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.

Figura 1: Materiales Aislante en un Motor Eléctrico

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.

Figura 2: Evolución de un motor eléctrico

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:

Temp. Sistema=Temp. AMB (40°C)+Temp. Levantamiento.

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 Clases de aislamiento y levantamiento

Tipo de Motor 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.

A1 Alambre tipo 1 A2 Alambre tipo 2 A3 Alambre tipo 3

A1 A1 A2 A3Pescado Nomex Mylar Pescado

A2 A2 A3 A3Pescado Lumirol Mylar Lumirol

A1 A1 A2 A3Pescado Nomex Mylar Pescado

A2 A2 A3 A3Pescado Lumirol Mylar Lumirol

SUMERGIBLE, Proceso de barnizado completo

GOTEO, sin proceso completo

Bobina deprueba

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

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 poliéster-

teraftalato. 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:

(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).

Alambre Clase

Aislamiento

Rigidez D.

T. AMB. (1)

Rigidez D. T.

Nominal

A1 H 13600Voltios 8850Voltios

A2 H No Datos No Datos

A3 H 9000Voltios 7500Voltios

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 secado al aire. 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 0 15min 15min 120ºC 2-4hrs Precalentar Reposo Barnizar Escurrir 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

0

20

40

60

80

100

0 5000 10000 15000

Voltaje de prueba VDC

Cor

rient

e de

fuga

uA

Goteo

Imersión

Figura 9: Alambre A2 y Papel Pescado

0

2

4

6

8

10

0 5000 10000 15000

Voltaje de prueba VDC

Cor

rient

e de

fuga

uA

Goteo

Imersión

D

ND

D

D

Figura 10: Alambre A2 y Poliéster Film

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 5000 10000 15000Vol t a j e de pr ue ba VDC

Got eo

Imersión

Figura 11: Alambre A1 y Nomex

00,20,40,60,8

11,21,41,6

0 5000 10000 15000

Voltaje de prueba VDC

Cor

rient

e de

fuga

uA

Goteo

Sumersión

ND ND

ND

ND

Figura 12: Alambre A3 y Mylar

0

2

4

6

8

10

12

0 5000 10000

Voltaje de prueba VDC

Cor

rient

e de

fuga

uA

Goteo

Imersión

Figura 13: Alambre A3 y Poliéster film

0

1

2

3

4

5

6

0 5000 10000

Voltaje de prueba VDC

Cor

rient

e de

fuga

uA

Goteo

Imersión

D

ND

ND

ND

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 5000 10000

Voltaje de prueba VDC

Cor

rient

e de

fuga

uA

Goteo

Imersión

Figura 14: Alambre A2 y Mylar

0

1

2

3

4

5

6

0 5000 10000 15000

Voltaje de prueba VDC

Cor

rient

e de

fuga

uA

Goteo

Imersión

Figura 15: Alambre A3 y Pescado

ND

D

D

D

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 A2-Mylar

A3-Pescado D ND 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.

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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.