1. INTRODUCCIÓN
Cuando un material ferromagnético es magnetizado, retiene cierta cantidad de magnetismo residual conocido como remanencia. Al disminuir los campos magnéticos, una porción de la energía acumulada se retorna a la fuente. No obstante, una fracción de esta energía almacenada se disipa en forma de calor. Las pérdidas energéticas en el núcleo están vinculadas principalmente a dos factores: las pérdidas por histéresis y las pérdidas ocasionadas por corrientes parásitas o corrientes de Foucault.
Las pérdidas en el núcleo conllevan múltiples consecuencias relevantes, incluyendo la disminución de la eficiencia operativa, el aumento de temperatura excesivo, la degradación acelerada de los materiales aislantes del equipo, así como retos adicionales en los sistemas de refrigeración y disipación del calor, entre otros aspectos.
La Figura 1 muestra el circuito equivalente de un motor de inducción, en el cual se especifica la rama correspondiente al núcleo. En esta, RFe representa la resistencia de las chapas del núcleo, Xµ denota la reactancia de magnetización, mientras que Io, IFe, y IFµ corresponden a las corrientes de vacío, pérdidas en el hierro y magnetización, respectivamente.
Figura 1. Circuito equivalente del motor de inducción.
2. PÉRDIDAS POR HISTÉRESIS
Las pérdidas por histéresis son una forma de disipación de energía que ocurre en materiales ferromagnéticos sometidos a campos magnéticos alternos, debido a la reorientación retardada de dominios magnéticos. Este fenómeno se representa gráficamente por un bucle de histéresis en un gráfico de intensidad de campo magnético contra magnetización, donde el área del bucle indica la energía perdida por ciclo, manifestándose como calor (Figura 2). La pérdida por histéresis afecta significativamente la eficiencia y genera calentamiento en máquinas eléctricas como transformadores y motores, estas pérdidas son influenciadas por la frecuencia del campo magnético y las propiedades específicas del material del núcleo [1].
Figura 2. Ciclo de histéresis [1]
3. PÉRDIDAS POR CORRIENTES DE FOUCAULT
Las corrientes de Foucault, también conocidas como corrientes parásitas, son corrientes eléctricas inducidas que se generan en conductores masivos cuando están expuestos a un campo magnético variable en el tiempo. Estas corrientes circulan en trayectorias cerradas sobre el material, opuestas al cambio del flujo magnético que las origina, según la ley de Lenz, ver Figura 3.
Las pérdidas asociadas a corrientes de Foucault en un material conductor se intensifican con el aumento de la frecuencia del campo magnético alterno, la alta conductividad eléctrica del material, y mayores dimensiones del conductor que proporcionan caminos más amplios para el flujo de corriente. Además, un campo magnético más intenso también puede inducir corrientes más fuertes. Para mitigar estas corrientes indeseadas y sus efectos asociados, como la pérdida de energía y el calentamiento, se emplean técnicas como la laminación de núcleos y el uso de materiales con mayor resistividad.
Figura 3. Corrientes de Foucault [1]
4. PRUEBA CORE LOOP
La prueba del núcleo del estator conocida como Core Loop o prueba toroide, ha demostrado ser eficaz en la detección de laminaciones en cortocircuito en el hierro del núcleo del estator. La prueba del toroide recibe su nombre debido a los cables que enrollan el núcleo ferromagnético a través de las ranuras (Ver figura 4).
Figura 4. Prueba toroide para determinar pérdidas en el núcleo
La prueba implica la aplicación de un nivel específico de magnetización al núcleo. Se enrolla un conductor a lo largo de todo el núcleo con un número específico de vueltas. Una vez que el cable se energiza con la tensión de prueba (VCA), las corrientes circulantes inducidas en las laminaciones provocarán el calentamiento del núcleo.
La condición del núcleo se puede determinar a partir de la medición de la temperatura y de la potencia de entrada (Ver figura 5). Si existen laminaciones cortocircuitadas, mediante un análisis termográfico es posible determinar los puntos calientes.
Figura 5. Termografía durante prueba toroide
Para el desarrollo de la prueba, EASA ha desarrollado un formulario que proporciona un procedimiento paso a paso para calcular el número de vueltas del conductor que enrolla el núcleo del estator. Este formulario puede consultarse en [2].
Para determinar el número de vueltas se debe de tomar medidas del núcleo, ver figura 6:
L= Longitud del núcleo menos conductor de aire
D1= Diámetro interior
S= Profundidad de la ranura
B= profundidad del yugo
Figura 6. Medición del núcleo
5. PRUEBA DE IMPERFECCIONES ELECTROMAGÉTICAS EN EL NÚCLEO (EL CID)
Esta prueba sigue la misma configuración con el cable conductor enrollado a través de las ranuras del núcleo (Ver figura 7). La distinción entre la prueba toroide y la prueba EL CID se encuentra en el flujo magnético requerido para calcular las pérdidas en el núcleo.
Figura 7. Prueba EL CID
El circuito de la prueba EL CID se conecta a una fuente variable alterna hasta inducir aproximadamente el 4% del flujo nominal del núcleo. La tensión de prueba permite una mayor flexibilidad en la evaluación de pérdidas del núcleo de máquinas de gran potencia.
Cuando se induce aproximadamente el 4% del flujo nominal del núcleo, se registran las corrientes axiales en las laminaciones mediante una bobina recolectora de campo magnético. Esta bobina recolectora conocida como “Bobina Chattock” (Figura 8), permite el registro digital de las corrientes circulantes para su posterior análisis [3].
Figura 8. Bobina Chattock
Con la bobina Chattock se hace un barrido total del núcleo, se tiene en cuenta que en promedio las corrientes axiales que circulan a través del núcleo se encuentran por debajo de 100 mA [3]. Valores superiores de corrientes axiales pueden ser interpretados mediante la tabla 1 [3].
Tabla 1. Criterio de evaluación de los resultados de la prueba EL CID [3]
En la figura 9, se presenta un ejemplo de los resultados que se obtienen en una prueba EL CID. Es posible realizar un mapeo que indique los puntos calientes en las secciones evaluadas y tambien la magnitud de las corrientes inducidas.
Figura 9. Resultados de una prueba EL CID
6. IMPORTANCIA DE LAS PRUEBAS DE PÉRDIDAS EN EL NÚCLEO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS
Las pruebas de pérdidas en el núcleo de máquinas eléctricas rotativas son esenciales para evaluar y optimizar su rendimiento. Estas pruebas proporcionan información crucial sobre la eficiencia del sistema, la vida útil del equipo, la calidad del material, la detección de posibles fallas y la optimización del diseño. Además, aseguran el cumplimiento de normativas y estándares, contribuyendo así a la eficiencia, confiabilidad y durabilidad óptima de estos componentes fundamentales en diversas aplicaciones industriales.
7. REFERENCIAS
[1] J. Fraile Mora, “Máquinas eléctricas”.
[2] P. Christensen, “Stator Core Testing,” EASA TN 17.
[3] Electrical Testing Group - INDUCTOR, “PRUEBAS DE BAJA INDUCCION EN ESTATORES DE GRANDES GENERADORES Y MOTORES”, [Online]. Available: www.inducor.com.ar
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