By Chuck Yung
EASA Senior Technical Support Specialist
Existen beneficios e inconvenientes al usar circuitos en paralelo en un bobinado trifásico. Sea que estemos hablando de un bobinado de alambre redondo o de pletina (solera), algunas de las consideraciones se comparten. Comencemos con lo básico: Entre más alta la potencia y/o más bajo el voltaje nominal, menos vueltas por bobina se utilizan. Debido a que un devanado trifásico tiene grupos por fase y por polo que alternan ABC, ABC, ABC, etc., los puentes entre grupos podrían ser 1-4, 1-7, 1-10, 1-13, etc., o cualquier combinación de ellos, siempre y cuando se conserve la polaridad alternada de los grupos y que las fases no se crucen entre sí.
Considere un motor de 500 hp (375 kW)-4 polos, diseñado para trabajar a 460V. Sabemos que los circuitos en paralelo deben ser divisibles por el número de polos, por lo que se puede emplear 1, 2 o 4 circuitos. Además, las vueltas (espiras) y los circuitos en paralelo se pueden cambiar en proporción para producir las mismas densidades de flujo magnético. Las siguientes opciones son eléctricamente equivalentes, pero estoy seguro de que pueden adivinar cuál de ellas preferiría el bobinador:
| 2 espiras |
1-Delta |
44 alambres en paralelo |
| 4 espiras |
2-Deltas |
22 alambres en paralelo |
| 8 espiras |
4-Deltas |
11 alambres en paralelo |
Para un bobinado de alambre redondo es necesario sopesar la ventaja de usar pocos alambres en paralelo contra la desventaja del esfuerzo al que se ve sometido el bobinado por el aumento en los voltios/bobina proporcional a los circuitos en paralelo. Los esfuerzos producidos por los voltios/bobina elevados se pueden manejar insertando aislamiento adicional en el medio de cada grupo de bobinas. Pero los bobinados de alambre redondo no pueden manejar los esfuerzos de tensión tan bien como los bobinados de pletina. Esto se debe a qué en un bobinado de alambre redondo, las primeras espiras y las últimas pueden hacer contacto. Cuando los voltios/bobina calculados sobrepasen los 80, se recomienda reducir los circuitos en paralelo y el número de vueltas o instalar “aislamiento de fase” adicional, como ya se mencionó anteriormente.
Aumentando los circuitos en paralelo y las espiras
En un bobinado de pletina, la diferencia de potencial entre las espiras adyacentes es igual a los voltios/bobina divididos por las espiras de esa bobina. Para mantener práctica la fabricación de las bobinas, el diseñador muchas veces debe aumentar el número de circuitos con el fin de aumentar las espiras.
A diferencia de un bobinado de alambre redondo, el espacio entre los nudillos de las bobinas de un bobinado de pletina puede limitar el tamaño del conductor y por ende limitar el diseño del bobinado a un mayor número de circuitos (menos circuitos-menos espiras-alambre más grueso), mientras que la preferencia en un bobinado de alambre redondo es usar menos circuitos (para reducir los voltios/bobina).
Las opciones se pueden complicar aún más cuando existen grupos con bobinas desiguales. Por ejemplo, si el motor descrito anteriormente tiene 54 ranuras, el hecho de que los grupos de bobinas sean desiguales (6 grupos de 4 bobinas y 6 grupos de 5 bobinas) limita aún más al diseñador a usar solo dos circuitos. También se debe evitar usar bobinas con espiras desiguales en combinación con grupos que tienen bobinas desiguales.
Descentrado (pull-over) durante el arranque
Específicamente para los diseños de dos polos, el fabricante a menudo estará a favor de usar una conexión con 2 circuitos para evitar o minimizar el descentrado del rotor durante el arranque. Rediseñar un motor de 2 deltas a 1 delta, por ejemplo, podría ocasionar que el rotor golpe el estator durante un arranque directo. Este es un problema que raramente se presenta en motores de 4 polos o más, ya que normalmente el eje es lo suficientemente rígido para evitar tal deflexión. El diámetro del eje está determinado por el torque y no por la potencia nominal, y para una determinada potencia (hp/kW), entre más bajas las RPM mayor es el torque. Por lo tanto, mayor será el diámetro de eje requerido.
Entre más polos tenga un motor, más circuitos son posibles. En las máquinas grandes de baja velocidad no es extraño encontrar diseños con muchos circuitos en paralelo. El Departamento de Soporte Técnico de EASA ayuda permanentemente a los miembros con conexiones especiales que no están incluidas en el libro Internal Connection Diagrams. Examinando mi carpeta de conexiones, personalmente cuento con conexiones para 72 polos y muchas otras para 10- 40 polos. Entre mayor sea la potencia nominal más alta será la probabilidad de que un bobinado tenga más circuitos en paralelo. Los ejemplos incluirían una conexión de 12 estrellas para un bobinado de 26 polos, 5 o 6 circuitos para 30 polos, etc.
Entre más circuitos tenga un bobinado, mayor será el tiempo requerido para hacer las conexiones y más alta será la posibilidad de cometer un error.
Existen muchas razones por las que un bobinador podría considerar cambiar el número de circuitos. Una conexión de 4 deltas con 11 alambres en paralelo puede parecer atractiva para alguien que quiera evitar comprar 40 carretes más de un determinado calibre de alambre. Tal decisión siempre debe incluir los esfuerzos por los voltios/bobina y no solo eso, el número “legal de circuitos” siempre debe ser revisado.
Por ejemplo, no es posible duplicar los circuitos en paralelo en un motor de 6 polos conectado en 2-deltas, aunque muchos lo han intentado.
Aumento del riesgo
Cuando los circuitos en paralelo de un devanado sean la mitad de los polos, existe mayor riesgo que se presenten corrientes circulantes, con el aumento de calentamiento y ruido eléctrico asociado. Si el entrehierro es perfecto, no debería importar realmente si el bobinador usa una conexión con polos adyacentes (puentes 1-4) [vea la Figura 1] o con polos saltados (puentes 1-7) [vea la Figura 2]. Pero si el entrehierro es imperfecto, usar puentes “extra-largos” que conecten directamente los grupos por fase y por polo uno en frente del otro evita el problema. La razón para esto es simple. Se necesita más corriente para impulsar el flujo por el entrehierro que a través del acero. Por lo tanto, un grupo de bobinas situadas en el lado que tiene el mayor entrehierro consume más corriente que uno que se encuentre en el lado opuesto del estator (con un entrehierro más pequeño). Al conectar estos dos grupos en serie, los forzamos a que consuman la misma corriente, evitando las corrientes circulantes que de otra manera estarían presentes. Un fabricante que por mucho tiempo fue conocido por usar conexiones equipotenciales ha optado por seguir la recomendación de EASA y usar puentes extra- largos, reconociendo que esto reduce la complejidad de la conexión, especialmente cuando un bobinado se complica por tener un número de grupos impar en cada circuito.
El libro Internal Connection Diagrams de EASA incluye las conexiones con puentes más largos recomendadas, como se resume en la Tabla 1.
Debido a que a menudo estamos rebobinando motores que ya han sido reparados, siempre surge la pregunta sobre qué tan concéntrico está el motor ensamblado. ¿Alguien ha mecanizado un alojamiento de rodamiento descentrado? ¿Levantó el cliente el motor en dos esquinas diagonalmente opuestas, deformando la carcasa? ¿Han sido reconstruidos los cojinetes de babbitt por una empresa que desconocía el diseño especial del cojinete de alta elevación (high-lift) utilizado en días pasados por un par de fabricantes de motores? ¿Qué pasa con la excentricidad del rotor? Cualquiera de estas situaciones da como resultado un entrehierro no uniforme. Dependiendo de las vueltas / bobina, puede ser prudente cambiar el diseño de un devanado por otro alejado de los casos conocidos que requieren puentes más largos especiales. Un motor de seis polos con 10 vueltas conectado en 2 deltas es eléctricamente equivalente al mismo motor con 15 vueltas conectado en 3 deltas. Y los puentes convencionales reducen el material necesario para los puentes 1-10.
Las opciones de los puentes de la Tabla 1 hacen que el bobinado sea engorroso y más abultado que otro conectado con puentes convencionales 1-4 o 1-7.
Un fabricante construyó un motor grande de 14 polos y luego me llamó cuando el nuevo motor hacía demasiado ruido. Se mostraron escépticos con la solución propuesta de utilizar puentes 1-22 (sí, esto resolvió el problema del ruido) y el bobinado era voluminoso, pero reconectarlo fue ciertamente menos costoso que rebobinarlo con un diseño diferente. Hay diseños de carcasas / tapas donde el volumen adicional puede ser poco práctico, incluso imposible.
Factores fuera de nuestro control
Si bien podemos tratar de tomar las mejores decisiones sobre que puentes usar, existen factores más allá de nuestro control que pueden empeorar las cosas. Por ejemplo, una instalación de un cliente con desequilibrio de voltaje, puede experimentar pérdidas en el bobinado y ruido eléctrico mayores que no estuvieron presentes durante la prueba final. Cuando los circuitos en paralelo de un motor sean la mitad de los polos, es prudente utilizar la solución del puente más largo especial. Es mejor usarlos “por si acaso” y recibir un pago por ello, que emplearla cuando un cliente descontento devuelve un motor ruidoso a su centro de servicio.
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