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Detección de Fallas en el Estator

por Luisa Salazar, Flavio Quizhpi, Jose Manuel Aller, Alexander Bueno, Rodney Reyna.

En este trabajo se comparan dos metodologíaspara la detección de cortocircuitos y fallasentre chapas de núcleos magnéticos, para locual se realizaron los ensayos sobre las cha-pas que conforman el estator de un motorde inducción, con el objetivo de determinarel método de detección más eficaz. Los méto-dos sometidos a comparación son: Método dela prueba de aislamiento del laminado del nú-cleo del estator,

recomendado por el estándarIEEE-56 Guide for Insulation Maintenance ofLarge Alternating - Current Rotating Machin-ery (10000 KVA and Larger) y el método devariaciones de flujo, el cual permite mediantedos electroimanes o bobinas (sensora y pa-trón) sobre las chapas, determinar las varia-ciones en magnitud y fase de la corriente quecircula por las mismas, ubicando los puntosde falla.

Introducción

En la operación de sistemas de potencia existeun uso extendido de equipos para la conver-sión de energía (Transformadores de potenciay máquinas eléctricas rotativas), tradicional-mente estos equipos trabajan en base a losprincipios de la teoría electromagnética. Estosequipos en constitución tienen núcleos ferro-magnéticos los cuales se estructuran a partirde láminas, eléctricamente aisladas entre sí,con la finalidad de disminuir las pérdidas porinducción de corrientes parásitas.Este aislamiento entre las láminas o cha-pas de los núcleos magnéticos está constitui-do por baños galvánicos o en caso de sistemasmás antiguos por barnices, capas de óxidos,etc. Este aislamiento puede fallar ocasionan-do contactos físicos entre las láminas. Por otraparte, los núcleos magnéticos están sometidosa importantes intensidades de campos mag-néticos, al existir fallas entre las chapas se in-crementan las corrientes parásitas ocasionan-do puntos calientes que pueden llevar a ele-var la temperatura, ocasionando incrementoen las pérdidas del convertidor, y deteriorodel aislamiento de los conductores cercanos alsitio de falla.El objetivo de esta investigación se centraen comparar dos métodos, uno sustentado porla norma IEEE-56 y el otro basado en el tra-bajo en [1]. Estos métodos permiten determi-nar puntos de falla en el laminado del estatorde las máquinas eléctricas rotativas. El primermétodo compara el gradiente de temperatu-ra, en tanto que el segundo método propues-to, considera variación de las intensidades, enmagnitud y fase, de las corrientes que alimen-tan a bobinas (patrón y sensora), el análisisde los resultados del segundo método permitedeterminar puntos de falla directamente sin la ecesidad de energizar el núcleo a flujo nomi-nal. Al comparar los procedimientos y resulta-dos obtenidos se determina la eficacia de am-bos métodos para detectar fallas en el estatory la factibilidad de implementación como mé-todo de diagnóstico en campo.

  • Método 1

De forma axial al estator de la máqquina deinducción se colocó una bobina, a través dela cual se inyectó corriente alterna para lograrestablecer un flujo muy cercano al codo de sa-turación del convertidor. La bobina se colocóen forma axial, tal como se muestra en la Figu-ra 1, para que el flujo magnético se mantengadentro del laminado estatórico y así los puntosdonde existen fallas, entre chapas, queden so-metidos a la variación de flujo circulante porel laminado. En los puntos de falla se produ-cen calentamientos como resultado del mayorgradiente de temperatura respecto a los dife-rentes puntos del laminado.

estator 1

La bobina utilizada se diseñó a partir deuna densidad de campo magnético típica y ladimensión del núcleo magnético del estator,mediante las expresiones:

φ= B A (1)

E= 4,44 φ f N

H= Ni/l

B= μ 0 μ r H

Y los datos de la máquina son:

SIEMENS

0 910563

MOT 1LC4 228 – 4AA10 – Z 225 M

UC 0701/014720201/MB3Th C.F

IEC / EN 60034 Gew/w. 330kg50Hz

Considerando del material del estator: B= 0,5W b/m2

Diámetro Exterior laminado estator, Dext= 332m, Diámetro Interior laminado estator, Dint= 232mm, Longitud del Núcleo,lnuc= 430mm.

La forma y las dimensiones sonmostradas en la Figura 2Sustituyendo en 1, se tiene que:φ= (0,5)(0,0258) = 0,0129W b

estator 2

Figura 2.Dimensiones del Núcleo del Estator 

Sustituyendo en 2, se tiene que:

E= (4,44)(0,0129)(60)(17) = 58,42V

La longitud de la corona estatórica segúnel estándar IEEE-56 se calcula a través de:

l= ( ( Dext + Dint ) π ) / 2

l= 0,9174m

Tomando en cuenta queμr= 800para nú-cleos de hierro laminado y con el valor de laEcuación 5, la intensidad de campo magnéticose obtiene de la Ecuación 4, que es la corrientede trabajo (ialim).

H=0,5 / (4 π 10 − 7 800) = 497,35 A / m

i alim= Hl / N= 497,35 / (0,97 / 17) = 28,37 A

Debido a limitaciones prácticas (corrien-te nominal del transformador de relación va-riable.Vprim= 240V,Vregulable= 0−24V,Inom= 18Ampen el laboratorio, la corrientemáxima a la cual se puede trabajar, tenien-do control sobre la tensión de alimentación y considerando una sobrecarga, es de20A; porlo que, se ajustó el número de vueltas de labobina de acuerdo a esta corriente y de laEcuación 4 se tiene un bobinado de24vueltas.Se hace circular la corriente de tal forma quese logra calentar el núcleo.En el núcleo se introdujeron puntos de fallaentre láminas, con la finalidad de tener locali-zados posibles puntos calientes. Los cortocir-cuitos (Figura 3) se provocaron con un anillo,tipo espira sombra, de cobre en la parte frontaly posterior del diente 1.El sistema de acuerdo al montaje de la Fi-gura 1 se energizó para calentar el laminadoy tomar lecturas de temperatura, con una cá-mara termográfica Marca Fluke, modelo Ti25,ajustada a una emisividad de0,88que co-rresponde al material de acero laminado. Secubren los cuarenta y ocho dientes lamina-dos, dividiendo en secciones, con el objeto deobservar gradientes de temperatura en los di-ferentes puntos del laminado. Se consideranpuntos de falla donde exista mayor gradientede temperatura.

  • Método 2

Consiste en detectar variaciones de flujo en lospuntos de falla del laminado estatórico, res-pecto a un patrón sin fallas. El método des-arrollado en [1] y [2], detectan variaciones deflujo a partir de un flujo único circulante enel paquete laminado. Para detectar la falla dedesliza un electro imán sobre las chapas del es-tator y se registran la corriente (magnitud yfase) y se compara con un patrón de laminadosano, al encontrar puntos donde existan fallasexistirá un cambio en la corriente (magnitudy fase). Para aplicación del ensayo práctico se hizouna variante, la cual consistió en utilizar dos

estator 3

 

Figura 3.Disposición de la Falla en el diente 1

bobinas de idénticas características (forma delnúcleo, tamaño, número de espiras) mostradosen la Figura 4, con la idea de cerrar el circuitomagnético con parte de láminas del paquetede chapas del estator, tal como se presenta enla Figura 5. Cada una de las bobinas, es exci-tada con la misma fuente de tensión (en para-lelo), la primera bobina (patrón) se mantienefija y la segunda (sensora) se desplaza sobrelos dientes del circuito magnético del estator.Si el laminado del estator no presenta falla,los registros de corriente deben ser iguales, encaso contrario se tendrán diferencias y existiráun punto de falla, o uno posible, lo cual debeverificarse con inspección visual.Las dimensiones del núcleo magnético de labobina fija y de la que actúa como detectorade las variaciones de flujo son idénticas y para

estator 4Figura 4.Dimensiones de las bobinas sensor y patrón 

estator 5

Figura 5.Recorrido de los flujos de las bobinas, sensor y patrón

el dimensionamiento se toman en cuenta lassiguientes consideraciones:

a.- El ancho de la columna central cubrirá elancho del diente a evaluar, ésta característicahace que se limite el ensayo a un grupo demáquinas que tengan laminados de chapas conidénticos anchos de diente.

b.- El valor inicial para ubicar la corriente quegenera el flujo en las bobinas de referencia ysensora se ve limitado por la característica tér-mica del conductor, porque sin el cierre del circuito magnético del núcleo de las bobinas,éstas se encuentran sin saturación (parte delnúcleo es aire).Para realizar el ensayo se utilizó el circuitomostrado en la Figura 6, en el cual se pre-senta el diagrama esquemático utilizado en elproceso. Como se observa las dos bobinas sealimentan con la misma fuente, manteniendouna bobina fija y la otra móvil se van toman-do registros para evaluar todos los dientes dellaminado.Una vez que se tienen las bobinas para elensayo, cada una se ubica en una sección delas ranuras, en puntos que se pueden conside-rar como referencia (sin falla). Para tomar lamuestra se realiza la grabación de las formasde onda de corriente de las dos bobinas. Enlos puntos iniciales de referencia, sobre las dosbobinas existirán dos corrientes que se consi-deran corrientes de vacío.

estator 6

Figura 6.Circuito de montaje para el método 2 

Posteriormente se fija una bobina como re-ferencia para el ensayo (patrón) y la de sen-sado se desplazará a lo largo de los diferen-tes dientes del laminado estatórico. En el mo-mento que se generen las fallas se observaráncambios de corriente en la bobina de sensado,debido a que en este punto se producen varia-ciones del camino magnético que deformaránlos valores del flujo de vacío, estas deforma-ciones resultado de las variaciones del flujoprimario producen cambios en las corriente del vacío del punto de partida. Los cambios de la corriente son captados en los canales del osciloscopio que se usa como equipo de medición.