Muerte Súbita vs. Lenta Agonía

Diagnósticos en Máquinas Eléctricas

Serie de  recomendaciones sobre Máquinas Sincrónicos

Capítulo 3

Arrollamientos: Muerte Súbita versus Lenta Agonía.

Luis O. Corvalán

Enero de 2011

           

En la industria y en muchas otras aplicaciones donde existen máquinas y equipamiento eléctrico se dispone de arrollamientos (bobinas) de diferentes tipos y aplicaciones. Estos pueden clasificarse de distintas maneras pero para los fines de esta nota vamos a diferenciarlos por el tipo de corriente que los recorre en arrollamientos de corriente continua y en arrollamientos de corriente alterna.

            El generador sincrónico, y en particular los generadores que ya están prestando servicio desde hace bastante tiempo, tienen en la mayoría de los casos excitatrices rotativas que pueden ser generadores de corriente continua en los modelos más antiguos o alternadores sincrónicos con rectificadores en los más nuevos. Esta técnica de reemplazar generadores de corriente continua (dínamos) por alternadores con rectificadores (diodos) se difundió también en la industria automotor como cargadores de batería, por ser de menor costo y menor mantenimiento. Hay también generadores sincrónicos provistos de excitatrices estáticas a los que dedicamos una de las notas de la presente serie. 

            Tanto las dínamos de corriente continua como los alternadores, tienen un circuito de excitación compuesto por bobinas de corriente continua. Estos campos se ubican indistintamente en el estator de la máquina como en el rotor, ya que solo interesa    el movimiento relativo entre uno y otro. El lugar adoptado dependerá de la aplicación y de la comodidad de acceder a los mismos. En un generador donde la potencia generada en el inducido trifásico es mucho mayor que la potencia que manejan sus campos de excitación, la tendencia es ubicar al inducido en el estator de manera de accederlo mediante bornes fijos y usar otros métodos para acceder al circuito de excitación ubicado en el rotor. Es complicado transmitir grandes potencias por contactos móviles, como sería el caso de tener el inducido en el rotor, situación que se presenta a veces en generadores de baja potencia. También es inevitable en los grandes motores de corriente continua, ya que estos requieren además (como toda máquina de corriente continua) un rectificador mecánico que es el conjunto colector/escobillas para poder funcionar. Esta es la razón por la cual estas máquinas están siendo reemplazadas por motores de inducción convencionales mucho más baratos de fáciles de mantener y provistos de controladores electrónicos que permiten simular las características de aquellas.

Faraday y la tan mentada autoinducción:

            El proceso de autoinducción en un arrollamiento (bobina) es uno de los fenómenos más y peor explicados del electromagnetismo. Veamos si podemos describirlo de la forma más sencilla posible. Faraday descubrió y explicó el fenómeno de la tensión inducida en una bobina que abraza a un campo magnético variable. La relación es tal que la magnitud de la tensión que aparece inducida en una espira de conductor que envuelve un cierto flujo magnético es proporcional a cómo varía ese flujo en el tiempo:

e = dØ/dt

Donde e es la tensión de la espira en [voltios], Ø es el flujo magnético en la unidad correspondiente, por ejemplo en [weber] y t es el tiempo en [seg]. Esta es la famosa ley de inducción magnética de Faraday.

Lo que acabamos de describir es el fenómeno transitorio que se produce al aplicar una tensión continua a una espira. En la práctica no se usa una sola espira sino un número de espiras conectadas en serie, formando una bobina o arrollamiento, de manera de poder lograr valores de tensión y campos acorde a los valores técnicamente aceptables y disponibles de tensión y corriente. Una bobina compuesta de N espiras responderá a la ley más general:

E =  N . dØ/dt

donde E = N.e es la tensión total inducida en una bobina de N espiras conectadas en serie.

A pesar de ser una consecuencia directa de los ensayos de Faraday, fue Lenz el que explicitó el siguiente concepto: Si aplicamos una tensión a un arrollamiento, la corriente que circulará generará un campo magnético y este campo autoinducirá una tensión en el propio arrollamiento que se opondrá a la tensión aplicada. Esto es en términos generales conocida como la Ley de Lenz. Resumiendo: tensión inducida se opone a tensión aplicada. Hemos adoptado el símbolo u para referirnos a tensión aplicada en una espira y U a la tensión en una bobina de N espiras cuando hablamos de una tensión proveniente de una fuente externa a nuestra bobina y el símbolo e y E para tensión inducida en la propia espira o bobina respectivamente producto de la variación de un flujo magnético abrazado. Para dejar este concepto claro se decidió escribir la fórmula de la Ley de Faraday como:

e = -dØ/dt     y     E = - N . dØ/dt

donde el signo (-) nos indica que la tensión inducida se opone a la causa que provoca la variación del flujo Ø.

La bobina alimentada con tensión continua: Imaginemos ahora que tenemos una bobina de N espiras, sin la presencia de campo magnético. Le aplicamos una tensión continua U a los extremos de la bobina mediante una fuente externa. Por la ley de Ohm y considerando que la bobina es de un material conductor, por ejemplo cobre, de muy baja resistencia, inmediatamente comenzará a circular corriente por la bobina. La física también nos dice que una corriente circulando por un conductor produce un campo magnético en el área que rodea al mismo (ver figura).  Si el conductor forma una espira o sucesión de espiras, vemos que una parte del campo formado por el conductor queda abrazada por la espira. Lo que nos hace recordar lo dicho por Faraday: ¿no era que un campo abrazado por una espira induce una tensión en la misma? No! No es suficiente la presencia de una campo, debe ser un campo variable en el tiempo. Al momento de conectar la tensión U a la bobina, la corriente i debería pasar de una valor 0 inmediatamente antes de aplicar la tensión, al valor U/R que nos dice la ley de Ohm inmediatamente después siendo R es la resistencia de la bobina. Pero un escalón de corriente que pasa de 0 a un valor U/R producirá un campo magnético que varía también de la misma manera. Pero un campo que varía de esa forma me dará un valor  dØ/dt  = ∞ por tratarse de un escalón y según Faraday esto induciría una tensión E infinita.

La corriente que trata de circular genera un campo magnético cuya presencia induce una tensión llamada “autoinducida” porque aparece inducida en el mismo conductor donde estamos aplicando la tensión (no olvidemos distinguir siempre aplicar de inducir) y se opone a ésta. Pero no puede oponerse tanto que la anule por completo porque desaparecería la corriente, extinguiéndose el fenómeno, con lo que la tensión aplicada intentaría nuevamente hacer cumplir la ley de Ohm y volvemos al instante inicial. Lo que ocurre es que se establecerá una corriente que genera un campo, pero no de manera instantánea sino de manera gradual, con una pendiente finita que autoinducirá una tensión E que se opone a la variación brusca de la corriente por la espira y del campo que esta corriente produce. Este aumenta gradual proseguirá hasta alcanzar el valor U/R a partir del cual permanece constante y por ende constante el campo inducido y por lo tanto la tensión autoinducida por el campo será nula, ya que no hay más campo variable.

             

La bobina alimentada con tensión alterna: hagamos el mismo experimento pero ahora a nuestra bobina de N espiras en lugar de aplicarle una tensión continua le aplicamos una tensión alterna. El fenómeno transitorio explicado recién también se aplica a este caso, pero dependerá mucho del instante en que se aplica la tensión, produciendo en mayor o menor grado corrientes transitorias, pero que no son tema de esta nota.

La principal diferencia entre esta situación y la analizada para tensiones continuas, es en el estado permanente. Ahora tenemos aplicada una tensión alterna, variable en el tiempo, que establecerá una corriente estacionaria también alterna que a su vez genera un campo magnético variable. Si hay un campo magnético variable en el tiempo abrazado por nuestra espira o bobina con N espiras, aparecerá en ésta una tensión inducida, más descriptivamente “autoinducida” de manera permanente ya que el valor -dØ/dt tendrá un valor o será una función diferente de cero. 

            El punto de equilibrio, es decir, cuando superamos el fenómeno transitorio para llegar al régimen permanente, se logra cuando la tensión autoinducida E que se opone a la tensión aplicada U es tal que la diferencia entre ambas Ū – Ē es una tensión pequeña responsable simplemente de mantener circulando la corriente necesaria para crear el campo magnético. Si la bobina está bastante concentrada, con poca dispersión, el valor de la corriente que permanece circulando en estado estacionario cumple bastante con la ley de Ohm:

I = (Ū – Ē)/R

siendo R la resistencia del arrollamiento. 

            Aclarado estos dos fenómenos, entremos ahora sí en el tema que da título a la nota.

La bobina de corriente continua bajo condición de falla: supongamos que el arrollamiento de corriente continua del esquema, que puede representar a una bobina de campo de un alternador o de una dínamo, o a los campos de un motor de corriente continua o incluso el arrollamiento de un electroimán, sufre una falla que pone en cortocircuito una de sus espiras. En el esquema lo representamos por el puente p. Una espira quedará cortocircuitada sobre si misma. Se encuentra abrazando un campo magnético continuo, no tiene por lo tanto tensión autoinducida y al estar en cortocircuito tampoco tiene una tensión aplicada. Si el cortocircuito es pleno ni siquiera circulará por ella corriente alguna. El resto del arrollamiento, si está compuesto por un número grande de espiras, seguirá comportándose de manera bastante similar a como lo venía haciendo antes de la falla. Si las espiras son aproximadamente iguales todas, la resistencia total del arrollamiento habrá descendido en la proporción

(N – 1)/N

y por lo tanto la corriente que toma el arrollamiento si está alimentado por una tensión constante, aumentará en la proporción inversa.

Si se trata de una bobina de excitación de un generador que está controlado por un regulador de tensión que se encarga de mantener constante la tensión de salida del mismo, ésta dependerá, para un cierto estado de carga, de la excitación NI que provee la bobina de campo. Si ésta tiene ahora (N-1) espiras, la misma excitación NI se logrará con un aumento de la corriente de excitación en la misma proporción antes mencionada. Para un estado de carga, vemos que en uno u otro caso hay un aumento de la corriente que circulará por la bobina. Si N es un número grande es aumento puede ser insignificante, pero las pérdidas en el cobre aumentan con el cuadrado de la corriente y el calentamiento también. Este proceso expone paulatinamente a la bobina a un mayor deterioro y es altamente probable que la cantidad de espiras que se cortocircuitan por fallas vaya en aumento. Este proceso puede durar días, semanas, incluso años. Es lo que llamo “lenta agonía”  de un arrollamiento.

En una industria de proceso continuo, cuando este tipo de falla se detecta en una máquina, digamos por ejemplo en la rueda polar de un generador y la misma todavía está en servicio, el deterioro se puede detener o postergar limitando la corriente por la bobina a un valor igual o menor a la corriente nominal, de manera de no producir una avalancha térmica producto de la mayor demanda de corriente que la máquina exigirá a su circuito de excitación para mantenerse en servicio. Esto se puede lograr transfiriendo carga reactiva a otras máquinas si el generador se encuentra trabajando en paralelo, o sobrecompensando el factor de potencia mediante capacitores si está generando en servicio individual. En caso de estar conectado el generador a una red, que es la situación de algunas industrias que co-generan, volcando excedentes al sistema interconectado, o el caso de una usina comercial pequeña que aporta al sistema, se puede recurrir a subir el factor de potencia que soporta la máquina accionando o programando el regulador de tensión o los controladores que lo manejan, de manera de bajar la corriente por el campo dañado hasta valores inferiores a los nominales y así detener el proceso de deterioro hasta poder sacar de servicio la máquina para una reparación más profunda.

La bobina de corriente alterna bajo condición de falla: Supongamos ahora exactamente el mismo ejemplo pero en un arrollamiento de corriente alterna, que puede ser el de un motor de inducción, el inducido de un generador sincrónico o el bobinado de un transformador, tanto primario como secundario. Aquí, viendo la misma figura anterior, pero ahora con la bobina alimentada por una tensión variable, la situación es drásticamente diferente: la espira cortocircuitada se encuentra abrazando ahora un campo variable en el tiempo. Este campo alterno induce en cada espira que lo abraza una tensión e como vimos en la ley de inducción y que es aproximadamente igual a la tensión aplicada que caerá en cada espira. Pero en el caso de la espira en cortocircuito, la tensión aplicada no cae en ella ya que está en cortocircuito (u = 0 por definición). Aquí tenemos la tensión inducida en una espira e sin contraparte, aplicada a una espira cerrada de resistencia muy baja. Esto hace aparecer una corriente de valor anormalmente alta circulando por dicha espira, que de inmediato producirá un efecto térmico destructivo. Esto produce daño primero a la propia espira por la circulación de una corriente de falla y luego a las espiras vecinas por efecto térmico, produciendo nuevos cortocircuitos, nuevas corrientes de falla y un proceso de avalancha bastante brusco. Se produce un deterioro general en escasos segundos o a lo sumo algunos minutos. Es altamente improbable que un arrollamiento de corriente alterna con una o mas espiras en cortocircuito pueda funcionar más de unos pocos minutos. Generalmente las protecciones, si son las adecuadas, sacan de servicio la máquina por las sobrecorrientes que estas fallas producen antes de producirse la destrucción total por efectos térmicos. Este tipo de falla produce lo que llamo, a efectos de este artículo, la “muerte súbita” de un arrollamiento.   

            

Inducido trifásico de una excitatriz de un generador sincrónico Caterpillar de 750kVA con un grupo de espiras en CC. Son arrollamientos de corriente alterna. Nótese lo oscuro de los arrollamientos fallados en comparación con las espira sanas vecinas debido a las altas corrientes de corto circuito. Esta falla sacó de servicio el generador en pocos minutos, aun con una parte importante del bobinado sano. Ejemplo de “muerte súbita” de un arrollamiento.   

Campos de una excitatriz de generador Leroy Somer de 16kVA. Se alimentan con corriente continua. Tienen varias espiras ya en cortocircuito y recalentadas de forma gradual, desde el centro hacia la periferia debido a la dificultad de ventilación en las espiras centrales. Este proceso es lento, la máquina todavía puede generar pero con corrientes más altas que las nominales. Está en pleno proceso de “lenta agonía”.

A continuación recomiendo la lectura de la nota “Detección temprana de fallas en arrollamientos de corriente continua”.