Ratio: 5 / 5

Inicio activadoInicio activadoInicio activadoInicio activadoInicio activado
 

Ensayos de Núcleo Magnético

La prueba de Toroide se hace a los núcleos de los generadores o motores cuando por alguna causa se presume que se tienen laminaciones en corto circuito lo que provoca calentamiento entre ellas por circulación de corrientes parásitas. Normalmente las laminas deben estar aisladas eléctricamente entre si. El procedimiento presente tiene por objeto dar una guía práctica para efectuar la prueba.

Laminación

 El procedimiento se aplica siempre y cuando las laminaciones del núcleo tengan un espesor comprendido entre 0.6 y 1.0 mm; y que el material sea de acero magnético al silicio.

Aislamiento entre láminas

 El aislamiento sobre las láminas puede ser de:

  • Papel
  • Capa de óxido
  • Barniz
  • Vidrio Líquido

Para reparaciones se usa resina epóxica de muy baja densidad similar a la Hysol R9-2039 y endurecedor HD-3404 de INDAEL.

Causa de los daños

 Las causas de los daños al laminado que más comunmente se presentan son las siguientes:

  1. Falla a tierra de bobinas
  2. Falla entre fases de bobinasPROCEDIMIENTOS DE PRUEBAS
  3. Abrasión
  4. Retirando o instalando rotor o polos
  5. Quemadura del devanado
  6. Protecciones lentas
  7. Rozamiento entre rotor y estator.
  8. Impacto por piezas sueltas.
  9. Daños durante reacuñados.

  

Se presenta un método de prueba y de reparación, para cuando se rebobina una máquina, cuando se cambia alguna o algunas bobinas que al fallar dañaron el laminado fundiéndolo y poniendo en cortocircuito las láminas.

 METODO I

El método de prueba consiste en usar las curvas de imantación B-H y las curvas de pérdidas en el hierro contra B de un toroide cuyo núcleo es de acero al silicio y que son conocidas; devanar el núcleo del estator en forma de toroide, para lo cual con el método se calcula el número de vueltas (T), de acuerdo con el voltaje de C.A. disponible (E) a la densidad de flujo especificada (B), también se obtendrá el valor de la corriente (I). Al aplicar el voltaje de C.A. de acuerdo con la figura, el núcleo se comporta como un toroide y las partes dañadas se sobrecalientan con respecto al resto del núcleo.

 

  1. Cálculo del Número de vueltas

 C

 

II.  Corriente de excitación y calibre del cable

En la tabla siguiente se encuentran indicados los valores de B contra wL y H. Con el primero de ellos B (densidad de flujo magnético Webers), se estiman primeramente el componente de la corriente de magnetización H (Intensidad de campo en Ampere-Vueltas/m) y también la componente de pérdidas en 

Watts wL (pérdidas magnéticas en Watts/Kg).
La tabla corresponde a un toroide de acero al silicio con láminas entre 0.6 y 1.0 mm.

 El calibre del cable en MCM se obtiene dividiendo el valor de la corriente entre 2 para conductor de cobre; el aislamiento debe ser adecuado al voltaje que se tenga disponible.

III. Geometría del núcleo del estator

Para estimar los valores geométricos del núcleo será necesario de acuerdo con las figuras tener los siguientes datos:

 

IV. Procedimiento de cálculo

Para calcular el número de vueltas (T) y la corriente en el circuito (Iexc) en función del voltaje aplicado (E) y la frecuencia (f); será necesario inicialmente conocer el área transversal del núcleo; que se comportará como un toroide.

Para lo anterior será necesario conocer los datos mencionados en el punto (9); obteniéndose:

G

Y el área transversal será:

H

 Una vez calculada el área y sabiendo la densidad de flujo (B) como dato se obtiene el flujo (Ø), multiplicando:

I

Con este valor de flujo Ø; se sustituye en la formula:

J

Obteniéndose el número de vueltas necesario; si sale fraccionario será necesario redondearlo.
De la tabla B-H; se obtiene que si el valor de B es 1 (usual, la H será de 160 AT/m; también de los datos geométricos del estator se obtiene el diámetro medio (Dm).

K

Luego se calcula la longitud media del toroide:

L

Con este dato y el valor de H; se obtienen los Amper-Vueltas (AT)
A x H x Lm = AT/m x Lm

Una vez obteniendo lo anterior, se despeja el valor de la corriente de magnetización. Dividiendo:

M

Para calcular la componente de la corriente debida a las pérdidas en el hierro (IW); primeramente se obtiene el peso total del hierro (Wb) por la fórmula:

N

Las pérdidas en Watts/Kg. Se obtienen de la tabla (B –WL) tomando como base el valor (B), por lo que para calcular la corriente (IW) debida a las pérdidas se aplicara la formula:

O

La corriente total (Iexc) será:

P

Y el calibre del conductor en MCM será:

Q

Lo anterior queda ejemplificado en el diagrama de flujo siguiente:
Después de la siguiente hoja se tiene un ejemplo numérico aplicando el diagrama de flujo

 

 V. Procedimiento para la realización de la prueba

Ejemplo: 
Para un generador de 300 MW se necesita:
a) No. De vueltas 6 vueltas
b) Corriente 350 Amps.
c) Capacidad 1500 KVA
d) Tensión 4160 Volts
e) Seleccionar transformador.
f) Seleccionar interruptor con protecciones adecuadas.
g) Hacer prueba de aislamiento a los cables.
h) Hacer prueba de aislamiento a los tornillos que atraviesan el núcleo (a 1000 Volts).
i) Limpiar perfectamente el interior del estator.
j) Verificar que están desconectados terminales lado línea y neutro del generador.

VI. Preparación de una bobina testigo

a) De una sola vuelta.
b) Sin topar con el núcleo, bobinas, carcaza, etc.
c) Conectar sus terminales a un Transformador de Potencial de relación conocida y medir la
tensión inducida en el Estator.
d) Preparar equipo para medición de temperatura
Para el ejemplo anterior se tiene:
a) 700 Volts, si son 6 vueltas.
b) 600 Volts, si son 8 vueltas.

VII. Método de Prueba

Al efectuar la prueba una vez que se han determinado por cálculos el valor del número de vueltas y el calibre del conductor; se deberá enrollar el mismo en el núcleo del estator, completando las vueltas calculadas.

a) Excitar inicialmente por 10 segundos y ver si no hay nada anormal.
b) Aplicar el voltaje cautelosamente, si es posible en forma gradual.
c) Mantenerlo excitado por 30 minutos para estabilizar las temperaturas.
d) Los puntos calientes se desarrollan rápidamente aproximadamente 15°C. arriba del resto del laminado.
e) Si aun no se logra la estabilización se prolonga el tiempo; la detección de los puntos calientes se hace con la palma de la mano, con pirómetro; o equipo de rayos infrarrojos.
f) Excitar nuevamente durante 90 minutos tomando lectura de temperaturas cada 4 minutos, identificando el punto mas caliente.

IIX. Criterio de aceptación

Prueba con 100% de excitación, para generadores en operación normal.
a) Diferencial de temperatura menor de 10°C: BUENO
b) Diferencial de temperatura entre 10 y 20°C: DUDOSO
c) Diferencial de temperatura mayor de 20°C: MALO
Entre 10 y 20°C es conveniente observarlo y repararlo.
Si algún punto del núcleo excede de 100 °C, se debe suspender la prueba para inspección y corrección del defecto, repitiendo de nuevo esta prueba y considerando los criterios anteriores.
Como regla general de campo, si un punto se calienta 15°C más que el resto de la laminación, se considera como punto caliente.
Sujeción del cable de prueba.- El cable no debe tocar la laminación y se recomienda las siguientes precauciones:
a) Usualmente se hace una cama de madera en la parte exterior e interior del núcleo para soportar el cable.
b) El cable estará colgado a una distancia de 8 a 10 cms. uno de otro y firmemente sujetado.

METODO II

El circuito magnético en máquinas rotatorias es el siguiente:

 

De acuerdo a la figura y al circuito equivalente se puede entender que el flujo magnético en el yugo del estator es menor que en el diente y que en el entrehierro o (gap) debido a la reluctancia del medio, a las propias dimensiones del gap y del diente.
Desde el punto de vista práctico y económico los fabricantes de generadores tienen límites económicos de densidad de flujo magnético para diseñar las máquinas, por ejemplo:
Límites de densidad de flujo magnético en el diente 17,500 gauss/cm².
Límite de densidad de flujo magnético en el yugo 13,500 gauss/cm²
Aunque en cada caso o cada máquina se puede encontrar el valor real de estos flujos tomando en cuenta las dimensiones de la máquina, para el caso de la prueba al núcleo el flujo que se genera con el toroide formado con el estator es el flujo del yugo, lo ideal en la prueba sería generar el flujo nominal del yugo, tomando en cuenta el valor límite aproximado de 13,500 gauss/cm² para probar cualquier máquina rotatoria.

Partiendo de esta base se forma el circuito siguiente con el núcleo de la Máquina.

 A partir de la ecuación general de inducción.

U

La ecuación se convierte en:

V

Para efectuar la prueba de puntos calientes en el laminado se deben determinar las vueltas N, del toroide a partir de la ecuación anterior suponiendo B= 10 000 gauss/cm².

Para que E2 sea el mínimo posible y se pueda medir directamente, a N2 se le asigna el mínimo valor posible, que es N2= 1 , aunque a N2 se le puede asignar el número de vueltas que se desee pero si se le asigna un número grande se requerirá un Transformador de Potencial para medirlo.

W

Para el cálculo se debe emplear el área neta del yugo.
Área neta yugo = Altura neta yugo X Ancho neto yugo.
Altura neta = Altura total del núcleo - No. de ductos de ventilación X Altura del ducto Ancho neto del yugo = Ancho total del núcleo – profundidad de la ranura
Habiéndose determinado el área, se sustituyen los valores conocidos en nuestra ecuación.
Para maquinas rotatorias de 60 Hz.
E2 = 4.44 x f x N2 x Φ x A x 10 -8
E2 = 4.44 x 60 x 1 x 10,000 x A en cm2 x 10-8
En donde el único valor a determinar para la máquina en cuestión es el área del yugo en cm2.
Observando la figura del toroide corresponde a un transformador con V1 y N1 como primario y N2 y V2 como secundario en la que es válida la ecuación del transformador.

X

E2 Ya se calculó y fue el voltaje de verificación
E1 Es el voltaje disponible para efectuar la prueba
N2 Será las vueltas necesarias para obtener la densidad de flujo magnético de 10,000 gauss con lo que es posible detectar los puntos calientes.

La corriente que circulará se calcula en la forma siguiente:

Y

Donde Dy es el diámetro medio del yugo, T es el número de vueltas que tendrá el toroide.

Z

K es una constante práctica obtenida como valor promedio después de probar un gran número de generadores en fábrica y toma los valores siguientes:

a1

Para mejor comprensión del procedimiento se tomará un ejemplo práctico.
Generador de Planta Hidroeléctrica con capacidad de 130 MVA.
Frecuencia 60 Hz
Diámetro Exterior = 8 000 mm.
Diámetro interior = 7 200 mm.
Profundidad de la ranura = 157 mm.
Altura total del núcleo = 1 600 mm.
No, de ductos de ventilación = 33 mm.
Altura del ducto = 8 mm.

 a2

De la ranura = 8 000 mm - 7 200 mm - 157 mm.
Ancho neto = 243 mm.
Altura neta del yugo = Altura total - número de ductos por altura del ducto = 1 600 - 33 x 8 = 1 336 mm.
Sustituyendo en la ecuación para calcular E2

a3

Kp se agrega como un factor de ocupación tomando en cuenta que las laminaciones están traslapadas y barnizadas y su valor es aproximadamente 0.95 así que agregándolo a la ecuación de E2

a4

Enseguida se determina el número de vueltas para el toroide, si el voltaje disponible en la planta es de 440 V.

a5

no puede ser un número fraccionario de vueltas se puede redondear a 6 vueltas, la corriente que circulará será:

a6

Dy = Diámetro exterior - profundidad de la ranura
Dy = 775.7 cm. diámetro medio del yugo
Para nuestro ejemplo K = 2 por ser mayor de 20 000 KVA.

a7

Con lo que se tienen los datos para calcular o mejor dicho seleccionar el cable que debe emplearse.
La capacidad mínima de la fuente será:

a8

 Finalmente se tiene los siguientes resultados:

Si el estator está dividido en 4 partes existen cuatro juntas y lo ideal sería aplicar un número de vueltas igual a cada sección para someter a un flujo igual a todo el laminado.

Suponiendo que resultaran 16 vueltas se repartirían cuatro por sección, que se devanaran en el mismo sentido.

Se puede determinar adicionalmente la calidad del acero al silicio empleado instalando un wáttmetro al circuito del toroide.

Lo antes dicho se ilustra con el dibujo siguiente:

Lo medido en el wálttmetro entre el volumen total neto del núcleo nos dará los watts/cm3 que es como se clasifican las calidades del acero al silicio.

Procedimiento para la Reparación del núcleo en el laminado del estator

Para la reparación del núcleo dañado por corto circuito, lo más recomendable consiste en desbastar el material fundido o en corto circuito con una rectificadora portátil de alta velocidad, a la que se le van intercambiando los diferentes tipos de limas rotatorias de acuerdo a la necesidad. (Figura 1).

Una vez que se ha desbastado y se observa la mayor parte de la separación física de las laminaciones, se procede a la aplicación de ácido ortofosfórico con objeto de lograr ver más la separación y verificar que no estén en corto, además, para fundir los posibles vestigios de diminutas partículas de material que existan; ilustrándose en la figura 2 el proceso de aplicación.
Posteriormente se vuelve a repetir la prueba de toroide, para verificar que en la reparación efectuada ya no se presenten puntos calientes.
Una vez reparado el laminado, se prepara una pasta con resina epóxica y su catalizador, polvo de mica y fibra de vidrio desmenuzada, para rellenar el hueco existente en el laminado y darle forma de paquetes de laminación.

 

NOTA : En un recipiente se prepara una mezcla de ácido Fosfórico (40%) y agua (60%). Luego, se impregna la lámina con el Dacrón y posteriormente se talla en la parte dañada.
Si se incrementa la porción de ácido fosfórico, se incrementará en un determinado porcentaje, la corriente circulante en el electrodo.