Tom Bishop, PE
Especialista Sénior de Soporte Técnico de EASA
Con la llegada de los variadores de frecuencia electrónicos (VFD) de estado sólido a fines de la década de 1980, se descubrió que los bobinados de los motores que funcionaban con VFDs fallaban con más frecuencia que al estar alimentados con la energía convencional (onda sinusoidal). A principios de siglo, los fabricantes de motores habían comprendido mejor cómo los VFD afectaban los devanados del motor, y al igual que los proveedores de materiales electro aislantes habían desarrollado materiales y métodos para mejorar la confiabilidad de los devanados de los motores alimentados con VFDs. El término general para los devanados es "inverter duty (a prueba de inversor)". En este artículo, describiremos los materiales y métodos asociados con los devanados inverter duty.
Alambre magneto
Antes de que se desarrollara el alambre “spike-resistant (resistente a picos)” a finales de la década de los 90s, una práctica común para bobinar los motores que funcionaban con VFDs consistía en utilizar alambre con un aislamiento más grueso a base de poliéster y algunos de ellos utilizaban películas de aislamiento triples o cuádruples. Estos alambres son muy efectivos cuando se les somete a voltajes de onda sinusoidal o voltajes transitorios intermitentes. Los alambres con aislamiento para trabajo pesado (heavy duty) son efectivos contra el efecto corona (Figura 1) porque la distancia entre los conductores reales es mayor con el aislamiento agregado. Esta mayor separación entre los conductores individuales obliga a que cualquier voltaje que se presente entre los conductores sea menor. Sin embargo, cuando la forma de onda del VFD somete a esfuerzos los alambres, la rigidez dieléctrica de los alambres con aislamiento para trabajo pesado, no es tan efectiva. Los alambres magneto modernos utilizados para motores con inversores tienen mayor capacidad dieléctrica con una vida útil más significativa (Figura 2). También pueden soportar picos de voltaje mejor que el alambre con aislamiento para trabajo pesado, pero con la misma estructura que el alambre magneto estándar. La Figura 3 ilustra el impacto en la vida útil del alambre magneto a medida que aumenta la frecuencia de conmutación de un variador. La vida del alambre con aislamiento de trabajo pesado se ve muy afectada, mientras que la del alambre inverter duty no se acorta por la frecuencia de conmutación.
Usar alambres con mayor diámetro aumentará el voltaje donde comienza a producirse el efecto corona. Por eso, al rebobinar motores inverter duty puede ser importante utilizar la menor cantidad de alambres más gruesos disponibles. Al contrario, los alambres más delgados tienen menos pérdidas por efecto superficial a frecuencias más altas, como la frecuencia portadora de un variador. El efecto superficial hace que la corriente en un conductor redondo esté cerca de la superficie, y la frecuencia portadora es la velocidad a la que el voltaje de CC se "corta" en segmentos para simular la potencia de una onda sinusoidal. Si la frecuencia portadora es alta, por ejemplo, 12 kHz o más, utilice alambres con diámetros más pequeños si es posible; de lo contrario, considere utilizar alambres más gruesos.
Llenado de ranura y sistema de aislamiento
Incluso el mejor sistema de aislamiento eventualmente comenzará a fallar, especialmente con el uso de un VFD. Para mayor resistencia eléctrica y mecánica, un diseño típico inverter duty maximizará el llenado de la ranura. Esto aumenta la eficiencia y permite que el motor funcione más frío, y también ayuda a evitar el movimiento de las bobinas que puede romper el aislamiento. Es una buena práctica utilizar amarres en al menos cada 3.ª o 4.ª cabezas de bobina, en el lado conexión y lado opuesto conexión para sujetar aún más el devanado.
Como lo ilustra la Figura 4, el fallo más común de los devanados que funcionan con VFDs ocurre en las primera(s) vuelta(s) conectada(s) al cable de salida, por lo que como protección eléctrica adicional algunos bobinados la primera vuelta de las bobina(s) conectada(s) al cable de salida pueden estar aislada(spaguetti). El aislamiento entre fases está diseñado para separar las bobinas de las diferentes fases. La mayor parte de la magnitud de los picos de voltaje vistos por el devanado se concentra en las bobinas conectadas a los cables de salida. Las vueltas inicial y final de una bobina de alambre redondo pueden estar en contacto y se puede presentar un pico de voltaje entre esos dos alambres adyacentes, así como a través de las bobinas. Debido a que los picos de voltaje pueden alcanzar los 2000 voltios o más, también se debe usar aislamiento de ranura adicional para el voltaje más alto, siempre que no sea necesario reducir la sección del alambre para poder insertar el bobinado en las ranuras. Maximice el aislamiento y utilice separadores en las ranuras y vueltas finales. Un motor que funciona con un VFD normalmente se calienta más que el mismo motor alimentado con una onda sinusoidal. Si la temperatura del devanado es 10°C más alta, la vida térmica útil del aislamiento se reduce a la mitad. El aislamiento Clase H (180 °C) tiene una clasificación de temperatura más alta que los devanados Clase B o F (130 °C o 155 °C), por lo que se puede extender la vida útil del devanado. Cuando el motor funciona a una velocidad inferior a la nominal o base, la disminución del flujo de aire hará que el devanado del motor se caliente más. Por esta razón, es ventajoso un sistema de aislamiento Clase H (180°C).
Impregnación y barniz
Se debe utilizar un proceso de doble inmersión y horneado. Si está disponible, una mejor alternativa sería sumergir y hornear(dip & bake)seguido de impregnación por presión y vacío (VPI) y luego secar. Asegúrese de seguir las instrucciones del fabricante del barniz/resina en cuanto a la temperatura de precalentamiento del bobinado como támbién la temperatura y el tiempo de curado. Tenga en cuenta que el tiempo de curado no comienza hasta que el devanado se haya calentado a la temperatura mínima de curado recomendada para el barniz/resina. Precaución: La mayoría de los alambres magneto tienen una capa lubricante que se utiliza para facilitar su fabricación. El proceso de precalentamiento del devanado tiene dos propósitos: Primero, evaporar el lubricante del alambre, lo que luego permite que el barniz/resina se adhiera al conductor y el segundo es que ayude a aliviar las tensiones residuales en la película aislante del alambre para que este no se agriete (crazing).
Técnica de bobinado inverter
Cuando se fabrica o rebobina un motor que funciona con un VFD, se debe tener mucho cuidado al insertar las bobinas en las ranuras para evitar que la película aislante del alambre no se raye ni se pele. Es una buena práctica utilizar papel mylar en las ranuras para ayudar a la inserción de las bobinas y protegerlas de daños. Algunos fabricantes utilizan una técnica de bobinado que hace que quede menos "aleatorio" al alinear el alambre en las ranuras empleando un espaciado más ordenado de las vueltas. La idea es mantener el principio y el final de las bobinas lo más alejados posible entre sí para reducir la magnitud del voltaje entre los conductores adyacentes. Las máquinas bobinadoras semiautomáticas utilizadas en los centros de servicio se acercan a este nivel de espaciado ordenado de las vueltas.
Especificaciones para bobinados inverter duty
La siguiente es una especificación guía para un sistema inverter duty.
General
- Aislamiento Clase H o superior
Alambre magneto
Sección del conductor
- Conserve o aumente la sección transversal
- Conserve o aumente el número de alambres (reduce las pérdidas por corrientes parásitas
Aislamiento
- Separadores entre fases
- Como mínimo aislamiento a tierra de 0.015” (0.38 mm)
- Arriba de 80 voltios por bobina instale separadores en la mitad de cada grupo
Atado y soporte
- Amarre al menos cada tercera o cuarta bobina
- Encinte las cabezas con un mínimo de 3 medias capas de de vidrio virgen [1 pulgada (25 mm)] a partir de 1 pulgada (25 mm) del núcleo hasta 1 pulgada de las puntas
Impregnación
- Pre caliente el barníz de acuerdo con las instrucciones del fabricante
- Sumerja y cure(dip & bake) dos veces
- Cure durante el mayor tiempo recomendado por el fabricante
- Note que el tiempo de curado no comienza hasta que el devanado se haya calentado a la temperatura de curado