capitulo 6 1 maquinas materiales aislantes

Captulo 4: Materiales aislantes utilizados en mquinas rotatorias.

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CAPTULO 6. MATERIALES AISLANTES UTILIZADOS EN MQUINAS ROTATORIAS.

4.1 INTRODUCCIN.

En este captulo se hace una revisin de la clasificacin de los materiales aislantes de

acuerdo a su capacidad para soportar temperatura. Adems, se hace una descripcin de los diferentes sistemas de aislacin que corresponden a los motores de estator aleatorio y formado, incluyendo los principales materiales que los conforman. 4.2 CLASES DE AISLACIN.

Como se mencion en el captulo 3, seccin 3.6, la aptitud de un aislante para soportar elevadas temperaturas es la cualidad determinante para su clasificacin, por lo que las normas internacionales de diversos pases clasifican los aislamientos y los aislantes que los componen en base a la capacidad que poseen para soportar determinados lmites trmicos. A continuacin se describen los principales materiales que forman parte de cada clase de aislacin, [4.1].

Clase Y (90 C): Materiales o combinaciones de materiales fibrosos a base de

celulosa o seda, tales como algodn, seda y papel, no saturados y no inmersos en lquidos aislantes.

Clase A (105C): Materiales o combinaciones de materiales fibrosos, a base de celulosa o seda, tales como el algodn, seda, lino y papel con alguna impregnacin o recubrimiento, saturados con dielctricos lquidos tales como el aceite.

Clase E (120C): Materiales compuestos por fibras orgnicas sintticas y otros materiales.

Clase B (130C): Materiales o combinaciones de materiales tales como, mica, fibra de vidrio y asbestos entre otros, con algunas substancias aglutinantes como la goma laca, barniz asfltico y algunas resinas de polister.

Case F (155C): Materiales o combinaciones de materiales a base de mica, fibra de vidrio y asbesto, aglutinados frecuentemente con resinas epxicas.

Clase H (180C): Materiales y combinaciones de materiales a base de mica, asbestos, fibra de vidrio, elastmeros de silicona, los materiales aglutinantes pueden consistir en resinas de silicona.

Clase C (>180C): Materiales o combinaciones de materiales a base de mica, cermica, porcelana, vidrio y cuarzo con o sin aglutinantes.

Se debe recordar que en las mquinas se utilizan diferentes materiales aislantes para

conformar un determinado aislamiento y que cada material presenta una estabilidad trmica diferente que se ve influenciada por la forma en que se combina con otros materiales.

Los materiales de las clases B y F son los ms usados en los motores elctricos. Los materiales pertenecientes a las clases Y, A y E no son de uso comn y los de clase C se usan individualmente en los sistemas aislantes de los motores pero tampoco son de uso comn. El uso de los materiales de la clase H esta restringido por razones econmicas ya que estos materiales son del alto costo [4.2]. 4.3 MATERIALES AISLANTES UTILIZADOS EN DEVANADOS DE ESTATOR.


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Si se considera el diseo de los sistemas de aislacin de los motores, existen dos tipos de motores; los con devanado de estator aleatorio y los con devanado de estator formado.

4.3.1 Devanados de estator aleatorios.

Los devanados de estator aleatorios son empleados usualmente en motores de menos

de 2400V. En este tipo de devanados los conductores de cobre aislados son enrollados en el ncleo de acero y puestos en las ranuras. Una vuelta de conductor de cobre que est a alto voltaje puede quedar situada adyacente a una que est cercana a potencial de masa, se aplica aislante suficiente para que la aislacin soporte el voltaje de operacin y los transientes normales de voltaje sin ruptura. En este caso las bobinas poseen aislacin entre espiras que tambin funciona como aislacin a masa. Las bobinas aleatorias son empleadas generalmente en mquinas que poseen las ranuras de ncleo parcialmente cerradas [4.5].

Los conductores sueltos son colocados a mano en las ranuras ya aisladas y luego reforzadas con cuas como se puede ver en la figura 4.1.

Figura 4.1: Secuencia de colocado de bobinas en las ranuras de estator; (a) aislacin de

ranuras, (b) detalle de aislacin de fondo de ranura y del cierre, (c) introduccin de la bobina a la ranura, (d) cuas de soporte para bobinas, (e) aislacin entre fases (f) devanado

terminado con amarras.

El sistema de aislacin de los devanados aleatorios est conformado por diferentes materiales aislantes que cumplen diferentes funciones, los que sern descritos a continuacin [4.5].

4.3.1.1 Aislacin a masa.

Corresponde a la aislacin principal de un motor, generalmente identificada como la celda de la ranura, se inserta en cada ranura del ncleo antes de insertar los conductores y se debe extender ms all del ncleo para asegurar la separacin mecnica de los conductores y el ncleo (figura 4.1 (a) y (b).). La celda de ranura provee de una importante proteccin mecnica y elctrica a las bobinas. Los materiales tpicos de estas celdas son mica, papel aramida (Nomex de Dupont) y laminacin de Dracon-Mylar-Dracon (DMD de Dupont).

Un sistema de aislacin comn para la clase A (105C) es Batista barnizada, la batista es una tela delgada a base de algodn, debido a la ausencia de mica este sistema de


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aislacin fue usualmente restringido a 2300 V o menor, su capacidad de transferencia de calor es pobre al igual que su resistencia para absorber humedad o aceite. 4.3.1.2 Aislacin entre hebras.

Corresponde a un recubrimiento del conductor para formar una delgada y flexible pelcula aislante. Generalmente es un recubrimiento de resinas por su buena rigidez dielctrica y habilidad para soportar los dobleces que ocurren durante el formado de la bobina, es un contribuyente a la flexibilidad del conductor. Las hebras individuales de una espira o conductor estn usualmente aisladas con pelculas orgnicas, fibras unidas con resinas, o mica en varias formas unidas con resinas, las fibras pueden ser materiales como papel, algodn, asbestos, vidrio, polister o combinaciones de ellos [4.6]. En particular, las pelculas de recubrimiento tpicas para la clase A son los esmaltes de resinas oleosas, polivinilo y poliuretano, los tpicos para la clase B son el epoxy y el nylon poliuretano, para la clase F corresponden al polister, polister nylon y polister con recubrimiento de amida-imida, para la clase H se tiene polister modificado con cobertura de amida-imida y polister modificado con cobertura de aramida modificada, finalmente para la clase C se tiene poliamida-imida y polister con cobertura amida-imida y poliamida aromtica.

4.3.1.3 Aislacin de fase y separadores de bobina.

A menudo una o ms espiras yacen adyacentes o por sobre otras, y dado que el gradiente de voltaje entre bobinas es mayor que el entre hebras de una espira, es deseable agregar una pieza de aislante entre las bobinas, llamada aislacin de fase (figura 4.1, (e).). La aislacin de fase previene que las terminaciones de las espiras de diferentes grupos se toquen entre s. Los separadores de bobinas y de fase proveen una barrera de alto voltaje entre bobinas con buena flexibilidad, facilitando su moldeo, y fuerza mecnica para resistir el ablandamiento y encogimiento producto de los barnices y del calor. Los materiales usados para estas aplicaciones son hechos de papel, pressboard, fibra, mica, y papeles laminados.

4.3.1.4 Cuas.

Las cuas o palos de tope son ubicados sobre las bobinas en cada ranura para cerrarla y mantener los conductores compactos y prevenir vibraciones. Las tpicas cuas estn hechas de papel, lona y fibra de vidrio impregnada con resinas termoendurecibles (fenlicas, siliconas y Melamnicas), resinas de altas temperaturas reforzadas con fibra de vidrio, y papel sinttico resistente a altas temperaturas (figura 4.1 (d) y (e).).

4.4.1.5 Cintas y cordones de amarre.

La cinta es la forma ms fcil de aplicar aislacin elctrica, se utiliza para soporte mecnico y como barrera dielctrica, son fcilmente aplicadas a componentes de formas complicadas por lo que se hace un amplio uso de ellas. Son relativamente angostas, de fbrica vienen en tiras, pueden ser planas o impregnadas con barnices de resinas oleosas o de polister, como tambin de resinas epxicas, las cintas pueden ser tratadas o no tratadas con materiales como vidrio o resinas sintticas, tambin estn hechas de goma, pelculas sintticas y mica. Las cintas adhesivas sensibles a la presin tambin son usadas para la terminacin de las bobinas o para retener componentes y como ayuda a las bobinas. Los cordones de amarre son un elemento esencial en los devanados aleatorios, ya que cumplen funciones mecnicas importantes como atar y enlazar las bobinas entre si y a sus miembros de soporte, y de amarre a otras apartes aisladas para prevenir que se suelten, muevan y desgasten producto del estrs aplicado al devanado del motor durante el


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servicio. El cordn de amarre ms popular el es el lazo de polister trenzado, aunque tambin son construidos de algodn tejido y de polister de vidrio (figura 4.1 (f).)

4.3.1.6 Barnices y resinas.

Las resinas encontradas en los barnices y otros componentes aislantes otorgan importantes caractersticas a los aislantes elctricos. Las resinas orgnicas no son tan importantes como materiales aislantes de por s, si no que lo son como protectores de otros materiales aislantes, los devanados son tratados con barnices para mejorar su resistencia a la humedad, para aumentar la rigidez dielctrica de la aislacin reemplazando el aire que contiene con un material dielctrico, para unir espiras y otras partes de la estructura para prevenir el dao por abrasin y vibracin, para mejorar la disipacin de calor y para prevenir el ingreso de suciedad al sistema de aislacin. Un barniz puede no ser efectivo a menos que presente una pelcula uniforme sobre el material que este cubriendo, lo que hace importante lo fcil que se haga empapar la superficie tratada. La mayora de los barnices con solventes utilizados en motores de devanado aleatorio contienen entre 25% y 50% de slido, y del 50 % al 75% del volumen corresponde al solvente, el cual es evaporado en el proceso de curado, por lo que los barnices que contienen solventes no pueden entregar el llenado de las ranuras como se quiere cuando se usan como impregnantes. Algunos barnices de uso comn en motores de devanados aleatorios son el acrlico, epoxy, fenlicos, poliamidicos y siliconas.

4.3.2 Devanados de estator formado.

Este tipo de bobinado se utiliza en mquinas donde el voltaje promedio es sobre los

2400V, en los devanados formados (figura 4.2) las espiras/barras poseen generalmente forma de diamante y son insertadas en las ranuras del ncleo. Cada espira/barra posee dos piernas, cada una es insertada en una ranura del ncleo, en la mayora de los motores modernos de devanados formados hay dos piernas por ranura de diferentes espiras, la pierna de la espira ms cercana al rotor es la superior, y la ms lejana es la del fondo, normalmente una pierna de la espira esta situada en la parte superior de la ranura y la otra en la parte del fondo, lo anterior se puede apreciar en la figura 3.6.

Figura 4.2: Detalle de devanado de estator formado.

En una ranura tpica de estator, la espira es sujetada rgidamente en su lugar por

empaques en el fondo, separadores, empaques laterales y cuas cuyo propsito es mantener las espiras en el interior de la ranura y prevenir su movimiento bajo las fuerzas magnticamente inducidas que son inherentes a todos los motores. Las conexiones entre espiras se realizan fuera de la ranura, en la zona de la espira que sobrepasa al ncleo, reas que para mquinas de alta velocidad pueden ser bastante largas, por lo que estas


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deben tambin ser provistas de soporte en contra de las fuerzas magnticas inducidas, por lo que son requeridos varios tipos de soporte para la porcin de las bobinas que sobresalen del ncleo.

La principal diferencia con los devanados aleatorios es el tipo de aislacin utilizada, ya que en este caso al menos se utilizan dos y a veces tres tipos de aislamientos diferentes; aislacin entre hebras y espiras y aislacin a masa separadamente. Otra diferencia tambin importante es que la posicin de las espiras adyacentes es cuidadosamente controlada para prevenir que espiras que tienen muy diferentes voltajes queden juntas, es decir que espiras que estn adyacentes slo tendrn un par de decenas de volts de diferencia.

Las barras son hechas con sofisticada maquinaria para doblar y formar el cobre, como tambin para aplicar las capas aislantes. En la figura 4.3 se puede apreciar el corte transversal de dos tipos de barras diferentes.

Figura 4.3: Corte transversal de un turbogenerador enfriado directamente con agua hecha con sistema de aislacin papel-mica (Izquierda), y corte transversal de una barra de tres

espiras de tres hebras asiladas con sistema de aislacin de papel de epoxy-mica.

Al igual que en el caso de los devanados aleatorios, el sistema de aislacin de los devanados formados est conformado por diferentes materiales aislantes que cumplen diferentes funciones que se describen a continuacin [4.5].

4.3.2.1 Aislacin de hebra y de espira.

La aislacin de hebras en devanados formados debe soportar condiciones similares a la aislacin de los devanados aleatorios. El principal estrs al cual es sometida la aislacin es la temperatura de las prdidas I2R en el cobre y los esfuerzos mecnicos especialmente producidos durante la manufactura de la espira, las hebras de cobre aisladas estn hechas de la misma forma y usualmente se utilizan los mismos materiales descritos en la seccin 4.3.1.2 de la aislacin de hebras.

En motores construidos antes de 1940 la aislacin tpica utilizada era una pelcula de barniz, desde 1950 ha habido un importante desarrollo de materiales sintticos que poseen mejor resistencia a la temperatura, con mayor resistencia a la abrasin y ms flexibilidad. En motores modernos de menos de 4100V la aislacin entre hebras es usualmente una


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pelcula hecha de materiales sintticos como poliamida (Kapton de DuPont) o poliamida-imida, a 4100 V o superior, no es fuera de lo comn recubrir la pelcula mencionada con un material compuesto de fibra de vidrio y fibra de polister (Daglas de DuPont), la capa de Daglas enriquece la resistencia a la aparicin de descargas parciales. Por razones similares, en especial cuando la aislacin entre hebras y entre espiras es la misma, la pelcula de cobertura del conductor es recubierta con cinta de papel-mica, que consiste en pequeos trozos de mica que son adheridos a cinta de fibra de vidrio o a cinta Dracon.

Estatores donde la aislacin de hebras y de espiras es diferente, la aislacin entre espiras es usualmente cinta de papel-mica que envuelve todas las hebras de cobre aisladas. Dependiendo de la envergadura del motor la cantidad de capas de cinta aplicadas. La cinta papel-mica es usualmente impregnada con epoxy o polister despus de que la aislacin a masa es aplicada. En los ltimos aos ha habido una tendencia a incrementar la aislacin entre hebras y no utilizar aislacin especifica entre espiras, ya que al evitar un paso en el proceso de aislamiento resulta en un motor menos costoso, pero inevitablemente la confiabilidad de la bobina decrece en algn nivel. Cuando no existe aislacin entre espiras la aislacin entre hebras es construida con Daglas o mica-papel para soportar el estrs elctrico [4.5].

4.3.2.2 Aislacin a masa.

Hay bsicamente dos tipos de aislacin a masa utilizada en devanados de estator, las Termoplsticas, corresponden a las ms antiguas, y las Termoendurecibles, que corresponden a las ms modernas. Los tpicos sistemas de aislamiento Termoendurecibles son papel-mica impregnado con polister o epoxy. Los sistemas de aislacin Termoplsticos y Termoendurecibles sern discutidos individualmente. Ambos sistemas tienen en comn el uso de la mica, que es muy resistente al deterioro por descargas parciales. Desafortunadamente la mica tiene propiedades mecnicas relativamente pobres, por lo que es difcil de moldear sin causarle dao. Razones por las cuales la mica no puede ser utilizada sola, sino que se utiliza en combinacin con otros materiales de respaldo para que soporte su aplicacin, los que son adheridos con materiales termoplsticos o termoendurecibles [4.5]. Aislacin termoplstica. Componentes asflticos adheridos a cintas de mica fueron

usados extensivamente con xito en motores hasta principios de 1940s. Grandes hojuelas de mica fueron adheridas a materiales de respaldo (usualmente papeles especiales) que eran puestos a mano en los conductores de cobre, las hojuelas de mica eran impregnadas con un asfalto especial usando impregnacin al vaco y presin (VPI). En 1950s se introdujeron ciertas mejoras como el reemplazo del material de respaldo de papel por fibras de vidrio o Dracon, lo que aumenta la resistencia mecnica del soporte de la mica y reduce la susceptibilidad de la aislacin al envejecimiento elctrico, trmico y mecnico.

Aislacin termoendurecible. El uso de asfalto como adherente para la mica implicaba que la aislacin a masa no poda operar a muy altas temperaturas. Avances en la investigacin de los polmeros en 1940s y 1950s llev a nuevos materiales adherentes, que se mantendran estables a mayores temperaturas. Se encontr que el polister y el epoxy eran adecuados para aplicaciones en devanados de estator. Se introdujeron dos importantes componentes de aislacin de masa que an se utilizan, papel-mica que consiste en plaquetas muy pequeas de mica sujetas entre si por fuerzas electrostticas formando una lmina autosoportada, y la resina epxica termoendurecible que se mantiene estable a altas temperaturas. El uso de epoxy para adherir las capas de cintas de papel-mica se utiliza mucho en motores modernos. En la actualidad existes tres procesos diferentes para lograr la misma aislacin a masa de epoxy-mica.


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a.- Proceso Resin-Rich. Este proceso implica la aplicacin de cintas de papel-mica que ya han sido impregnados con epoxy en etapa B, luego estas cintas son aplicadas al conjunto de conductores. Hay dos mtodos para consolidar las cintas impregnadas en este sistema; el primero es confinar las espiras en moldes metlicos mientras se les aplica calor y presin, el segundo consiste es someter a las espiras despus de aplicar las cintas preimpregnadas al vaco y luego presin dentro de un autoclave, mientras se somete a moldes hidrulicos que ayudan a la espira a tomar la forma requerida. Una vez removidas las espiras de los moldes o del autoclave, stas estn listas para ser incertadas en las ranuras de estator. b.- Proceso VPI para bobinas. La cinta aislante se aplica al conjunto de conductores ya moldeados en un estado seco, en el cual slo una mnima cantidad de resina est presente con el propsito de mantener el papel-mica en su lugar durante la manipulacin y encintado. Las bobinas encintadas son ubicadas en un tanque de vaco/presin. La aislacin seca, primero es sometida al vaco para remover el aire y obtener el mayor grado de llenado con el impregnante que se introduce posteriormente bajo presin. Luego las bobinas son sacadas del tanque y calentadas para el curado y para que obtengan la forma y dimensiones finales con presin. c.- Proceso VPI global. En el proceso VPI global a diferencia de los mtodos descritos anteriormente las espiras son encintadas con el papel-mica y directamente ubicadas en las ranuras de estator, este proceso es relativamente fcil ya que las bobinas an estn relativamente flexibles dado que el epoxy an no ha sido aplicado. Luego que las espiras son ubicadas en las ranuras, se realizan las conexiones de las espiras y el estator completo es introducido al tanque, el cual primero es sometido al vaco y luego llenado con epoxy para el impregnado de las cintas. El estator es removido del primer tanque y para posteriormente ser ubicado en otro donde comienza el proceso de curado del epoxy a alta temperatura y presin. El resultado es un estator donde las bobinas son inmediatamente adheridas al ncleo. Este proceso tiende a ser un poco menos caro debido a que el proceso de bobinado es ms simple, resultan menos espiras daadas en el proceso y todas las espiras y bobinas son impregnadas al mismo tiempo. El tamao del estator que puede ser impregnado esta limitado por el tamao del tanque VPI. An se utiliza polister para el impregnado VPI de bobinas y en el VPI global para el rebobinado de motores, auque el epoxy posee caractersticas mecnicas y elctricas superiores que el polister especialmente en la presencia de humedad.

Los sistemas de aislacin a masa ms comunes para la clase B (130C) son los

siguientes: Shellac Micafolium: goma laca con una capa delgada de mica, en donde pequeas

lminas de mica son adheridas con goma laca para formar una lmina mayor, las cuales son envueltas con presin y calor al rededor de la seccin de la ranura de la espira/barra, las cabezas de bobina son aisladas con cinta de mica asfltica o a veces con batista barnizada. Debido a la evaporacin de los contenidos voltiles de la goma laca este sistema tiene un alto contenido de vacos y es susceptible a dao por descargas parciales, adems, de poseer baja transferencia de calor. El Shellac Micafolium es considerado como un sistema de aislacin termoplstico.


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Asphaltic Bonded Mica Tape: Cinta de mica con aglutinante asfltico, ms comnmente llamada mica-asfltica, es considerada un sistema de aislacin termoplstico, en donde la espira/barra completa es aislada con la cinta, algunos fabricantes utilizan una pequea cantidad de cinta de polister para dar mayor tensin al aplicar la cinta. Este sistema es vulnerable a la laminacin o separacin de la cinta debido a los ciclos trmicos.

Polyester Bonded Mica Tape: este sistema de aislacin corresponde a una cinta de papel-mica aglutinado con resina polister, aplicado con el proceso VPI. Para la clase F (155C) se encuentra un sistema de aislacin muy comn, el Epoxy

Bonded Mica Tape, que corresponde a cinta de papel-mica aglutinado con resina epoxy, en donde las resinas epoxy tienen propiedades adherentes superiores comparadas con las de polister, por lo que el sistema de aislacin es menos propenso a las delaminaciones. Este sistema de aislacin puede ser aplicado por proceso de VPI, VPI global o Resin Rich.

Para la clase H (180C) podemos encontrar el sistema de Silicone Ruber, o goma

silicona, que es un material muy adecuado para soportar altas temperaturas, cuando se utiliza como aislacin a masa en las espiras de estator, la cinta usualmente tiene un respaldo de fibra de vidrio, dada la ausencia de mica el uso como sistema de aislacin a masa es usualmente restringido a 4 kV o menor. La goma silicona es susceptible a daos mecnicos.

4.3.2.3 Cobertura de control de Estrs en aislacin a masa.

La ocurrencia de descargas parciales eventualmente erosiona la aislacin causando fallas, las descargas producidas en la superficie de una espira/barra son generalmente llamadas descargas de ranura ya que ocurren en esa zona.

Al producirse una descarga se genera ozono, el cual se recombina con el nitrgeno formando cidos, los que pueden debilitar materiales de goma y corroer el metal, por ejemplo en los intercambiadores de calor de una mquina. Para prevenir las descargas en la superficie de las bobinas, los fabricantes las cubren con una capa semiconductora, que usualmente corresponde a una cinta o pintura cargada de carbn negro. Esta capa semiconductora no es necesaria en ranuras de estatores de 6 kV o menores.

La capa semiconductora no puede terminar abruptamente unos centmetros fuera de la ranura ya que la delgada cobertura puede dar paso a un alto campo elctrico localizado, el que puede exceder los 3 kV/mm y producir descargas parciales.

El Carburo de Silicio (SiC) es un material especial que posee una propiedad muy interesante: mientras aumenta el estrs elctrico en el material, su resistencia decrece. Cuando se aplica a una espira/barra de un devanado de estator la capa de SiC posee muy baja resistencia en las regiones de alto estrs, al final de la regin semiconductora, y gradualmente aumenta su resistencia a medida que se acerca a las cabezas de bobina desde el ncleo, esta resistencia variable hace el campo elctrico ms uniforme al termino de la capa semiconductora y usualmente el estrs es reducido a menos de 3 kV/mm evitando que se produzca una descarga parcial (en la superficie).

4.3.2.4 Aislacin de Soporte.

Las bobinas de estator deben ser sujetadas rgidamente al ncleo del estator para prevenir movimientos producto de las fuerzas inducidas. Dentro de las ranuras de estator cuas y empaques laterales son utilizados para evitar el movimiento de las espiras. Estos componentes en la actualidad son hechos de laminados de vidrio-epoxy, materiales que pueden soportar grandes fuerzas de compresin. La funcin del acuado es menos crtica en estatores que pasaron por el proceso VPI global ya que el epoxy o el polister adhiere


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directamente las espiras al ncleo. Debido a que existe una porcin de la bobina que sobresale al ncleo es necesario tomar precauciones especiales para asegurar que estas no se muevan. Se utilizan varias maneras de asegurar mecnicamente las bobinas; se localizan hileras de bloqueos entre espiras para evitar movimientos circunferenciales y axiales, anillos de acero aislados por dentro o por fuera del devanado o en ambos y tambin se utilizan cuerdas o lazos para atar las espiras a los anillos. Se utilizan Cuerdas de fibra de vidrio o cintas para enlazar, Dracon o telas impregnadas con resinas sintticas para el bloqueo. En estatores sometidos a VPI global los bloqueos y cuerdas son puestos en seco y son impregnados durante el proceso.

4.4 MATERIALES AISLANTES UTILIZADOS EN DEVANADOS DE ROTOR.

Como se ha mencionado anteriormente los devanados de rotor de mquinas sincrnicas poseen aislacin de espira y a masa, ya que estn sometidos a voltajes CD relativamente bajos, lo que implica que la aislacin de los devanados llega a ser muy delgada. Adems dado que bajo voltaje CD no se presenta el efecto skin, no es necesaria la aislacin entre hebras.

Si el voltaje CD es obtenido de sistemas de excitacin estticos, es decir de la operacin de tiristores, se pueden superponer al voltaje CD sobrevoltajes (impulsos) de corta duracin, este estrs adicional podra causar descargas parciales en mquinas que trabajan a alto voltaje. Otros tipos de estrs que afectan la aislacin corresponden a las sobretemperaturas y a esfuerzos mecnicos. El esfuerzo mecnico primordial que ocurre en el rotor no es debido a la interaccin de los campos magnticos, sino que a la fuerza de rotacin, en particular la fuerza centrifuga, por lo que la aislacin debe soportar mucha fuerza de compresin para que no se distorsione.

A continuacin se presenta una descripcin de las principales caractersticas de la construccin fsica y de los requerimientos nicos de los sistemas de aislacin para cada tipo de rotor.

4.4.1 Rotor Jaula de Ardilla.

El motor CA ms ampliamente utilizado es el de induccin de jaula de ardilla, los devanados del rotor son nicos ya que no tienen aislacin elctrica explicita en sus conductores. El rotor consiste en barras que pueden ser de cobre, aluminio, bronce o aleaciones de aluminio o de cobre, soldadas a unos anillos metlicos en sus extremos, incrustado en el ncleo del rotor compuesto de laminaciones de hierro o acero (figura 4.4). En la operacin normal slo unos pocos volts son inducidos en los conductores del rotor, en donde la conductividad de los conductores es mucho mayor que la del ncleo laminado de acero, por lo que la corriente solo circula por los conductores haciendo innecesaria una aislacin que fuerce a la corriente a circular por el camino correcto.


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Figura 4.4: Rotor de Mquina de Induccin Jaula de Ardilla.

4.4.2 Rotor de polos salientes.

Hidrogeneradores y motores sincrnicos de cuatro o ms polos poseen rotor de polos salientes. Cada polo es construido separadamente, y el devanado de rotor se hace montando los polos completos en la periferia del rotor o directamente a el cuerpo de acero slido, luego los polos son conectados elctricamente a la fuente CD de tal manera de crear polo norte y sur en la periferia del rotor, en la figura 4.5 se puede apreciar un rotor de polos salientes. Cada polo consiste de un ncleo laminado de acero slido que se ve rectangular desde el eje del rotor y alrededor de la periferia de cada polo estn los devanados.

Figura 4.5: Rotor de polos salientes (6 polos).

Existen bsicamente dos tipos de diseo de polos salientes, el ms antiguo

corresponde al bobinado en alambre de mltiples capas (multilayer wire-wound) diseo que an es utilizado en mquinas de hasta unos cuantos megawatts, en este diseo el conductor que usualmente tiene una seccin transversal rectangular es envuelto en el polo, como se puede apreciar en la figura 4.6.


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Figura 4.6: Seccin transversal de un polo saliente bobinado de mltiples capas.

Para mquinas ms grandes el diseo de cinta sobre el borde (strip-on-edge) es

favorecido ya que puede soportar mejor las fuerzas rotacionales, en este caso el conductor corresponde a una delgada cinta de cobre con forma de marco que puede ser deslizada sobre el polo, separadores laminados de material aislante actan como aislacin entre espiras para aislar cada marco de cobre de los otros, para formar la bobina los marcos de cobre son conectados en serie y al igual que en el otro diseo la bobina es aislada del cuerpo del polo con collares aislantes, frecuentemente el polo completo es sumergido en sustancias liquidas aislantes para unir todos los componentes. Un esquema de lo descrito anteriormente se puede ver en la figura 4.7.

Figura 4.7: Seccin transversal de un polo saliente tipo cinta sobre borde.

4.4.3 Rotor cilndrico.

Son mayormente encontrados en turbogeneradores de 2 y 4 polos, el cuerpo del rotor esta hecho usualmente de aleaciones de acero forjado, las ranuras axiales son forjadas en el cuerpo del rotor, las espiras de cobre son ubicadas en las ranuras, hay usualmente de 5 hasta 10 espiras por ranura formando la bobina. Preferentemente, a aislar directamente las espiras de cobre con cinta o una capa de aislante, en rotores grandes las espiras se mantienen separadas de las otras por secciones aislantes, cintas de aislacin o canales con forma de L que actan como aislante a masa. Las espiras se mantienen dentro de la ranura


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con cuas, obligatoriamente metlicas debido a las grandes fuerzas rotacionales, pueden estar hechas de aleaciones metlicas (en mquinas antiguas), acero no magntico, acero magntico, o aleaciones de aluminio. Usualmente hay pasajes para aire o hidrgeno para enfriar el devanado de rotor. Lo descrito anteriormente se puede apreciar en la figura 4.8.

Figura 4.8: Seccin transversal de un Rotor cilndrico.

Uno de los aspectos ms desafiantes del diseo de los rotores cilndricos son las cabezas de bobina, ya que luego de que la espira sale de la ranura va con un doblez de 90 al rededor del rotor hasta alcanzar la ranura apropiada, punto en el cual va con otro doblez de 90. Esta rea del rotor debe ser soportada para prevenir que las fuerzas centrifugas quiebren los conductores, lo cual se hace con anillos retentores en cada extremo del cuerpo del rotor, en la mayora de los rotores de mquinas mayores de 10 MW, los anillos retentores estn hechos de acero inoxidable. Es necesaria una cubierta aislante que permita que los componentes se resbalen entre las cabezas de bobina y los anillos retentores.

4.4.3 Rotor bobinado de motor de induccin.

Estos rotores ven una corriente de 50 o 60 Hz durante la partida que gradualmente se reduce hasta alcanzar la velocidad nominal. El rotor consiste en un ncleo laminado de acero con ranuras al rededor de la periferia, usualmente las ranuras estn parcialmente cerradas en la superficie del rotor por lo que las espiras no puedan ser eyectadas fcilmente, incluso si no hay cuas presentes.

Han sido utilizados dos tipos bsicos de bobinados. El primer tipo son los devanados aleatorios que estn hechos de conductores insertados en las ranuras como se puede apreciar en la figura 4.9. La aislacin de espiras es la aislacin magntica del alambre o


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conductor, una ves que las espiras son insertadas una cua aislante cierra la ranura, es muy importante llenar completamente la ranura para asegurarse de que las espiras no se muevan bajo las fuerzas rotacionales, en el interior de la ranura se aplica un revestimiento aislante que acta como aislacin a masa. Todos los espacios restantes se llenan con tiras aislantes y el rotor completo es impregnado con un aislante lquido posteriormente curado, con un proceso de inmersin, chorreo o VPI global.

Figura 4.9: Seccin transversal de una ranura de rotor bobinado con devanado aleatorio.

En las cabezas de bobina, en el exterior de la ranura, la regin que sobresale es solo de

unos cuantos centmetros, dependiendo del tamao del rotor y de la velocidad, los movimientos de las cabezas de bobina pueden ser restringidos con cuerdas impregnadas atando espiras separadas con acolchado de fieltro impregnado, luego, sobre las cabezas de bobina son aplicadas unas bandas de fibra de vidrio para otorgar soporte contra las fuerzas centrifugas.

El segundo tipo, corresponde a los devanados de rotor formados que se utilizan en grandes mquinas en este caso se utilizan barras de cobre para los conductores de las bobinas, usualmente de 2 a 4 barras son insertadas dentro de la ranura del rotor, como se puede apreciar en la figura 4.10, antes de su insercin la barras son aisladas con unas pocas capas de cinta aislante, la aislacin a masa es el revestimiento de la ranura. Al igual que con los rotores de devanados aleatorios bandas aislantes restringen las cabezas de bobinas y el rotor es impregnado para prevenir movimientos relativos.

Figura 4.10: Seccin transversal de una ranura de rotor bobinado con devanado formado.

Una vez discutidos los sistemas de aislacin presentes en los diferentes tipos de

rotores, podemos hablar de los materiales que los conforman.


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Los materiales aislantes seleccionados para la aislacin entre espiras y a masa, tambin llamada como recubrimiento de ranura, variaran dependiendo de a que clase de temperatura pertenece el devanado, y del voltaje y potencia nominal de la mquina.

Las lminas formadas de materiales aislantes para generadores de tamao medio pueden ser de papel aramida ms conocido como Nomex, para mquinas ms pequeas pueden ser de laminados de pelculas de plstico. Una aislacin de ranura muy comn es la llamada DMD con adhesivos adecuados, el cual es fabricado por Dupont, entre otros fabricantes, de una resina de polister de tereftalato de polietileno, adems, una serie de laminados similares estn disponibles para utilizar en mquinas con diferentes clases de temperatura. Lminas en uso incluyen polietileno, nylon, y poliamidas, adems de papel de algodn, papel kraft de pulpa de madera sin blanquear, fibra aramida, fibra de vidrio y de combinacin de polister con fibra de vidrio. Para hacer la aislacin de ranura (a masa) son utilizados materiales similares en forma de piezas cortadas de lminas o rollos. Para rotores cilndricos con espiras de cobre muy pesadas, se usan delgados laminados de fibra de vidrio y polister o resina epxica.

Los barnices adherentes para los diseos de polos salientes son seleccionados de a cuerdo a la clase de temperatura de la mquina y de la dureza y elasticidad requerida para la aplicacin. La mica usualmente elegida para la aislacin a masa, es mica moscovita, adherida con goma laca, goma laca-epoxy o vinilo-lcide. Tambin son utilizadas mezclas de derivados de la mica, hojas de aramida, telas de vidrio y resinas epxicas.

En las cabezas de bobina hay una parte de los conductores que permanece fuera de las ranuras del ncleo del rotor, para devanados grandes cada espira es separada de la adyacente con una cinta o con una lmina de aislante. Para devanados de rotores ms pequeos que son fabricados con bordes de bobina anchos usualmente utilizan encintado en todas las espiras que sobresalen la ranura, la cual es usualmente de epoxy en etapa B o papel mica impregnado con resina, soportado con tela de fibra de vidrio.

Las cuas o bloques entre las porciones rectas de las cabezas de bobinas, que evitan su movimiento, son usualmente ubicados en su lugar y posteriormente adheridos con capas de telas de vidrio impregnadas en resina en etapa B y baados con barnices termoendurecibles (con brocha o spray).

Finalmente, la aislacin para los anillos retentores que previenen el movimiento de las cabezas de bobinas se inserta entre el devanado y los anillos, comnmente se utilizan lminas de mica, epoxy o fibra de vidrio.

capitulo 6 1 maquinas materiales aislantes

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