Tom Bishop, PE
Especialista Sénior de Soporte Técnico de EASA
Una de las solicitudes más frecuentes a nuestro grupo de soporte técnico es la conversión de un devanado trifásico de concéntrico a imbricado (excéntrico). Una excelente alternativa para dicha conversión es utilizar el programa EASA AC Motor Verification and Redesign (ACR). De hecho, muchos miembros compraron el programa de rediseño y nos han llamado para confirmar sus rediseños a medida que desarrollan su competencia y su "nivel de comodidad" con el programa. Sin embargo, nuestro énfasis aquí no es convencerlo de que compre el programa ACR, sino cubrir los detalles importantes para rediseñar el devanado concéntrico a imbricado.
Método de la “Regla Práctica"
Muchos de nosotros, incluyéndome a mí, buscamos “reglas prácticas” para facilitar nuestro trabajo. Una muy empleada para convertir un devanado concéntrico a imbricado, con resultados indeseables, consiste en seleccionar el paso medio o promedio del grupo concéntrico y usarlo junto con la mitad de las vueltas de las bobinas concéntricas a ranura llana, o la misma vueltas si las bobinas son de media ranura.
Un ejemplo que ilustra el peligro de utilizar el paso promedio es un devanado concéntrico de 4 polos y 36 ranuras con pasos de 1-5-7-9 y 12 vueltas por bobina a media ranura es seleccionar el paso medio de 1-7 y usar 12 vueltas lo que da como resultado un devanado imbricado con el nivel de flujo magnético equivalente al concéntrico. Sin embargo, el factor de cuerda es sólo 0,866, que está muy por debajo del mínimo recomendado de 0,900. En este caso, el paso 1-7 daría como resultado un quinto armónico de casi el 5%, mientras que un paso más común 1-8 tendría menos del 1% de contenido del quinto armónico. Los armónicos aumentan las pérdidas del devanado y el calentamiento y, a menudo, reducen el torque de salida.
Métodos de conversión comunes
El ejemplo anterior muestra algunos de los peligros de intentar simplificar demasiado las conversiones concéntricas a imbricadas. Existen tres métodos comunes para estos rediseños que proporcionan resultados correctos. El primero es utilizar las tablas de conversión que se encuentran en la Sección 2.13 del Manual Técnico de EASA. El segundo consiste en emplear el programa de cálculo de EASA ACR, y el tercero en realizar un cálculo manual utilizando las fórmulas del manual Rediseño de motores AC de EASA.
El primer método es el más rápido, si las relaciones de espiras y los pasos del devanado coinciden exactamente con una combinación que se encuentra en las tablas (vea la Figura 1). Aunque se muestran más de 250 combinaciones, los fabricantes crean continuamente nuevas. Si la combinación de vueltas concéntricas y pasos que está tratando de convertir no está en las tablas, se debe utilizar uno de los otros métodos. Un posible inconveniente de este método es que no se conocen las densidades magnéticas en el devanado ni las densidades de corriente. Por lo tanto, aunque la conversión de concéntrico a imbricado puede ser correcta, si los datos de partida son incorrectos, los nuevos datos también lo serán. Por lo tanto, se desaconseja usar este método a menos que los datos de partida sean originales.
El segundo método utiliza el programa ACR de EASA y no solo calcula la conversión de concéntrico a imbricado, sino que (vea las Figuras 2 y 3) también calcula las densidades de flujo magnético y de corriente e identifica cualquier valor fuera de los rangos normalmente aceptables. La ventaja de comprobar las densidades es que se puede detectar un error en los datos antes de rebobinar. Una variante del segundo método es utilizar una hoja de cálculo para la entrada de datos y conversiones concéntricas a imbricadas. Algunos miembros han creado hojas de cálculo que simplemente convierten los devanados concéntricos en imbricados, y otros han ampliado hojas de cálculo que también calculan el flujo magnético y las densidades de corriente. Como se mencionó anteriormente, determinar los flujos magnéticos y las densidades de corriente es un método mucho más confiable que simplemente convertir los datos del devanado de concéntricos a imbricado.
El tercer método, que es el cálculo manual utilizando las fórmulas del manual EASA AC Motor Redesign, puede resultar tedioso y, tiene muchos cálculos manuales interrelacionados, por lo que la probabilidad de error es relativamente alta. Por estas razones, sugiero evitar este método.
Cómo Convertir un Bobinado Concéntrico a Imbricado
Asumamos que tenemos un bobinado concéntrico original que queremos convertir a imbricado. Esta conversión con siste en multiplicar las vueltas de cada bobina por el factor de cuerda para cada paso de bobina, sumando los resultados y dividiéndolos por el factor de cuerda seleccionado para el devanado imbricado. El siguiente ejemplo ilustra el pro ceso:
Datos: 36 ranuras, 18 bobinas, 4 polos, Pao 1-8-10-12, 32 vueltas por bobina.
Por simplicidad y para centrarnos en la conversión no calcularemos en detalle los factores de cuerda y usaremos los valores para 9 ranuras por polo (36/4) según la Tabla 2-50 Coil Pitch/Chord Factor del Manual Técnico de EASA.
Factores de cuerda: 1-8 = 0.940, 1-10 = 1.000 y 1-12 = 0.940.
Las vueltas efectivas por grupo son la suma de las vueltas de cada paso multiplicadas por los factores de cuerda.
Vueltas efectivas/grupo = (32 x 0.940) + (32 x 1.000) + (32 x0 .940) = 92.2
Las vueltas para el devanado imbricado deben considerar que habrá el doble de bobinas (media ranura) que con el devanado concéntrico (ranura llena). Las vueltas efectivas por grupo se reducen a la mitad y luego se dividen por el factor de cuerda del bobinado imbricado multiplicado por el número de bobinas por grupo (3) y el factor de distribución. Los factores de distribución están expresados en la Tabla 2-49, Distribution Factors For Three Phase Windings del Manual Técnico de EASA. El factor de distribución para un bobinado imbricado de 3 bobinas por grupo (polos alternos) es 0,960. Para el ejemplo, hemos seleccionado un paso 1-9 con un factor de cuerda de 0,985.
Vulatas devanado imbricado = (92,2/2)/(0,985 x 3 x 0,960) = 46,1/2,84 = 16,2. El número entero más cercano es 16, lo que aumentará el flujo magnético en 16,2/16, o un poco más del 1%. Un cambio en el flujo de menos del 2% es aceptable y se usarían 16 vueltas para el devanado imbricado con paso 1 - 9.
Como se puede ver en lo anterior, la conversión de concéntrico a imbricado, aunque suele ser sencilla, requiere múltiples cálculos y referencias de tablas (o más cálculos). En este caso, simplemente seleccionar el paso medio de 1-10 y reducir a la mitad las vueltas daría como resultado el número correcto de vueltas para el devanado imbricado. Sin embargo, 1-10 es un paso completo y aumenta los armónicos, lo que incrementa el ruido eléctrico y reduce el torque. Menos deseable desde una perspectiva de diseño sería un bobinado a ranura llena, que frecuentemente requiere un paso completo para su inserción. El desplazamiento de calor puede verse afectado porque algunas bobinas están “enterradas” entre las otras, lo que aumenta el incremento de temperatura de las bobinas enterradas y agrava los aspectos negativos antes mencionados del devanado con paso completo.
Afrontando Resultados con Vueltas Fraccionarias
Otro problema es que la conversión a un devanado imbricado resulte en vueltas fraccionarias. Si las vueltas calculadas, por ejemplo, son 11,5, seleccionar 11 o 12 vueltas dará como resultado un cambio de flujo superior al 4%, que es más del doble del límite sugerido del 2%. Una solución es duplicar los circuitos y las vueltas y utilizar la mitad de la sección del alambre original. Si la conexión original asociada con el devanado imbricado de 11,5 vueltas era 1 & 2 Delta, 4 polos y tenía 2 alambres #17, se podría convertir a 23 vueltas con una conexión 2 & 4 Deltas y 1 alambre #17. Precaución: asegúrese de que dicha conversión es posible antes de fabricar bobinas nuevas. Si el devanado en este ejemplo fuera de 6 polos, no sería posible una conexión de 2 y 4 circuitos; No se pueden utilizar 4 circuitos para 6 polos.
Otra alternativa para duplicar el número de circuitos consiste en utilizar vueltas desiguales. En el ejemplo anterior, las vueltas podrían alternarse 11-12, si hay un número par de bobinas por grupo. El ejemplo del devanado de 4 polos y 36 ranuras tendría 12 grupos de 3 bobinas, lo que hace que esta alternativa no sea viable.
Tener un número de bobinas por grupo o de vueltas iguales por circuito, no garantiza que las bobinas desiguales tendrán la misma cantidad de vueltas por ranura. Si el paso es de 1 a un número par, como del 1 al 12, y el número de vueltas se alterna, habrá las mismas vueltas en cada ranura. En general, un paso de 1 a un número impar dará como resultado vueltas desiguales por ranura. Por ejemplo, considere un devanado de 4 polos y 48 ranuras que tiene 12 grupos de 4. Si hay 11-12-11-12 vueltas y el paso es 1-12, todas las ranuras tendrán 23 vueltas en total. Si el paso se cambia a 1-11 con la secuencia alterna 11-12-11- 12, el total de vueltas por ranura alternará 22-24 a lo largo del devanado. En este caso hay una solución, que es utilizar la secuencia de montaje 11-11-12-12. Eso resultará en 23 vueltas totales en cada ranura. Para determinar si se puede utilizar una secuencia de vueltas desigual con un paso de 1 a un número impar, la disposición de las vueltas se debe comprobar manualmente o preferiblemente con una hoja de cálculo
Verifique las Vueltas por Ranura Totales
Algunas conversiones concéntricas a imbricado dan como resultado un aumento en el total de vueltas por ranura en comparación con el devanado original. En el ejemplo anterior de 36 ranuras y 4 polos, las vueltas del bobinado imbricado, con un paso 1-8 serían 17. Las vueltas por ranura para estas bobinas de media ranura serían 2 x 17, o 34. Eso excede las 32 vueltas por bobina a ranura llena del devanado concéntrico original. Si se selecciona el paso 1-8 y 17 vueltas, es importante que la sección del alambre no se reduzca más del 2%. Hacerlo aumentaría el calentamiento y tendría un efecto negativo en la eficiencia. Una mejor alternativa en este caso, si el espacio de la ranura no puede acomodar el aumento de las vueltas, consiste en utilizar un paso 1-9 y 16 vueltas. La sección del alambre por ranura será la misma si se utiliza la combinación de alambres originales. Sin embargo, tenga en cuenta que con las bobinas de media ranura hay un aislamiento adicional debido al separador entre las mitades superior e inferior de las bobinas.
Conclusión
Resumiendo, al convertir de concéntrico a imbricado, no utilice una regla general como seleccionar el paso medio y reducir a la mitad las vueltas. Como se señaló anteriormente, esto puede provocar un cambio significativo en la fuerza magnética de un motor. El método de conversión que tiene la mayor probabilidad de precisión y éxito es utilizar un programa informático, ya sea una hoja de cálculo comprobada o el programa EASA ACR. Y, si necesita ayuda con una conversión de concéntrico a imbricado, puede contactarnos, preferiblemente mediante la solicitud de verificación y rediseño disponible on-line en go.easa.com/support. Tenga en cuenta que debe iniciar sesión como miembro para acceder a este formulario.
DISPONIBLE EN INGLÉS
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