Mike Howell
Especialista de Soporte Técnico de EASA

Las dos razones principales para realizar la prueba de núcleo del estator en el centro de servicios son (1) verificar que el núcleo del estator es apto para uso continuo y en caso de rebobinado y (2) verificar que el proceso de rebobinado no ha alterado de forma adversa la condición del núcleo del estator.

El propósito de este artículo es discutir como determinar, evaluar y comparar los resultados de la prueba de núcleo. Es muy importante comprender que la variación de los procedimientos de prueba puede invalidar la comparación.

Prueba del núcleo del estator
Los centros de servicio normalmente realizan una prueba de lazo (también conocida como “prueba de toroide” o prueba de flujo) para evaluar la condición del núcleo del estator. Esto se puede hacer con un probador de núcleos comercial o utilizando una fuente de CA, cables y equipos de medida apropiados y un cálculo manual. Si bien, la prueba de toroide no proporciona valores de pérdidas en el núcleo que puedan ser usados para calcular la eficiencia de la máquina, esta es una buena herramienta para evaluar la condición relativa del núcleo del estator y aunque existen otros métodos para evaluar la condición del estator, esta prueba es el método más comúnmente usado por los centros de servicio.

Muchas pruebas de lazo son llevadas a cabo en los centros de servicio sin conocer los datos del bobinado del estator. Para facilitar la prueba en diferentes tipos y tamaños de máquinas, en distintos estados de operatividad, es lógico escoger un nivel de prueba base que proporcione una excitación razonable para evaluar la condición del núcleo del estator. La mayoría de estas pruebas son realizadas con una densidad de flujo magnético de 1.32 T (85,000 líneas/pul²).

Procedimiento de prueba

Si el centro de servicio no utiliza un probador de núcleo comercial, el Manual Técnico de EASA [1] proporciona un procedimiento adecuado para realizar la prueba de lazo (toroide). Como alternativa a los cálculos manuales, EASA ha incluido en su página web una calculadora para la prueba de núcleo, que es fácil de usar con tabletas y teléfonos móviles [2]. Los técnicos pueden tener la capacidad de calcular los parámetros y los resultados de prueba rápidamente sin necesidad de moverse de su sitio de trabajo, lo que es conveniente y eficiente. La Figura 1 muestra la interfase de la página web de EASA. 

Se recomienda verificar el flujo real en el yugo utilizando una bobina detectora, tal como se muestra en la Figura 2. Los probadores de núcleo comerciales suelen estar equipados para ello y realizan los cálculos automáticamente. La base para este cálculo es eliminar el error debido a la caída de tensión en la bobina de excitación, causada por su resistencia y la corriente. Dependiendo de la configuración de prueba específica, esta caída puede ser o no significativa. El voltaje medido en los terminales de la bobina detectora está determinado por la frecuencia industrial y la densidad de flujo magnético en el yugo. Por lo que, para cualquier voltaje medido, podemos calcular fácilmente la densidad de flujo en el yugo.

Si la fuente de poder se puede ajustar en pequeños incrementos de voltaje, el técnico que realiza la prueba puede ajustar el voltaje inducido calculado y, por consiguiente, la densidad de flujo por el yugo correcta. Si se usa esta técnica, se debe monitorear el voltaje y la corriente de entrada para asegurarse que todo se aproxima a lo esperado. 

Evaluación del hierro del núcleo
El procedimiento para la prueba del núcleo del estator en el Manual Técnico de EASA recomienda tres criterios para evaluar el hierro del núcleo.

1. Mínimo incremento de temperatura en el núcleo.
2. Calentamiento uniforme del núcleo (sin puntos calientes).
3. Pérdidas en el núcleo aceptables.

Para el criterio 1, mínimo incremento de temperatura en el núcleo, el procedimiento establece que estas temperaturas superficiales normalmente aumentan 5-10°C (41-50°F) en unos 30 minutos. Cabe señalar que esto varía con el tamaño del motor. Los núcleos se deben reparar o reemplazar si la temperatura se torna muy alta o aumenta demasiado rápido. Los núcleos se consideran aceptables si el aumento de temperatura no sobrepasa en 15°C (27°F) la temperatura ambiente.

Para el criterio 2, calentamiento uniforme del núcleo, el procedimiento no incluye una definición numérica de punto caliente. Es razonable definir como punto caliente a cualquier zona con una temperatura de 10°C (18°F) por encima de la temperatura promedio del núcleo. Si hay puntos calientes, el núcleo deberá ser reparado o reemplazado. 

Para el criterio 3, pérdidas en el núcleo aceptables, el procedimiento establece que es conveniente comparar las pérdidas en el núcleo con datos publicados o con mediciones tomadas en núcleos similares. Una nota más práctica incluida establece que los núcleos buenos tendrán por lo general entre 1 y 5 vatios por libra (2-11 vatios por kilo) dependiendo del grado de aislamiento, el calibre y el procesamiento de las laminaciones. Estos valores de pérdidas están basados en los vatios por libra (o por kilogramo) del yugo. Además, en caso de rebobinado, se especifica que las pérdidas en el núcleo no deben aumentar más del 20 % después del proceso de quemado. Por lo general, es el criterio 3 al que se le presta mayor atención en los grupos industriales, centros de servicio y clientes, por lo cual reviste mayor interés en una discusión posterior. 

¿Cuántos vatios, cuántas libras?
El cálculo de los vatios por libra (o por kilo) es una simple división en la cual los vatios son el dividendo (numerador) y las libras son el divisor (denominador). La cuestión más complicada es decidir los vatios y libras que se van a usar 

Vatios

Primero, veamos los vatios o la componente de potencia activa. La Figura 3 muestra un modelo sencillo del circuito de prueba y de la corriente I₁ = V₁ / Z, donde la impedancia (Z) será R₁ + jX₁ + R_c // jX_m. Entonces, la corriente tendrá una componente activa y otra componente reactiva. Existen dos componentes resistivas que se muestran en la Figura 3 que contribuyen con las pérdidas de potencia activa en vatios, la resistencia del cable (R₁) y la resistencia de las pérdidas en el núcleo (R_c). A nosotros nos interesa la potencia activa debida a las pérdidas en el núcleo (P_c) y la forma más fácil de separarlas es restando las pérdidas en el cable de la potencia de entrada total medida (P_t).

Aparentemente, en la ecuación anterior, la resistencia del cable (R₁) puede tener un impacto significativo sobre las pérdidas en vatios usadas para calcular los vatios por libra.

Veamos un ejemplo. Las medidas requeridas en la Figura 2 se encuentran en pulgadas.

L=1.400  D₁=3.750  S=0.710  B=0.535

La fuente de alimentación para esta prueba es un autotransformador variable de 0-130V con una corriente nominal de 20 A. Usando la calculadora, se determina que 11 vueltas por bobina y 1.78V deberían proporcionar la densidad de flujo deseada en el yugo, con una corriente estimada de 14.7 A. Para obtener una densidad de flujo en el yugo de 85,000 líneas/pul², el voltaje inducido que se desea medir en la bobina detectora de 1 espira es de 0.16 V. Los resultados reales fueron los siguientes:

P_t = 14 W  I1 = 12.7 A  B_c = 84,472 líneas/pul²

La pérdida I²R en el cable fue de 5.3 W lo que nos deja 8.7 W para las pérdidas en el yugo. Si en esta prueba se desprecia la resistencia del cable, los vatios por libra serían de 14/8.7 = 61% más altos que los reales. En muchos casos, probablemente sería beneficioso separar las dos componentes. Los fabricantes de los probadores de núcleos comerciales pueden incluir automáticamente en sus cálculos las pérdidas en el cable.

Libras
Cuando se realiza la prueba de núcleo, los vatios de las pérdidas se dividen por el peso (masa) del núcleo para normalizar los datos. De esta forma, se puede usar el mismo criterio de pasa/no pasa independientemente del tamaño de la máquina. Las unidades de medida (normalmente libras o kilos) pueden ser las que más le convengan al centro de servicio, siempre que los criterios se ajusten de manera acorde. Como se dijo anteriormente, el procedimiento explicado en el Manual Técnico de EASA establece que los núcleos buenos tendrían normalmente entre 1 y 5 vatios por libra (2-11 vatios por kilo) dependiendo del grado del material, el calibre y el procesamiento de las laminaciones.

El procedimiento en el Manual Técnico de EASA calcula únicamente el peso del yugo en lugar del peso total del estator. La lógica que apoya esto es razonable ya que debido a la orientación de la bobina de prueba, la trayectoria del flujo magnético solo recorrerá el yugo tal como lo muestra la Figura 4 y aunque puede existir alguna desviación en la raíz del diente, esta será insignificante.

Sin embargo, al menos un fabricante de probadores de núcleo ha empleado el peso entero para calcular los vatios por libra. Esto por supuesto supone una diferencia significativa en los resultados de la prueba, con el valor o magnitud de la diferencia dependiendo del diseño del estator en cuestión. Volvamos al ejemplo de prueba para investigar esto. 

El peso calculado del yugo del estator es de 3.5 lb. (1.59 kg). Si incluimos el diente (ancho del diente = 0.174 pul o 4.42 mm) en los cálculos, el peso total del núcleo es de 5.2 lb. (2.36 kg). Esto es casi el 50 % de incremento en peso y los vatios por libra calculados serian 1/1.5 = 67% del valor calculado con el peso del yugo únicamente.

Por tanto, si hemos establecido que el flujo magnético está viajando solamente a través del yugo ¿Por qué tendría sentido incluir los dientes al calcular los vatios por libra? La lógica detrás de este planteamiento también es razonable ya que, aunque la trayectoria del flujo magnético solo será a través del hierro del estator, las corrientes parásitas seguirán una trayectoria en cortocircuito entre las laminaciones en cualquier punto del estator, independientemente de la trayectoria del flujo magnético [3]. Esto se ilustra en la Figura 5, donde los pequeños puntos negros representan cortos.

En la Figura 5 (1), hay dos puntos de corto entre las laminaciones que crean un circuito cerrado para que fluyan las corrientes parásitas. El corto en la parte inferior puede ser causado por un defecto, una soldadura o un contacto de baja resistencia con la carcasa. En la Figura 5 (2), no hay un bucle cerrado, pero todo el aislamiento es imperfecto y todavía habría una trayectoria para que fluyan pequeñas corrientes de Foucault. En ambos casos, los puntos en corto se sobrecalentarían. Por lo tanto, uno podría argumentar con certeza que si se identifican cortos en los dientes durante la prueba y si la corriente a través de ellos contribuye a las pérdidas en vatios, entonces es lógico incluir los dientes en el cálculo.

Vatios por libra
Ahora, volvamos al cálculo simple de los vatios por libra. Simplemente necesitamos tomar nuestros vatios y dividirlos por nuestras libras y comparar el resultado con nuestros criterios de aceptación para determinar si ese criterio es aceptable.

Pero, hemos discutido dos métodos para llegar a un valor de vatios y dos métodos para llegar a un valor de libras, lo que nos da un total de cuatro posibles resultados diferentes para la misma prueba. Estos datos se proporcionan en la Tabla 1 para comparación.

A partir de la revisión de la Sección 7 (Pruebas eléctricas) del Manual Técnico de EASA realizada en enero de 2017, la opción de la Tabla 1 consistente con el procedimiento de prueba del núcleo del estator, sería la de no incluir los dientes y tener en cuenta las pérdidas en el cable. Este enfoque es el más conservador y requiere la menor cantidad de cálculos. Si bien el tamaño excesivo del cable de excitación reducirá sus pérdidas, restar las pérdidas del cable de la potencia de entrada proporciona los resultados más precisos.

Tener una comprensión sólida de cómo estas selecciones afectan los resultados debería ayudar al personal del centro de servicio y a los usuarios finales a resolver los problemas, especialmente cuando se han utilizado múltiples métodos o varios aparatos de prueba en el mismo estator.

En el caso de los rebobinados, vale la pena reiterar la importancia de seguir el mismo procedimiento de prueba antes y después del proceso de quemado. Debería ser evidente que prácticas como cambiar de una prueba de toroide manual a otra con un probador de núcleo comercial, usar dos probadores de pérdida de núcleo comerciales diferentes o incluso usar un cable de prueba distinto para la prueba de toroide (lazo) podrían afectar significativamente los resultados.  

Referencias
[1] EASA, "Stator Core Testing," in EASA Technical Manual, St. Louis, Electrical Apparatus Service Association, 2017, pp. 7-17 a 7-23.
[2] Electrical Apparatus Service Association, Inc., "Loop test calculator,". Disponible en: https://easa.com/resources/software/loop-test-calculator. 
[3] R. Nailen, "What Core Loss Testers Can Do," Electrical Apparatus, pp. 43-46, Febrero 1986.

DISPONIBLE EN INGLÉS

Categories: AC motors, Stators/windings, Laminations, Testing, Motor testing

Tags: Stator core Core loss testing

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