Dr. Ing. di Prátula, H.R. Curso: Mantenimiento Predictivo de ME Las máquinas eléctricas MÁQUINAS ELÉCTRICAS { z z Estáticas { Rotativas z z z Transformadores Motores Generadores Transformador SISTEMA ELÉCTRICO MEDIO DE ACOPLAMIENTO SISTEMA ELÉCTRICO Transformador Motor SISTEMA ELÉCTRICO MEDIO DE ACOPLAMIENTO Generador SISTEMA MECÁNICO Clase de aislamiento Clase de aislamiento Y A E B F H 200 220 250 Temperatura máxima ºC 90 105 120 130 155 180 200 220 250 Temperatura máxima que el material del que está construido el aislamiento puede soportar sin perder sus propiedades. Se obtiene “ensayando el material y comparando los resultados con los de materiales patrón de eficacia conocida” (Norma UNE-CEI) Grados de protección En la norma UNE 20-324 se establece un sistema de especificación general en función del grado de protección que se consigue en cualquier material eléctrico. El grado de protección se designa con las letras IP seguidas de tres cifras, de las cuales en las máquinas eléctricas sólo se utilizan dos. z 1ª cifra: indica la protección de las personas frente a contactos bajo tensión y/o piezas en movimiento en el interior, así como la protección de la máquina frente a la penetración de cuerpos sólidos extraños. z 2ª cifra: indica la protección contra la penetración de agua. z 3ª cifra: indicaría la protección contra daños mecánicos. Primera cifra Grado de protección característica Descripción abreviada Definición 0 No protegido Ninguna protección especial Protegido contra cuerpos sólidos superiores a 50mm. Una gran superficie del cuerpo humano, por ejemplo la mano (pero ninguna protección contra una penetración deliberada). Cuerpos sólidos de más de 50mm de diámetro. Protegido contra cuerpos sólidos superiores a 12mm. Los dedos u objetos de tamaños similares que no excedan de 80 mm de longitud. Cuerpos sólidos de más de 12 mm de diámetro. 1 2 3 Protegido contra cuerpos sólidos superiores a 2.5mm. 4 Protegido contra cuerpos sólidos superiores a 1mm. 5 Protegido contra el polvo 6 Totalmente protegido contra el polvo Herramientas, alambres, etc., de diámetro o de espesores superiores a 2.5mm. Cuerpos sólidos de más de 2.5 mm de diámetro. Alambres o bandas de espesor superior a 1.0mm. Cuerpos sólidos de más de 1.0mm de diámetro. No se impide del todo la penetración del polvo, pero este no puede penetrar en cantidad suficiente como para perjudicar el buen funcionamiento del material. No hay penetración de polvo Protección frente a la penetración de cuerpos extraños: Primera cifra Segunda cifra Grado de protección característica Descripción abreviada Definición 0 No protegido. Ninguna protección especial. 1 Protegido contra las caídas verticales de gotas de agua. Las gotas de agua (que caen verticalmente) no deben producir efectos perjudiciales. 2 Protegido contra las caídas de agua con una inclinación máxima de 15º. 3 4 5 Protegido contra el agua en forma de lluvia. Protegido contra proyecciones de agua. Protegido contra los chorros de agua. Protegido contra los embates del mar. 6 7 8 Protegidos contra los efectos de la inmersión. Protegido contra la inmersión prolongada. La caída vertical de gotas de agua no debe producir efectos perjudiciales cuando la envolvente está inclinada hasta 15º de su posición normal. El agua que caiga en forma de lluvia en una dirección que tenga respecto a la vertical un ángulo inferior o igual a 60º no debe producir efectos perjudiciales. El agua proyectada sobre el envolvente desde cualquier dirección, no debe producir efectos perjudiciales. El agua lanzada sobre el envolvente por una boquilla desde cualquier dirección, no debe producir efectos perjudiciales. Con mar gruesa o mediante chorros potentes, el agua no deberá penetrar en la envolvente en cantidad perjudicial. No debe ser posible que el agua penetre en cantidad perjudicial en el interior de la envolvente sumergida en agua, con una presión y un tiempo determinado. El material es adecuado para la inmersión prolongada en agua en las condiciones especificadas por el fabricante. Protección frente a entrada de agua Transformadores De potencia Monofásicos o trifásicos De medida Monofásicos o trifásicos Especiales Monofásicos o trifásicos Existen Existendistintos distintostipos tiposde detransformadores transformadoresde depotencia potencia Los Losde demedida medidapueden puedenmedir medirtensiones tensionesoocorrientes corrientes Códigos refrigeración transformadores I Según que la circulación del fluido refrigerante se deba a convección natural o forzada (impulsado por una bomba) se habla de refrigeración natural (N) o forzada (F) Las normas clasifican los sistemas de refrigeración de los transformadores según el refrigerante primario (en contacto con partes activas) y secundario ( el utilizado para enfriar al primario). Se utilizan aire, aceite natural, aceite sintético y agua. Códigos refrigeración transformadores II X X X X SE UTILIZAN 4 DÍGITOS COMO CÓDIGO Tipo de circulación del refrigerante secundario (N) o (F). Tipo de refrigerante secundario (A) aire, (W) agua. Tipo de circulación del refrigerante Ejem OFAF primario (N) o (F). Tipo de refrigerante primario (A) aire, (O) aceite mineral, (L) aceite sintético. Generalidades Transformador Transformador elemental Flujo magnético elemental I1 Se utilizan en redes eléctricas para convertir un sistema de tensiones (mono - trifásico) en otro de igual I2 V1 frecuencia y > o < tensión V2 La conversión se realiza prácticamente sin pérdidas Secundario Primario Núcleo de chapa magnética aislada Transformador elevador: V2>V1, I2<I1 Potentrada≅Potenciasalida Las intensidades son inversamente proporcionales a las tensiones en cada lado Transformador reductor: V2<V1, I2>I1 Los valores nominales que definen a un transformador son: Potencia aparente (S), Tensión (U), I (corriente) y frecuencia (f) Aspectos constructivos: circuito magnético I1 En la construcción del núcleo se utilizan chapas de acero aleadas con Silicio de muy bajo espesor (0,3 mm) aprox. I2 V1 V2 El Si incrementa la resistividad del material y reduce las corrientes parásitas La chapa se aisla mediante un tratamiento químico (Carlite) y se obtiene por LAMINACIÓN EN FRÍO: aumenta la permeabilidad. Mediante este procedimiento se obtien factores de relleno del 95-98% 44 55 33 22 11 Corte º Corte aa 90 90º El núcleo puede tener sección cuadrada. Pero es más frecuente aproximarlo a la circular Montaje chapas núcleo Corte º Corte aa 45 45º 600-5000 V 4,5 - 60 kV Aspectos constructivos: devanados y aislamiento Diferentes formas constructivas de devanados según tensión y potencia Los conductores de los devanados están aislados entre sí: En transformadores de baja potencia y tensión se utilizan hilos esmaltados. En máquinas grandes se emplean pletinas rectangulares encintadas con papel impregnado en aceite > 60 kV El aislamiento entre devanados se realiza dejando espacios de aire o de aceite entre ellos La forma de los devanados es normalmente circular El núcleo está siempre conectado a tierra. Para evitar elevados gradientes de potencial, el devanado de baja tensión se dispone el más cercano al núcleo Aspectos constructivos: devanados y aislamiento Aspectos constructivos: devanados y aislamiento Catá Catálogos comerciales Conformado conductores devanados Catá Catálogos comerciales Fabricaci ón n úcleo: Fabricación núcleo: chapas magn éticas magnéticas Aspectos constructivos: refrigeración © Transformadores de potencia medida... E. Ras Oliva 1 Núcleo 1’ Prensaculatas 2 Devanados 3 Cuba 4 Aletas refrigeración 5 Aceite 6 Depósito expansión 7 Aisladores (BT y AT) 8 Junta 9 Conexiones 10 Nivel aceite 11 - 12 Termómetro 13 - 14 Grifo de vaciado 15 Cambio tensión 16 Relé Buchholz 17 Cáncamos transporte 18 Desecador aire 19 Tapón llenado 20 Puesta a tierra Aspectos constructivos: trafos trifásicos Catá Catálogos comerciales Transformadores en baño de aceite Aspectos constructivos: trafos trifásicos Catá Catálogos comerciales OFAF Transformador seco Aspectos constructivos: trafos trifásicos 5000 5000 kVA kVA Ba ño de Baño de aceite aceite 2500 2500 kVA kVA Ba ño de Baño de aceite aceite 1250 1250 kVA kVA Ba ño de Baño de aceite aceite Catá Catálogos comerciales 10 10 MVA MVA Sellado Sellado con con N N22 10 10 MVA MVA Sellado Sellado con con N N22 Aspectos constructivos: trafos trif ásicos trifásicos Catá Catálogos comerciales Seco Catá Catálogos comerciales En aceite Secciones de transfomadores en aceite y secos TRANSFORMADORES TRANSFORMADOR DE 15 MVA – ET HEXAFLUORURO DEL POLO Transformadores con tomas TOMAS TOMAS TOMAS TOMAS El caso 1 es más favorable ya que se trabaja con tensiones menores Permiten Permiten cambiar cambiar la la relaci ón de relación de espiras espiras entre entre primario primario yy secundario, secundario, de de este este modo modo se se consigue consigue una ón una tensi tensión variable variable Entre Entre otras otras aplicaciones aplicaciones se se utilizan utilizan en en las las redes redes de de transporte transporte yy distribuci ón para ón cte. distribución para mantener mantener la la tensi tensión cte. con con independencia independencia de de la la carga carga Trafos con tomas Conexión devanados Tomas de regulación Conexión toma de tierra Catá Catálogos comerciales Transformadores con tres arrollamientos φ (t) V1 N1 N2 V2 N2’ V2’ Son Son transformadores transformadores especiales especiales utilizados utilizados en en alta alta potencia. potencia. Constan Constan de de un un primario primario yy dos dos secundarios secundarios Mediante Mediante una una sola sola m áquina se máquina se obtienen obtienen dos ón dos niveles niveles de de tensi tensión diferentes diferentes SÍMBOLOS Transformadores de medida y protecci ón protección UTILIDAD z Aislar los dispositivos de medida y protección de la alta tensión. z Trabajar con corrientes o tensiones proporcionales a las que son objeto de medida. z Evitar las perturbaciones que los campos magnéticos pueden producir sobre los instrumentos de medida El rendimiento no es importante Trabajan con niveles bajos de flujo (zona lineal) Existen trafos de corriente y de tensión En En todos todos los los casos casos la la rrtt es es < < 11 para para mantener mantener los los valores valores bajos bajos en en las las magnitudes magnitudes secundarias secundarias Los Los trafos trafos de de corriente corriente tienen tienen las las corrientes corrientes secundarias secundarias normalizadas normalizadas a: a: 55 A ón las A yy 11 A A yy los los de de tensi tensión las tensiones tensiones secundarias secundarias aa 100 100 yy 110 110 VV Transformadores de corriente Conexión de un transformador de intensidad Zcarga I1 Xd1 Xd2’ R1 R2’ I2’ I0 IP I1 Corriente a medir RFe Xµ Carga Secundario IS A En En un un trafo trafo de de corriente corriente la la corriente corriente del del primario primario viene viene impuesta impuesta por por la la intensidad intensidad que que se se desea desea medir. medir. El El flujo flujo no no es es cte. cte. Las Las impedancias impedancias que que aparecen aparecen como como cargas cargas en en el el secundario secundario tienen tienen que que ser étricas) ser muy muy bajas bajas (suelen (suelen ser ser las las de de las las bobinas bobinas amperim amperimétricas) ¡¡¡ NUNCA SE ¡¡¡NUNCA SE PUEDE PUEDE DEJAR DEJAR EL EL SECUNDARIO SECUNDARIO EN EN CIRCUITO CIRCUITO ABIERTO!!! ABIERTO!!! Transformadores de corriente PRECISI ÓN DE LA MEDIDA PRECISIÓN z Depende de la linealidad entre el flujo e I0. A mayor I0 mayor error. z Se utilizan materiales magnéticos de alta permeabilidad. z Se trabaja con valores bajos de B. z Se trabaja con valores limitados de la corriente del secundario (Z de carga próxima al cortocircuito) para evitar pérdidas de linealidad PAR ÁMETROS DEL TRAFO DE CORRIENTE PARÁMETROS z Tensión de aislamiento: máx. tensión con la que se puede trabajar. z Relación de transformación: 200/5 A (p ejem). z Error de Intensidad: diferencia entre la I2 real y la esperada en función de la corriente I1 en % (εi(%)). II22K Knn −− II11 z Error de fase: diferencia de fases entre I1 e I2 εεii(%) (%) == II K Knn == 11nn II22nn II11 ⋅⋅100 100 Transformadores de corriente © M. F. Cabanas: Cabanas: Té Técnicas para el mantenimiento y diagnó diagnóstico de má máquinas elé eléctricas rotativas Sonda de corriente 1 – 10 – 100 A Núcleos magnéticos para transformadores de corriente Transformador de corriente 1250A © M. F. Cabanas: Cabanas: Técnicas para el mantenimiento y diagnó diagnóstico de máquinas elé eléctricas rotativas Transformadores de corriente 100 A • La vida útil de una máquina eléctrica y en particular de un transformador, convencionalmente, se refiere a: – condiciones de servicio continuo – valores normales de temperatura ambiente – carga nominal • La vida útil se reduce debido a situaciones no comunes: – sobretensiones – cortocircuitos – sobrecargas de emergencia que a su vez son función de: – severidad del evento (amplitud y duración) – diseño del transformador – temperaturas de las distintas partes del transformador – contenido de humedad del aceite – contenido de oxígeno y otros gases en el aislamiento y en el aceite • Sobrecarga cíclica normal • Carga cíclica de emergencia prolongada • Carga de emergencia de corta duración Se pueden establecer las siguientes temperaturas: • temperatura máxima de la bobina (punto o zona caliente) • temperatura media de la bobina • temperatura media de la superficie de la bobina • temperatura máxima del aceite • temperatura media del aceite dentro de la cuba • temperatura media de la superficie de los órganos de refrigeración • temperatura ambiente Organos adicionales de refrigeración - tubos Transformador de distribución de 215 kVA Organos adicionales de refrigeración radiadores Los valores de transmisión del calor obtenidos de tablas se deben multiplicar por tres factores de corrección Conclusiones: • Las normas establecen los valores de sobreelevación de temperatura máxima del aceite y media de los arrollamientos. • Otro valor importante es la temperatura máxima del punto caliente. La norma IEC 60354 define la relación de envejecimiento, para carga nominal y temperatura ambiente de 20 ºC, adoptando como valor de referencia la temperatura de 98 ºC para el punto caliente. Valor relativo de la relación de envejecimiento: V= rel. envej. a t º C = rel. envej. a 98 º C t −98 2 6 Como se puede observar es muy sensible al valor de la temperatura del punto caliente. generalidades • La máquina de CC consta de dos devanados alimentados con CC: uno llamado inductor que está en el estator de la máquina y otro llamado inducido que está en el rotor. • En el caso de funcionamiento como motor ambos devanados están alimentados con CC. En el caso de funcionamiento como generador se alimenta con CC el inducido y se obtiene la FEM por el inductor (también continua). • Su funcionamiento se basa en la existencia de un mecanismo llamado colector que convierte las magnitudes variables generadas o aplicadas a la máquina en magnitudes constantes. • Se utilizan en tracción eléctrica (tranvías, trenes etc.) y en accio-namientos donde se precisa un control preciso de la velocidad. • Están en desuso debido a su complejo mantenimiento. Despiece de una máquina de CC 1. Culata 2. Núcleo polar 3. Expansión polar 4. Núcleo del polo auxiliar o de conmutación 5. Expansión del polo auxiliar o de conmutación 6. Núcleo del inducido 7. Arrollamiento de inducido 8. Arrollamiento de excitación 9. Arrollamiento de conmutación 10. Colector 11. – 12. Escobillas 1 9 8 2 12 10 3 6 11 5 4 7 © M. F. Cabanas: Cabanas: Técnicas para el mantenimiento y diagnó diagnóstico de máquinas elé eléctricas rotativas Motores de CC Catá Catálogos comerciales Motor de CC para aplicaciones de robótica Pequeños motores de CC e imanes permanentes Fotografí Fotografía realizada en los talleres de ABB Service Gijó Gijón Catá Catálogos comerciales Motor de CC de 6000 kW fabricado por ABB El colector Catá Catálogos comerciales © M. F. Cabanas: Técnicas para el mantenimiento y diagnóstico de máquinas eléctricas rotativas Colector Escobillas Sentido de rotación de la espira Colector real Colector de dos delgas 1 2 1 2 1 © M. F. Cabanas: Cabanas: Técnicas para el mantenimiento y diagnó diagnóstico de máquinas elé eléctricas rotativas 2 - + 0 - + Instante Inicial Conmutación Inversión de la polaridad Formas de excitación • El campo magnético de la máquina de CC puede generarse mediante imanes permanentes, o con bobinas alimentadas con CC (caso habitual): • Según la forma de alimentación de las bobinas se tienen 2 tipos de excitación: 9 Excitación independiente: la corriente que alimenta al devanado inductor es ajena a la propia máquina, procede de una fuente independiente externa. 9 Autoexcitación: la corriente de excitación en este caso procede de la propia máquina. Según la forma de obtener esta corriente existen 3 tipos diferentes de máquina de CC: • Excitación Serie: devanado inductor en serie con el inducido • Excitación derivación: devanado inductor conectado directamente a las escobillas, por tanto, en paralelo con el inducido. • Excitación compuesta o mixta: una bobina en serie y la otra en paralelo. Resistencia Resistencia del del inducido inducido R Rii Formas de excitación Resistencia Resistencia del del inductor inductor U Uex ex L Lex ex Tensión Tensión excitación excitación E E FEM FEM Inducida Inducida Inducido Inductor Inducido Inductor Motor de excitaci ón excitación independiente U Uex ex L Lex ex Inductor Inductor Motor de excitaci ón excitación derivaci ón derivación R Rii E U Uii Inducido Inducido Resistencia Resistencia del del inducido inducido R Rex ex R Rex ex U Uii Resistencia Resistencia del del inducido inducido R Rii Inductor Inductor R Rex ex LLex ex E E Inducido Inducido Motor de excitaci ón excitación serie U Uii Resistencia Resistencia del del inducido inducido Rii Inductor Inductor 11 Rex1 ex1 E Lex1 ex1 Rex2 ex2 Inductor Inductor 2 2 Lex2 ex2 Inducido Inducido Resistencia Resistencia del del inducido inducido Rii E Motor de excitaci ón excitación compuesta larga Inductor Inductor 2 2 Rex2 ex2 Rex1 ex1 Inductor Inductor 1 1 Lex1 ex1 Inducido Inducido Motor de excitaci ón excitación compuesta corta Lex2 ex2 Uii Uii La reacción de inducido Al circular corriente por el inducido se va a crear un campo que distorsiona el campo creado por los polos inductores de la máquina Esta distorsión del campo recibe el nombre de reacción de inducido EFECTOS PRODUCIDOS POR LA REACCIÓN DE INDUCIDO E N S 2BlV 2BlV FEM FEM con con reacción reacción de de inducido inducido DESPLAZAMIENTO LÍNEA NEUTRA 0 π 2π -2BlV -2BlV Desplazamiento de la “plano o línea neutra” (plano en el que se anula el campo Disminución del valor global del campo de la máquina La reacción de inducido Desplazamiento de la “plano o © Mulukutla S. Sarma: Sarma: Electric machines línea neutra” PROBLEMAS DURANTE LA CONMUTACIÓN POLOS DE CONMUTACIÓN REDUCCIÓN PAR Y AUMENTO VELOCIDAD Disminución del valor global del campo de la máquina LOS POLOS DE CONMUTACIÓN COMPENSAN LOCALMENTE LA REACCIÓN DE INDUCIDO ELIMINANDO LA DISTORSIÓN DEL CAMPO La máquina de CC como generador Iex ex Rex ex Uex ex Lex ex Rii E Uii FEM FEM Inducida Inducida Inducido Inductor Generador con excitación independiente Se hace girar el inducido y se alimenta el inductor. La tensión de excitación controla la FEM E y, por tanto, la tensión de salida Ui La tensión de salida crece proporcionalmente con la velocidad de giro n N⋅p E=4 n⋅ϕ 60a E = K ⋅n⋅ϕ La relación entre la corriente de excitación y la FEM inducida no es lineal: existe saturación La máquina de CC como generador I I Rii En la generador en derivación la propia tensión de salida del generador se utiliza para producir la excitación Rex ex E Uii Inducido Inducido Uex ex Uex=Ui Lex ex E Curva de magnetización Inductor Inductor E2 Generador con excitación derivación El generador “arranca” gracias al magnetismo remanente siguiendo un proceso de E1 E = I ⋅ [R ex + R i ] AUTOEXCITACIÓN Magnetismo remanente ϕR Se repite hasta el pto. de equilibrio ER E2 IR = I1 ER R ex + R i E1 Pto. de equilibrio ER Iex IR I1 Curvas características de los motores de CC Resistencia del inductor Resistencia del inducido II Resistencia del inducido ii Rex Uex Lex Tensión excitación Inductor Ri Ri E E Ui IIii Rex Uex Ui Lex FEM Inducida Inducido Inducido Inductor Motor ón Motor de de exc. exc. derivaci derivación Motor Motor de de exc. exc. independiente independiente Desde el punto de vista funcional ambos motores son muy similares ya que el inducido está sometido a una tensión constante Ui = E − R i ⋅Ii Ecuación del motor derivación e independiente E = K ⋅n⋅ϕ T = K '⋅ϕ ⋅ Ii Ec. General maq. CC n= Uii T − ⋅ R ii 2 2 K ⋅ ϕ K ⋅ K '⋅ϕ Iii = T K '⋅ϕ Uii = K ⋅ ϕ ⋅ n + T ⋅ R ii K '⋅ϕ Curvas características de los motores de CC Curva par-velocidad de los motores de excitación independiente y derivación n= Ui T − ⋅ Ri 2 K ⋅ ϕ K ⋅ K '⋅ϕ n CONSIDERANDO CTES. Ui y ϕ CARACTERÍSTICA DE VELOCIDAD n=f(Ii) E = K ⋅n⋅ϕ Ui = E − R i ⋅Ii Pendiente Pendiente 2 2– – 8% 8% Aumento Aumento de de Rii T CARACTERÍSTICA DURA n ϕ=cte n= Ui R ⋅I −⋅ i i K ⋅ϕ K ⋅ϕ Iii Curvas características de los motores de CC Resistencia del inducido Ri E Inductor Rex Ii=Iex Lex Ii=Iex Ui Inducido Motor de excitaci ón serie excitación serie E = K ⋅n⋅ϕ Ec. General maq. CC T = K '⋅ϕ ⋅ Ii Ec. General maq. CC n= En el motor serie el devanado de excitación y el inducido están conectados en serie. Iex=Ii y esta última depende de la carga arrastrada por el motor, por tanto, sus características funcionales serán distintas de las del motor de exc. indep. E = Ui − [R i + R ex ] ⋅Ii ] ⋅ Iii Uii − [R ii + R ex ex K ⋅ϕ La relación entre Iex y el flujo ϕ viene definida por la característica magnética (B-H) de la máquina n= Ecuación del motor serie [R + R ex ] Uii ex ⋅ T − ii K ⋅ϕ K ⋅ K '⋅ϕ 22 ϕ Zona Zona lineal lineal ϕ =CIex ϕ=CI ex Iex ex Curvas características de los motores de CC Como Iex=Ii en la zona lineal del motor se cumple: ϕ=CIi 2 T = K '⋅C ⋅ Iii 2 En la zona lineal (pares bajos) Iii = ϕ=Cte SUSTITUYENDO Uii n= − Cte Cte ⋅ T La característica mecánica cuando el motor trabaja en la zona lineal (pares bajos). ES UNA HIPÉRBOLA En la zona de saturación (cuando al motor se exigen pares elevados) se puede admitir T K '⋅C n SUSTITUYENDO n = Cte − Cte ⋅ T La característica mecánica en la zona de saturación (pares altos) ES UNA RECTA NO puede trabajar con cargas bajas porque tiende a embalarse T Curvas características de los motores de CC CARACTERÍSTICA DE VELOCIDAD n=f(Ii) E = Ui − [R i + R ex ] ⋅Ii E = K ⋅n⋅ϕ Ecuación del motor serie n En la zona de saturación es una recta decreciente Ec. General maq. CC Ui = K ⋅ ϕ ⋅ n + Ii ⋅ [R i + R ex ] n= I ⋅ [R i + R ex ] U − i K ⋅ϕ K ⋅ϕ n= [R + R ex ] U − i Cte ⋅ Ii Cte Como Iex=Ii en la zona lineal del motor se cumple: ϕ=CIi La característica de velocidad cuando el motor trabaja en la zona lineal ES UNA HIPÉRBOLA Iii En la zona de saturación se puede admitir ϕ=Cte n= I ⋅ [R i + R ex ] U − i Cte Cte Variación de velocidad en los motores de CC Variación de la tensión de inducido manteniendo el flujo constante VARIACIÓN DE LA VELOCIDAD DEL MOTOR A n<nnominal se mantiene el flujo constante y se varía la tensión de inducido Variación de la excitación (debilitamiento del campo) E = K ⋅n⋅ϕ Se usa con n>nnominal. Al disminuir la excitación disminuyen el flujo y el par pero aumenta la velocidad T = K '⋅ϕ ⋅ Ii DISPOSITIVOS PARA LA VARIACIÓN DE TENSIÓN CONTINUA Ec. General maq. CC Rectificadores controlados Troceadores (“Choppers”) Aspectos constructivos: generalidades Conjunto Conjunto de de espiras espiras en en cortocircuito cortocircuito ROTOR ROTOR ESTATOR ESTATOR De De jaula jaula de de ardilla ardilla Bobinado Bobinado Devanado Devanado trif ásico trifásico distribuido distribuido en en ranuras º ranuras aa 120 120º CIRCUITOS CIRCUITOS MAGN ÉTICOS MAGNÉTICOS De De Al Al fundido fundido De De barras barras soldadas soldadas Aleatorio: Aleatorio: de de hilo hilo esmaltado esmaltado Preformado Preformado Conjunto Conjunto de de chapas chapas de de Fe Fe aleado aleado con con Si Si aisladas aisladas yy apiladas apiladas Aspectos constructivos: rotor II Barras Barras Anillo Anillo Rotor de anillos Soldados Anillos Fotografí Fotografías realizadas en los talleres de ABB Service - Gijó Gijón Rotor de aluminio Fundido Chapa magnética Anillo de cortocircuito Rotor III Catá Catálogos comerciales Barra de cobre Plato final rotor Fijación chapa magnética Despiece de un rotor de jaula con barras de cobre soldadas Rotor bobinado: anillos rozantes © L. Serrano: Fundamentos de máquinas elé eléctricas rotativas Anillos rozantes El rotor se cierra en cortocircuito desde el exterior a través de unas escobillas y anillos rozantes Anillos rozantes Escobillas © L. Serrano: Fundamentos de máquinas elé eléctricas rotativas Aspectos constructivos: estator Evitar Evitar contacto contacto entre entre conductores conductores aa distinta distinta tensi ón tensión Fotografí Fotografías realizadas en los talleres de ABB Service - Gijó Gijón Fotografí Fotografías realizadas en los talleres de ABB Service - Gijó Gijón DEVANADO PREFORMADO Tensión>2300v Los Los materiales materiales empleados empleados en en los los aislamientos aislamientos son son generalmente generalmente org ánicos orgánicos DEVANADO DE HILO Tensión<600V Diferencias entre devanados de hilo y devanados preformados Baja tensi ón < 2kV tensión Devanados de Hilo Forma constructiva de los devanados Potencia < 600CV Devanado Devanado “aleatorio” “aleatorio” dentro dentro de de la la ranura ranura Pletinas de cobre aisladas Devanados de pletina Alta tensi ón y potencia tensión Colocación Colocación de de bobinas bobinas “ordenada” “ordenada” Elementos del aislamiento estatórico en motores con devanados preformados Cuña Bobina superior Núcleo del estator Conductor elemental Aislamiento Bobinas del estator Bobina inferior Espira Habitualmente se colocan dos bobinas por ranura. Cada espira puede estar constituida por varios conductores elementales El aislamiento entre conductores elementales es distinto del aislamiento frente a masa Elementos del aislamiento estatórico en motores con devanados preformados • MURO AISLANTE: elemento de mayor espesor que separa al conjunto de la bobina del exterior. Debe estar dimensionado para soportar la tensión correspondiente al nivel de aislamiento de la máquina. • AISLAMIENTO ENTRE ESPIRAS Y ENTRE CONDUCTORES ELEMENTALES: las espiras pueden estar formadas conductores individuales para reducir las pérdidas. Es necesario que exista aislamiento entre ellas y entre conductores. • CINTAS Y RECUBRIMIENTOS DE PROTECCIÓN: se utilizan cintas y recubrimientos protectores para proteger las bobinas en las zonas de ranura. Elementos del aislamiento estatórico en motores con devanados preformados III Fotografí Fotografías realizadas en los talleres de ABB Service - Gijó Gijón Cabeza de bobina Zona de ranura Aislamiento entre espiras y conductores • El número de espiras de una bobina varía entre 2 y 12. • El número de conductores elementales varía entre 2 y 6. • Las tensiones soportadas por los conductores elementales son muy bajas. • Los conductores elementales se aíslan por separado, posteriormente se agrupan en el número necesario para formar una espira. Se pliegan para conformar cada espira y finalmente se aplica a la espira el aislamiento correspondiente. • Las principales solicitaciones que aparecen sobre este tipo de devanado son de tipo térmico y mecánico (durante el conformado de las espiras). Materiales aislantes para los conductores elementales Hasta los años 40 barnices Fibras de amianto Desarrollo de materiales sintéticos Motores de hasta 4kV Soporta TTª ª hasta 220 ºC 220ºC Poliimida (Kapton) o Poliamida en forma de película Uso Usode debarnices barnicessolos solosyycombinados combinados Motores de más de 4kV Poliimida (Kapton) o Poliamida en forma de película + Fibra de vidrio con poliéster (Daglas) Materiales aislantes para el muro aislante Catá Catálogos comerciales Material de base =Mica Muy buenas propiedades dieléctricas y térmicas Silicato de alumnio Malas propiedades mecánicas La mica en polvo o escamas se aglutina con un material aglomerante Muchos compuestos También se puede depositar sobre un material soporte impregnando el conjunto con aglomerante Necesario utilizar material soporte o aglomerante Aglomerantes y materiales soporte Material soporte = papel fibras de algodón, etc. etc Hasta los años 60 Material aglomerante = compuesto asfáltico TTª ªM áxima 110 ºC COMPORTAMIENTO Máxima 110ºC CLASE B TÉRMOPLÁSTICO Elevadas Temperaturas Nuevos soportes: Fibra de vidrio Poliéster A partir de los años 50 Poliéster Resinas epoxy AGLOMERANTES TERMOESTABLES Aglomerantes y materiales soporte Fotografí Fotografías realizadas en los talleres de ABB Service - Gijó Gijón Recubrimientos de protección Recubrimiento de reparto Bobina con el recubrimiento externo dañado Fotografí Fotografías realizadas en los talleres de ABB Service - Gijó Gijón Recubrimiento conductor en la zona de ranura Recubrimientos de protección Aspecto físico de los motores asíncronos Catá Catálogos comerciales Catá Catálogos comerciales Motor de 25kW, 200V para el accionamiento de una bomba. Fabricado en Pittsburg por Westinghouse en 1900 en funcionamiento hasta 1978 Motor de inducción de 1000 kW, 4 kV y 3600 RPM para el accionamiento de un compresor. Fabricado por Westinghouse en la actualidad Aspecto físico: motores de BT Catá Catálogos comerciales Aspecto físico: formas constructivas normalizadas Catá Catálogos comerciales Conexión de los devanados U1 V1 W1 U1 W2 U2 U1 V2 V1 V2 W1 W2 Cajas de terminales Catá Catálogos comerciales Conexión en estrella Pletina de cobre W2 V2 U2 W1 W2 U1 U2 V1 Caja de conexiones V1 U2 W1 V2 Conexión en triángulo Devanados del motor Despiece de un motor de MT Refuerzos carcasa Catá Catálogos comerciales Núcleo magnético estator Cabezas de bobina Fijación cojinetes Núcleo magnético rotor Refuerzos rotor Despiece de un motor de BT TAPA RODAMIENTO PLATILLOS BORNERA CAPERUZA VENTILADOR PLATILLO CARCASA RODAMIENTO 1.- Estructura eléctrica 2.- Estructura magnética 3.- Estructura mecánica MÁQUINA DE INDUCCIÓN Rotor devanado Rotor jaula Ventajas de los motores de inducción VENTAJAS DE LOS MOTORES ASÍNCRONOS z La única alimentación eléctrica que reciben se hace a través de la línea trifásica que alimenta al devanado estatórico. NO HAY ESCOBILLAS O ELEMENTOS ROZANTES. z El rotor de jaula es muy robusto ya que no incluye sistema aislante. z Tienen par de arranque. z No tienen problemas de estabilidad ante variaciones bruscas de la carga. Aumento del par de carga Reducción de la velocidad de giro Mayor par motor Mayor FEM Estabilidad Mayor corriente rotor Inconvenientes de los motores de inducción INCONVENIENTES DE LOS MOTORES ASÍNCRONOS z La corriente de arranque es mucho mayor que la corriente de funcionamiento nominal. Entre 3 y 6 veces mayor. En mucho casos es necesario disponer procedimientos especiales de limitación de la corriente de arranque. z La variación de su velocidad implica la variación de la frecuencia de la alimentación: es necesario disponer de un convertidor electrónico que convierta la tensión de red en una tensión de frecuencia variable. EQUIPO RECTIFICADOR TRIFÁSICO 3 FASES 50 Hz EQUIPO INVERSOR TRIFÁSICO BUS DE CC SISTEMA DE FILTRADO ONDA ESCALONADA DE f VARIABLE 3 FASES f VARIABLE Deslizamiento en las máquinas asíncronas Velocidad de deslizamiento Ndes des = NSS − Nm m NSS = Velocidad mecánica del rotor Deslizamiento S(%) = { 60 ⋅ f P ω − ωm m ⋅ 100 S(%) = SS ωSS Ndes NSS − Nm des ⋅ 100 = m ⋅ 100 NSS NSS S=0 Velocidad de sincronismo S=1 Rotor parado NSS − Nm m ) ⋅ N = (1 − S ) ⋅ N Nm SS SS m = 1− ( NSS LOS MOTORES DE ÓN DE INDUCCI INDUCCIÓN TRABAJAN SIEMPRE CON VALORES MUY BAJOS DE S: S<5% ωm m = (1 − S ) ⋅ ωSS Curvas de respuesta mecánica par - velocidad Banda Banda de de dispersi ón dispersión Catá Catálogos comerciales Curvas de respuesta mecánica par - velocidad Catá Catálogos comerciales Características funcionales de los motores asíncronos NÚMERO DE POLOS VELOCIDAD SINCRONISMO (RPM) VELOCIDAD TÍPICA PLENA CARGA 2 4 6 3000 1500 1000 2900 1440 960 8 10 12 16 750 600 500 375 720 580 480 360 VELOCIDADES DE GIRO TÍPICAS Fuente: ABB – “Guide for selecting a motor” TIPO DE REGIMENES Control de las características mecánicas de los motores de inducción mediante el diseño del rotor Barras de pequeña sección Alta Alta resistencia, resistencia, baja baja reactancia reactancia de ón de dispersi dispersión A A menor menor secci ón sección mayor mayor R RRR’’ Barras de ranura profunda Resistencia Resistencia baja baja elevada elevada reactancia reactancia de de dispersi ón dispersión Doble jaula } Pueden usarse dos tipos de material con diferente resistividad Combina Combina las las propiedades propiedades de de las las dos dos anteriores anteriores La secci ón y geometr ía de las barras rot óricas determina sección geometría rotóricas determina sus sus propiedades el éctricas y la forma de variaci ón de é stas con la eléctricas variación éstas velocidad de giro de la m áquina máquina Control de las características mecánicas de los motores de inducción mediante el diseño del rotor Ranura Ranura estat órica estatórica Circuito equivalente de una barra rotórica La La reactancia reactancia de de dispersión dispersión aumenta aumenta con con la la profundidad profundidad = = que que el el flujo flujo de de dispersión dispersión Flujo Flujo de de dispersión: dispersión: se se concentra concentra hacia hacia el el interior interior Resistencia Reactancia dispersión Simulación del efecto real 6000 6000 5000 5000 AA 4000 4000 3000 3000 60.69% 60.69% 2000 2000 41.93% 41.93% DURANTE EL ARRANQUE CIRCULA UN 41,93% DE LA CORRIENTE POR LA ZONA ROJA DE LA BARRA 1000 1000 0 0 1 1 3 3 5 5 7 7 9 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 11 13 15 17 19 21 23 25 27 Itotal Itotal 800 800 A A 700 700 600 600 500 500 400 400 300 300 200 200 100 100 0 0 1 3 5 1 3 5 Isup Isup Iinf Iinf Nº Nºbarra barra 75.65% 75.65% 24.35% 24.35% 7 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 Itotal Itotal Isup Isup Iinf Iinf Nº Nºbarra barra MOTOR MOTOR SIMULADO SIMULADO Fabricante: Fabricante: SIEMENS SIEMENS Potencia: Potencia: 11 11 kW kW Tensi ón: 380 Tensión: 380 V V Corriente: Corriente: 22 22 A A Velocidad Velocidad :: 1450 1450 RPM RPM Polos: Polos: 44 DURANTE EL FUNCIONAMIENTO EN CONDICIONES NOMINALES CIRCULA UN 24,35% DE LA CORRIENTE POR LA ZONA ROJA DE LA BARRA Simulación del campo real durante un arranque Las íneas de Las llíneas de campo campo se se concentran concentran en en la la superficie superficie LÍNEAS DE CAMPO DURANTE EL ARRANQUE LÍNEAS DE CAMPO EN FUNCIONAMIENTO NOMINAL Clasificación de los motores según el tipo de rotor: Normas NEMA I T/Tnom 3 2,5 2 Clase Clase C C MOTOR CLASE A z Clase Clase D D z Clase Clase A A Clase Clase B B z z z 1,5 z S Par de arranque bajo Par nominal con S<5% Corriente arranque elevada 5 – 8 In Rendimiento alto Uso en bombas, ventiladores, máquina herramienta, etc, hasta 5,5 kW Para potencias > 5,5 kW se usan sistemas de arranque para limitar la corriente Clasificación de los motores según el tipo de rotor: Normas NEMA II MOTOR CLASE B z z z z z z Par arranque similar clase A Corriente arranque 25% < clase A Par nominal con S<5% Rendimiento Alto Aplicaciones similares al clase A pero con < I arranque Son LOS MÁS UTILIZADOS MOTOR CLASE C (Doble jaula) z z z z z z Par arranque elevado (2 veces Tnom aprox.) Corriente de arranque baja Par nominal con S<5% Rendimiento Alto Aplicaciones que requieren alto par de arranque Tmax < clase A MOTOR CLASE D z z z z z Par arranque muy elevado (> 3 Tnom) Corriente de arranque baja Par nominal con S elevado (7 –17%) Rendimiento bajo Aplicación en accionamientos intermitentes que requieren acelerar muy rápido Características mecánicas de las cargas más habituales de los motores de inducción TR=K TR=K*N2 z z z z Bombas centrífugas Compresores centrífugos Ventiladores y soplantes Centrifugadoras TR=K*N z z Prensas Máquinas herramientas TR=K/N z z Bobinadoras Máquinas fabricación chapa z z z z TRR Máquinas elevación Cintas transportadoras Machacadoras y trituradoras Compresores y bombas de pistones TRR=K**N22 TRR=K**N TRR=K TRR=K/N N Arranque de los motores asíncronos Corriente áxima Corriente m máxima Corriente ío Corriente de de vac vacío tras tras alcanzar alcanzar velocidad áxima velocidad m máxima Arranque en vacío Duración del arranque LA CORRIENTE M ÁXIMA NO DE MÁXIMA DEPENDE DE LA CARGA Corriente áxima Corriente m máxima Corriente Corriente nominal nominal tras alcanzar tras alcanzar velocidad áxima velocidad m máxima Fabricante: Fabricante: EMOD EMOD Potencia: Potencia: 7,5 7,5 kW kW Tensi ón: 380 Tensión: 380 V V Corriente: Corriente: 17 17 A A Velocidad Velocidad :: 946 946 RPM RPM Polos: Polos: 66 Arranque a plena carga Duración del arranque Arranque en Vacío Arranque en Carga Arranque de los motores asíncronos El ímites para El reglamento reglamento de de BT BT establece establece llímites para la la corriente corriente de de arranque íncronas. Por arranque de de los los motores motores as asíncronas. Por este este motivo, motivo, es es necesario íficos para necesario disponer disponer procedimientos procedimientos espec específicos para el el arranque arranque Arranque Arranque directo directo de de la la red red Sólo válido en motores pequeños o en las centrales eléctricas Arranque ón Sólo válido en motores de rotor Arranque mediante mediante inserci inserción bobinado y anillos rozantes de de resistencias resistencias en en el el rotor rotor M étodos de Métodos de arranque arranque Arranque ángulo El método más barato y utilizado Arranque estrella estrella – – tri triángulo Arranque Arranque con con autotransformador autotransformador Reducción de la tensión durante el arranque mediante autotrafo Arranque Arranque con con arrancadores arrancadores est áticos estáticos Gobierno del motor durante el arranque por equipo electrónico Selección de un motor para una aplicación específica SELECCIONAR CARCASA Y NIVEL DE PROTECCIÓN (IP) SELECCIONAR FORMA NORMALIZADA DE MONTAJE EN FUNCIÓN DE UBICACIÓN SELECCIÓNAR POTENCIA EN FUCIÓN DE LA POTENCIA NECESARIA PARA ARRASTRA LA CARGA SELECCIONAR CLASE DE AISLAMIENTO EN FUNCIÓN Tª ESPERADA Y AMBIENTE DE TRABAJO SELECCIONAR VELOCIDAD (P) EN FUNCIÓN VELOCIDAD CARGA SELECCIONAR CARACTERÍSTICA MECÁNICA EN FUNCIÓN DE PAR DE ARRANQUE Y RESISTENTE DE LA CARGA ABB – “Guide for selecting a motor” La máquina síncrona: generalidades La máquina síncrona utiliza un estator constituido por un devanado trifásico distribuido a 120º idéntico a la máquina asíncrona El rotor puede ser liso o de polos salientes El rotor está formado por un devanado alimentado desde el exterior a través de escobillas y anillos rozantes mediante corriente continua Industrialmente es el generador utilizado en la mayoría de las centrales eléctricas: turboalternadores y grandes alternadores hidráulicos Como motor se usa principalmente cuando la potencia demandada es muy elevada >1 MW La máquina síncrona: generalidades Rotor Rotor liso liso Líneas de campo Rotor Rotor de de polos polos salientes salientes Sentido de las corrientes por el rotor S N N N S S Elevadas velocidades de giro: turboalternadores Velocidades de giro bajas Motores síncronos Catá Catálogos comerciales Generadores síncronos © L. Serrano: Fundamentos de máquinas elé eléctricas rotativas © L. Serrano: Fundamentos de máquinas elé eléctricas rotativas © L. Serrano: Fundamentos de máquinas elé eléctricas rotativas Generadores síncronos © L. Serrano: Fundamentos de máquinas elé eléctricas rotativas © Mulukutla S. Sarma: Sarma: Electric machines MÁQUINA SINCRÓNICA Generator Exciter Vista de un generador síncrono de dos polos y excitatriz Metal frame Laminated iron core with slots Insulated copper bars are placed in the slots to form the three-phase winding Detalle de un generador Estator de un hidro-generador de polos salientes – muestra conductores aislados y espaciadores Rotor hidro-generador con una vista de los polos verticales Slip rings Pole Fan DC excitation winding Rotor de cuatro polos salientes Corte transversal de una central hidráulica Rotor © Mulukutla S. Sarma: Sarma: Electric machines AISLACIÓN DE LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS El aislamiento de la máquina eléctrica puede considerarse una característica asociada a las fallas por lo que existen diferentes métodos de medida para evaluar su condición. El funcionamiento y la duración de una máquina eléctrica o de un aparato electromecánico en general, depende esencialmente de los aislantes, que constituyen la parte más sensible a las solicitaciones térmicas, dieléctricas y mecánicas. El desgaste de órganos de rozamiento, escobillas, colectores, contactos etc. es un fenómeno controlable y por lo tanto sus fallas son relativamente previsibles, pudiéndoselas evitar con un adecuado programa de mantenimiento. No se puede afirmar lo mismo para las fallas originadas por alteraciones de los aislantes como consecuencia por ejemplo de las solicitaciones centrífugas (en máquinas rotantes), vibraciones de las bobinas dentro de las ranuras, solicitaciones electrodinámicas (corrientes de cortocircuito), sobretensiones (de frecuencia industrial, atmosféricas o de maniobra) y muy particularmente solicitaciones de origen térmico. Las cualidades fundamentales que debe poseer un aislante para desempeñar bien su servicio son: · elevada rigidez dieléctrica · estabilidad dimensional y aptitud de conservar esta propiedad en el tiempo RIGIDEZ DIELECTRICA A diferencia de los materiales ferromagnéticos que pueden ser sometidos a elevados valores de inducción sin que se alteren sus características estructurales, en un aislante inmerso en un campo eléctrico, por desplazamiento de las órbitas de los electrones periféricos, se producen solicitaciones que puede ser soportada hasta un cierto límite, más allá del cual se verifica el fenómeno de la descarga, con pérdida permanente o temporaria (descargas parciales) de las cualidades del aislante. La descarga puede ser autorregenerativa (aislamientos en aire o aceite) o no autorregenerativa, cuando se produce un daño irreversible del aislante. Se denomina rigidez dieléctrica de un determinado material, el gradiente eléctrico máximo que puede soportar. Su valor se puede determinar experimentalmente mediante los procedimientos e indicaciones establecidos por normas. Cada material tiene su propia rigidez dieléctrica, pero su valor depende de las dimensiones de los electrodos de ensayo, de las condiciones ambientales en las cuales se realiza la prueba, y de la duración de aplicación de la tensión. Cuando el campo eléctrico aplicado es perpendicular al material ensayado se define un valor de rigidez de masa, en cambio cuando el mismo es paralelo a la superficie del material se define rigidez superficial. Para los materiales estratificados, a igualdad de espesor, la rigidez aumenta con el número de estratos o capas que conforman el aislamiento propiamente dicho. La rigidez no es proporcional al espesor y para aislantes sólidos y aceites varía con exponente igual a 2/3. La humedad reduce fuertemente el valor de rigidez dieléctrica y los aislantes son tanto más eficaces cuanto menos higroscópicos son. La temperatura actúa de manera diversa según se trate de aislantes sólidos o líquidos. En los aislante sólidos la rigidez decrece con el aumento de la temperatura, en cambio para los líquidos ocurre generalmente lo contrario. La duración de la prueba, a igualdad de otras condiciones, influye notablemente en la magnitud de la rigidez, disminuye para tiempos crecientes y alcanza valores elevadísimos para tiempos muy breves (sobretensiones de impulso). La frecuencia de la tensión aplicada afecta el valor de rigidez, y para una misma duración se tienen valores de rigidez más altos para frecuencias más bajas y viceversa. La rigidez superficial depende del estado en que se encuentra la superficie del aislante, más que de su naturaleza, es decir, superficies lisas, pulidas y secas presentan valores de rigidez superiores. Los materiales aislantes inmersos en aceite se comportan mejor que aquellos que se encuentran en aire. DIELECTRICOS EN SERIE Cuando se utilizan aislantes en serie que tienen distintas constantes dieléctricas, el más solicitado de los materiales es aquel que tiene la menor constante dieléctrica. Al haber distintas capas de materiales si se supera la rigidez de un aislante, puede ocurrir una descarga, esta situación es más probable en el material con menor constante dieléctrica. Veamos de una manera simple como ejemplo, que sucede en el espacio de aire comprendido entre un conductor de sección rectangular y la pared de la ranura en la cual se encuentra contenido según la figura de la diapositiva siguiente: El conductor está aislado contra masa con micanita (εr = 5) cuyo espesor es l1 y entre la pared de la ranura y el aislamiento del conductor se tiene un delgado estrato de aire (ε r = 1) cuyo espesor es l2. Siendo U la tensión aplicada entre la pared de la ranura y el conductor se determina el gradiente en el aire con la expresión: Esta situación provoca descargas parciales en el estrado de aire, con transformación de oxígeno en ozono y en compuestos nitrados, que lentamente alterar las características del aislamiento del conductor, y que pueden conducir a la descarga o falla del aislamiento. La más oportuna disposición de aislantes en serie es aquella para la cual se utilizan materiales que tienen igual valor del producto de su constante dieléctrica por su rigidez dieléctrica (en la práctica valores no muy diferentes). En consecuencia es necesario eliminar el aire interior de los aislantes, ocupando todos los posibles huecos, para lo cual se utilizan distintos procedimientos de impregnación. RESISTIVIDAD DE MASA Las normas establecen la metodología para realizar medidas de resistividad de masa de materiales dieléctricos sólidos. La resistividad se reduce fuertemente con el aumento de la temperatura y de la humedad. La medida de la resistencia de aislamiento de las máquinas y de los aparatos es útil para determinar si se pueden realizar los ensayos dieléctricos que establecen las normas, cuyo objeto es demostrar que la máquina o aparato ensayado es capaz de soportar las solicitaciones dieléctricas que pueden presentarse durante su utilización. Los estratos de aire presentan una resistividad prácticamente infinita, pero en cambio la tensión de perforación es relativamente baja, es decir, no existe ninguna relación entre resistividad y rigidez dieléctrica. Cuando se realizan controles periódicos de resistividad, y se los compara con el valor inicial, las pruebas se deben realizar siempre (de ser posible para que sean comparables) en las mismas condiciones de temperatura y con los mismos valores de tensión y tiempo de aplicación. La medición de la resistencia de aislamiento, interpretada correctamente, resulta útil para determinar el estado de conservación de un aislamiento. Existe una corriente de absorción que decrece lentamente en el tiempo y que aparentemente no tiene explicación analíticamente. Como vimos los aislantes son dieléctricos imperfectos porque se polarizan bajo la acción de un campo eléctrico. Existen tres clases de polarización de diferente naturaleza: 1. Electrónica 2. Iónica 3. Dipolar Las dos primeras corresponden al desplazamiento de los electrones respecto al núcleo de los átomos y al desplazamiento de los iones entre sí, respectivamente, bajo la acción de un campo eléctrico externo (se lo denomina polarización por deformación). Existe un desplazamiento de cargas en dirección del campo eléctrico (se establece rápidamente). La dipolar se caracteriza por la orientación en el campo eléctrico de las moléculas polares con momentos dipolares propios. Aparece en gases, líquidos y aislantes viscosos amorfos porque en los sólidos casi no tienen movimiento. Requiere un tiempo mucho mayor y se dice que pertenecen al tipo de polarización lenta o de relajamiento. La orientación de las moléculas dipolares es la explicación mas clara de la aparación de la corriente de absorción. O sea, dadas las propiedades dieléctricas del dieléctrico del aislante se conforman cargas volumétricas redistribuidas bajo la influencia del campo eléctrico produciéndose el fenómeno de polarización. Se produce acumulación de cargas eléctricas en las superficies de separación de diferentes dieléctricos incluso en las acuosas. Son lentas y pertenecen al tipo de polarización de relajamiento (minutos incluso horas). El siguiente cuadro resume estos conceptos: Dada la capacidad Co definida como la capacidad correspondiente a los electrodos, si estos, en lugar de comprender al sistema aislante, se encontraran en el vacío. Por lo tanto la capacidad total será: C = εv Co + εg Co = Cv + Cg C = capacidad variable + capacidad geométrica La figura muestra la variación de la permeabilidad variable (εv ) depende fuertemente en los dieléctricos heterogéneos con polarización por migración, de la mayor o menor presencia de humedad en ellos. Esto explica porque varía con el tiempo y también porque los índices asociados a la polarización son sensibles a la presencia de humedad en la aislación. La corriente de fuga está integrada por tres componentes: If (corriente de fuga) = corriente capacitiva + corriente de conducción + corriente que disminuye con el tiempo El modelo circuital sería: Constante dieléctrica: Determina la corriente de carga capacitiva de fuga (K) . Relación entre C y Co (capacidad con dieléctrico de aire) . Luego el valor de C se hace K veces mayor que la unidad Co . Factor de potencia: Coseno del ángulo entre la tensión y la corriente (θ). El índice de pérdidas dieléctricas: SIC = K cos (θ) Esta es una magnitud relativa de las pérdidas dieléctricas de los aislantes. Se define como coeficiente de pérdida dieléctrica a la tangente del complemento del ángulo de fase entre la corriente eficaz absorbida y la tensión sinusoidal aplicada a un capacitor real. La figura anterior permite deducir la siguiente ecuación: I cos (θ) = U ω C tg δ P = U I cos (θ) = 2 π f C U2 tg δ Se pueden distinguir dos principales causas que son las pérdidas por conducción y las pérdidas por polarización. Las pérdidas en los dieléctricos de las máquinas industriales son generalmente despreciables, a los efectos de la dispersión de energía, pero su magnitud constituye un índice significativo para el conocimiento de las condiciones en las cuales se encuentra el aislamiento general de una máquina y poder evaluar su estado de envejecimiento. Los aceites que tienen un contenido de impurezas mayor que otros, o que tienen un notable contenido de humedad residual, tienden a aumentar su conductibilidad mucho más rápidamente, con el aumento de la temperatura. La Figura en la diapositiva siguiente muestra el comportamiento típico de la tangente delta en función de la temperatura de aceite mineral para diferentes condiciones de envejecimiento. Se indican en la figura las siguientes zonas: 1- aceite nuevo 2- aceite envejecido en ausencia de degradamiento del aislamiento 3- aceite envejecido en presencia de degradamiento del aislamiento La Figura que sigue muestra el comportamiento característico de tangente delta en función de la temperatura, para aislamientos en papel impregnado en aceite, y se comparan aislamientos en buenas condiciones con algunos comportamientos anormales debidos a causas diversas. Se indican en la figura las siguientes zonas: 1- aislamiento en buenas condiciones 2- aislamiento contaminado 3- aislamiento con presencia de humedad residual (2..5% en peso) Dentro de los límites de funcionamiento normal de las máquinas, el valor de tangente delta no está sensiblemente ligado a la frecuencia ni al campo eléctrico, en cambio la temperatura resulta el parámetro que más influye. En general la medida de tangente delta constituye un importante elemento de diagnóstico para el control de la calidad de fabricación de aislamientos nuevos (bobinas de alternadores), evaluar las condiciones de envejecimiento de aislamientos en servicio. Su medición permite la evaluación del resultado de pruebas dieléctricas, poniendo en evidencia eventuales alteraciones de naturaleza físico-química o bien degradamientos del dieléctrico durante las pruebas. Es importante tener claro que no resulta fácil emitir un juicio acerca de un determinado valor de medición de tangente delta, cuando no se dispone de otras medidas comparativas. Componentes de la corriente de prueba Si se aplica un voltaje de prueba a través de una pieza de aislamiento, luego por medición de la corriente resultante y aplicando la Ley de Ohm (R = E / I), como vimos fluye más de una corriente, por lo que no es tan sencillo. Corriente de carga capacitiva Esta corriente inicialmente es grande pero su vida es relativamente corta, cae exponencialmente a un valor cercano a cero conforme el objeto bajo prueba se carga. El material aislante se carga del mismo modo que el dieléctrico de un capacitor. Corriente de absorción o polarización La corriente de absorción está compuesta realmente hasta por tres componentes, que decaen con un índice de decrecimiento a un valor cercano acero en un periodo de varios minutos. La primera es ocasionada por una deriva general de electrones libres a través del aislamiento bajo el efecto del campo eléctrico. La segunda es ocasionada por distorsión molecular por la que el campo eléctrico impuesto distorsiona la carga negativa de las capas de electrones que circulan alrededor del núcleo hacia el voltaje positivo. La tercera se debe a la alineación de moléculas polarizadas dentro del campo eléctrico aplicado. Esta alineación es casi aleatoria en un estado neutro, pero cuando se aplica un campo eléctrico, estas moléculas polarizadas se alinean con el campo a un mayor o menor grado. Las tres corrientes se consideran generalmente juntas como una sola corriente y son afectadas principalmente por el tipo y las condiciones del material de unión usado en el aislamiento. Aunque la corriente de absorción se aproxima a cero, el proceso toma mucho más tiempo que con corriente capacitiva. Alineación de moléculas polarizadas La polarización de orientación se incrementa con la presencia de humedad absorbida puesto que los materiales contaminados están más polarizados. Esto incrementa el grado de polarización. No todos los materiales poseen las tres componentes y, por cierto, los materiales tales como el polietileno, exhiben poca, si alguna, absorción por polarización. Corriente de fuga superficial La corriente de fuga superficial se presenta porque la superficie del aislamiento está contaminada con humedad o con sales. La corriente es constante con el tiempo y depende del grado de ionización presente, que depende a la vez de la temperatura. Con frecuencia se ignora como corriente separada y se incluye con la corriente de conducción como la corriente de fuga total. Corriente de conducción La corriente de conducción es estable a través del aislamiento y generalmente se representa por un resistor de valor muy alto en paralelo con la capacitancia del aislamiento. Es una componente de la corriente de fuga, que es la corriente que se mediría cuando el aislamiento está totalmente cargado y tiene lugar la absorción plena. Nótese que incluye la fuga superficial, que puede reducirse o eliminarse por el uso de la terminal de guarda. La gráfica siguiente muestra la naturaleza de cada una de las componentes de corriente con respecto al tiempo La corriente total es la suma de estas componentes. (La corriente de fuga se muestra como una corriente). Esta corriente es la que puede medirse directamente por medio de un micro ampérmetro o, en términos de megaohms, a un voltaje particular por medio de un MEGGER. Algunos instrumentos ofrecen las alternativas de desplegar una medición en términos de corriente o como una resistencia. Debido a que la corriente total depende del tiempo que se aplica el voltaje, la Ley de Ohm (R = E / I) sólo se mantiene, teóricamente, para un tiempo infinito (lo que implica esperar para siempre al tomar una lectura). También es altamente dependiente del arranque de un nivel base de descarga total. El primer paso en cualquier prueba de aislamiento es, por tanto, asegurar que el aislamiento esté completamente descargado. Nótese que: La corriente de carga desaparece relativamente rápido conforme se carga el equipo bajo prueba. Las unidades grandes con más capacitancia tomarán más tiempo para cargarse. Esta corriente almacena energía y, por razones de seguridad, debe descargarse después de la prueba. Afortunadamente, la descarga de esta energía tiene lugar relativamente rápido. Durante la prueba, la corriente de absorción decrece con una rapidez relativamente baja, según la naturaleza exacta del aislamiento. Esta energía almacenada, también, debe liberarse al final de la prueba, y requiere mucho más tiempo para descargarse que la corriente de carga de la capacitancia. Efectos de la contaminación: Hay muchos factores que afectan la resistencia de aislación. La Corriente de fuga superficial depende de la materia foránea sobre la superficie (aceite, polvo de carbón, sales, polov, etc) de los bobinados. La corriente de pérdida por este problema puede ser importante disminuyendo la resistencia de aislación. (puede ser muy alta en rotores de grandes generadores y máquinas de CC). Las figuras de la siguiente diapositiva ilustran esto: Efectos de la temperatura: La alta temperatura afectan tanto la resistencia de aislación como la del conductor. Existe un término llamado coeficiente de temperatura (KTT) que puede ser positivo o negativo. Si es positivo con la temperatura la resistencia crecerá y si es negativa decrecerá. En los metales la temperatura introduce una gran agitación térmica y reduce el el movimiento movimiento de de los electrones libres. Por eso los conductores aumentan su resistencia con la temperatura y el valor de KT será positivo. El valor de KT será negativo para la aislación. En realidad afecta todas las corrientes menos la corriente capacitiva geométrica. El método recomendado para obtener datos de una resistencia versus la temperatura del bobinado es realizando varias medidas con diferentes temperaturas del bobinado (todas arriba del punto de rocio). Los valores de la resistencia de aislación son corregidos a una base de 40ºC de temperatura. EFECTO DE LA HUMEDAD Si la materia está debajo del punto de rocio una película de humedad se establece sobre la superficie de la aislación. El efecto será mas pronunciado si además hay contaminación presente. La humedad absorbida incrementa la corriente de conducción (IG) y reduce significativamente la resistencia de aislación. Es importante evitar la condensación de humedad sobre la máquina eléctrica cuando se encuentra detenida. BOBINADOS ¾ a) Bobinados concéntricos, los conductores activos de una fase son unidos por cabezas concéntricas ¾ b) Bobinados excéntricos, los conductores son unidos por cabezas que resultan todas iguales Colocación de las bobinas en las ranuras y de las cuñas. bobina en la ranura Cu ña en las ranuras Cuña Refuerzo de aislante y cuña de madera Amarre de las bobinas Conexión de los grupos de bobinas Placa de bornes • Se debe realizar una prueba de continuidad y medición de resistencia de los devanados de cada fase • Una diferencia puede poner en evidencia alguna conexión o soldadura deficiente Comprobado que las conexiones son correctas se debe eliminar la humedad • Antes de la impregnación las bobinas se calentarán a una temperatura de 105 a 110°C, se mantendrá esta temperatura durante el tiempo necesario para que la evaporación del agua sea lo más completa posible • Este tiempo dependerá de la masa a calentar, del gradiente térmico del horno, y variará en función de la humedad relativa ambiente. RODAMIENTOS Rodamientos para cargas radiales. Pueden soportar preferentemente cargas dirigidas en la dirección perpendicular al eje de rotación. Rodamientos para cargas axiales. Pueden soportar cargas que actúen únicamente en la dirección del eje de rotación. A su vez pueden ser: rodamientos de simple efecto, que pueden recibir cargas axiales en un sentido, y rodamientos de doble efecto, que pueden recibir cargas axiales en ambos sentidos. Rodamientos para cargas mixtas. Pueden soportar esfuerzos radiales, axiales o ambos combinados. CLASIFICACIÓN SEGÚN EL TIPO DE RODANTES UTILIZADOS: Rodamientos de bolas. Son adecuados para altas velocidades, alta precisión, bajo par torsional, baja vibración. Rodamientos de rodillos. Los rodillos pueden ser de diferentes formas: cilíndricos, cónicos, forma de tonel (la generatriz es un arco de circunferencia) y de agujas (cilindros de gran longitud y pequeño diámetro). Se caracterizan por tener una gran capacidad de carga, asegurando una vida y resistencia a la fatiga prolongadas. DETALLES: El gráfico de la diapositiva Siguiente exhibe esta relación.