MATERIALS AND METHODS
RISK FACTOR PROFILE
Previo a las mediciones de temperatura en los recubrimientos semiconductores se llevaron a cabo simulaciones de campo eléctrico en la superficie de la bobina, en la zona del recubrimiento semiconductor. Con estas simulaciones se busca identificar como se distribuye tanto el campo eléctrico como el calor generado en condiciones ideales y entonces compararlo con las mediciones de temperatura que se realizan con la cámara infrarroja.
Para realizar las simulaciones se utilizó el programa COMSOL; que es un paquete basado en el método del elemento finito. Conociendo la distribución del potencial, otros parámetros como intensidad de campo eléctrico o calor generado pueden ser conocidos. Para poder realizar la simulación, primero se diseño un modelo en dos dimensiones de un corte axial de la geometría de la bobina a la salida de la ranura. La zona bajo análisis se muestra en la figura 3.2, en este caso los elementos que se consideraron fueron;
1. Material Conductor de la Bobina de 13.8 kV
2. Placa del estator 3. Capa conductora
4. Recubrimiento Semiconductor
FIGURA 3.2 Modelado de la simulación, indicada con medidas aleatorias.
Con la geometría de la figura anterior, el paso siguiente consiste en especificar la tensión a la cual fue sometida la bobina durante la prueba experimental, que en este caso la tensión fue de 20 kVrms.
Para la cinta semiconductora se consideró un valor típico de conductividad de entre 1X10- 6 ó 1X10-7 S/m, mientras que para la conductividad del aire fue tomada como 1X10-12 S/m. Para el material aislante de la bobina se consideró un valor de conductividad del mismo orden que la del aire y una permitividad relativa de 4. Para el aire se tomó una permitividad relativa de 1, y para el recubrimiento semiconductor de 5.
En el primer caso simulado fue considerando el recubrimiento conductor, y sin el recubrimiento semiconductor. Lo anterior fue modelado solo para ser tomado como referencia y compararlo con el caso en el cual se aplica el recubrimiento semiconductor. En la figura 3.3 se muestra la trayectoria y el comportamiento de las líneas equipotenciales al final de la cinta conductora, en la zona donde no existe pintura conductora, se tienen líneas equipotenciales que se concentran con poco espacio entre ellas, lo que indica un gradiente de potencial alto. Este alto campo eléctrico da lugar a la presencia de descargas superficiales ocasionando el deterioro de los recubrimientos y aislamientos de la bobina.
FIGURA 3.3 Simulación de distribución de líneas equipotenciales en una bobina sin cinta
En la figura 3.4 se muestra la distribución de las líneas equipotenciales considerando ambos recubrimientos y asignando un valor de conductividad o aproximado de la cinta semiconductora. En este caso, durante la transición gradual entre el recubrimiento conductor y semiconductor las líneas equipotenciales tienden a tener espacios mayores de separación, esto quiere decir que el gradiente de potencial eléctrico disminuye con la cinta semiconductora en una proporción considerable, cumpliendo con su objetivo primordial que es la atenuación de campo eléctrico. Con esta reducción en el campo eléctrico en la superficie de la bobina se reduce la probabilidad de que aparezcan descargas superficiales que pudieran acortar la vida útil de las bobinas y de la máquina en general.
FIGURA 3.4 Distribución de líneas equipotenciales en bobina con cinta semiconductora
Otra manera de visualizar el efecto de la cinta semiconductora se muestra en la figura 3.5, en la cual se gráfica la tensión a lo largo de la superficie de la bobina, con origen en donde termina la cinta conductora (zona del empalme). La línea mostrada en color rojo representa la tensión desde el final de la cinta conductora si no existiera la cinta semiconductora, mientras que la línea en color azul muestra el crecimiento de la tensión a lo largo de la superficie de la bobina desde el final de la cinta conductora pero ahora con cinta semiconductora.
Cuando no se utiliza cinta semiconductora (línea roja), la tensión aumenta de manera brusca en una distancia corta generando un alto campo eléctrico. Lo anterior resultará muy probablemente en la aparición de descargas superficiales en la superficie de la bobina al término de la cinta conductora. Cuando se aplica la cinta semiconductora (línea azul), se aprecia que el potencial se va incrementando gradualmente desde cero en la cinta conductora hasta el valor de la tensión aplicada. Se aprecia un sobretiro de la tensión algo común en los recubrimientos semiconductores en bobinas. Este crecimiento gradual reduce el campo eléctrico y por lo tanto la posibilidad de descargas superficiales.
FIGURA 3.5 Simulación del Comportamiento del potencial eléctrico a lo largo de la superficie de
la bobina sin cinta semiconductora (línea en rojo) y con cinta semiconductora (línea en azul).
En los casos anteriores se muestra como el campo eléctrico es controlado por la cinta semiconductora, pero como se mencionó anteriormente esto provoca la generación de calor por efecto joule en la cinta. Para poder verificar la distribución de este calor generado en la cinta semiconductora de la bobina es necesario considerar los bordes de la bobina ya que es aquí donde el campo eléctrico puede ser mayor y por lo tanto con mayor temperatura.Por lo anterior se requiere de simulaciones en tres dimensiones. Debido a la simetría únicamente se consideró una cuarta parte de la bobina para este estudio como se muestra en la figura 3.6. El grosor de la cinta semiconductora fue considerada de 0.3 mm mientras que el grosor de aislamiento a tierra fue de 3 mm.
FIGURA 3.6 Simulación de la bobina mostrando la zona de estudio.
En la figura 3.7 se muestra un corte transversal de la geometría en tres dimensiones utilizada para la simulación. El área de inspección en este caso será el recubrimiento semiconductor (2) pues la mayor concentración de calor se presenta en esta zona, principalmente en la cara lateral y superior de la bobina.
FIGURA 3.7 Geometría utilizada para la simulación de una bobina en dos dimensiones, (1) Aire, (2)
Los resultados del calor generado en el recubrimiento semiconductor se muestran en la figura 3.8, en ésta se observa el calentamiento resistivo que se presenta en la capa semiconductora (área en color rojo), con un poco más de intensidad en la zona central y en la esquina de la bobina.
FIGURA 3.8 Imagen en 3D del calor generado en el recubrimiento semiconductor.
Los resultados arrojados con esta simulación dan un indicio de que muy probablemente las zonas de mayor temperatura se presentarán en las esquinas de las bobinas y en el centro de las caras laterales. Esto se compara con los resultados arrojados por las imágenes termográficas en el siguiente capítulo.