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UNIVERSIDAD VERACUZANA
FACULTAD DE INGENIERIA
MECANICA ELECTRICA
“METODOLOGIA DE DISEÑO Y
MANUFACTUA DE SISTEMAS AISLANTES PARA
MAQUINAS ELECTRICAS ROTATIVAS
DE CA HASTA 7000 V.”
T E S I N A
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE:
INGENIERO MACANICO ELECTRICISTA
P R E S E N T A N:
JOSE LUIS SANTIAGO RAMIREZ
JOSE ALFREDO RAMIREZ CELIS
MORGADO VALLES MARCO VINICIO
DIRECTOR DE TESIS:
ING. CESAR IGNACIO VALENCIA GUTIERREZ
POZA RICA, VER.
2002
METODOLOGÍA DE DISEÑO Y MANUFACTURA DE
SISTEMAS AISLANTES PARA MER DE CA HASTA 7000 V
I N D I C E
CAPITULO I
Justificación ------------------------------------------------------------------------------------------Naturaleza, Sentido, y Alcance del Trabajo -------------------------------------------------Enunciación -------------------------------------------------------------------------------------------Explicación de la estructura del trabajo -------------------------------------------------------
ii
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V
CAPITULO II
Marco contextual -------------------------------------------------------------------------------------Planteamiento del problema ---------------------------------------------------------------------Marco teórico ------------------------------------------------------------------------------------------1 Construcción de M. E. R. de cd --------------------------------------------------------------1.1 Construcción mecánica ----------------------------------------------------------------------1.1.1
Carcasa ------------------------------------------------------------------------------1.1.2
Polos del campo ------------------------------------------------------------------1.1.3
Estructura de la armadura ------------------------------------------------------1.1.4
Bobinas del devanado de la armadura ------------------------------------1.1.5
Cojinetes de la flecha de la armadura -------------------------------------1.1.6
Estructura de los extremos de campana ---------------------------------1.1.7
Bobinas de campo ---------------------------------------------------------------1.2 Devanados ---------------------------------------------------------------------------------------1.2.1
Tipos de devanado --------------------------------------------------------------1.2.1.1
Devanados traslapados ------------------------------------------1.2.1.2
Devanados ondulados --------------------------------------------1.2.1.3
Devanado tipo ancas de rana y conexiones
equipotenciales ------------------------------------------------------1.3 Conmutador --------------------------------------------------------------------------------------1.3.1
Campos de conmutación -------------------------------------------------------1.3.2
Devanados de compensación ------------------------------------------------1.3.3
Escobillas ---------------------------------------------------------------------------1.3.4
Porta escobillas -------------------------------------------------------------------1.3.5
Espaciamiento de las escobillas --------------------------------------------1.3.6
Posición neutra de las escobillas -------------------------------------------1.4 Reacción y Reactancia de la Armadura ------------------------------------------------1.4.1
Reacción de la armadura -------------------------------------------------------1.4.2
Reactancia de la armadura------------------------------------------------------1.4.3
Efecto de cortocircuito de las escobillas ---------------------------------1.5 El circuito magnético -------------------------------------------------------------------------1.5.1
Análisis simplificado de un circuito magnético -----------------------1.6 Construcciones especiales -----------------------------------------------------------------1.6.1
Motores sin núcleo ---------------------------------------------------------------1.6.2
Rotores de disco o de circuito impreso ----------------------------------1.6.3
Motores enlatados ----------------------------------------------------------------
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1.6.4
Motores sin escobillas ----------------------------------------------------------2 Construcción física de máquinas de corriente alterna ----------------------------2.1 Construcción mecánica ----------------------------------------------------------------------2.2 Devanados del alternador -------------------------------------------------------------------2.2.1
Encordado de los devanados -----------------------------------------------2.2.2
Conexiones de grupos de bobinas -----------------------------------------2.2.3
Distribución de los devanados ----------------------------------------------2.3 Armadura fija o estator -----------------------------------------------------------------------2.3.1
Estructura del campo giratorio ----------------------------------------------2.4 Relaciones de voltaje -------------------------------------------------------------------------2.4.1
Fórmula básica de generación de voltaje -------------------------------2.4.2
Paso de devanados ---------------------------------------------------------------2.4.3
Distribución de los devanados ----------------------------------------------2.5 Alternador síncrono ---------------------------------------------------------------------------3 Sistemas de aislamiento para máquinas eléctricas rotativas (MER) ---------3.1 Breve historia de diseño de aislamiento para MER --------------------------------3.2 Requerimientos del sistema ----------------------------------------------------------------3.3 Envolventes y cintas de mica --------------------------------------------------------------4 Calificación de sistemas aislantes -------------------------------------------------------4.1 Pruebas de bobinas ---------------------------------------------------------------------------4.2 Requerimientos de prueba para calificación de sistemas aislantes ----------5 Tratamiento del devanado de estator de MER de ca ------------------------------5.1 Proceso VPI -------------------------------------------------------------------------------------5.2 Ciclo VPI -----------------------------------------------------------------------------------------5.3 Consideraciones especiales del proceso VPI ---------------------------------------5.3.1
Calidad de la resina, estabilidad --------------------------------------------5.3.2
Huecos -------------------------------------------------------------------------------5.3.3
Impregnación ----------------------------------------------------------------------5.4 Barnices aislantes ----------------------------------------------------------------------------6 Diseño de aislamiento de la bobina de estator de ca -----------------------------6.1 Diseño de aislamiento a tierra -------------------------------------------------------------6.2 Diseño de aislamiento del subconductor y la vuelta ------------------------------6.3 Tolerancias de aislamiento -----------------------------------------------------------------7 Descripción del diseño de la bobina de estator de ca -----------------------------7.1 Descripción de las partes de bobinas --------------------------------------------------7.2 Parámetros relacionados con el diseño de la máquina ---------------------------7.3 Parámetros relacionados con el diseño de bobina --------------------------------8 Manufactura de la bobina de estator ----------------------------------------------------8.1 Devanador ----------------------------------------------------------------------------------------8.2 Expansión o formado de bobina ----------------------------------------------------------8.3 Curado de las partes rectas para unión de subconductores --------------------8.4 Aislamiento de la terminal ------------------------------------------------------------------8.5 Aislamiento a tierra ---------------------------------------------------------------------------8.6 Cinta de protección --------------------------------------------------------------------------8.7 Impregnación (Bobinas pre-impregnadas) ------------------------------------------8.8 Tratamiento de la superficie exterior del aislamiento (Bobinas de alto
voltaje). ------------------------------------------------------------------------------------------8.9 Ejemplo de diseño de la bobina de estator ------------------------------------------9
Aislamiento utilizado durante el devanado del núcleo del estator de ca ---
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Arreglo del devanado del núcleo de estator ----------------------------------------Bobinas del devanado ----------------------------------------------------------------------Separadores y acuñamiento --------------------------------------------------------------Aislamiento de conexiones serie y de conexiones de grupo -----------------Instalación de las terminales y anillos paralelos ----------------------------------Instalación del sistema de soporte de la bobina -----------------------------------Tolerancias de aislamiento ----------------------------------------------------------------Capacidades, selección y mantenimiento de las M. E. R. ----------------------Factores que afectan la capacidad de las máquinas ----------------------------11.1.1 Información de Placa -----------------------------------------------------------Elevación de temperatura y norma de temperatura ambiente ----------------11.2.1 Temperaturas límite de los materiales aislantes -----------------------11.2.2 Influencia de la temperatura en la vida de la maquinaria eléctrica
Voltajes Nominales --------------------------------------------------------------------------Efecto del ciclo de trabajo y la temperatura ambiente sobre el tamaño del
armazón y la capacidad --------------------------------------------------------------------11.4.1 Efecto del ciclo de trabajo sobre la potencia RMS -------------------11.4.2 Efecto de la temperatura ambiente sobre el tamaño de armazón y
la capacidad ------------------------------------------------------------------------11.4.3 Tipos de envolventes (Carcasas) ------------------------------------------Velocidad nominal: clasificaciones de velocidad y reversibilidad ----------Otros factores que afectan a la selección de la dinamo de cd o ca ---------Características de la carga para la selección de motores de cd -------------Selección de motores de ca --------------------------------------------------------------11.8.1 Características de la carga para seleccionar motores de ca ------El sistema por unidad ------------------------------------------------------------------------
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CAPITULO III
Conclusiones -------------------------------------------------------------------------------------------
149
ANEXOS
------------------------------------------------------------------------------------------------
150
BIBLIOGRAFÍA -----------------------------------------------------------------------------------------
161
CAPITULO I
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
JUSTIFICACIÓN
Debido al gran desarrollo de la Industria en el Mercado y la creciente
demanda de equipos eléctricos de corriente alterna, se han creado unidades de
gran capacidad, lo cual lleva al diseño de mejores elementos de producción en las
máquinas.
La tecnología en la actualidad permite el desarrollo de equipos que operan
bajo estrictas condiciones de trabajo, lo cual requiere elementos humanos con un
nivel de conocimientos teóricos y técnicos de calidad, que operen y mantengan en
condiciones óptimas dichas unidades.
Cualquier error de diseño podría llevar a pérdidas cuantiosas, lo cual
repercute al rendimiento de las máquinas como a la misma empresa.
Visto de otra manera, la selección adecuada de un aislante óptimo para las
Máquinas Eléctricas Rotativas de corriente alterna, nos conduce a obtener un
mejor funcionamiento; es por ello el interés de obtener un diseño que cubra estas
necesidades, analizando
posibles causas, consecuencias y buscando los
procedimientos adecuados.
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Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
NATURALEZA, SENTIDO Y ALCANCE DEL TRABAJO
El presente trabajo ha sido elaborado debido a la carente información
bibliográfica existente en nuestro medio, además de que constantemente existen
diseños más actualizados y acordes con las especificaciones que en determinado
momento puedan ser de utilidad en la selección del aislante para devanados de
máquinas de corriente alterna.
Asimismo se ha tomado un rango de operación de hasta 7000 Volts, con el
cual se trabajará en este análisis, tomando principios de funcionamiento de las
máquinas de cd y ca así como los factores y efectos más importantes en el
funcionamiento de ambas máquinas. También se hace una breve pero precisa
descripción de cada uno de los elementos, pruebas, construcciones, detalles,
capacidades y tolerancias fundamentales.
Este trabajo ha sido diseñado para incrementar el acervo bibliográfico en
nuestra Facultad de Ingeniería, esperando también obtener la calidad requerida
para poder ingresar al difícil mercado industrial en la selección de aislantes para
devanados con las características mencionadas.
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Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
ENUNCIACION DEL TEMA
El problema de satisfacer la demanda de Máquinas Eléctricas Rotativas de
Corriente Alterna,
ha llevado a la constante búsqueda de diseños que
proporcionen alternativas de selección de éstas de acuerdo a su capacidad y
operación. Por tal motivo se han creado diseños de este tipo de máquinas para
capacidades específicas de funcionamiento, las cuales utilizan elementos de gran
costo; por citar algunos: carcasa, núcleo, devanados (de estator y de rotor).
Es imposible evitar que en los devanados se presenten fallas debido al
calentamiento ocasionado por la disminución del aislamiento por la constante
operación del equipo. Por lo que se requiere de un mantenimiento periódico para
reducir la incidencia de fallas en estos elementos y a la vez disminuir los costos
que resulten por poner fuera de funcionamiento una unidad.
Para llevar a cabo el diseño de aislamiento de un equipo rotatorio es
imprescindible primero contar con el desarrollo de un sistema aislante propio. Este
desarrollo implica la selección de materiales aislantes (cintas y resina), la
manufactura de bobinas experimentales y pruebas a realizar en estas para
verificar la compatibilidad de los materiales.
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Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
EXPLICACION DE LA ESTRUCTURA DEL TRABAJO
El presente trabajo esta constituido por una introducción seguida por tres
capítulos que representan el cuerpo del mismo. De esta forma se puede apreciar
que el contenido de cada capítulo esta detallado de la siguiente manera.
CAPITULO I
Este capítulo está representado por una justificación; naturaleza, sentido y
alcance del trabajo; la enunciación del tema, así como la explicación de la
estructura del trabajo.
CAPITULO II
En este segundo capítulo se presenta el desarrollo del tema, así como su
planteamiento, a la vez que se menciona el contexto en el cual se realiza la
presente investigación documental, el marco teórico que son los diferentes
enfoques o puntos de vista que los autores manejan acerca de la metodología de
diseño y manufactura de sistemas aislantes para maquinas eléctricas rotativas de
ca hasta 7000 Volts, terminando con un análisis critico de los diferentes métodos
investigados.
CAPITULO III
En este tercer y último capítulo se presentan las conclusiones obtenidas,
así como también los anexos, apéndices y la bibliografía consultada.
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Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
CAPITULO II
1
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
MARCO CONTEXTUAL
Una parte decisiva del diseño de una máquina de ca es el aislamiento de sus
embobinados. Si se retira el aislamiento de un motor o generador, la máquina se
daña inmediatamente. Aunque fuera posible reparar una máquina cuyo aislamiento
está averiado, ello resultaría muy costoso. Para evitar este tipo de daño, por
recalentamiento, es necesario limitar la temperatura de los embobinados. Esto puede
hacerse, en parte, al suministrarles una circulación de aire frío, pero finalmente la
temperatura máxima del embobinado limita la potencia máxima que la máquina
puede suministrar continuamente.
El recalentamiento de los embobinados es un problema muy grave en un
motor o en un generador. En raras ocasiones el aislamiento falla por ruptura
inmediata a determinada temperatura crítica. En cambio, el aumento de temperatura
produce una paulatina degradación del aislamiento, exponiéndolo a que se produzca
una falla por otras causas como: vibración o tensión eléctrica. Esta temperatura de
funcionamiento
está relacionada estrechamente con el pronóstico de vida de la
máquina, porque el deterioro del aislamiento es función tanto del tiempo como de la
temperatura. Este deterioro es un fenómeno químico que implica una oxidación lenta
y un endurecimiento frágil que conduce a la pérdida de duración mecánica y de
resistencia dieléctrica. Se puede obtener una idea muy tosca de la relación entre vida
y temperatura con la vieja y obsoleta regla de que el tiempo para que falle el
aislamiento orgánico se reduce a la mitad por cada aumento de 8 a 10 oC. Los
materiales de aislamiento modernos son menos susceptibles a fallar, en teoría
debería de ser así, pero esto no es totalmente cierto, debido a que las alzas de
temperatura todavía acortan su vida drásticamente. Por esta razón una máquina
nunca debe sobrecargarse, a menos que sea absolutamente necesario.
Las pruebas de vida en condiciones aceleradas sobre modelos llamados
motoretas, se emplean normalmente para evaluar los aislamientos. Sin embargo
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Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
esas pruebas no se pueden aplicar con facilidad a todos los equipos, sobre todo en
sistemas de aislamiento de las máquinas grandes.
Es por esto que las pruebas de vida del aislamiento tratan en general de
simular las condiciones de servicio. Normalmente comprenden los siguientes
elementos:
1.
Calentamiento sostenido a la temperatura de prueba.
2.
Vibración y esfuerzo mecánico como el que pueda encontrarse durante el
servicio normal.
3.
Exposición a la humedad.
4.
Pruebas de dieléctrico para determinar el estado del aislamiento.
Se deben probar las suficientes muestras para permitir la aplicación de
métodos estadísticos para analizar los resultados. Las relaciones vida temperatura
que se obtengan con estas pruebas, conducirán a la clasificación del aislamiento o
del sistema de aislamiento dentro de la clase adecuada de temperatura.
La experiencia y las pruebas que demuestren que el material o sistema es
capaz de funcionar a la temperatura deseada son los criterios de clasificación más
importantes.
Cuando se establece la clase de aislamiento, se pueden calcular los aumentos
observables de temperatura permisibles para las diversas partes de las máquinas
industriales consultando las normas pertinentes. Se hacen diferencias detalladas
razonables con respecto al tipo de máquina, método de medición de temperatura,
parte de la máquina en cuestión, si la máquina es cerrada, y el tipo de enfriamiento
(de aire, con ventilación, enfriamiento por hidrogeno, etc.).
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Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para máquinas
eléctricas rotativas de ca hasta 7000 V, tiene como finalidad primordial crear un
documento bibliográfico que nos facilite la selección de ciertos materiales aislantes
para máquinas del tipo y rango mencionado anteriormente, y en el caso de llegarse a
requerir para prevención de fallas en los equipos, brindando mayor vida útil y un
optimo aprovechamiento en beneficio de la industria eléctrica.
El objetivo principal en este caso gira alrededor de los embobinados de las
máquinas eléctricas rotativas y hacia sus medios de protección como lo son los
aislamientos; para lo cual se han realizado pruebas para conocer los limites que
proporcionen datos confiables de los cuales se pueda hacer una adecuada selección
del
material
necesario.
También
será
necesario
recordar
principios
de
funcionamiento de las máquinas de ca y cd así, como cada una de las partes
componentes de cada máquina.
La temperatura tiene un papel importante para los motores o generadores
cuando los embobinados se ven afectados por el recalentamiento, siendo un
problema considerable para el funcionamiento de las máquinas eléctricas, aunque
no solo existe este problema, debido a que existen muchas mas causas que puedan
provocar algún daño al sistema, de lo cual se estará hablando mas adelante.
Por lo anterior se exponen a su vez, los requerimientos para la obtención de
una resina que nos permita encontrar el sistema adecuado de aislamiento, en el
sentido de que al presentarse agrietamientos debido a la expansión o contracción
térmica pueden surgir problemas de operación en las máquinas.
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Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
MARCO TEORICO
1. Construcción de M. E. R. de cd
1.1 Construcción Mecánica
1.1.1. Carcasa
La carcasa se requiere como una trayectoria de retorno para todo el flujo
magnético circulante que pasa de los polos del campo a la armadura. Este requisito
de conducción del flujo determina la selección transversal necesaria del material
magnético, que por lo general es un acero al carbón. La construcción más usual
consiste en una estructura de anillo rolado con el empalme final de la soldada por
maquinaria automática, lo que, obviamente, deja una soldadura visible.
Esta estructura sirve a la vez para que las zapatas de los polos de campo se
distribuyan concéntricamente alrededor de la armadura. En la figura 1, puede verse
una carcasa representativa.
Figura 1. Unidad representativa de CD (Cortesía de General Electric Company)
En las unidades muy grandes la carcasa se divide en dos mitades, una
superior y una inferior, con una unión de brida atornillada en forma horizontal por su
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Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
parte central. Este tipo de construcción se presenta cuando la armadura es
demasiado grande y pesada para insertar sin un malacate. En la figura 2, se muestra
la construcción de una de estas máquinas. En los modelos más grandes, los polos y
las bobinas de campo también requieren ser manejadas con grúa; de esa manera la
estructura separable sirve a un doble propósito.
Figura 2.
Modalidad de carcasa dividida de una máquina de CD. Se ven 6
polos de campo; 6 campos de
conmutación
y los devanados de
compensación. (Cortesía de General Electric Company)
En las unidades de tamaño pequeño a mediano es posible que la estructura
de sus carcasas esté hecha de laminaciones perforadas apiladas. En este tipo de
unidades la carcasa y los polos del campo forman una sola pieza, de modo que se
obtiene un excelente circuito magnético y una estructura muy sólida, aunque los
costos de los dados de perforación son elevados. Los motores de seguridad se
construyen por lo general en esta forma. Véase un ejemplo de carcasa perforada en
la figura 3.
Figura 3. Máquina de cd con
carcasa de láminas perforadas
(Cortesía de Reliace Electric
Company)
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Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
1.1.2. Polos del campo
Los polos del campo se hacen por lo general, pero no siempre, de láminas
delgadas de aleaciones de acero altamente magnéticas. La construcción laminada es
necesaria en el extremo interior o zapata del polo. Esto es debido a las pulsaciones
de la magnitud del campo que resulta cuando la estructura magnética del rotor de la
armadura pasa frente a la zapata del polo. Las variaciones del campo producen
corrientes parásitas internas generadas en una estructura magnética. Estas
corrientes son pérdidas que se pueden evitar, en gran medida, con las estructuras
magnéticas laminadas, las cuales permiten que el flujo magnético pase a lo largo de
la longitud de las laminaciones, pero no permiten que las corrientes parásitas circulen
a través de la estructura de una lámina a otra. La pila de láminas se mantiene unida
mediante remaches colocados en lugares apropiados. El extremo exterior del polo
laminado es curvo, a fin de que se ajuste lo mejor posible a la forma de la superficie
interior de las carcasas. En la figura 4, se muestra un polo laminado de campo y una
zapata de polo, típicos. Cualquier discontinuidad en una estructura magnética
produce una reluctancia significativa, la cual es más o menos análoga a la
resistencia, de manera que se requieren más ampere-vueltas para obtener un flujo
magnético determinado en la estructura como un todo. Esto implica una mayor
producción de calor, lo cual es una pérdida, de manera que la unión del polo con la
carcasa se asegura con firmeza mediante los pernos de montura de los polos de
campo.
Figura 4. Polo de campo y zapata
polar típicos con la bobina de campo
(Cortesía de GE Company)
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Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
1.1.3. Estructura de la armadura
La estructura de la armadura tiene una doble función,.ya que por una parte es
el asiento de los alambres del devanado que pasan a través del campo magnético y,
por otra es una fracción sustancial del circuito de flujo magnético. Dado que cualquier
parte de la estructura magnética de la armadura recibe inversiones cíclicas en la
dirección del flujo magnético, está sujeta a pérdidas más severas por corrientes
parásitas que las zapatas de los polos del campo y se construye, por tanto, en forma
invariablemente laminada.
La construcción usual, desde los modelos más pequeños hasta los gigantes
que suministran potencias del orden de los kilowatts, consiste en una pila de discos
de una aleación de acero magnético. Estos discos tienen muescas o perforaciones
en su periferia para acomodar y soportar el devanado de la armadura. El tamaño
requerido del apilamiento se mantiene gracias a unos remaches apropiados,
paralelos al eje. Los remaches mismos constituyen una trayectoria para las
corrientes parásitas y son un camino de corto circuito para los voltajes generados, de
manera que deben estar aislados. Ya sea eso o su función se toman en cuenta
uniendo en forma adhesiva las laminaciones mediante un barniz aislante. Sin
importar cómo estén unidas las laminaciones, los devanados mismos refuerzan la
solidez de la unidad. En los modelos mayores se asegura la unión entre las
laminaciones y al eje, a fin de transmitir pares de fuerzas.
1.1.4. Bobinas del devanado de la armadura
Las bobinas del devanado de la armadura se colocan en las ranuras en
diversas disposiciones o arreglos . Aun cuando la configuración de estas bobinas se
hace desde un punto de vista eléctrico, deben disponerse de manera mecánica de tal
modo que se puedan montar en las ranuras de las láminas. Esta montura debe estar
asegurada mecánicamente contra fuerzas centrífugas y pares; debe estar
apropiadamente aislada y debe permitir el ensamblaje más simple posible. En las
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Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
unidades más grandes, se vuelve muy difícil formar, manejar y ensamblar en
posición correcta estas bobinas.
1.1.5. Cojinetes de la flecha de la armadura
Los cojinetes o chumaceras se requieren para que la armadura pueda girar
libremente y al mismo tiempo esté confinada en su posición correcta.
1.1.6. Estructura de los extremos de campana
La localización geométrica de los cojinetes con respecto a la carcasa se
controla mediante los extremos de campana, que son estructuras cubiertas que
cierran la máquina.
1.1.7. Bobinas de campo
La generación del campo magnético se logra usando las bobinas de campo,
que rodean a los polos del campo. Estas bobinas se mantienen en su lugar entre la
zapata del polo y la carcasa. Se emplean varios tipos y combinaciones de bobinas,
los cuales dependen de si hay muchas vueltas de alambre relativamente delgado
diseñado para producir los ampere-vuelta que se requieren con una pequeña
corriente del voltaje de línea, o pocas vueltas de alambre más grueso diseñado para
trabajar con una caída de voltaje pequeña. Al primero de estos tipos se le conoce
como bobina en derivación, mientras que al segundo se le llama bobina en serie, ya
que está conectada en serie con la línea principal de la armadura. Cuando están
presentes los dos tipos de embobinado, se dice que la combinación es un campo
compuesto. El flujo requerido lo pueden proporcionar unos imanes permanentes.
1.2 Devanados
La parte que realmente trabaja en un motor o en un generador, ya sea de cd o
ca, es el devanado de la armadura. Se trata de la parte de la máquina en la que se
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Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
generan los voltajes o la fuerza que se convierte en par o acción del motor. Los
devanados de campo sirven para producir el campo magnético que se requiere, y
consumen entre 2 y 10%
de la corriente de la máquina, si son devanados en
derivación. De manera análoga, si el campo está devanado en serie, llevará la
corriente total de la armadura pero ocupará sólo un porcentaje pequeño del voltaje
presente en la armadura. Sea como fuere, los devanados de la armadura tienen una
mayor potencia y son la parte más importante de la máquina.
1.2.1. Tipos de devanado
Hay sólo dos configuraciones básicas del devanado: el traslapado y el
ondulado. En algunas máquinas grandes se usa una combinación de estos dos tipos
básicos, y se le llama devanado de ancas de rana por la apariencia de las bobinas
antes de ser instaladas. Cada tipo de devanado tiene más subdivisiones en relación
con el número de conductores que se colocan paralelamente, de modo que un
devanado es simple si tiene un solo conductor, doble si tiene dos conductores
paralelos, triple si hay tres, etc.
Detrás de toda configuración de devanado está el mismo objetivo: llevar una
trayectoria de conductor desde una polaridad de la escobilla, mediante uno de los
segmentos del conmutador, subir a través del campo magnético, seguir por el
extremo posterior de la estructura de la armadura, regresar por el camino opuesto a
través del campo opuesto hasta llegar por último a otro de los segmentos del
conmutador, subir a través del campo magnético, seguir por el extremo posterior de
la estructura de la armadura, regresar por el camino opuesto a través del campo
opuesto hasta llegar por último a otro de los segmentos del conmutador. Este
proceso se repite alrededor de este último y de la pila de laminaciones de la
armadura hasta completar los devanados y dejarlos simétricos y balanceados.
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Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
1.2.1.1. Devanados traslapados
Las diferencias entre los tipos de devanado surgen de la forma en la que se
configuran las terminales de las bobinas. Un devanado traslapado puede tener una o
más vueltas en forma aproximadamente trapezoidal, con sus extremos cerca el uno
del otro de manera que puedan conectarse a segmentos del conmutador adyacentes.
Hay pequeñas variaciones en las bobinas traslapadas dobles o de orden superior,
pero sus extremos siempre quedan próximos (véase Figura 5).
Figura 5. Bobina de un
Figura 6. Bobina de un devanado de tipo
devanado de tipo traslapado.
ondulado.
1.2.1.2. Devanados ondulados
El devanado ondulado tiene básicamente el mismo aspecto trapezoidal en los
que es el cuerpo de la bobina, y la diferencia está en que sus extremos quedan
separados (véase Figura 6). Las terminales de la bobina se conectan a segmentos
del conmutador que están un segmento menos o uno más que la distancia angular
entre dos polos de campo de polaridad igual. Un devanado ondulado debe rodear la
armadura antes de cerrar su recorrido en el punto donde comenzó.
1.2.1.3. Devanado tipo ancas de rana y conexiones equipotenciales.
Un devanado tipo ancas de rana
traslapado y ondulado.
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es una combinación de los devanados
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
La elección del tipo de devanado no es única, por lo general se utilizan
devanados ondulados ya que son más fáciles de instalar y tienen una conmutación
ligeramente mejor, es decir, durante su operación sus escobillas producen menos
chispas. Sin embargo, parece que el límite práctico de conmutación se alcanza cerca
de los 250 A/trayectoria paralela, o lo que es lo mismo, 500 A en total. Esta corriente
se alcanza, por ejemplo, en las marchas de los automóviles, y se alcanza bajo una
intensa aceleración en el motor de un vehículo eléctrico si llegase a demandar un
voltaje de línea de más de 100 V. Las corrientes mayores requieren un devanado
traslapado, el que permite usar un mayor número de trayectorias paralelas. La
posible situación límite que se halla en el motor de un vehículo moderno sirve para
ilustrar en qué forma se hace la elección del tipo de devanado. Si en un motor de
cuatro polos se requieren 500 A, por ejemplo, en cada trayectoria de un devanado
ondulado simple deberán circular 250 A. Esto es así porque hay sólo dos trayectorias
paralelas en cualquier devanado ondulado simple, independientemente de cuántos
polos haya. Un devanado traslapado de cuatro polos tendría 500/4 = 125
A/trayectoria en las mismas condiciones, debido a que tiene el mismo número de
trayectorias paralelas porque la máquina tiene cuatro polos.
Entre las máquinas que necesitan corrientes muy grandes se agudiza un
problema que existe de por sí en todas; el cual consiste en que no se generan
voltajes iguales en cada una de las trayectorias paralelas. Esto da por resultado
grandes corrientes que circulan alrededor de las diversas trayectorias paralelas.
Estas corrientes entran y salen de las conexiones de las escobillas y el conmutador,
causando calentamiento, pérdidas de energía y acortando la vida del conmutador de
las
escobillas.
Una
de
las
soluciones
consiste
en
emplear
conexiones
equipotenciales en un devanado traslapado de corrientes altas. Dichas conexiones
unen partes del devanado que deberían tener exactamente la misma polaridad.
La razón por la cual se generan voltajes de valores diferentes en trayectorias
paralelas que tienen en apariencia la misma geometría, es que los diversos polos del
campo por lo general no tienen el mismo flujo magnético. Esta desigualdad surge por
12
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
las pequeñas diferencias entre los entrehierros originados por un centrado imperfecto
de la armadura, o bien por una desigual reluctancia de la trayectoria magnética
debido a un mal ajuste entre el polo del campo y la carcasa. El desgaste de las
chumaceras sólo agrava este problema.
1.3. El conmutador
Los devanados deben terminar en la unidad rotatoria conocida como
conmutador. Ésta se hace casi siempre con segmentos en forma de cuña hechos de
cobre estirado en frío. Los segmentos de cobre, o delgas, están aislados uno de otro
y también de los soportes de sus extremos por medio de tiras de mica. El uso de
cobre en una pieza sometida a desgaste puede parecer inusual, pero hasta ahora no
se ha encontrado un mejor material. Los requerimiento de baja resistencia, excelente
conductividad y buena resistencia al desgaste mecánico son conflictivos entre sí.
En la figura 7 se muestra un rotor de armadura típico y un conmutador,
ensamblados a una flecha y ranuras con bobinas.
Figura 7. Rotor de armadura de cd
completo
con
las
bobinas,
el
conmutador, el ventilador y los cojinetes.
El análisis de los tipos de devanados ha revelado una característica común de
todos los motores de cd y de los devanados de los generadores: los devanados son
cerrados y continuos alrededor de la armadura, salen hacia un segmento del
conmutador y regresan de inmediato a la estructura magnética. A todos los
segmentos del conmutador se les trata igual en cualquier máquina. Por lo general
hay dos conexiones por barra, una de entrada y otra de salida en dos niveles
diferentes. Esta conexión del devanado al conmutador es la unión eléctrica más
delicada de la máquina, y se debe efectuar con tanta perfección como sea posible.
13
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
1.3.1. Campos de conmutación
En las máquinas de cd más grandes, es decir, en aquellas con una potencia
de 1 hp o 1 kW hacia arriba, entre los polos principales del campo se colocan
campos de conmutación, los cuales son más pequeños que los polos del campo
principales pero se construyen en forma similar.
1.3.2. Devanado de compensación
De manera exclusiva en las unidades más grandes de uso pesado puede
encontrarse a veces un devanado de compensación, el cual se instala en las caras
de las zapatas de los polos de los campos principales. El devanado de
compensación se requiere, además de los campos de conmutación, con el objeto de
que el proceso de conmutación esté libre de chispas cuando circulen corrientes muy
altas o bien en condiciones transitorias. En la figura 2 se muestra una unidad grande
con su carcasa separable a la mitad; ahí se puede apreciar tanto los campos de
conmutación como el devanado de compensación.
1.3.3. Escobillas
La función de conmutación la realizan conjuntamente el conmutador y las
escobillas, las cuales se hacen generalmente de una mezcla de carbono, grafito o
carbono relleno con cobre. Para esta aplicación los requerimientos son baja
resistencia de contacto, cierta resistencia interna controlada y buenas cualidades
ante el desgaste. La superficie real de contacto está entre la escobilla y una
superficie de óxido de cobre en el conmutador. Si hay demasiada fricción y
producción de chispas, el óxido de cobre se gasta más rápido que como se repone,
acortándose la vida de la escobilla. Todo esto puede llega a ser un gran problema,
pero se obtiene una vida más larga si se hace un diseño adecuado. En la figura 8 se
muestra un conmutador y sus segmentos.
14
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
Figura 8. Ensamblado de un conmutador.
(Cortesía de General Electric Company)
Por último, todo el arreglo se forra para hacerlo resistente a los esfuerzos
centrífugos, se ahoga en un material aislante, se balancea y se le añade un
ventilador de enfriamiento. En la figura 9 se muestra una armadura completa en su
posición en un motor en corte.
Figura 9. Armadura completa en posición
en un corte del motor
1.3.4. Portaescobillas
Las escobillas se mantienen en su lugar mediante los portaescobillas,
apoyados en una de las campanas. Se utilizan diversos tipos de portaescobillas,
dependiendo del tamaño, número de escobillas, ventilación y necesidades de acceso
para el mantenimiento. En las máquinas más pequeñas las escobillas se apoyan en
tubos aislados, y en las más grandes se montan sobre manguitos rectangulares o en
mecanismos articulados. En la construcción de los extremos de campana hay una
gran variedad de apertura o de protección, según sean los usos de mantenimiento.
15
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
1.3.5 Espaciamiento de las escobillas
Las escobillas se mantienen en contacto con el conmutador cada 180 grados
eléctricos. Estas escobillas tienen las polaridades positiva y negativa en forma
alternada. Hay el mismo número de escobillas o juegos que polos en el campo
principal; por tanto, una máquina de 8 polos tendrá 8 escobillas o juegos de
escobillas igualmente espaciados alrededor del conmutador. En algunos casos,
cuando se usa un devanado ondulado, no se sigue esta regla. Esto es porque la
construcción ondulada es tal que hay una conexión interna en el devanado, en el
negativo se conecta a los restantes puntos negativos. Por esta razón, cuando el
espacio es vital, no se utilizan todas las escobillas; debe advertirse, sin embargo, que
en un devanado traslapado se requieren todas las escobillas.
1.3.6. Posición neutra de las escobillas
Si los voltajes en el conmutador se miden mientras la armadura está girando y
los polos del campo principal se excitan mediante un agente externo, se puede ver
un patrón angular. Si el voltaje se mide de manera progresiva alrededor de un
conmutador comenzando en un punto donde se halle una escobilla negativa, se
encontrará un voltaje gradualmente más positivo. Luego, conforme se atraviesa la
región del conmutador que se conecta a los devanados que se encuentran ya en el
campo magnético y funcionando, se agregarán incrementos sustanciales de voltaje.
Por último, la rapidez del aumento del voltaje se reduce conforme se conectan los
segmentos del conmutador que están conectados a los devanados ubicados en la
salida del extremo lejano de la región del campo en funcionamiento. Por último, se ve
un voltaje pico positivo, y todo movimiento angular posterior alrededor del
conmutador en la misma dirección que antes revelará una reducción gradual del
voltaje. Este patrón de aumento y luego disminución de voltaje continúa alrededor del
conmutador tantas veces como polos tenga la máquina. Los puntos de máximo
voltaje positivo y mínimo voltaje negativo se hallan donde se deben colocar los
16
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
centros de las escobillas. A estos puntos se les llama posiciones neutras de las
escobillas.
Cuando las escobillas se colocan en sus puntos neutros, el máximo voltaje
disponible del a máquina se puede conectar y usar. Sin embargo, los problemas
comienzan cuando se extraen corrientes grandes de las escobillas y por lo tanto de
los devanados de la armadura. Estos problemas se deben a la reacción de la
armadura y a la reactancia de la armadura. Aunque los nombres son parecidos, las
dificultades que ocasionan no lo son, por lo que deben recibir tratamientos muy
diferentes.
1.4. Reacción y reactancia de la Armadura
1.4.1. Reacción de la armadura
La forma y disposición del campo magnético que generan los campos
principales se ven distorsionados cuando circulan corrientes en los devanados de la
armadura, ya que éstos también están produciendo una estructura magnética. El
campo magnético producido en la armadura está desfasado 90 grados eléctricos de
los campos principales. Estos dos campos se combinan en forma vectorial dando por
resultado un campo distorsionado. En la figura 10 se muestra el campo magnético
típico no distorsionado de un polo de campo cuando en la armadura circula una
corriente nula, o casi nula. Luego, en la figura 11 se ve el campo producido por la
armadura, que se presenta
en un grado aproximadamente proporcional a la
corriente de la armadura. En la figura 12 se muestra el resultado de la combinación
de los dos campos. El campo magnético en uno de los lados del polo de campo se
ve reducido; el campo del polo central es casi e mismo que cuando no hay corriente
en la armadura, mientras que en el otro lado del polo de campo éste se incrementa
en forma sustancial. Por desgracia, los voltajes que generan los devanados van en
proporción directa al campo real que esté presente. Siguiendo estos razonamientos,
se ve que esta reacción de la armadura hace que los puntos de voltaje neutro se
17
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
desplacen apreciablemente con respecto a la posición de las escobillas. En
consecuencia, la función de conmutación del conmutador y las escobillas ya no está
libre de producción de chispas, lo que hace que se reduzcan mucho las vidas del
conmutador y las escobillas.
Figura
10
Distribución
del
flujo
magnético debido sólo a los polos de
campo.
Figura
11.
Distribución
del
flujo
magnético debido sólo a la excitación de
la armadura.
Figura
11.
Distribución
del
flujo
magnético debido sólo a la excitación de
la armadura.
Figura 12. Distribución combinada del
flujo debido a la armadura y el campo.
18
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
1.4.2 Reactancia de la armadura
La reactancia de la armadura, cuyo nombre es parecido al anterior pero que
es un fenómeno diferente, es el resultado de la reactancia inductiva del devanado en
particular de la armadura en el que se esté efectuando la conmutación. El proceso de
conmutación de un circuito de armadura rotatoria incluye la inversión de la corriente
en cada bobina conforme pasa por las escobillas. Esto se puede ver si se da uno
cuenta de que el circuito de la bobina a cada lado de una escobilla dada contribuye
con una corriente que fluye hacia las escobillas positivas, alejándose de las
negativas, en un generador. En un motor ocurre lo contrario, pero el problema es
similar. Si en la última bobina que se está acercando a la escobilla hay una corriente
que esté fluyendo hacia el contacto de la escobilla en el segmento del conmutador,
esta corriente se invertirá en forma abrupta cuando el segmento pase de la escobilla
y se va alejando de ella. Esta inversión de corriente se efectúa durante el tiempo en
el que ambos extremos de la bobina están en cortocircuito por la escobilla.
1.4.3. Efecto de cortocircuito de las escobillas
A partir del instante en que el segmento que lleva el segundo extremo de la
bobina toca la escobilla, las polaridades de cada extremo deben aproximarse
rápidamente una a la otra, debido a que ambos extremos de la bobina están puestos
en corto por la pequeña, pero no nula, resistencia del cuerpo de la misma escobilla.
La corriente cae rápidamente a cero y con la misma velocidad comienza de nuevo.
Esto ocurre conforme el segmento original que va adelante pasa por la escobilla, y el
voltaje y la corriente inversos suceden en el otro lado. Este proceso no puede ser
instantáneo porque la bobina de la armadura tiene una inductancia considerable. Es
fácil darse cuenta de que una bobina tiene una inductancia real cuando se devana
alrededor de un núcleo magnético. Esta inductancia tiene relación con el número de
vueltas de la bobina y, mutuamente, con las demás bobinas del devanado de la
armadura, en particular con las que ocupan las mismas ranuras de la armadura que
ella. Este problema delicado se agrava cuando hay velocidades de rotación altas, ya
19
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
que queda menos tiempo para afectar la inversión. La reactancia inductiva de la
bobina está relacionada entonces con la velocidad de rotación, o tiempo de
conmutación, y el número de vueltas en la bobina.
Las escobillas de uso práctico ocupan más de un segmento del conmutador,
por lo común de dos y medio a tres y medio segmentos.
Haciendo compromisos razonables en el momento de diseñar las partes, es
posible lograr una buena conmutación. Esto comienza con bobinas que tengan
autoinductancias e inductancias mutuas tan pequeñas como sea posible. Luego, la
anchura del traslape de las escobillas y su resistencia interna se modifican en forma
experimental para que la bobina pueda descargar su energía almacenada durante el
ciclo de conmutación. En el caso ideal habrá un cambio uniforme en la corriente de la
bobina conforme ésta se barre por la escobilla. Se supone que cuando la bobina deja
la influencia de la escobilla, la corriente se invierte en su totalidad.
Este proceso de la inversión de la corriente se favorece si la magnitud del
campo de conmutación se ajusta de tal modo que la bobina en corto genere apenas
el voltaje suficiente para facilitar la inversión de la corriente.
Todo esto implica que hay una considerable disipación de energía tanto en la
superficie de contacto de las escobillas como en su interior.
1.5. El circuito magnético
Es necesario recordar que la densidad de flujo que cuenta es la que hay en el
entrehierro, entre las caras de los polos de campo y las bobinas de la armadura
directamente adyacentes. Éste es el flujo que cortan las bobinas del devanado de la
armadura en movimiento. El flujo restante que hay alrededor de la máquina es
necesario para cerrar el circuito magnético. El propósito del diseño es el de conseguir
20
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
un flujo de entrehierro razonablemente alto sin que haya grandes pérdidas debidas a
la parte forzadora del circuito en saturación.
Algunos estudios han demostrado que la mayor parte de la reluctancia del
circuito magnético se halla en el entrehierro. Por tanto, se requieren casi tres cuartas
partes del total de los ampere-vueltas de la fuerza de magnetización para superar la
reluctancia del entrehierro y hacer que circule un flujo razonablemente grande.
La fuerza de magnetización necesaria para alcanzar una intensidad de campo
dada en un elemento de forma geométrica conocida del circuito magnético se debe
calcular en pasos separados para cada uno de los distintos elementos geométricos
del circuito.
Como el producto final deseado es la intensidad del campo en el entrehierro,
ese valor del flujo será por lo general el punto de partida en los cálculos.
La intensidad del campo magnético en el aire o en la mayor parte de los
materiales no ferrosos es directamente proporcional a la fuerza de magnetización. En
consecuencia, cuanto mayor sea la fuerza de magnetización tanto mayor será el flujo
del campo. Esta relación lineal tan sencilla no es válida en los materiales ferrosos,
aunque con ellos pueden alcanzarse intensidades de campo mucho más altas para
una fuerza de magnetización dada.
Conviene en este punto recordar el uso de las siguientes unidades:
La fuerza de magnetización es proporcional en ampere-vueltas por unidad de
longitud y se le representa por H. De este modo:
21
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
ampere- vueltas
en unidadesinglesas
pulgada
H está en
H está en
ampere- vueltas
en unidadesdel SI
metro
Otro nombre de la fuerza de magnetización es el de intensidad de campo
magnético. La densidad de flujo magnético es una medida del flujo en líneas o en
webers por unidad de área y se le denota por B (o ).
B está en
líneas
en unidadesinglesas
in 2
está en
weber
en unidadesdel SI
metro2
está en
maxwell
cm2
Gauss
La relación entre H y B en los materiales no ferrosos o en el vacío o, desde un
punto de vista práctico, en el aire, se definió originalmente en las unidades del
sistema métrico cgs; en el SI son
H
OSI
4 x10-7
weber
metroampere vuelta
En consecuencia,
0.79577
La constante
H 0.79577x106
OSI
(léase
ampere- vuelta
metro
Ec. (1-5a SI)
mi subíndice cero) recibe el nombre de
permeabilidad del espacio libre; su conversión al sistema inglés es la siguiente:
22
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
-7
OE
4 x10
weber
108 línea metro
metroampere vuelta weber 39.37in
Es decir,
40
39.37
OE
3.1919
línea
pulgada ampere vuelta
Por tanto, en unidades del sistema inglés,
H
0.313 30B
ampere vuelta
pulgada
En cualquiera de estas unidades, las cantidades
OSI
Ec. (1-5bI)
o
OE
son una constante
del aire en el entrehierro. Esto no es válido en el caso de las partes magnéticas del
circuito, donde
se convierte en
r
, es decir, la permeabilidad relativa al aire, y no
es una constante.
Esta variabilidad del factor r, se muestra casi siempre en las curvas BH de los
materiales específicos que se utilizan normalmente en los circuitos magnéticos. Los
valores de r, pueden variar desde 100 hasta 1000, pero no es una constante. Estos
valores tan altos de la permeabilidad implican que se requiere una cantidad mucho
menor de ampere-vueltas de fuerza de magnetización para mantener una fuerza útil
en los materiales magnéticos, a pesar de que estos últimos constituyen la parte más
larga del circuito.
En las figuras 13 y 14 se muestran curvas BH típicas.
23
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
Figura 13. Curvas de figura magnetización en unidades inglesas.
Figura 14. Curvas de magnetización en unidades del SI.
1.5.1. Análisis simplificado de un circuito magnético
Para el estudio de las relaciones en un circuito magnético típico en forma
simplificada convienen ver primero las relaciones dimensionales de una máquina
particular de cuatro polos, como la que se muestra en la figura 15. Adviértase que las
dimensiones se dan tanto en el sistema inglés como en el SI.
24
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
Si se supone que el flujo total
por polo, al calcularse mediante la ecuación
(2-6), es de 1 650 000 líneas (0.0165 Wb), la densidad de flujo es
/A = B(o
),
donde A = 5.5x6 es el área efectiva de una de las zapatas del polo. En tal caso.
1 650 000
línea
50 000
5.5x6
in (in)
O bien:
0.0165
0.1397x0.1524
0.775
Wb
m(m)
Se utilizaron metros en vez de milímetros a fin de obtener metros cuadrados.
Obsérvese que el área efectiva por polo es igual a la longitud de arco neta efectiva
de la zapata de polo multiplicada por la longitud efectiva axial de la pila de
laminaciones magnéticas de la armadura y el campo.
El problema es más fácil de resolver si se descompone de acuerdo con los
elementos del circuito magnético. De esa manera, cada parte se puede considerar
según lo requieren el material específico del que está hecha y su geometría.
Un ligero análisis del diagrama de circuito magnético que se muestra en la
figura 15 nos indica que cada polo es similar. Además, como se muestran las líneas
centrales, el circuito magnético divide cada polo en dos partes iguales. Por tanto, un
circuito magnético individual incluye las mitades, una frente a la otra, de dos polos
adyacentes y las partes de la carcasa exterior que las conectan, así como la pila de
laminaciones de la armadura.
25
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
Figura 15. Dimensiones de la estructura magnética.
Usando este tipo de división, cada trayectoria del circuito magnético es
afectada por dos bobinas de campo diferentes. Al mismo tiempo, cada bobina actúa
sobre dos circuitos diferentes, y puede considerarse que cada circuito es afectado
por la totalidad de los ampere-vueltas de cada bobina. Los ampere-vueltas no se
dividen porque no se consumen. Esto puede comprobarse mediante la segunda ley
de Kirchhoff. Por tanto, al calcular los ampere-vueltas que requiere cada uno de los
circuitos magnéticos, dicha cantidad se puede dividir entre dos y cada bobina de
26
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
campo puede entonces configurarse de modo que suministre la mitad de los amperevueltas necesarios.
A partir de un estudio de las dimensiones físicas que aparecen en la figura 15,
pueden determinarse los diversos elementos del circuito magnético. El procedimiento
se simplifica si se considera como un solo elemento cada uno de las partes del
circuito magnético que tienen una sección transversal, longitud y material
específicos.
Luego, se calcula el número de ampere-vueltas necesarias para magnetizar
cada uno de los elementos del circuito. A continuación se suman los ampere-vueltas
individuales para hallar el total requerido en el circuito completo.
Dependiendo del grado de detalle y precisión de los cálculos, pueden añadirse
algunos factores de tolerancia de modo que se alcance o incluso se rebase el nivel
de flujo calculado.
En la tabla 1 (véase anexo), se da un resumen de los requerimientos en
ampere-vueltas de la máquina que se muestra en la figura 15; para hacer los
cálculos se han hecho suposiciones para simplificar, en vez de tomar los valores
verdaderos de las longitudes de las trayectorias y de las secciones transversales de
cada uno de los elementos. Como todo el flujo magnético de la carcasa exterior y de
los polos de campo no fluye en el entrehierro realmente como se desea, debido a las
fugas que hay entre las puntas de los polos del campo, debe considerarse 15% más
de flujo en la parte externa del circuito. Se supone que el entrehierro mismo es de
20% mayor que su dimensión mínima verdadera, con el objeto de dar una tolerancia
a la forma de cara interior de la zapata del polo y a la pequeña área del material
magnético que hay en los dientes de
armadura. La sección transversal de la
trayectoria magnética en las laminaciones de la armadura se examina en diferentes
partes, y el valor de la menor área encontrada es el que se toma como la dimensión
que manda.
27
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
Al trabajar con una tabulación como la tabla 1, las longitudes de las
trayectorias individuales y las áreas de las secciones transversales se tabulan
conforme se calculan. Adviértase que se muestran los resultados tanto en el sistema
inglés como en el SI. La tabla se utiliza así:
(1) La primera columna sirve para identificar cada elemento.
(2) La columna 2 es el flujo total requerido
(o
).
(3) La columna 3 es el área de cada uno de los elementos de la trayectoria.
(4) La columna 4 es la densidad de flujo calculada a partir de B =
=
/A o bien
/ .
(5) La columna 5 indica el material específico empleado para esa parte.
(6) La columna 6 representa la fuerza de magnetización H requerida en amperevueltas por pulgada lineal (o por metro lineal) de longitud de trayectoria del
material específico a esa densidad de flujo en particular. Estas cantidades se
obtienen de las curvas BH del material en cuestión. En el caso de los
entrehierros, H se calcula mediante las ecuaciones (1-6I) o (1-6SI).
(7) La columna 7 representa la longitud de las trayectorias determinadas en forma
individual.
(8) La columna 8 es simplemente la columna 6 multiplicada por la 7.
(9) En cada uno de los sistemas de unidades se hace la suma de los
requerimientos de ampere-vuelta individuales.
La cantidad final de los ampere-vueltas por polo da los requerimientos de
diseño para una bobina de campo específica. Por supuesto que el requerimiento
básico de flujo que se tomó como 1 650 000 líneas (0.0165 Wb), tiene que
determinarse en este caso para el máximo requerido.
Poniendo atención a este proceso se podrá hacer un cálculo a groso modo del
requerimiento de ampere-vueltas por trayectoria magnética para cualquier motor o
generador de cd. La división del resultado final entre 2 no tiene que se siempre así,
ya que las marchas de los automóviles baratos, por ejemplo, sólo se devanan sobre
28
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
un solo polo. Por tanto, en ese caso específico, hay una sola bobina por circuito
magnético.
1.6 Construcciones especiales
1.6.1 Motores sin núcleo
Hace poco ha surgido una nueva clase de motor de tamaño pequeño. El motor
sin núcleo no tiene núcleo magnético en la armadura rotatoria. Hay dos formas de
construcción fundamentalmente distintas, dependiendo de la forma física elegida.
Las ventajas que se obtienen son:
Una inercia reducida del rotor de la armadura, lo que permite una aceleración
en extremo grande, y en consecuencia una constante de tiempo de respuesta muy
pequeña en el mecanismo de control y muy poco o casi nada de bailoteo, es decir, la
tendencia del motor a moverse en pequeños jaloneos angulares conforme el par
apenas sobrepasa el campo de las fuerzas magnéticas de atracción de la armadura.
Los dos tipos principales se describirán a continuación por separado.
1.6.2 Rotores de disco o de circuito impreso
Si toda la armadura se hace con la forma de un disco plano, con el espesor
apenas suficiente para darle cierta resistencia estructural y para permitir conectarle
los conductores del circuito de la armadura en ambas caras, entonces la forma
natural de construcción lleva al uso de un circuito impreso. En ese caso la base
estructural es el material laminado no conductor y no magnético. La separación entre
los conductores de la armadura se graba en las caras originales cubiertas de cobre
del material básico laminado o de la placa. En los modelos más pequeños incluso
los segmentos del conmutador se pueden hacer a partir del circuito impreso. Las
variantes incluyen conmutadores separados
que se fijan al circuito del rotor y
separan devanados perforados o formados que se sujetan en forma adhesiva al
29
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
tablero básico, en los modelos medianos. El resultado es que la armadura queda
delgada a los largo de la dimensión axial y por tanto no requiere de un núcleo
magnético de acero al silicio para mantener el entrehierro entre los polos del campo
en un tamaño razonable. Los polos del campo se disponen paralelos al eje de la
armadura, en vez de hacerlo en forma radial. Esto crea líneas de flujo paralelas al eje
a través del área del conductor
de la armadura en la región en la que los
conductores son esencialmente radiales. En la figura 16 se muestra la construcción
de un motor de disco.
Figura 16. Motor de rotor de disco. (Cortesía
de PMI Motors División, Kellmorgen Corp.)
Conforme el tamaño de los motores aumenta, los problemas usuales del
desarrollo de cualquier construcción intrínsecamente nueva se hacen aparentes. El
calentamiento en el devanado de la armadura, causado por una pérdida normal del
tipo I2R, tiene una tendencia a deformar el disco y a aflojar las uniones de los
devanados. Esta dificultad se supera mediante una selección cuidadosa de los
materiales, por una parte, y por otra mediante una igualmente cuidadosa proporción
del tamaño y el espacio del entrehierro del campo. Estos motores se pueden fabricar
en cierto rango de tamaños y con cualquier construcción normal de polos de campo
de devanado en serie, en derivación o compuestos. No obstante, en la actualidad se
usan campos de imán permanentes.
Una de las limitaciones es que es difícil hacer más de una vuelta de devanado
por bobina. El resultado es que este tipo de motores está limitado a voltajes
pequeños. Sin embargo, la mayoría de los servocontroles usan tanto motores como
voltajes pequeños.
30
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
1.6.3 Motores enlatados
Su nombre se debe al aspecto de estos pequeños cilindros. Los motores
cilíndricos ya existían, como en las marchas de los automóviles, pero los motores
muy pequeños se fabricaban por lo común con una carcasa abierta y una
protuberancia en un extremo para su magneto de campo. Así, los motores pequeños
con un envase cilíndrico se denominaron como motores enlatados. La forma se debe
a que el envase exterior es una sencilla trayectoria de retorno de acero magnético
del circuito del campo. El campo consiste por lo general en una pieza bipolar de
Alnico o de material magnético cerámico y se coloca de manera concéntrica dentro
de la lata.
Éstos motores también tienen una inercia muy pequeña y no tienden a
bailotear a velocidades y potencias bajas. Los usos que se les da en la actualidad
son los de servocontroles en instrumentación y, por miles, en los modelos a escala.
Su desempeño es excepcionalmente bueno para el tamaño que tienen, ya que la
tendencia al bailoteo de los motores convencionales pequeños con sólo tres ranuras
en la armadura era y es muy severa. Esto podría haberse minimizado introduciendo
más ranuras en la armadura y segmentos del conmutador. Sin embargo, en los
modelos pequeños los alambres del devanado de la armadura son tan delgados
como cabellos, y hacer más bobinas de tamaño aún menor sería impráctico.
A pesar de sus ventajas, el tamaño de los motores enlatados parece tener en
el presente un límite debido a la dificultad de sostener en forma adecuada los
devanados de la armadura contra los pares y los esfuerzos centrífugos.
En la actualidad, la fabricación de este tipo de motores tiene un nicho
específico, aunque limitado. Su enorme desempeño hará que tal nicho se expanda,
ya que está limitado sólo por factores de costos competitivos y por los métodos
prácticos de fabricación. El intervalo actual de tamaño va desde poco más de una
pulgada de diámetro (25-30 mm) hacia abajo.
31
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
1.6.4 Motores sin Escobillas
Todos los motores y generadores considerados hasta ahora tienen una
armadura construida como un elemento rotatorio o rotor. Esto ha sido conveniente
porque todas las máquinas consideradas requieren
de un mecanismo de
conmutación giratorio para seleccionar la polaridad de las conexiones de la bobina
de la armadura. Quienes diseñan motores y generadores han soñado desde hace
tiempo con eliminar el conmutador y las escobillas que, hasta hace muy pocos años,
eran el único medio práctico de efectuar el proceso requerido de conmutación.
Sólo hasta hace poco han hecho su aparición diversos medios prácticos para
conmutar las polaridades de la bobina sin el uso de escobillas y conmutadores.
La mayoría de estos nuevos modelos aprovecha el hecho de que no es
necesario un mecanismo rotatorio de conmutación en el motor si el devanado de la
armadura se coloca en una posición estacionaria en el estator. El campo es por lo
general un imán permanente, el cual se monta sobre el eje y hace las veces del rotor.
Esta construcción invertida se parece mucho a las armaduras básicas de ca.
2 Construcción física de Máquinas de Corriente Alterna
2.1 Construcción mecánica
A excepción de los tipos especializados, como el motor universal de ca-cd, el
cual se parece mucho a un motor de cd en serie, casi todos los motores y los
generadores de ca se construyen aprovechando la relación natural de tener la
armadura fija y en torno al campo, con el campo en movimiento y dentro de la
armadura.
32
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
2.2 Devanados del alternador
Los tipos de devanados que se usan en maquinaria de ca están
estrechamente relacionados con los devanados para cd. Se utilizan devanados tanto
traslapados como ondulados, pero el traslapado es mucho más común porque las
conexiones de bobina son más cortas.
Puesto que las máquinas trifásicas requieren tres grupos idénticos de
devanados separados por 120 grados eléctricos, y como los polos deben existir por
pares, hay ciertas reglas que afectan a los devanados y al espaciamiento de las
ranuras de la estructura magnética.
Los grados eléctricos se refieren al ángulo cíclico de la onda senoidal
repetitiva, donde un ciclo completo equivale a 360 grados eléctricos. Puesto que los
polos magnéticos opuestos producen voltajes opuestos en una situación de bobina
en movimiento a polo, la diferencia máxima de voltaje a lo largo de una onda
senoidal se encuentra separada por 180 grados eléctricos, el cual tiene lugar entre
cada polo sucesivo de campo. Los grados eléctricos totales en una rotación de 360
grados mecánicos son pues simplemente 180 veces el número de polos, o:
Grados eléctricos totales en una revolución = 180 P
Ecuación 2-1
Donde P es él numero de polos.
2.2.1 Encordado de los devanados
Un factor de diseño es el encordado de los devanados de los polos, si en la
máquina de 36 ranuras y cuatro polos, una bobina individual entra en la ranura 1 y
retorna en la ranura 10, se habrán abarcado 90 grados mecánicos de la estructura
circular del estator. Puesto que por definición hay cuatro polos en este caso, 90
grados mecánicos son 180 grados eléctricos con base en la ecuación anterior. Así,
33
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
los lados de la bobina están en la misma posición relativa sobre las posiciones
adyacentes de los polos norte y sur. Esta es una construcción de las bobinas de
paso completo (véase en la Figura 17 una representación de esta condición).
Figura 17. Estator de ca de cuatro
polos con bobinas de paso
completo
La bobina de máquina de ca más común cubre menos de la periferia de la
máquina y se dice por lo tanto que es de paso fraccionario, en una situación típica
una bobina puede entrar en la ranura 1 y salir por la ranura 7, esto cubre seis de
nueve posibles pasos de ranura, y tiene por tanto un paso de 6/9 o 66.7%. La
mayoría de las bobinas de máquinas de ca es del tipo de paso fraccionario, el cual
presenta algunas ventajas importantes.
(1)
Los extremos de las bobinas son más cortos, lo cual significa menos pérdidas
en el cobre gracias a una longitud total menor.
(2)
A las bobinas de los extremos se les puede dar una forma más compacta, las
campanas de los extremos necesitan menos espacio de devanado, lo que da
por resultado una unidad más corta.
Aquí también, en la situación con 36 ranuras, y con bobinas de paso ya sea
completo o fraccionario, las 36 bobinas son todas iguales.
34
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
Figura 18. Bobinas de doble capa en un estator de ca.
2.2.2 Conexiones de grupos de bobinas
La figura 18, muestra como se depositan las bobinas dentro de las ranuras. La
inmensa mayoría de las máquinas con devanados traslapados u ondulado emplea
esta disposición de devanado en capas dobles. Esto es muy parecido a la forma de
devanar una armadura de cd la interconexión de las bobinas da por resultado, como
en la situación de las 36 bobinas, 12 grupos de tres bobinas por grupo. Cada grupo
se asocia luego con una fase y un polo. Como hay cuatro polos en esta situación
sencilla pero real. Hay cuatro grupos de bobinas en cada fase. Esta es la situación
ordinaria, incluso cuando se usan más ranuras y bobinas.
Una máquina de 72 ranuras y seis polos devanada para tres fases tendría
72/6 = 12 ranuras por polo y 12/3 = 4 ranuras por fase y por polo. En este caso las
bobinas se conectarían en grupos de cuatro y habría seis de estos grupos de cuatro
bobinas por fase.
Son posibles muchas variedades de conexiones de grupos de bobinas, pero
en la actualidad sólo se usan relativamente pocas de ellas. En una máquina trifásica
los grupos de bobinas por fase se reúnen para todos los polos, y este agrupamiento
mayor se divide por lo común en dos partes, en la máquina de 36 ranuras, dos
grupos de tres bobinas están conectados en forma permanente. Así pues, hay dos
35
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
de estas conexiones de seis bobinas por fase. Si están conectadas en serie, el motor
o generador esta ajustado para trabajar con el más alto de sus voltajes nominales en
esta forma, un motor o generador puede trabajar con 110 o 220 V, o tal vez con 220
o 440 V, y así sucesivamente. Se obtiene de manera inherente una gran flexibilidad
de instalación.
Cuando estos grupos de bobinas se asocian entre si, el sentido de devanado o
de conexión sobre polos opuestos (norte o sur) debe ser opuesto. Así, cada conexión
en serie adyacente por fase y por grupo polar se debe invertir para que la polaridad
sea correcta (véase en la figura 19 una interconexión típica de bobinas).
Una maquina trifásica, cuando se reúnen grupos de bobinas de fase, se
conecta luego en estrella o en delta, y también en serie o en paralelo, como se
muestra para las conexiones de estrella en la figura 19. Los extremos de grupo de
bobinas de estator de motor trifásico se numeran normalmente del 1 al 9, según se
muestra, y por lo común los puntos 10,11 y 12 se “sepultan”, a menos que se les
necesite de manera especial.
2.2.3 Distribución de los devanados
Se necesita una última definición antes de intentar el cálculo específico de
voltajes nominales de máquina. Puesto que las bobinas se depositan, por lo común
como se muestra en la figura 18, se observa que están espaciadas de manera
uniforme en torno a la periferia del estator de la máquina. Volviendo a la situación de
36 bobinas y cuatro polos, se puede ver que en este caso específico cualquiera de
los polos tiene dos grupos de fase de tres bobinas conectadas en serie por polo. Los
voltajes que se generan en las bobinas de un grupo monofásico de tres bobinas no
se suman simplemente. Puesto que cada bobina no es barrida o cortada por la
misma intensidad de flujo magnético al mismo tiempo, no se encuentra en la misma
relación de tiempo y fase a pesar de que son parte del mismo devanado de fase.
Todos estos factores, que constituyen un devanado multifásico, de dos niveles,
36
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
encordado o distribuido en pasos completos, son aplicables a diversos generadores y
motores de ca, tanto grandes como pequeños.
2.3
Armadura fija o estator
Esta armadura fija y externa tiene un anillo completo con dientes y ranuras en
su cara interna. En una máquina ordinaria, todas las ranuras están llenas con
bobinas similares y simétricas. Por consiguiente, puede no ser tan evidente cuántos
polos o fases se presentan en el devanado. En el rotor de campo, la construcción
puede ser muy parecida a la de una armadura de cd con una estructura magnética
circular completa que tiene un grupo continuo de ranuras y dientes sobre la superficie
externa. También en este caso las ranuras están llenas con bobinas similares y
simétricas, y no se aprecia con facilidad cuántos polos o fases tiene la máquina. Con
una construcción de campo de polos salientes, el número de polos es visible, como
en una máquina de cd.
Si los lados de las ranuras de devanado son paralelas entre sí en una ranura
individual, lo cual constituye un tipo de construcción frecuente, se puede ver en la
figura 20 que la estructura dentada de estator se vuelve más fuerte conforme se hace
más profunda. Sin embargo, la misma figura muestra que la ranura del rotor se
vuelve más débil al hacerse más profundo. Esta ventaja en la estructura dentada
para el estator se utiliza en el estator de ca.
37
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
Figura 19. Conexiones típicas de grupos de bobinas y polos.
A estas alturas ya puede uno preguntarse si es necesario usar ranuras con
lados paralelos. No son necesarias en los tamaños pequeños, sin embargo en los
grandes, donde las bobinas se hacen con alambre de sección transversal grande y el
aislamiento se debe distribuir con el mayor cuidado, se requiere la ranura de lados
paralelos, puesto que las bobinas grandes se ejecutan, se unen con aislamiento, se
impregnan con barniz y se hornean, no pueden cambiar con facilidad de forma
durante la instalación en el núcleo magnético.
38
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
Las máquinas más pequeñas de ca. se devanan con bobinas sueltas de
alambre redondo las cuales se pueden deslizar dentro de las ranuras vuelta a vuelta
durante el devanado o la instalación. De esta manera se puede emplear casi
cualquier forma de ranura. El uso pleno de la sección transversal de la ranura parece
requerir ranuras laterales paralelas en los tamaños grandes. En todas las ranuras de
la forma que sean, se debe proveer algún medio para aprisionar y sujetar los
devanados en su lugar. Como consecuencia, se prevé algún recurso en la ranura
para cuña de recubrimiento, incluso si tiene lados paralelos.
Figura 20. Estructura típica de ranuras de laminados magnéticos en una dínamo de ca.
En el estator de una máquina de ca la corriente varía en forma continua con la
rapidez de repetición de frecuencia. El flujo magnético resultante varía entonces en la
forma cíclica, y hay histéresis y pérdidas por corrientes parásitas en la estructura
magnética. La estructura esta hecha de placas delgadas de aleación de acero al
cilicio que troquelan con facilidad para dar forma en matrices de presión construidas
para esa tarea. Los laminados troquelados de estator cubren ordinariamente él
circulo completo en las máquinas de tamaño pequeño y mediano. Existen familias
patentadas de tamaño progresivamente mayores que cada fabricante ajusta a una
norma. Puesto que las matrices de troquelado son costosas, se suministran sólo
39
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
unos pocos números distintos de ranuras y dientes para un tamaño básico. Como se
podrá ver, estos números de ranuras determinan el número de bobinas que se
puedan alojar.
Las máquinas de tamaño mayor se construyen con laminados en segmentos
de tamaños razonables. El tamaño depende del ancho del material y los tamaños de
matriz de presión disponibles.
El espesor del material para laminado se determina mediante consideraciones
de pérdidas por corrientes parásitas y de manejo del material. El laminado delgado
tiene menos perdidas por corrientes parásitas, pero su manejo se dificulta y los
dientes se doblan con demasiada facilidad. Un espesor de material de alrededor de
0.014 in (0.35mm) se emplea desde hace mucho tiempo para máquinas de ca de 60
Hz. El tamaño de material para laminado bajo los tamaños de material acordados en
el SI permanecerá tal vez sin cambio, puesto que 0.35 mm es el espesor tentativo
que ocupa el segundo lugar en preferencia. De no ser así, tal vez se usara un
espesor de 0.3 o 0.4 mm, ya que serán válidas las mismas consideraciones
económicas y de frecuencia independiente de las unidades de medición empleadas.
Los números de ranuras están normalizados en torno a 36, 48, 60 y 72, y así
sucesivamente, por algunas razones mecánicas de los devanados.
2.3.1 Estructura del campo giratorio
La constricción mecánica del resto de un motor o generador de ca. Se
diferencia excepto por la falta de un conmutador. Con alternadores y motores
síncronos, se usan anillos colectores que sirven para llevar ca. Hacia adentro y
afuera del campo giratorio, ubicados en una posición similar a la de un conmutador.
Un anillo colector es una aleación de cobre que esta aislado del eje del rotor y
conectado a los devanados del rotor. Una escobilla de carbón sostiene a un aparejo
40
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
porta escobillas que completa la conexión. Puesto que no se requiere una resistencia
interna particular para facilitar la conmutación, la escobilla de anillo colector es más
dura y densa que una de conmutador. Tiene una caída de voltaje menor y por lo
tanto es responsable de menos pérdida de potencia que su contraparte de cd.
Cuando los devanados del rotor llevan ca. Trifásica se utilizan tres anillos
colectores, en ciertos casos de motores síncronos más grandes, se utilizan múltiples
devanados y pueden estar presentes cinco anillos o más.
Los devanados de armadura de alta energía se colocan sobre la estructura del
estator, que tiene un espacio relativamente mayor para devanados. Por lo común,
una máquina de ca. Puede ser más pequeña en conjunto que su contraparte de cd.
Con la misma potencia nominal. La falta de un conmutador también contribuye a
reducir el tamaño más adelante se podrá ver que los tamaños de maquinas de ca.
También están normalizados de acuerdo con los tamaños de carcasa de NEMA y a
tamaños tentativos de carcasa en el SI. Sin embargo la máquina de ca. Alcanza en
promedio alrededor de 50% más de potencia dentro del mismo tamaño de carcasa.
2.4
Relaciones de voltaje
En los cálculos para determinar los amperes – vueltas por polo de campo se
usan los mismos procedimientos que se describen anteriormente. Este procedimiento
es válido excepto si es distinta la disposición estructural. En una máquina de ca se
seguirá la misma división del circuito a través del centro de los polos. Sin embargo, la
geometría real de los polos no es tan obvia a menos que se use una construcción de
rotor de campo con polos salientes. Saliente significa aquí individual y por separado
en el sentido de los polos de campo en una máquina de cd. Con polos salientes, se
consideraría una división arbitraria de 360/número polos. En este caso los polos
están unidos al núcleo del rotor y el entrehierro está en el extremo exterior de los
polos en vez del extremo interior. La carcasa exterior principal está dentada en su
cara interior para alojar los devanados del estator o armadura. Un rotor de campo
con polos no salientes o cilíndricos tiene una estructura dentada similar a la de
41
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
armadura de cd, y su diámetro llena el espacio dentro del rotor a excepción del
entrehierro. En este caso las ubicaciones de los polos son tan definidas como en la
construcción con polos salientes, pero no es fácil de visualizar.
También se debe tomar en cuenta que se utilizan los mismos materiales y,
que por tanto, son validas las mismas limitaciones de densidad de flujo real en B
líneas / in, o
Wb/m2, para una estructura de maquina de ca.
2.4.1. Fórmula básica de generación de voltaje
Haciendo otra vez referencia a la ley básica de Faraday, según fue
cuantificada por Neumann, la ecuación básica para el voltaje medio que se genera
en una sola vuelta de bobina de un devanado es:
Em e
t
X 10
8
volt
vuelta
EC. 2-4-A
O, para el sistema internacional:
Em e
volt
t vuelta
EC. 2-4-B
Las unidades son en cada caso las mismas. Obsérvese que será necesario
modificar el término de voltaje medio para usarlo en una condición de onda senoidal.
Si estas ecuaciones de por vuelta de bobina del devanado se modifican a una
situación de por bobina en una máquina de dos polos básica, tenemos lo siguiente:
42
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
em e/ bobina
4 NsX10
8
volt
bobina
EC 2-4-C
volt
bobina
EC. 2-4-D
Y para el sistema internacional:
em e/ bobina
0.63662 N
También en este caso las unidades son las mismas, empleando s o ω para la
velocidad de rotación. Obsérvese que se usa s en rps.
Por conveniencia cuando se trabaja con un generador y debido a que la
frecuencia resultante del voltaje de ca es un parámetro básico y critico, podemos
sustituir s en revoluciones por segundo por ƒ en hertz sobre la base de uno a uno.
Esto es cierto para una maquina de dos polos, puesto que una revolución produce un
ciclo completo. De manera similar, en unidades del SI, 2πrad/s se puede sustituir por
ƒ.
Además, “por bobina” no resulta en particular conveniente, pero un grupo de
bobinas por fase y por polo si, puesto que se trata por lo general de un grupo de
devanados permanentemente conectado. Por consiguiente, N vueltas por bobina se
modifica a Nn en cualquiera de los dos conjuntos de unidades, donde n es el número
de bobinas por fase y por polo. Y por tanto una formula intermedia es:
Eme/fp = 4ФNnƒ X 10-8 V en unidades inglesas
= 4øNnƒ volts en unidades del SI
EC. 2-4-E
Obsérvese que 0.63662 provino de 4/2π, pero al pasar de ω a ƒ hemos
multiplicado por 2π y en esta forma el factor 4 ha retornado.
Esto ha representado en la ecuación anterior como un paso intermedio. Lo es
porque no se desea el voltaje medio, sino el voltaje efectivo de ca de una onda
43
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
senoidal. En una onda senoidal el voltaje medio es 2/ π o 0.636 62 veces el valor
máximo de la onda senoidal. El voltaje rms (medio cuadrático) o efectivo es 1/√2, 0
0.707 11 veces el voltaje máximo. Por consiguiente, la proporción deseada de media
cuadrática a media es 0.707 11/0.636 62 = 1.1107.
2.4.2. Paso de devanados
En una bobina de un devanado de doble capa y pasa fraccionado no se
genera el mismo voltaje al mismo tiempo en cada lado de la bobina. La distribución
del devanado de la bobina y la distribución de la intensidad de flujo están dispuestas
ambas de tal manera que se produce un voltaje de onda senoidal de un grupo de
devanados de polo fase. Los voltajes laterales individuales de la bobina deben
combinar luego como vectores de corriente. El factor de paso es la proporción del
voltaje que genera una bobina de paso fraccionario al voltaje que genera una de
paso completo, y siempre es menor que 1. En términos trigonométricos, esto es el
seno de la mitad del ángulo del recorrido de la bobina en ángulos eléctricos. Esto se
vuelve, para ambos sistemas de unidades:
Kp = sen (p/2)
Ecuación 2-4-F
Donde:
Kp = factor de paso (adimensional) ≤ 1
P = Recorrido de la bobina en ángulos eléctricos donde el paso completo es
180 grados eléctricos
Puesto que los recorridos de bobinas solo se pueden construir por números
enteros de ranuras de laminado, y solo relativamente pocas ranuras y pasos de
ranuras resultantes son practicas, Kp se puede tabular de manera conveniente. Los
recorridos de bobinas inferiores a dos tercios de las ranuras disponibles no se usan
normalmente puesto que no ofrecen ventaja alguna.
44
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
La tabla 2 (Véase anexo) contiene todos los factores de paso probables para
motores y generadores de ca que tienen un numero entero de ranuras por polo y por
fase.
2.4.3. Distribución de los devanados
Cuando las bobinas de un grupo de polo se conectan en serie, sus voltajes
individuales de bobina no son directamente aditivos a menos que dos o mas bobinas
se encuentren en la misma ranura, este factor de distribución está relacionado con
(pero no es idéntico a) el factor de paso recién descrito. El factor de distribución se
determina por las diferencias de
ángulo de fase debidas a la ubicación de las
bobinas individuales, de manera que su formulación también se basa en la sumatoria
de vectores de corriente. El factor de distribución esta relacionado en realidad con el
numero de ranuras por polo y por fase (n) y con el numero de grados eléctricos entre
estas ranuras ( ).
La relación de la combinación de voltajes de vector de corriente en cuestión se
muestra en la figura 21, donde intervienen cuatro ranuras por polo y por fase. Los
segmentos marcados como voltaje de bobina (Ec) son proporcionales a los voltajes
de bobina individuales independientemente de si están encordados o son de paso
fraccionario. El fasor largo (Epg) es el voltaje que se requiere para un grupo de
bobinas de fase. La relación deseada es por tanto:
45
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
Fig. 21. Factor de distribución de bobinas
Kd
E pg
suma factorial de voltajes de bobina por fase
Ec
suma aritmetica de voltajes de bobina por fase
La cual se reduce a:
Kd
Sen (nα/2)
N Sen (α/2)
EC. 2-4-G
Puesto que n es ranuras por polo y fase, n sólo puede ser un entero como 1,
2, 3, 4, 5, etc., amenos que se elijan grupos impares de bobinas. De manera similar,
α en una situación trifásica solo puede ser 180/3n o, 180 ranuras por polo. Así como
en el caso de Kp, Kd también se puede tabular (véase la tabla 3 en el anexo).
46
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
2.5
Alternador síncrono
Es el generador básico de ca. Se llama síncrono por que su frecuencia
generada se relaciona en forma directa con él número de polos de armadura y de
campo y con la velocidad de rotación. Con base en lo anterior sabemos que una
bobina individual de un devanado genera un ciclo completo de voltaje de ca cada vez
que es barrido por un par de polos magnéticos. En este punto no importa si esta ca
es una onda senoidal, aunque para una maquina de ca constituye una gran
desventaja que su voltaje final de salida y, por tanto, su corriente no sean ondas
senoidales. La frecuencia generada se convierte en ciclos por par polar a una base
de máquina a través de la siguiente relación:
PS
120
Donde:
= frecuencia en hertz
P =número de polos
S =velocidad en rpm
Esta relación es de importancia fundamental y es fácil seguirla si se construye
a partir de sus elementos básicos.
(1) Se desarrolla un ciclo completo de corriente alterna por cada par de polos
magnéticos barridos por un devanado: ciclo/2 polos
(2) Existe un número fijo de polos en un círculo completo de construcción o en una
revolución: polos/rev.
Adviértase que debe haber un número de polos, como en una máquina de cd
puesto que un polo norte no puede existir sin un polo sur.
47
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
(3) la velocidad de rotación se mide en revoluciones por minuto: rev/min.
(4) hay 1 min por cada 60s: min/60 s.
Al agrupar y cancelar tenemos:
ciclo
polos
2 polos
rev
XS
X P
rev
min
X
min
=
60 s
PS ciclos
120 s
EC. 2-5-A
Obsérvese que ciclo/s = hertz (Hz) en unidades inglesas o en SI.
Si la velocidad de rotación está dada en radianes por segundo o,
entonces,
(1)
Ciclo/s y polos/rev son como antes, pero la velocidad se expresa como rad/s.
(2)
Una revolución mecánica se compone de 2 radianes de ángulo: rev/2 rad.
Una vez más, al agrupar y cancelar,
ciclo
polos
rad
rev
xP
x
x
2 polos
rev
s
2 rad
ciclo
s
EC. 2-5-B
Obsérvese que, si la velocidad de la máquina está dada o se necesita en s
rpm, en vez de
rad/s, se debe usar la ecuación (2-5-A) aunque otras
consideraciones están dadas en unidades de SI.
Ahora se puede ver que existen relaciones fijas entre ciclos por revolución y
números de polos en los devanados. Esta relación se muestra en la ecuación (2-5-B)
también solo hay unas cuantas frecuencias de ca que se reconocen y se usan. Éstas
son 25, 50, 60, 400 Hz, de las cuales la de 60 Hz es muy común en lo Estados
Unidos. La de 400 Hz, se usa casi exclusivamente para ca en aeronaves porque
permite utilizar máquinas pequeñas de alta velocidad, las cuales también requieren
un tamaño menor de estructura magnética y menos peso.
48
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
Con base en las relaciones de polos, la velocidad y frecuencia de la ecuación
2-5-A, podemos construir de manera conveniente las tablas 4 y 5 (véase anexos),
que muestran las relaciones implícitas en las máquinas síncronas de ca obsérvese
que la velocidad más alta disponible a 60 Hz es 3600 rpm para una máquina de dos
polos.
Nótese que la tabla 5 (véase anexos) presenta las velocidades como múltiplos
de . Esto se ha hecho para evitar decimales largos y repetitivos donde es posible.
Conviene hacer unas cuantas comparaciones con base en estas tablas. De la
tabla 4 (véase anexos) se puede ver que las conversiones de frecuencia son posibles
en el caso de máquinas conectadas directamente. Una máquina de 12 polos y 60 Hz
que gira a 600 rpm se conecta directamente a una maquina de 10 polos y 50 Hz que
giran a las mismas 600 rpm. Así es, en efecto, como se efectuaban las conversiones
de energía eléctrica entre sistemas. De manera similar, un motor sincrono de seis
polos y 60 Hz se puede conectar en forma directa a un alternador sincrono de 40
polos y producir 400 Hz cuando ambas máquinas giran a 1200 rpm. Así es como se
genera energía eléctrica exacta de aeronave de 400 Hz para usarse en una fabrica
que solo dispone de energía eléctrica de 60 Hz. Cuando son aceptables frecuencias
inexactas, muchas fábricas generan la energía eléctrica a 400 Hz que necesitan para
pruebas conectando un motor de inducción de dos polos, el cual, como podemos ver,
trabaja a menos de 3600 rpm con 60 Hz, a un alternador sincrono de 14 polos y
nominalmente de 400 Hz. Se aprecia que casi cualquier velocidad rotatoria inherente
de una máquina motriz se puede igualar por medio de una combinación de polos y
frecuencia.
49
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
3. Sistemas de Aislamiento para Máquinas Eléctricas Rotativas (MER)
3.1 Breve historia de diseño de Aislamiento para MER
En los días de inicio de la industria eléctrica, materiales que eran considerados
aislantes fueron puestos en servicio con poca o sin investigación científica de su
adaptabilidad. La mayoría de los materiales eran de origen natural orgánico tales
como algodón, lino, papel, laca, barnices y pinturas hechas de resina natural; las
posibles excepciones fueron mica, vidrio y porcelana. Aunque los materiales
orgánicos eran buenos, fueron limitados básicamente por temperatura. Para voltajes
y temperaturas más altos la mica y vidrio se convirtieron incrementadamente
importantes como aislamiento a tierra por sus excelentes propiedades y su facilidad
de aplicación. Uno de los primeros sistemas de aislamiento de alto voltaje fue el
llamado “MICA FOLIUM”, el cual consistía de hojuelas de mica reforzada con papel
y unidos por laca.
Con el desarrollo de la industria eléctrica se adelantó al uso de cinta de mica
unida con asfalto para aislar la bobina completa. La impregnación de bobinas
completamente aisladas en asfalto caliente fue empleada para incrementar las
propiedades
eléctricas
y
mecánicas
de
los
sistemas
de
aislamiento
de
turbogeneradores. La mayoría de estos turbogeneradores desarrolló una condición
llamada “separación de cintas” debido a la expansión y contracción térmicas de estas
grandes máquinas. Varios desarrollos en la combinación de materiales para
sobreponerse a estos problemas, ocurrieron durante los 30’s y los 40’s. Estos fueron
adoptados por la mayoría de los principales fabricantes de máquinas eléctricas.
El más significativo desarrollo de aislamiento fue la introducción por
Westinghouse Electric Corporation, de su aislamiento thermalastic en 1950. La resina
sintética sin solvente usada en este sistema fue sustancialmente mejor que la
previamente usada de compuestos asfálticos y marcó una brecha en el desarrollo de
los sistemas de aislamiento.
50
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
La separación de las capas de cinta (agrietamiento) debido a la expansión y
contracción térmica, que fue un problema de operación común que hacía fallar la
máquina, fue completamente eliminado con el sistema thermalastic. Esto fue posible
porque el sistema thermalastic usó impregnación bajo presión en vacío (VPI) de una
resina de poliéster sintética termo-endurecida dentro del aislamiento de mica. El
sistema thermalastic fue el primero comercialmente factible en uso de esta
tecnología y fue un pilar en el desarrollo de sistemas aislantes para equipo rotatorio
de corriente alterna.
En 1960, Westinghouse desarrollo el concepto de “Post-impregnación”, que
es la impregnación del estator completamente devanado y conectado. El concepto es
excelente porque simplifica el devanado y manufactura de bobinas, así como, provee
para mejores técnicas de amarre. Al mismo tiempo que el cambio a Postimpregnación fue hecho, la resina también fue cambiada a una resina epóxica
catalizada sin solvente. La nueva resina dio mejor resistencia mecánica, y lo más
importante, mejoró la resistencia a la mayoría de los productos químicos y a la
humedad. Esta propiedad hizo posible ofrecer un sistema de aislamiento
completamente sellado. No se han hecho desarrollos significativos desde 1972,
aunque incrementos en la capacidad de resistencia a impulsos han sido requeridos
por muchos clientes y está bajo estudio por muchos fabricantes de máquinas
rotatorias.
3.2 Requerimientos del sistema
La fase más importante de cualquier sistema de aislamiento es elegir una
resina que tenga las siguientes características listadas. Una vez que el sistema de
resina ha sido seleccionado resulta muy costoso cambiarlo o reemplazarlo.
51
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
1.
Baja viscosidad.- para penetrar entre las múltiples capas de cintas de mica.
Para mejores resultados esta debería ser menor de 500 centipoise (cps) a
25°C.
2.
Estabilidad de almacenaje prolongada.- Para almacenarse muchos meses
con solamente poco incremento en viscosidad (una velocidad satisfactoria de
incremento es 1.5 cps/día o menos a temperatura de almacenaje.
3.
Tiempo de curado corto (a temperatura de curado).- Un curado rápido
previene el desperdicio de resina que es un factor importante para el
contenido de huecos y tgδ tip up del aislamiento (un tiempo de curado
recomendado es abajo de una hora a temperatura de curado).
4.
Bajo tgδ.- Propiedades eléctricas buenas a elevada temperatura son
importantes para prevenir la posibilidad de fuga del factor de potencia (un nivel
preferido es menos del 10% a 155°C).
5.
Resistencia al ataque de productos químicos.- Algunas aplicaciones de
motores y generadores requieren resistencia a ácidos, álcalis, solventes,
humedad o agua salada; en este caso la resina epóxica tiene ventaja sobre
otras resinas como las de poliéster.
6.
Rango de distorsión de calor bueno.- La temperatura de distorsión de calor
es una medida del punto en el cual una resina cambia de un material sólido
quebradizo a un material blando (semejante al caucho). En años recientes, los
más grandes fabricantes eléctricos han tendido a emplear resinas VPI con
temperaturas de distorsión de calor (TDC) en el rango de 60-120°C. Materiales
con TDC menor de 60°C
pueden ser demasiado blandos y podrían
experimentar problemas de fluencia (creep) bajo carga sostenida, mientras
que, con muy alta TDC tienden hacia el lado quebradizo y pueden estar
propensos a agrietamiento cuando están sujetos a ciclo térmico o mecánico.
52
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
7.
Compatibilidad.- compatibilidad entre todos los componentes del sistema
aislante (especialmente la compatibilidad de los envolventes y cintas de mica
con la resina VPI) es importante dado que al existir envejecimiento térmico
prolongado se presenta un incremento en tgδ a valores inaceptables.
8.
Estabilidad térmica.- Para prolongar la vida térmica del motor.
9.
Resistencia mecánica.- para resistir fuerzas electromagnéticas en los
cabezales.
10. Bajo encogimiento.-
Para mantener sistemas de soporte mecánico
inmóviles.
El desarrollo de un sistema de aislamiento (VPI) empieza con nuevas
formulaciones desarrolladas por un polímero (resina) con todas las características
listadas anteriormente. Después el ingeniero de aislamiento toma varias de estas
formulaciones y empieza a probar compuestos de mica y resina para la mejor
combinación posible de materiales.
Hoy en día la mayoría de las resinas VPI en uso son poliesteres o epoxis. Los
poliesteres son notables por su estabilidad de almacenaje prolongada, moderado
costo, curado rápido y buenas propiedades eléctricas. Las epoxis son excelentes en
propiedades mecánicas, bajo encogimiento y resistencia a productos químicos, agua
y solventes. La elección de una resina VPI específica debería estar basada en las
necesidades de la aplicación. En años recientes, muchos reparadores han preferido
resinas de poliéster por su buena estabilidad de almacenaje, rápido curado y
moderado costo. La mayoría de fabricantes de equipo original tienden a preferir las
resinas epoxis por su bajo encogimiento, poco flamable y mejor resistencia a
productos químicos y agua.
53
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
La elección de una formulación en particular puede ser hecha solamente
después de un estudio cuidadoso de las necesidades del equipo rotatorio y los
requerimientos del equipo de procesamiento a ser usado.
3.3 Envolventes y cintas de mica
Las cintas de mica y envolventes usados en sistemas aislantes nuevos, han
cambiado lentamente con el tiempo, para resultar en más bajo costo, mejor
manuabilidad, mejoras eléctricas, resistencias al efecto corona y al medio ambiente.
La resina. Que actúa como el adhesivo para retener las cintas de mica juntas, ha
evolucionado lentamente de resinas naturales a las sintéticas tales como poliésteres
o epoxis. Las barreras eléctricas de mica, han gradualmente cambiado de hojuelas
de mica a papeles de mica, dado que estos son productos más uniformes y más
bajos en costo. Los materiales de sostén que funcionan como refuerzo para
fortalecer las frágiles hojuelas de mica, han cambiado de algodón y papel a película
de poliéster o fibra, nomex y vidrio.
La construcción de cintas o envolventes requeridas para una nueva aplicación
de pende de una variedad de factores tales como:
a)
Compatibilidad.- Con la resina VPI
b)
Flexibilidad.- Para buena encintabilidad
c)
Estabilidad de almacenaje.- Varía de tres meses a un año o más a 25°C
dependiendo de la cinta (muchas cintas requieren de refrigeración)
d)
Eléctricas.- Combinadas con la resina VPI, tgδ a temperatura de operación,
debería ser debajo de 20% para aplicaciones de alto voltaje (7-14 KV). Para
voltajes más bajos, tgδ puede ser algo más alta. La tgδ depende de la resina
VPI, la cinta de mica y la compatibilidad de los dos materiales.
54
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
4. Calificación de sistemas aislantes
4.1 Pruebas de bobinas
En el desarrollo y calificación de un sistema aislante, la manufactura de
bobinas experimentales es un paso importante, puesto que prueba la habilidad en la
manufactura y manejo de las cintas, envolventes y la resina VPI. Esto prueba la
compatibilidad de la nueva resina con el proceso de fábrica y de alguna comprensión
de la manera en que la resina VPI interactúa con las cintas de mica y envolventes.
Las pruebas de bobina son consideradas las más críticas e incluyen las
pruebas eléctricas a varias temperaturas, entre 25°C y 155°C o más altas, la rigidez
eléctrica (en corto y a largo tiempo) y la prueba de bobina en agua salada (agua de
mar).
a) tgδ (factor de disipación). La tgδ es usada como una medida de las pérdidas
eléctricas de un sistema de aislamiento y es la tangente del ángulo de perdidas.
Muchas resinas orgánicas que son usadas para procesos VPI usan polímeros o
monómeros que son polares en naturaleza porque contienen oxhidrilo, ácido,
éster, u otros grupos polares. Cundo estas resinas son completamente curadas y
operadas a bajas temperaturas, exhiben muy baja tgδ, y cuando son calentadas
arriba de su temperatura de distorsión de calor TDC (temperatura de transición
del vidrio) cambian de sólidos duros a elastómeros. Este cambio en propiedades
físicas es frecuentemente acompañado por un incremento en las pérdidas
eléctricas de las resinas orgánicas. Por esta razón, la forma de la curva tgδ como
una función de la temperatura es importante para determinar la posibilidad de
“fuga del factor de potencia” en donde la temperatura del aislamiento alcanza un
punto crítico, que lo hace más blando, trayendo consigo un incremento de las
pérdidas, y continuando este proceso hasta que el aislamiento falla por exceso
de calentamiento.
55
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
b) Estabilidad de tgδ. El comportamiento normal para la tgδ de un sistema aislante
es que inicie desde un valor muy alto cuando las resinas no están curadas o
semicuradas y gradualmente mejorar en propiedades con el tiempo a
temperatura elevada. Para esto, son diseñados ciclos de curado que llevan la tgδ
abajo a valores aceptables (generalmente ocurre un mejoramiento con el
envejecimiento térmico, conforme es corrido en servicio). Algunos sistemas
aislantes, que tienen una incompatibilidad entre la resina VPI y la cinta o
envolvente pueden mostrar un decremento normal en tgδ con curado pero
después con cierto envejecimiento térmico, muestran un incremento en tgδ a
niveles inaceptables, que serían especialmente críticos para motores de alto
voltaje (7-14 KV).
c) Rigidez eléctrica en corto y a largo tiempo
i. Aislamiento a tierra.- La pared de aislamiento a tierra debe soportar los
efectos por esfuerzos de voltajes en las bases de corto y largo tiempo. Los
esfuerzos de corto tiempo pueden surgir por golpes de rayos, cerrado de
interruptores o del mal funcionamiento del sistema eléctrico. Y producen ondas
de impulso que pueden provocar esfuerzos muy altos en el aislamiento por
breves periodos de tiempo.
Los efectos por esfuerzos de largo tiempo del voltaje de operación, son
producidos porque la mayoría de los materiales aislantes prácticos contienen algunos
huecos dentro del compuesto de su estructura de aislamiento, tal que, cuando el
aislamiento está sometido a alto voltaje, el gas en estos huecos se ioniza y empieza
a conducir, llamándosele a este fenómeno “corona”. Las descargas producidas por
este fenómeno causan erosión gradual de la mayoría de los materiales orgánicos,
pero poco o no daño a algunos materiales aislantes inorgánicos tales como mica y
vidrio.
56
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
La rigidez eléctrica a largo tiempo puede ser probada según la norma IEEE
434-1973, sección 3. estas pruebas pueden ser llevadas a cabo en barras o en
bocinas, y normalmente la prueba se hace a frecuencia de potencia.
ii. Aislamiento entre vueltas.- Los procedimientos de prueba para el
aislamiento entre vueltas se están convirtiendo en una parte muy importante
del desarrollo de aislamiento. Como un resultado, el grupo de trabajo de la
IEEE-RMIS on project P792 ha producido una minuta para la “Recommended
Practice for the Functional Evaluation of the Impulse Voltage Capability of
Armature Insulation Systems for AC Electric Machinery Employing Form
Wound Stator Coils”. Este documento propone pruebas en formettes de una
manera similar a la prueba bajo IEEE-275 excepto que la prueba de impulso
es añadida a los esfuerzos (y la exposición a la humedad es eliminada).
d) Pruebas de agua y agua salada
A fin de establecer la resistencia de bobinas al agua y/o agua salada una
prueba de inmersión de estas es llevada a cabo. Las bobinas son aisladas para 2300
voltios y probadas a 1330 voltios de Corriente Alterna. Diez o más bobinas son
inmersas en una solución de 5% de cloruro de sodio hasta la mitad de los diamantes
superiores del lado de las terminales de las bobinas. El tiempo para fallar y la
localización de las fallas son registradas.
4.2 Requerimientos de Prueba para Calificación de Sistemas Aislantes
Una vez que se ha hecho la selección de la resina VPI y, se ha verificado la
compatibilidad de ésta con las cintas de mica y envolventes, el desarrollo del sistema
compuesto debe ser determinado a través del uso de pruebas que simularán el
envejecimiento del aislamiento. Estas pruebas involucran la manufactura de bobinas
(con aislamiento) y el devanado de estas dentro de un núcleo simulado (formette).
Cada formette tiene seis ranuras con cuatro bobinas que son devanadas dentro de
57
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
éstas, y una vez completo, simulará un segmento del devanado de estator de un
motor eléctrico de corriente alterna.
El propósito de las pruebas en formette es simular los esfuerzos de
envejecimiento térmico y mecánico que ocurren en un motor. Los ciclos involucran
envejecimiento térmico, seguido por vibración, después por exposición de humedad y
finalmente por una prueba contra voltaje. Normalmente, al menos tres formettes (12
bobinas) son corridos a cada temperatura y se realizan exposiciones a tres o más
temperaturas, lo cual, envuelve el uso de un mínimo de nueve formettes y 36
bobinas. Las bobinas son probadas eléctricamente una por una, tal que el resultado
es 36 puntos de falla. Estos puntos son graficados en Arrhenius paper, con el tiempo
(en horas) para falla en coordenada logarítmica contra el recíproco de la temperatura
absoluta.
A fin de acelerar el envejecimiento térmico de los formettes, las temperaturas
son elegidas arriba de la temperatura de operación del motor (las temperaturas de
envejecimiento más comunes para pruebas de formettes están en el rango de 170230°C). Por ejemplo, la mayoría de los motores de ahora son diseñados para
temperaturas clase B (130°C), pero muchos de estos sistemas han sido calificados
para clase F (155°C), lo cual permite una vida de servicio larga y un mínimo de fallas.
Cuando la falla promedio para cada temperatura es graficada contra el tiempo (como
descrito previamente en arrhenius paper) se genera una línea que puede ser
expresada hacia atrás de las temperaturas de prueba a la temperatura de operación
normal.
No hay criterio estándar de “pasa/falla” para estas pruebas; son útiles
solamente para comparar diferentes sistemas aislantes; por lo tanto, existe siempre
la necesidad de tener datos de referencia de sistemas probados en servicio que
hayan trabajado exitosamente a temperaturas clase B y clase F. Estos sistemas
probados en servicio actuarán como la referencia para mostrar si los sistemas
nuevos son mejores y cuanto son mejores.
58
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
Las siguientes secciones describen las pruebas de formettes más populares
que son:
1.
IEEE-275. Para evaluación térmica de bobinas preformadas de ca para
servicio a 6900 V o menos.
2.
IEEE-429. Para evaluación térmica de bobinas preformadas de ca en sistemas
sellados para servicio a 6900 V o menos.
(a)
IEEE-275
IEEE Práctica recomendada para la evaluación térmica de Sistemas Aislantes
para Máquinas Eléctricas de ca empleando bobinas de estator preformadas, para
máquinas nominadas a 6900 Voltios y abajo.
IEEE Recommended practice for thermal evaluation of insulation systems for
ac electric machinery employing form wound pre-insulated stator coils, machines
rated 6900 Volts and below.
Propósito: IEEE-275 fue escrita para realizar la comparación de la clasificación de
temperatura de sistemas aislantes nuevos con aquellos sistemas probados en
servicio. “Las pruebas no pueden ser usadas para predecir la vida exacta de un
sistema aislante en condiciones de operación reales, pero provee una técnica útil
para comparar un sistema no conocido con un sistema conocido”. Esto hace posible
determinar si un sistema nuevo es igual o mejor que un sistema viejo y si es mejor,
cuánto”.
Modelos de prueba: El modelo de prueba sugerido consiste de una estructura de
acero con seis ranuras simuladas, dentro de las cuales son devanadas cuatro
bobinas. Después de devanar, las bobinas pueden ser bloqueadas o tener
conexiones para simular el diseño real tan cerca como sea posible. La estructura del
59
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
formette devanado es después sujeta al proceso de fábrica normal (VPI, barniz y
ciclos de curado correspondientes).
Exposiciones de prueba: La secuencia de prueba consiste de múltiples ciclos que
incluyen exposiciones de temperatura, vibración, humedad y voltaje. La exposición
de temperatura (después de muchos ciclos) tiende a envejecer y volverlas
quebradizas a la mayoría de las resinas orgánicas. Vibración y humedad alteran el
aislamiento de mica y proveen una trayectoria conductiva húmeda por medio de la
cual puede ocurrir una falla en la prueba de voltaje. Esta es una exposición severa
puesto que los motores generalmente no están expuestos a una combinación así de
esfuerzos. Por esta razón, la prueba solamente puede ser usada para comparar
sistemas más que para predecir la vida térmica real.
(b) IEEE-429
IEEE Procedimiento de prueba estándar para la evaluación de sistemas
aislantes sellados para Máquinas Eléctricas de ca que emplean bobinas de estator
preformadas.
IEEE Standard test procedure for the evaluation of sealed insulation systems
for ac electric machinery employing form wound stator coils.
Propósito: IEEE-429 Es similar a IEEE-275 en que ayuda a establecer la vida
térmica del aislamiento excepto que IEEE-429 es para sistemas aislantes sellados y
por lo tanto incluye una fase de inmersión en agua para cada ciclo de prueba.
Modelos de prueba: Los modelos de prueba utilizan el mismo tipo de estructura
como IEEE-275 pero el aislamiento de bobina puede ser modificado para mejor
resistencia al agua.
60
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
Exposiciones de prueba: La secuencia de prueba consiste de múltiples ciclos que
incluyen exposiciones de temperatura, vibración, humedad, inmersión en agua y
voltaje.
Referencias de prueba:
i.
IEEE 43-1974. Recommended Practice For Testing Insulation Resistance of
Rotating Machinery.
ii.
IEEE …….. Standard Techniques For High Voltage Testing.
iii.
IEEE 434-1973 Sección 3
iv.
IEEE 286-1985. Recommended Practice For Measurement of Power Factor Tip
Up of Rotating Machinery Stator Coil Insulation.
v.
IEEE 522-1977. Guide For Testing Turn to Turn Insulation on Form Wound
Stator Coils For A.C. Rotating Electric Machines For Trial Use.
vi.
IEEE 275-1981 Recommended Practice for Thermal Evaluation of Insulation
Systems For A.C. Electric Machinery Employing Form-Wound Pre-insulated
Stator Coils For Machines Rated 6900 V Below.
vii. IEEE 429-1972. Test Procedure For The Evaluation of Sealed Insulation
Systems For A.C. Electric Machinery Form-Wound Stator Coils.
5 Tratamiento del devanado de estator de MER de ca.
5.1 Proceso VPI
El concepto de usar impregnación bajo presión en vacío (VPI) para el
tratamiento del aislamiento en máquinas eléctricas rotatorias es un concepto viejo.
Este envuelve la aplicación de cintas aislantes eléctricas a bobinas, las cuales serán
horneadas ya sea individualmente o en el estator completamente devanado para
remover humedad y solventes, aplicando vacío para remover volátiles y aire del
aislamiento, e inundando las bobinas o estator devanado con una resina aislante y
aplicando presión para forzar la resina dentro de las cintas aislantes. Después de
61
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
esto, se remueven las bobinas o estator de la resina y se someten a temperatura
para curar y endurecer el aislamiento.
Antes de 1949, las resinas naturales como el asfalto fueron usadas con
tratamiento
VPI
para
el
aislamiento
de
bobinas
de
turbogeneradores
y
hidrogeneradores. Y como éstas bobinas estuvieron sujetas a altos voltajes en
servicio, fue importante obtener buen llenado y bajo contenido de huecos para
eliminar daño por descarga corona. En 1949, Westinghouse introdujo el concepto de
tratamiento VPI para bobinas aisladas de mica con las nuevas resinas de poliéster
sintético y lo llamó Sistema Thermalastic, porque las resinas fueron capaces de
expandirse y contraerse sin la separación de la cinta o agrietamiento de la periferia,
lo cual había ocurrido en los extremos de las ranuras de máquinas aisladas con
asfalto.
5.2 Ciclo VPI
El proceso VPI consiste de los siguientes elementos:
a)
Prehorneado.- El núcleo devanado o estator es colocado en un horno de aire
circulante para remover humedad y volátiles del aislamiento.
b)
Vacío seco.- El núcleo devanado o estator es colocado en el tanque de
impregnación (vaso de presión) y se le aplica un alto vacío para remover aire y
volátiles residuales del aislamiento.
c)
Vacío húmedo.- El núcleo devanado o estator es sumergido en resina líquida
VPI para remover más volátiles de los devanados y la resina.
d)
Presión.- Para forzar que la resina VPI llegue al fondo del aislamiento de la
bobina, conexiones y bloques de soporte.
62
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
e)
Drenaje.- Para permitir que el exceso de resina en la superficie se vacíe.
f)
Horneado.- El estator es colocado en un horno con aire circulante y horneado
a temperatura elevada para endurecer la resina y aislamiento (curado).
5.3 Consideraciones especiales del proceso VPI
La calidad del aislamiento de un motor es altamente dependiente de la calidad
de la resina VPI y la calidad del proceso VPI. A continuación se presentan algunos
descubrimientos importantes relacionados con el proceso VPI
5.3.1 Calidad de la resina, Estabilidad
La contaminación de la resina VPI por cobre, zinc, sodio y cloruros
hidrolizables pueden tener serios efectos perjudiciales en la estabilidad de
almacenaje y propiedades eléctricas de esta.
La contaminación por agua de la resina epóxica debe ser evitada a toda
costa ya que con un 0.1% de humedad hará un cambio notable en la
estabilidad de almacenaje de la resina y menos de un 1% de contaminación
arruinará la resina VPI permanentemente.
Para la creación del vacío en el proceso VPI, es preferible el uso de bombas
de vacío que los eyectores movidos por vapor, dado que un mal
funcionamiento de los eyectores puede resultar en contaminación de agua a la
resina.
Se pueden usar separadores en el tanque de impregnación VPI para llenar
espacio extra y reducir el volumen de resina requerida. Dado que, al limitar el
volumen de resina en almacenamiento se mantiene la velocidad de renovación
63
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
de esta un poco más alta, lo cual a su vez ayuda a mantener la estabilidad de
la resina VPI.
Una temperatura de almacenamiento de la resina VPI baja, ayuda a disminuir
su incremento de viscosidad en almacenamiento.
5.3.2 Huecos
La cinta termocontráctil (shrinkable outer armor tape) contraerá durante el
prehorneado y apretará las cintas de mica subyacentes de los cabezales de
las bobinas, así como, las uniones y conexiones ayudando a dar mejor sellado
para protección contra humedad.
Una cinta de blindaje de baja porosidad (low porosity armor tape) ayuda a
limitar el escurrimiento durante el curado.
Una cinta de mica catalizada que acelere el tiempo de curado de la resina VPI,
ayudará a tener un menor escurrimiento de la resina.
El uso de envolvente (hoja hecha de material de mica, con un refuerzo de fibra
y una resina de liga) en la parte de la ranura de motores de bajo voltaje ayuda
para la retención de la resina, dado que ésta debe fluir al extremo de la ranura
para escapar.
El curado de bobinas o estatores en la posición horizontal ayuda a minimizar
el escurrimiento de resina durante el curado y resulta en más bajo contenido
de huecos.
Si los solventes, volátiles y aire no son removidos completamente durante el
prehorneado y el ciclo de vacío se expandirán durante el ciclo de curado y
desplazarán resina de la bobina o inflarán burbujas de aire en el aislamiento.
64
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
Estos huecos pueden traer como consecuencia pobre resistencia al agua del
motor y sitios corona durante operación a alto voltaje.
5.3.3 Impregnación
Mientras más tensa se aplique la cinta (o envolvente) a los conductores más
tiempo se requiere para que ocurra la impregnación completa.
Reduciendo la viscosidad por un factor de tres, resulta en una reducción del
tiempo de impregnación por un factor de 4 o más.
El tiempo para alcanzar la impregnación completa bajo presión es
aproximadamente proporcional al número de capas.
Durante el ciclo VPI, fluye poca resina a través de las cintas de mica y
envolventes, la mayoría del flujo es a través de los espacios entre capas.
Tan pronto como la presión se aplica la resina fluye dentro del aislamiento
(dependiendo de los parámetros del proceso VPI y el número de capas), pero
poca penetración ocurre durante el ciclo de vacío anterior (ciclo de vacío
húmedo).
5.4 Barnices aislantes
Los motores de bobinas preformadas se tratan con barniz a fin de proveer:
Resistencia de aislamiento en la superficie alta.
Una película sellada para protección contra humedad.
Protección contra corrosión química y agentes atmosféricos.
65
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
Un acabado liso que ayude a resistir polvo y otras impurezas que se acumulan
en áreas de fluencia (creepage) para limpiar más fácil el motor.
Protección especial contra moho.
Hay muchos tipos de polímeros que son usados como revestimiento para
proveer una película de protección en equipo eléctrico. La elección de un barniz
específico depende de un número de factores que incluyen el tipo de equipo, la
exposición de temperatura, y las condiciones ambientales (químicas, humedad, sal,
etc.).
6
Diseño de aislamiento de la bobina de estator de ca
6.1 Diseño de aislamiento a tierra
En general, la cinta de mica se emplea en todas las bobinas de alto voltaje
(arriba de 7 KV) y en todas las bobinas de bajo voltaje (debajo de 7KV) con
longitudes de ranura o núcleo de más de 50 pulgadas (127 cm). Esto es debido a la
dificultad de aplicar envolventes muy largos.
Los
envolventes son usados en los restantes diseños, porque el uso de
aislamiento a tierra tipo envolvente permite el uso de alrededor del 10% más cobre
para un tamaño de ranura dado.
La post-impregnación se aplica donde aún sea posible y es dependiente del
tamaño del tanque de impregnación. Estructuras tan grandes como 125 pulgadas
(317.5 cm) de diámetro son impregnadas por los más grandes fabricantes de los
Estados Unidos de América.
66
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
6.2
Diseño de Aislamiento del Subconductor y la Vuelta
1. El cálculo de los Volts Pico por Vuelta viene dado por:
VPI =
2
N
3 X P.U. X VPB
EC. 6-2
Donde:
P.U. = Por Unidad = 2 para aislamiento entre vueltas estándar
P.U. = 3 para aislamiento entre vueltas premium
E = Voltaje de operación de línea a línea
VPB = Vueltas por bobina
Aislamiento entre vueltas premium es usado cuando:
a.
Las especificaciones del cliente requiere que el devanado soporte ondas de
más de 2 por unidad con un frente de onda de 0.2 microsegundos o menos.
b.
La especificación del cliente requiere aislamiento entre vueltas premium.
c.
La máquina es un generador.
2.
La tabla 6 (véase anexo) puede ser seguida como estándar para seleccionar
el aislamiento entre subconductores.
No usar aislamiento del Subconductor de doble capa de vidrio poliéster para
voltajes de operación arriba de 5 KV.
67
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
No usar aislamiento del Subconductor de enamel para voltajes de operación
arriba de 5 KV para P.U. = 2 o arriba de 3 KV para P.U. = 3 por
consideraciones de degradación corona.
No usar aislamiento del Subconductor de doble capa de vidrio dación sobre
enamel para voltajes de operación arriba de 7 KV.
Si el ancho del Subconductor es menor de 0.15 pulgadas (4.125 mm), el
aislamiento del Subconductor de doble capa de vidrio dación sobre enamel
debe ser substituido por aislamiento de cinta de papel de mica para voltajes de
operación abajo de 7 KV.
Las figuras 22 Y 23 son representaciones gráficas de estas reglas.
3.
Calcular el voltaje de prueba impulso máximo como sigue:
Volts de Prueba Impulso RMS por vuelta:

500 para alambre enmelado ión.

350 para alambre aislado con doble capa de vidrio-poliéster (dacrón)
lado ión.

1800 para Alambre aislado con cinta de papel de mica o Alambre
enmelado blindado con doble capa de vidrio-dación.

3200 para aislamiento entre vueltas

Voltaje de Prueba Impulso RMS = Volts de Prueba Impulso RMS por
vuleta x vuelta por bobina.
68
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V

Voltaje de Prueba Impulso Pico = 1.4142 x voltaje de prueba Impulso
RMS.
4.
Solamente para bobinas post-impregnadas, este voltaje de prueba impulso
pico debe no ser más del voltaje de prueba tierra de corriente directa para la
prueba de bobina.
5.
Si se requiere el uso de aislamiento entre vueltas, será necesario incrementar
la tolerancia de aislamiento de ranura de acuerdo a los valores dados en la
tabla 7 (véase anexo), y usar un mínimo de 2 subconductores de profundidad
por vuelta, para proveer estabilidad mecánica cuando se aplique el aislamiento
entre vueltas y al expandir la bobina. Usar aislamiento con una capa de vidriodación en un Subconductor y enamel en el otro Subconductor de cada capa.
El Subconductor de vidrio dación debe ser aproximadamente 0.06 pulgadas
más ancho que el de enamel y las vueltas de la bobina deben ser de una
construcción tipo ladrillo.
69
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
FIG. 22 Sistema estándar para P.U.= 2
70
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
FIG. 23 Sistema Premium para P.U. = 3
71
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
6.3
Tolerancias de aislamiento
Voltaje
Dimensiones
0 - 900 V
(A) – (P)
Cuatro y media vueltas de envolvente de 0.005”
0.045 0.040
Impregnación y stagger
(tolerancia para resina y variaciones)
0.010 0.010
Cinta de protección (sin traslape)**
0.008 0.008
Espacio de aislamiento por costado de bobina
0.063 0.058
Dos costados de bobina por ranura
0.063 0.116
Tira de resina para unión de subconductores2
0.007
Terminado de ranura
0.015 0.010
Tolerancia del devanado
0.010 0.005
Tira entre costados de bobina4
-
Tolerancia de aislamiento total
-
0.000
0.095 0.131
Tabla 8 Aislamiento tipo envolvente – Post impregnado (0 –900 V)
Voltaje
901 -3000 V
(A) – (P)
Dimensiones
Cinco y media vueltas de envolvente de 0.005”
0.055 0.050
Impregnación y stagger
(tolerancia para resina y variaciones)
0.010 0.010
Cinta de protección (sin traslape)**
0.008 0.008
Espacio de aislamiento por costado de bobina
0.073 0.068
Dos costados de bobina por ranura
0.073 0.136
Tira de resina para unión de subconductores
2
Terminado de ranura
-
0.015 0.010
Tolerancia del devanado
Tira entre costados de bobina
0.007
0.010 0.010
4
-
Tolerancia de aislamiento total
0.032
0.105 0.188
Tabla 9 Aislamiento tipo envolvente – Post impregnado (901 – 3000 V)
72
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
Voltaje
3001 - 5000 V
(A) – (P)
Dimensiones
Cuatro y media vueltas de doble envolvente de 0.005”
0.090 0.180
Impregnación y stagger
(tolerancia para resina y variaciones)
0.015 0.015
Cinta de protección (sin traslape)**
0.008 0.008
Espacio de aislamiento por costado de bobina
0.113 0.103
Dos costados de bobina por ranura
0.113 0.206
Tira de resina para unión de subconductores
2
0.007
-
Terminado de ranura
0.015 0.010
Tolerancia del devanado
0.010 0.010
Tira entre costados de bobina4
-
Tolerancia de aislamiento total
0.063
0.145 0.289
Tabla 10 Aislamiento tipo envolvente – Post impregnado (3001 - 5000 V)
Voltaje
5001-7000 V
(A) – (P)
Dimensiones
Cinco y media vueltas de envolvente de 0.005”
0.110 0.100
Impregnación y stagger
(tolerancia para resina y variaciones)
0.015 0.015
Cinta de protección (sin traslape)**
0.008 0.008
Espacio de aislamiento por costado de bobina
0.133 0.123
Dos costados de bobina por ranura
0.133 0.246
Tira con resina para unión de subconductores
2
0.007
-
Terminado de ranura
0.015 0.010
Tolerancia del devanado
0.010 0.010
Tira entre costados de bobina4
-
Tolerancia de aislamiento total
0.063
0.165 0.329
Tabla 11 Aislamiento tipo envolvente – Post impregnado (5001 - 7000 V)
73
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
Notas:
1.
El espacio disponible para devanar en las ranuras es la tolerancia del devanado
más impregnación y stagger.
2.
Esta es 0” para un Subconductor de ancho, 0.007” para dos subconductores de
ancho, y 0.014” para tres subconductores de ancho.
3.
Añadir 0.005” de profundidad para *** segmented punchings.
4.
Añadir 0.063” de profundidad para el voltaje de 0-900 V o 0.031” para el voltaje
de 901-3000 si son requeridos detectores de temperatura.
*** Algunas veces esta es la cinta semiconductora.
7.0 Descripción del diseño de la bobina de estator de ca
7.1 Descripción de las partes de bobinas. (Véase Figura 24)
Las partes rectas de la bobina se llaman “partes rectas”,”lados de bobinas”, o
“costados de bobina”. Y son llamadas por “superior” o inferior” dependiendo de la
localización del costado de bobina en la ranura de estator. El costado superior es el
costado más cercano del diámetro interior del estator y el costado inferior es
devanado en el fondo de la ranura. Los diamantes son las porciones de los
cabezales entre las partes rectas y los lazos (anillos). Los lazos son los extremos de
la bobina donde los costados superior e inferior se unen. Las terminales de la bobina
son los extremos de las vueltas de cobre que salen de la bobina y son conectadas a
otra bobina, a un anillo paralelo o a las terminales principales del estator. Estas son
llamadas la “terminal de inicio” y la “terminal final”. La terminal de inicio es la primera
vuelta de la bobina y la terminal final es la última vuelta.
74
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
7.2 Parámetros relacionados con el Diseño de la Máquina.
A = Número de vueltas por bobina
El número de vueltas es un parámetro importante que afecta la selección y
espesor
del aislamiento del subconductor y entre vueltas, esto es porque el voltaje
por vuelta esta inversamente relacionado con el número de estas. Por ejemplo, en
los diseños con un número de vueltas pequeños se requiere más aislamiento que en
los diseños con un número de vueltas mayor, para un voltaje de operación dado.
Figura 24 Secciones de bobina de estator
C = Tamaño de ranura
El ancho y profundidad de las ranuras afecta durante el devanado de las
bobinas de la siguiente manera: Una ranura angosta y profunda es mas difícil de
devanar, ya que las bobinas deben ser alzadas más arriba del centro del diámetro
interior para dejar que los costados inferiores pasen por debajo cuando se devana
bajo el paso, además una bobina angosta es muy débil, lo cual adelanta al
agrietamiento del aislamiento en las partes rectas.
75
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
D = Longitud del Núcleo
Longitudes del núcleo grandes hacen que las bobinas sean más difíciles de
devanar simplemente porque las bobinas son más largas y por lo tanto más
propensas a flexionar y agrietar el aislamiento.
E = Longitud de la carcasa
Las bobinas deben ajustar dentro de la carcasa con un espacio eléctrico libre
en cada extremo, puesto que puede presentarse corona entre los cabezales o las
conexiones y la carcasa si no es provisto éste espacio eléctrico. (El espacio eléctrico
requerido es dependiente del voltaje de operación de la máquina).
F = Arreglo de terminales
Las terminales normalmente se arreglan en una de las configuraciones mostradas en
la figura 25. Las figuras “A” son usadas para conexiones “U” y las figuras “B” para
conexiones stub (tacón). La 90° twist (2ª) es uno de los arreglos de terminal más
comunes y la “No twist”1ª es frecuentemente usada cuando la terminal (vuelta) es
menos ancha que profunda. El aislamiento de las terminales se hace conforme a la
información dada en la figura 26.
76
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
Figura 25 Detalles del devanado del estator.
77
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
Figura 26
Detalles de la terminal.
78
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
7.3 Parámetros relacionados con el diseño de bobina
A. Diseño de aislamiento del subconductor
El tipo de aislamiento del subconductor está relacionado con el voltaje de
impulso pico por vuelta. Como regla general aislamiento del subconductor de mica se
usa en voltajes arriba de 7 KV, enamel blindado con doble capa de vidrio-dacrón o
mica en diseños de 6600 y 6900 Volts y mica, enamel blindado con doble capa de
vidrio-dacrón, doble capa de vidrio-poliéster (dacrón) o enamel se usan en voltajes
de operación debajo de 5 KV, dependiendo del número de vueltas por bobina y el
voltaje de impulso pico esperado. Las reglas para el tipo de aislamiento del
subconductor a utilizar son delineadas en la sección de diseño de aislamiento del
subconductor y de la vuelta.
El espesor aproximado de los aislamientos del subconductor es como sigue:
Mica
0.010 pulg. Por lado (min)
Enamel blindado con doble
capa de vidrio-dacrón
0.009 pulg. Por lado (min)
Doble capa de vidrio-dacrón
0.007 pulg. Por lado (min)
Enamel
0.003 pulg. Por lado (min)
El tipo de aislamiento del subconductor también afecta la unión de las partes
rectas de la bobina, por ejemplo, en el caso de subconductores aislados con vidriodacrón unen mucho mejor que enamel o mica, puesto que una superficie rugosa
provee mejor adhesión.
B. Arreglo de subconductores dentro de la vuelta (véase Figura 27).
El espesor requerido de cada subconductor es dependiente del factor eddy
para la vuelta y la relación ancho/espesor de cada subconductor. La relación
79
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
ancho/espesor no debería exceder generalmente de 3.25 a 1, excepto con alambre
enamelado que tiene relaciones de 4.5 o 5 a 1 y el cual a sido usado exitosamente.
Por otro lado, el ancho de los subconductores es dependiente del ancho de la ranura
y la cantidad de aislamiento a tierra requerido para el voltaje de operación de la
máquina.
Como las pérdidas por corrientes de eddy se incrementan conforme el espesor
de la vuelta incrementada y decrecen conforme el número de subconductores de
profundidad por vuelta incrementada. El número de subconductores de profundidad
por vuelta puede ser cambiado para reducir las pérdidas por corrientes de eddy a un
valor aceptable. Por supuesto, el espacio disponible para el cobre decrece conforme
el número de subconductores incrementa, ya que cada sudconductor debe ser
aislado. El diseño final es entonces un compromiso entre las pérdidas por corrientes
de eddy y la cantidad de cobre necesario para que la maquina trabaje dentro de los
límites de temperatura y especificados.
C.
Diseño de aislamiento entre vueltas (véase Figura 28).
Cuando el voltaje de impulso pico por vuelta es mayor de 4000 Volts, se aplica
aislamiento entre vueltas de mica sobre el paquete de subconductores aislados que
forman las vueltas. Este aislamiento puede ser tan grueso como sea necesario para
proveer la rigidez dieléctrica requerida, pero generalmente es de 0.015” de espesor
para la mayoría de los diseños. Los subconductores son aislados con doble capa de
vidrio-dacrón, una capa de vidrio-dacrón o enamel, dependiendo de los
requerimientos particulares del diseño, ya que el voltaje entre subconductores dentro
de una vuelta es muy bajo (menos de 10 – 20 Volts).
Otra práctica de diseño es usar construcción tipo ladrillo como lo muestra la
figura 28, la cual permite el máximo cobre y mínimo aislamiento entre
sudconductores. El subconductor angosto es aislado con enamel y el subconductor
más ancho con una capa de vidrio-dacrón. Los subconductores engranados
80
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
producen una bobina que es muy fuerte mecánicamente en las partes rectas (las
cuales son prensadas en caliente) en los diamantes y lazos (anillos). Los
subconductores más anchos son aislados con vidrio-dacrón de tal manera que los
subconductores enamelados nunca pueden estar en contacto.
D. Arreglo de vueltas (véanse figuras 27 y 28)
En casi todos los casos, las vueltas se arreglan de una manera tal que esté
una arriba de la otra como se muestra en la figura 27. De cualquier manera, en el
caso de un diseño muy pequeño de alto voltaje, las vueltas pueden ser arregladas en
dos o más columnas como se muestra en la figura 29. Este tipo de bobina se llama
bobina cross-over porque las vueltas cruzan una sobre la otra en el lazo (anillo). Esto
triplica (para un diseño de dos columnas) el voltaje entre vueltas dentro de la bobina.
En la manufactura de estas bobinas se aplica una tira vertical en las partes rectas
para separar las vueltas, pero en los cabezales no existe tal separación.
Este arreglo se usa solamente donde no hay otra elección, ya que se ha tenido
muy poca experiencia de campo con este diseño comparado con las bobinas que
tienen las vueltas corto-circuitadas en este tipo de devanado es mucho más alto que
el número de fallas de otros tipos de bobinas.
81
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
Figura 27. Arreglo de subconductores dentro de la vuelta (6 vueltas por bobina).
82
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
Figura 28. Bobina de 6 vueltas con aislamiento entre estas.
83
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
Figura 29. Bobina con 12 vueltas.
84
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
E. Diseño de herramientas (véase figura 30)
El devanador esta construido con un perno movible a cada extremo y una
prensa de sujeción en uno de estos extremos, que sirve para sujetar los
subconductores que formarán una vuelta de la bobina durante el devanado de la
madeja. El diámetro del perno se selecciona dependiendo del voltaje de operación de
la máquina, ya que para más altos
voltajes de operación se requiere más
aislamiento en el interior del lazo (anillo). El perno del frente (frontal) es más
grande en diámetro que el perno de atrás (posterior) porque hay una vuelta
menos en el extremo del frente. Los diámetros de los pernos y la distancia entre
ellos son dados en el dibujo de la bobina.
Las dimensiones usadas en la operación de expandir la bobina también son
dadas en el dibujo de la bobina, y son: el ángulo de paso, la distancia de una parte
recta a la otra, la altura del lazo (anillo), el ángulo del lazo (knuckle) y las longitudes
de las partes rectas son usadas para arreglar la máquina formadora de bobinas
diamante. La parte recta superior es ligeramente más grande que la parte recta
inferior para proveer espacio al dedo durante el devanado.
El radio en los extremos de las partes rectas y el radio en los lazos se calculan
de tal manera que el aislamiento del subconductor no sea dañado durante la
operación de expander la bobina, y son construidos en las mordazas durante esta
misma operación. Los radios requeridos en los diamantes son también calculados de
tal manera que las bobinas en los cabezales despejen el diámetro interior y no
interfieran con la inserción del rotor.
Las dimensiones de la bobina son medidas después de la operación de formado y
deben ser iguales a las dimensiones del dibujo dentro de las tolerancias permitidas.
Esta operación se lleva a cabo colocando las bobinas en un núcleo modelado hecho
de madera para medir más exactamente sus dimensiones.
85
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
F. Aislamiento a tierra.
El aislamiento a tierra de la bobina puede ser con envolvente o con cinta de
mica. El envolvente es una hoja grande de mica, la cual se envuelve alrededor de la
parte recta de la bobina y en algunos casos dos piezas de este son aplicadas
simultáneamente. El aislamiento tipo envolvente se aplica en todas las bobinas con
voltajes de operación de 7 KV y abajo y con longitudes de núcleo de 127 cm (50
pulg.) o menos. Los envolventes generalmente son construidos de 0.005” de
espesor, ya que envolventes más gruesos tienen una tendencia a agrietarse. El
ancho de estos envolventes es igual a la dimensión de la parte recta de la bobina y la
longitud del envolvente debe ser tal que cuando el envolvente se envuelva alrededor
de la bobina, sus extremos terminen en punta hacia el lado de los cabezales.
La cinta de mica se usa en el resto de las bobinas, aplicándose cinta de 1” de
ancho para voltajes de operación debajo de o igual a 7 KV, y de 1.5” de ancho para
voltajes de operación arriba de 7 KV. (Por el número de capas en alto voltaje)
G. Aislamiento de cabezales
Los cabezales de las bobinas son aislados con múltiples capas de cinta de
mica, el número de estas capas es dependiente del voltaje de operación de la
máquina donde son usadas. Las terminales de las bobinas al igual que los cabezales
son aisladas con el mismo número de capas pero con un encintado del aislamiento
que termina en forma de escalón para dar un mejor sellado durante el aislamiento de
la conexión (entre bobinas o grupos de bobinas). La cinta usada en los cabezales es
de 0.75” o 1” de ancho para voltajes de operación debajo de o igual a 7 KV y 1” de
ancho para voltajes de operación arriba de 7 KV (por los dobleces)
86
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
Figura 30. Herramientas y dimensiones usadas para el formado de bobina.
H. Cinta de blindaje o de protección
La cinta de protección (blindaje) usada en bobinas es una combinación de
Dacrón y fibra de vidrio para proveer resistencia a la abrasión durante el devanado
de bobinas en el núcleo y para proveer una superficie liza en las bobinas a fin de
prevenir la acumulación de polvo en los devanados. Esta cinta es de 0.004” de
87
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
espesor y se aplica como una capa sin traslape en las partes rectas y una capa con
medio traslape en los cabezales.
I.
Tratamiento de prevención corona. (véase figura 31)
En diseños que operan a más de 7 KV, la cinta de protección (blindaje) usada
en las partes
rectas de bobinas post-impregnadas es cinta semiconductora de
dacrón no tejido. Esta cinta es de 1” de ancho y se aplica una capa con ½ de traslape
y se extiende 1.5” más allá del término del núcleo en cada extremo. Los extremos de
la cinta son cortados perpendiculares a la parte recta de la bobina.
En bobinas pre-impregnadas se aplica una cinta de protección en las partes
rectas, la cual después del proceso VPI se pinta con un barniz semiconductivo para
voltaje de operación de 6600 y arriba, e igualmente se extiende 105” más allá del
extremo del núcleo.
Esta cinta semiconductiva o barniz son de un material de muy baja resistencia
(alrededor de 500 ohms por pulg. cuadrada) y se usa para prevenir descargas
parciales (corona) entre la superficie exterior de la bobina y las paredes de la ranura.
Cuando el voltaje de operación es arriba de 7 KV, se aplica pintura
semiconductora de alta resistencia a las bobinas en cada extremo de las partes
rectas, iniciando 1” dentro del extremo de la cinta o barniz semiconductivo (baja
resistencia) t extendiéndose de 2 a 4 pulgadas. Hacia el cabezal de la bobina. Esta
pintura se llama Coronox y su propósito es disipar el voltaje presente en la superficie
de los cabezales, de tal manera que no se presente corona entre los cabezales y el
núcleo.
88
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
Figura 31. Tratamiento de prevención corona.
8. Manufactura de la bobina de estator
8.1. Devanador.
Para devanar las bobinas se utilizan dos tipos de devanadores, estos
consisten de 2 (o 4) pernos separados por la distancia especificada en el dibujo de
bobina. El devanador de dos pernos (recto) es simétrico en ambos lados de los
pernos (ver figura 32) y es usado para diseños pequeños de 2 polos, todos los de 4
polos y diseños de un número de polos mayor. El devanador de 4 pernos (en forma
de joroba) se usa en bobinas más grandes de máquinas de 2 polos para obtener un
espacio de ventilación más uniforme entre los diamantes de las bobinas y proveer
ligeramente mejor ventilación así como una mayor facilidad al devanar en el núcleo
de estator, su forma es extendida en un lado de los pernos como se muestra en la
figura 33.
89
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
Figura 32. Devanador de 2 pernos
Figura 33. Devanador de 4 pernos.
El subconductor de cobre o subconductores que forman la primera vuelta de la
madeja se sujetan con una prensa en el extremo del frente del devanador y forman la
terminal de inicio de la bobina. Después se devana el número de vueltas requerido
alrededor de los pernos para terminar en el mismo extremo de la terminal de inicio de
la bobina. Una vez terminadas las vueltas, los subconductores se cortan a la
distancia especificada del lazo (anillo) para formar la terminal final. Las terminales
son normalmente lo suficiente largas para hacer conexiones paralelas sin la
necesidad de añadirles alambre o cable extra.
90
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
Conforme se va devanando la madeja, las vueltas próximas a los pernos
(frontal y posterior) y otras vueltas son reforzadas con una capa de cinta de vidrio o
dacrón-vidrio a medio traslape. Generalmente las tres primeras vueltas más cercanas
a los pernos son encintadas para proteger contra cortocircuitos entre vueltas en un
área donde el aislamiento esta sometido a esfuerzos y puede ser dañado. Tiras
cargadas de resina son generalmente insertadas entre dos o más subconductores a
lo ancho (la función de estas tiras es unir los subconductores) y centradas en la parte
recta de la bobina sosteniéndolas con una cinta de mylar adhesiva alrededor de la
madeja.
Cuando se requiere capacidades de resistencia al impulso más altas, se usa
aislamiento entre vueltas, el cual consiste de múltiples capas de cinta de mica
aplicadas de una de las formas siguientes:
A. Máquina encintadora de aislamiento durante el devanado de la madeja.
Los subconductores que forman la vuelta se agrupan y se aíslan
automáticamente en una máquina encintadora con una o más capas de cinta de mica
antes del devanado de la madeja en el devanador. Después de que la madeja se
retira del devanador, se aplica cinta de mylar adhesiva para retener las vueltas
juntas. Este método de aislar entre vueltas es mucho menos laborioso y más barato
que los métodos a ser mencionados, y es el método usado por ciertas compañías
como ejemplo Westinghouse.
B. Aislamiento encintado a mano después de devanar la madeja y antes de
expandir la bobina.
Las bobinas que tendrán aplicado el aislamiento entre vueltas justo antes de
expanderse deben tener tiras de mylar de 0.010” de espesor situadas entre las
vueltas durante el devanado de la madeja. Las vueltas se mantienen temporalmente
juntas con cinta de mylar adhesiva hasta que la bobina esté lista para el aislamiento
91
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
entre vueltas. Las vueltas se separan y se encintan a mano con una o más capas de
cinta de mica. Una vez terminado el encintado de las vueltas se aplica una cinta de
protección para retener la bobina junta.
C. Aislamiento encintado a mano después de expandir la bobina.
Las bobinas que tendrán aplicado el aislamiento entre vueltas después de
expanderse (forma de bobina diamante) deben también tener tiras de mylar de
0.010” de espesor situadas entre las vueltas durante el devanado de la madeja. Las
vueltas se mantienen temporalmente juntas con cintas de mylar adhesiva hasta que
la bobina esté lista para el asilamiento entre vueltas. Las vueltas son separadas y
encintadas a ano con una o más capas de cinta de mica, y una vez encintadas se
aplica una cinta de protección para retener las vueltas juntas. Este método se uso
casi exclusivamente hasta que apareció la máquina encintadora, la cual aplicaría el
aislamiento entre vueltas antes del proceso de devanar la madeja (inciso A).
8.2 Expansión o formado de bobina.
Ciertas compañías como Westinghouse y General Electric normalmente
construyen la bobina tipo “left hand coil”. Esto significa que el costado superior de la
bobina esta en el lado izquierdo viendo la bobina del lado de las terminales. Las
dimensiones requeridas durante la operación de formado de este tipo de bobinas,
son las que se enlistan a continuación:
A. Tramo B
Después de haber devanado la madeja se monta en la máquina formadora
para darle su forma completa con un costado de bobina superior y un costado de
bobina inferior, La dimensión del tramo B es una medida de la extensión o anchura
de la bobina. Es la distancia del centro del borde inferior del costado superior de la
92
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
bobina al centro del borde superior del costado inferior de la bobina. (Véase figura
34)
B. Ángulos de costados de bobina
Los ángulos de los costados de bobina se definen como los ángulos iguales
vistos de cada lado de la línea central de la bobina, que es la línea trazada del centro
del diámetro interior del estator al centro del perno en el lazo. La suma de estos
ángulos representa el paso de bobina o el tramo fraccional del circulo del diámetro
interior del estator en grados. (Véase figura 34)
C. Radios de los diamantes
1. Diamantes rectos
Los diamantes se pueden dejar rectos si no alcanzan a entrar a la región del
diámetro interior del estator al devanar la máquina, ya que en caso contrario
interferirán con la inserción del rotor. La mayoría de los diseños de 10 polos y
arriba caen dentro de esta categoría.
2. Diamantes curveados
Los diamantes de la bobina algunas veces son reformados con un block radial
mientras la bobina esta todavía en la máquina formadora. El block radial
generalmente se hace de madera o micarta con un radio predeterminado que
permitirá
a los diamantes de los costados superiores despejar el diámetro
interior del estator y no interferir con el rotor. Esta forma de diamante se utiliza
en diseños pequeños de 2 polos y la mayoría de los diseños de 4, 6 y 8 polos.
93
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
3. Diamantes en forma de voluta (enrollados en espiral)
El diamante de la bobina puede ser reformado en un block de forma de boluta,
hecho de madera o acero para igualar el espacio de ventilación de la bobina y
tener una mayor facilidad al devanar así como para permitir que los diamantes
superiores despejen el diámetro interior del núcleo de estator. Este método se
usa en bobinas grandes de máquinas de 2 polos.
D. Ángulo del lazo
Este ángulo se forma durante la operación de expandir la bobina y se define
como el ángulo de la línea central de la bobina a la línea central del lazo. Su valor de
diseño normal es de 10 o 20 , aunque en algunos diseños de 2 polos el ángulo es
de 30 . Este ángulo reduce la interferencia entre los lazos de bobina durante el
devanado del núcleo de estator. (Véase figura 34).
E. Dimensiones del lazo
1. Altura de la bobina
Esta dimensión es la distancia desde el tope del lazo a la línea trazada desde
el borde superior del costado superior al borde superior del costado inferior de
la bobina. Esta información deberá detallarse en un dibujo y la bobina puede
ser fácilmente verificada midiendo esta dimensión en una tabla plana. (Véase
figura 34).
2. Caída pequeña y caída grande del cabezal
Estas dimensiones son las distancias desde el diámetro interior del estator a la
parte superior y inferior del lazo del la bobina aislada (Véase figura 35). Estas
dimensiones son verificadas en el núcleo devanado o en un núcleo modelo.
94
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
Figura 34. Medidas del cabezal.
Figura 35. Caídas pequeña y grande del cabezal.
8.3 Curado de las partes rectas para unión de subconductores.
Esta operación consolida las partes rectas de la bobina a dimensiones de
dibujo y permite mejor manejo de la bobina. Puede llevarse a cabo antes o después
de expandir la bobina, pero en la mayoría de los casos es más económico hacerlo
antes. Para esto se emplean dos tipos de materiales de liga, el primero siendo una
tira de vidrio cargada con resina (etapa B) que se extiende a los largo de la parte
recta en bobinas que tiene 2 o más subconductores a lo ancho y el segundo tipo una
resina de poliéster catalizada aplicada con brocha dentro de las partes rectas (entre
hileras de subconductores a lo ancho) de la bobina. Si los subconductores se unen
95
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
antes de expandir la bobina, se debe tener cuidado de prevenir el flujo de resina
dentro de los diamantes, porque más tarde durante la operación de expandir la
bobina se puede presentar daño del aislamiento entre subconductores. Los dos tipos
de materiales de liga usados requieren de un prensado en caliente de 160 C a 200 C
por varios minutos (5 o 6 minutos) para su curado.
8.4 Aislamiento de la terminal
En el dibujo de bobina se indicará la dirección de las terminales y será ya sea
en forma horizontal, a un ángulo de 45 y hacia abajo. El dibujo también deberá
indicar la manera en que los subconductores están formados como se muestra en la
figura 25, y aislados por los detalles mostrados en la figura 26.
Colocar dos capas de envolventes de mica de 0.005” de espesor en forma de
“U”, entre la terminal de inicio y la vuelta próxima a esta terminal. Esta mica deberá
asentar y traslapar sobre las otras vueltas por 0.5” y se extenderá 0.25” bajo el
sandwich de mica.
Entre la terminal de inicio y el lazo de la bobina, donde la terminal cruza las
vueltas del lazo de bobinas, situar un sandwich de mica aislante como se muestra en
la figura 25 (3 A). Este sandwich será mejor si tiene forma cónica como se muestra
en la figura, de tal manera que conforme con la bobina. La forma cónica deberá ser
como sigue:
a Donde la terminal deja la bobina, el sandwich deberá extenderse 1” de cada lado
de la terminal.
b En el interior del lazo, el sandwich deberá extenderse 0.25” de cada lado de la
terminal.
96
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
c El sandwich también deberá traslapar el ancho de la bobina en el interior y
exterior del lazo.
El sandwich se deberá hacer del número de capas de envolvente de mica
(0.005” de espesor) mostrado en la tabla 12
(página 120). La mica deberá ser
protegida en ambos lados con un material mecánicamente fuerte tal como dacrónmylar-dacrón, y para mantener el sandwich en su propia localización se deberá
retener con dos vueltas de mylar adhesivo o kapton adhesivo.
Para un mejor sellado contra la humedad y cualquier otro contaminante en el
punto donde la terminal deja la bobina se deberá usar fieltro de dacrón el cual
ayudará a retener la resina en estas áreas críticas sellando los huecos presentes. El
fieltro de dacrón se deberá situar como se muestra en la figura 26 (4) y atado como
se muestra en la figura 26 (5).
8.5 Aislamiento a Tierra
La cinta de mica o envolvente se usan como el principal material dieléctrico
por su buena resistencia corona. Estos materiales se impregnan bajo presión en
vació antes o después de
devanar para remover cualquier aire atrapado entre
capas, el cual se ionizará y creará actividad corona cuando se somete a un esfuerzo
de voltaje.
A. Bobinas con envolventes en las partes rectas y encintado en los cabezales.
Los envolventes son hojas de mica que cubren la longitud completa de las
partes rectas y se usan porque permiten un porcentaje más alto de mica en el
espacio de ranura disponible y porque son mucho menos caros de aplicar. A más
altos voltajes de operación, sin traslape de una capa sobre la otra, como es el caso
de aislamiento encintado, se obtiene mayor rigidez por unidad de espesor. Esta
superioridad en rigidez dieléctrica del envolvente depende de la rectitud de las partes
97
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
rectas, ya que si el envolvente se aplica a una parte recta ligeramente curveada,
pueden presentarse arrugas que reducen significativamente la rigidez dieléctrica del
material. La longitud máxima del núcleo donde el envolvente se ha aplicado es de
50” pero esto es dependiente del éxito de las personas que lo aplican.
En clases de voltaje bajas (hasta 3000 volts) los envolventes se aplican
solamente en un espesor de 0.005”, pero de 3000 a 7000 volts la mayoría de los
envolventes se aplican en un doble de espesor. Los envolventes no se usan en
voltajes arriba de 7000 volts porque la cantidad de envolvente requerido en estos
voltajes no se puede aplicar exitosamente.
Los envolventes deben de hacerse de tal manera que al aplicarse a la bobina
terminen en forma escalonada a cada extremo de esta, para que así el encintado de
los cabezales pueda sellar gradualmente en los extremos del envolvente sin una
construcción anormal. En la tabla 13 (página 120) se lista la clase de voltaje, el
número de vueltas del envolvente, tipo de material, el terminado en forma
escalonada, y el número de capas del encintado en los cabezales.
Estas son las bobinas donde el aislamiento del subconductor sirve como el
aislamiento entre vueltas.
B. Bobina encintada completamente (cinta continua)
Este método no se aplica en bobinas de bajo voltaje excepto cuando es
absolutamente necesario a causa del alto costo y de un espesor más grande del
aislamiento. Se usa en todas las bobinas de alto voltaje por problemas de fluencia en
el extremo del envolvente.
98
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
8.6
Cinta de Protección
El propósito principal de la cinta de protección es proteger la superficie de las
capas de mica de daño mecánico. Es una cinta de vidrio-dracrón de 0.004” de
espesor que se aplica en forma espaciada, sin traslape o a medio traslape. En el
caso de bobinas de alto voltaje post-impregnadas, este blindaje en las partes rectas
es solamente una cinta conductiva de vidrio llenada con carbón que provee
protección contra descarga a la ranura.
8.7 Impregnación (Bobinas Pre-impregnadas)
La razón principal de usar impregnación bajo presión en vacío (VPI) es para
remover el aire atrapado entre las capas de mica, cinta de protección y los
subconductores de cobre. Y reemplazarlo por una resina (resina epóxica o de
poliéster) que pueda ser polimerizada en una masa sólida. Estas resinas no son
ionizadas tan fácilmente como el aire, por lo tanto no permiten la generación de
descargas parciales (corona) las cuales son destructivas para el aislamiento. Existen
dos métodos para polimerizar la resina, y son:
A. Impregnación bajo presión en vacío (VPI) y curado con una prensa móvil y
horno.
El primer paso en el proceso VPI es precalentar las bobinas y remover
cualquier humedad, después aplicar un vacío hasta que el aire sea retirado. Una vez
terminadas estas operaciones se introduce resina hasta cubrir completamente las
bobinas y dejándolos que se remojen por varias horas para después aplicar presión
en el tope de la misma y conducirla (la presión es introducida usando aire seco o
nitrógeno) a los espacios más pequeños de la bobina. Este paso continúa por varias
horas y después la resina se regresa al vaso de almacenaje. La bobina se mueve
rápidamente a una prensa móvil tipo barril donde se ajusta a dimensiones diseñadas
como son el tamaño de ranura, tramo B y altura de bobina. Los cabezales se sellan
99
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
temporalmente con una capa de mylar para ayudar a retener resina en la bobina, y
son prensados usando un molde de goma (este molde tiene la forma de los
diamantes). Inmediatamente después la prensa móvil se coloca en el horno para así
llevar a cabo los ciclos de curado correspondientes. El tiempo de curado
generalmente varía entre 3 y 6 horas dependiendo del tipo de resina.
B. Impregnación bajo presión en vacío (VPI) y curado con una prensa
estacionaria calentada.
Algunas bobinas se impregnan similarmente como en la parte A, pero después
se montan en prensas calentadas con vapor o resistencias eléctricas. Las
dimensiones de ranura se logran con planchas prensadas al tamaño, mientras que
los cabezales se calientan con calentadores de lámpara eléctrica para calor adicional
y finalmente las bobinas son post-curadas en un horno. Con este sistema se logra
mucha mayor velocidad de producción que con el anterior de prensas móviles.
8.8 Tratamiento de la Superficie Exterior del Aislamiento (Bobinas de
Alto
Voltaje).
Las descargas parciales (corona) son el problema principal dentro del
aislamiento, pero pueden ser eliminadas llenando al 100% los huecos con resina
impregnante. Sin embargo, las descargas en la superficie del aislamiento pueden ser
bastante destructivas ya que, el voltaje desarrollado entre la superficie de la bobina y
la ranura puede ionizar el aire y causar descargas a la ranura que erosionarán las
superficies del aislamiento. Conforme la bobina sale del núcleo se presenta una zona
de transición de alto voltaje alrededor de la periferia de la bobina que debe ser
graduada aplicando una franja de material semiconductivo de alta resistencia, justo
en la salida del núcleo. Este material causa que la zona de transición se incremente
a la longitud de la franja semiconductiva, por lo tanto el aire circundante alrededor de
la franja no es altamente ionizado. En bobinas pre-impregnadas, se usa una pintura
semiconductiva en la porción ranura de la bobina y una pintura graduadora varias
100
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
pulgadas afuera del núcleo. Por último se requiere un horneado para obtener óptimas
propiedades.
En bobinas post-impregnadas se aplica a las partes rectas de la bobina una
cinta semiconductiva que no es soluble en la resina impregnante y una pintura
graduadora especial de la ranura antes de la impregnación, e igualmente que la
primera no se disuelve con la resina impregnante.
8.9
Ejemplo de Diseño de la Bobina de Estator
El diseñador eléctrico calcula el diseño que requiere para satisfacer los
requerimientos del cliente. El ingeniero de aislamiento debe entonces refinar el
diseño en dimensiones que son requeridas para fabricar la bobina.
Normalmente el ingeniero de diseño eléctrico establece un programa de
computadora, de tal manera que el aislamiento del subconductor para un tipo
particular y tamaño de alambre sean disponibles. Como en el caso del diseño de la
figura 36, el aislamiento del subconductor es vidrio-dacrón.
Aislamiento post-impregnado
Ancho
Profundidad
0.255
(cobre)
0.102
Subconductor
0.003
aprox. ig. a 0.00255
0.001
1% de tolerancia del cobre
0.012
(dacrón-vidrio)
0.015
aislamiento del subconductor
0.270
0.118
Dimensión Westinghouse
0.268
0.114
Dimensión Toshiba
0.002
0.004
Diferencia
Nota: Las dimensiones anteriores son para subconductores aislados.
101
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
La diferencia anterior es debida a las diferencias de manufactura en los
respectivos países.
Dimensión del subconductor aislado = 0.118” x 0.270”
Ancho de la llvuelta = 2 x 0.270 = 0.540”
Prof. de la vuelta = 3 x 0.118 = 0.354”
0.354” x 0.540” es la dimensión para cada vuelta, pero en la figura 23, para P.
U.= 3 los requerimientos son que cada vuelta tiene el aislamiento entre vueltas, o
puesto que está en la línea (figura 23) podríamos haber usado aislamiento de mica
entre subconductores. En este caso, usaremos aislamiento de mica entre vueltas,
cuyo espesor es de 0.030” (tabla 7).
Ancho
Profundidad
0.540
0.354
0.030
0.030
0.570
0.384
0.384” de Profundidad x 0.570” de Ancho
3 vueltas x 0.384 = 1.152” de Profundidad x 0.570” de Ancho
102
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
Y de Tabla 10 (pagina 76) tenemos:
Ancho
Profundidad
0.570
1.152
0.090
4 ½ vueltas doble envolv.
0.080
0.015
Toler de resina y variacs.
0.015
0.008
Outer binder
0.008
0.007
Tira de prensado
0.015
Terminado de ranura
0.010
0.010
Tolerancia del devanado
0.010
0.715
1.275 x 2
Costados de
bob./ranura
2.550
Separador
0.063
entre bobinas
2.613
Separador de
0.047
fondo
2.660
Separador
0.031
superior
2.691
Nota: Separadores de lado no son requeridos en bobinas post-impregnadas.
103
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
Aislamiento
post-impregnado
usando
aislamiento
de
mica
subconductores.
Ancho
Profundidad
255
Barra de cobre
0.102
0.003
1% de Toler del cobre
0.001
0.020
Aisl. Del subconductor
0.020
(mica) a medio traslape
0.278
0.123
Dimensión del subconductor aislado = 0.123” x 0.278”
Ancho de la vuelta 2 x 0.278” = 0.556”
Prof. de la vuelta 3 x 0.123 = 0.369”
3 vueltas x 0.369 = 1.107” de profundidad x 0.556” de ancho
Aislamiento Pre-impregnado
Ancho
Profundidad
0.255
Barra de cobre
0.102
0.003
1% de tolerancia del cobre
0.001
0.020
Aislamiento del subcond. (mica)
0.020
(medio traslape)
0.278
0.123
Dimensión del subconductor aislado = 0.123” x 0.278”
Ancho de la vuelta 2 x 0.278” = 0.556”
Prof. de la vuelta 3 x 0.123 = 0.369”
3 vueltas x 0.369 = 1.107” de profundidad x 0.556” de ancho
104
entre
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
Ancho
Profundidad
0.556
1.107
0.090
4 ½ vueltas doble envolv.
0.080
0.015
Toler. De resina y variacs.
0.015
0.008
Outer binder
0.008
0.007
Tira de prensado
1.210
X2
Costados de
bob./ranura
2.420
0.015
Terminado de ranura
0.010
0.010
Tolerancia del devanado
0.010
0.701
0.063
Separador
entre bobinas
2.503
0.032
Separador
Superio
0.032
Separador
De fondo
2.565
Tamaño de ranura dado es 0.714” x 2.697”
Como se puede ver con el aislamiento de mica en el subconductor, la profundidad de
la ranura podría ser reducida por aproximadamente 0.132”.
105
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
Ancho
Profundidad
0.556
1.107
0.090
4 ½ vueltas doble envolv.
0.080
0.015
Toler. De resina y variacs.
0.015
0.008
Outer binder
0.008
0.007
Tira de prensado
1.210
X2
Costado de
bobina/ranura
2.420
0.015
Terminado de ranura
0.010
0.010
Tolerancia del devanado
0.010
0.701
0.063
Separador entre
bobinas
0.010
Tolerancia extra para el
2.508
separador de lado
0.711
0.032
Separador superior
0.032
Separador de fondo
2.572
La ranura es de 0.714” x 2.697”.
Mientras que el tamaño de ranura para Westinghouse seria de 0.711” x 2.572”
lo cual resulta en una reducción de las dimensiones de ranura.
106
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
Figura 36 Aislamiento del subconductor
107
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
Variación permisible en espesores tratados (empig) doble fibra de vidrio y poliéster (ambos lados) para
alambre rectangular.
ESPESOR
DE LA
BARRA
.031
HASTA
.040
DIRECCION
.073
HASTA
.083
.011
.009
.010
.007
.084
HASTA
.097
.011
.009
.010
.007
.098
HASTA
.113
.012
.010
.010
.007
DOBLE ANCHO
.114
.137
.168
HASTA HASTA HASTA
.136
.167
.203
.012
.013
.013
.011
.011
.011
.010
.010
.010
.007
.007
.007
.204
HASTA
.247
.014
.012
.010
.007
.248
HASTA
.298
.015
.013
.010
.007
.299
HASTA
.349
.015
.013
.010
.007
.350
HASTA
.400
.016
.013
.011
.008
.401
HASTA
.451
.016
.013
.011
.008
.452
HASTA
.502
.017
.014
.012
.009
.503
HASTA
.550
.017
.014
.012
.009
T
W
MAX
MIN
MAX
MIN
.064
HASTA
.072
.011
.009
.010
.007
.041
HASTA
.051
T
W
MAX
MIN
MAX
MIN
.011
.009
.010
.007
.011
.009
.010
.007
.011
.009
.010
.007
.012
.010
.010
.007
.012
.010
.010
.007
.013
.011
.010
.007
.013
.011
.010
.007
.014
.012
.011
.008
.015
.012
.011
.008
.015
.012
.011
.008
.016
.013
.011
.008
.016
.013
.011
.009
.017
.014
.012
.009
.017
.014
.012
.009
.042
HASTA
.063
T
W
MAX
MIN
MAX
MIN
.011
.009
.010
.007
.011
.009
.010
.007
.011
.009
.010
.007
.012
.010
.010
.007
0.12
.010
.010
.007
.013
.011
.010
.007
.013
.011
.010
.007
.014
.011
.010
.007
.015
.013
.011
.008
.015
.013
.011
.008
.016
.013
.011
.008
.016
.013
.011
.009
.017
.014
.012
.009
.017
.014
.012
.009
.064
HASTA
.072
T
W
MAX
MIN
MAX
MIN
.011
.009
.010
.007
.011
.009
.010
.007
.011
.009
.010
.007
.012
.010
.011
.008
.012
.010
.011
.008
.013
.011
.011
.008
.014
.011
.011
.008
.014
.011
.010
.007
.015
.012
.011
.008
.015
.013
.011
.008
.015
.013
.011
.009
.016
.013
.011
.009
.017
.014
.012
.009
.017
.014
.012
.009
.073
HASTA
.083
T
W
MAX
MIN
MAX
MIN
.011
.009
.011
.008
.011
.009
.011
.008
.011
.010
.011
.008
.013
.010
.011
.008
.013
.010
.011
.008
.014
.011
.011
.008
.014
.011
.011
.008
.015
.012
.012
.009
.016
.013
.012
.009
.016
.013
.012
.009
.017
.014
.013
.009
.017
.014
.013
.009
.018
.015
.014
.010
.084
HASTA
.097
T
W
MAX
MIN
MAX
MIN
.011
.009
.011
.003
.011
.009
.011
.006
.013
.010
.011
.008
.013
.011
.010
.008
.014
.011
.011
.008
.014
.011
.011
.008
.015
.012
.012
.009
.016
.013
.012
.009
.017
.014
.012
.009
.017
.014
.012
.009
.017
.014
.012
.009
.018
.015
.014
.010
.098
HASTA
.0115
T
W
MAX
MIN
MAX
MIN
.013
.010
.010
.010
.013
.010
.012
.008
.013
.010
.011
.008
.014
.011
.012
.008
.014
.012
.011
.009
.015
.013
.013
.009
.015
.013
.013
.009
.016
.013
.013
.009
.017
.014
.014
.010
.017
.014
.014
.010
.018
.015
.015
.010
.116
HASTA
.138
T
W
MAX
MIN
MAX
MIN
.013
.010
.013
.010
.013
.010
.013
.008
.014
.011
.013
.008
.015
.012
.013
.009
.015
.012
.013
.009
.016
.013
.013
.009
.017
.014
.013
.019
.017
.014
.014
.010
.017
.014
.014
.010
.018
.015
.015
.011
.139
HASTA
.167
T
W
MAX
MIN
MAX
MIN
.013
.010
.013
.010
.014
.011
.013
.009
.015
.012
.013
.009
.015
.012
.013
.009
.015
.013
.013
.009
.016
.013
.013
.009
.017
.014
.014
.010
.017
.014
.014
.010
.018
.015
.015
.011
.168
HASTA
.203
T
W
MAX
MIN
MAX
MIN
.014
.011
.011
.011
.015
.012
.013
.009
.016
.013
.013
.009
.016
.013
.013
.009
.017
.014
.013
.011
.017
.014
.014
.010
.018
.015
.015
.011
.018
.015
.015
.011
.204
HASTA
.247
T
W
MAX
MIN
MAX
MIN
.015
.012
.015
.012
.016
.013
.013
.009
.016
.013
.014
.010
.017
.014
.013
.011
.017
.014
.014
.010
.018
.015
.015
.011
.018
.015
.015
.011
.248
HASTA
.298
T
W
MAX
MIN
MAX
MIN
.016
.013
.014
.011
.016
.013
.015
.011
.016
.013
.015
.011
.299
HASTA
.325
T
W
MAX
MIN
MAX
MIN
.016
.013
.016
.014
PARA LA TABLA EN SI PARA SISTEMA METRICO. T = APRETADO; W = HOLGURA; NO INCLUYE COBRE O ALEACIONES. AGREGUE 1%
PARA ALEACIONES DE COBRE, AGREGUE 0.006” ( HOLGURA Y ESPESOR) PARA ENAMEL
108
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
9.0 Aislamiento utilizado durante el devanado del núcleo del estator de ca
9.1
Arreglo del devanado del núcleo de estator.
Los estatores pueden ser devanados con o sin un arreglo del devanado, el
propósito principal de este, es asegurar la propia dirección y salida de las terminales
de los detectores de temperatura (RTD’s) y las terminales del devanado principal.
General mente, se marca la ranura en la superficie interior del núcleo en el primer
paquete de laminaciones del lado de las conexiones del motor. Los diseños son
normalmente construidos de tal manera que no sea necesario iniciar el devanado en
alguna ranura particular y los detectores de temperatura son localizados con
referencia a grupos de fase más que una ranura en particular, así que un arreglo del
devanado no es necesario para estos diseños.
9.2
Bobinas del Devanado
Westinghouse y General Electric devanan las bobinas en forma opuesta uno
de otro. El método usado por Westinghouse es el siguiente: viendo de frente el lado
de las conexiones de las bobinas, las ranuras son numeradas en el sentido de las
manecillas del reloj y las bobinas son devanadas en el sentido contrario de las
manecillas del reloj con bobinas de izquierda. El costado superior de una bobina
izquierda está del lado izquierdo viendo el estator del lado de las terminales de
conexión en devanados dobles que tienen terminales de bobina en ambos extremos
del núcleo del estator, el devanado se hace simultáneamente con bobinas de
izquierda y derecha. Cuando el devanado ha progresado al punto donde los costados
superiores de las primeras bobinas, entonces estos últimos deben ser levantados lo
suficiente para dejar que los costados de bobina inferior pasen por debajo y entren a
las ranuras. El mínimo número de bobinas que deben ser alzadas a esta posición es
igual al paso de ranura menos 1. por ejemplo, un paso de 1-4 requiere que se
levanten 13 bobinas, a las cuales se les llama con el nombre de “bobinas de paso”,
109
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
pero además otras deben ser parcialmente alzadas para reducir el esfuerzo en las
bobinas de paso, ya que interfieren con otras en los cabezales.
Los requerimientos para el devanado de bobinas post-impregnadas y bobinas
PRE-impregnadas son diferentes como se puede ver a continuación.
A. Bobinas post-impregnadas.
En la mayoría de los casos la flexibilidad de las bobinas post-impregnadas
requiere que solamente las bobinas de paso sean levantadas, ya que los lazos son
muy flexibles y las partes rectas pueden ser dobladas sin causar daño físico a las
bobinas. Pero en el caso de bobinas grandes y por lo mismo relativamente rígida, es
necesario levantar parcial mente otras para prevenir esfuerzo excesivo en las
bobinas de paso. Muy rara vez se requiere alzar más de 40% de las bobinas.
B. Bobinas PRE-impregnadas
Como estas bobinas son relativamente rígidas, los costados superiores de
muchas de estas deben ser alzados de tal manera que el costado inferior de las
últimas bobinas devanadas pueda ser situado en la ranura. En máquinas de núcleo
pequeño, casi todas las bobinas deben ser alzadas y en máquinas de núcleo más
grandes como un 40% puede ser necesario alzar, las bobinas son levantadas en
pequeños
incrementos
para
prevenir
agrietamiento
del
aislamiento,
estos
incrementos varían desde .25” de una bobina a la próxima en el extremo más alto de
las bobinas alzadas a .30” en el extremo más bajo. El uso de bloques de altura
gradualmente creciente dentro de la ranura de cada extremo del núcleo de estator
garantiza la subida uniforme de las bobinas y previene algunas fuerzas deformadoras
en las bobinas que quizás agrieten el aislamiento. También siempre es necesario
amarrar las bobinas de paso en la posición alzada para prevenir algún movimiento.
110
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
Para minimizar el riesgo de dañar el aislamiento y evitar que muchas bobinas
sean alzadas en diseños que tienen un paso grande y ranuras profundas se deben
tener lazos semiflexibles. Para lograr esto, los lazos de la bobina y cerca del 40% de
los diamantes se instalan con cinta de goma de silicón para hacer los lazos flexibles
y dejar un movimiento relativo entre los costados superior e inferior de cada bobina.
Esto se hace en todos los diseños de 2, 4, 6 y algunos de 8 polos.
9.3
Separadores y acuñamiento
Los separadores de micarta se insertan entre los costados superior e inferior
de la bobina en cada ranura de estator para tener un espacio libre entre esquinas de
bobinas adyacentes así como espacio para los detectores de temperatura. Estos
separadores deben ser PRE-situados debajo de las bobinas de paso al ser alzadas.
Los separadores de lado se utilizan para apretar las bobinas PREimpregnadas en la ranura, y prevenir algún movimiento axial o vibratorio durante la
operación de la máquina. Estos separadores generalmente se insertan después de
que las bobinas alzadas han sido bajadas, puesto que se usa solamente una pieza.
Las bobinas post- impregnadas se construyen del tamaño de la ranura y en
este caso el separador de lado normalmente no se usa, a menos que la bobina esté
significativamente baja de tamaño. Además la resina VPI provee buena adhesión a
las paredes de la ranura, evitando también así el uso de estos separadores.
Cuando existe demasiado espacio en la dirección profunda de la ranura, es
necesario insertar un separador en el fondo de esta. Pero para el caso de los
separadores debajo de la cuña generalmente no son usados para minimizar
pérdidas, especialmente en máquinas de baja velocidad
Las cuñas son tiras de micarta de 0.094 milésimas a 0.188 milésimas de
espesor que se insertan en las canaletas de la ranura justo abajo del diente. El
111
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
propósito principal de acuñar es para prevenir el movimiento de la bobina durante la
operación del motor o durante cualquier disturbio del sistema. Las máquinas
devanadas son bobinas PRE-impregnadas
y aquellas sujetas a abrasión por
partículas conducidas en el aire deben ser acuñadas completamente (la longitud
entera del núcleo de estator) y el resto de las otras máquinas deben ser acuñadas
parcialmente.
Normalmente se aplica un separador delgado entre la bobina y la cuña para el
apretamiento final de la bobina y para proteger la superficie de la misma, de daño
causado por las cuñas cuando se introducen a las canaletas del núcleo de estator.
A las canaletas de las cuñas y los separadores superiores en un devanado
PRE-impregnado se les unta barniz epóxico secado al aire durante la instalación de
las cuñas. Esto evita que las cuñas y separadores superiores trabajen flojos durante
la operación de la máquina. Para devanados post-impregnados, el barniz no es
necesario puesto que la resina VPI sujeta las bobinas y cuñas en su lugar.
9.4
Aislamiento de conexiones serie y de conexiones de grupo
Las conexiones serie son aquellas conexiones que se hacen de una bobina a
la otra adyacente dentro de un grupo de fase. (grupos de fase son aquellos grupos
de bobinas en ranuras adyacentes que se conectan eléctricamente a la misma fase y
el número de estos grupos es igual al número de polos por el número de fases.)
Aunque las conexiones serie se encuentran lo suficiente lejos de tierra, el
fenómeno de fuga en la superficie puede ser un problema si el devanado de estator
se contamina durante su vida de servicio. Por lo tanto, se debe aplicar el suficiente
aislamiento a tierra para soportar el voltaje de operación. Las conexiones serie son
conexiones de bobina directas, en donde la terminal de inicio de una bobina se
conecta a la terminal final de la bobina adyacente.
112
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
Los grandes huecos que se presentan en las conexiones de devanados PREimpregnados se llenan con fieltro de dacrón, este fieltro se satura con una resina
epóxica o de poliéster curada con calor para llenar los huecos y dejar un encintado
liso de la conexión.
El aislamiento a tierra de la conexión serie consiste en una de una capa con
medio traslape de cinta de dacrón de 0.032 milésimas de espesor y una o más capas
de cinta de mica con medio traslape dependiendo de la clase de voltaje. De 0-900
volts requiere una capa de cinta de mica a medio traslape, de 901-3000 volts dos
capas y de 3001-5000 volts tres capas y finalmente las conexiones se determinan
con una capa a medio traslape de cinta de protección sobre la cinta de mica. La cinta
de dacrón se usa para crear un aislamiento de resina rica a fin de obtener mejor
resistencia a la humedad, mientras que la mica se usa como barrera o resistencia
dieléctrica. Las conexiones para bobinas PRE-impregnadas usan cintas de dacrón y
cinta de mica cargadas con resina y la cinta de protección se le unta resina epóxica.
“La resina epóxica se usa principalmente por su buena resistencia a la humedad”.
Las conexiones de grupos pueden conectar al grupo de fase próximo, a un
anillo paralelo o a una terminal principal que sale del devanado. Como estas
conexiones se localizan entre grupos de fase diferentes se requiere más aislamiento
de mica (el fieltro de dacrón no se aplica porque tiene menos resistencia corona que
la cinta de mica y consume más espacio) que el usado en conexiones serie para
soportar la mayor diferencia de voltaje que existe.
La impregnación del devanado entero (devanado post-impregnado) provee
una barrera eléctrica con muy pocos huecos entre capas de mica, mientras que en
devanados PRE-impregnados, el uso de cinta de mica cargada con resina (o una
resina epóxica o de poliéster se unta entre las capas de cinta de mica durante el
encintado) en una construcción que generalmente no es libre de huecos, por lo que
se requiere más capas de cinta de mica que en la conexión de post-impregnación.
113
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
Finalmente las conexiones de devanados PRE-impregnados se determinan
con una capa de cinta de protección, a la cual durante su aplicación se le unta resina
epóxica o de poliéster. Se refieren las resinas epóxicas por su buena resistencia a la
humedad.
9.5
Instalación de las terminales y anillos paralelos
Generalmente se aplica la misma cantidad de aislamiento a las terminales y
anillos paralelos como en las conexiones de grupo. De cualquier manera, en algunos
devanados post-impregnados, las terminales pueden ser instaladas después del
proceso de impregnación. Por lo tanto, estas terminales se aíslan como si estuvieran
siendo aplicadas a un devanado PRE-impregnado, usando más capas de cinta de
mica y untando (con brocha) resina epóxica o de poliéster entre capas. La cinta de
mica adicional es necesaria porque no se obtiene un llenado de resina al 100% entre
capas. (La resina epóxica o de poliéster pueden ser curadas a temperatura ambiente
o pueden requerir un horneado).
Cuando se usan cables aislados con goma de silicón o EPR, las uniones de
las terminales de bobina y cable necesitan ser aisladas con cinta de mica. La
cantidad de aislamiento utilizado para estas uniones es el mismo que para las
conexiones de grupo, excepto si las terminales del cable son conectadas después de
la impregnación, sus uniones requieren de aislamiento adicional como si fuera un
devanado PRE-impregnado. El aislamiento del cable se encinta de tal manera que
termine en forma cónica de cada lado de la conexión para que exista un sellado
efectivo. En unidades que son probadas en agua, se aplica una capa de fieltro de
dacrón abajo del aislamiento de mica para proveer un mejor sellado.
Mica para prever un mejor sellado
La instalación de las terminales y anillos paralelos se lleva acabo después de
que las bobinas de estator se acuñan en la ranura y todas las conexiones serie
aisladas. Los anillos paralelos son generalmente soportados debajo de las bobinas
114
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
de estator en brazos de soporte de Micarta pegados a la placa extrema (véase
Figura 37), las terminales principales son también afianzadas con Micarta en la
salida de la estructura de la máquina, manteniendo las distancias mínimas
establecidas para prevenir fallas eléctricas.
Figura 37. Sujeción de anillos paralelos en estructura de soporte de micarta
La instalación de cable aislado difiere en que no se requiere estructura de
soporte para devanados de bajo voltaje (véase Figura 38), ya que los cables son
amarrados a las conexiones serie alrededor de la periferia del devanado. Este tipo de
construcción es menos cara y los cables son de la longitud continua así que se
requieren menos uniones soldadas. Los cables pasan a través de la estructura por
abrazaderas de Micarta forradas con anillos de goma o fieltro de dacrón para
proteger los cables de desgaste por fricción.
Figura 38. Sujeción de cables alrededor de las conexiones serie del devanado
9.6
Instalación del sistema de soporte de la bobina
El sistema de soporte de la bobina de estator consiste de anillos de soporte,
brazos de soporte, separadores para ventilación entre bobinas, separadores entre
piernas de bobina y separadores usados para soportar terminales y anillos paralelos.
115
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
Los sistemas de soporte se diseñan a la medida de cada aplicación y usan
una amplia variedad de estos componentes son estándar como los separadores para
ventilación entre bobinas, anillos y brazos de soporte los tamaños pueden variar
pero la forma y materiales son estándar). El tamaño, la velocidad y aplicación de la
máquina se toman a consideración para el diseño de sistema de soporte. La
corriente inrush y la longitud de los cabezales también son usados para calcular el
número de filas de separadores para ventilación entre bobinas.
La mayoría de los diseños de baja velocidad utilizan la rigidez inherente de las
bobinas para prevenir movimiento de los devanados bajo todas las condiciones de
operación (estas fuerzas las calcula un ingeniero mecánico).
Diseños de más alta velocidad usan una cuerda de fibra de vidrio (véase
Figura 39) o uno o dos anillos de soporte (véase Figura 40) para atar los cabezales
de las bobinas y prevenir algún movimiento radialmente hacia fuera de los
devanados. Para extensiones de bobina mayores, uno o ambos de los anillos de
soporte se sujetan entre brazos de acero unidos a la placa extrema (véanse Figuras
41, 42, 43, 44), donde el anillo de soporte exterior, si se usa, esta localizado cerca
del rizo de la bobina y se hace de acero, mientras que el anillo de soporte interior, en
el caso de que también sea usado, está localizado a la mitad entre el anillo exterior y
el núcleo de estator y se construye de aluminio (material no magnético). Ambos tipos
de anillos tienen una sección transversal redonda que puede ser de 0.38 milésimas a
1pulgada de diámetro dependiendo del tamaño de la máquina y la aplicación. (el
anillo exterior normalmente es más grande en diámetro que el anillo interior).
Una o más hileras de separadores de ventilación son usadas para limitar el
movimiento circunferencial de las bobinas y prevenir movimiento radialmente hacia
dentro llamado “arc binding”. En algunos diseños, estos separadores de ventilación
son también usados para guiar el aire de ventilación al ventilador o a las barras del
rotor.
116
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
Las conexiones de grupos y terminales principales deben también ser
soportadas para prevenir daño o aflojamiento debido a fuerzas causadas por
arranques a voltaje pleno.
Figura 39
Sistema de soporte usando
cuerda cuerda de fibra de
vidrio para sujeción de los
cabezales.
Figura 40
Sistema de soporte usando un
anillo exterior para sujeción de los
cabezales
Figura 41 Anillo de soporte exterior con
sujeción a una pieza de
micarta atornillado al brazo
Figura 42. Anillos de soporte exterior con
ajuste axial
Figura 43. Anillos de soporte con ajuste
axial y fijo
Figura 44. Anillos de soporte con ajuste axial
117
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
La instalación del sistema de soporte de cabezales puede ser separada en tres
categorías distintas como sigue:
A. Brazos y anillos de soporte
Los anillos de soporte de metal se aíslan con cinta de mica y 2 o 3 espesores
de fieltro de dacrón de 0.125 milésimas de espesor. La cinta de mica previene de
fallas de fase a fase pueden ocurrir entre dos bobinas no adyacentes, y el dacrón
que está situado en el diámetro interior del anillo, sirve como un colchón
(amortiguador) entre el anillo y las bobinas, y se mantiene en su lugar con una cinta
de protección de fibra de vidrio o medio traslape. En diseños pre-impregnados, la
cinta de mica y dacrón son cargadas con una resina epóxica o de poliéster curadas
al calor, mientras que en la cinta de protección de fibra de vidrio se aplica con brocha
de resina.
Cuando son requeridos los brazos de soporte, se soldan a la placa extrema
después de que el núcleo de estator ha sido aplicado. Los brazos se construyen de
varios tamaños de ángulo de acero o de placa de acero doblada, siendo el tamaño
del brazo una función de longitud requerida. En algunos diseños, se taladran orificios
en el brazo y se une la pieza de micarta a este, sostenida por medio de tornillos
(véase Figura 41). En otros diseños se perfora una ranura en el brazo y un block de
micarta con un perno insertado se instala en la ranura (véanse Figuras 42, 43, 44). El
uso de una ranura, más que un orificio, permite algún ajuste axial de la localización
del anillo de soporte, siendo este particularmente importante cuando se soporta un
anillo interior. Las piezas de micarta (o bloques) se hacen con una canaleta cóncava
que ajusta en el anillo de soporte y lo asegura a la placa extrema.
Los anillos de soporte de metal se instalan antes de que se empiece a
devanar, de tal manera que puedan ser estirados durante el amarre de las bobinas.
En diseños de baja velocidad, el anillo exterior se amarra cada 8 bobinas y en
118
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
diseños de alta velocidad, cada bobina se amarra al anillo exterior con un cordón
continuo de 4 hilos de fibra de vidrio de .88 pulgadas de diámetro.
B. separadores de ventilación
Separadores de ventilación de fieltro de poliéster se instalan entre los
diamantes de las bobinas en las piernas superior e inferior. En la mayoría de los
casos, el número de filas de separadores es el mismo en cada pierna. Estos
separadores previenen de movimiento radialmente hacia dentro por el amarre en
forma de arco (arch binding) del devanado, ya que los separadores impregnados
tienen buena resistencia a la compresión. También ayudan a prevenir algún
movimiento de las bobinas a lo largo del anillo si el espacio de ventilación entre las
bobinas a lo largo del anillo, si el espacio de ventilación entre las bobinas es más
grande de 0.25 pulgadas se insertan piezas de micarta dentro del dobles de dacrón
para que el dacrón sea apropiadamente comprimido. En algunos casos, los
requerimientos de ventilación dictarán el uso de separadores de dacrón adicionales a
una o ambas piernas de bobina para dirigir el aire a un área en particular. En diseños
pre-impregnados, el dacrón es pre-remojado en resina epóxica antes de colocarlos
en el devanado.
C. Amarre de conexiones y terminales
En diseños con voltajes de operación debajo de lo igual a 7KV, las conexiones
de grupo y terminales se amarran directamente al devanado de un cordón de vidrio
de 0.093” de diámetro. Si el espaciamiento entre terminales o conexiones es más de
0.75” pulgadas, se usan separadores de micarta envueltos con dacrón para prevenir
abrasión entre la micarta y las terminales o conexiones. El dacrón o micarta, las
conexiones y terminales se mantienen juntas con múltiples vueltas de cordón de fibra
de vidrio de 0.093” de diámetro. En diseños de alto voltaje, las terminales se amarran
a los brazos de micarta que están unidos a la placa extrema.
119
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
Y de nuevo, si el devanado es pre-impregnado, el dacrón debe ser remojado
en resina epóxica y a todos los amarres se debe aplicar con brocha una capa de
resina epóxica.
AISLAMIENTO
MICA DE .005” de espesor
Clase
Envolvente
0 – 3000 V
4 capas
3001 – 7000 V
6 capas
Tabla 12. Capas de envolvente de mica para bobinas de bajo voltaje
Clase de
No. De vueltas del
Material
Escalón
No. De
aislamient
envolvente
Envol. De
capas
o
Bob. Estándar –
Mica de
Del
bob. c/aisl/vueltas
0.005”
encintado
(43166BG)
De
cabezales
0 - 900
4.5 – 2.5
Env. De .005”
.5”
1
901 - 3000
5.5 – 3.5
“
.5”
2
3001 - 5000
4.5 – 3.5
“
.75
3
5001 - 7000
5.5 – 4.5
“
1.25”
4
Doble espesor
Tabla 13 No. De vueltas de envolvente
120
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
10 Tolerancias de Aislamiento
Tabla 14.
Post- impregnado – Envolvente – bajo voltaje con guía de devanado (usar estas
dimensiones para carcasas de 5000 mm o más pequeñas)
Voltaje
0 - 900
901 - 3000
3001 - 5000
Dimensiones
(A) – (P)
(A) – (P)
(A) – (P)
Envolvente 3 ½ vueltas .005”
035 .030
-
-
Envolvente 4 ½ vueltas .005”
-
045 .040
-
Envolvente 6 ½ vueltas .005”
-
-
.065 .060
005 .005
.010 .010
.010 .010
Cinta de protección
.008 .008
.008 .008
.008 .008
Espacio de aisl./costado de bob.
.048 .043
.063 .058
.083 .078
Dos costados de bobina / ranura
.048 .086
.063 .116
.083 .156
Subconductores2
.007
.007
.007
Terminado de ranura
.015 .010
.015 .010
.015 .010
Guía del devanado
.014 .007
.014 .007
.014 .007
Tolerancia del devanado
.011 .010
.006 .010
.010 .010
Impregnación y stagger
(Toler. Para resina y variacs.)
Tira con resina para unión de
Tira entre costados de bobina
Tolerancia de aisl. Total
.000
.095 .013
121
.032
.105 .175
.063
.129 .246
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
Tabla 15.
Post– impregnado – envolvente – bajo voltaje sin guía
de devanado (usar
estas
dimensiones para carcasas de 500 mm o más grandes)
Voltaje
0 – 900
901 - 3000
3001 - 5000
Dimensiones
(A) – (P)
(A) – (P)
(A) – (P)
Envolvente 4 ½ vueltas .005”
.045 .040
Envolvente 5 ½ vueltas .005”
055 .050
Envolvente 4 ½ v. doble .005”
Impregnación y stagger
.090 .080
.010 .010
.010 .010
.015 .015
Outer binder (butted)
.008 .008
.008 .008
.008 .008
Espacio de aisl./costado de bob.
.063 .058
.073 .068
.113 .103
Dos costados de bobina / ranura
.063 .116
.073 .136
.113 .206
Subconductores2
.007
.007
Terminado de ranura
.015 .010
.015 .010
.015 .010
Tolerancia del devanado
.010 .005
.010 .010
.010 .010
.000
.032
.063
(Toler. PAra resina y variacs.)
Tira con resina para unión de
Tira entre costados de bobina
Tolerancia de aisl. Total
.095 .131
.007
.105 .188
.145 .284
Notas:
1.
El espacio disponible para devanar en las ranuras es tolerancia del devanado
más impregnación y stagger.
2.
Esta dimensión es 0” para un subconductor de ancho, .007” para 2
subconductores de ancho y .014” para tres subconductores.
3.
Añadir .063” de profundidad para clase de 0-900V o .031” para clase de 9013000V si son usados detectores de temperatura.
4.
Añadir .005” de ancho para clase de 3001-5000V si la longitud del núcleo es
más grande de 32”.
122
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
Tabla 16. Post-impregnado-Cinta de Mica – Bajo Voltaje.
Voltaje
0 - 900
901 - 3000
3001 - 5000
Dimensiones
(A) – (P)
(A) – (P)
(A) – (P)
3 capas de cinta a medio
traslape de .029”
.087 .087
4capas de cinta a medio
traslape de .029”
.116 .116
5 capas de cinta a medio
traslape de .029”
.145 .145
outer binder (Butted)
.008 .008
.008 .008
.008 .008
Espacio de Aisl./ costado de bob.
.095 .095
.124 .124
.153 .153
Dos costados de bobina /ranura
.095 .190
.124 .248
.153 .306
Tira con resina para unión de
subconductores 3
.007
.007
.007
Terminado de ranura
.015 .015
.015 .015
.015 .015
Tolerancia del devanado
.010 .015
.015 .015
.015 .015
.063
.063
.161 .341
.190 .399
Tira entre costados de bobina
Tolerancia de Aisl. Total
.063
.132 .283
Notas:
1. Impregnación y stagger es incluida en las tolerancias de espesor para cada capa
de cinta (.002” por capa).
2. El espacio disponible para devanar las bobinas en las ranuras es tolerancia del
devanado más impregnación y stagger (variacs).
3. Esta dimensión es 0” para un subconductor de ancho, .007” para dos
subconductores de ancho, y .14” para tres subconductores.
4. Tolerancia del devanado es .015” por la construcción encintada.
123
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
Tabla 17. Pre-impregnado- Envolvente- bajo voltaje
Voltaje
0 - 900
901 - 3000
3001 - 5000
Dimensiones
(A) – (P)
(A) – (P)
(A) – (P)
Envolvente 4 ½ vueltas .005”
.045 .040
Envolvente 5 ½ vueltas .005”
055 .050
Envolvente 4 ½ v. doble .005”
Impregnación y stagger
.090 .080
.010 .010
.010 .010
.015 .015
Outer binder (butted)
.008 .008
.008 .008
.008 .008
Espacio de aisl./costado de bob.
.063 .058
.073 .068
.113 .103
Dos costados de bobina / ranura
.063 .116
.073 .136
.113 .206
(Toler. Para resina y variacs.)
Tira con resina para unión de
Subconductores2
.007
Terminado de ranura
.015 .015
.015 .015
.015 .015
Tolerancia del devanado.
.010 .010
.010 .010
.010 .010
separador de lado
.010
Tira entre costados de bobina
Tolerancia de aisl. Total
.007
.007
.010
.063
.105 .224
.010
.063
.115 .224
.063
.155 .294
Notas:
1.
Tolerancia de impregnación y stagger es .010” para voltajes de 0-900-3000V y
0.015” para 300| -5000V.
2.
El espacio disponible para devanar en las ranuras es .020” ( Tolerancia del
devanado más separador de lado ).
3.
Esta dimensión es 0” para un subconductor de ancho, .007” para dos
subconductores de ancho y .014 para tres subconductores.
124
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
Tabla 18. Pre-impregnado – Cinta de Mica – bajo voltaje.
Voltaje
0 - 900
901 - 3000
3001 - 5000
Dimensiones
(A) – (P)
(A) – (P)
(A) – (P)
.081 .081
.081 .081
3 capas de cinta a medio
traslape de .027”
4capas de cinta a medio
traslape de .027”
.108 .108
Outer binder (medio traslape)
.016 .016
.016 .016
.016 .016
Espacio de Aisl./ costado de bob.
.097 .097
.097 .097
.124 .124
Dos costados de bobina /ranura
.095 .095
.097.124
.124 .248
subconductores 3
.007
.007
.007
Terminado de ranura
.015 .015
.015 .015
.015 .015
Tolerancia del devanado
.010 .010
.010 .010
.010 .010
Separador de lado
.010
Tira con resina para unión de
Tira entre costados de bobina
Tolerancia de Aisl. Total
.010
.063
.139 .286
.010
.063
.139 .282
.063
.166 .336
Notas:
1.
Impregnación y stagger son incluidos en la tolerancia del espesor para cada
capa de cinta (.002” por cada capa).
2.
El espacio disponible para devanar las bobinas en las ranuras es .020”
(tolerancia del devanado más separador de lado).
3.
Esta dimensión es 0” para un subconductor de ancho, .007” para dos
subconductores de ancho, y .14” para tres subconductores.
125
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
11. Capacidades, selección y mantenimiento de las M. E. R.
Una vez terminado el estudio de la eficiencia de diversas dínamos, tanto de cd
como de ca, nos encontramos en mejor posición para evaluar los factores que
afectan a sus capacidades. Como se describió antes, la capacidad de los motores se
da simplemente en términos de salida de caballos de potencia (hp) a una velocidad y
voltaje nominales específicos. De igual forma, la capacidad de los generadores se
da en términos de su salida ya sea de kilowatts (kW) o de kilovolt/amperes (KVA) a
determinada velocidad de entrada y voltaje de salida.
Si una dínamo determinada es muy eficiente la cantidad de pérdidas que se
producen es muy pequeña en proporción con salida. Por el contrario, una eficiencia
baja ocasiona mayores pérdidas en proporción con la salida. Las pérdidas producen
calor. En el funcionamiento normal, una dínamo debe ser capaz de disipar su energía
calorífica sin que se desarrolle un aumento indeseado o excesivo de temperatura. En
otras palabras, la vida de cualquier dínamo se acorta de modo drástico por el
sobrecalentamiento.
Por lo tanto, la temperatura de funcionamiento de cualquier máquina afecta a
su expectativa de vida, o vida esperada, al mismo tiempo que otros factores afectan
a la capacidad de la maquina. El tipo de servicio al cual se sujeta la máquina también
afecta a su tiempo de vida. Las dínamos que sólo se necesitan para trabajo
intermitente, en oposición a un trabajo continuo, tienen menores tamaños de
armazón, para la misma capacidad de salida, que aquellas en las que su capacidad
se da para trabajo continuo. Mientras mayor sea el tamaño del armazón, mayor es su
área superficial y mejor disipación de calor se tiene.
Las dínamos que no están completamente cerradas y que están bien
enfriadas por ventiladores tienen mayores capacidades de salida que aquellas que
están en armazones del mismo tamaño, pero cerradas por completo. Igualmente, las
126
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
dínamos de alta velocidad tienen capacidades mayores que las de baja velocidad
con el mismo tamaño de armazón.
Veremos que el tipo de aislamiento que se usa en los devanados del estator y
del rotor no sólo afecta al aumento permisible de temperatura, sino también a la
expectativa de vida de la dínamo. Con frecuencia se ha dicho que “la vida de una
máquina es sólo tan buena como su aislamiento”. Los diversos factores que afectan
a la vida del aislamiento son el calentamiento sostenido a altas temperaturas, el
choque y la vibración mecánicos, la humedad, las condiciones corrosivas de la
atmósfera (sean ácidas o alcalinas)y/o las temperaturas de servicio extremadamente
bajas. A bajas temperaturas de servicio, el aislamiento se puede contraer o volverse
quebradizo y romperse a causa de una gran vibración.
11.1
Factores que afectan la capacidad de las máquinas
Como se dijo antes, la capacidad de las máquinas se da en términos de sus
capacidades de salida. La capacidad de los generadores y alternadores se da en
términos de su capacidad en KW o KVA de salida a determinada velocidad, nominal,
del primomotor y a determinado voltaje nominal, entre terminales. La capacidad de
los motores, sean de cd o de ca, se da en términos de la potencia de salida en
caballos en el eje a la velocidad nominal, corriente a plena carga y voltaje aplicado.
Cuando se hace trabajar a las máquinas eléctricas bajo las condiciones que se
mencionan en sus placas, se deduce que no se tendrá un gran aumento de
temperatura y que las máquinas no se sobrecalentarán. Si bien el fabricante se da
cuenta de que se pueden sostener sobrecargas temporales, no se espera que las
dínamos rotatorias soporten sobrecargas sostenidas durante largos períodos. Hay
usuarios que, por motivos de economía aceptan el riesgo de comprar un producto
que, 1) desarrollo la velocidad nominal a la carga nominal, pero no tenga la velocidad
nominal cuando se encuentre bajo sobrecarga, 2) se sobrecaliente mucho y, como
resultado, tenga una vida más corta en general y 3) que durante su vida trabaje a
una eficiencia menor con la sobrecarga. Así, el costo inicial menor se compensa por
una eficiencia menor y funcionamiento más caro, aunados con la necesidad de una
127
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
reposición más temprana. Por lo tanto, todas las placas de la maquinaria eléctrica
rotatoria dan determinada información esencial que influye en su funcionamiento. La
mayor parte de las placas muestra el aumento permisible de temperatura, el ciclo de
trabajo, el voltaje, la corriente, la velocidad y la frecuencia nominales, y la capacidad
a la salida, en hp, kW o kVA.
11.1.1 Información de Placa
Para simplificar esta descripción nos concretaremos a la información que se
da en las placas de los motores, No todos los motores muestran toda la información
posible que podría aparecer en una placa. En algunos casos, la información que no
se muestra en una placa se puede obtener en las publicaciones del fabricante o
mediante sus especificaciones por escrito para el motor. En una placa de motor
puede aparecer cualquiera de los siguientes puntos:
1. Tipo de motor (derivación, compuesto, serie, fase partida, arranque por
capacitor, síncrono, inducción de rotor devanado, etc.)
2. Tamaño del armazón
3. Hermeticidad
4. Número de fase (o si es de cd)
5. Salida de potencia en hp
6. Frecuencia
7. Velocidad nominal
8. Voltaje nominal
9. Corriente nominal
10. Aumento permisible de temperatura sobre el ambiente
11. Ciclo de trabajo (intermitente, continuo, o tiempo sin sobrecalentamiento)
12. Letra de clase de aislamiento de devanados
13. Letra de clase de diseño
14. Letra de código para corriente a rotor bloqueado
15. Protección térmica
128
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
16. Factor de servicio
17. Número de identificación del fabricante
18. Número de modelo del fabricante
11.2 Elevación de temperatura y norma de temperatura ambiente
La norma de temperatura ambiente permisible para las dínamos eléctricas se
establece en la actualidad a 40 C. Es la temperatura límite al arranque, a la cual
comienza todo calentamiento resultado de la carga eléctrica. Todo el aislamiento de
maquinaria se prueba sobre la base de un aumento de temperatura arriba de 40 C.
Un motor que trabaje en una zona confinada cerca de un dispositivo de alta
temperatura, como una caldera o un calentador, puede tener una temperatura
ambiente de 60 C. Se permite una diferencia de 20 C, sin afectar materialmente a la
vida esperada de un motor.
Todas las placas de dínamo muestran un aumento de temperatura permisible
sobre la ambiente. Este aumento puede darse entre 50 C y hasta 200 C sobre la
base del tipo de aislamiento utilizado.
Los motores cuya capacidad se evalúa a una temperatura ambiente de 40 C
deben ser capaces de funcionar en forma continua a la carga nominal sin daños
graves al aislamiento, siempre que:
1. La temperatura ambiente no sea mayor de 40 C.
2. La altitud no sea mayor de 1000 m.
3. Las condiciones atmosféricas de polvo, humedad, humos, etc., no inhiban la
ventilación adecuada.
4. El voltaje aplicado no varíe en más de
10 por ciento sobre o abajo del valor
nominal.
5. La frecuencia aplicada no varíe en más de 5 por ciento sobre o abajo del valor
nominal.
129
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
6. Se hayan seguido todos los métodos de montaje, de acuerdo con lo especificado
por las normas NEMA y del fabricante, respecto al montaje, al accionamiento por
cadenas o bandas, y al acoplamiento.
Algunos motores sólo muestran en sus placas que el aumento permisible es
de 40 C. Estos motores con capacidad de 40 C de aumento deben ser capaces de
soportar sobrecargas momentáneas de 150 por ciento de la carga nominal siempre
que no se presenten con frecuencia dentro de un lapso de 30 minutos. Es más, la
mayor parte de los motores con aumento de 40 C deben ser capaces de
funcionamiento continuo con una sobrecarga de 115 por ciento cuando se hagan
trabajar a una temperatura ambiente igual a 40 C, a la frecuencia y voltaje
nominales, sin demasiado aumento de la temperatura, suponiendo que se cumple
con las condiciones señaladas. A este factor de 115 por ciento se llama factor de
servicio; si es permitido, se estampa en la placa.
Algunos motores cuentan con aislamiento para temperaturas mayores (véase
tabla 19) y pueden tener aumentos permisibles de 50, 55, 60, 70 y 75 C. Cuando en
la placa aparecen estos aumentos de temperatura, no se permite factor de servicio
alguno.
11.2.1 Temperaturas límite de los materiales aislantes
Hay estudios empíricos que demuestran que, por cada aumento de
temperatura de 10 C en trabajo continuo, sobre el límite recomendado de
temperatura del lugar más caliente (véase tabla 19 en el anexo), la vida del
devanado disminuye a la mitad. A la inversa, por cada reducción de 10 C en la
temperatura de funcionamiento del motor por debajo del límite nominal, se multiplica
por dos la vida del devanado.
130
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
La tabla 19 aplica el aumento máximo de 40 C sobre la temperatura ambiente
para asignar una temperatura máxima final permisible, basada en las temperaturas
límite en el lugar más caliente, que se permiten para diversas clases de material.
Se puede dificultar la medición de la temperatura del lugar más caliente que
se permite para cualquier dínamo, para una determinada clase de aislamiento,
porque ese lugar más caliente puede estar en el interior de los devanados del estator
o de la armadura, o puede no estar accesible por cualquier otro motivo. Los
termómetros del tipo termopar o bulbo de mercurio o alcohol se deben ubicar en las
partes exteriores más accesibles de la dínamo, y el valor de temperatura que se
tenga depende del gradiente térmico creado por la constitución física de la máquina.
Se acostumbra sumar una corrección de 15 C a la temperatura superficial, y con el
resultado determinar la temperatura del lugar más caliente.
Se obtiene un valor mayor y más real de la temperatura interna máxima
mediante mediciones de resistencia en frío y en caliente de los devanados de cobre
del estator o del rotor antes e inmediatamente después del funcionamiento, con los
coeficientes de temperatura para el cobre. Se suma en general una corrección de
10 C a la temperatura calculada a partir de mediciones de resistencia.
Quizá el mejor método de obtener la temperatura del lugar más caliente es
mediante algunos detectores de temperatura incrustados, ya sean termopares o
material resistente sensible a la temperatura, que se colocan en forma permanente
en el interior de la máquina y cuyas puntas se sacan para fines de vigilancia de
temperatura. Los detectores bien colocados dan, en general, mayores valores de
temperatura que las técnicas ya sea de resistencia de devanado o de termómetros
de contacto.
Basándose en la tabla 19, concluiremos que si aun el peor aislamiento, de
clase O, puede resistir una temperatura máxima de 90 C, no hay por qué
preocuparse. Desafortunadamente, sí hay razón para ello, ya que la mayor parte de
131
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
las mediciones de temperatura se hacen en la superficie o empleando técnicas de
medición de resistencia de devanado. Es precisamente por este motivo por el que el
asa (American Standards Association – Asociación Estadounidense de Normas)
establece aumentos de temperatura “observables” sobre 40 C. Con ello se reconoce
el hecho de que, en la mayor parte de las condiciones, se registra generalmente la
temperatura superficial y no la temperatura interna.
11.2.2 Influencia de la temperatura en la vida de la maquinaria eléctrica
Como ya se dijo, “la vida de una maquinaria es sólo tan buena como su
aislamiento”. Ya se afirmó que por cada 10 C
de trabajo sobre el límite
recomendado de temperatura del lugar más caliente, la vida de un devanado se corta
a la mitad. De manera inversa, por cada 10 C de reducción de temperatura de
trabajo de un motor, por debajo del límite recomendado, la vida del devanado
aumenta al doble. Supongamos que la vida promedio de un motor es de 10 años, a
una temperatura ambiente de 40 C y trabajando el motor en forma continua dentro
de su límite de temperatura. Debería ser posible predecir la reducción (R) en la vida
de los motores cuando el límite de temperatura se rebase, al igual que la
prolongación (E) de la vida de los motores que trabajen a bastante menos que su
límite de temperatura.
También debe ser posible formular una ecuación sencilla que permita calcular
la prolongación o la reducción de la vida de un motor para 40 C de temperatura
ambiente. La ecuación (11-2-1) muestra la relación exponencial empírica que permite
ese cálculo:
Factor E/R = 2(
Siendo
/10 )
(relación adimensional)
Ec. (11-2-1)
la diferencia positiva de temperatura entre el dato para el lugar más
caliente de su aislamiento (tabla 19) y la temperatura real que indiquen los detectores
incrustados en los devanados.
132
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
La descripción anterior nos conduce a la conclusión inevitable de que le
tamaño de armazón en realidad está determinado por el aumento de temperatura. La
razón por la que ese tamaño sirve para una mayor potencia cuando es mayor la
velocidad, es sencilla. A mayores velocidades el enfriamiento es más eficiente. Se
tolera una mayor corriente en el mismo devanado sin producir demasiado calor,
siempre que la velocidad sea lo suficientemente alta como para dispar el calor sin
demasiado aumento de temperatura. A largo plazo, el aumento de temperatura
determina la capacidad de potencia, o sea los hp, KW o KVA de salida, de todas las
máquinas eléctricas.
Veamos el caso de un diseñador que acaba de recibir los informes de la
prueba de un motor prototipo de 100 hp, cd, que se construyó de acuerdo con sus
especificaciones. Usó aislamiento clase B para los devanados del motor. El motor,
cuando se prueba a una temperatura ambiente constante de 40 C a una carga
nominal durante 4 horas a la velocidad nominal, produce una temperatura de lugar
más caliente igual a 145 C. Adviértase que esta temperatura es mayor que los 130 C
especificados en la última columna de la tabla 19. El diseñador tiene dos alternativas:
1. Puede reducir la potencia nominal del motor, digamos a 75 hp, y hacer que se
pruebe el motor a esta capacidad a la misma velocidad y duración de prueba. Si
en esas condiciones la temperatura en el lugar más cliente del motor no es mayor
que 130 C, puede decir que la capacidad de su motor es de 75 hp.
2. Puede hacer que se embobine el motor con aislamiento clase F, con el mismo
tamaño de armazón y capacidad de corriente de los conductores. Obsérvese que
el aislamiento clase F (tabla 19) tiene una temperatura permisible de lugar más
caliente de 155 C, con la cual se puede tolerar una capacidad de 100 hp.
Consideremos ahora la alternativa para el mismo diseñador si acabara de
recibir los informes de prueba de su motor prototipo de cd, de 100 hp, con
aislamiento clase B, en determinado
tamaño de armazón. El motor, cuando se
133
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
prueba con las condiciones que se describieron arriba, produce una temperatura de
lugar más caliente igual a 80 C. El diseñador tiene dos alternativas:
1. Puede aumentar la capacidad nominal del motor, digamos a 125 hp, y hacer que
lo prueben a esa potencia a la misma velocidad y durante el mismo tiempo. Si la
temperatura del lugar más caliente del motor no es mayor de 130 C, puede decir
que la capacidad de su motor es de 125 hp.
2. También puede seleccionar un tamaño menor de armazón y emplear un
conductor de menor diámetro, con lo cual se reducen el peso y el costo del
diseño. Ese motor emplea menos hierro y menos cobre, aunque se mantiene la
relación de cobre a hierro. Puede hacer que se pruebe al motor con menor
tamaño de armazón y continuar así con tamaños cada vez menores, hasta
alcanzar al que produce la temperatura permisible de 130 C, de límite máximo. En
el caso ideal, el tamaño mínimo de armazón que use la mínima cantidad de hierro
y cobre y que produzca la capacidad de potencia deseada, es el de fabricación
más económica y cuyo precio es el más competitivo.
Por la física elemental sabemos que:
1. Sólo las pérdidas ocasionan producción o generación de energía térmica, y no de
energía mecánica o eléctrica útiles.
2. La energía calorífica que se produce ocasiona un aumento de la temperatura de
la dínamo.
3. A una velocidad determinada, con determinada carga, la temperatura final
representa aquel equilibrio en el cual el calor generado por las pérdidas es igual al
disipado por la dínamo en su entorno, que es aire en general.
4. Cuando aumenta la carga, aumenta también la potencia de salida.
134
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
5. Pero, si la eficiencia es muy constante entre los límites de 50 a 150 por ciento de
la carga nominal, cuando aumenta la carga aumentan las pérdidas en la misma
proporción.
Podemos hacer ahora una interferencia importante:
El aumento de temperatura de cualquier dínamo está en proporción directa a
su carga siempre que los límites de dicha carga estén entre 50 y 150 por ciento de la
nominal.
11.3 Voltajes nominales
La NEMA (Nantional Electrical Manufacturers Association- Asociación
Nacional estadounidense de Fabricantes de Aparatos y Equipo Eléctricos) ha
adoptado los voltajes nominales normales que se presentan en la tabla 20 (véase
anexo). Adviértase que, en ella, la diferencia de voltaje entre los generadores y
motores de cd permite una caída en los conductores que abastecen al motor. Lo
anterior también es válido en el caso de los alternadores de ca y motores de ca,
monofásicos o polifásicos.
Las capacidades mayores de voltaje que se ven en la tabla 20 se reservan en
general para potencias mayores en alternadores y motores.
11.4 Efecto del ciclo de trabajo y la temperatura ambiente sobre el tamaño del
armazón y la capacidad
Además de los valores nominales de temperatura y voltaje, otros factor de la
capacidad es el ciclo de trabajo. Este ciclo, para la maquinaria eléctrica que se
fabrica actualmente, se especifica como trabajo continuo, trabajo intermitente, trabajo
periódico, o trabajo variable.
135
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
Para los mismos hp o kVA de potencia nominal, la máquina de trabajo
continuo será físicamente mayor que la de trabajo intermitente. El mayor tamaño es
consecuencia de conductores de mayor diámetro y de aislamiento más resistente.
Además, un tamaño mayor de armazón presenta una mayor área superficial de la
cual se pueda disipar el calor; ello, también resulta en una menor temperatura de
trabajo para la misma duración de éste. En general, un motor de 10 hp de servicio
continuo se puede considerar que es un motor de 12 o 13 hp de servicio intermitente,
aunque la velocidad nominal pueda ser algo menor, ya que el aumento de
temperatura no es excesivo si se hace trabajar en forma intermitente.
El ciclo de trabajo se relaciona estrechamente con la temperatura, y por lo
tanto se toma para incluir también factores ambientales. Un alternador de 100 kVA
de capacidad intermitente se podría convertir en uno de 200 kVA si se trabajara en
forma continua en el polo norte a una temperatura ambiente de -80 C, ya que todo el
calor generado sería insuficiente para sobrecalentar el alternador bajo esas
condiciones del ambiente.
De igual forma en que se reducen la potencia nominal y el ciclo de trabajo por
un aumento en la temperatura ambiente, también aumentan capacidad y ciclo de
trabajo por una disminución extrema en la temperatura ambiente.
Del mismo modo, las máquinas totalmente cerradas, sin ventilación forzada
auxiliar, no permiten ventilación ni reemplazo del aire interno y no tienen un nivel de
capacidad como el de máquinas semejantes que no sean totalmente cerradas y que
estén ventiladas de tal forma que se conduzcan aire fresco a lo largo de los
devanados del estator y el rotor.
136
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
11.4.1 Efecto del ciclo de trabajo sobre la potencia RMS
La NEMA clasifica cuatro tipos de ciclos de trabajo:
1. Trabajo continuo. Uso de la dínamo en el que se necesita trabajo a carga
bastante constante durante periodos razonablemente largos.
2. Trabajo periódico. Necesidades de carga que vuelven a presentarse con
regularidad a intervalos periódicos durante periodos razonablemente largos.
3. Trabajo intermitente. Se presentan necesidades irregulares de carga, incluyendo
periodos bastante largos de reposo sin carga.
4. Trabajo variable. Tanto las cargas como los intervalos de tiempo a los que se
necesitan pueden estar sujetos a una amplia variación sin reposo, a través de un
periodo razonablemente largo, sin ninguna irregularidad.
El ciclo de trabajo juega papel importante en la selección y capacidad de una
dínamo. Como regla general, para todas las dínamos, la capacidad que se debe
seleccionar debe ser tal que la dínamo estará trabajando entre la carga nominal y 3/4
de ella la mayor parte del tiempo. Una dínamo mayor que la necesaria tendrá una
menor eficiencia de trabajo y un mayor costo de operación, y además un, mayor
costo inicial. En el caso de un motor que impulse a una carga específica, como por
ejemplo un motor de inducción, no sólo la eficiencia es baja (si el motor es mayor de
lo necesario), sino que también el factor de potencia es bajo. Igualmente, una
dínamo que sea demasiado pequeña tiene menor eficiencia de operación y ésta
sujeta a sobrecalentamiento, su vida será más corta y aumentarán los costos de
reparación y mantenimiento.
Surge la pregunta de si es posible determinar una capacidad adecuada,
digamos para un motor que esté sujeto a necesidades de trabajo que no sean trabajo
continuo, es decir, periódico, intermitente o variable. La determinación debe tener en
137
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
cuenta los “periodos de descanso” cuando no trabaje el motor, al igual que el tiempo
de cada uno de los niveles de hp que demanda el motor.
En varias aplicaciones se puede tener que seleccionar un motor para
condiciones de servicio de impulsión de una carga que varíe ampliamente en ciclos
que se repiten en forma continua. Por ejemplo, un taladro se puede emplear con
varias brocas y se puede introducir a varias profundidades en diversos metales.
El calentamiento del motor no queda determinado por el valor máximo, sino
por el valor rms de la corriente bajo diversas condiciones de carga. Además, el
periodo de enfriamiento durante el reposo o el tiempo de trabajo en vacío es menos
efectivo que cuando el motor trabaja y, por lo tanto, se acostumbra a dividir periodos
de marcha en vacío entre un factor empírico aproximadamente igual a 3. Por
consiguiente, la capacidad necesaria en hp es el “promedio” rms de las capacidades
instantáneas de potencia a través de un ciclo de prueba, como se indica en la
siguiente ecuación:
potencia rms
( p12t1 ) ( p22t2 ) ( p32t3 ) ... ( pn2tn )
t1 t2 t3 ... tn tr / 3
caballos (hp) Ec. (11-4-1)
En la cual p1 a pn son las capacidades de potencia de salida, en hp o en watts,
kW o MW, que se usen en forma consistente. t 1 es el periodo de descanso, en
minutos y horas congruentes con los demás tiempos variables de t1 a tn.
La ecuación (11-4-1) no se limita a los motores exclusivamente. Se puede
usar también para los generadores y alternadores sujetos a necesidades de cargas
variables. Imaginemos un alternador al que se impulsa a diversas velocidades para
servicio automotriz, por ejemplo. Se usaría la ecuación (11-4-1) para calcular los
watts rms que genera el alternador en un período de 24 horas, bajo los casos de la
demanda más severa de carga.
138
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
11.4.2
Efecto de la temperatura ambiente sobre el tamaño de armazón y la
capacidad
Se hizo notar en un principio que la temperatura ambiente juega un papel
importante en la capacidad y selección del tamaño de armazón para una dínamo.
Parte del motivo es que la temperatura ambiente influye en la elevación permisible de
temperatura por sobre los 40 C normales. Por ejemplo, una dínamo que trabaje a
una temperatura ambiente de 75 C empleando aislamiento clase B tiene un aumento
permisible de temperatura de tan sólo 55 C. Si trabajara a su temperatura ambiente
normal de 40 C, se podría permitir un aumento de temperatura de 90 C, sin dañar su
aislamiento. (Véase tabla 19 en el anexo)
También se hizo notar que el tipo de hermeticidad de la máquina afecta a su
capacidad. Una máquina con armazón totalmente abierta, con un ventilador interno
en su eje, permite el fácil paso del aire de enfriamiento succionado y arrojado. Esta
caja origina una temperatura final de trabajo en los devanados, menor en
comparación que la de una máquina totalmente cerrada que evita el intercambio libre
de aire con el exterior.
Como el tipo de hermeticidad afecta materialmente la temperatura final del
lugar más caliente de una dínamo, describiremos los tipos de hermeticidad, caja,
envolvente o carcasa aprobados en la actualidad por la NEMA.
11.4.3 Tipos de envolventes (Carcasas)
La NEMA reconoce y define los tipos de envolventes de motor que aparecen
abajo. El costo y el tamaño físico de los motores totalmente cerrados es mayor que el
de los de motores abiertos de la misma potencia, ciclo de trabajo y elevación sobre la
temperatura ambiente.
139
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
1. Carcasa a prueba de agua. Envolvente totalmente cerrada para impedir que entre
agua, aplicada en forma de un chorro de manguera, al recipiente de aceite y con
medios de drenar el agua del interior. El medio para esto último puede ser una
válvula de retención o un agujero machuelado en la parte más inferior del armazón,
para conectar un tubo de drenado.
2. Carcasa a prueba de ignición de polvos. Envolvente totalmente cerrada
diseñada y fabricada para evitar que entren cantidades de polvo que se puedan
encender o que puedan afectar desempeño y capacidad.
3. Carcasa a prueba de explosión. Envolvente totalmente cerrada diseñada y
construida para resistir una explosión de un determinado gas o vapor que pueda
estar dentro del motor, y también para evitar la ignición de determinado gas o vapor
que lo rodee, debida a chispas, llamaradas o explosiones en su interior.
4. Carcasa protegida al temporal. Envolvente que evita el intercambio libre de aire
entre el interior y el exterior de ella, pero que no es lo suficientemente cerrada como
para poderla considerar hermética al aire.
5. Carcasa protegida al temporal. Envolvente abierta cuyos conductos de
ventilación están diseñados para reducir al mínimo la entrada de lluvia, nieve y
partículas suspendidas en el aire, y el acceso de éstas a las partes eléctricas.
6. Carcasa protegida. Envolvente abierta en la cual todas las aberturas que
conducen directamente a partes vivas son giratorias, exceptuando los ejes lisos del
motor, tienen tamaño limitado mediante diseño de partes estructurales o parrillas,
coladeras, metal desplegado, etc., para evitar el contacto accidental con las partes
vivas. Estas aberturas no permiten el paso de una varilla cilíndrica de 12.7 mm de
diámetro.
140
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
7. Carcasa a prueba de salpicadura. Envolventes abierta en la que las aberturas de
ventilación están fabricadas de tal modo que si caen partículas de sólidos o gotas de
líquido, a cualquier ángulo no mayor de 100 con la vertical, no puedan entrar en
forma directa o por choque flujo por una superficie horizontal o con pendiente hacia
adentro.
8. Carcasa a prueba de goteo. Envolvente abierta en la que las aberturas de
ventilación se construyen de tal modo que si caen partículas de sólidos o gotas de
líquidos, a cualquier ángulo no mayor de 15 con la vertical, no puedan entrar ya sea
en forma directa o por choque y flujo por una superficie horizontal o inclinada hacia
adentro.
9. Carcasa abierta. Envolvente que tiene agujeros de ventilación que permiten el
flujo de aire externo de enfriamiento sobre y alrededor de los devanados de la
máquina. Cuando se tiene un ventilador interno, se dice que las máquinas son
autoventiladas.
Como se hizo notar antes, mientras más restringida se tenga la ventilación en
cualquier envolvente de máquina, mayor será su tamaño de armazón para
determinada potencia. En consecuencia, un motor de 10 hp a prueba de explosión
con la misma velocidad, aislamiento, voltaje nominal, etc., es físicamente más grande
que un motor de 10 hp abierto.
11.5 Velocidad nominal: clasificaciones de velocidad y reversibilidad
Los generadores, convertidores y alternadores se diseñan para una velocidad
constante dada, cuyo valor nominal se expresa en la placa. Cuando las impulsa un
primomotor a su velocidad nominal, el generador, alternador o convertidor debe
entregar voltaje constante (nominal) a la carga nominal.
141
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
Sin embargo, los motores están sujetos a cambios de velocidad debido al
control
de
ésta.
Una
velocidad
menor
producirá
mala
ventilación
y
sobrecalentamiento. Por lo tanto, la capacidad de los motores se da a la velocidad a
la cual entregarán su potencia nominal y voltaje nominal. Por lo tanto, cuando se usa
control de velocidad en un motor, no se puede esperar que, para la misma corriente
de carga nominal, una menor velocidad produzca la salida nominal de potencia. En
general, cuando disminuye la velocidad, la capacidad del motor es menor
proporcionalmente.
La NEMA ha desarrollado un sistema de clasificación basado en las
características velocidad-carga de motores, para definir a éstos en términos de
dichas características, como sigue:
1. Motor de velocidad constante es uno cuya velocidad varía en medida
relativamente pequeña entre sin carga y plena carga. No se han definido límites, pero
se considera normalmente que es aceptable una regulación de velocidad de 20 por
ciento o mejor. Esta clase comprende a los motores derivación, motores de inducción
de jaula de ardilla, motores síncronos y diversos motores monofásicos de los tipos de
inducción y síncronos.
2. Motor de velocidad variable es uno cuya velocidad varía considerablemente
desde sin carga hasta plena carga, es decir, uno cuya regulación de velocidad es
mayor e inferior que el 20 por ciento. Los motores serie, algunos motores
compuestos, los de repulsión y los de repulsión e inducción pertenecen a esta
categoría.
3. Motor de velocidad ajustable es uno cuya velocidad se puede ajustar en forma
gradual dentro de un amplio margen, que puede ser mayor o menor que la velocidad
nominal, pero cuya velocidad para cualquier ajuste (regulación de velocidad) sólo
varíe muy poco desde funcionamiento en vacío hasta la plena carga. El motor
derivación de cd es un ejemplo excelente de este tipo de motores.
142
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
4. Motor de velocidad ajustable variable es uno cuya velocidad se puede ajustar
en forma gradual dentro de un margen considerable, pero que para cualquier ajuste
dado, la velocidad varía bastante desde sin carga hasta plena carga, es decir, tiene
regulaciones de velocidad inferiores al 20 por cierto. Dentro de esta categoría
encontramos los motores serie, algunos motores compuestos, los de inducción y
repulsión, y los de inducción de rotor devanado.
5. Motor no reversible es uno cuya velocidad se puede ajustar a dos o más valores
definidos, pero no en forma gradual, y cuya velocidad para determinado ajuste sólo
varíe relativamente poco desde sin carga hasta plena carga. Como ejemplo para esta
categoría tenemos el motor de inducción, tanto monofásico como polifásico, con
polos consecuentes.
6. Motor no reversible es uno cuya dirección de giro se puede invertir, sea en
marcha o estando detenido. Un motor de inducción de arranque por reluctancia es un
motor no reversible.
7. Motores reversibles son aquellos cuya dirección
de giro se puede invertir
cambiando determinadas conexiones externas al motor, aun cuando éste se
encuentre en marcha, sin necesidades de detenerlo. Un ejemplo de éstos es el de
arranque por capacitor.
8. Motor invertible es uno cuya dirección de giro se puede invertir en cualquier
momento bajo cualquier condición de carga, aun cuando trabaje con carga y
velocidad nominales. Esto se hace cambiando determinadas conexiones externas al
motor. Todos los motores de cd son motores invertibles, que pueden frenar con
inversión de la armadura. En los tipos monofásicos de inducción, sólo el de arranque
por capacitor es motor invertible. Todos los motores polifásicos de inducción son
invertibles y se pueden frenar invirtiendo sus corrientes.
143
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
Las tablas 21 y 22 (véase anexo), son una lista de los diversos tipos de
motores de cd y ca, en la que se atiende primero a sus características de regulación
de velocidad y después a las de variación de velocidad.
11.6 Otros factores que afectan a la selección de la dinamo de cd o ca
El factor más importante en la selección de un motor o generador de cd es su
capacidad de potencia. En años recientes, con la adopción del sistema SI, la
potencia del motor se expresa normalmente en kilowatts. Si se dividen los caballos
entre 0.746, se obtiene la potencia de salida en kilowatts. En consecuencia, la
potencia de salida tanto de motores como de generadores de cd se puede expresar
en las unidades SI de kilowatts. Se debe tener cuidado de no suponer que esta
potencia sea de entrada.
Anteriormente se han descrito otros factores. Comprenden velocidad nominal
(en rpm o rad/s), clasificación de velocidad, ciclo de trabajo, temperatura ambiente,
aumento permisible de temperatura, voltaje nominal (ya sea de entrada para motores
o de salida para generadores), tipo de carcasa o envolvente y tipo de aislamiento que
se usa en los devanados de armadura y de campo.
11.7 Características de la carga para la selección de motores de cd
En la selección de los motores de cd, los factores que quizá sean de mayor
importancia, además de los citados anteriormente, son los que se refieren a la
naturaleza de la carga que se va a impulsar. Una carga de velocidad constante,
como la de un impulsor de banda o un ventilador, necesitará de un motor derivación.
Una carga que necesite de mayor par de arranque, como por ejemplo un compresor
o una bomba, necesita un motor compuesto. Las cargas que necesitan de par de
arranque extremadamente alto y menores velocidades de arranque, como por
ejemplo elevadores o locomotores eléctricas, necesitan de motores serie.
144
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
11.8
Selección de motores de ca
Además de los factores que se citaron antes, para los motores de ca se
necesitan tomar en cuenta los siguientes factores adicionales: frecuencia del
suministro, número de fase del voltaje del que se dispone, eficiencia relativa a la
carga nominal y producción de interferencia electromagnética. Con respecto a esta
última, los motores de ca tipo de conmutador (serie, repulsión, inducción y repulsión,
y universales), tienden a producir interferencia tanto de radio como de televisión, más
que cualquier otro tipo de motor.
El factor de potencia del motor (FP) puede ser característica importante. Los
motores polifásicos síncronos son capaces tanto de impulsar una carga a velocidad
constante como de tomar corriente con FP en adelante. Al hacerlo, esos motores
tienden a mejorar el FP general de una instalación dada. Todos los demás motores
de ca, tanto polifásicos como monofásicos, tienden a trabajar con FP en retraso.
Cuando el FP sea importante, se debe tomar en cuenta el motor síncrono.
El FP al arranque también es característica importante. Un motor cuyo FP al
arranque sea demasiado bajo tiende a tomar mayor corriente de arranque y a
producir con ello reducciones notables en los niveles de iluminación.
11.8.1 Características de la carga para seleccionar motores de ca
En la selección de motores de ca, como en el caso de los de cd, uno de los
factores de mayor importancia es la naturaleza de la carga por impulsar. Cargas
como garruchas, trenes eléctricos, elevadores, molinos de servicio pesado y molinos
de rodillos necesitan de motores de ca serie. Esas cargas necesitan motores que
desarrollen altos pares de arranque y menor aceleración en el arranque.
145
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
Las cargas que necesiten de velocidad extremadamente constante, como por
ejemplo relojes programadores, impulsores de tocacintas y tornamesas, pueden
emplear motores síncronos. Las cargas que necesiten velocidad bastante constante,
como tornos, taladros de banco, compresores de acondicionamiento de aire,
ventiladores de escape, bombas y diversas máquinas-herramientas industriales
pueden impulsarse mediante motores de inducción, tanto trifásicos como
monofásicos.
Se pueden aplicar voltajes nominales iguales, tanto monofásicos como de cd,
a motores universales que se usen en rasuradoras, máquinas de coser, taladros
pequeños de mano, licuadoras y procesadores de alimentos.
11.9 El sistema por unidad
No quedaría completa ninguna descripción de capacidades de maquinaria
eléctrica sin mencionar el sistema por unidad (p.u.). Desde que se comenzó a
emplear se ha difundido mucho entre los ingenieros que tienen que ver con la
eficiencia de dínamos, transformadores, líneas de transmisión y sistemas completos
de transmisión y distribución. Debido a su simplicidad inherente, el sistema p.u. tiene
varias ventajas importantes con respecto a las demás formas de cálculo de potencia:
1. A los sistemas trifásicos no se les da distinto tratamiento que a los monofásicos o
a los de cd. Se elimina casi por completo el factor
3 de los sistemas trifásicos.
2. Los cálculos por unidad emplean números más sencillos y por consiguiente están
menos sujetos a errores.
3. En los sistemas de transmisión y distribución, los diversos alternadores, líneas,
transformadores, dispositivos de protección y máquinas eléctricas pueden variar
en tamaño y capacidad. Sus caídas de voltaje y sus pérdidas pueden variar
también mucho. Pero, con un sistema p.u., en el que se use una base común,
146
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V
todas las pérdidas p.u. y caídas de voltaje son del mismo orden, y con ello se
reduce un sistema entero a un circuito único simplificado.
4. Al tratar con sistemas de varios transformadores en cascada, de capacidades
diversas en kVA y de diversas transformaciones de voltaje, el sistema p.u. reduce
esa red a un diagrama unifilar cuando se escoge un voltaje adecuado de base.
147
CAPITULO III
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V.
CONCLUSIONES
Indudablemente y de acuerdo a las expectativas mostradas en un principio,
la viabilidad de considerar aislamientos de tipo inorgánico como lo son la mica y el
vidrio reforzado con otros materiales, es hoy por hoy una ventaja significativa al
estar trabajando con tensiones y temperaturas extremas, dejando atrás a los
materiales orgánicos, los cuales presentaban problemas que incidían en forma
considerable en el funcionamiento de las maquinas.
Con el proceso de impregnación bajo presión en vacío (VPI), se ha tenido
como primordial objetivo, el reducir al máximo los problemas en el sistema de
aislamiento como lo son el efecto corona, la humedad en los devanados y las
pérdidas eléctricas, utilizando cintas de blindaje y resinas en las bobinas
obteniendo así, una mayor resistencia a la abrasión y previniendo la acumulación
de polvo en los devanados.
Sin lugar a duda este sistema representa tanto para reparadores como para
fabricantes una alternativa ideal, debido a que se reduce el costo de manufactura,
se obtiene una mayor manuabilidad de los materiales aislantes y se incrementa la
protección contra el medio ambiente.
149
ANEXOS
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V.
Tabla 1. ampere-vuelta requeridos en el circuito magnético (Refiérase a la figura 15 para las dimensiones)
1
2
3
4
5
Elemento
=flujo de
Área de la
Webers/m
2
Long. de la
Amp.
Usado
(fig. 14)
tray.
vueltas
tray.
(in2)
Núcleo ab
0.009 706
0.007 12
1.363
Acero al Si
Carcasa bc
0.009 706
0.008 71
1.114
Acero fundido
Núcleo cd
0.009 706
0.007 12
1.363
Acero al Si
0.010 6
(in)
0.775
1030
0.100
103
980
0.338
331
1030
0.100
103
6
Aire
0.795 X 10 β
0.00183 or
6
6
= 0.6167 X 10
Arm. ef
Entrehierro fa
0.008 25
0.008 25
0.008 32
0.010 6
8
H=AT/m
la tray.
0.008 25
7
Material
(en Wb)
Entrehierro de
6
0.991
Acero al Si
0.775
1830 x 10
443
Aire
0.6167 X 10
1128
0.199
6
88
0.00183 or
1830 x 10
1128
6
Ampere-vueltas totales de dos semipolos
Ampere-vueltas totales por polo
2881
1440
Unidades del sistema SI
1
=flujo de la
Elemento
3
2
Área de la
tray.
tray.
(en líneas)
(in2)
5
4
B=
líneas/in
6
7
8
Material
H=AT/in
Long. de
Amp.
usado
(fig. 13)
la tray.
vueltas
2
(in)
Núcleo ab
970 600
11.04
87 920
Acero al Si
27.1
Carcasa bc
970 600
13.5
71 900
Acero fundido
26.0
Núcleo cd
970 600
11.04
87 920
Acero al Si
27.1
Entrehierro
825 000
16.5
50 000
Aire
0.313 30 β
de
3.94
13.3
3.94
0.0072
107
346
107
1127
= 15 660
Arm. ef
825 000
12.9
63 950
Acero al Si
Entrehierro
825 000
16.5
50 000
Aire
fa
11.9
7.85
0.313 30 β
0.072
93.0
1127
= 15.660
Ampere-vueltas totales de dos semipolos
2907
Ampere-vueltas totales por polo
1454
Unidades del sistema Inglés
151
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V.
TABLA 2 FACTOR DE PASO Kp PARA TODAS LAS COMBINACIONES POSIBLES DE RANURAS PARA
ALTERNADORES TRIFASICOS CON 3 A 5 RANURAS POR POLO
Paso fraccionario o ranuras usadas por ranuras por polo
Ranu
10/15,
ras
Ranu
por
Paso
ras
Polo
completo
5/6
14/15
11/12
8/9
13/15
9/12
o 10/12
12/15
7/9
9/12
11/15
6/9, 4/6
o 2/3
por
y por
polo
fase
180
3
1
1.000
6
2
1.000
9
3
1.000
12
4
1.000
15
5
1.000
o
168
o
165
o
160
o
156
o
150
o
144
o
140
o
135
o
132
o
120o
0.866 03
0.965 93
0.866 03
0.984 81
0.939 69
0.991 44
0.965 93
0.994 52
0.978 15
0.866 03
0.923 88
0.951 06
0.866 03
0.913 55
De la ecuación Kp = sen (P/2)
TABLA 3 FACTOR DE DISTRIBUCION Kd PARA ALTERNADORES TRIFASICOS
Ranuras por
Ranuras
Polo
Por
y por fase
Grados eléctricos por
Factor de distribución
polo
(n)
ranura
(Kd)
(α)
3
1
60
1.000 00
6
2
30
0.965 93
9
3
20
0.959 80
12
4
15
0.957 66
15
5
12
0.956 68
De la ecuación:
Kd 
Sen (nα/2)
N Sen (α/2)
152
0.866 03
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V.
TABLA 4. RELACION DE FRECUENCIA, POLOS Y VELOCIDAD
Velocidad en S (rpm) para diversos números de polos
Frecuencia
(Hz)
2
4
6
8
10
12
25
1500
750
500
375
300
250
50
3000
1500
1000
750
600
60
3600
1800
1200
900
400
24000
12000
8000
6000
16
20
40
214.29
187.5
150
75
500
428.57
375
300
150
720
600
514.28
450
360
180
4800
4000
3428.57
3000
2400
1200
De la ecuación 2-7-A ƒ = PS/120
153
14
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V.
TABLA 5. RELACION DE FRECUENCIA, POLOS Y VELOCIDAD
Velocidad en ω (Rad/s) para diversos números de polos
Frecuencia
(Hz)
2
4
6
8
10
12
16
50 π
25 π
16.667 π
12.5 π
10 π
8.333 π
50
100 π
50 π
33.333 π
25 π
20 π
16.667 π
12.5 π
10 π
5π
60
120 π
60 π
40 π
30 π
24 π
20 π
15 π
12 π
6π
400
800π
400 π
200 π
160 π
100 π
80 π
40 π
De la ecuación 2-7-B ƒ = Pω/4 π
154
133.33 π
5π
40
25
266.67 π
6.25 π
20
2.5 π
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V.
TABLA 6. SELECCIÓN DEL AISLAMIENTO ENTRE SUBCONDUCTORES
VPB
≤
PU
Aislamiento del subconductor
500
3
Alambre enamelado
< 1,000
2
Alambre enamelado
≤ 1,000
3
Alambre aislado con doble capa de vidrio poliéster (dacrón)
≤ 4,000
2
Alambre enamelado blindado con doble capa de vidrio-dacrón
≤ 4,000
3
Alambre aislado con cinta de papel de mica
> 4,000
2o3
Usar aislamiento entre vueltas de cinta de mica. (ver punto 5)
155
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V.
TABLA 7.
DIMENSIONES DE RANURA ADICIONALES CUANDO SE USA AISLAMIENTO
ENTRE VUELTAS
AV = Aislamiento entre vueltas
VPB = Vueltas por bobina
AV = 0.060” para VPB = 2 y voltaje de operación > 7 KV
AV = 0.040” para VPB = 2 y voltaje de operación > 3 y = KV
AV = 0.030” para VPB = 2 y voltaje de operación = 3 KV
AV = 0.040” para VPB = 3 y voltaje de operación > 7 KV
AV = 0.030” para VPB = 4 y voltaje de operación > 7 KV
AV = 0.030” para VPB = 3 y voltaje de operación = 7 KV
Nota: el espesor de la cinta para aislamiento entre vueltas es de 0.005”
1 Capa con medio traslape de cinta de 0.005” de espesor = 0.020”
2 Capas traslapadas al borde de la cinta de 0.005” de espesor = 0.030”
2 Capas con medio traslape de cinta de 0.005” de espesor = 0.040”
3 Capas con medio traslape de cinta de 0.005” de espesor = 0.060”
156
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V.
Tabla 19. Temperatura limite de materiales aislantes
Aumento
permisible de
temperatura,
para una temperatura
Temperatura
normal
máxima límite
ambiente
del lugar más
de 40C
caliente
Clase de
Descripción del material
aislamiento
Algodón, seda, papel u otros materiales orgánicos que no estén
impregnados ni sumergidos en aislamiento líquido.
O
50 C
90 C
A
65 C
105 C
B
90 C
130 C
F
115 C
155 C
Cualquiera de los materiales orgánicos anteriores impregnados o
cubiertos con dieléctricos líquidos, barnices o esmaltes, o películas
de acetato de celulosa orgánico o de resinas semejantes.
Mica, asbesto, fibra de vidrio u otros materiales inorgánicos con
baja proporción de materiales de clase A, como aglomerantes y
compuestos.
Materiales como mica, fibra de vidrio o asbesto, o combinaciones
de los mismos, con sustancias aglomerantes adecuadas que
demuestren tener una vida térmica comparable a temperaturas
hasta 155 C.
Combinaciones de materiales inorgánicos tales como elastómeros
de silicona, mica, fibra de vidrio, asbesto, etc., con aglomerantes
140 C
H
tales como resina de silicona y otros materiales con vida térmica
semejante hasta a 180C.
160 C
180 C
N
Materiales o sus combinaciones que mediante pruebas aceptadas
180 C
demuestren tener una vida térmica comparable hasta de 200C.
R
Materiales o sus combinaciones que demuestren tener una vida
S
200 C
200 C
térmica hasta de 220C.
220 C
Materiales o sus combinaciones que demuestren tener una vida
térmica hasta de 240C.
C
Materiales o sus combinaciones que demuestren tener una vida
térmica mayor de 240C. Esos materiales actualmente comprenden
la mica, la porcelana, el vidrio, el cuarzo y sustancias inorgánicas
semejantes en forma pura (lana de vidrio, cintas tejidas, etc.)
157
Sin limite seleccionado
240 C
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V.
Tabla 20.
Voltajes nominales normales para maquinaria eléctrica rotatoria
Voltajes nominales normales
Máquina
Generadores de CD
125, 250, 275, 600 V
Motores de CD
90, 120, 180, 240, 500, 550 V
Motores
monofásicos
de 115, 230, 440 V
CA
115, 230, 460, 575, 2300, 4000, 4600, 6600 V
Motores polifásicos de CA
120, 240, 480, 600, 2400, 2500, 4160, 4330, 6990, 11500, 13
Alternadores de CA
800, 23 000 V
158
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V.
Tabla 21. Clasificación de motores basada en regulación de velocidad variación de la misma.
Grupo
1
Tipo de Motor
Características de regulación de velocidad
Motor síncrono
a
Polifásico
b
Monofásico:
1 Absolutamente constante a la velocidad síncrona,
S= 120f / P.
de
reluctancia; de histéresis
2
Motor asíncrono de inducción 2 Velocidad
relativamente
constante
entre
de rotor de jaula de ardilla
funcionamiento sin carga y a plena carga, con
a
Polifásica
velocidad sin carga algo mayor.
b
Monofásico
Motor derivación de cd
3
Motor polifásico de inducción 3 Disminución moderada de velocidad, desde sin carga
de jaula de ardilla, clase D;
hasta a plena carga.
motor compuesto de cd
4
Motor serie (cd y ca), motor 4 Disminución muy grande de velocidad, desde sin cargar
universal
hasta a plena carga.
Velocidad alta sin carga o a baja carga. Par de
arranque muy alto y baja velocidad cuando el par es
alto.
159
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V.
Tabla 22. Clasificación de motores basada en variación de velocidad.
Gpo.
Tipo de Motor
Características de variación de velocidad
1
Polifásico de inducción de jaula de ardilla o síncrono con
1
Límites de variación de velocidad de 6:1
2
Límites de variación de velocidad hasta de 200:1
3
Hasta de 25 hp, variación de velocidad hasta de 16:1.
alternador de frecuencia ajustable
2
Motor de cd con control de voltaje de armadura y reóstato de
control de campo
3
Motores monofásicos o polifásicos con sistemas mecánicos
de ajuste de velocidad, o embragues de corrientes parásitas.
4
Motor de CD con control de estado sólido de forma de onda
Hasta de 100 hp, variación de velocidad hasta 100:1.
4
Variación de velocidad hasta de 200:1
5
Variación de velocidad desde 10:1 hasta 200:1.
6
Relaciones de velocidad de 2:1 o 4:1, pero no
de entrada
5
6
Motor polifásico de inducción de rotor devanado con
a
Control por resistencia en el secundario
b
Concatenación (control externo de voltaje)
c
Sistema Leblanc
d
Sistema de control Kramer
e
Sistema Scherbius
f
Control externo de Voltaje de estado sólido
Motores de inducción de rotor de jaula, para varias
velocidades, polifásico y monofásico.
ajustables en esos rangos. La velocidad es definida
con poco cambio debido a la carga.
160
Metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para MER de ca hasta 7000 V.
BIBLIOGRAFIA
Stephen J. Chapman
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M.C. Raúl Fiscal Escalante
Practica de Diseño y Manufactura de Sistemas Aislantes-Instituto de
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Clasificación IIE/32/2474/I 11/E/A
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