes por la cual puede ocurrir una falla en su aislamiento, determina su vida útil y por lo tanto el rendimiento de la máquina. Los grandes esfuerzos térmicos que puede sufrir una máquina degradan el material del aislamiento presente en los arrollados, y en la medida que los incrementos de temperatura son mayores la capacidad de aislamiento del material se va reduciendo considerablemente. Por cada incremento de 10 grados Celsius, como temperatura de operación, la vida del aislamiento eléctrico se reduce a la mitad. Por lo tanto es de gran importancia conocer las causas y síntomas de una máquina que ha estado expuesta a esfuerzos térmicos considerables y que presenta un deterioro térmico. Para corroborar la importancia de un buen aislamiento térmico observamos en la figura 2.1 las severas consecuencias en el arrollado de una máquina cuando ésta sufre grandes esfuerzos térmicos. Las causas de un deterioro térmico en los arrollados de un motor pueden estar dadas por [3]: Condición irregular de operación de la máquina. Problemas de diseño o manufacturación del fabricante. Problemas con la señal de la red de alimentación. Mala refrigeración del motor. Influencia de agentes externos contaminantes, entre otros. Los síntomas de un deterioro térmico en los arrollados de un motor pueden estar dados por [3]: Conductores rotos o pelados. Barniz frágil y descolorado (en caso de ser el material aislando usado). 24 Plásticos dilatados (en caso de ser el material aislante usado). Cuando se golpea suavemente el material sonará “hueco”. Incremento en la disipación de calor del arrollado. Incremento de la impedancia en los conductores debido al aumento de la temperatura de operación. Aumento del factor de potencia. Figura 2.1: Estator con arrollado quemado debido a altas temperaturas 2.2.2. Problemas de impregnación del aislamiento de los arrollados La resina o el barniz como aislamiento permiten mantener el arrollado ajustado dentro de la ranura para evitar posibles daños así como de proteger el arrollado de agentes contaminantes y humedad, y tener una adecuada transferencia de calor al núcleo. El aislamiento en los arrollados también permite evitar los espaciamientos de aire dentro de las ranuras manteniendo los arrollados compactados evitando así problemas por pequeñas descargas parciales que se pueden generar a través de dichas bolsas de aire. 25 Algunos de los daños que puede ocasionar una mala impregnación del aislamiento pueden ser [1]: Raspones en los conductores debido a vibraciones del motor. Zonas o puntos con recalentamientos excesivos. Caminos conductivos indeseados a tierra debido a partículas o agentes externos dispuestos en el arrollado. Las causas de una mala impregnación del aislante generalmente están asociadas a las propiedades del material aislante y del hilo del conductor, o simplemente a la mala manipulación de ambos durante su manufactura o mantenimiento. Entre los mecanismo de reparación de daños el reemplazo del arrollado y de su material aislante es la sugerencia más recomendada en la literatura para restaurar la máquina a un buen estado operativo. 2.2.3. Pérdida del bobinado en las ranuras El lote de conductores o el bobinado en las ranuras están expuestos a fuerzas electromagnéticas y mecánicas constantemente, y si no están dispuestos de manera adecuada en los conductores puede ocurrir la pérdida de este bobinado. Cuando el lote de conductores no está suficientemente ajustado en la ranura, empieza a vibrar y tanto su capa semiconductiva como su aislamiento eléctrico empiezan a moverse en dirección radial (hacia el núcleo magnético). Esto puede llevar a severos daños en éstos, ya que como el núcleo está laminado puede raspar y romper inicialmente las capas semiconductivas y luego el sistema de aislamiento. A partir de esto se genera una descarga o una directa falla transitoria a tierra entre el bobinado y el núcleo del estator. Si tomamos en cuenta que existe una mala manipulación de la máquina, la pérdida del bobinado en la ranura se hace mas crítica con presencia de descargas parciales llevando a la llamada “descarga de ranura”. De esta manera si se tiene un bobinado bien ajustado dentro de las ranuras y la máquina opera a plena carga de manera adecuada se puede evitar un daño debido a 26 las fuerzas electromagnéticas y mecánicas. Este tipo de daños se pueden observar en la figura 2.1 donde se presenta un bobinado quemado en la ranura. Sin embargo si ya hay presencia de un daño severo las soluciones más recomendadas son el reemplazo completo del material aislante o el bobinado. 2.2.4. Fallas de capas semiconductivas Como se había mencionado en el caso anterior, cuando el lote conductivo no está bien ajustado dentro de la ranura, las capas semiconductivas sufren vibraciones y oscilan en dirección radial. De esta manera estas capas se alejan y acercan al núcleo del estator y adquieren cierta carga eléctrica debido a la capacitancia en el espacio de aire que existe entre ambos. Por lo tanto existe una gran posibilidad de que se genere una descarga cuando la capa semiconductiva se acerque hacia el núcleo cuando se genera el contacto con este mismo. También existe la posibilidad de que se genere una descarga parcial cuando la capa semiconductiva se aleja del núcleo, si entre estos se genera la carga capacitiva suficiente para llevar a cabo la ruptura en el aire lo cual conllevaría a daños mas severos en el aislamiento del arrollado y la superficie del núcleo. No obstante la mayoría de estos problemas o daños se evitan con un adecuado proceso de manufactura y un buen mantenimiento preventivo. Sin embargo, es importante destacar que se debe tomar en cuenta no solo el estado operativo de la máquina y la red eléctrica de alimentación, sino también el medio en el cual está operando la máquina ya que factores como la presión atmosférica, humedad, contaminación o agentes externos son decisivos en su desempeño. Otras de las causas que ocasionan fallas al aislamiento del arrollado son las sobretensiones repetitivas en el sistema, generando esfuerzos electromagnéticos y térmicos en los conductores, así como en el núcleo estatórico que pueden conllevar a las pérdidas de aislamiento del mismo. 27 2.3. Tipos de falla en el aislamiento del núcleo magnético de los arrollados del estator El estado del aislamiento del núcleo magnético de los arrollados del estator representa uno de los factores más decisivos, ya que permite alcanzar un buen estado operativo de la máquina debido a que muchas de las fallas por pérdidas de aislamiento se generan en dicha zona. Como se sabe el aislamiento eléctrico entre las láminas del núcleo está constituido por baños galvánicos y en algunas antiguas máquinas por barnices que garantizan su seguridad. Sin embargo los factores más comunes por lo cuales se pueden producir fallas del aislamiento del núcleo son [4]: Errores en la manufactura del núcleo Envejecimiento del material aislante Exposición a contaminantes externos Mala operación de la máquina Aumento en la separación de las láminas por vibraciones Exposición a altas temperaturas Las mayores causas de fallas de aislamiento durante la manufactura de los núcleos son las siguientes [4]: Falta de adhesión entre el aislamiento y el acero Las puntas afiladas en las láminas del núcleo pueden producir cortes en el aislamiento y contacto entre los metales Roces durante la instalación del rotor Malos procedimientos en la laminación de los núcleos que pueden ocasionar fallas a tierra entre láminas Los síntomas principales de una máquina con problemas en el núcleo son los siguientes [4]: Altas temperaturas en el núcleo Derretimiento del núcleo en la superficie de los dientes 28 Si las fallas son en las zonas 5 y 7 de las agujas del reloj entonces la causa es por roce del rotor durante la instalación 2.3.1. Exposición del núcleo a altas temperaturas Cuando se excede la temperatura nominal de operación de una máquina durante un tiempo considerable, el núcleo comienza a calentarse más de lo normal debido a que la corriente se eleva en los devanados conllevando a unas altas concentraciones de densidades de flujo, las cuales aceleran considerablemente el proceso de envejecimiento del mismo. A temperaturas excesivas el aislante interlaminar orgánico del núcleo se secará debido a una evaporación de sus componentes molecularmente más ligeros, ocasionando que éste pierda sus propiedades de aislante eléctrico característico. Esto trae como consecuencia que se formen corrientes parásitas circulantes las cuales ocasionarán un incremento mayor aún de temperatura en el núcleo que podría llevar a derretir el núcleo si el proceso no se detecta y se repara a tiempo. Las principales causas de un recalentamiento general y local en el núcleo laminado del estator vienen dadas por problemas de manufactura, refrigeración y operación en la máquina. Los daños se pueden empezar a manifestar en la superficie del núcleo donde los más comunes indicadores de la presencia del problema son la decoloración del material, presencia del metal fundido o dientes rotos. En las figuras 2.3 y 2.4 se observan estos efectos. También podemos encontrar problemas en el núcleo debido a los recalentamientos que este puede sufrir durante un proceso de reparación del bobinado debido a que para retirar el mismo y luego realizar el rebobinado se requiere en algunos casos introducir el núcleo en un horno a altas temperaturas lo cual puede debilitar los aislamientos laminares y lleva como consecuencia a daños más severos cuando la máquina esté operativa. 29 Figura 2.2: Quemaduras entre dientes de un núcleo [1] 2.3.2. Envejecimiento eléctrico del núcleo El envejecimiento eléctrico ocurre en el núcleo del estator de una máquina cuando la tensión que se induce entre láminas o en el aislante interlaminar es capaz de iniciar un calentamiento del mismo. La fuerza electromotriz inducida en el aislante interlaminar puede originarse debido a los esfuerzos electromagnéticos a los que está expuesta la máquina durante su operación, los cuales con el tiempo pueden causar daños más severos en el material aislante. Los esfuerzos electromagnéticos en la máquina ocasionan altas temperaturas en el núcleo que degradan el material aislante interlaminar, permitiendo un mayor paso de corrientes parásitas e incrementando la tensión entre láminas. A mayor tensión encontraremos mayores densidades de campo que ocasionarán puntos o áreas calientes (zonas descoloradas) en la superficie del núcleo que podrían causar el derretimiento del metal laminado. En algunos casos se puede observar cómo el daño de las láminas del núcleo es tan severo que se pierden los espacios o ductos de ventilación y se pueden encontrar dientes rotos. En la figura 2.5 observamos un núcleo de un estator que comienza a manifestar síntomas de incrementos de temperatura altos que descoloran y queman los dientes y la bobina en la ranura. 30 2.3.3. Deterioro mecánico del núcleo La degradación mecánica empieza a generarse debido a una separación entre las láminas que conforman el núcleo del estator lo cual puede producir una mala adecuación de la presión de estas conllevando a una pérdida en la laminación del núcleo, si el problema persiste. La pérdida de la laminación del núcleo consiste en una separación considerable de las láminas, tal como se observa en la figura 2.6, en donde éstas se pueden mover entre sí causando daños mayores tales como raspaduras y conllevando así a un aumento térmico evidenciado en la decoloración o manchas sobre la superficie del núcleo. Esto también ocasionará daños en el aislante interlaminar por raspaduras debido al movimiento de las láminas. Además al separarse las láminas los espacios de aire podrían ocasionar descargas locales que degradarán el material aislante. La causa principal de la degradación mecánica del núcleo o la pérdida de su laminación se debe a problemas en su manufactura, y comienza a evidenciarse durante la operación de la máquina, ya que en ese estado la chapa estatórica estará expuesta a vibraciones. Muchos de los defectos que se puedan presentar durante la manufactura de un núcleo del estator de una máquina pueden detectarse a través de un adecuado proceso de control de calidad o pruebas tales como las pruebas de aislamiento del núcleo las cuales se presentarán en el capítulo a continuación. Figura 2.3: Separación de las láminas de un núcleo [5] CAPÍTULO 3 PROCEDIMIENTO DE MEDICIÓN DEL AISLAMIENTO ENTRE CHAPAS INTERLAMINARES DEL NÚCLEO ESTATÓRICO 3.1. Generalidades Como ya se ha mencionado, las máquinas deben evitar una separación interlaminar considerable, que puedan llevar como consecuencia a pérdidas del aislamiento en el mismo y aumento de la temperatura. Las consecuencias de una pérdida de aislamiento interlaminar en los dientes del núcleo pueden generar la presencia de los llamados “puntos calientes”, o en peores casos, “área calientes”, causando un incremento en la corriente de falla, y por lo tanto mayores pérdidas de potencia en el núcleo. Estas pérdidas de potencia en el núcleo pueden ocasionar fallas permanentes generando severos daños y costos en la máquina. Por lo tanto es de suma importancia concentrarse en seleccionar un procedimiento de prueba que conduzca a una medición que permita concluir sobre la evaluación del material aislante y el futuro del núcleo. De esta manera se puede decir que un método eficiente para la prueba de falla de núcleo debe cumplir con los siguientes requisitos [4-6]: Confiabilidad en la detección de falla: incluyendo sensibilidad ante pequeñas fallas o fallas en zonas profundas en el núcleo, y además la capacidad de poder eliminar falsas hipótesis de fallas. Rápida inspección: facilidad y preparación de la prueba, permitiendo una fácil interpretación de ella. 32 Manejo y ejecución segura de la prueba: a continuación se explicarán las pruebas del aislamiento de núcleo desarrolladas para la detección de fallas: 3.2. Método de inspección visual Las primeras pruebas para verificar el aislamiento del núcleo son realizadas a través de una inspección visual detallada de las separaciones interlaminares, con las que se puede predecir o determinar el estado del aislamiento del mismo. En [4,5] se pueden observar las posibles evidencias visuales de un núcleo dañado. Entre estas se señalan las siguientes: Evidencia de raspones o golpes en la superficie del núcleo. Perforaciones quemadas en superficies huecas del diente del núcleo. Calentamiento de perforaciones adyacentes del diente del núcleo. Separadores de conductos de ventilación flojos o rotos Soltura principal del núcleo. Calentamiento de los terminales de las placas del núcleo. Laminaciones flojas o rotas en las abrazaderas de sujeción del núcleo. Decoloraciones en la superficie de los dientes. Se debe realizar una revisión detallada y cercana a lo largo y ancho de cada diente del núcleo tomando en cuenta los puntos típicos donde puedan existir mayores esfuerzos electromagnéticos y térmicos. Es importante tener en cuenta todos los síntomas discutidos en el capítulo anterior ya que esto facilitará este método. Un calentamiento de los terminales de las placas del núcleo así como la existencia de raspones en la superficie de los dientes presentará una decoloración en ella, como síntoma típico para esta falla. Asimismo cuando se tienen rotos o flojos los separadores de los conductos de ventilación se pueden observar pequeñas láminas de los dientes rotas y algunas con signos de derretimiento en las puntas. De igual manera es importante detectar rápidamente si existe la presencia de algún contaminante o cualquier agente externo, ya que éstos podrían ser la primera 33 causa de un deterioro en una zona específica del diente que permitiría conocer rápidamente la severidad y ubicación de la falla. Una vez realizada la inspección visual en busca de evidencias de daños se deben establecer las acciones correctivas necesarias según sea el caso. Sin embargo, si el daño persiste se debe recurrir a otras pruebas de aislamiento que permitan arrojar resultados de daños con mayor detalle, que brinden soluciones más efectivas para despejar la falla presente en el núcleo. Otro tipo de pruebas de aislamiento de núcleo que se puede realizar de manera inmediata y con mayor facilidad a dicha prueba es la llamada “prueba del cuchillo”. 3.3. Método del cuchillo El método o prueba del cuchillo permite realizar una inspección de las separaciones interlaminares del núcleo durante su vida útil, y consiste en intentar hacer penetrar un objeto filoso entre las láminas adyacentes del núcleo. Cuando un objeto filoso como un cuchillo es capaz de penetrar entre las láminas adyacentes del núcleo se puede considerar que se tiene un núcleo mal diseñado o mal construido. De esta manera cuando este caso se hace más severo se considera que existe una pérdida en las secciones del mismo. El cuchillo a utilizar no debe tener un filo cuyo ancho sea mayor de 0,25 mm, y si el cuchillo penetra entre las láminas del núcleo por más de 5 mm entonces se presenta una pérdida del núcleo y se debe proceder a reparar [1]. En la figura 3.1 se observa cómo se realiza la inserción del cuchillo entre dos láminas del núcleo. 34 Figura 3.1: Prueba del cuchillo puesta en práctica [1] Es importante destacar que cuando se tiene un núcleo con un segmento de gran longitud se debe prestar atención a zonas que presenten algún depósito de polvo acumulado ya que estos podrían ser indicadores de una posible separación excesiva entre láminas adyacentes en el núcleo. Se puede apreciar que esta prueba tiene la ventaja de poderse verificar rápidamente, además de una rápida ejecución. Sin embargo, no permite suministrar una información detallada del estado del aislamiento del núcleo. Para la reparación del núcleo, éste debe ser extraído de la máquina, y como es de esperar sus arrollados deben retirarse. Sin embargo, esto se puede evitar en grandes máquinas donde se usan barras de Roebel, ya que como se explicó anteriormente sus barras son removibles en la curvatura del arrollado. El procedimiento de reparación es a través de la inserción de pequeñas láminas de vidrio entre las láminas del núcleo que se moldean a la forma del mismo. El criterio de selección de las láminas de vidrio dependerá de la severidad del espaciamiento interlaminar generado. 3.4. Prueba de lazo al núcleo del estator Es el método más comúnmente usado para la determinación de la integridad del aislamiento de cualquier tipo de núcleo laminado para las máquinas AC. 35 Consiste en hacer circular un flujo magnético por el núcleo del estator mediante el uso de una bobina arrollada en el núcleo, logrando así una “alimentación longitudinal”, o también llamada axial. Esto debido a las direcciones del campo. Durante la alimentación constante del núcleo se desea alcanzar altas concentraciones de densidades de campo que permitan verificar el estado del aislamiento interlaminar del mismo. De esta manera se tomarán mediciones de temperatura en diferentes puntos y zonas de la superficie de cada uno de los dientes del núcleo mediante el uso de una termocupla o sensores infrarrojos de temperatura. En la figura 3.2 se observa el montaje del circuito de alimentación y medición utilizado en la chapa estatórica para poder realizar la prueba de manera adecuada. Figura 3.2: Montaje de la Prueba a flujo nominal [1] 3.4.1. Bobina de excitación En la figura 3.2 se puede observar cómo el circuito de alimentación está conformado por la llamada “bobina de excitación” arrollada sobre el núcleo del estator, alimentada por una fuente “Vf”. La corriente circulante por esta bobina inducirá un flujo magnético en el núcleo que circulará en el sentido longitudinal que se muestra en la figura (a lo largo de la periferia del núcleo), ocasionando altas densidades de campo que permitirán alcanzar un incremento de temperaturas sobre los dientes del núcleo para el análisis térmico. 36 Las especificaciones del diseño de la bobina de excitación constan del número de vueltas y el calibre del conductor a usar. Esto variará según la capacidad de la máquina y sus determinados puntos de operación. Para máquinas muy grandes se debe considerar un mayor número de vueltas, con el fin de regular la corriente de alimentación y evitar daños en el arrollado. Es importante destacar que se deben tener los conductores del arrollado de excitación completamente aislados ya que estos podrían hacer cortocircuito con la carcasa metálica de la máquina y causar un daño mayor en el aislamiento del núcleo. 3.4.2. Bobina exploratoria De igual manera se puede observar en la figura 3.2 que existe una segunda bobina arrollada en el núcleo, llamada “bobina o arrollado exploratorio” la cual permite verificar la fuerza electromotriz inducida (“Vm”) debido al flujo magnético circulante. La bobina exploratoria permite tener una mayor precisión en la medida de la magnitud y fase de la tensión asociada al flujo circulante y permite establecer una referencia con el fin de analizar los puntos para los cuales el núcleo está siendo excitado. En cuanto a las especificaciones del diseño de la bobina exploratoria se puede tomar como punto de partida 1 o 2 vueltas alrededor del núcleo del estator para máquinas comerciales. Los conductores de esta bobina deben estar bien aislados para evitar problemas con la señal de las medidas tomadas puesto que se podrían generar distorsiones o ruidos indeseados. 3.4.3. Circuito de excitación La tensión de alimentación debe ser suficiente para inducir una diferencia de potencial entre láminas del núcleo. Una tensión de excitación adecuada para la efectividad de esta prueba, según [4,5], es la correspondiente a un 105% de la tensión nominal suficiente como para inducir un flujo, a frecuencia nominal, cuyas densidades de flujo logren la inducción de una fuerza electromotriz interlaminar. 37 Si durante la excitación del núcleo se encuentran puntos más calientes, o diferenciales de temperatura, se debe presumiblemente a un área defectuosa. Éstos degradan el material y son producidos por corrientes inducidas en el aislamiento. En núcleos más grandes puede tomar más de 30 minutos para observar áreas o puntos calientes con una tensión de alimentación constante, ya que las superficies sanas del núcleo actúan como un gran disipador de calor. Por esto es importante realizar los cálculos precisos para alcanzar un punto de operación adecuado en la máquina para obtener la tensión de excitación que permita encontrar estos puntos con fallas de manera eficiente y en menor cantidad de tiempo posible. En algunos casos es conveniente usar una computadora que calcule el flujo necesario en el núcleo, el número de vueltas del arrollado de excitación y el tamaño del núcleo del estator según las ecuaciones que se consideran a continuación: 3.4.4. Diseño de la bobina de excitación y exploratoria 1. Para este tipo de prueba se puede comenzar diseñando la bobina de excitación utilizando la tabla de selección de las Amper-vueltas ubicada en [3, 4], según las características de la máquina. Esta tabla funciona como una guía para el diseño de los arrollados de excitación requeridos para inducir un flujo adecuado en el núcleo de la máquina. 2. El número de vueltas Nbe (para el arrollado o bobina exploratoria) se puede hallar a través de la siguiente expresión [6]: (3.1) El número de vueltas se despejará de la ecuación según una tensión por vuelta Vbe/v disponible para la prueba. La tensión por vuelta en el arrollado exploratorio estará determinada según la fuerza electromotriz inducida en el mismo. 3. El valor de la fuente de alimentación para obtener un flujo nominal se determina utilizando la siguiente expresión [1]: (3.2) De la ecuación 3.2 podemos despejar el valor Nexc. 38 4. Para estimar la corriente de la fuente de excitación se debe calcular la densidad de campo correspondiente a la máquina. De esta manera se tiene la siguiente ecuación: (3.3) Para hallar el área o sección del núcleo por donde circulará el flujo se usa la ecuación (3.4). ( ) (3.4) Las dimensiones del núcleo se muestran en la figura 3.3. Figura 3.3: Dimensiones del núcleo de un estator [1] 5. Para hallar el valor de H se debe revisar la curva característica B vs. H, según el tipo de núcleo de acero en el estator. En esta curva se busca el valor de H para un valor B calculado según la ecuación (3.3). La ecuación correspondiente a la curva B vs. H, está dada por: (3.5) 6. Luego la corriente de la fuente de excitación será la siguiente: (3.6) Para hallar la longitud de la corona por donde circulará el flujo se usa la ecuación (3.7). ( ) (3.7) 39 La selección del cable de la bobina de excitación se halla mediante la tabla de calibre de conductores registrada en el Código Eléctrico Nacional. 3.4.5. Criterios técnicos para la prueba Por errores posibles asociados a cálculos o a la lectura en la curva B vs. H, siempre es importante colocar un extra de número de vueltas en el arrollado de excitación para evitar daños por las altas corrientes circulantes en este. Para buenos resultados el nivel de excitación debe inducir al menos un 75% del flujo nominal del núcleo del estator. Se deben colocar termocuplas o RTD los cuales serán monitoreados en todo momento durante la prueba. También se pueden usar cámaras termográficas para detectar el lugar de la falla ante posibles puntos calientes, así como medir temperaturas actuales del núcleo. Esta prueba tiene la ventaja que puede evaluar la severidad del daño, detectar daños ocultos, y dar mayor información para indicar si la máquina califica para ser reutilizada, reciclada o fundida con respecto a los métodos de inspección vistos. Sin embargo dicha prueba tiene como desventaja que se debe desarmar la máquina y desmontar el rotor para poder ejecutarla. Además si no se tiene un control estricto con un medidor en los incrementos de temperatura puede empeorar el problema presente en el aislamiento. 3.5. Prueba de pérdidas de potencia activa Otra prueba desarrollada fue la de potencia activa, la cual se efectúa bajo el mismo principio de excitación que la prueba de flujo nominal explicada anteriormente. Sin embargo, en este caso las mediciones no se realizan para la temperatura del núcleo sino para la potencia en [W] absorbida por el mismo. La potencia se mide a través de un vatímetro conectado en los bornes de la bobina de excitación del núcleo, el cual va registrando los incrementos de potencia que hay en la línea de excitación midiendo la corriente de excitación y la tensión de la fuente de alimentación. 40 A mayor incremento en la corriente de excitación mayor será el incremento de la lectura del vatímetro. Por lo tanto una lectura alta en la potencia refleja que existe un deterioro en el aislamiento interlaminar del núcleo ya que se requiere de mayor corriente de excitación para alcanzar el flujo nominal. De esta manera se puede apreciar un incremento en las pérdidas de la chapa estatórica. Cuando el vatímetro refleja un incremento excesivo en la potencia se puede considerar que existe una pérdida gradual del aislamiento interlaminar por lo cual se deben hacer las reparaciones de manera inmediata. A continuación la figura 3.4 muestra el montaje de la prueba descrita Figura 3.4: Montaje de la prueba de pérdidas de núcleo [1] 3.5.1. Criterios técnicos de la prueba Los criterios a tomar en cuenta para determinar si existen problemas en el aislamiento interlaminar del núcleo varían según la capacidad y el peso del núcleo de estas. De esta manera las consideraciones técnicas encontradas son presentadas a continuación: Para motores o generadores pequeños o medianos [1]: Las pérdidas del núcleo no deben exceder los 10 W/kg. El aumento de las pérdidas del núcleo con respecto a una prueba anterior no debe exceder el 5%. 41 Para motores y/o generadores grandes [1]: Las pérdidas del núcleo no deben exceder los 6 W/Kg. Si se tiene un incremento de un 5% en las pérdidas con respecto a una prueba anterior, debe investigarse y eliminarse. Este método tiene la desventaja de que requiere de una alta magnitud de corriente en el arrollado de excitación para inducir un flujo nominal en el núcleo del estator y verificar su aislamiento. Esto condiciona la seguridad del equipo por lo cual en este experimento se deberá tener un monitoreo de la temperatura del núcleo. Además esta prueba puede tomar mucho tiempo para alcanzar diversos puntos de interés ya que al estar expuesto a altas corrientes y densidades de flujo, las temperaturas se elevan considerablemente, alcanzando tiempo de enfriamiento y calentamiento bastante largos. Por esto se estableció la necesidad de aplicar un método mediante el cual se pudiera probar el núcleo del estator a bajo flujo y lograr así tener equipos más sensibles que garantizarán la seguridad de la máquina de inducción. 3.6. Prueba EL-CID (Electromagnetic Core Imperfection Detector) a bajo flujo Esta es una de las pruebas de núcleo que se realizan a bajo flujo la cual es capaz de identificar fallas de aislamiento en la chapa estatórica con mayor precisión en la magnitud y fase de la onda de la corriente de falla, así como en las variaciones de temperaturas en el núcleo. El mecanismo a usar para la detección de una pérdida de aislamiento es a través de un dispositivo electrónico detector de imperfecciones llamado “EL-CID”. La prueba se realiza alimentando el núcleo del estator con una excitación de baja magnitud generando un pequeño flujo magnético circulante el cual será suficiente para poder determinar el estado del aislamiento de cada diente de la chapa mediante una técnica electromagnética aplicada por un sensor de EL-CID que permitirá concentrar la corriente en zonas donde el aislamiento del núcleo presente fallas o envejecimiento, sin importar si circula un flujo equivalente a un porcentaje muy pequeño del nominal. 42 El montaje de la prueba es mostrado en la figura 3.5 Figura 3.5: Montaje de la prueba EL-CID [1] 3.6.1. Circuito de Excitación Su gran ventaja es que solo requiere de una inducción de un 3 o 4% del flujo nominal, la cual representa una mucho menor capacidad en la fuente del arrollado de excitación si lo comparamos a las otras pruebas de flujo nominal. Además para lograr este porcentaje del flujo se puede usar una fuente de 120V o 220V de uso común en cualquier tipo de instalación eléctrica. En cuanto a la modelación de los detalles técnicos del arrollado de excitación se desarrollará el cálculo del número de vueltas, tensión de la fuente, corriente de excitación y selección del conductor bajo los mismos criterios o cálculos usados en la Prueba de flujo nominal. 3.6.2. Procedimiento de medición La fuente de medición usada es la herramienta conocida como “El gusano de Maxwell” o la “Bobina de Chattock” que consiste en un doble filamento arrollado en forma de U la cual se coloca sobre el área del núcleo que se desee revisar. Esta bobina se coloca sobre dos dientes del núcleo generando un puente entre ambos debido a la forma de su curvatura. De esta manera se puede obtener una expresión de la señal de la tensión (a través del fenómeno electromagnético de 43 inducción) debido a las corrientes parásitas o de falla presentes en el aislamiento de los dientes del núcleo evidenciadas por el flujo circulante. 3.6.3. Procesador de Señales La medida de la “Bobina de Chattock” no puede ser usada directamente como indicador de la calidad de aislamiento en el núcleo, ya que esta contiene otra componente de la fuerza electromotriz inducida por el campo magnético circulante del arrollado de excitación. De esta manera la tensión inducida en la bobina es una diferencia de potencial principalmente por la corriente de falla entre los dientes del núcleo del estator (Ifalla). Sin embargo estas corrientes tienen un desfasaje de 90 grados y se puede usar un procesador de señales que logre reducir la componente de la tensión debido a la Icampo con el fin de obtener un resultado preciso de la Ifalla y analizar el daño del aislamiento del núcleo. El procesador de señales utiliza una “Bobina exploratoria de referencia de fase” la cual, a través de una unidad de calibración, va registrando la tensión debido al campo circulante por la corriente de excitación (Icampo). De esta manera cuando dicha tensión sea nula se podrá tener una lectura adecuada de la medición por la bobina de Chattock ya que la única componente medida será la generada por la corriente de falla (Ifalla). De esta manera la unidad de procesamiento de señales brinda una salida de corriente en el orden de los miliamperios. Luego, si existe una falla de aislamiento se reflejará en un incremento de la lectura de esta corriente en miliamperios. El equipo completo especifica que por cada 5 V/m de tensión inducida la corriente de salida será de 100 mA [1], incremento suficiente para determinar que existe una falla en el aislamiento del núcleo. 3.6.4. Ventajas de la prueba Una ventaja de este método es que el equipo se puede dejar conectado solo y es fácil de re-energizar ya que no existe un calentamiento excesivo en el 44 núcleo del estator a diferencia de la prueba de flujo nominal cuyos rangos de valores son mucho mayores que los miliamperios de EL-CID. Además la “Bobina de Chattock” permite tener una mayor sensibilidad ante fluctuaciones de flujo empleando un arrollado de compensación de esta señal que mejora la resolución de la tensión medida obteniendo mayor precisión en los resultados. En los últimos años esta prueba se ha logrado realizar en grandes turbogeneradores sin necesidad de remover el rotor de los mismos con el desarrollo en técnicas robóticas. Como se pudo observar en el montaje de la prueba se pueden usar carretillas o brazos mecánicos controlados a través de un computadora con una interfaz de control remoto incorporada que permiten mover la bobina de Chattock a lo largo del núcleo de manera precisa y segura. 3.6.5. Desventajas de la prueba Este método presenta problemas con las fluctuaciones de la señal, entre las secciones del núcleo ya que su campo magnético puede ser inusual en dichas zonas por el “air gap” presente. Otros problemas de fluctuaciones en la señal vienen dados debido a que EL-CID es muy sensible al ruido o señales indeseadas, y puede presentar lecturas falsas lo cual le reduce la confiabilidad al dispositivo. Esta prueba toma mayor tiempo en alcanzar los puntos de calentamiento y enfriamiento deseados que la prueba de flujo nominal debido a su baja corriente de excitación. Es importante destacar que a pesar de las ventajas de este dispositivo ELCID requiere de cierta habilidad y experiencia del operador del mismo para hacer uso correcto de sus medidas. 45 3.7. Prueba de variación de flujo mediante el uso de dos electroimanes Una manera de remplazar la prueba de EL-CID manteniendo un nivel bajo de densidad de flujo es a través de la “Prueba de variación de flujo”. Esta es una prueba que consiste en excitar cada diente del núcleo del estator a bajo flujo a través del uso de dos electroimanes o núcleos pequeños. Cada electroimán se colocará sobre la superficie del diente para analizar el estado de su aislamiento interlaminar. De esta manera se busca obtener una comparación entre los flujos magnéticos circulantes en dichos dientes para verificar alguna variación entre estos. Cada electroimán está dispuesto como un puente entre los dientes del núcleo del estator logrando cerrar un lazo o camino magnético en el cual se concentran las mayores densidades de flujo de la chapa estatórica. De esta manera cada electroimán dispuesto en el núcleo permite tener la lectura en magnitud y fase de la corriente generada por el flujo magnético circulante en cada diente. La figura 3.6 presenta el montaje de la prueba con los dos electroimanes. Figura 3.6: Montaje Prueba de variación de flujo mediante dos electroimanes [1] 3.7.1. Circuito de Excitación En el montaje podemos observar cómo se colocan los dos núcleos pequeños sobre los dientes de la chapa estatórica donde cada uno de estos contiene una bobina 46 enrollada la cual está siendo alimentada con una corriente de excitación proveniente de la fuente de alimentación. Estas bobinas pequeñas inducen un flujo magnético entre los núcleos pequeños y los dientes de la chapa sobre la cual están dispuestos. De esta manera se forma un circuito magnético que inducirá fuerzas electromotrices interlaminares en la chapa estatórica debido a la alta densidad de flujo concentrada en dicho circuito. De esta manera se verificará el aislamiento interlaminar. Figura 3.7: Dimensiones del núcleo de los electroimanes Como se mencionó anteriormente estos núcleos pequeños generan caminos magnéticos cerrados con los dientes de la chapa estatórica que se quieren probar. Por lo tanto para probar un diente cualquiera de la chapa se debe tener uno de los núcleos pequeños colocado sobre un diente sano el cual sirva como referencia para verificar el estado de los demás. A este núcleo se le llamará “núcleo o electroimán de referencia”. El otro núcleo pequeño es usado para ir probando cada uno de los dientes restantes en la chapa por lo cual se le llamará “núcleo o electroimán deslizante”. A continuación mostraremos la disposición que tienen los núcleos pequeños sobre los dientes de la chapa: 47 Figura 3.8: Disposición de un electroimán y recorrido que tendrán los flujos generados por él, bajo la prueba de variación de flujo. Podemos observar en la figura 3.8 como se comprueba lo mencionado donde el núcleo pequeño de color gris claro induce un camino conductivo de baja reluctancia generando una alta concentración de flujo magnético en el diente de prueba. De igual manera se observa cómo a partir e la corriente de excitación (If) circulante en la bobina del núcleo color gris oscuro se inducen las direcciones de flujo magnético descritas en el lazo magnético. 3.7.2. Procedimiento de medición Como se puede observar en la figura 3.6, con el osciloscopio podemos medir tanto magnitud como fase de la corriente que circula por cada bobina de los electroimanes. Además permite superponer en un mismo plano la forma de onda de la corriente del núcleo de referencia junto con la del núcleo deslizante permitiendo tener una mejor comparación entre el estado del aislamiento de un diente cualquiera con respecto al de un diente sano. La lectura de las señales de la corriente será posible mediante el uso de las puntas diferenciales de corriente del osciloscopio las cuales estarán registradas separadamente en cada canal. De esta manera si se consigue una variación de magnitud y fase de la corriente medida en un diente o una deformación en los valores de la corriente con respecto al diente sano de referencia, esto se podrá considerar que este diente presenta una 48 falla del aislamiento interlaminar. Luego entre mayor sea esta variación en el comportamiento de la corriente del diente a prueba, mas severa será la falla interlaminar presente en el mismo. 3.7.3. Ventajas de la prueba El núcleo magnético pequeño está arrollado de 300 vueltas de cable fino logrando así un nivel de excitación bajo semejante a los alcanzados con la prueba de EL-CID (se consigue un manejo y ejecución segura de la prueba). La magnitud de la respuesta de la tensión y corriente de falla de los dientes del núcleo presentan magnitudes altas debido a las altas concentraciones de densidades de campo en el núcleo del estator y el núcleo pequeño de prueba, para alcanzar así disminuir el efecto de distorsión de la señal o fluctuaciones de la misma por interferencia de señales de radio u otras de baja magnitud como ocurría en la prueba de EL-CID. 3.7.4. Desventajas del método La única desventaja de este método es que para establecer el núcleo de referencia se debe conocer previamente un diente del núcleo que esté sano, de esta manera se podrá comparar con otros dientes y determinar si estos tienen una condición de núcleo sano o dañado. 3.8. Prueba de variación de flujo mediante el uso de un electroimán de prueba Esta es otra aplicación de la prueba de variación de flujo la cual consiste de igual manera en excitar el núcleo estatórico a bajo flujo con el fin de analizar el aislamiento interlaminar de ésta. La excitación de la chapa es realizada a través de un arrollado de excitación envuelto en la chapa estatórica para inducir un flujo circulante en dirección axial, tal como se ha visto en pruebas anteriores. Al igual que el experimento anterior se usará un electroimán pequeño el cual se colocará sobre los dientes que se deseen probar de la chapa generando un camino 49 magnético cerrado en cada uno de estos. Como se ha visto este lazo magnético produce altas densidades de flujo en el diente que permite verificar el aislamiento interlaminar presente. Sin embargo es importante destacar que en este caso el núcleo pequeño o electroimán usado no estará excitado a partir de su bobina por una fuente, sino que en este caso este mismo será el mecanismo de medición de la fuerza electromotriz inducida debido al comportamiento del flujo circulante. Por esto llamaremos a dicho núcleo pequeño como “núcleo o electroimán de prueba”. A continuación mostraremos el montaje de la prueba: Figura 3.9: Montaje de prueba de variación de flujo con el uso de un electroimán de prueba 3.8.1. Procedimiento de medición Como se ha mencionado, el núcleo de prueba está arrollado por una bobina de prueba en la cual se induce una fuerza electromotriz que llamaremos “voltaje de prueba”. Esta tensión se induce debido al flujo circulante en el diente y reflejara el estado de su aislamiento de manera detallada. La figura 3.10 a continuación muestra la disposición del núcleo de prueba: 50 Figura 3.10: Circuito magnético cerrado entre diente de la chapa estatórica y núcleo de prueba Es importante destacar que en la medida de que la corriente de falla (I f) incremente también se va incrementando la magnitud y el ángulo de fase de la tensión Vprueba medida. Para esta prueba se requiere de un monitoreo en tiempo real de la magnitud y fase de la tensión de (Vprueba) medida para determinar que existe una falla interlaminar de aislamiento. A continuación se muestran las ecuaciones mediante las cuales es posible hacer esto [7]: √ ∫ √ ∫ ( ) ) ( ) (3.8) (3.9) ( ) ( ∫ ( ) (3.10) ( ) (3.11) De esta manera a partir de las mediciones instantáneas de la tensión V prueba podemos hallar el valor real promedio de éste según como indica la ecuación (3.8). 51 Asimismo se pueden obtener las medidas instantáneas de la corriente de excitación para obtener así su valor real promedio mostrado en la ecuación (3.9). En la ecuación (3.11) podemos observar cómo obteniendo un registro simultáneo de los valores instantáneos del “voltaje de prueba” y la corriente de excitación en su tiempo determinado, y a través de sus valores reales promedios, podemos obtener el valor de la potencia debido a estos. También se puede obtener mediante el cálculo el valor del ángulo de fase de la impedancia formada por un Vprueba y una Iexc mediante el uso de la ecuación (3.10). Estos cálculos permitirán obtener un registro de datos con los que se podrá realizar la construcción de los fasores asociados a los valores de excitación, falla y prueba. 3.8.2. Criterios técnicos para la prueba La disposición del diagrama fasorial cambiará dependiendo de la localidad del punto de falla de los dientes del núcleo del estator. De esta manera si se presenta una falla en la parte superior del diente del núcleo se generará un flujo de falla en dirección opuesta al del flujo circulante si la falla fuera en la parte inferior del diente. Figura 3.11: Dirección de los flujos magnéticos con respecto a fallas típicas ubicadas en el diente de una chapa estatórica. Fallas en prte inferior y superior, respectivamente. [8] 52 También se puede observar en la figura 3.11 que en la medida de que la falla es mas superficial en el diente la resistencia de falla que verá I f en el núcleo será mayor. Se puede concluir en esta prueba que a través del monitoreo del ángulo y magnitud de la tensión medida, y con el análisis del diagrama fasorial, se puede determinar una aproximación de la existencia, posición y severidad de la falla, la cual es una característica que permite realizar maniobras de reparación por parte del operador de mantenimiento. La señal de la tensión medida para un núcleo sano debe ser constante, sin embargo presenta curvas de pequeñas intensidades por pequeños intervalos de tiempo, las cuales representan los pequeños espacios de ventilación colocados entre las láminas del núcleo para la refrigeración de la máquina (Bloques de espacio interno (ISSB), o Interlocking Stabilized Soil Block por sus siglas en inglés). Cuando el flujo de campo pasa por estos ISSB se reduce, generando una reducción en el V en ese intervalo ocasionando las pequeñas curvas en la señal de tensión. Estas pequeñas curvas en la señal de tensión tienen la ventaja de mostrar la posición axial de las fallas dentro del paquete laminado. Asimismo el ángulo de fase de los dientes para las diferentes localidades de falla permanece constante ya que este no depende de la magnitud del flujo. Según [7] las localizaciones típicas de las fallas en los dientes se muestran en la figura 3.12 a continuación para los dientes A, B, C y D. Figura 3.12: Ubicaciones típicas de las fallas en los dientes del núcleo 53 De igual manera de [7] se pueden observar los resultados obtenidos a través de la medición del “voltaje de prueba”, y el cálculo realizado a partir de las ecuaciones (3.8), (3.9), (3.10) y (3.11) para las diferentes condiciones y localidades de falla: Figura 3.13: Gráficas típicas de fallas en: esquina, debajo de la cuña de la ranura y fondo del diente, respectivamente En las curvas de las figuras 3.13 se observa que a medida que la onda de tensión presenta curvaturas de mayor intensidad en su señal es porque la corriente de falla es más severa, de esta manera se podrá tener un resultado que indique dónde está ubicada la falla. El ángulo de fase de los dientes A y D para las diferentes localidades de falla permanece constante ya que este no depende de la magnitud de flujo. Es importante destacar que a medida que la onda de tensión presenta curvaturas de mayor intensidad en su señal es porque la corriente de falla es mas severa, de esta manera se podrá tener un resultado que indique donde está ubicada la falla. En las gráficas mostradas arriba se puede observar que las mayores magnitudes de tensión se presentan en el diente de la ranura B, lo cual concuerda con el fenómeno experimenta ya que en ese diente es en donde está ocurriendo la falla. 3.8.3. Ventajas del método Para los métodos que requieren que la prueba sea escaneada en la superficie de los dientes del núcleo, es muy difícil mantener un gap constante entre el mecanismo de prueba y el núcleo del estator, lo cual hace el escaneo muy difícil con alto contenido 54 de ruido en las señales en la bobina de Chattock. En este método descrito la prueba puede ser escaneada de la misma manera, pero directamente en la región de hierro seccionado, lo cual presenta otra ventaja del método que permite que el tiempo de escaneo se reduzca y sin problemas de interpretación de la señal ya que no se presentan significativas distorsiones por señales de ruido. Las ventajas más destacadas de este método son entonces [7]: El circuito de magnetización no requiere de altas magnitudes en la corriente de excitación, usando una simple construcción de un arrollado alrededor de la chapa estatórica. El instrumento de medición es sencillo ya que solo requiere del registro de la tensión en bornes de la bobina de prueba. La medida de esta tensión de prueba es capaz de brindar información detallada de todas las posibles ubicaciones de fallas interlaminares en los dientes. Las medidas del estado del aislamiento interlaminar pueden realizarse para grandes turbomáquinas sin la necesidad de remover el rotor de la máquina. 3.8.4. Desventajas del método Esta prueba de núcleo no presenta las desventajas que presenta el experimento anterior en donde era requerido un electroimán adicional de referencia sobre el núcleo de la máquina para detectar si a partir de alguna variación en la señal existe un diente con falla. Esto es debido a que en este caso la medición es directamente con las fuerzas electromotrices inducidas en bornes de un solo electroimán debido al campo axial circulante en el núcleo de la máquina. Sin embargo en este caso se requiere de un proceso de cálculo y construcción del diagrama fasorial en donde se tenga detallado las componentes del “voltaje de prueba” debido al campo de excitación axial y debido a las corrientes de falla para poder determinar la ubicación, severidad y tipo de falla en el diente a examinar. CAPÍTULO 4 PROTOCOLOS DE PRUEBA A modo de resumen o simplificación de los pasos para evaluar un núcleo estatórico, se proponen los siguientes pasos: 1. INSPECCION VISUAL Búsqueda de evidencias visuales de daño a lo largo y ancho de un cada diente de un núcleo estatórico, tomando en cuenta los puntos típicos donde puedan existir mayores esfuerzos electromagnéticos y térmicos: Raspones o golpes en la superficie del núcleo. Decoloraciones en la superficie de los dientes. Perforaciones quemadas en superficies huecas del diente del núcleo. Calentamiento de perforaciones adyacentes del diente del núcleo. Separadores de conductos de ventilación flojos o rotos. Pequeñas láminas rotas de los dientes y algunas con signos de derretimiento en las puntas. Soltura principal del núcleo. Calentamiento de los terminales de las placas del núcleo. Laminaciones flojas o rotas en las abrazaderas de sujeción del núcleo. Detección rápida de la presencia de algún contaminante o agente externo. 2. PRUEBA DEL CUCHILLO - Cuchillo de ancho no mayor a 0.25mm - En caso de penetrar más de 5mm entre las láminas del núcleo, se considera mal diseño o construcción del núcleo. 56 - Buscar zonas que presenten depósitos de polvo acumulado, indicadoras de una posible separación excesiva entre láminas adyacentes en el núcleo. - Reparación del núcleo: éste debe ser extraído de la máquina y retirado su arrollado. Esto se puede evitar en grandes máquinas donde se usan barras de Roebel, ya que como se explicó anteriormente sus barras son removibles. - Procedimiento de Reparación: inserción de pequeñas láminas de vidrio entre láminas del núcleo, que se moldean a la forma del mismo. El criterio de selección de las láminas de vidrio dependerá de la severidad del espaciamiento interlaminar generado. 3. PRUEBAS DE ALTO FLUJO MAGNÉTICO 3.1. PRUEBA DE LAZO O FLUJO NOMINAL - Para el montaje del circuito, referirse a la figura 3.2 - Bobina de excitación consta del número de vueltas y el calibre del conductor a usar, usando las fórmulas antes descritas. Variará según la capacidad de la máquina y sus determinados puntos de operación. Para máquinas muy grandes se debe considerar un mayor número de vueltas, a fin de regular la corriente de alimentación y evitar daños en el arrollado. - Los conductores del arrollado de excitación deben estar completamente aislados. - Bobina exploratoria: permite verificar la fuerza electromotriz inducida (“Vm”) debido al flujo magnético circulante. Sus conductores deben estar bien aislados para evitar problemas con la señal de las medidas tomadas y así evitar distorsiones o ruidos indeseados. - Tensión de excitación correspondiente a un 105% de la tensión nominal. - Nivel de excitación debe inducir al menos un 75% del flujo nominal del núcleo estatórico. - Instrumentos a utilizar: Pinzas Amperimétrica y Voltímetrica, Teslámetro, Conductor del cable acorde a la corriente de las bobinas de excitación y exploratorias, Termómetro Infrarrojo, Estator, Cámara Termográfica, Variac. 57 - Núcleos grandes puede tomar más de 30 minutos observar áreas o puntos calientes, ya que las superficies sanas del núcleo actúan como un gran disipador de calor. - Colocar extra de número de vueltas en el arrollado de excitación para prevenir posibles errores asociados a cálculos o a la lectura en la curva B vs. H. Para buenos resultados el nivel de excitación debe inducir al menos un 75% del flujo nominal del núcleo del estator. Termocuplas, RTD o cámaras termográficas para el monitoreo de la prueba y su posterior análisis, en busca de puntos o área calientes. 3.2 PRUEBA DE POTENCIA ACTIVA Para el montaje del circuito, referirse a la figura 3.4 Mismo principio de excitación que la prueba de flujo nominal. Las mediciones no se realizan para la temperatura del núcleo sino para la potencia en [W] absorbida por el mismo. Lecturas altas de potencia implican el requerimiento de mayores corrientes de excitación para llegar al flujo nominal, lo que se deduce en un deterioro del aislamiento interlaminar del núcleo y se deben hacer las reparaciones de manera inmediata. Motores o generadores pequeños o medianos: o Pérdidas del núcleo no deben exceder los 10 W/kg. o Aumento de las pérdidas del núcleo con respecto a una prueba anterior no debe exceder el 5%. Motores y/o generadores grandes: o Pérdidas del núcleo no deben exceder los 6 W/Kg. o Aumento de las pérdidas del núcleo no debe exceder el 5% con respecto a una prueba anterior. Al requerir altas magnitudes de corriente en el arrollado de excitación y grandes cantidades de tiempo, se pone en riesgo la seguridad del equipo por lo 58 que se sugiere igualmente el monitoreo en todo momento de la temperatura del núcleo. 4. PRUEBAS A BAJO FLUJO MAGNÉTICO 4.1 EL-CID Para el montaje del circuito, referirse a la figura 3.5 Se puede usar fuentes de inducción de 3 o 4% del flujo nominal. Concentra la corriente en zonas donde el aislamiento del núcleo presente fallas o envejecimiento. Mayor precisión en la magnitud y fase de la onda de la corriente de falla, así como en las variaciones de temperaturas en el núcleo. El arrollado de excitación se diseña bajo los mismos criterios de la Prueba de flujo nominal. Bobina de Chattock (doble filamento arrollado en forma de U, generando un puente) medirá tanto Ifalla como Icampo, siendo la primera motivo de nuestro interés y la última la que se debe reducir a cero. Por cada 5 V/m de tensión inducida la corriente de salida será de 100mA, incremento suficiente para determinar si existe una falla o no en el aislamiento del núcleo. Además de ser fácil de re-energizar, al no existir un calentamiento excesivo en el núcleo del estator, se puede dejar conectado el equipo. En casos e grandes máquinas o turbogeneradores, se pueden usar carretillas o brazos mecánicos controlados a través de un computador con interfaz de control remoto incorporada para la movilidad de la bobina de Chattock de manera precisa y segura. Requiere cierto nivel de habilidad y experiencia del operador del equipo. Puede presentar problemas con las fluctuaciones de la señal entre las secciones del núcleo, ya que su campo magnético puede ser inusual en dichas zonas por el “air gap” presente. 59 4.2 PRUEBA DE VARIACIÓN DE FLUJO MEDIANTE DOS ELECTROIMANES Para el montaje del circuito, referirse a la figura 3.6 Cada electroimán se dispone como puente entre los dientes del núcleo, logrando cerrar un lazo magnético donde se concentran las mayores densidades de flujo del núcleo estatórico. Cada electroimán permite tener la lectura en magnitud y fase de la corriente generada por el flujo magnético circulante en cada diente. Un núcleo pequeño (núcleo de referencia) debe colocarse sobre un diente sano, mientras que el otro es movible (núcleo deslizante) para verificar el estado de los demás. Si se consigue una variación de magnitud y fase de la corriente medida en un diente o una deformación en los valores de la corriente con respecto al diente sano de referencia, se considera una falla del aislamiento interlaminar en ese punto respectivo del diente. Entre mayor sea la variación en el comportamiento de la corriente del diente a prueba, mas severa será la falla interlaminar presente en el mismo. 4.3 PRUEBA DE VARIACIÓN DE FLUJO MEDIANTE UN ELECTROIMÁN Para el montaje del circuito, referirse a la figura 3.9 Requiere de un monitoreo en tiempo real de la magnitud y fase de la tensión de (Vprueba) medida para determinar que existe una falla interlaminar de aislamiento. Fórmulas descritas anteriormente permitirán obtener los datos necesarios para la construcción de los fasores asociados a los valores de excitación, falla y prueba. La disposición del diagrama fasorial cambiará dependiendo de la localidad del punto de falla de los dientes del núcleo del estator. De presentarse en la parte 60 superior del diente del núcleo se generará un flujo de falla en dirección opuesto al del flujo circulante en caso de estar en la parte inferior del diente. Mientras la sea mas superficial en el diente, la resistencia de falla que verá I f en el núcleo será mayor. Para análisis en la ubicación gráfica de la falla, referirse a la figura 3.11 Dificultad en mantener constante el gap existente entre el mecanismo de prueba y el núcleo del estator. Solo requiere del registro de la tensión en bornes de la bobina de prueba. NORMAS APLICABLES: • IEEE Standard 432-1992. IEEE Guide for Insulation Maintenance for Rotating Machinery (5 HP to less than 10.000 HP). • IEEE Standard 114-2001. IEEE Standard Test Procedure for Single PhaseInduction Motors. • IEEE Standard 115-1995. IEEE Guide: Test Procedures for Synchronous Machines. • IEEE Standard 1068 – IEEE Standard for Repair and rewinding of AC Electric Motors in the Petroleum, Chemical and Process Industries. • Chuck Yung & Travis Griffith. “Core Loss Testing”, IEEE Industry Applications Magazine, Jan/Feb 2011. CAPÍTULO 5 RESULTADOS EXPERIMENTALES En este capítulo se muestran los procedimientos experimentales necesarios para la medición de las pruebas de núcleo del estator, procedimientos que a su vez nos permiten evaluar comportamientos del material aislante ante esfuerzos eléctricos, magnéticos y térmicos. Para ello se realizaron experimentos para máquinas de inducción tanto trifásica como monofásica. Los experimentos realizados fueron los siguientes: Pruebas de excitación del núcleo estatórico Pruebas de bobina exploratoria con excitación longitudinal en núcleo Pruebas de núcleo a flujo nominal y análisis termográfico Prueba de núcleo con variación de flujo mediante el uso de uno y dos electroimanes. Los experimentos de excitación de núcleo se realizaron con el fin de analizar el comportamiento de la magnetización en condición de saturación, permitiendo verificar de manera adecuada los resultados de la prueba de aislamiento de flujo nominal en la máquina. La prueba de flujo nominal se alimenta con una bobina de excitación arrollada alrededor del núcleo estatórico y permite inducir en él, un flujo magnético en dirección axial. De igual manera también se podrá alimentar por los mismos bornes del arrollado del estator para inducir el flujo magnético en dirección radial, pero como veremos más adelante, resulta mejor opción hacerlo axialmente. 62 Figura 5.1: Direcciones del flujo magnético de un núcleo excitado, radial y axial respectivamente En los resultados obtenidos en experimentos donde se alimenta el núcleo de la máquina con excitación radial y axial, usaremos la bobina exploratoria para observar los resultados de la magnetización del núcleo entre ambas configuraciones de excitación. Además, permitirá verificar no solo las densidades de campo, sino comparar y relacionar dicha característica. Asimismo, es posible encontrar diferencias en los resultados ante diferentes tipos de alimentación (axial o radial), si tomamos en cuenta cómo ocurre la inducción del flujo magnético y los caminos magnéticos a encontrar dentro del estator (ver figura 5.1). Con alimentación radial el flujo se induce a través de la misma bobina del estator, dispuesta sobre el mismo núcleo. El camino recorrido por este flujo estará en parte circulando dentro del material ferromagnético del núcleo, y otra por el entrehierro que existe cuando la máquina no tiene rotor. Luego este flujo se inducirá en la bobina exploratoria para obtener así una medición de tensión. En caso axial es importante destacar que la bobina de excitación está enrollada no solo en el núcleo del estator sino que además envuelve la carcasa del mismo. Por lo tanto, el camino magnético no solo será el núcleo, sino también la carcasa en donde 63 se inducirá un “campo de fuga” adicional al flujo magnético circulante, que modificará la señal del “voltaje de prueba” inducido en la bobina exploratoria. Está de más decir que por lo anteriormente dicho, las tensiones medidas en la bobina exploratoria con excitación radial y axial tendrán sus diferencias. Sin embargo se podrá verificar que los resultados de las tensiones medidas en la bobina exploratoria varían de manera proporcional según como sea la alimentación en el núcleo del estator (VLL, ILL), mediante un factor de corrección “KC”. Es importante destacar que para el experimento donde se usa la bobina exploratoria y se alimenta con una excitación axial el núcleo, se debió diseñar una bobina de excitación en base al cálculo para la prueba de flujo nominal presentado en el capítulo 3. Para un adecuado cálculo se debe tomar en cuenta la capacidad de la máquina a usar, las dimensiones de su núcleo, su punto nominal de operación, su tipo de refrigeración, su tipo de carcasa, su curva de magnetización, puntos de saturación, entre otros. Por eso es importante tener sumo cuidado en el diseño de esta bobina para un mayor aprovechamiento de la prueba de núcleo sin poner en riesgo la seguridad del equipo. 5.1. Pruebas de excitación de núcleo Se trabajó con una máquina trifásica de rotor bobinado con las siguientes especificaciones: 240 / 416 V -Y 16 A / 9,2 A -Y 4 kW ; cos(θ) = 0,8 60 Hz ; 1710 rpm Para poder alimentar la máquina de manera segura, y poder variar el rango de alimentación se trabajó con un transformador trifásico con un número de vueltas variable en el secundario, cuyas características son: 64 PRIMARIO: 3 x 416 V SECUNDARIO; 3 x 0-500 V; 3 x 12 A 3 x 0 – 3460 kVA La máquina descrita fue sometida a una prueba de vacío, con rotor trabado, cortocircuitando los bornes del rotor y alimentando el estator (conexión Y) a su corriente nominal, para así comprobar los valores nominales del flujo magnético rotante. La excitación de la máquina se realizó para un rango de valores de tensión cercanos al valor nominal, y obtener así un rango de valores de corriente correspondientes a cada punto de medida. A partir de dichas mediciones se obtuvo la curva V (Volts) vs Iexcitación (Amps), que permite analizar los codos de saturación y el comportamiento de la curva de magnetización de dicha máquina para determinada condición de operación. La máquina eléctrica bajo estudio no presentaba mecanismos de ventilación ante calentamiento por incremento de corriente, haciendo la prueba más delicada ante criterios de seguridad para el resguardo del equipo. Se trabajó bajo cuatro casos o condiciones de operación en la máquina: CASO A: Máquina con rotor trabado y una excitación radial CASO B: Máquina con rotor girando y una excitación radial CASO C: Máquina sin rotor y una excitación radial CASO D: Máquina sin rotor y una excitación axial 65 Curvas de magnetización 600 VLL ( Voltios) 500 400 300 200 100 0 0 2 4 6 8 10 12 I (Amperes) Rotor Girando, Exc. Radial Rotor Trabado, Exc. Radial Sin Rotor, Exc. Radial Sin Rotor, Exc. Axial Figura 5.2: Curvas de magnetización para los cuatro casos de operación de la máquina. Curvas de magnetización 120 VLL (Voltios) 100 80 60 40 20 0 0 2 4 6 8 10 12 I (Amperes) Rotor Trabado, Exc. Radial Sin Rotor, Exc. Radial Sin Rotor, Exc. Axial Figura 5.3: Curvas de magnetización para los casos de operación de la máquina con menor tensión de excitación. 66 Para cada una de las curvas de magnetización se pudo obtener las siguientes ecuaciones características: Caso A: (5.1) Caso B: (5.2) Caso C: (5.3) Caso D: (5.4) Con las ecuaciones (5.1), (5.2), (5.3) y (5.4) se pudo obtener una tabla comparativa en la que se puede observar las diferencias de la tensión de excitación con respecto a la corriente de alimentación. A continuación se muestra la tabla: Tabla 5.1: Tensiones de excitación para los casos A, B, C y D 67 A continuación se presentan los puntos de saturación de cada mecanismo de excitación de núcleo: Rotor trabado Rotor girando Sin rotor alimentación radial) Sin rotor (alimentación axial) Codos de saturación Primero Segundo Iexc (A) Iexc (A) 1,50 7,50 1,50 4,50 3,50 6,00 6,00 9,00 Tabla 5.2: Codos de saturación para los casos A, B, C y D Se puede observar en las figuras 5.2 y 5.3 la curva de magnetización del caso B donde se alcanzan dos codos de saturación para el núcleo. Sin embargo estos codos son alcanzados para valores de tensión muy altos con respecto a los otros tres casos. Esto es debido a que el flujo magnético circulante en la chapa estatórica se transforma en energía de giro requerida por el rotor para superar la inercia de la máquina. De esta manera se requerirá de mayor tensión para poder saturar el núcleo. También se puede observar cómo la curva del caso B presenta una mayor tendencia de saturación del núcleo que los otros casos debido a las altas concentraciones de densidades de campo alcanzadas, pero igual, al presentar el rotor girando no permite la entrada de mecanismos de medición del estado del núcleo estatórica. Además, las altas tensiones que se alcanzan para saturar el núcleo pueden empeorar el estado del aislamiento del núcleo, en caso de no seguir criterios de seguridad. En las figuras 5.2 y 5.3 se puede observar cómo el caso A presenta un mecanismo de excitación más adecuado para las pruebas de núcleo con respecto al caso B, ya que se alcanzan niveles de saturación con tensiones menores. Al igual que el caso B, ante presencia del rotor se dificultan las mediciones de temperatura, por 68 insuficiencia de espacio, sólo haciéndolo posible con mecanismos de medición avanzados de alta precisión, tales como EL-CID. Como diferencia entre estos casos, se puede apreciar una curva de magnetización mucho más leve par alcanzar niveles de saturación. En cuanto al caso C observamos que la curva característica de magnetización tiene comportamiento casi lineal, no logrando así una saturación severa del núcleo ya que la máquina, luego de haber sido removido el rotor, se comporta como un transformador. Esto se traduce en un entrehierro mucho más grande para el flujo magnético radial, que su vez significa un camino magnético de mayor resistencia a su paso (reluctancia) dificultando considerablemente el llegar a un nivel de saturación, y por lo tanto en ser un mecanismo de excitación poco útil para pruebas de aislamiento del núcleo. Finalmente, en el caso D tenemos un mecanismo de excitación que permite que el camino magnético del flujo sea en dirección axial, a diferencia de los otros casos. Esto no nos salva de la inducción de un flujo magnético de fuga en la carcasa de la máquina ya que la bobina de excitación envuelve todo el estator de la máquina, incluyendo la carcasa, pudiendo ocasionar ruido o distorsionar la señal obtenida mediante el mecanismo de medición de la prueba del núcleo. En la gráfica 5.3 y en la tabla 5.1 se observa cómo el caso D alcanza las menores tensiones de excitación para saturación, y que además cuenta con espacio suficiente debido a la remoción del rotor, permitiendo un mejor uso de los mecanismos de medición de temperatura, señales de corriente y voltajes de fallas interlaminares. Por todo esto, el caso D representa la mejor alternativa para desarrollar un mecanismo de medición que permita mejorar la eficacia de las pruebas de aislamiento del núcleo. Además este mecanismo de excitación se puede mejorar en algunas máquinas que presenten pequeñas separaciones entre la carcasa y núcleo, por donde se pueda pasar la bobina de excitación sin necesidad de envolver la carcasa, y así evitar los flujos de fuga. 69 Figura 5.4: Flujo magnético de excitación y fuga circulante en dirección longitudinal en el núcleo Se debe considerar que para el caso D existe un pequeño camino de entrehierro para el flujo magnético, que representa un camino magnético de alta reluctancia. Este gap o entrehierro corresponderá con las pequeñas separaciones existentes entre las puntas de los dientes, sin embargo este efecto no repercute considerablemente en la saturación del núcleo. Esto se puede observar en la figura 5.4 mostrada anteriormente donde tenemos el flujo magnético de excitación circulante en el núcleo de manera axial y un flujo de fuga que circulará por la punta de los dientes y entre los entrehierros de los mismos. 5.2. Pruebas de bobina exploratoria con excitación radial y axial de núcleo. En este experimento se realizó la misma prueba de excitación de núcleo de los experimentos anteriores, pero en este caso con una bobina exploratoria enrollada en el núcleo con el fin de hacer posible la inducción de una tensión en ésta, ya sea debido al flujo axial o radial. Dicha tensión inducida permitió verificar las concentraciones de flujo para todos los codos de saturación hallados en los experimentos anteriores, y analizar el comportamiento de la magnetización en un núcleo saturado. A continuación los resultados de esta prueba para una máquina trifásica y una monofásica: 70 5.2.1. Prueba con bobina exploratoria en una máquina trifásica sin rotor. De los experimentos anteriores se tomaron los puntos de saturación obtenidos y recopilados en la tabla 5.2 para la excitación del núcleo de esta máquina. Para cada uno de estos puntos obtuvimos los valores de la tensión inducida en la bobina exploratoria, de esta manera se tendrán los valores de tensión ante una saturación de núcleo. Para el cálculo del número de vueltas de la bobina exploratoria (N be) se tomó como punto de partida un máximo de 2 vueltas a lo ancho del núcleo del estator como suficiente para tener una inducción de tensión en los bornes de la bobina. Sin embargo cuando se conectó el osciloscopio en los bornes de la bobina exploratoria no se obtuvo una buena lectura ya que la señal es muy sensible al ruido. Por ello se incrementó el número de vueltas, en un tercer intento del experimento, hasta obtener un Nbe = 10 que permite reducir considerablemente el ruido en la señal y mejorar la lectura de la misma. Cabe destacar que la selección del número de vueltas se hizo en pasos de 4 vueltas hasta tener una lectura satisfactoria de la señal de tensión de la bobina exploratoria. En cuanto a la excitación del núcleo se realizó mediante una alimentación radial y una axial. Esta última se llevó a cabo mediante el diseño de una bobina enrollada en el núcleo al menos 90 grados de separación con la bobina exploratoria sobre la periferia del núcleo. A esta bobina la llamaremos “bobina de excitación”. Para el caso de la alimentación axial se espera que los resultados obtenidos en la bobina exploratoria sean diferentes a los obtenidos en el experimento anterior ya que en este caso el arrollado de excitación envuelve también la parte metálica de la carcasa de la máquina como recorrido de su camino magnético. Esto genera mayores pérdidas o corrientes parásitas que modificarán la magnitud y fase del campo magnético circulante. Sin embargo se espera que la variación en los resultados sea proporcional a los obtenidos anteriormente ya que la característica de la curva de 71 magnetización de la máquina se debe parecer a la obtenida mediante la alimentación radial. La proporcionalidad de estos resultados dependerá de lo que llamaremos un “factor de corrección”, el cual definiremos con la letra “KC”. El factor KC nos permitirá llegar a iguales resultados debido a las tensiones inducidas en el núcleo saturado, sin importar el esquema de alimentación en la chapa del estator de la máquina (sea excitación radial o axial). Para el uso de la bobina de excitación primero se debe calcular el número de vueltas adecuado con respecto a las dimensiones del núcleo así como el flujo nominal circulante. También la bobina de excitación deberá garantizar un flujo magnético de saturación para el núcleo de hierro laminado, correspondiente con la corriente de los codos de saturación (Isat) mostrado en el experimento anterior. Los datos usados para el diseño de la bobina de excitación se muestran a continuación: B = 0,5 T = 0,5 Wb/m2 f = 60 Hz cos(θ) = 0,8 Ln = 380 mm Dext = 220 mm Dint = 130 mm VfprimTRX = 416 V VfsecTRX = 44,7 V KP = 0,9 = sen1/2 (180(Nbr/Nbt)) Kd = 0,955 µo = 4 x 10-7 µr = 800 Los cálculos de la bobina de excitación se realizaron según las ecuaciones señaladas en los métodos de prueba de aislamiento de núcleo en el capítulo 4. A continuación, mostramos los resultados del diseño de la bobina de excitación. 72 Caso 1 Caso 2 Vf 22,4 22,4 Nexc 20 40 Ncp 1 2 Iexc 18,1 A 9,05 A Tipo de cable AWG # 12 AWG # 14 Tabla 5.3: Dos posibles soluciones para el arrollado de excitación Para este experimento utilizaremos la bobina de excitación calculada en el caso # 1 ya que es la propuesta más conveniente para la construcción del arrollado. Además la disposición de la bobina de excitación mediante el caso 1 presenta menores complicaciones constructivas ya que el número de vueltas total es menor que el del caso # 2. También encontramos menor cantidad de circuitos paralelos requeridos para alcanzar la tensión y la corriente de excitación. Sin embargo en la tabla # 5.3 la corriente que circulara en el caso # 1 será el doble del caso # 2, por lo que el cable a utilizar deberá de ser un calibre con mayor grosor. Los resultados obtenidos en la bobina exploratoria son los siguientes: VBE vs I (Sin Rotor, Exc. Radial) VBE (Voltios) 1 0,8 0,6 0,4 y = -0,016x2 + 0,4103x - 1,5152 0,2 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 I (Amperes) Curva Experimental Poly. (Curva Experimental) Figura 5.5: Tensión inducida en la bobina exploratoria con respecto a una corriente de excitación para una máquina sin rotor con alimentación radial 73 VBE vs I (Sin Rotor, Exc. Axial) VBE (Voltios) 20 15 10 y = -0,0385x2 + 1,8841x 5 0 0 2 4 6 8 10 12 I (Amperes) Curva Experimental Poly. (Curva Experimental) Figura 5.6: Tensión inducida en la bobina exploratoria con respecto a una corriente de excitación para una máquina sin rotor con alimentación axial Para cada una de las curvas de la tensión inducida en la bobina exploratoria en función de a corriente de excitación se pudieron obtener las siguientes ecuaciones características: Caso sin rotor con excitación radial y = -0,016x2 + 0,4103x - 1,5152 (5.5) Caso sin rotor con excitación axial y = -0,0385x2 + 1,8841x (5.6) A partir de estas ecuaciones se pueden obtener los valores de la tensión de la bobina exploratoria para cualquier punto de corriente válido de operación para la excitación de la máquina, además de cumplirse la siguiente fórmula para hallar el factor de corrección: Vbe (axial) = KC * Vbe (radial) De esta manera se construyó la siguiente tabla: (5.7) 74 Iexc (A) 7 7,5 8 8,5 9 9,2 Vbe (radial) 0,5729 0,6621 0,7432 0,8164 0,882 0,9053 Vbe (axial) 11,302 11,9652 12,6088 13,233 13,8384 14,0751 Kc Promedio Kc 19,728 18,072 16,966 16,209 15,69 15,547 17,035 Tabla 5.4: Tensiones en bobina exploratoria para los casos C y D De esta manera el factor Kc no solo permite comprobar cómo con el mecanismo de excitación axial se brinda una excitación del núcleo más eficaz, sino que permite obtener también una mejor lectura de la tensión de la bobina exploratoria. La lectura obtenida en la bobina exploratoria mediante una excitación axial presenta una mayor magnitud, en razón de un Kcprom, que las lecturas obtenidas mediante una excitación radial. Por lo tanto una mayor tensión medida debido al flujo circulante permitirá tener una señal menos sensible al ruido o cualquier flujo de fuga que distorsione esta misma. En la figura 5.5 podemos observar cómo la señal varía de magnitud de manera más inestable comprobando la sensibilidad de esta ante cualquier perturbación externa. Sin embargo la figura 5.6 observaremos como la tensión presenta una característica mas estable y mas semejante a la curva de magnetización de la máquina, lo cual refleja el comportamiento normal del flujo magnético circulante en dirección axial. 5.2.2. Medición de la tensión inducida en una bobina exploratoria enrollada en el núcleo de un motor monofásico con capacitor de arranque. El motor a trabajar en este caso es uno pequeño del tipo monofásico con condensador de arranque, el cual presenta las siguientes especificaciones técnicas: Datos: 115 V / 208-230 V 75 5,8 / 2,9 A P = 1/3 HP (250 W) 60 Hz; 3480 rpm Adicionalmente se envolvió de manera axial en el núcleo un cable con el fin de construir una bobina que permita medir el flujo circulante por el núcleo debido a la tensión de alimentación. En este caso se busca medir la tensión en la bobina exploratoria con el fin de comparar los resultados con alimentación axial y radial. Inicialmente la bobina exploratoria se construyó en el núcleo estatórico con un número de vueltas de Nbe = 5. Sin embargo no se logró tener una lectura clara, en los bornes de la bobina exploratoria, de la medida de la onda de la tensión ya que esta presentaba mucha distorsión o ruido. De esta manera se fue aumentando el número de vueltas de la bobina exploratoria hasta llegar a un Nbe = 30, para el cual tampoco se logró tener resultados satisfactorios ya que la onda continuaba muy distorsionada por su sensibilidad al ruido. De estos resultados se pudo constatar que la lectura no se pudo concretar debido a que el flujo no estaba circulando en gran parte por el núcleo sino la mayor parte circula por la carcasa ocasionando mucho ruido al flujo del núcleo. La carcasa del motor de inducción con capacitor de arranque utilizado es muy delgada y lisa a lo largo de su superficie la cual no proporciona un aislamiento adecuado ante unas densidades de flujo muy grandes, a diferencia del motor trifásico donde la carcasa presentaba un camino de fuga mucho mas largo debido a su construcción de puntas sobresalientes a lo largo y ancho de su periferia. 76 Figura 5.7: Carcasas de dos de los motores de inducción sometidos a prueba. Carcasa con puntas salientes y liso, trifásico y monofásico respectivamente. En la figura 5.7 se pueden observar las diferencias constructivas entre las carcasas de los motores trifásicos y monofásicos usados. La carcasa b) de la figura 5.7 presenta una superficie de puntas sobresalientes que permiten establecer canales de ventilación sobre la máquina ante una exposición de altas densidades de campo magnético que reduce el flujo de fuga y por lo tanto la distorsión o ruido de la onda de tensión medida en la bobina exploratoria. Por ello la superficie lisa presenta una desventaja en estos tipos de motores para una excitación o medición axial. Sin embargo para motores pequeños que presenten una carcasa de superficie lisa se puede utilizar el pequeño espacio existente entre carcasa y núcleo para disponer una bobina de alimentación axial que permita tener mejores resultados. 5.3. Prueba del aislamiento del núcleo a flujo nominal En este experimento se realizó una prueba del núcleo del estator de una máquina con las siguientes especificaciones: Motor Siemens “Azul” – Datos: Para 60 Hz: 460 VY / 97 A / 63 kW / cosθ = 0,87 Para 50 Hz: 230 V / 172 A / 55 kW / cosθ = 0,86 400 VY / 99 A 77 Figura 5.8: Fotografía panorámica del montaje realizado para la Prueba a flujo nominal Para la prueba de núcleo fue necesario inducir un flujo magnético circulante en la chapa estatórica a través de una bobina de excitación con una alimentación axial. Los datos usados para el diseño de la bobina de excitación se muestran a continuación: Datos: B = 0,85 T = 0,85 Wb/m2 f = 60 Hz cosθ = 0,87 Ln = 430 mm Dext = 332 mm Dint = 232 mm VfprimTRX = 460 V VfsecTRX = 164 V KP = 0,9 = sen1/2 (180(Nbr/Nbt)) Kd = 0,955 µo = 4 x 10-7 µr = 800 El cálculo y el montaje de la bobina de excitación del experimento se realizaron a partir del modelo descrito en el capítulo # 3 para la prueba flujo nominal. Los resultados obtenidos son los siguientes: A Ф 0,02515 m2 0,01075 Wb LC H 0,922 m 497,35 A/m ITRXnominal 18,00 Nexc Calibre del cable usado 44,00 AWG 10 78 Tabla 5.5: Resultados de cálculo para el diseño de la bobina de excitación de la Prueba de flujo nominal Una vez obtenido el diseño de la bobina de excitación se procedió a iniciar el procedimiento de la prueba del aislamiento del núcleo estatórico. El procedimiento consiste en excitar el núcleo estatórico a través de un flujo magnético usando la bobina de excitación, la cual envuelve al núcleo de manera axial con el fin de verificar el estado del aislamiento del núcleo. Figura 5.9: Corriente de excitación y tensión obtenida para los cálculos realizados Para comprobar los esfuerzos térmicos y electromagnéticos que puede sufrir el núcleo durante la circulación del flujo magnético, y ante una pérdida de aislamiento, fueron inducidas varias fallas superficiales e interlaminares a lo largo de la periferia del mismo. De esta manera las fallas superficiales se inducen raspando la superficie del diente con un material punzante para generar un daño lo suficientemente severo que permita analizar el aislamiento del núcleo estatórico. Las fallas interlaminares se inducen insertando un alambre de cobre alrededor de una lámina de uno o varios dientes del núcleo que fuera suficiente para generar una falla de aislamiento de núcleo durante la circulación del flujo magnético. 79 Los esfuerzos electromagnéticos presentes en el núcleo del estator debido a las fallas mencionadas ocasionan igualmente esfuerzos térmicos los cuales se pueden observar a través de pequeños gradientes de temperatura a lo largo de la superficie del núcleo que representan áreas o puntos donde existe un incremento de temperatura irregular. Los “puntos o áreas calientes” se pudieron determinar en este experimento a través de una cámara térmica FLUKE, donde se pudieron registrar termografías del núcleo del estator observando punto a punto, a lo largo de cada diente del núcleo, la medida de la temperatura. Luego, mediante el respectivo software (Smartview 2.1) que la acompaña se obtuvieron las fotografías térmicas con las cuales se tomaron los siguientes puntos de temperatura: 80 Figura 5.10: Termografías del núcleo del estator En la figura 5.10 se observa cómo a medida que energizamos el núcleo con la bobina de excitación axial éste se va calentando. Esto se puede comprobar a través de la vista infrarroja de las figuras mencionadas en donde se observa cómo para altas temperaturas tiende a un color rojo y para temperaturas mas bajas tiende a un color azul. Figura 5.11: Orden de conteo de los dientes del núcleo estatórico. Los valores de temperatura, medidos en grados Fahrenheit, se obtuvieron a través de una cámara infrarroja de láser a lo largo de los 48 dientes enumerados de la máquina alrededor de la chapa estatórica. Los valores de temperatura son correspondientes a determinados puntos tomados desde un extremo de partida del núcleo el cual llamaremos como el punto de medida 81 #1. Luego a partir de este punto se tomarán las mediciones hasta el extremo opuesto de la longitud del núcleo o diente. De esta manera mantendremos esta convención para la medición de temperatura punto a punto de cada diente como se muestra en la figura 5.12. Figura 5.12: Convención de medición para las líneas de temperatura [5] Luego se construyeron las siguientes gráficas a continuación: Figura 5.13: Variación de temperatura a lo largo de los dientes 1 (con falla controlada mediante chapas de cobre colocadas al inicio y final del diente), 2 y 3 La falla al principio del diente 1 se introdujo con la lámina de cobre posicionada diagonalmente entre los dientes 1 y 2, mientras que la lámina al final del mismo diente se posicionó de manera horizontal. En la figura 5.13 fácilmente se puede observar la presencia de la falla al inicio del diente 1, a pesar de no ser de gran magnitud, mientras que a la del final del mismo diente no se le percibe un comportamiento brusco de temperatura. Tanto el inicio como el final de los dientes 82 (ambos extremos) son puntos que presentan una mayor refrigeración debido a su posición para mayor disipación de calor. Figura 5.14: Variación de temperatura a lo largo de los dientes 6, 7 y 8 En la figura 5.14 se ve cómo los dientes 6, 7 y 8 presentan un comportamiento semejante a un diente sano. Figura 5.15: Variación de temperatura a lo largo de los dientes 12, 13, 14 (con falla controlada mediante anillo de cobre alrededor de par de láminas estatóricas al principio del diente), 15 y 16 En la figura 5.15 podemos observar cómo se indujo la falla interlaminar mediante un alambre enrollado en una lámina al inicio del diente 14. A su vez se hace notable 83 la influencia de ésta falla sobre el comportamiento en los dientes aledaños (dientes 15 y 16). Figura 5.16: Variación de temperatura a lo largo de los dientes 23, 24 y 25 Figura 5.17: Variación de temperatura a lo largo de los dientes 29, 30 y 31 En las figuras 5.16 y 5.17 se presentan reducciones de temperatura que pueden estar asociadas a alguna pérdida del ajuste de las láminas del diente, pudiendo generarse bolsas de aire que funcionarían como canales de ventilación, que vendrían a comportarse como circuitos abiertos donde la circulación de corriente es muy pequeña para provocar cambios de temperatura en el núcleo estatórico. 84 Figura 5.18: Variación de temperatura a lo largo de los dientes 32 y 33 En la figura 5.18 destaca la cercanía de los dientes 32 y 33 con la bobina de excitación, observando fácilmente los gradientes de temperatura debido a la transferencia de calor entre el conductor y el núcleo. Para estos dientes resulta recomendable el desmontaje de la bobina de excitación y su re-ubicación a 180° de la posición original, para tener una lectura más clara de la condición interlaminar sin obstrucción térmica debida a los conductores. Dientes equidistantes dispuestos en el eje central vertical, pueden presentar comportamientos similares entre sí, e incluso verse afectados por una pequeña variación térmica de uno sobre el otro. 5.4. Prueba de variación de flujo mediante el uso de dos electroimanes El par de bobinas se alimentó con la misma fuente, manteniendo una fija como referencia en un diente sano y la otra, móvil para evaluar la condición del aislamiento de los demás dientes del núcleo estatórico. Esta prueba se puede realizar como complemento de la anterior, evaluando sólo los dientes que hayan presentado características de falla según las termografías. En los puntos iniciales de referencia sobre las dos bobinas, existirá una corriente considerada como corriente de vacío. Cada una de las bobinas se ubicó en una sección de las ranuras considerada sin falla para, a manera de control, comprobar primeramente que ambas registraran 85 idénticas señales de onda. La grabación de las formas de onda de corriente de ambas bobinas re obtuvo mediante el uso de un osciloscopio. Al desplazar la bobina móvil y captarse una falla se observaron cambios tanto de amplitud de la onda de corriente de la bobina móvil con respecto a referencia, ésto debido a la existencia de corrientes parásitas que alteran el flujo de vacío, cambiando así los valores del flujo primario y éste a su vez alterando la corriente de vacío del punto de partida. El no poder mantener constante el gap de aire entre la bobina móvil y el núcleo estatórico, y la sensibilidad de la prueba ante esto produjo una variación en los resultados obtenidos, pudiendo confundir puntos sanos con puntos fallados. Una manera fácil de corregir esta situación podría ser encargando a 1 o 2 personas la movilidad o no de las bobinas, mientras otra realiza el registro de datos, y así evitar en lo humanamente posible cualquier tipo de movilidad indeseada. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Los resultados obtenidos en las pruebas de excitación del núcleo para los casos A, B, C y D permitieron verificar que el mecanismo de excitación del caso D presentó mejores resultados para la realización de las pruebas de núcleo con respecto a los otros casos. Esto, debido a que permite inducir una saturación adecuada del núcleo, alcanzando magnitudes moderadas en la tensión de alimentación, sin poner en riesgo el equipo, no empeorando sino verificando el aislamiento interlaminar. Así mismo, éste caso permite realizar de manera adecuada el registro de termografías sobre la superficie interlaminar del núcleo, hecho imposible para los casos A y B. Las pruebas con bobina exploratoria permitieron observar que, mediante la alimentación axial del núcleo se pueden obtener mayores magnitudes en la tensión de prueba medida (en bornes de la bobina exploratoria) en comparación con la excitación radial, permitiendo una mayor sensibilidad y precisión en los resultados al disminuir las señales de distorsión o ruido. Además, permitió verificar el rol de la carcasa del estator para la eficacia de los mecanismos de medición del aislamiento, ya que en caso de generarse un considerable flujo magnético de fuga, se expondrían las señales obtenidas a la presencia de distorsiones y/o ruido ocasionando una lectura y análisis equívoco. De esta manera, se puede obtener un mecanismo de excitación axial más eficiente si se construye una bobina de excitación que enrolle solamente el núcleo magnético a través de pequeños espacios que puedan existir entre la carcasa y la chapa, como en el caso de algunos motores monofásicos. Las pruebas de núcleo y el análisis termográfico permiten mostrar zonas claves caracterizadas por la presencia de gradientes de temperatura (tanto positivos como negativos) ocasionados por corrientes parásitas o espacios de aire. Sin embargo, no son pruebas totalmente concluyentes, ya que éste calentamiento puede producirse debido a transferencia de calor de un diente fallado aledaño, la cercanía a la bobina de excitación o la disposición geométrica del punto de estudio, y no a la presencia de una falla. Los gradientes de temperatura a lo largo de los dientes del núcleo son 87 consecuencia de la presencia de puntos calientes cuando existe un esfuerzo electromagnético considerable en un determinado punto del diente, y como consecuencia un esfuerzo térmico. A su vez, una disminución de la temperatura o puntos fríos pueden ser ocasionados por separaciones interlaminares que se comportan como disipadoras de calor, y traer confusiones durante el análisis de la prueba de núcleo, como la creencia de puntos calientes en referencia a éstos. Las pruebas de variación de flujo son un buen complemento para la prueba de flujo nominal, siendo ésta última la que senta los puntos y zonas de estudio para posteriores pruebas. A modo de aprovechamiento de tiempo y recursos disponibles, se debería realizar la prueba de variación de flujo con un electroimán, posterior a la prueba de lazo a fin de utilizar el bobinado de excitación. Luego, como verificación de los resultados obtenidos se puede realizar la prueba de variación de flujo con dos electroimanes. Un problema importante de las pruebas de variación de flujo es la sensibilidad ante cualquier movimiento o diferencia en la separación de las bobinas móviles con el núcleo del estator, siendo muy difícil a nivel humano mantener constante ésta distancia durante toda la ejecución de la prueba, por lo que se podría proponer realizar un estudio a fin de mejorar este tipo de pruebas mediante el diseño de un gripper, cuya fuerza aplique la suficiente presión para mantener constantes las distancias de gap. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Greg C. Stone, Edward A. Boulter, Ian Culbert, and Hussein Dhirani, Electrical Insulation for Rotating Machines: Design, Evaluation, Aging, Testing and Repair. Canadá: Wiley-IEEE Press, 2004. [2] Rafael Hernández Millán and Jesús Rafael Pacheco, "Recycling Rotating Electrical Machines Components," 2012. [3] "IEEE 56-1997 Guide for Insulation Maintenance of Large Alternating-Current Rotating Machinery (10000 kVA and Larger)," Sponsor Rotating Machinery Committee of the IEEE Power Engineering Society, 1997. [4] "IEEE 432-1992 Guide for Insulation Maintenance for Rotating Electric Machinery (5 hp to less than 10000 hp)," Sponsor Electric Machinery Committee of the IEEE Power Engineering Society, 1992. [5] Felipe Javier Gardeazabal Odarba, Mecanismos de medición del aislamiento en chapas estatóricas de máquinas rotativas. Sartenejas, Venezuela: Universidad Simón Bolívar, 2010. [6] Juan Corrales Martín,. Barcelona-México: Marcombo, vol. Tomo II, pp. 215-390. [7] Sang Bin Lee, Gerald B. Kliman, Manoj R. Shah, N. Kutty Nair, and R. Mark Lusted, "An Iron Core Probed Based Inter-laminar Core Fault Detection Technique for Generator Stator Cores," IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 20, Junio 2005. [8] Sang Bin Lee et al., "Experimental Study of Inter-laminar Core Fault Detection Technique Based on Low Flux Core Excitacion," IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 21, Marzo 2006. [9] Jesús Fraile Mora,. Madrid: McGraw-Hill, 2003, pp. 259-477. [10] José Manuel Aller, Máquinas Eléctricas Rotativas: Introducción a la Teoría 89 General., 2004, pp. 145-194. [11] M. P. Kostenko and L. M. Piotrovski,. Moscú: Editorial MIR, 1976, vol. Tomo II, pp. 185-191, 421-457. [12] Gabriel González, Aplicaciones del calentamiento por inducción electromagnética en el procesamiento de PRFV.: Editorial Emma Fiorentino, 2005. [13] Sang Bin Lee et al., "Experimental Study of Inter-laminar Core Fult Detection Techniques based on Low Flux Core Excitacion," IEEE General Electric Schenectady, 2005. [14] J. E. Timperley, "Machine Stator Iron Evaluation through the Use of Resonant Circuits," IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. EC-1, no. 3, Septiembre 1986. [15] Zlatimir Posedel, "Inspection of Stator Cores in Large Machine with a Low Yoke Induction Method - Measurement and Analysis of Iterlamination ShortCircuits," IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 16, no. 1, Marzo 2001. [16] "IEEE Standard Test Code for Liquid-Immersed Distribution, Power, and Regulating Transformers," IEEE Power Engineering Society Sponsored by the Transformers Committee, 2007. [17] "IEEE Std C57.12.91 - 1995 IEEE Standard Test Code for Dry-Type Distribution and Power Transformers," Sponsor Transformers Committee of the IEEE Power Engineering Society, 1995. [18] ChiaChou Yeh, Richard J. Povinelli, Behrooz Mirafzal, and Nabel A. Demerdash, "Diagnosis of Stator Winding Inter-Turn Shorts in Induction Motors Fed by PWM-Inverter Drive Systems Using a Time-Series Data Mining Technique". [19] Philip Beckley, Electrical Steels For Rotating Machines, Primera ed. United 90 Kingdom: The Institution of Engineering and Technology, 2002. [20] Chuck Yung and Travis Griffith, "Core Loss Testing," IEEE Industry Applications Magazine, January / February 2011. [21] Flavio Quizhpi, Johnny Rengifo, and Luisa Salazar, "Informe IV - Medición del Aislamiento de las Chapas del Estator," Universidad Simón Bolívar, 2009. APÉNDICE A MEDICIONES Y RESULTADOS EXPERIMENTALES A.1 Tensiones y corrientes de excitación para cada caso de estudio. Figura A.1: Tensión en el secundario del transformador - Caso de estudio 1, motor trifásico 85 hp Figura A.2: Tensión en el secundario del transformador - Caso de estudio 2, motor trifásico 5 hp 92 Figura A.3: Tensión en el secundario del transformador - Caso de estudio 3, motor trifásico 20 hp Figura A.4: Tensión en el secundario del transformador - Caso de estudio 4, motor trifásico 100 hp 93 Figura A.5: Tensión en bobina exploratoria – Caso de estudio 4, motor 100 hp 94 A.2 Termografías Figura A.6: Termografías para el caso de estudio 1 95 Figura A.7: Termografías para el caso de estudio 2 Figura A.8: Termografías para el caso de estudio 3 96 Figura A.9: Termografías para el caso de estudio 4 A.3 Comportamiento térmico a lo largo de cada diente del núcleo estatórico Figura A.10: Dientes 1-4 (izq. a der.) del caso de estudio 1 97 Figura A.11: Dientes 5-10 (izq. a der.) del caso de estudio 1 98 Figura A.12: Dientes 11-16 (izq. a der.) del caso de estudio 1 99 Figura A.13: Dientes 17-22 (izq. a der.) del caso de estudio 1 100 Figura A.14: Dientes 18-23 (izq. a der.) del caso de estudio 1 Figura A.15: Dientes 3-6 (izq. a der.) del caso de estudio 2 101 Figura A.16: Dientes 11-16 (izq. a der.) del caso de estudio 2 102 Figura A.17: Dientes de 31-36 (izq. a der.) del caso de estudio 2 103 Figura A.18: Dientes 25-30 (izq. a der.) del caso de estudio 3 104 Figura A.19: Dientes 9-14 (izq. a der.) del caso de estudio 4 APÉNDICE B B.1 Fotografías Figura B.1: Fotografía del núcleo estatórico y arrollado de excitación para el caso de estudio 1 Figura B.2: Datos de placa del motor para el caso de estudio 1 106 Figura B.3: Fotografía del núcleo estatórico y arrollado de excitación para el caso de estudio 2 Figura B.4: Datos de placa del motor para el caso de estudio 2 107 Figura B.5: Fotografía del núcleo estatórico y arrollado de excitación para el caso de estudio 3 Figura B.6: Datos de placa del motor para el caso de estudio 3 108 Figura B.7: Fotografía del núcleo estatórico y arrollado de excitación para el caso de estudio 4
