Diagnósticos en Máquinas Eléctricas
Serie de recomendaciones sobre Máquinas Sincrónicos
Capítulo 4
Diagnóstico Temprano
en Arrollamientos de Corriente Continua
Luis O. Corvalán
Febrero de 2011
Se recomienda leer primero la página llamada "Muerte Súbita vs. Lenta Agonía"
Vimos en el capítulo anterior cuan diferente se comporta un arrollamiento de corriente continua respecto de un arrollamiento de corriente alterna. Habíamos mencionado el concepto de “lenta agonía” para describir el paulatino deterioro que puede sufrir un arrollamiento alimentado por tensión continua. Esta característica hace difícil detectar este tipo de fallas por métodos convencionales cuando está en sus primeras etapas.
Supongamos tener una excitatriz de generador sincrónico cuyos campos principales de excitación están compuestos por cuatro polos y cada polo tiene una bobina de 300 espiras, conectadas en serie. El total de las espiras conectadas en serie serán:
4 x 300 = 1200 espiras.
Ahora supongamos que una de las bobinas tiene una espira en cortocircuito y otra bobina tiene dos espiras en corto circuito. El circuito de excitación tendrá solo dos bobinas en buen estado de las cuatro que lo compone. Si la resistencia total del circuito estando en buenas condiciones es de 26,2 Ω a 75ºC, entonces la lectura que deberíamos medir para el total del circuito con estas dos bobinas falladas será de:
(300 + 300 + 298 + 299)/1200 x 26,2 = 26,1345 Ω
Es evidente que encontrar fallas de este tipo utilizando como método la medición de variaciones en la resistencia del arrollamiento no es lo más adecuado, por más precisos que sean los instrumentos utilizados. Una variación de 1º C en la temperatura del arrollamiento produce una variación en la resistencia superior a la producida por la falla que intentamos descubrir.
El método que proponemos aquí para detectar fallas tan sutiles como una sola espira en cortocircuito en un circuito compuesto por un número de espiras del orden de los miles, como es el de nuestro ejemplo es el de medir la inductancia del circuito magnético además de la resistencia.
La inductancia L del circuito de excitación depende del número de espiras y de la configuración del circuito magnético. Por configuración nos referimos a cuestiones geométricas y físicas: secciones y largos de los caminos medios del campo magnético en los distintos sectores de la máquina y las características magnéticas del medio, en este caso hierro y aire. Este último aspecto es fundamental en nuestra consideración, ya que si en un circuito magnético que estará recorrido por un campo hay intercalada una espira en cortocircuito, esta responderá de una manera muy distinta frente a un campo variable.
Una bobina tiene un circuito equivalente como el de la figura, donde R representa la resistencia de los alambres que la componen medida en Ω y L la inductancia o autoinductancia de la bobina medida en henrios (Hy) o milihenrios (mHy). La caída de tensión en la inductancia del circuito es cero si alimentamos con una tensión continua (f = 0), ya que responde a la ecuación:
UX = I . 2 π .f. L (1)
Para poder tener un cierto valor de caída de tensión en la inductancia debemos recurrir a tensiones alternas, de manera de tener una f ≠ 0. Para tener un valor más elevado de UX respecto de la corriente a medir I y así tener un valor más nítido para calcular L recurrimos a frecuencias f del orden de los 150 a 500Hz en la tensión de alimentación.
El método entonces consiste en medir la inductancia L de las bobinas de corriente continua de la máquina: los campos principales de la rueda polar y los campos principales de la excitatriz. Si la máquina está en buenas condiciones estos valores nos sirven de registro para hacer los controles periódicos (una vez al año por ejemplo) y comparar los resultados. Una espira en cortocircuito cambiará de manera notable la lectura de los valores que nos permiten calcular la inductancia del circuito magnético correspondiente.
Aplicando tensión alterna de frecuencia media en el circuito de excitación, vamos a tener caídas de tensión en R y en la XL que llamaremos como corresponde UR y UX (ver diagrama fasorial).
Ū = Ū R + ŪX (2)
Por el método que nos resulte útil y aceptablemente preciso, medimos el valor de R. Aplicada la tensión alterna y medido el verdadero valor eficaz de I podemos determinar UR de la siguiente forma:
UR = I . R (3)
Con esto ya tenemos el valor de la caída en la inductancia que estábamos buscando:
_________
UX = √U2 – UR2 (4)
Conocido el valor de la corriente I y de la caída de tensión UX podemos emplear la ecuación (1) para encontrar L.
De esta manera podemos tener un registro completo no solo de la resistencia de los arrollamientos sino de la inductancia de los mismos. Este valor es muy sensible al estado de los arrollamientos y se ve muy afectado ante la presencia de una espira en cortocircuito concatenando el camino del flujo magnético.
En el registro a realizar de nuestros campos se debe documentar los siguientes valores:
- Temperatura del arrollamiento al momento de la medición tcu
- Resistencia del arrollamiento R
- Resistencia referida a 75ºC R75 que se obtendrá con la siguiente expresión:
R75 = (253 + 75)/(253 + tcu) . R
- Tensión aplicada U (debe ser senoidal pura)
- Frecuencia f
- Corriente de carga I
Con estos valores y con las definiciones de este artículo debemos agregar a nuestro registro los siguientes valores calculados:
· Inductancia L
· Cos φ
· Diagrama vectorial del arrollamiento de campo.
Con esta información registrada y archivada se dispondrá de una referencia muy completa de las características de los arrollamientos de nuestro generador sincrónico, en particular los arrollamientos de campo de la excitatriz y de los polos principales del generador mismo. Una variación en los arrollamientos, producto de una falla parcial será fácilmente detectable comparando estos valores, en particular modificaciones en la inductancia L y en el ángulo de fase φ.
El método también es aplicable a los arrollamientos de alterna del estator del generador, aunque como vimos en el capítulo anterior, una espira en cortocircuito en estos arrollamientos muestra síntomas muy claros de inmediato, así que la utilidad de este ensayo en este caso es la de detectar problemas de configuración del circuito magnético, como suciedad, contaminación, paquetes de chapa sueltos, etc. que trataremos en otro capítulo.
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