EQUIPO INFORMATIZADO PARA
EL CONTROL DE LAS PÉRDIDAS EN EL HIERRO
DE MOTORES ELÉCTRICOS
TIPO N1/C.12
En algunos países particularmente sensibles al ahorro de energía, normativas específicas establecen que sea reportado sobre la placa el rendimiento del motor. Es claro que, incluso unos pocos vatios de ahorro, multiplicado por los millones de motores en funcionamiento, puede generar un ahorro de energía por cierto no insignificante.
En un motor eléctrico, el rendimiento es mucho mayor si se reducen las pérdidas tanto en el cobre como en el hierro. Para obtener los mejores resultados de un compromiso entre el mayor rendimiento posible y el coste del producto, deben ser cuidadosamente monitoreadas la entidad y las causas de estas pérdidas.
Mientras que en el cobre es relativamente fácil de comprobar la entidad de las pérdidas y luego tomar las correcciones apropiadas, en el hierro, ya sea en el paquete del estator como en aquel del rotor, es considerablemente más complicado, puesto que estas se deben a causas múltiples.
El equipo que hemos estudiado y realizado, permite una comparación de las pérdidas en el hierro de los paquetes del estator y del rotor contra un paquete muestra.
Las pérdidas magnéticas en una máquina de corriente alterna se componen de pérdidas por histéresis y por corrientes parásitas y son aproximadamente proporcionales al cuadrado de la densidad de flujo del circuito magnético.
El objetivo de mejorar la eficiencia de las máquinas eléctricas requiere mantener las pérdidas magnéticas a un mínimo. Para satisfacer esta necesidad, es necesario conocer todos los factores que influencian estas pérdidas y el equipo N1/ C permite detectar el nivel de pérdidas magnéticas tanto en los paquetes de estatores montados como en los bobinados, durante todas las etapas de la producción.
De hecho, mientras que las pérdidas magnéticas de la lámina usada serán declaradas por el fabricante y pueden ser fácilmente controladas con sistemas aprobados de acuerdo a normas específicas (por ejemplo, Yugo de Epstein), muchas más son las pérdidas introducidas por el procesamiento para generar el paquete del estator terminado y mucho menos fácilmente detectables.
Así, es posible, a través del control contra una muestra de paquete de estator, detectar el aumento de las pérdidas debido a las diversas etapas de procesamiento, que son esencialmente:
- Pérdidas debidas a los troquelados para la ruptura del sistema cristalino que compone la lámina.
- Pérdidas debida a corto circuito entre las láminas por la rebaba generada por troquelado, especialmente para la reducida afiladura de los moldes.
- Pérdidas introducidas por los diferentes sistemas de empaque, tales como grapado, remachado, empernado, soldadura, botonadura, etc.
- Reducción del aislamiento superficial de las láminas, con un aumento consecuente de corrientes parásitas interlaminares.
- Control de la eficacia del tratamiento térmico del paquete, para facilitar la orientación de los cristales y mejorar la capa intermedia de aislamiento.
La nueva versión N1 / C.14 realizada con equipo único, permite efectuar tanto las pruebas de laboratorio que las pruebas de producción, previa eventual automatización de la carga y descarga del estator.
La gama de estatores permitida por el equipamiento estándar es extremadamente elevada: a partir de un agujero mínimo de 50 mm., hasta un diámetro exterior máximo de 250 mm y una altura máxima de 200 mm. Equipos específicos se pueden realizar para productos o aplicaciones específicas.
(FOTO SÓLO DEMOSTRATIVA)
El equipo es capaz de detectar esencialmente tanto las pérdidas en vatios de todo el paquete de estator a diversos valores de inducción, como visualizar la curva de histéresis con el fin de evaluar el grado de saturación del mismo.
Ahora vamos a ver cuáles son las consideraciones y evaluaciones que han conducido a la concepción y aplicación de un sistema dedicado a la valuación de las pérdidas en el hierro.
Como ya se mencionó en la introducción, con el fin de mantener bajo control la calidad de los materiales magnéticos utilizados, hay pruebas de laboratorio específicas para la evaluación cuantitativa de las pérdidas de hierro, normalmente debidas a las pérdidas de histéresis magnética y a corrientes parásitas. Uno de los métodos electivos para la determinación de las magnitudes anteriores es lo que se conoce como método del yugo de Epstein. Este método requiere que se preparen las muestras de material magnético de acuerdo con una forma y un procedimiento de montaje unificado. Este método, sin embargo, requiere un tiempo de preparación de la muestra bastante largo, por lo tanto, es poco adecuado para su uso en los controles en líneas de producción. En este caso, es de hecho importante tener un sistema que proporcione en tiempo real las medidas necesarias para mantener el control de calidad de la producción.
El primer requisito a que hay que sujetarse es de poder utilizar, en fase de prueba, muestras de ensayo que no deban ser preparadas específicamente pero hagan parte de piezas que se han tomado de la línea de producción.
Otro requisito fundamental es hacer un control particularmente simple y rápido, y por lo tanto facilitar el acoplamiento eléctrico y mecánico con los sistemas de detección del equipo de prueba.
Como todos los sistemas de prueba y de control, el sistema exhibe en salida una serie de medidas para permitir un análisis cuantitativo de la pieza examinada y, una vez establecida la tolerancia de fabricación, utilizar el sistema como tipo de control GO – NO.
El sistema no debe, sin embargo, ser limitado sólo al control de producción, sino que tendrá que poder ser utilizado también como instrumento de laboratorio. Con este propósito se ha previsto insertar en el sistema, además de la instrumentación para la determinación de las pérdidas en el hierro, incluso un sistema de adquisición de la curva de histéresis magnética con representación gráfica del ciclo de histéresis de la muestra bajo examen.
Entrando en el detalle del diseño del sistema, y con referencia al equipamiento para su uso como instrumento de laboratorio, recordamos brevemente los principios teóricos subyacentes al funcionamiento de la máquina que se basan en los utilizados en el yugo de Epstein:
Un generador de voltaje sinusoidal, estabilizado y ajustable, alimenta un arrollamiento inductor primario. El segundo arrollamiento (secundario), tendrá 2 posibilidades: o bien utilizar la espira ya insertada en el equipo, por lo que el sistema se vuelve muy rápido para conectar, sobre todo para ensayos en producción, o envolver un cierto número de espiras en una ranura (5 o 10) para tener una mayor precisión, y por lo tanto especialmente para mediciones de laboratorio, y conectarlas a los bornes correspondientes en el panel frontal.
Este arrollamiento se conecta entonces a la toma proporcionada en el sistema de medición para la lectura de la tensión secundaria inducida que será proporcional a la densidad de flujo dentro del núcleo. De hecho resulta que
E = 2*P*f *F N /√2
Donde:
f = Es la frecuencia de la pulsación de la tensión de alimentación
F = Es el flujo
N = Número de espiras secundarias
La realización particular de la parte electrónica de control, permite el uso tanto en laboratorio como en pequeñas producciones.
Para obtener una alta producción, se debe proporcionar un aparato del tipo neumático, diseñado en función de la aplicación específica.
De ello se deduce que, nota la sección transversal del paquete de láminas, la densidad del flujo será:
B = F/S B =( E */√2) / 2*P*f F *S
Por lo tanto, conocido el valor máximo de inducción en el cual se desea hacer trabajar el paquete de estator, el software del sistema, aplicando los principios antes mencionados, será capaz de determinar con precisión el valor de la tensión del secundario y por consiguiente ofrecer a los circuitos de control de la tensión de alimentación el valor de referencia necesario para obtener la densidad de flujo requerida.
Un vatímetro electrónico, conectado a los circuitos de los amperímetros que alimentan el sistema primario bajo prueba y los circuitos de los voltímetros conectados al arrollamiento inducido, proporcionará las mediciones de pérdidas de hierro.
Brevemente: Pw = E2* I1*cos(E2 ^ I1)
Por lo tanto, conociendo la relación de espiras secundaria primaria, la relación anterior se convierte en:
Pf =(N2/N1) *E1* I1*cos(E2 ^ I1)
que representa la potencia transferida al núcleo y, por tanto, corresponde a la suma de las pérdidas debidas a la histéresis y a las corrientes parásitas.
Usando un sistema de adquisición y digitalización de los datos el software del sistema también proporciona una representación gráfica de los valores de tensión inducida y de corriente de magnetización y, después de un posterior procesamiento de integración matemático en la forma de onda de la tensión inducida, de la curva de magnetización o ciclo de histéresis magnética. De esta manera, se proporciona un instrumento útil para evaluar el grado de saturación magnética del núcleo y al mismo tiempo tener una cuantificación visual de las pérdidas de histéresis magnética.
Después de completar todas las medidas en la muestra bajo prueba se pueden almacenar las condiciones de configuración del sistema; esto nos permitirá volver a ejecutar la prueba con diferentes muestras manteniendo inalteradas las condiciones para energizar la pieza en prueba. Esto permitirá una fácil comparación entre muestras del mismo tipo y otra escogida como muestra (muestra patrón).
Esta posibilidad nos permite utilizar el sistema como un segundo modo de trabajo, especialmente cuando se utiliza como instrumento de control de la producción.
Pantalla de la prueba
La foto de arriba muestra una pantalla típica del modelo N1 / C.14.
La máquina es capaz de realizar pruebas de manera semiautomática, ofrece como resultado los valores de tensión, corriente y flujo; también proporciona una indicación gráfica del ciclo de histéresis.
La comparación de los datos medidos con los restablecidos, permite la evaluación de la pieza bajo ensayo. El planteamiento no requiere arrollamientos adicionales y ninguna otra acción en el estator: esto tiene simplemente que ser colocado en el plano de la máquina y el borne debe ser cerrado.
La máquina aplica corriente (ajustable manualmente por medio de un generador de tensión variable, Variac) y mide el valor de la corriente generada, el voltaje en el primer circuito (el borne), el voltaje y la fase dinámica en el segundo circuito.
Todos los cálculos necesarios se realizan mediante el software de gestión; el gráfico de la izquierda muestra los valores de voltaje, corriente y voltaje inducido medidos.
A la derecha está la curva de histéresis, que se define en función de las medidas efectuadas.
Todo el gráfico puede auto-reducirse o puede ser ampliado de forma manual. Además, se pueden almacenar los resultados típicos para este estator: la máquina está lista para indicar si la muestra bajo prueba es conforme con los resultados almacenados de la muestra.
La imagen de arriba indica una muestra de estator de tamaño medio: arriba a la izquierda están los valores límite, como por ejemplo:
- Longitud y altura en mm
- El número de espiras del secundario. Importante: la máquina puede trabajar con el secundario incorporado (una espira) o se puede utilizar el secundario hasta 10 espiras.
- La “B” (densidad de flujo) almacenada y solicitada
- El límite de aceptabilidad, en porcentaje
- La cantidad de pérdidas aceptables (W)
Siempre en la parte superior izquierda están los resultados del:
- Cálculo de la sección (cm²)
- Valor de la tensión inducida supuesta
El operador puede, por lo tanto, aplicar potencia a la muestra, girando el control del Variac hasta hacer coincidir el valor de la tensión inducida (Vin) con la de la misma supuesta [V], calculada previamente.
Ahora bien, si los valores de campo y pérdida volverán dentro de los límites de la aceptabilidad, la luz GO se encenderá; de lo contrario vamos a tener una indicación de NO GO.
La foto reproduce la prueba en un pequeño estator, altura = 75 mm y espesor de la corona = 15 mm; ha sido probado con el secundario incorporado (1 espira) e inducción de 1.3 weber / m².
La máquina indica las pérdidas totales en el hierro de 10,6 vatios y un voltaje inducido de 0,34 V: como se puede ver, la corriente suministrada de 62.15 A, @ 0,34 V conduce a una inducción de 1,3 weber / m² y a pérdidas de 10.6W.
N1/C.14 Ejecución electromecánica
La imagen muestra la nueva herramienta de prueba realizada; abriendo la palanca de cierre se puede insertar y retirar el dispositivo bajo prueba. No son necesarios arrollamientos externos; deseándolo es posible utilizarlos, a través de un arrollamiento de máximo 10 espiras que se pueden conectar a los bornes correspondientes.
Por último, debemos recordar que nuestro sistema no quiere reemplazar a los que son los métodos clásicos para la determinación de las propiedades magnéticas de las láminas para máquinas eléctricas, sino que quiere ser un sistema que satisfaga las necesidades de los fabricantes de maquinaria eléctrica, dirigido principalmente a la facilidad de una verificación cualitativa en la fase de producción de los semi-acabados lo que, en otras palabras, significa mantener bajo control no sólo la calidad de los materiales magnéticos utilizados sino también especialmente la de la pieza terminada, evaluando por lo tanto, de manera general, la exactitud de las etapas individuales de procesamiento del producto (troquelado, montaje, aislamiento entre capas, etc.) y también gracias a la facilidad y rapidez con la que puede realizar esta verificación, el uso del sistema N1 / C.14, contribuirá a aumentar los estándares de calidad de la producción y por último, pero no menos importante, conseguir un considerable ahorro en electricidad.