Mike Howell
EASA Technical Support Specialist
Los bobinados fraccionarios concentrados, en inglés Fractional-Slot Concentrated Windings (FSCW), han sido empleados durante décadas, principalmente en máquinas pequeñas. Sin embargo, el avance continuo en la electrónica de potencia junto con la necesidad de tener máquinas más eficientes y con mayor densidad de potencia está aumentando el uso de este tipo de bobinados en máquinas de diferentes tipos y tamaños.
Para introducir los bobinados FSCW, vale la pena revisar algunos conceptos fundamentales relacionados con los devanados que se ven con más frecuencia en los centros de servicio. La mayoría de los libros que explican el diseño de bobinados trifásicos usan el número de ranuras por polo (SPP), que puede ser definido de la siguiente forma:
SPP = Q / (M·P)
donde
- SPP es el número de ranuras por polo y por fase
- Q es el número de ranuras del estator
- P es el número de polos
- M es el número de fases
Los centros de servicio encuentran más a menudo bobinados concéntricos o devanados de dos capas. En los bobinados de dos capas, los cuales usaremos en este artículo para comparación, el número de bobinas es igual al número de ranuras y el número de grupos de bobinas es igual al número de polos multiplicado por el número de fases. En estos casos, el número de bobinas promedio por grupo es el SSP. Por ejemplo, un estator de 36 ranuras con un bobinado trifásico imbricado de 4 polos tendría un SPP = 36 / (3·4) = 3 bobinas por grupo.
Los polos magnéticos del bobinado del estator son producidos por el flujo de corriente que pasa por los grupos de bobinas del estator. La medida de la intensidad de estos polos se denomina fuerza magnetomotriz (FMM) y se expresa en unidades de corriente alterna: Amperios. La FMM es igual a la corriente que fluye a través de la bobina multiplicada por su número de vueltas; esto es expresado frecuentemente en amperios-vuelta en lugar de amperios para evitar cualquier confusión. Cuando las bobinas de un grupo se instalan en ranuras diferentes, como en un bobinado imbricado con varias bobinas por grupo, la FMM también se distribuye de acuerdo a la ubicación de las ranuras.
En los estatores trifásicos con bobinados imbricados, la FMM de cada fase se combina para formar un campo magnético rotativo sinusoidal de magnitud constante. La Figura 1 muestra la onda fundamental para la mitad de un bobinado estatórico con 3 bobinas por grupo. Se muestra la corriente por la fase A con la corriente A fluyendo fuera de la página y la corriente –A fluyendo dentro de la página; Esto representa puntos en el tiempo cuando la fase A tiene la corriente máxima. También se muestran en las líneas punteadas las contribuciones que aparecerían en la FMM total por las fases C y B.
La Figura 2 muestra los patrones de flujo para una de las fases de un estator con un bobinado trifásico de 4 polos creado con un modelo de análisis de elementos finitos (AEF). Este bobinado podría estar formado por dos grupos de bobinas devanadas con la misma polaridad o cuatro grupos de bobinas devanadas con polaridad alterna. En cualquiera de los casos, para crear cuatro polos magnéticos, el conductor se debe distribuir alrededor del estator en cuatro sitios separados unos 90 grados mecánicos.
Bobinados enteros
Cuando el número de ranuras divididas por el número de grupos es un número entero, nos referimos a ello como un bobinado entero. El ejemplo anterior del estator de 36 ranuras, 4 polos y 3 bobinas es un bobinado entero. Cuando el número de ranuras dividida por el número de grupos no sea entero, llamamos a ese bobinado fraccionario. Por ejemplo, un estator trifásico de 4 polos con 30 ranuras tendría un SPP = 30 / (3·4) = 2.5 o 2 + 1/2 bobinas por grupo. En este caso, el bobinado imbricado de dos capas tendría 6 grupos de 2 bobinas y 6 grupos de 3 bobinas. La mayoría de los centros de servicio también están familiarizados con este tipo de bobinados. Información adicional sobre este tema está disponible en varias fuentes, incluyendo el Manual Técnico de EASA.
Existe otro tipo de bobinado trifásico fraccionario utilizado principalmente en máquinas de C.C. sin escobillas, máquinas sincrónicas de imán permanente, máquinas sincrónicas de reluctancia y otras. Algunos miembros de EASA se han encontrado estos devanados y se han confundido al aplicar las reglas de agrupamiento básicas del Manual Técnico de EASA o de fuentes similares. Estas son máquinas en las que el número de ranuras por polo y por fase es menor a uno (SPP < 1). Es decir, si usamos el cálculo de agrupamiento empleado en los centros de servicio para la mayoría de los bobinados, el resultado será menor a una bobina por grupo. La mayoría de estas máquinas tiene polos salientes, ya sean imanes o solo acero, que pueden contarse fácilmente, sin embargo, muchas de las características salientes de las máquinas sincrónicas de reluctancia se esconden bajo la superficie del rotor.
Un escenario típico es un bobinador que encuentra 36 polos salientes en el rotor de una máquina que tiene un estator de 42 ranuras. En una máquina trifásica, el bobinador espera que incluso en un bobinado conectado en polos consecuentes, necesitaría 54 Grupos de bobinas- pero no existen tantas ranuras: Confusión.
Diferente conjunto de reglas
No es que estos bobinados no sigan reglas - Son solo un conjunto de reglas diferente a las que estamos acostumbrados con los bobinados enteros y devanados fraccionarios que tienen un SSP mayor a uno. También tienen reglas más complicadas que las de nuestros bobinados estándar y debido a que estas máquinas requieren de una electrónica de potencia compleja para funcionar, son tecnología de vanguardia en continuo desarrollo. Estos diseños normalmente se denominan según el número de ranuras del estator y los polos del rotor. Por ejemplo, una máquina con un estator de 6 ranuras y un rotor con 4 polos puede denominarse 6/4. Aquí, una diferencia clave con la mayoría de las máquinas es que el número de polos del rotor y el número de polos del estator no necesariamente deben ser iguales.
El bobinado de la Figura 3 es trifásico, de una capa y fraccionario concentrado (FSCW). Dado que cada bobina se coloca encima de un diente, todas tienen un paso 1-2 (1 diente expandido). Se sabe que este bobinado se utiliza en máquinas pequeñas 6/4 (Estator de 6 ranuras- Rotor de 4 polos) y tiene un SPP = 6 / (4 * 3) = 1/2. Existen varias ventajas para este tipo de bobinado: La longitdud de las cabezas de bobina se pueden acortar en gran medida, lo que reduce las pérdidas y aumenta la densidad de potencia debido al menor volumen de la máquina. También, las bobinas se encuentran separadas lo suficiente para evitar que ocurra cualquier tipo de fallo fase-fase o entre bobinas. Además, con los diseños de una sola capa y ranura abierta, el fabricante puede obtener un gran llenado de ranura. Una desventaja es que la perdida de distribución de los conductores da como resultado una FMM no sinusoidal y gran presencia de armónicos. Esto se tiene en cuenta en el diseño, pero no es sencillo y lo complica enormemente. Con un SPP menor o igual a 1/2, la máquina podría no funcionar con la FMM fundamental, como en los devanados imbricados típicos descritos anteriormente. Más bien podría trabajar con armónicos sincrónicos que están en función del número de ranuras y el número de polos.
En una máquina de imán permanente, esta girará a la velocidad definida por el número de pares de polos del rotor y la frecuencia de red (Ej. 10 polos / 60 Hz = 720 rpm, 10 polos / 50 Hz = 600 rpm, 10 polos / 15 Hz = 180 rpm). El diseño del motor y la topología del drive usado para este tipo de máquinas cubrirán un amplio rango de velocidades.
En algunas de estas máquinas puede ser difícil visualizar la interacción de los campos magnéticos sin emplear un modelo de elementos finitos. De nuevo, la Figura 2 corresponde a un modelo de elementos finitos en una fase de un bobinado trifásico de 4 polos, doble capa, distribuido. Utilizando este tipo de ayudas visuales, a la mayoría de estudiantes le es sencillo entender el concepto de una máquina de 4 polos. La Figura 4 muestra un modelo de elementos finitos de una fase del estator de la Figura 3, que en este caso es una máquina sincrónica de imán permanente de 4 polos. En la Figura 4, los imanes permanentes se modelan como aire, de modo que solo se muestra el campo magnético del bobinado de la fase del estator y para la mayoría es difícil visualizar la funcionalidad del bobinado. En la Figura 5, el espacio de aire del imán permanente ha sido reemplazado por imanes y la interacción de los campos del estator y del rotor hace que sea mucho más fácil entender esta máquina como una de 4 polos.
A no ser que un centro de servicio esté reparando una gran cantidad de esta serie de máquinas, es poco probable que exista un drive disponible para facilitar la prueba en vacío una vez terminados los trabajos. Sin embargo, algunas máquinas de imán permanente se pueden hacer funcionar como generador para verificar a velocidad nominal, el voltaje y la frecuencia en los terminales abiertos del motor.
Casi siempre, en los bobinados estatóricos de las máquinas FSC con más de una bobina por fase, las bobinas estarán conectadas en polaridad alterna y es común que tengan seis cables de salida o una estrella interna. Dependiendo de la construcción de la máquina y la causa del daño en cualquier bobina defectuosa, en algunos casos puede tener sentido reemplazar las bobinas individuales del estator.
También, estas bobinas se pueden probar de forma similar a los campos shunt. Ej. Resistencia óhmica de los bobinados, hi-pot, onda de choque/impulso (surge), impedancia, caída de voltaje. También se debe realizar una prueba de núcleo.
Incremento de presencia
Aunque actualmente no se ven muchos estatores con bobinados fraccionarios concentrados en los centros de servicio, estos están ganando terreno en una variedad de máquinas eléctricas diferentes por algunas de las razones mencionadas anteriormente: Más baratas, cabezas de bobina más cortas, tolerancia a los fallos, etc. Una reciente investigación [1] incluye también máquinas de 1000 kW-2-polos con tensión nominal de 6 kV con 12 ranuras que utilizan una conexión estrella-delta combinada parecida a las que se ve en los motores de tres potencias-1 solo bobinado o las empleadas en la conexión de estatores a 230/460/575 v.
Dado que existe la posibilidad que el centro de servicio no pueda probar la máquina después de la reparación, se recomienda duplicar el bobinado y las conexiones cuidadosamente para minimizar la posibilidad de que ocurran problemas. Recuerde, que estos bobinados pueden “parecer equivocados” al tratar de aplicar reglas que se usan en otros tipos de devanados.
[1] O. Moros, G. Dajaku, et. al., "New high voltage 2-pole concentrated winding and corresponding rotor design for induction machines," in The 41st Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society (IECON-2015), Yokohama, Japan, 2015.
DISPONIBLE EN INGLÉS
ANSI/EASA AR100
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