Análisis de la distribución de campo eléctrico en los recubrimientos conductor y semiconductor de bobinas de máquinas rotatorias alimentadas con tensiones tipo PWM

Abstract

RESUMEN: En los últimos años el uso de controladores de velocidad variable (CVV) en sistemas eléctricos de potencia, ha sido asociado a un incremento en el número de fallas en máquinas de media tensión. Se ha considerado que esto es debido a que la mayoría de los casos se implementan convertidores de velocidad variable con modulación de ancho de pulso (PWM). En este tipo de formas de onda, tipicamente se presentan pulsos con tiempo de subida rápidos con sobretensiones que pueden alcanzar un valor cercano al doble de la tensión nominal de alimentacion, siendo formas de ondas completamente diferentes a las formas de onda sinusoidales, lo que ha generado una serie de problemas en el sistema de aislamiento en máquinas de media tensión diseñadas para operar con tensiones sinusoidales a frecuencias de 50 o 60 Hz. En estas máquinas la parte del sistema de aislamiento que más se ve afectada es el sistema de control de esfuerzos (SCE). Es por ello que en este trabajo se realiza un estudio de los efectos que provocan los pulsos rapidos sobre el sistema de aislamiento, en especifico en el sistema de control de esfuerzos a la salida de la ranura. Se efectuó inicialemente un análisis sobre como un aumento en la frecuencia de la forma de onda sinusoidal afeca a un sistema tipico de control de esfuerzos diseñado para frecuencias de 60 Hz. Por otra parte observar el efecto de este mismo sistema cuando se encuentra alimentado con un pulso rápido. Se analiza el efecto que tiene el valor de la conductividad del recubrimiento coductor sobre el comportamiento y distribución del campo eléctrico y las pérdidas dentro del SCE. Ademas se observó como el valor de la conductividad afecta al recubrimiento semiconductor. Con la ayuda del Laboratorio de Superficies de ESIME-IPN, se obtuvieron micrografias de un tipico SCE y se realizó un modelo, se tomaron en cuenta las caracteristicas obtenidas y se procedio a realizar un análisis de los efectos que se provocan cuando este sistema real es sometido a pulsos rápidos. Se analiza una propuesta de solución para disminuir de manera gradual la concentración de campo eléctrico, además de la disminución de las pérdidas. Al evaluar el desempeño del recubrimiento semiconductor a través de mediciones directas de la tensión o de la distribución del campo eléctrico puede ser muy difícil bajo tensiones pulsadas, se empleó el Método de Elemento Finito (MEF) para el cálculo del campo eléctrico, así como las pérdidas resistivas, esto con el Software Comsol Multiphysics®, además de llevar acabo con ayuda del Software Matlab® la implementación de un algoritmo de Optimización ya incluida en dicho software para la búsqueda de una solución óptima al sistema de aislamiento propuesto. ABSTRACT: In recent years, the use of variable speed controllers (CVV) in power electrical systems has been associated with an increase in the number of faults in medium voltage machines. It has been considered that this is due to the fact that most of the times are implemented variable speed converters with pulse width modulation (PWM). In this type of waveform, pulses are usually presented with quick rise time with overvoltages that can reach a value close to twice the nominal supply voltage, with waveforms completely different from the sinusoidal waveforms, which has generated a series of problems in the insulation system in medium voltage machines designed to operate with sinusoidal voltages at frequencies of 50 or 60 Hz. In these machines the part of the insulation system that is most affected is the efforts control system (SCE). That is why in this work a study is made of the effects that rapid pulses cause on the insulation system, specifically in the efforts control system at the outlet of the groove. Initially an analysis was carried out on how an increase in the frequency of the sinusoidal waveform affects a typical efforts control system designed for 60 Hz frequencies. On the other hand, observe the effect of this same system when it is fed with a fast pulse. The effect of the conductivity value of the coding coating on the behavior and distribution of the electric field and the losses within the SCE is analyzed. It was also observed how the conductivity value affects the semiconductor coating. With the help of the Surface Laboratory of ESIME-IPN, micrographs of a typical SCE were obtained and a model was made, the characteristics obtained were taken into account and an analysis of the effects caused when this real system is subjected to rapid pulses. A solution proposal is analyzed to gradually reduce the electric field concentration and the decrease in losses. When evaluating the performance of the semiconductor coating through direct measurements of the voltage or the distribution of the electric field it can be very difficult under pulsed voltages, the Finite Element Method (FEM) was used for the calculation of the electric field, as well as the resistive losses, this with the Comsol Multiphysics Software, with Matlab Software was made the implementation of an optimization algorithm already included in this software for the search of an optimal solution to the proposed insulation system.