IEEE CONCAPAN XXVI SAN SALVADOR, EL SALVADOR 8,9 10 DE NOVIEMBRE DE 2006
Ponencia: Impacto de los materiales aislantes y el proceso de barnizado en el rebobinado de motores eléctricos de inducción de baja tensión.
Por: Oscar Nuñez Mata, Ing. Costa Rica
1. Resumen
El uso de materiales de bobinado en el proceso de rebobinado de motores de baja en tensión en Costa Rica no está regulado de ninguna forma, ni existe agrupación a nivel nacional que recomiende la escogencia de estos componentes o el proceso de barnizado. Por lo tanto los talleres deciden qué materiales usar y qué tipo de barnizado aplicar para los motores que reparan. Con el presente estudio se buscó conocer el impacto de estas dos variables en una característica del bobinado, cual es la fuerza dieléctrica del sistema de aislamiento. El estudio se realizó por medio de una prueba destructiva con un equipo de HI Pot a prototipos construidos con diferentes combinaciones de materiales y procesos de barnizado. Los materiales usados en las pruebas son los que normalmente usan los talleres de rebobinado, por ser de fácil compra en el mercado local. Igualmente los dos procesos de barnizado estudiados, a saber: Por goteo y sumersión, son los que comúnmente se utilizan. Las principales conclusiones son: 1.
Las combinaciones de materiales arrojaron diferentes resultados de disparo de Hi Pot.
2.
El proceso de barnizado por sumersión elevó los voltajes de disparo de Hi Pot en combinaciones que incluían materiales con constantes dieléctricas bajas.
3.
Los tres tipos de alambre magnetos evaluados obtuvieron voltajes de disparo de Hi Pot distintos.
2. Glosario de términos
1.
Aislante:
Un material que no conduce electricidad (o la
conduce mal). Esta característica depende de la temperatura, no es constante. 2.
Rotura dieléctrica: Cualquier material aislante sometido a un campo eléctrico suficientemente intenso se hace conductor.
3.
Rigidez dieléctrica: El campo eléctrico máximo que puede resistir un material sin que se produzca rotura. Normalmente se expresa como un gradiente, por ejemplo voltios/mil.
4.
Clase de aislamiento:
Clasificación que se la da al conjunto de
materiales aislantes de un motor eléctrico de acuerdo a su capacidad de soportar temperatura. Según IEEE y NEMA se definen 4 clases estándar: A, B, F y H. 5.
Levantamiento de temperatura:
Temperatura que alcanza el
motor debido al calor generado por su propia operación. Es el punto más caliente del motor.
3. Fundamentos teóricos
El sistema de aislamiento de motores de inducción de baja tensión
El sistema de aislamiento de un motor está constituido por un conjunto de materiales escogidos cuidadosamente según propiedades eléctricas y mecánicas, así como la compatibilidad química. Las funciones básicas que éstos desempeñan son: -
Forman una barrera que aísla el bobinado entre cada hilo de alambre, respecto de las distintas fases, y a la armazón o carcasa.
-
Recubre el bobinado protegiéndolo de la humedad y ataque de otros agentes químicos perjudiciales.
-
Ayuda a la conducción del calor generado por el motor hacia la parte exterior. Los componentes básicos de todo sistema de aislamiento son: 1.
Aislamiento de la ranura: Su espesor debe ser suficiente para cumplir su función sin restar en demasía espacio para las bobinas.
2.
Separador entre fase: Aísla las diferentes fases entre sí.
3.
Del propio conductor:
Normalmente es barniz a base de
poliéster. 4.
Aislamiento inter laminar:
Aísla cada lámina del núcleo
laminado. 5.
Barniz adicional: Se analizará más adelante.
La figura 1 muestra cada uno de estos elementos.
F i g u r a 1 : M a t e r i a le s A i s la n t e e n u n M o t o r E l éc t r i c o
Fuente: Lawrie, R.J. Biblioteca Práctica de Motores Eléctricos Océano. Pág. 226.
Desde que en 1880 Nicola Tesla desarrollo el primer motor eléctrico práctico en el mundo, el principio de operación se mantiene intacto. Sin embargo, se puede ver que el motor eléctrico ha tenido una evolución importante en varios aspectos, tales como:
Tamaño físico: Más HP por Kg.
Mejores características de operación: Eficiencia, torque.
Mejoras en su construcción.
Diseños más simples: Jaula de Ardilla por Rotor bobinado.
Y mejoras en los materiales aislantes. La figura 2 muestra un ejemplo de la evolución de un motor
eléctrico: 5hp, General Electric, 2 polos, trifásico.
F i g u r a 2 : E v o lu c i ó n d e u n m o t or e l é ct r i c o
Fuente: Owen, Edward. IEEE Industry Applications Magazine, January-February 1997, pag 16.
En la actualidad NEMA clasifica los sistemas de aislamiento en: -
Clase A ó 115°C.
-
Clase B ó 130°C.
-
Clase F ó 155°C.
-
Clase H ó 180°C. Este valor se define como:
T e m p. S i s t e m a= T e m p. A M B ( 4 0 ° C ) + T e m p. L ev a nt am i e n to .
Esto quiere decir que para un motor clase F el levantamiento máximo
es
de
115°C,
esta
es
la
máxima
temperatura
de
levantamiento para lograr la vida útil establecida por la normativa. Sin embargo, existe una regla empírica que dice que por cada 10°C de temperatura que disminuya el levantamiento de temperatura, la vida útil esperada del aislamiento se duplica.
Figura 3: Clases de aislamientos para diferentes tipos de motores eléctricos Motor de inducción Tipo de Motor
Clases de aislamiento y levantamiento Clase A
Clase B
Clase F
Clase H
Con factor de servicio 1,0
60ºC
80ºC
105ºC
125ºC
Todos con factor de servicio 1,15 o más
70ºC
90ºC
115ºC
-
Tipo TENV con factor de servicio 1,0
65ºC
85ºC
110ºC
130ºC
Bobinados encapsulados y factor de servicio 1,0 todo tipo de carcasas.
65ºC
85ºC
110ºC
-
Fuente: Estándar NEMA MG-1.
La vida útil del aislamiento se especifica según estándares de ASTM e IEEE, y deben ser cumplidas por los fabricantes. Las horas mínimas establecidas para cada clase de aislamiento operando a la máxima temperatura de levantamiento y 40°C de ambiente es de 100.000 horas (Por ejemplo: Motor opera 18hrs por día: 14 años vida útil esperada). Las cualidades fundamentales que deben tener los materiales aislantes son: -
Elevada rigidez dieléctrica.
-
Estabilidad dimensional.
-
Capacidad de conservar las propiedades a lo largo del tiempo. Cuando un motor está nuevo o recién rebobinado el sistema de
aislamiento presenta una rigidez dieléctrica establecida por el conjunto de componentes, la menor del sistema será la que tenga el material de más baja rigidez. Igualmente, la clase de aislamiento del sistema será la menor que muestre alguno de sus componentes. En la figura siguiente se muestra un caso de un motor desde que se pone en operación hasta que se daña por una falla de aislamiento.
Figura 4: Vida de un aislamiento
Las características aislantes de degradan con el paso del tiempo, aunque existen agentes externos que aceleran el deterioro. Estos son: -
Causas térmicas: Excesivo levantamiento de temperatura, pobre ventilación.
-
Causas eléctricas: Perturbaciones, picos, des balances.
-
Causas
mecánicas:
Sobrecargas,
excesivos
arranques,
vibración. -
Causas ambientales: Humedad, contaminación, abrasión. La mayoría de las causas son previsibles y prevenibles. Muchas
veces los daños que producen éstas no son reparables.
4. El proceso de rebobinado de motores eléctricos en Costa Rica
En Costa Rica no existe normativa alguna para los centros de servicio que reparan motores eléctricos, está en manos de éstos escoger los materiales y desarrollar las técnicas para la reparación. Sin embargo, el tema de materiales aislantes es uno de los campos de más avance a nivel mundial. Esto obliga a una constante búsqueda de materiales y proveedores, muchos de estos no localizables localmente. De hecho, el suplidor más importante por muchos años en Costa Rica se
convirtió
en
una
referencia
para
los
centros
de
servicio,
especialmente los pequeños, ya que se consume lo que ofrece este proveedor, sin ningún criterio técnico, sólo por la disponibilidad. Afortunadamente, en los últimos años se hizo más sencillo importar materiales del exterior, con lo que se logró alcanzar niveles como los de fábrica en cuanto a materiales aislantes se refiere. El otro elemento clave ha sido la incorporación de varios centros de servicio a la EASA (Asociación de reparadores de máquinas eléctricas de USA), con sede en St. Louis. Esto impulsó la adopción de técnicas modernas de reparación según estándares internacionales. Lamentablemente no todos los talleres están inscritos, además que localmente el gremio está disperso, lo que dificulta el intercambio de ideas y opiniones. Finalmente, cabe destacar que la actividad de la reparación de motores en Costa Rica se ve minimizada ya que no existe escuela técnica o profesional que de formación al recurso humano necesario para realizar esta actividad. Son los mismos talleres los que forman a su personal.
5. Descripción de las pruebas realizadas
Generalidades:
El HI Pot o alto potencial (High Potential) es una prueba de aislamiento que somete el bobinado a un voltaje directo para determinar sí sobrevive al estrés del sobre voltaje. Se espera que cuando el aislamiento tenga un punto débil éste se romperá durante la prueba, indicando Disparo, es decir el aislamiento no pasa. Hay dos procedimientos generales para pruebas de Hi Pot: -
Motor nuevo o recién rebobinado: Es una prueba pasa-no pasa, y se aplica 1.7 x (2 x VLL + 1000) VDC. Se usa como control de calidad.
-
Motor en operación: Es una prueba mantenimiento predictivo y aplica 2 x VLL + 1000 VDC. Normalmente se hace en pasos de voltaje y se hace una gráfica ¨Voltaje aplicado vs. Corriente de fuga¨. La prueba de HI Pot es definida dentro del estándar IEEE 95 y el
EASA AR-100 1998.
Objetivo de las pruebas:
Medir la rigidez dieléctrica de diferentes prototipos preparados con diferentes combinaciones de: materiales aislantes, alambres magnetos y tipo de barnizado, por medio de un equipo de Hi Pot.
Pruebas:
Se aplicó voltaje de corriente directa a las bobinas de prueba según aparece en la siguiente figura, hasta alcanzar la indicación de disparo (D), o el valor máximo permitido por el equipo en caso de no llegar al disparo (ND):
Figura 5: Esquema de las pruebas de Hi Pot a los prototipos
El equipo utilizado: -
Fabricado por: Baker Instrument (USA).
-
Modelo D12000.
-
Voltaje máximo: 12000VDC.
-
El instrumento tiene una indicación luminosa que dice cuando se rompe el aislamiento, lo que se conoce como disparo.
Los prototipos preparados incluían lo siguiente: -
Papel base aislante #9.
-
Aislante entre bobinas #9.
-
Dos bobinas de 25 vueltas cada una, alambre #18.
-
Se realizaron en un núcleo magnético típico. Ver figuras siguientes.
Figura 5: Preparación de los prototipos de prueba.
Los prototipos se prepararon combinando diferentes materiales de fácil acceso para los centros de servicio en Costa Rica y aplicando los dos tipos de proceso de barnizado usados comúnmente: -
3 tipos de alambre magneto: A1, A2 y A3.
-
4 tipos de bases aislantes: Nomex, Papel Pescado, Poliéster Film (Lumirol), Mylar.
-
2 tipos de proceso de barnizado.
Figura 7: Combinaciones realizadas para las pruebas
SUMERGIBLE, Proceso de barnizado c omp leto A1 Alambre tipo 1
A2 Alambre tipo 2
A1 Pescado
A3 Alambre tipo 3
A1 Nomex
A2 Mylar
A3 Pescado
A2 Lumirol
A3 Mylar
A3 Lumirol
Bobina de prueba
A2 Pescado
GOTEO, sin proc eso com pleto A1 Pescado
A1 Nomex
A2 Mylar
A2 Pescado
A2 Lumirol
A3 Mylar
A3 Pescado
A3 Lumirol
Descripción del tipo de barniz Los barnices a base de resinas alquídicas o poli ésteres modificados son los más usados en máquinas eléctricas de bajo voltaje. Son conocidos por su poder de penetración y se utilizan para
impregnar motores y generadores de baja tensión cuyos devanados están realizados con conductor redondo aislado con esmalte. Tienen elevada rigidez dieléctrica de 60KV/mm., con un tiempo de curado a 120°C de 2-4 horas y contienen un 60% de resina y 40% de solventes. Para las pruebas se usó el siguiente tipo de barniz:
Barniz: 434 Clear-General Purpose. Fabricado por: P. D. George. Rigidez Dieléctrica (Volts/mil): 3100. Clase de aislamiento: H (180°C). Descripción de los materiales aislantes •
Nomex:
Es un papel sintético, compuesto de fibras cortas
(barras) y pequeñas partículas fibrosas (fibrinas) de una poliamida aromática (aramídico), polímero resistente a altas temperaturas.
•
o
Clase de aislamiento: H (180°C).
o
Rigidez dieléctrica: 1500V/mil.
Poliéster Film (Lumirol): Por su elevada rigidez dieléctrica es muy
usado
como
elemento
separador
en
motores
y
transformadores. Es muy fuerte, durable, flexible y absorbe poca humedad. o
Clase de aislamiento: B (130°C).
o
Rigidez dieléctrica: 3000V/mil.
•
Mylar (Rag-Mylar): Es una lámina o película de poliésterteraftalato. A temperaturas comprendidas entre -60ºC y 130ºC mantiene sin alteraciones sus características de suministro. Es muy utilizado en la industria eléctrica al permitir reducir espesores de aislamiento, por lo que se utiliza para aislar ranuras de estatores e inducidos, aislar entre fases y bobinas de motores, condensadores, reactancias, entre otros.
•
o
Clase de aislamiento: A (105°C).
o
Rigidez dieléctrica: 1000 V/mil.
Fish Paper (Papel Pescado): Utilizado para propósitos eléctricos y electrónicos en aislamiento de transformadores, aislamiento en ranuras de las armaduras de motores, aislamiento de bobinas, entre otros. Es químicamente puro, y presenta una resistencia al calor producto de fenómenos eléctricos. o
Clase de aislamiento: A (115°C).
o
Rigidez dieléctrica: 400V/mil. Descripción de los alambre magnetos
Para efectos de la investigación se reserva el nombre de los fabricantes de los alambres, se denominarán: A1, A2 y A3. A continuación una comparación de sus principales características:
Alambre Clase
Rigidez D.
Aislamiento T. AMB. (1)
Rigidez
D.
T.
Nominal
A1
H
13600Voltios
8850Voltios
A2
H
No Datos
No Datos
A3
H
9000Voltios
7500Voltios
(1) 5700Voltios mínimo según NEMA.
Descripción de los procesos de barnizado
Uno de los aspectos más importantes del sistema de aislamiento es el proceso de barnizado, el cual busca alcanzar los siguientes objetivos:
Entrelazar el alambre entre si para formar una masa sólida.
Reforzar el aislamiento propio del alambre, el cual puede sufrir deterioro en el momento de la manipulación y el rebobinado.
Proveer resistencia química, a la humedad y a la contaminación.
Prevenir la corrosión del núcleo laminado.
Rellenar las partes vacías de las ranuras, y entre las capas de aislamiento, para mejorar la transferencia de calor. Son cuatro las principales técnicas para la aplicación del barniz a
los bobinados, sea esto realizado en fábrica o en centros de servicio. Estas son: -
Barniz con solventes aplicado por inmersión.
-
Barniz con solventes aplicado por goteo.
-
Barniz con solventes (100% sólidos) aplicado en cámaras de vacío y alta presión (VPI).
-
Barniz sin solventes (100% sólidos) aplicado en cámaras de vacío y alta presión (VPI).
De las cuatro formas de aplicar el barniz la última es la que da mejores resultados, ya que asegura un llenado completo de todas las partes vacías, formando así una masa sólida. Sin embargo esta técnica y
la
tercera
son
muy
costosas
por
que
requiere
de
equipo
especializado. La investigación se centró en las dos primeras técnicas mencionadas, por se las de mayor uso en los centros de servicio de Costa Rica.
Barnizado por sumersión (Dip) Los fabricantes de barnices a base de poliéster indican en sus fichas técnicas que son del tipo s ecad o al ai r e . Sin embargo, dentro de las mismas especificaciones advierten que se obtienen mejores características si se le da un proceso de curado al horno, el cual incluye las siguientes etapas:
0 100ºC 30min 70ºC
Precalentar
Repos o
0
15min
Barnizar
15min 120ºC
Escur rir
2-4hrs
Horneado
Barnizado por goteo (Drip)
En muchos centros de servicio se utiliza el método por goteo, el cual implica la aplicación del barniz directamente sin precalentar ni curar. Este procedimiento no requiere de horno.
Resultados
A continuación se grafican los resultados experimentales de cada combinación de materiales y tipo de barnizado.
Figura 8: Alambre A1 y Papel Pescado
A u a g u f e d e t n e i r r o C
100 D
80 60
Goteo 40 Imersión
20
ND
0 0
5000
10000
15000
Voltaje de pr ueb a VDC
Figura 9: Alambre A2 y Papel Pescado
10 A u a g u f e d e t n e i r r o C
D
8 6
Goteo
4
D
Imersión
2 0 0
5000
10000
15000
Volt aje de pr ue ba VDC
Figura 10: Alambre A2 y Poliéster Film
1,2 ND
1
ND
0,8 Got eo
0,6 Imersión
0,4 0,2 0 0
5000
10000
15000
Vo l t a j e d e p r u e b a VD C
Figura 11: Alambre A1 y Nomex 1,6 A 1,4 u a 1,2 g u 1 f e d 0,8 e t 0,6 n e 0,4 i r r o 0,2 C
ND
Goteo Sumersión ND
0
0
5000
10000
15000
Voltaje de pr ueb a VDC
Figura 12: Alambre A3 y Mylar
12 A u 10 a g 8 u f e d 6 e t n 4 e i r r 2 o C
ND
Goteo Imersión D
0 0
5000
10000
Voltaje de p r ueb a VDC
Figura 13: Alambre A3 y Poliéster film 6 A u a g u f e d e t n e i r r o C
5 ND
4 3
Goteo
2
Imersión
1
ND
0 0
5000
10000
Voltaje de p r ue ba VDC
Figura 14: Alambre A2 y Mylar 6 A u a g u f e d e t n e i r r o C
5 D
4 3
Goteo
2
D
Imersión
1 0 0
5000
10000
15000
Voltaje de pr ueb a VDC
Figura 15: Alambre A3 y Pescado 1,2 D
1
A u a g 0,8 u f e d 0,6 e t n 0,4 e i r r o 0,2 C
ND
Goteo Imersión
0 0
5000
10000
Voltaje de p r ueb a VDC
Resumen de resultados en cuanto a disparo (D) o no disparo (ND):
GOTEO
Comportamiento Comportamiento SUMERSIÓN
A1-Pescado
D
ND
A1-Pescado
A2-Pescado
D
D
A2-Pescado
A2-Poliéster F.
ND
ND
A2-Poliéster F.
A1-Nomex
ND
ND
A1-Nomex
A3-Mylar
ND
ND
A3-Mylar
A3-Poliéster F.
ND
ND
A3-Poliéster F.
A2-Mylar
D
D
A3-Pescado
D
ND
A2-Mylar A3-Pescado
6. Conclusiones
1.
El papel Pescado mostró la mayor incidencia de disparos (Un 75% de las combinaciones que incluyeron el Papel Pescado presentaron disparo).
2.
El barnizado por sumersión ayudó a las combinaciones con papel Pescado a no disparar (El 25% de las combinaciones con Papel Pescado que no dispararon fueron barnizadas por sumersión).
3.
El barnizado por sumersión ayuda a elevar la rigidez dieléctrica (75% de las combinaciones con barnizado por sumersión no dispararon).
4.
El barnizado por goteo no ayuda a elevar la rigidez dieléctrica en
combinaciones
con
materiales
que
tiene
baja
esta
características (50% de las combinaciones con barnizado por goteo dispararon). 5.
Los aislantes de Nomex y Poliéster Film no presentaron disparos para ningún caso.
6.
Los niveles de corriente de fuga de las combinaciones que incluyen Nomex y Poliéster Film son las más bajas obtenidas, en comparación con el resto de combinaciones.
7.
El alambre A2 mostró baja rigidez dieléctrica para la combinación con los aislantes de Mylar y Pescado, sin importar la clase de barnizado.
8.
A pesar de que el Poliéster Film muestra una alta rigidez dieléctrica su clase de aislamiento es B, por lo que no puede ser usado en motores eléctricos clase F.
9.
El Mylar y el Papel Pescado no pueden ser usados en motores eléctricos clase F. 6. Bibliografía
1.
Chapman, Stephen. Máquinas Eléctricas. Mc Graw Hill. México D.F., 1991.
2.
EASA.
EASA-ANSI
Standard
AR100-1998:
Recommended Practice for the repair of rotating electrical apparatus. St. Louis, MO. 1998. 3.
Lawrie, R. J. Motores Eléctricos. Editorial Oceano, Madrid. 1990.
4.
EASA. Technical Manual. St. Louis, MO. 1996.
5.
IEEE. Recommended Practice for Testing Insulation Resistance of Rotating Machinery: Std 43-2000. IEEE Press. New York, 2000.
6.
IEEE. Recommended Practice for Insulation Testing of Large AC Rotating Machinery with Direct Voltage: Std 95-1977. IEEE Press. New York, 1977.
7.
NEMA. Motors and Generators No. MG 1-1987. NEMA Press. Washington, DC. 1987.
