Fruto de más de 50 años trabajando con transformadores, como resultado de la experiencia acumulada e investigación llevada a cabo en nuestros laboratorios de electrónica y electrotécnia, desarrollamos instrumentos de análisis para dialogar en el E.L.M. (El Lenguaje de las Maquinas). El último desarrollo del equipo SFRA modelo E.L.M.1G-2, llega para dar solución a la mayoría de necesidades de medidas y análisis avanzados de calidad, que los profesionales demandan en la actualidad para el análisis de transformadores, motores, baterías de condensadores, filtros, aceite dieléctrico, antenas, etc., empleando siempre la más alta tecnología existente, en continua evolución.
Desde su aparición, el análisis SFRA se ha convertido en la herramienta de diagnostico más importante para detectar cambios internos en devanados de maquinas eléctricas, siendo imprescindible para diferentes etapas durante la vida útil de los transformadores o motores, puesta en marcha, durante el servicio, después de un disparo de la protección por falla del sistema, después del disparo de la protección por falla interna, o para realizar operaciones de mantenimiento rutinario, son algunas de las posibilidades que ofrece.
En los diagnósticos de transformadores y motores eléctricos, el valor obtenido en los ensayos es interpretado en base a los conocimientos de la persona que realiza la medida, atendiendo a escalas de valores establecidas para el parámetro que se está midiendo, resultando evaluar el estado de los transformadores y motores a juicio del profesional mediante un diagnóstico de bueno o malo, en la mayoría de ocasiones. En ésta interpretación de resultados nunca están presentes los problemas mecánicos de los transformadores o motores, porque no se pueden medir de forma directa con ningún aparato de medida de parámetros eléctricos, y en realidad los defectos mecánicos son responsables de causar la mayoría de las fallas eléctricas de éstos. En un análisis de SFRA esto no sucede, pues se muestra en una imagen toda la información del análisis, que puede ser comprendido fácilmente por el técnico, mediante la simple observación del gráfico resultante. El producto del análisis consiste en una traza compuesta de varios miles de puntos de adquisición de valores en un espectro de frecuencia. Típicamente la traza comienza en 20 Hz y termina en 2 MHz, midiendo en cada punto adquirido de forma consecutiva la respuesta a un estímulo emitido por el analizador. Para el caso de transformadores y motores se miden las tres fases, adquiriendo una traza por cada fase, que son superpuestas por el software del analizador en un mismo gráfico. Si todo es correcto en los devanados, todas las trazas concurren por la misma magnitud y frecuencia, sin observar diferencia alguna entre ellas. Si el transformador o motor presenta algún defecto, el resultado es mostrado en el gráfico, mediante el desplazamiento de las trazas, en magnitud, en frecuencia, o en ambas.
A diferencia de los instrumentos para diagnósticos eléctricos en transformadores y motores, que devuelven como resultado un solo registro numérico, el análisis de SFRA realizado con el analizador E.L.M. 1G-2 tiene la ventaja de mostrar simultáneamente en un gráfico, los problemas eléctricos, todos los defectos mecánicos, el estado del núcleo magnético en transformadores, el estado del estator y del rotor en motores, la existencia de magnetismo remanente excesivo, y los problemas en las conexiones. Por estos motivos el primer diagnóstico que se debe realizar en un transformador o motor es el análisis de SFRA, que mostrara de inmediato el origen de un posible problema, antes de que éste se convierta en una anomalía eléctrica que posteriormente pueda ser detectada por otros tipos de medidas.
Descripción del equipo y de los cuatro modos de funcionamiento
El desarrollo tecnológico esta en continua evolución, los instrumentos actuales para realizar medidas eléctricas quedan obsoletos en poco tiempo, superados por aparatos nuevos con mejores prestaciones. Bajo esta filosofía Montajes Alhama S.L.U. evoluciona constantemente sus equipos de medida para que dispongan del conjunto de técnicas más actual en los campos de firmware, software, y electrónica, con ello se consigue que los equipos adquiridos se conviertan en una inversión segura porque utilizan siempre la técnica existente con mayores prestaciones.
Cuatro instrumentos de análisis en un solo equipo
Modo Analizador SFRA (Analisis de Respuesta por Barrido de Frecuéncia)
El analizador E.L.M.1G-2 es un instrumento de altas prestaciones muy completo concebido para realizar diversas pruebas eléctricas, incluye un SFRA (Sweep Frequency Response Analyzer) o Analizador de Respuesta por Barrido de Frecuencia con un ancho de banda que cubre desde 100 μHz a 150 MHz. Basado en las normas internacionales IEC 60076-18, e IEEE ST C57.149, este equipo compacto ha sido desarrollado para profesionales que pretenden analizar la respuesta de aparatos eléctricos, y dispositivos electrónicos en el dominio de la frecuencia, como devanados de transformadores y motores de cualquier potencia, filtros eléctricos y electrónicos de todo tipo, etc. relacionados con el mundo de la electrotecnia y la radiotécnia. Como ejemplo de las posibilidades de este instrumento moderno, podemos trazar la curva de respuesta en ganancia e impedancia de un amplificador de audio o de un amplificador de RF (Radio Frecuencia), también podemos poner a punto y verificar la respuesta de un lazo de control PID súper lento como la elevación de temperatura controlada del horno de una ladrillera, o de alta velocidad como el de las fuentes conmutadas que funcionan a centenares de KHz. Los ingenieros de sistemas e investigadores pueden beneficiarse de las numerosas funciones y características. Para lograr un rendimiento sin precedentes, el producto utiliza un filtro de paso de banda extremadamente estrecha, controlado por un digitalizador de alta velocidad con un ancho de banda en frecuencia de 1 GHz, así como un algoritmo de ajuste de rango automático para cada medición, sus interfaces son de fácil uso e intuitivas, Gracias a este filtro, la velocidad de datos enviada a través del bus USB no representa un desafío y no supone un cuello de botella para la velocidad de medición en general. El equipo incluye entradas de verificación para diagnosticar que el analizador y los cables funcionan correctamente, también se pueden utilizar los kits de señales estándar opcionales para verificar el funcionamiento. Más adelante se describe un caso practico de éste modo.
El analizador de SFRA, E.L.M. 1G-2 también puede detectar espiras en cortocircuito o medir diferencias de espiras en los devanados de transformadores como se muestra en los esquemas que veremos a continuación, no obstante, el medidor de relaciones de transformación o TTR (Transformer Turns Ratio) es el equipo adecuado para realizar estas medidas, pues es mucho más sensible y está especialmente concebido para medir relaciones de transformación y para medir diferencias de espiras en las bobinas que forman los devanados de los transformadores. Para ampliar esta información puede visitar el apartado "Medidor TTR" en nuestra WEB, en la barra de menú I+D Analizadores. En ciertos casos las espiras con aislamiento deficiente en un devanado eléctrico solo presentan el "puenteo" por cortocircuito cuando se aplica la tensión nominal, es decir, las tensiones utilizadas para análisis de SFRA nunca podrán alcanzar el nivel de voltaje suficiente para producir un puenteo entre las espiras con aislamiento débil en los devanados. Para resolver estas cuestiones se debe utilizar el generador de impulso de sobre tensión E.L.M. 10, el cual proporciona el voltaje suficiente para producir un puenteo durante el impulso que envía el instrumento al devanado ensayado, donde la medida que realiza este último instrumento es infinitamente más sensible que el análisis de SFRA en este campo. Para ampliar esta información puede visitar el apartado "Comprobador de devanados eléctricos" en nuestra WEB, en la barra I+D Analizadores.
Una característica controvertida en los Analizadores de SFRA es su sensibilidad en dB (deci Belios). Aunque el analizador E.L.M. 1G-2 dispone de alta sensibilidad -150 dB, en la práctica no se obtienen lecturas de SFRA inferiores a -90 dB aproximadamente, cuando se evalúan devanados de transformadores. La sensibilidad de -150 dB de que dispone el equipo E.L.M. 1G-2 se usa para realizar la Espectroscopia Dieléctrica DFR en el aceite dieléctrico. Conviene conocer que un aparato electrónico de medida que disponga de una sensibilidad de -120 dB es mas sensible por ejemplo, que otro aparato que disponga de una sensibilidad de -100 dB, es decir, cuanto menor es la cifra de dB, mayor es su sensibilidad, siendo siempre una magnitud "negativa", o sea, menor que "0" dB.
Modo Desmagnetizador de núcleos de transformadores y motores
Con el tiempo y el uso, los núcleos magnéticos de hierro de los transformadores y motores quedan magnetizados de forma permanente con una pequeña cantidad de magnetismo denominado "magnetismo residual o remanencia magnética", que puede ser admisible siempre y cuando podamos medirla y su magnitud sea pequeña, no obstante, el magnetismo residual reduce la permeabilidad magnética del núcleo y afecta al rendimiento. El magnetismo residual es un mal invisible que impide el buen funcionamiento de los transformadores y motores que utilizan chapa magnética de hierro para la construcción del núcleo, es decir, casi la totalidad de transformadores y motores. En transformadores que operan con cargas eléctricas de elevada potencia en proporción a la potencia nominal del transformador, cuando dichas cargas son conectadas y desconectadas con frecuencia, la desconexión brusca de éstas provoca el incremento del magnetismo residual en el núcleo. Este fenómeno se ve incrementado notablemente cuando se producen disparos de las protecciones contra sobrecarga de los aparatos alimentados por el transformador, especialmente por el disparo causado por cortocircuitos, pues las desconexiones bruscas de la carga interrumpen el ciclo normal de histéresis del núcleo magnético, quedando éste magnetizado en el punto donde se desconectó la carga. En ocasiones el núcleo magnético llega a funcionar con una proporción de magnetismo residual intolerable que reduce sustancialmente la potencia disponible en el transformador, por esta causa se debe desclasificar la potencia máxima que puede suministrar el transformador, si se conoce esta anomalía.
A continuación, tenemos la imagen de un núcleo magnético de hierro formado por tres columnas perteneciente a un transformador trifásico “desnudo", es decir, sin los devanados eléctricos. Básicamente la potencia máxima que puede suministrar un transformador la determina el volumen físico de su núcleo magnético, que no cambia nunca, menos la pérdida de permeabilidad del núcleo a los campos electromagnéticos, que es causada por el magnetismo residual acumulado, el cual aumenta con el tiempo, y depende de la histéresis acumulada durante el funcionamiento. Los devanados eléctricos también tienen pérdidas, pero son pequeñas y no cambian nunca, excepto si el devanado presenta anomalías físicas. La desconexión brusca de la carga en el transformador y los micro cortes del suministro eléctrico producen "picos transitorios" de histéresis que aumenta de forma permanente el magnetismo residual del núcleo. Aunque estos picos de histéresis solo aparecen brevemente, la pérdida de permeabilidad causada en el núcleo no desaparece, y el transformador opera indefinidamente con menor rendimiento, sin que se sepa. Por ejemplo, un transformador de 630 KVA de potencia, con una pérdida de permeabilidad magnética en su núcleo del 30 %, solo dispondrá de una potencia útil de: 630 KVA – 30 % = 441 KVA. Como se ha explicado anteriormente el magnetismo residual es un mal invisible que reduce el rendimiento del transformador, pero tiene fácil solución desmagnetizando el núcleo, esta operación se puede realizar in situ, sin necesidad de desmontar el transformador.
En los casos de magnetismo residual elevado es frecuente que el transformador supere la temperatura máxima de diseño incluso cuando opera con carga inferior a la nominal, esto ed debido a la pérdida de gran parte de la permeabilidad magnética en el núcleo. Al mismo tiempo, la conexión del transformador a la red, o la ocurrencia de micro cortes del suministro eléctrico, pueden producir el desplazamiento de los devanados internos del transformador y averiarlo, esto sucede porque la corriente "Inrush" (corriente de inserción a la red) cuando se conecta el transformador o cuando sufre micro cortes del suministro, producen esfuerzos electromagnéticos anormales, debidos a las enormes corrientes adicionales provocadas en los núcleos de los transformadores con presencia de magnetismo residual elevado. La corriente de inserción a la red en un transformador puede alcanzar normalmente de 8 a 12 veces la corriente máxima nominal, en transformadores con elevado magnetismo residual, la corriente de inserción a la red puede alcanzar varias docenas de veces su corriente máxima nominal. Las fuerzas electro magnéticas que producen estas corrientes pueden ocasionar desperfectos mecánicos en las estructuras físicas que soportan los devanados eléctricos del transformador, provocando averías tempranas en los devanados. Los desperfectos mecánicos causados por el magnetismo residual en el devanado de los transformadores, son acumulativos y permanecen durante toda la vida del transformador.
A continuación, en la imagen izquierda podemos ver el ciclo de histéresis de un material magnético sometido a un campo electromagnético de corriente alterna. Las pérdidas de potencia residen en que la "remanencia magnética" en cada ciclo de la red, hace que la fuerza "coercitiva" necesaria para devolver el campo magnético a su origen aumente su magnitud, lo cual se traduce en mayor consumo que no genera trabajo alguno, mayores pérdidas, menor potencia disponible en el transformador a causa de la menor permeabilidad magnética del núcleo, mayor calentamiento, mayor envejecimiento de los aislamientos de papel y celulosas, y mayor descomposición del aceite dieléctrico. En la imagen derecha aparece la comparación entre un ciclo de histéresis normal (color azul), y un ciclo de histéresis con magnitud elevada (color marrón). El ciclo de histéresis se presenta junto con la onda de voltaje de corriente alterna que origina la histéresis sobre un material ferromagnético cuando el campo magnético cambia de polaridad.
En la imagen siguiente podemos ver un "análisis real de histéresis" del núcleo magnético de un transformador, donde podemos apreciar en el área de medida que realiza el software del analizador, que el resultado de la medida de remanencia magnética es "No OK". Así mismo, el valor del campo coercitivo necesario para devolver el magnetismo residual a cero, también es elevado. La densidad de flujo magnético que se alcanza en este análisis es de +1,9 Teslas para el semiciclo positivo y -1,9 Teslas para el semiciclo negativo. En el núcleo de este transformador se produce una elevada proporción de pérdida de potencia, además de la energía eléctrica consumida que se transforma en calor. Con objeto de que el transformador no se sobrecaliente cuando opera con régimen de carga elevada, será necesario desclasificar la potencia máxima disponible para evitar la degradación temprana de los devanados o una avería en los mismos. Para devolver las características de histéresis del núcleo magnético de este transformador a sus valores normales es necesario realizar el desmagnetizado del mismo.
La siguiente imagen muestra la medida realizada con el analizador de SFRA E.L.M. 1G-2 para determinar la presencia o ausencia de valores altos de remanencia magnética en el núcleo de un transformador. Una diferencia en magnitud vertical en la escala de ganancia expresada en "dB", de pequeño valor entre las trazas de las distintas fases, por ejemplo, 4-5 dB es admisible en cuanto a la remanencia magnética que puede presentar el núcleo de un transformador, sin que éste ocasione pérdidas de potencia convertidas en forma de calor excesivo, o signifique una anomalía. En este análisis la presencia de Remanencia magnética es moderada, con 8 dB de diferencia entre las fases L1 (traza verde) y la fase L3 (traza amarilla), esto significa que el transformador puede operar de forma contínua a pesar de las pérdidas que ello supone, siendo conveniente la desmagnetización del núcleo para mejorar el rendimiento del transformador.
En el siguiente análisis la diferencia en magnitudes es de 26 dB entre la fase L1 (traza verde) y la fase L2 (traza roja), lo cual es sinónimo de valores altos de remanencia magnética. Para mejor comprensión recordaremos que el "dB" (decibelio) es una medida logarítmica, esto significa que una diferencia en magnitud de 10 dB entre dos señales distintas significa que la magnitud de una sobre la otra es diez veces superior si es ganancia, o diez veces inferior si es pérdida, para una magnitud de 20 dB entre dos señales distintas significa que existe una diferencia de 100 veces, para 30 dB equivale a 1000 veces, y así sucesivamente. En el caso del análisis de la imagen inferior realizado al transformador, los 26 dB registrados equivalen a una diferencia de 398 veces la potencia de la remanencia magnética de la fase L2 en comparación con la fase L1, comparando las fases L2 y L3 la diferencia es mayor. Las principales consecuencias de esta anomalía son consumos anormalmente elevados de energía en el transformador que no producen trabajo alguno, sino calor, corrientes de inserción a la red (corriente de conexión) extremadamente elevadas que pueden ocasionar movimientos bruscos en los devanados del transformador, y deformaciones en sus estructuras físicas, estas anomalías pueden ocasionar con el tiempo la falla del transformador. Los micro cortes del suministro eléctrico generan corrientes Inrush mucho mayores que la corriente de conexión y ocurren con mayor frecuencia que las conexiones o desconexiones del transformador a la red, provocando mayores deformaciones en los devanados. Dichas deformaciones son acumulativas, y permanecen durante toda la vida del transformador, pudiendo ocasionar una avería temprana en los devanados. Los transformadores con elevada remanencia magnética deben ser desclasificados de potencia, para reducir la potencia máxima que pueden suministrar, y evitar que se averíen, especialmente si la carga que opera el transformador es cercana a su potencia máxima nominal. En este caso el transformador no puede operar de forma continuada con la carga nominal, siendo imprescindible las desclasificación de potencia del transformador para que éste no sufra una avería por exceso de temperatura en los devanados cuando opera con carga elevada.
Obsérvese en el gráfico anterior, que a pesar del fuerte magnetismo residual mostrado en el espectro de baja frecuencia comprendido entre 20 Hz y 100 KHz, las trazas de resonancia de las bobinas de las tres fases de los devanados, comprendidas entre el espectro de frecuencias marcado como "OK" desde 200 KHz hasta 1 MHz concurren aproximadamente por la misma magnitud, esto es indicativo de que los devanados de las tres fases del transformador no han alcanzado aún el nivel de falla, pudiéndose recuperar el estado original de remanencia magnética mediante el desmagnetizado del núcleo, y evitar así una avería en el transformador.
La única solución en caso de remanencia magnética elevada en los transformadores es desmagnetizar su núcleo, aunque los defectos físicos producidos por las corrientes de inserción o por los micro cortes, sobre los devanados, no son recuperables, la des magnetización del núcleo evita el aumento del consumo de energía convertida en calor, el incremento de las deformaciones en los devanados causados por los sobre esfuerzos electromagnéticos, la degradación de los aislamientos y del acéite dieléctrico.
El equipo E.L.M. 1G-2 cuenta con un desmagnetizador para eliminar la remanencia magnética que se produce en las chapas de hierro de los núcleos de transformadores y motores después de un cortocircuito, por una sobre corriente, o por envejecimiento del aislamiento inter laminar. Cuando un núcleo magnético excede el punto de saturación magnética se produce cierta desviación del ciclo de histéresis, aumentando las pérdidas de energía en las chapas de hierro por efecto de la histéresis, dichas pérdidas son transformadas en forma de calor a causa de un aumento de las corrientes de Foucault, éstas perdidas adicionales permanecen durante todo el tiempo de funcionamiento. Se debe desmagnetizar un núcleo después de una falla del aparato o por cortocircuito en la instalación que alimenta al aparato, o por cortocircuito en la instalación a la que éste alimenta Es importante conocer que se deben desmagnetizar los núcleos antes y después de realizar mediciones de aislamientos, especialmente cuando las medidas son realizadas con instrumentos que emplean CC (corriente continua) para evaluar aislamientos, pues la CC polariza las partículas de los dieléctricos y con la nueva puesta en tensión se puede producir un sobre esfuerzo muy elevado de intensidad y disparo de las protecciones por la sobre corriente que el aparato absorbe de la red para reorientar de nuevo las partículas, pues se trata en la mayoría de casos de instalaciones que funcionan con CA (corriente alterna). Si se desconoce la presencia de remanencia magnética elevada en los núcleos, se debe desmagnetizar un núcleo antes de realizar medidas sensibles de cualquier naturaleza porque las mismas pueden resultar imprecisas o erráticas. Más adelante se describe un caso práctico de éste modo.
Modo Espectroscopia Dieléctrica DFR para conocer en un transformador la humedad del aceite aislante y el aislamiento de las celulosas
La evaluación de la calidad del aceite dieléctrico es posible mediante barrido de frecuencia en la banda del espectro de muy baja frecuencia comprendida entre 10 mHz y 100 Hz, el resultado de la medida es similar a una medida de Tgð (Tangente Delta), de hecho la magnitud que devuelve la medida es la Tgð proporcionada como resultado de la medición de la permitividad y la conductividad del aceite dieléctrico. La medida se realiza entre devanados de BT y AT, cortocircuitando los bornes en ambos y aplicando barrido de frecuencia entre ellos con baja tensión comprendida entre 5 y 150 V. El hecho de que el equipo E.L.M.1G-2 tenga un ancho de banda espectral en frecuencia que comienza en 100 µHz, posibilita que también podamos evaluar el contenido de humedad de las celulosas aislantes en los transformadores, que son responsables del 95% del contenido total de agua del transformador, por su parte el aceite puede contener el 5% restante del total de humedad, pero ocupa más del 95% del volumen total de los aislamientos en comparación con las celulosas (papel, cartón, algodón, etc.). La condición de aislamiento del aceite puede recuperarse de forma sencilla mediante tratamiento o sustitución del mismo, por su parte la calidad del aislamiento de las celulosas es difícil de recuperar y solo se puede mejorar mediante el proceso de "curado" que consiste en la limpieza y lavado de todos los componente internos del transformador después de desencubar el núcleo y los devanados, lavándolos con aceite dieléctrico nuevo, más la desgasificación al vacío del núcleo y los devanados y sus aislamientos, calentando estos dentro del autoclave a una temperatura comprendida entre 100-110 ºC, el proceso suele dar buenos resultados pero se ha de prescindir del transformador durante la realización de los trabajos, que deben ser realizados en taller. La banda de espectro de frecuencias de barrido que son necesarias para evaluar la Tgð de las celulosas se encuentra mucho más abajo que en el caso del aceite dieléctrico, las mismas están comprendidas entre 100 µHz y 20 mHz, pudiéndose realizar con el E.L.M.1G-2 el barrido de las dos bandas de frecuencias para verificar los dos tipos de aislamientos simultáneamente, celulosas más aceite, en una sola prueba. Con una frecuencia mínima de 1 µHz en opción para el modo DFR, el analizador E.L.M.1G-2 se convierte en un equipo record absoluto en este tipo de instrumentos de medida. La espectroscopia dieléctrica o DFR es más lenta de realizar que el análisis de SFRA debido a que las frecuencias muy bajas toman un tiemplo considerable para adquirir las medidas, por ejemplo, un solo ciclo o "Hz" realizado a una frecuencia de 10 mHz tiene un periodo de duración de 100 segundos. La norma C57.161-2018 determina que es posible evaluar el contenido de humedad de los aceites dieléctricos mediante la prueba DFR en transformadores que contienen aceite como dieléctrico, esta conclusión está avalada por estudios previos de diferentes investigadores que coinciden en resultados similares, la norma viene a reforzar las conclusiones de todos los estudios y recomendaciones para realizar este tipo de pruebas. Cuando se trata un aceite dieléctrico, el aislamiento del mismo puede ser restituido a valores de "nuevo" mediante intercambio químico posterior al tratamiento, prolongando así la vida útil del aceite durante muchos años. Esto supone una mejora para el medio ambiente, a la vez que una reducción importante en costes de mantenimiento.
Modo analizador de impedancia
Analizar la impedancia de los materiales o circuitos eléctricos es fundamental para poder determinar el comportamiento de los componentes o receptores que forman las instalaciones. La impedancia cambia con la frecuencia, por lo tanto, un circuito no diseñado para funcionar con frecuencias distintas tendrá un comportamiento diferente sometido a frecuencias distintas a las de diseño. Por ejemplo, una batería de condensadores que dispone de filtros para los armónicos, ésta podría provocar disparos de las protecciones o averías frecuentes en los condensadores, si la frecuencia de sintonía de los filtros está mal calculada o mal fabricada respecto a los valores de capacidad de los condensadores o desviaciones sobre la inductancia que presentan los inductores que hacen el filtrado, este fenómeno o anomalía es más frecuente de lo que se piensa. Realizando un análisis de la impedancia que ofrece la batería de condensadores podremos averiguar la presencia de errores de diseño y de fabricación, pudiendo anticiparnos a las averías en los condensadores. Otro ejemplo consiste en averiguar el consumo que provocara en la red un motor de elevada potencia para el cual no conocemos con seguridad si el mismo está correcto o es defectuoso, por ejemplo una electrobomba sumergible instalada en un pozo profundo mostrara una resistencia de los conductores más el devanado eléctrico de muy baja resistencia si medimos con un multímetro. En este caso la conexión a la red para realizar la prueba puede acarrear otras avería en cascada si el devanado del motor se encuentra en cortocircuito. Estos son solo unos ejemplos, el análisis de impedancia es especialmente útil para averiguar el estado de falla de máquinas eléctricas de elevada potencia las cuales solo se pueden evaluar en ocasiones conectándolas a la red para probarlas, en estos casos realizando un análisis de la impedancia conoceremos su estado sin tener que conecrtarlos a la red. El análisis de impedancia realizado con el analizador de SFRA E.L.M.1G-2 resuelve todos estos problemas y muchos más.
Además de los cuatro modos de funcionamiento que realiza el Analizador de SFRA E.L.M.1G-2, descritos anteriormente, en los siguientes esquemas podemos ver las medidas que son posibles de realizar con éste equipo.
El software permite realizar barridos de frecuencia de muy alta resolución de hasta 50.000 pasos, tambien permite realizar barridos de forma rápida con tiempos definidos por el usuario para reconocer el estado general de todos los devanados de un transformador, posteriormente podemos realizar barridos de frecuencia de mayor resolución sobre las zonas que sean de interés, o hacer zoom sobre una zona del espectro de frecuencia que hemos adquirido. Una de las ventajas del equipo reside en la utilización de un digitalizador de alta velocidad en combinación con un PC de última generación funcionando bajo entorno Windows, con la excelencia de realizar cálculos matemáticos con una velocidad de proceso de 20.000 lecturas por segundo sobre una forma de onda senoidal perfecta, generada con una resolución de 14 Bit. Otras de las ventajas de utilizar un PC para tratar los registros de barridos de frecuencia, es la capacidad ilimitada de almacenamiento de ficheros, la gran visibilidad y resolución de la pantalla, o la facilidad de envío de la información de los registros adquiridos vía internet de forma instantánea sin pasar por la oficina. El E.L.M.1G-2 es una herramienta de medida y análisis muy poderosa, en comparación con los SFRA que utilizan sistemas embebidos todo en uno.
Ejemplos de algunas de las deformaciones que pueden ocurrir en devanados de transformadores, vistos de izquierda a derecha; Volcado, Desplazamiento, Aplastamiento, Deformación Radial, son algunos de los problemas mecánicos que pueden suceder durante la vida de los transformadores, éstas anomalías pueden ser detectadas mediante análisis por barrido de frecuencia. Igualmente pueden ser detectadas las conexiones defectuosas, el estado del núcleo magnetico (exceso de remanencia magnética), o la correcta puesta a tierra del mismo, etc., son parámetros mostrados en un análisis de SFRA. Todos los defectos mecanicos en un transformador, causan daños en los aislamientos y en la estructura mecánica de los devanados, que al inicio de su ocurrencia son invisibles para cualquier tipo de medida. Cuando los defectos mecánicos en los transformadores ya se encuentran en una fase avanzada de deterioro, entonces son visibles para otros tipos de medida. Solo el análisis de SFRA realizado con el E.L.M. 1G-2 puede mostrar defectos al inicio de su ocurrencia, por mínimos que éstos sean.
SFRA en máquinas eléctricas rotativas
La detección de espiras en cortocircuito y espiras cortadas en los devanados de las maquinas eléctricas rotativas son anomalías que pueden ser detectadas fácilmente mediante el análisis de SFRA. El principio de funcionamiento para la detección de estos problemas se basa en la detección de "cambios de inductancia en el dominio de la frecuencia" en las bobinas, de modo que una bobina que tiene parte de sus espiras en cortocircuito presentara menor inductancia que una bobina sana, al ser barrida por una señal de frecuencia alterna. Los cortocircuitos presentes entre espiras de la misma bobina en los devanados de máquinas eléctricas rotativas pueden ser reparados, pues en la mayoría de ocasiones dichos cortocircuitos suceden por contaminación entre espiras, este detalle cobra relevancia en máquinas grandes de coste elevado. Existe otro método distinto al análisis de SFRA para detectar cortocircuitos entre espiras basado igualmente en el mismo principio de funcionamiento, la detección de cambios de inductancia. Consiste en enviar al devanado bajo ensayo un solo pulso de voltaje, de tensión mucho más elevada que la tensión nominal de la máquina, con objeto de producir un arco voltaico disrruptivo entre las espiras con menor aislamiento, con ello el número de espiras de las bobinas cambia a causa del puenteo que produce el arco voltaico. Este método tiene la desventaja de poder causar una perforación dieléctrica que antes no existía, entre espiras de la misma bobina, entre bobinas de distinta fase, o entre el devanado y la masa de la máquina, estos equipos son más pesados, tienen un precio más elevado, y entrañan más riesgo en su uso por los voltajes elevados que pueden generar. Estos instrumentos de comprobación para devanados estan considerados entre los aparatos que utilizan "medidas destructivas", son los que se utilizaban antes de la aparición de las medidas por barrido de frecuencia, generalmente son aparatos fijos, y además solo sirven para conprobar posibles cortocircuitos entre espiras. Con el análisis mediante SFRA que realiza el analizador E.L.M.1G-2 esto no sucede nunca, ya que para el ensayo se utilizan tensiones seguras menores a 25 VAC no destructivas, éste es un equipo muy compacto, tiene un peso reducido, es portátil, y muestra mucha más información en comparación con el antiguo metodo de impulso de alto voltaje.
El analizador de SFRA E.L.M.1G-2 puede guardar señales como referencia, y recuperarlas después para compararlas, puede imprimir el contenido de las pruebas y generar ficheros Excel, JPG, PDF, y BMP, logra registrar eventos de señales tan rápidos como 0,05 μS (micro segundos) o tan lentos como 365 días de duración. Con éste instrumento se pueden programar y generar toda clase de señales y amplificarlas para aumentar su potencia, es totalmente programable mediante su interface, con una salida de potencia lo suficientemente elevada desde DC hasta 30 MHz por ejemplo para excitar motores ultrasónicos, puede generar señales con menor magnitud sin amplificar hasta 400 MHz, y realizar mediciones hasta 1 GHz, todas estas características son útiles para probar y poner a punto o excitar toda clase de aparatos o circuitos eléctricos y electrónicos, todas las funciones son configurables fácilmente. Asimismo, el E.L.M.1G-2 dispone de 32 canales con la capacidad de medir y generar señales indistintamente mediante su potente interface, que puede ser usada para poner a punto multitud de circuitos, por ejemplo, el diagnostico de interruptores de Baja, Media y Alta Tensión de varios polos con sus contactos auxiliares asociados para probar su sincronismo, tiempos de apertura y cierre, etc. Gracias a la elevada velocidad de proceso del digitalizador, el E.L.M.1G-2 puede ser sincronizado por su canal de disparo para grabar o registrar eventos de muy corta duración, por ejemplo, medir la forma de onda de una sobre corriente muy elevada del tipo arranque de motor de gran potencia o registrar magnitudes de corrientes de cortocircuitos eléctricos desde algunos mA (mili amperios) hasta el rango de centenares de KA (Kilo Amperios), mostrando a la vez las formas de onda de los cortocircuitos con una precisión de 0,5%.
Se trata de un instrumento de muy bajo consumo que toma su alimentación desde el PC con una duración de funcionamiento conjunto de forma ininterrumpida de más de 8 horas sin necesidad de alimentase de la red cuando no se necesita generar la máxima potencia, cuando se utiliza la máxima potencia el equipo se alimenta de la red eléctrica. El equipo es portátil y está concebido para uso intensivo en campo en cualquier lugar y ambiente, en el diseño se ha buscado la máxima inmunidad frente a las interferencias electro magnéticas, ya que muchas de las mediciones que realiza son de parámetros de señales muy débiles y por ello el equipo debe ser muy sensible en las mediciones, a la vez que robusto e inmune al ruido EMI y a los campos magnéticos de gran intensidad presentes en los ambientes industriales donde deberá funcionar.
Ejemplo de caso práctico real de medida de SFRA
Descripción del evento sucedido: La protección de Alta Tensión del transformador de un cliente disparó dejando al aparato fuera de servicio, posteriormente tras realizar un análisis de barrido SFRA al transformador el grafico del análisis mostro problemas en los devanados, después de desencubar el devanado se localizó una avería por desplazamiento de varias bobinas encontrándose éstas deformadas. La causa fundamental que provoco la avería consistía en un desacertado dimensionamiento en origen, de la potencia de éste transformador para accionar una electrobomba de potencia similar a la del transformador, siendo el sistema de arranque de la electrobomba en delta (arranque directo). Este transformador ya tenía acumulado un histórico de otra avería similar producida en años anteriores. Cuando se realizan arranques directos de motores, los mismos pueden llegar a consumir hasta 7,2xIn veces su intensidad máxima nominal en el momento de la conexión a la red, esto sucede cuando los motores se encuentran conectados cerca de un centro de transformación, si se encuentran alejados de éste la corriente será de alrededor de 6xIn dependiendo de la longitud de los conductores. Este tipo de arranques de motores eléctricos producen solicitaciones de corriente muy elevadas que se traducen en impactos de gran fuerza electromagnética sobre el conjunto de bobinas de los devanados de los transformadores, pudiendo aflojar los soportes y desplazar las bobinas. En el caso de ser necesario realizar este tipo de arranques con motores de elevada potencia, el transformador debe disponer al menos de una reserva de potencia de 200% mayor que la potencia del motor, para no comprometer la integridad del transformador. El análisis de SFRA puede anticipar la presencia de este tipo de problemas durante los mantenimientos rutinarios, antes de que se produzca la falla del transformador. Se trata de la prueba más rápida y segura que se puede realizar a un transformador, y la que más información puede mostrar del mismo. En consecuencia, disponiendo de esta valiosa información los técnicos pueden tomar las decisiones oportunas, seguir operando con el transformador, reparar, o sustituir el aparato.
Imagen del transformador del ejemplo descrito con bobinas de la fase V1 de AT desplazadas y deformadas , y las columnas de los devanados con cercanías peligrosas en la parte inferior, todo ello ha sido causado por numerosos arranques en (delta) de un motor con potencia cercana a la máxima potencia nominal del transformador.
Análisis SFRA del devanado del transformador de la imagen anterior, donde se aprecian los efectos de la deformación de las bobinas, producidos por el desplazamiento de las mismas a causa del sobre esfuerzo magnético de los arranques. Como podemos observar, los trazados de los distintos vértices de resonancia correspondientes a los tres devanados del transformador, se encuentran desordenados, además los trazados muestran magnitudes diferentes en los tres barridos correspondientes a las fases L1 azul, L2 rojo, y L3 amarillo. Así mismo las frecuencias inferiores a 15 KHz muestran magnitudes muy diferentes en las tres trazas debido a movimientos en las columnas de los devanados y a exceso de magnetismo remenente en el núcleo.
Este tipo de anomalías como la del ejemplo anterior es muy difícil de detectar mediante otros tipos de medidas. La medida de aislamiento no mostrara el defecto ya que no existe contacto mutuo entre las otras fases de los devanados o entre devanados y masa. Las medidas de "TTR" (medida de relaciones de transformación) en modo directo o en modo inverso no mostraran defecto ya que no existe perdida de espiras en las bobinas ni cortocircuitos entre ellas. Las medidas de impulso tampoco verán el defecto porque las inductancias de los tres devanados son iguales por conservar todas sus espiras en cada bobina y por lo tanto no existe debilidad de aislamiento entre las espiras. Tampoco se puede detectar la anomalía mediante el test de corriente de excitación por los mismos motivos anteriores debido a que las corrientes absorbidas dependen de la reactancia de los devanados y resulta que son iguales. La prueba de corriente de cortocircuito es ineficaz por la misma razón que para la prueba de TTR. La medida de resistencia de devanados mostrara la misma resistencia para las bobinas de los tres devanados de BT y de AT sin que se reconozca ninguna diferencia de resistencia por comparación con las otras fases o frente a valores del fabricante. La medida de gases disueltos "DGA" no muestra nada respecto al desplazamiento del núcleo o las deformaciones de los devanados. La única prueba que puede detectar la presencia de una anomalía en estas condiciones es un ensayo de "DP" (descargas parciales) realizado a una tensión muy superior que la nominal de funcionamiento del transformador con objeto de que se produzcan descargas parciales suficiente para mostrar el defecto, pero también se puede producir un arco voltaico entre los devanados en los cuales existen cercanías peligrosas, con riesgo de perforar definitivamente el aislamiento debilitado, enfrentándonos a una reparación costosa o al cambio del transformador. La prueba de DP es mucho más compleja y costosa, y utiliza equipo pesado compuesto de varios aparatos de alta tensión, en la cual se utilizan tensiones peligrosas durante el ensayo que deben ser operadas solo por personal cualificado con experiencia en este tipo de medidas. En comparación con las pruebas de SFRA, éstas últimas son pruebas muy sencillas y rápidas de realizar para las que no se precisa ninguna cualificación ni experiencia y utilizan tensiones seguras en el caso del E.L.M.1G-2. Resulta también que un equipo de análisis para realizar ensayos de DPs es pesado y consta de varios componentes, que normalmente no está al alcance de la mayoría de profesionales por su elevado coste, siendo su uso principalmente para laboratorios de alta tensión y para empresas que se dedican a la reparación y fabricación de transformadores. El análisis de DP solo detecta el problema pero no muestra el origen de la anomalía, por su parte el análisis mediante SFRA puede mostrar el origen del problema antes de que cause la anomalía. Si tenemos en cuenta que las deformaciones o desplazamientos severos de las bobinas de un transformador pueden corregirse fácilmente y que una reparación por perforación dieléctrica de los devanados tiene un coste muy superior que una corrección, el análisis por SFRA supone un ahorro importante en costes de mantenimiento.
Las alteraciones del suministro eléctrico en líneas de AT o MT pueden causar bajadas del voltaje de muy corta duración, por ejemplo, por un arco voltaico surgido desde un conductor eléctrico a masa, a través de un aislador con aislamiento pobre, o por otras circunstancias como la humedad. El impacto de la bajada de tensión brusca sobre la carga de un transformador, el cual recibe la alteración del voltaje, puede ocasionar una sobrecarga de corriente en los devanados primario y secundario del transformador, generandose el disparo de las protecciones, si éstas actuan a tiempo, para despejar la sobrecarga en el transformador, interrumpiendo la alimentación al transformador para dejarlo fuera de servicio. Hasta ahora puede parecer todo correcto, pero pueden existir consecuencias derivadas del sobre esfuerzo magnético realizado por los devanados del transformador, especialmente en el devanado primario, por esta causa, cuando se producen disparos fortuitos de las protecciones de los transformadores que operan con carga elevada, las estructuras mecánicas y los aislamientos que soportan los devanados, y los propios devanados, pueden quedar deformados. Los efectos de los impactos por sobrecargas bruscas de corta duración en los transformadores son acumulativos, y aunque el transformador puede seguir operando, ignorar el estado físico de los devanados de un transformador que ha recibido múltiples sobrecargas de este tipo, conduce a la falla temprana del transformador, si desconocemos el problema y no se corrige a tiempo. Por estos motivos, cuando suceden disparos de las protecciones de los transformadores, se debe realizar un análisis de la integridad física de los devanados, mediante un equipo de SFRA, con ello podremos anticiparnos y corregir desperfectos mecánicos leves en las estructuras del transformador antes de que se produzca una falla irreversible. Para hacernos una idea, la corriente "Inrush" (corriente de conexión del transformador a la red) es de alrededor de 6 a 12 veces la corriente máxima nominal del transformador, esto sucede durante los primeros ciclos de red recibidos por los devanados, después de ello el núcleo magnético del transformador ya está saturado y la corriente que recorre los devanados desciende por debajo de valores nominales. Si un transformador opera con carga elevada recibe una alteración del voltaje de suministro de la red, en forma de bajada brusca de tensión, con posterior recuperación de la tensión, la sobrecarga puede alcanzar magnitudes de corriente tan grandes como cientos de veces la corriente nominal del transformador, es evidente que las estructuras físicas de los devanados pueden ser afectadas por el sobre esfuerzo magnético que producen las bobinas del transformador. Hay que considerar que los fabricantes no diseñan los transformadores para soportar un número indefinido de sobrecargas bruscas causadas por defectos en el suministro eléctrico de la red.
Cotocircuitos y Magnetismo remanente en el núcleo magnético de los transformadores
Una de las causas comunes de deformación de las bobinas de los transformadores son los cortocircuitos, Cuando un transformador está expuesto a cualquier cortocircuito de la red, o de la carga, provoca un flujo de corriente mucho mayor según el siguiente calculo: Icc (Intensidad de cortocircuito) = (In x 100)/Ucc (Tensión de cortocircuito), resultando en una corriente muy superior que la corriente nominal del transformador, típicamente del orden de miles o decenas de miles de amperios, presentes durante el tiempo que dura el cortocircuito. Esto provoca fuerzas electromagnéticas radiales internas anormalmente elevadas debidas a esa corriente, que se transforman a su vez en sobreesfuerzos mecánicos bruscos sobre las bobinas de los devanados. Las deformaciones radiales de las bobinas reducen las distancias del aislamiento entre devanados de BT y masa, y entre devanados de AT y BT, esta disminución de las propiedades dieléctricas sucede porque el espacio entre bobinas, y entre bobinas y masa disminuye a causa de las deformaciones, provocando cercanías peligrosas de las bobinas al núcleo ferromagnético de hierro, y entre devanados de alta y baja tensión. Así mismo sucede que los espacios en los que antes había aceite dieléctrico, por causa de las deformaciones radiales de las bobina que bloquean éstos espacios se interrumpe en parte la circulación del aceite, produciéndose una mayor temperatura por falta de refrigeración, sobre todo en el devanado secundario por encontrarse éste alojado en el interior, entre el núcleo y el devanado primario.
Los cortocircuitos en la alimentación del circuito primario o en salida del circuito secundario de los transformadores, causan un aumento de remanencia magnética de las chapas del núcleo, transformándose en pérdidas adicionales en forma de calor debido al aumento de las corrientes de Foucault circulantes en las chapas de hierro que lo forman. Éste defecto persiste durante todo el tiempo de operación del transformador, incluso después de una nueva puesta en funcionamiento tras una parada. Este fenómeno sucede al interrumpirse de forma brusca el ciclo de histéresis en presencia de una corriente mucho mayor que la nominal, en éstas condiciones desaparece la intensidad del campo "H" que es el que contrarresta la fuerza del campo coercitivo "B" durante el ciclo de histéresis, quedando de este modo magnetizado en exceso el hierro del núcleo. Con la nueva puesta en tensión la intensidad del campo coercitivo es sumado al campo del nuevo ciclo de histéresis, entonces la corriente necesaria del campo "H" para devolver el campo coercitivo "B" a cero gauss, se elevara al cuadrado de la suma de las dos corrientes.
La excesiva remanencia magnética del núcleo de los trasformadores provoca grandes corrientes de conexión a la puesta en tensión del transformador después de una parada, dependiendo del grado de remanencia éstas corrientes pueden llegar a alcanzar la Icc (intensidad de cortocircuito) del transformador, disparando la protección primaria de alta tensión, ocasionando deformaciones radiales en las bobinas y un nuevo aumento del magnetismo remanente del núcleo. El analizador E.L.M.1G-2 puede devolver los valores originales desmagnetizando el núcleo de los transformadores y recuperando los niveles normales de remanencia.
(Imagen izquierda), Nave para ensayos en transformadores y motores, (imagen derecha), una de las salas del laboratorio donde se analizan las distintas partes de los componentes de los equipos SFRA, Vibrometro Analitico, TTR Medidor de relaciones de Transformación, Inyectores de corriente Primaria, Generadores de Impulso para comprobar devanados eléctricos, Analizador de semiconductores de potencia, Analizador acustico de descargas parciales, Analizador de picado en rodamientos y Calibrador de descargas parciales. Estos equipos se fabrican para analizar parametros en transformadores, motores y toda clase de maquinaria eléctrica o mecánica, y bombas sumergibles.
Aplicaciones Principales de la Función SFRA
Usando la función de análisis SFRA pueden ser detectados los siguientes problemas:
En transformadores
- Cortocircuitos entre devanados, deformación de las columnas.
- Espiras cortocircuitadas o abiertas en bobinas.
- Bobinas deformadas.
- Falso contacto o resistencia elevada en las conexiones.
- Fallo de conexión del conmutador de voltajes.
- Geometría en devanados: inclinación de devabados, aplastamiento de bobinas, excentricidad radial y axial de bobinas, cercanías, aflojamientos de sujeciones de devanados, bobinas sueltas, cercanía a masa, toma de masa suelta, etc.
- Capacidad excesiva entre devanados de AT y masa, lo cual produce el disparo de las protecciones.
- Deformación axial y radial de los devanados.
- Desplazamientos y cercanías entre devanados de alta y baja tensión, entre baja tensión y masa, y entre alta tensión y masa.
En núcleos de transformadores
- Deformación mecánica.
- Laminados del núcleo cortocircuitados.
- Magnetismo residual.
- Conexión a tierra defectuosa de núcleo o pantallas.
- Movimiento del núcleo.
- Estructuras de sujeción rotas.
En motores
- Presencia de espiras en cortocircuito en bobinas de la misma fase o de distinta fase
- Presencia de espiras o conexiones cortadas en bobinas de la misma fase o de distinta fase
- Barras del rotor cortadas
- Conexiones defectuosas en la placa de bornes
- Remanencia magnetica excesiva del estator o del rotor
- Corriente de modo comun en los rodamientos (picado de los rodamientos por arcos voltaicos producidos por los accionamientos por VDFs)
En cables
- Problemas en empalmes defectuosos, cables cortados parcialmente, contactos abiertos y medida de distancia al fallo.
- Deformaciónes mecánicas, aplastamientos, rozaduras, humedad, fuga a masa, etc.
En filtros
- El equipo E.L.M.1G-2 puede analizar la respuesta en frecuencia de un filtro mediante el diagrama de Bode mostrado por el analizador, para conocer si éste cumple con nuestras necesidades. Por ejemplo, podemos analizar la curva de respuesta en frecuencia de las inductancias que se instalan en baterías de condensadores para corregir la energía reactiva, las inductancias están conectadas en serie con los condensadores formando un filtro LC sintonizado generalmente a 189 Hz para rechazo de las frecuencias de los armónicos comenzando por el 5º armónico de la frecuencia de red (250 Hz) y los sucesivos.
Si un condensador que forma parte del circuito LC sintonizado con la inductancia para impedir que los armónicos destruyan el condensador por resonancias, el mismo perdiese parte de su capacidad por envejecimiento u otras causas, dicho circuito LC sintonizara una frecuencia de resonancia más elevada dependiendo de la pérdida de capacidad del condensador, entonces la sintonía del circuito LC podría acercarse a la frecuencia del armónico 5º (250 Hz) o a la de armónicos de orden superiores. En estas circunstancias el condensador consume mucha más intensidad pudiendo estropearse en poco tiempo. Con la función SFRA del equipo E.L.M.1G-2 podemos analizar la respuesta de la frecuencia de resonancia del circuito eléctrico LC formado por condensador + inductancia, con objeto de conocer mediante el diagrama de Bode mostrado por el analizador, si el condensador se encuentra protegido frente a las corrientes de los armónicos, observando en el diagrama del barrido el vértice de la frecuencia a la que sintoniza el circuito LC formado por la capacidad presente en el condensador más la inductancia. Esto ha de entenderse así porque toda perdida de magnitudes en un circuito LC bien sea por pérdida de capacidad en el condensador o por perdida de inductancia, se traduce en una elevación de la frecuencia de resonancia según la siguiente expresión: Fr o F(0) que es la frecuencia de resonancia, es igual a 1/(2ᴫ√(LC), normalmente es el condensador el que pierde parte de su capacidad con el tiempo, la inductancia es improbable que pierda parte de su valor, si por ejemplo en un circuito LC sintonizado a 189 Hz el condensador perdiese un 30% de su capacidad por envejecimiento con el tiempo o por otras causas, su F(0) sería igual a 244 Hz encontrándose prácticamente en resonancia con el 5º armónico
El párrafo anterior define la causa más frecuente de avería que ocurre en bancos de condensadores que equipan inductancias como filtro de armónicos, generalmente este tipo de anomalías es de difícil solución. El conocimiento de la magnitud de este problema alerta al profesional para tomar las decisiones oportunas, como reducir el cos fi que aporta la batería para no amplificar los armónicos, cambiar los condensadores en mal estado, o desconectar el condensador que produce la anomalía.
Analizando la sintonía de un circuito eléctrico formado por condensadores en serie con inductancias mediante el equipo E.L.M.1G-2, podemos verificar la ausencia o presencia de este tipo de anomalías, que producen averías de los condensadores en cascada, una vez que aparece la primera resonancia por desequilíbrio en las capacidades de los condensadores de las baterías para corrección de energía reactíva.
Esquemas básicos de filtros LC de primer orden (dos componentes) para frecuencias de paso alto (izquierda), y paso bajo (derecha).
Descripción de las caraterísticas básicas de un filtro eléctrico, pueden ser de paso bajo, paso alto, de banda, o stop, el dibujo corresponde a la respuesta característica de un filtro de paso alto de primer orden, es decir, el esquema eléctrico más simple que podemos realizar con dos componentes cualquiera, por ejemplo, un filtro LC constituido por una inductancia y un condensador.
Imagen del interior de una batería de condensadores para la corrección de energía reactiva con un filtrado de paso bajo formado por inductancias y condensadores para desintonizar las frecuencias de los armónicos, las inductancias se instalan como protección para evitar la resonancia de los condensadores. La sintonía de las inductancias puede ser verificada mediante el análisis de SFRA, para comprobar que los condensadores se encuentran protejidos.
Análisis de SFRA realizado con el analizador E.L.M.1G-2 para comprobar el resultado de los cálculos de diseño para la fabricación de filtros de rechazo de armónicos instalados en la batería de condensadores de la imagen anterior. La traza en color amarillo pertenece a la ganancia "G" expresada en (dB), en este caso se trata de pérdida, equivalente a "atenuación" donde se suman 17 dB + 17 dB = -34 dB totales de atenuación, equivalentes a una potencia armónica de 0,4% que les llega a los condensadores, o sea, una potencia armónica insignificante. La traza en color azul corresponde al ángulo de fase del filtro analizado. Obsérvese en el gráfico del análisis que el analizador dispone de la capacidad para medir ángulo de fase, en este análisis la frecuencia de resonancia de 189 Hz de los filtros de la batería, se produce donde la reactancia inductiva XL y la reactancia capacitiva XC igualan su fase, es decir a 0,0º. Este análisis se ha realizado con el amplificador de alta potencia del equipo E.L.M. 1G-2, el cual ha suministrado durante la prueba 560 VPP, correspondientes al voltaje de pico de una tensión RMS de 400 V. que es la tensión que puede medir con un multímetro comun.
Análisis del comportamiento de la Impedancia con el E.L.M. 1G-2 de la batería de condensadores anteriormente comentada, realizado en un espectro de frecuencias comprendido entre 50 Hz y 550 Hz
Gracias a las extraordinarias capacidades de análisis del E.L.M.1G-2, podemos predecir el comportamiento y la protección que tendrá una batería de condensadores con filtros frente a los armónicos de la red de alimentación. Los demás analizadores SFRA existentes en el mercado no disponen de la posibilidad de realizar estos tipos de análisis.
Análisis de SFRA con el E.L.M. 1G-2 aplicado a Filtros de paso alto, y paso bajo
Imagen correspondiente al análisis de SFRA de un filtro HPF de paso alto de 1600 Hz desarrollado por Montajes Alhama S.L.U., donde podemos destacar la gran calidad de filtrado que ofrece este filtro, con una atenuación en magnitud de 40 dB en apenas 270 Hz, y mas de 70 dB en la banda de frecuencias rechazadas. Como la escala representada en el grafico es logaritmica, -70 dB de atenuación equivale a una magnitud para las frecuencias atenuadas de: 0,00000001 % con respecto a la tensión de entrada de los armóncos. Este filtro se puede utilizar entre otras aplicaciones, por ejemplo, para medidas de tensiones PWM en variadores de frecuencia, o para rechazo de las frecuencias armónicas de red en sistemas de medida.
imagen correspondiente al análisis de SFRA de un filtro LPF de paso bajo de 20 KHz desarrollado por Montajes Alhama S.L.U. donde igualmente también podemos destacar la gran calidad de este filtro, con una atenuación de 60 dB en apenas 900 Hz. Este filtro se puede utilizar, por ejemplo, para medidas de ondas PWM en variadores de frecuencia, o para eliminar los armónicos de alta frecuencia que producen las ondas PWM de los variadores, y que afectan a los sistemas sensibles de medida.
Las asociaciones en serie de filtros HPF de paso alto con filtros LPF de paso bajo constituyen un filtro de paso de banda, Por ejemplo, en la siguiente imagen podemos ver la asociación en serie, de los dos filtros vistos anteriormente, el filtro HPF de 20 KHz conectado en serie con el filtro LPF de 1600 Hz. Como podemos ver en la imagen, las frecuencias de paso desde 1600 Hz hasta 20 KHz se mantiene dentro una banda de +/- 3 dB (decibelios), con una atenuación sobresaliente a ambos lados de las frecuencias de corte. Este tipo de filtros se utiliza en aplicaciones complejas, para el análisis de las señales PWM a la salida de los variadores de frecuencia, donde es imperativo que los armónicos de BF (baja Frecuencia) procedentes de la red eléctrica, o los armónicos de AF (alta Frecuencia) procedentes de los variadores de frecuencia, no impidan el estudio del comportamiento dinámico de las señales PWM generadas por los variadores. Montajes Alhama S.L.U. diseña cualquier clase de filtro, con objeto de ofrecer soluciones a medida para hacer facil los retos dificiles que presentan las aplicaciones complejas.
Imagen correspondiente al análisis de SFRA de un filtro EMI comercial de 20 A monofásico, de precio economico, el cual se utiliza "supuestamente" para mitigar problemas de interferencias en alimentaciones de maniobras, o a la salida de fuentes de alimentación conmutada para reducir el ruido de éstas. Como podemos comprobar en la imagen, la baja calidad de este filtro queda patente al observar los dos vértices de resonancia anteriores a la frecuencia de corte, y la FC (frecuencia de corte) situada más alla de los 600 KHz, siendo dicha frecuencia extremadamente elevada, para la gama de frecuencias que dicho filtro pretende cubrir, cuando lo normal es que estos filtros corten antes de los 10 KHz. También se puede observar que a partir de 50 MHz se produce una disminución de la atenuación del filtro, lo cual puede causar intermodulación cruzada, entre otras anomalías, que pueden afectar a sistemas de medida sensibles, o a las comunicaciones vía radio. Destacamos que los filtros "económicos" utilizados en las instalaciones eléctricas, o en comunicaciones, suelen tener este tipo de deficiencias y otros imprevistos que ahora no son objeto de esta información.
Sondas de voltaje y corriente para medidas en VDF y accionamientos de potencia
- Los variadores de frecuencia para accionamiento de motores eléctricos modulan ondas de voltaje PWM que inducen corrientes de alta frecuencia en el estator, éstas corrientes son acoplados al eje del motor (inducido) de forma capacitiva (corriente de modo común), los voltajes en el eje pueden ser suficientes para hacer que las corrientes de arco fluyan a tierra a través de los rodamientos del eje del motor. Las corrientes de descarga pueden provocar un calentamiento e incluso la fusión de las pistas de rodadura de los rodamientos. El daño causado por las corrientes a los rodamientos puede provocar una falla prematura del accionamiento del motor, así como un mantenimiento costoso y tiempos de inactividad, Si quisiéramos observar estas corrientes necesitamos una sonda de medida de corriente con un ancho de banda de frecuencia lo suficientemente amplio para que no atenué las señales de interés que queremos medir. Con el equipo E.L.M.1G-2 se puede analizar el ancho de banda de la sonda de corriente que queremos emplear para conocer su alcance en frecuencia, posteriormente podemos medir las señales y ver en la pantalla la forma de onda de las corrientes de forma precisa, todo ello realizado con éste mismo equipo sin la necesidad de utilizar otros instrumentos adicionales. En el grafico inferior podemos ver la respuesta del ancho de banda de una sonda de corriente (traza de color amarillo), y conocer si podemos utilizarla para una determinada aplicación, pues todas las sondas de corriente no son aptas para medir en alta frecuencia, este tipo de análisis es aplicable a todo tipo de sondas de voltaje o de corriente.
En la siguiente Imagen podemos ver en el diagrama de Bode la respuesta en ganancia (traza en amarillo) y ángulo de fase (traza en azul) obtenida con el analizador de SFRA E.L.M. 1G-2 correspondiente al ancho de banda de un filtro LPF diseñado por Montajes Alhama S.L.U. con frecuencia de corte de -3 dB a 400 KHz. Este tipo de filtros por hardware se usa para el estudio de los armónicos de corrientes o voltajes PWM a la salida de los Variadores de Frecuencia. Gracias a esta solución se eliminan las señales de las componentes armónicas de alta frecuencia que pueden causar interferencias y disterniones en las medidas, obteniendo de este modo una gran precisión. Obsérvese la alta calidad de la atenuación proporcionada por este filtro, con una pendiente de atenuación de 42 dB/octava.
En antenas
- Gracias al gran ancho de banda nominal de la función SFRA de 150 MHz (máximo SFRA 400 MHz), podemos analizar la (Z) impedancia caracteríatica que presenta un determinado circuito eléctrico o electrónico, a un estímulo en una determinada banda de frecuencias, por ejemplo, la sintonía en una antena de radio para conocer la ROE (perdidas de retorno) caracteríaticas de una antena, perdidas en los cables coaxiales, y perdidas en los conectores, o la energía electromagnética producida por las DPs (Descargas Parciales) en los transformadores etc.
Capsulas diseñadas por nuestro departamento de ingeniería de I+D para la construcción de antenas Biconicas de banda ancha para análisis del ruido EMI presente en entornos industriales y análisis de DPs en aislamientos de Alta Tensión. Se fabrican por fresado mecánico CNC de alta precisión para tres bandas de frecuencias, 20 Hz-300 MHz, 150-900 MHz, y 300-3000 MHz. Las antenas Biconicas forman parte de las opciones para nuestro equipo de análisis SFRA cuando funciona en la modalidad de verificación para CEM (Compatibilidad Electro Magnetica) para realizar análisis de ruido radiado, o para la medida de la energía electromagnética producida por las DPs Descargas Parciales en los aislamientos eléctricos de equipos de Alta Tensión.
Imagen correspondiente a un análisis de espectro realizado con antena Biconica diseñadas con ayuda del analizador de SFRA E.L.M. 1G-2, con un "BW" (ancho de banda) de 20 a 320 MHz, para registrar las interferencias EMI radiadas antes de realizar medidas de aislamiento en un transformador. Las antenas Biconicas diseñadas por Montajes Alhama S.L.U. disponen en conjunto de un amplio ancho de banda con tres modelos de antenas que cubren desde 20 MHz hasta 3.000 MHz, lo que posibilita la captura de interferencias electromagnéticas transitorias en cualquier banda del espectro.
Beneficios del analizador E.L.M.1G-2
La popularidad de los accionamientos eléctricos mediante variadores de frecuencia para regular la velocidad de motores eléctricos, junto con los arrancadores suaves y accionamientos similares de potencia, dominan hoy todos los sectores de la industria, la necesidad de analizar las tensiones y corrientes de alta frecuencia a las que funcionan estos accionamientos, crean paralelamente la necesidad de contar con numerosos instrumentos de medida de altas prestaciones para poder poner a punto las instalaciones o repararlas, éste detalle cobra importancia relevante en el caso de tener que resolver averías relacionadas con estos accionamientos. El analizador E.L.M.1G-2 llega para simplificar y dar solución a todas estas necesidades, reuniendo en un solo equipo todas las funciones necesarias de medida, registro, y análisis, en un ancho de banda record absoluto en aparatos de medida eléctricos, contando con un digitalizador de 1 GHz, para explotar todas las capacidades del instrumento. Opcionalmente podemos suministrar sondas de calidad para medida de tensión y corriente adecuadas para cada necesidad, con rangos voltaje que van desde mV hanta decenas de KV, y en corriente desde mA hasta decenas de KA.
¿Qué hace el E.L.M.1G-2?
Con la aparición de la norma IEC 60076-18 (Edición 1.0) en 2012, los ensayos de análisis de respuesta por barrido de frecuencia (SFRA) con el equipo E.L.M.1G-2 se han convertido en una de las pruebas eléctricas que más información puede suministrar sobre los transformadores de potencia. Se trata de un diagnóstico que se realiza con una tensión segura para el operador, no destructiva para el transformador, ya que la prueba se realiza en AC de bajo voltaje, que ofrece una completa información sobre el estado mecánico y eléctrico de la parte activa de los transformadores. Las sacudidas causadas por el transporte, la actividad sísmica, las fallas de alimentación eléctrica de la red, los sobre esfuerzos magnéticos producidos por microcortes de suministro, o por cortocircuitos en la instalación, etc. pueden causar aflojamientos y deformaciones en los devanados, defectos en los contactos, fallos en conexiones, y deterioro en el núcleo del transformador, todo ello puede suceder sin enterarnos. La medición SFRA realizada con el equipo E.L.M.1G-2 ha resultado ser el método más sensible y eficaz para detectar tales defectos mecánicos y eléctricos. Así de un solo vistazo y sin necesidad de tener referencias anteriores podemos conocer el estado mecanico de los devanados y del nucleo, por simple comparación de las trazadas SFRA. A lo anterior se añade la facilidad de interpretación, pues observando las trazadas del análisis es como si viesemos el núcleo y los devanados al descubierto. Gracias a la elevada sensibilidad del equipo con 0,01 dB, es posible la medida de cambios en las estructura de los devanados, que son imperceptibles para los demas sistemas de medida para transformadores.
ESTRATEGIAS DE MANTENIMIENTO
A diferencia de los métodos de diagnóstico SFRA tradicionales, el análisis con el equipo E.L.M.1G-2 es insensible a las EMI (Interferencias Electromagnéticas) y ruido externo que limitan la trazabilidad con respecto a medidas futuras, en consecuencia, las mediciones realizadas con presencia de interferencias cuando no se tiene conocimiento de las mismas, arrojaran resultados inexactos que pueden conducir al profesional que las interpreta a tomar decisiones equivocadas basadas en los resultados registrados. Esto sucede cuando se utiliza un analizador SFRA normal. Para eliminar este problema el equipo E.L.M.1G-2 utiliza un filtro de banda de frecuencia extremadamente estrecho y cables especiales balanceados de muy bajas perdidas con triple apantallamiento. Las conexiones se realizan con conectores específicos desarrollados y ensayados en el laboratorio para que tengan una impedancia constante y asegurar una repetitividad y exactitud del 100 % en todo el ancho de banda SFRA desde 100 μHz hasta 150 MHz. La capacidad del circuito electrónico de medida del E.L.M.1G-2 es de altas prestaciones contando con un digitalizador con ancho de banda real de 1 GHz (1.000 MHz), con ello se pueden realizar medidas eléctricas en DC, medidas en BF (Baja Frecuencia), y medidas en RF (Radio Frecuencia), por ejemplo análisis de DP (Descargas Parciales) en aislamientos de cabinas de MT y AT, cables de Media y Alta Tensión, transformadores, etc., utilizando sensores adecuados opcionales para medidas de DP que podemos suministrar según la aplicación que se realice con el equipo. Con ayuda de los distintos tipos de sensores con el E.L.M.1G-2 podremos analizar la presencia de EMI y medir su magnitud.
Los transformadores de potencia pueden considerarse una compleja red eléctrica de capacitancias, inductancias y resistencias. Cada red eléctrica tiene su exclusiva respuesta en frecuencia SFRA, ésta respuesta es equivalente a su "huella digital", que estará presente durante toda la vida útil del transformador cada vez que realicemos un análisis, siempre que el equipo de análisis cuente con un alto grado de precisión y repetibilidad, dicha huella podemos examinarla cuando lo necesitemos mediante el análisis de SFRA observando la misma trazada si los devanados del transformador no han sufrido deformaciones, El analizador E.L.M.1G-2 tiene una precisión de 50 ppm en todo el ancho de banda del espectro SFRA, y 0,01 dB de precisión en la medida de ganancia, por lo que es capaz de repetir siempre los análisis de barridos de frecuencia con total exactitud.
El analizador de SFRA funciona inyectando una señal de excitación senoidal de gran pureza en un espectro de frecuencia creciente o decreciente, conectando un extremo del dispositivo bajo prueba, y se mide la señal de transferencia de impedancia en el otro extremo. La comparación digital de las señales de entrada y salida realizada por el digitalizador genera una respuesta en frecuencia que puede considerarse como la "huella digital" exclusiva del objeto que se está ensayando. El circuito generador de señal inyecta las ondas senoidales desde un rango bajo de frecuencias que es ajustable por el usuario, donde típicamente se ajusta a 20 Hz, hasta un rango de frecuencias mayor igualmente ajustable, típicamente 2 MHz, fuera de dicho rango la señal de respuesta recibida en un análisis de SFRA es de poco o nulo interés, la potencia de la señal inyectada es muy débil en comparación con la potencia nominal del transformador, normalmente el circuito generador inyecta algunos (W) vatios. frecuentemente la señal de respuesta recibida por el circuito de medida en la banda de frecuencias comprendidas en el rango intermedio del barrido puede ser tan débil como -90 dB, lo que significa una potencia recibida por el receptor de SFRA en el rango de “μW” (micro vatios), por ejemplo, si el generador inyecta 10 W de potencia en los devanados, y se recibe por el receptor de SFRA en la banda intermedia del rango seleccionado una potencia con una atenuación de -90 dB, esto significa que se han recibido 0.00000001 W, Así con ello se entenderá pues, que no debemos introducir ninguna interferencia por insignificante que ésta sea en el transformador bajo ensayo, si pretendemos obtener una señal fidedigna y repetible. Entre las fuentes de interferencias que provocan errores en las medidas o respuestas poco fiables se encuentran las ondas de radio de toda clase de emisoras, telefonía móvil, telecomunicaciones, tele medidas, repetidores, y presencia de armónicos de red en nuestra instalación, ruido PWM producido por variadores de frecuencia, etc. Todas estas interferencias penetran al circuito de medida a través de la toma de puesta a tierra del transformador y son acopladas a los devanados del mismo de forma inductiva, perjudicando seriamente la calidad de la medida. Por la razones explicadas anteriormente, es muy importante que cuando se realicen medidas de SFRA en transformadores de potencia se deben desconectar de éste todos los conductores del devanado primario, todos los conductores del devanado secundario, y desconectar especialmente el conductor para la toma de puesta a tierra de la cuba del transformador, con el fin de aislarlo de toda fuente de interferencias, pues dicha puesta a tierra hace de “antena” receptora para las interferencias radiadas en las cercanías denominadas EMI (Interferencias Electro Magnéticas) “radiadas”, y de conductor por donde penetran las interferencias, ruidos y armónicos presentes en la tierra de baja tensión de toda la instalación eléctrica denominadas EMI “conducidas”. En el mismo sentido el analizador de SFRA "debe" encontrarse aislado de tierra por las mismas razones ya explicadas, además, el generador de SFRA E.L.M. 1G-2 "no produce tensiones potencialmente peligrosas" por esta razón “no es necesario conectarlo a tierra”. Las únicas conexiones de "masa" son las de los propios cables coaxiales del analizador que son conectados a los bornes del transformador y a la cuba metálica del transformador mediante los conectores coaxiales de dichos cables que establecen una conexión firme entre la masa del analizador y la masa de la cuba, los devanados de BT o de AT que no son analizados igualmente se conectan a la masa de la cuba mediante un puente no inductivo incluido en el equipo. Los detalles de esta información se irán desglosando detalladamente más adelante.
Los cambios, el movimiento o la deformación de los componentes internos en los devanados producen cambios en la función de transferencia que pueden identificarse mediante la comparación de las distintas trazas de los barridos, por ejemplo de cada fase del transformador, que son superpuestas por el software unas encima de las otras de forma automática en el mismo grafico, pudiéndose observar cualquier diferencia por mínima que ésta sea haciendo zoom sobre la zona de interés, para ampliar detalles podemos realizar un barrido solamente sobre la zona que nos interesa. Podemos superponer hasta 10 trazas o barridos en el mismo grafico para compararlas, cada una de las trazas está identificada por un color diferente, la escala de frecuencia puede ser lineal o logarítmica seleccionable por el operador. Podemos guardar las trazas de los barridos correspondientes a los devanados de AT en circuito abierto (tres trazas una por cada fase), más otras tres al devanado de AT en circuito cerrado (tres trazas una por cada fase), y otras tres al devanado de BT respecto a AT (tres trazas una por cada fase), y guardarlas todas en el mismo fichero.
Imagen de muestra SFRA realizada con el analizador E.L.M. 1G-2 a un transformador en buenas condiciones, el cual muestra las tres trazas de los devanados L1 en color verde, L2 en color rojo y L3 en color amarillo, superpuestas una encima de la otra. Las magnitudes de las tres fases son casi iguales, o sea, (izquierda) la parte magnética y núcleo tienen diferencias insignificantes, (derecha) todos los vértices de resonancia de las bobinas son casi idénticos en amplitud y frecuencia, por ello el estado de las bobinas de cada fase es correcto. Resultado de la prueba: No se aprecian anomalías ni diferencias magnéticas, no existen deformaciones en este transformador. La zona de bobinas muestra 8 vértices de resonancia correspondientes a 8 bobinas por cada fase con la misma magnitud, tampoco se aprecian desplazamientos en frecuencia de las distintas fases, no existen diferencias de amplitud en la zona de baja frecuencia por exceso de remanencia magnética. Todo es correcto en éste transformador
Cuando se realizan ensayos de SFRA en ambientes industriales con elevada contaminación radioeléctrica producida por VDFs, armónicos de red, teléfonos móviles, fugas de corriente a tierra, emisoras de radio, etc., el producto EMI (Interferencias Electro Magnéticas) puede ocultar en ocasiones las señales de pequeña magnitud registradas por los analizadores de SFRA que son distorsionadas ensordeciendo al equipo, esto induce a una interpretación errónea por los profesionales, que puede derivar posteriormente en un trabajo correctivo innecesario. Para solucionar este tipo de problemas el E.L.M.1G-2 utiliza una tensión continuamente ajustable desde 0,05 V hasta 24 VAC, con alta potencia de salida de hasta 30 W para proporcionar una señal de excitación inmune al ruido, obteniéndose siempre trazas limpias y bien definidas en los gráficos.
Ningún otro método de medida es tan sensible a las deformaciones mecánicas de la parte activa de los transformadores de potencia como el análisis de SFRA que realiza el equipo E.L.M.1G-2, con unas especificaciones sin igual. El deterioro de los aislamientos comienza por pequeñas deformaciones que causan cercanías por aflojamiento en los soportes de los devanados de los transformadores, reduciendo peligrosamente las distancias entre las bobinas causando un menor aislamiento, posteriormente aparecen DPs (Descargas Parciales) y finalmente la falla.
El analizador de SFRA E.L.M.1G-2 puede mostrar con detalle cambios tan pequeños como 0,01 dB en los devanados de los transformadores, que ningún otro método de medida es capaz de identificar, por ejemplo tras una corriente muy elevada producida por un cortocircuito en un cable o en un motor grande, o repetidos arranques de motores (caso típico) el de electrobombas sumergibles de gran potencia instaladas en pozos que arrancan en ∆ (delta) o arranque directo, en especial cuando el transformador que alimenta al motor es de potencia cercana a la nominal del motor. Este tipo de sobre esfuerzos magnéticos reiterados sobre los devanados de los transformadores producen aflojamientos y solturas las suportaciones de las bobinas, facilitando el movimiento de los devanados durante los arranques de los motores. El E.L.M.1G-2 mostrara al usuario profesional las debilidades dieléctricas presentes en los devanados, capacitándolo para tomar decisiones acertadas con mucha antelación, antes de que surjan deterioros, o si ya existen, para hacer un seguimiento de su evolución, o decidir sobre su corrección basada en las condiciones de operación.
Desmagnetizado del núcleo
En ocasiones está presente cierta cantidad de magnetismo remanente en el núcleo magnético de los transformadores, en estos casos las pruebas de barrido con instrumentos SFRA normales, resultaran alteradas o incorrectas, si el profesional que maneja el equipo tiene experiencia, es posible que averigüe la existencia del magnetismo excesivo del núcleo solo después de realizar varias prueba fallidas de SFRA, y deberá utilizar un equipo desmagnetizador para reducir el magnetismo remanente del núcleo, antes de volver a realizar la prueba de barrido. Con el equipo E.L.M.1G-2 esto no es necesario gracias a la potencia de la señal que suministra al transformador para desmagnetizarlo, haciendo innecesario el empleo de otros equipos distintos para desmagnetizar el núcleo del transformador.
En el esquena siguiente se muestra el circuito para desmagnetizar núcleos de transformadores antes de realizar los análisis de SFRA, o para desmagnetizar después de realizar ensayos de aislamiento en los devanados de motores y transformadores. La desmagnetización consiste en inyectar al devanado primario una tensión con magnitud ascendente y descendente en escalones de tensión/tiempo, dependientes del nivel de remanencia del núcleo, La frecuencia de la señal inyectada es fija a 50 Hz con forma de onda senoidal pura, se debe realizar una operación completa de desmagnetizado por cada columna o fase.
Ejemplo de caso práctico de magnetismo remanente y Desmagnetizado
Descripción del evento: La protección de Alta Tensión del transformador de un cliente disparó dejando al aparato fuera de servicio, posteriormente tras realizar un análisis de barrido SFRA al transformador, el grafico del análisis mostro la presencia de exceso de magnetismo remanente con diferentes magnitudes en cada columna del núcleo magnético del transformador. La causa principal del defecto fue producida por un cortocircuito de gran intensidad provocado por un defecto de aislamiento en un interruptor automático de protección, conectado en la acometida de BT del transformador. El cortocircuito se produjo justo a la llegada de la acometida que parte del transformador, que se encuentra conectada al interruptor, por lo que el defecto no pudo ser despejado por éste interruptor por haberse producido en la entrada del mismo, pasando la carga del cortocircuito a la protección de alta tensión del transformador, y disparando ésta. En el grafico del barrido SFRA se podía observar también un vértice de resonancia cerca de la frecuencia de 2 MHz, éste vértice fue causado por una corriente anormalmente elevada en el circuito primario que produjo la rotura de una conexión en la fase U1 del conmutador de tensiones primarias del transformador.
En éste caso las pérdidas en energía y potencia eléctrica cuando éste transformador de 2.500 KVA se encontrase funcionando con cualquier proporción de carga, serian iguales la diferencia de ganancia existente entre el registro adquirido de mayor magnitud y el de menor magnitud, para éste caso los registros adquiridos en la frecuencia de trabajo del transformador que es de 50 Hz son, -2,5 dB correspondiente a la medida adquirida en la fase U1 a 50 Hz (color verde), y -16 dB correspondiente a la medida adquirida en la fase V1 también a 50 Hz (color rojo), en consecuencia las pérdidas de energía en estas condiciones serían las siguientes:
Ԑp = 10 Log (-16/-2,5) √3 = 13,96 Veces Mayores
Según el resultado del cálculo anterior, la energía que se pierdería cuando el transformador se encontrase en funcionamiento seran 13,96 veces superiores que para un núcleo con remanencia magnética normal, resultando que ésta proporción de perdidas adicionales se produciría de forma permanente para cualquier nivel de carga del transformador. En éstas condiciones se consume una energía extra por el núcleo magnético del transformador para vencer el exceso de campo coercitivo.
El transformador del caso aquí descrito alimenta unas cargas eléctricas con un total de 1.000 KW aproximadamente, en condiciones de remanencia magnética normales ésta carga produce unas perdidas en energía eléctrica de 1,05% que son transformadas en forma de calor equivalentes a 10,5 KW. Bajo las nuevas condiciones de funcionamiento del núcleo con excesiva remanencia magnética, las pérdidas en energía para la misma carga serían de 10,5 KW x 13,96 veces = 146,58 KW.
Para un transformador fabricado bajo norma actual las pérdidas de energía y potencia serán inferiores a 1 % , + 5% de tolerancia sobre éste resultado, obteniendose unas perdidas totales de 1,05 %, esto quiere decir, que si este transformador fuese de construcción reciente fabricado bajo la norma de Ecodiseño (2015), las pérdidas a plena carga serian 2.500.00 W X 1,05 % = 26.250 W que se deben descontar de la potencia total que puede suministrar el transformador en condiciones normales. Como las pérdidas del transformador bajo las nuevas condiciones de funcionamiento con remanencia magética excesiva son 13,96 veces superiores a las normales, así la potencia máxima que puede suministrar este transformador, descontando la potencia perdída bajo las nuevas condiciones es de:
2.500.000 W - (26.250 W X 13,96) = 2.133.550 W
Debiendo desclasificar la potencia que puede entregar el transformador a 2.133 KVA. Si el transformador es de construcción antigua las pérdidas en energía y en potencia serán superiores a las calculadas anteriormente debido a la menor calidad de las chapas de hierro que componen el núcleo. Es evidente que si un transformador trabaja en estas condiciones con una proporción de carga elevada, se calentara en exceso a causa del calor que se produce en su interior por las pérdidas en energía que son transformadas en forma de calor, sin embargo las protecciones por corriente no actuaran ya que no se trata de una sobre corriente que pudiese causar el disparo, pudiendo producir la falla del aparato por envejecimiento acelerado de sus materiales aislantes a causa del calor. Hay que tener en cuenta que los radiadores adosados a la cuba de un transformador o sistema equivalente de ventilación para evacuar el calor que se produce en condiciones de funcionamiento a máxima potencia del aparato, no son calculados para evacuar las calorías que se generan con semejante nivel de pérdidas, por lo que sería previsible la falla del transformador en muy poco tiempo.
Imagen del análisis SFRA realizado al transformador del caso descrito anteriormente, en el cual podemos observar los efectos causados por la presencia de excesivo magnetismo remanente en las tres columnas que forman el núcleo magnético del transformador. La zona de baja frecuencia del barrido muestra el caso típico de magnitudes muy desiguales en las tres fases, señaladas en circulos en clor blanco. Para verificar que no se trata de problemas en los devanados se realizó una medida de TTR (medida de las relaciones de transformación) más un ensayo de aislamiento por Tgδ (tangente delta), mostrando ambos ensayos que las relaciones de voltajes transformados son correctas, y que el aislamiento general del transformador verificado en el ensayo de Tgδ igualmente es correcto, por lo tanto, el problema observado en el análisis de SFRA se corresponde con un caso típico de exceso de remanencia magnética presente en el núcleo ferromagnético de un transformador.
Además de las perdidas normales de energía que se producen en un transformador en operación, la presencia de remanencia magnética anormal en el núcleo agrega perdidas adicionales que causan diversas anomalías secundarias como, asimetría en las corrientes de las fases en baterías de condensadores para corrección de la energía reactiva, resonancias en la instalación de BT que pueden afectar al funcionamiento de los VDFs (variadores de frecuencia) y a fuentes de alimentación, fallos intermitentes de difícil localización en las telemetrías, errores en las lecturas de los equipos de medida de energía eléctrica, causados por diferencias de los angulos en las tensiones transformadas, etc.
El grafico siguiente muestra el resultado obtenido después de desmagnetizar el núcleo, donde podemos apreciar que las máximas diferencias entre magnitudes a 50 Hz se encuentran ahora en -2 dB y -4 dB, siendo la diferencia de 2 dB, que equivale a una pérdida de potencia y energía que es transformada en forma de calor de 1,58 %, que son parecidas a las pédidas que se producen en un transformador que no es nuevo pero que se encuentra en buenas condiciones.
Imagen del barrido de frecuencia realizado al mismo transformador citado anteriormente, después de desmagnetizar el núcleo con el E.L.M.1G-2. Ahora podemos observar que las tres trazas correspondientes a los tres devanados concurren ya por la misma frecuencia y magnitud. También se reparó el conmutador de tensiones primarias que antes se encontraba averiado, y ahora ya no vemos el vértice de resonancia cerca de la frecuencia de 2 MHz
La realización de un análisis de SFRA con el equipo E.L.M.1G-2 es muy simple, sencilla, rápida, sobre todo es muy segura para el profesional que maneja el equipo, gracias a que las mediciones se realizan con tensiones seguras menores a 25 V.
Para el equipo de análisis SFRA se dispone en opción de accesorios y sensores complementarios para realizar toda clase de medidas en ambientes industriales.
Sensibilidad de un equipo SFRA en relación con su piso de ruido
Actualmente las prestaciones de un equipo de análisis de SFRA son referidas erróneamente en función del piso de ruido, -130 dB, -140 dB, etc., en el escenario real esta cifra de dB (deciBelios) “no” es obtenida nunca en los análisis de barrido, que rondan -70 a -80 dB, y en algún caso -90 dB, por otra parte la cifra de -70 a -80 dB solamente se obtiene en una porción muy pequeña del total del ancho del barrido de frecuencias, dicha porción está comprendida entre 5 y 15 KHz, y además, resulta que ésta fracción del ancho de banda del barrido se encuentra a mitad de camino entre la banda de frecuencias correspondiente a las propiedades magnéticas y núcleo de un transformador que funciona a 50/60 Hz, y la zona de interés, dicha zona de interés son los vértices de resonancia producidos por los valores de resonancias individuales de las bobinas, causados cuando la señal de excitación recorre la zona de ésta banda de frecuencias, típicamente el ancho espectral de frecuencias de resonancia de las bobinas está comprendido entre 20 KHz y 1,5 MHz, si el ajuste se realiza para analizar frecuencias superiores existe una zona de alta frecuencia comprendida entre 1,5 MHz y 2-3 MHz correspondiente a la respuesta de las señales de resonancia de las conexiones. Las señales de frecuencias de mayor rango superiores a 3 MHz no son de interés en una prueba de SFRA a un transformador, pues la mayoría de ellas corresponden a armónicos y múltiplos de éstos que originan señales reflejadas de escasa utilidad.
Los analizadores de espectro de RF (Radio Frecuencia) para analizar la potencia de las ondas electro magnéticas de radio frecuencia en el rango de varios MHz hasta decenas de GHz disponen de la mayor sensibilidad DANL de hasta -165 dBm/Hz, necesaria para observar el espectro de potencias de energía RF tan bajas como algunos fW (fentom vatios) = 10 ⁻ⁱ⁵ W. Un analizador SFRA para el análisis de transformadores trabaja en un espectro de frecuencias comprendidas entre 20 Hz y 2 MHz, lejos de estas frecuencias la información que puede mostrar un analizador de SFRA no es de utilidad para el análisis de transformadores o motores. La sensibilidad de -150 dB de nuestro analizador SFRA es necesaria para el analizador de espectro de radio frecuencia con alcance de 1.000 MHz incorporado en el equipo, que es utilizado también en aplicaciones de radiotecnia, ésta sensibilidad es aprovechada igualmente por el analizador de barrido de frecuencia para analizar los devanados de transformadores, aunque precisamos que un transformador no es una antena de radio. La sensibilidad de -150 dB también es necesaria para el análisis a muy baja frecuencia, hasta 1μHz utilizada por el equipo E.L.M. 1G-2 en los análisis DFR de espectroscopia dieléctrica del aceite aislante, para conocer su contenido de humedad.
Especificaciones de dudosa correspondencia con la realidad en equipos de SFRA
Resulta curioso ver como se habla a la ligera de piso de ruido de 150 dB, cuando en los dibujos mostrados por diversos fabricantes se ve claramente cifras de -70 dB, o, -80 dB. Decimos a la ligera porque 150 dB significa ganancia positiva lo cual equivale a amplificación, sin embargo, en esos dibujos aparece ganancia negativa, es decir, -70, o, -80 dB, que equivale a atenuación, lo cual es contradictorio. Otro dato no menos curioso consiste en la tajante aseveración que hacen esos fabricantes de equipos SFRA de relacionar el ruido con los dB del piso de ruido. Cualquier técnico o estudiante de radiotecnia sabe que mayor sensibilidad en un equipo receptor es sinónimo de mayor posibilidad para captación de ruido. En otras palabras, en electrónica el piso de ruido equivale a la suma de todas las fuentes de ruido incluido el propio ruido de los amplificadores de un instrumento.
Las características que definen la sensibilidad de un instrumento para caracterizar señales débiles no son los dB de ganancia, sino la SNR (Relación Señal-Ruido), el RWB (ancho de banda de resolución), el DANL (nivel de ruido medio), la exactitud de la base de tiempo, y el tiempo de barrido. Cuanto más estrecha es la banda de resolución menor ruido se introduce en el sistema de medida, el ancho de banda de resolución es esencialmente un filtro, los filtros estrechos tardan mas en estabilizarse pero los resultados son más precisos, un barrido rápido da como resultado errores de amplitud (dB) y frecuencia (Hz). El piso de ruido aumenta o disminuye dependiendo del ancho de banda de resolución seleccionado en el instrumento de SFRA. El ancho de banda de resolución repercute en la capacidad de separar o resolver señales débiles con muy poco espaciamiento entre sí. Dos señales muy juntas solo se pueden separar si el ancho de banda de resolución es menor que la distancia en tiempo entre dichas señales. Si se utiliza un ancho de banda de resolución mayor, el filtro cubre en el barrido las dos señales y se muestran como una única señal en la traza, pero con menor magnitud.
En los gráficos de barridos SFRA de algunos fabricantes, se muestran saltos repentinos con incrementos en la magnitud absurdamente desproporcionados solo en dos de las tres fases analizadas para un margen pequeño del espectro de frecuencias analizado, donde poco después la traza vuelve a recuperar la magnitud, por ejemplo, en la zona de bajas frecuencias menores a 1 KHz. En la práctica esto es imposible que suceda, porque el tiempo del filtro de resolución del analizador en este margen de frecuencias no lo permite. Estas trazadas pueden ser reproducidas si se desconecta voluntariamente la conexión de los conductores del analizador durante la medida, si se conectan inductancias o capacidades parasitas en paralelo con el canal de excitación, o también, si se desconecta la carga del canal de referencia durante la medida. El analizador de SFRA E.L.M. 1G-2 dispone de un filtro de resolución con un tiempo de muestreo de 10 ms, y una resolución de 10 ppm, lo cual impide "trucar" a voluntad los resultados en un análisis de SFRA. Cuando existen interferencias en las medidas de SFRA dichas interferencias afectan a las tres fases que se están midiendo, y no solamente a dos de las tres fases. Las interferencias pueden estar causadas también por mala conexión de los conductores de medida.
En las informaciones que se muestran sobre equipos de SFRA, se habla de barridos realizados en muy poco tiempo, donde el operario que los realiza ahorra mucho tiempo, esto no tiene sentido. Cuando se realiza un barrido de SFRA a un transformador para caracterizar los devanados y poder hacer comparaciones futuras con la máxima precisión, o cuando se pretende averiguar el estado físico de las estructuras de los devanados posteriormente después de que haya sucedido un cortocircuito en la instalación, o por una sobrecarga sufrida por el transformador, porque se sospecha que el transformador puede haber sido afectado, lo que no se debe hacer nunca es realizar un barrido SFRA rápido para ahorrar unos minutos, porque de ello depende que se condene el funcionamiento de un transformador importante del cual no podemos prescindir, por haber realizado pruebas a ciegas. El análisis de SFRA debe ser realizado lo mas lento posible, si se trata de averiguar cambios estructurales, u otros parametros de interes en los devanados del transformador. Para mejor comprensión, en el apartado siguiente se describe en detalle el proceso para adquirir una sola medida o muestra, del barrido.
Velocidad de adquisicion de las medidas SFRA
Las medidas de SFRA son el resultado de un proceso de registro de centenares o miles de operaciones matemáticas utilizando los valores de las medidas adquiridas de forma consecutiva, realizado de forma ascendente o descendente sobre un determinado ancho de banda de espectro de frecuencias. Cuanto mayor es el número de medidas adquiridas para dibujar el diagrama o trazada, mayor densidad de información se obtiene, a su vez mayor definición y precisión. Cada medida adquirida esta compuesta de un conjunto de procesos matemáticos que es realizado en un tiempo definido por los ajustes iniciales, y requiere de un tiempo de estabilización de la medida por cada unidad de medición para que la medida sea precisa, cuanto menor es el número de medidas realizado para obtener una traza menor definición se obtiene y menor precisión, pero a su vez el barrido se realiza de forma mas rápida. Los tiempos de barrido rápidos para lograr una trazada tienen la contrapartida negativa de contener menor cantidad de muestras, que posteriormente pudiésemos necesitar para hacer una comparativa a máxima definición, como por ejemplo después de un evento por cortocircuito, o después del transporte de un transformador por reubicación, por motivos de reparación, o por cualquier otra causa. Si un barrido no contiene suficientes puntos de adquisición es posible que no podamos ver cambios o deformaciones pequeños que pudiesen ser críticos, por ello de nada sirve tener un equipo con alta sensibilidad de análisis, si despues se recopilan insuficientes puntos de medición por ahorar unos segundos para realizar la medida. Hay que tener muy en cuenta que cuando se esta examinando un posible problema en un devanado, lo que necesitamos del equipo de medida SFRA es definición en las trazadas, y no ahorrar unos segundos para realizar el barrido. Es recomendable realizar un barrido con menor cantidad de puntos solo cuando no se examinan averias, como por ejemplo en trabajos de rutinas de mantenimiento. Cuando se revise un devanado sospechoso de contener alguna anomalía se debe realizar un barrido rápido para hacer un primer examen, y posteriormente realizar un barrido lento para adquirir el mayor números posible de puntos de medición por cada traza, con objeto de profundizar en el análisis, o para referencias posteriores. Los tiempos de barridos dependeran siempre de las necesidades del usuario y de la definición que se requiera alcanzar, no existe una cifra de tiempo para realizar una medida, como aproximación de tiempo podemos tomar como referencia la duración de un solo punto de medición, en el cual se realiza la siguiente secuencia de operaciones por cada paso o punto de medición:
1- Tiempo de descarga de la energía acumulada en el circuito que se está midiendo
2- Calculo de la frecuencia a generar en el siguiente escalon de medida realizado por el procesador, que depende del ancho de banda total del barrido, del filtro de frecuencia calculado por el ancho de banda de resolución, del tiempo de definición, y de la frecuencia generada en la medida anterior.
3- Generación de un voltaje a la frecuencia calculada por el procesador.
4- Tiempo de retardo para cargar el circuito con la energía necesaria hasta estabilizar el voltaje a la salida del circuito que se está midiendo, que depende del cálculo de inductancia, del calculo de la capacidad distribuida, y de la constante de tiempo del circuito, estos cáculos son realizados por el procesador, si el tiempo invertido para estabilizar el voltaje de salida es insuficiente, el cual depende del ancho de banda de resolución, la medida será inferior en magnitud, igual que sucede cuando se carga un condensador o una inductancia.
5- Lectura de la magnitud después de la estabilización del voltaje de salida a 63,33 %.
6- Almacenamiento en memoria de la magnitud adquirida.
7- Calculo de ganancia
8- Escritura del punto de ganancia en el gráfico.
9- Calculo de Angulo de fase
10- Escritura del punto de Angulo de fase en el gráfico.
11- Retorno al paso 1 para adquirir el siguiente registro
Si comparamos las trazas obtenidas por varios analizadores de SFRA de distintos fabricantes, con los valores de magnitud y frecuencia que se obtienen en el diagrama de Bode presentado por un VNA (Analizador Vectorial de Redes) calibrado, observaríamos con asombro que ninguna de las trazas de los analizadores de SFRA es igual, y que ninguna coincide con las del VNA calibrado. Si comparásemos las trazas de varios analizadores VNA calibrados de distintos fabricantes, todas las trazas del barrido de frecuencias sobre el mismo ancho de banda de todos los VNA, coincidirían todas siempre. Esto sucede porque los tiempos de estabilización del voltaje empleado por esos analizadores SFRA es inferior al realmente necesario para estabilizar los voltajes de entrada y salida del circuito bajo análisis, referido en el punto 3 de la lista anterior. El procesador y el software del analizador E.L:M.1G-2 realizan la secuencia de medida descrita anteriormente, desde el punto 1 al 11, avanzando al paso siguiente solo después de haberse completado el paso anterior, obteniendo de este modo una precisión total de todas las lecturas de puntos que forman la traza SFRA en el diagrama de Bode, que coincidiría siempre con las de cualquier VNA calibrado. De todo lo anterior se desprende que la velocidad de análisis por barrido de frecuencia no depende del analizador empleado, sino de las características físicas (LCR) intrínsecas del objeto o circuito bajo ensayo, pues para cada frecuencia de barrido diferente dicho objeto presentara una “Ƭ” (constante de tiempo) que también es diferente, como resultado de su frecuencia natural de resonancia, lo mismo que sucede cuando cargamos un condensador o una inductancia. Si no se respetan los tiempos para cargar y descargar la energía acumulada en el circuito bajo ensayo, sucederá que los valores obtenidos para realizar los cálculos no serán los reales, dibujando una traza que será difícil de repetir en el tiempo, aunque las condiciones y el objeto ensayado se mantengan sin cambios. Resumiendo que las velocidades de barrido realizadas en pocos segundos son sinónimo de baja precisión en la traza del barrido, y poca o nula repetitibilidad en el tiempo.
Imagen explicativa de un barrido de frecuencia y los márgenes de ancho de banda espectral en frecuencia que corresponden a cada componente de un transformador, los puntos de resonancia pueden ser barridos de forma individual para ampliar los detalles, por ejemplo con el equipo E.L.M.1G-2 podemos realizar un barrido SFRA a la bobina Nº 4 localizada en cuarta posición de la zona de resonancias de bobinas en ésta imagen, iniciando el barrido en 200 KHz y finalizando en 300 KHz, para mostrar en todo el ancho de la pantalla solo el vértice correspondiente a la cuarta bobina, con ello observaríamos al detalle dicha bobina. Observe que existe una pequeña diferencia en magnitud de poco valor alrededor de la frecuencia de 50 Hz, contenida dentro del circulo en color rojo, esto es debido a las cargas desiguales de magnetismo remanente presentes en cada una de las fases del núcleo magnético del transformador, y por diferencias de permehabilidad de las chapas de hierro que forman el núcleo.
Piso de ruido en SFRA
El piso de ruido de -70 a -80 dB o menos es alcanzado en las mediciones de SFRA a causa de la suma de varios factores y componentes físicos que causan sintonía y producen una respuesta de resonancia típica en la transferencia de impedancia en ésta banda del espectro. Estos factores y componentes son: la naturaleza de los materiales de los cables y longitud de los mismos que son utilizados en las medidas, la desadaptación de la impedancia de las conexiones de los conductores coaxiales con el equipo SFRA, la forma física y el tipo de tecnología empleada en el diseño de los conectores utilizados para conectar el transformador es fundamental, los conectores mal diseñados que no han sido ensayados, frecuentemente producen resonancias parasitas que solo pueden ser analizadas con instrumentos de tecnologías superiores como los analizadores vectoriales de redes para micro ondas, la longitud de las trenzas de masa y sus conectores, así como la longitud sobrante de los mismos influye casi siempre en la medida, el tipo de carga asociada a las medidas debe estar exenta de producir ruido blanco (ruido de HF), de lo contrario el piso de ruido medido aumentara, por último contribuye el devanado del transformador bajo ensayo y otros factores de menor importancia como la calidad de los conectores del equipo y el ancho de banda del digitalizador.
Todos estos factores producen una zona “casi ciega” equivalente a un (circuito no lineal) que es el piso de ruido del trazado SFRA que no puede ser asignada por completo como características intrínsecas del transformador, debido a las capacidades distribuidas y las reactancias de dispersión formadas por el conjunto de los componentes del circuito. Todos los circuitos eléctricos contienen componentes en serie y paralelo con valores de "R" resistencia, "L" inductancia, y "C" capacitancia, cuando estos componentes son recorridos por una corriente alterna el conjunto de los valores de sus resistencias se denomina "Z" impedancia, el conjunto R+L+C tiene una determinada frecuencia de resonancia al ser atravesado por una corriente AC. El valor de Z (impedancia en Ω) de un circuito eléctrico RLC en resonancia, es el más bajo que se mide durante un barrido, así, Z = √(R²+jX²) que depende de las características de todos los materiales que son recorridos por la corriente de excitación, más las capacidades parasitas de los conductores y conectores empleados para la medida. Cuando las reactancias (oposición al paso de una corriente alterna) de L denominada XL (inductiva) y de C denominada Xc (capacitiva) igualan su Φ (Angulo de fase) a una determinada frecuencia se dice que el circuito eléctrico RLC se encuentra en resonancia, quedando solamente la R (resistencia óhmica pura) de los conductores que forman el circuito, que es muy baja, por esta razón la mayoría de potencia que genera un equipo de SFRA es absorbida por el circuito RLC cuando la señal de excitación recorre la zona del espectro de “máxima” resonancia, que equivale al piso de ruido obtenido durante una prueba de SFRA, mostrándose en el grafico las magnitudes más bajas, por esta razón, la magnitud del espectro obtenida donde se encuentra el piso de ruido de un barrido de SFRA no puede ser asignada solo como propiedades de los devanados del transformador u objeto bajo ensayo, porque no corresponde a resonancias de bobinas que se encuentran éstas a frecuencias superiores a la derecha del gráfico, ni a propiedades magnéticas ni del núcleo que están más abajo en frecuencia cerca de los 50-60 Hz a la izquierda del gráfico.
Todos estos factores, componentes que forman el circuito bajo ensayo, más el ruido del entorno donde se realizan las medidas son los responsables del piso de ruido. El instrumento SFRA empleado contribuye mínimamente en el piso de ruido, pero la calidad de los cables y especialmente las longitudes largas de los cables de masa empleados para la adquisición de las medidas son responsables de gran parte de las resonancias parasitas cuando el barrido SFRA alcanza su menor magnitud.
Efectos causados por el tipo de conexión
Los resultados de un análisis de barrido de frecuencia realizados en el devanado primario de un transformador, cuando el devanado secundario está desconectado y abierto, son influenciados por la reluctancia del núcleo magnético, devolviendo valores de ganancia muy pequeños del orden de -100 dB o incluso menores en algunos casos, que no se corresponden con magnitudes reales cuando el transformador se encuentra en condiciones de funcionamiento. Para obtener los resultados reales, equivalentes a las mismas condiciones que cuando el transformador se encuentra funcionando, se debe cerrar el devanado secundario del transformador poniendo todos los bornes del mismo en cortocircuito. Este comportamiento del transformador a circuito abierto es igual, por ejemplo, que el de un transformador de intensidad cuando se desconecta el devanado secundario, y existe carga de corriente en el devanado primario, en estas condiciones, en el devanado secundario se obtiene una tensión muy superior que la tensión en condición de funcionamiento, para una corriente nula. Con este ejemplo damos a entender la necesidad de cerrar el circuito secundario de un transformador para realizar pruebas de barridos de frecuencia. De igual modo que en el ejemplo explicado anteriormente, cuando se realiza un análisis de SFRA sin que exista carga en el circuito secundario de un transformador, la tensión en el devanado secundario se eleva pudiendo ocasionar la amplificación de falsas resonancias en el circuito primario del lado de bajas frecuencias, causando errores en las medidas.
En ésta imagen se muestra el resultado de dos barridos SFRA realizados a la misma fase del devanado primario de un transformador. El primer barrido esta realizado con el devanado secundario en cortocircuito (color rojo), el otro barrido ha sido realizado en las mismas condiciones, pero con el devanado secundario abierto (color amarillo), como podemos observar en este análisis, en las frecuencias más bajas del espectro la diferencia de los vertices en magnitud y en frecuencia es notable, en contraste con la zona de bajas frecuencias, los vértices de resonancia que se encuentran en el rango superior del espectro mantienen casi la misma magnitud y la misma frecuencia para los dos barridos.
En la imagen anterior se observan dos vértices de resonancias muy próximos con la misma magnitud en las frecuencia de 35 KHz y 45 KHz, correspondientes a la primera bobina del devanado, dicha bobina está compuesta de dos arrollamientos para poder soportar mejor las sobretensiones procedentes de la red eléctrica de suministro, este tipo de bobinas es llamada "bobina de choque", encontrándose siempre en primera posición a la entrada del devanado y por lo tanto la tensión llega a ésta bobina en primer lugar, ofreciendo así la mayor inductancia a los choque de sobretensiones, por esta razón su vértice de resonancia se divide en dos frecuencias que se encuentran en primer lugar a causa de la mayor inducción producida por la suma de todas las bobinas, registrando su vértice de resonancia en primer lugar a una frecuencia mas baja que las demás bobinas.
Prestaciones del analizador SFRA
Las características relevantes en un analizador de SFRA son la precisión de la base de tiempos y el “BW” (ancho de banda) que depende del “Rise Time” (tiempo de subida) empleado por el instrumento para que la señal adquirida alcance su valor desde el 10% hasta el 90%. El digitalizador del analizador E.L.M.1G-2 posee una precisión básica de 50 ppm (partes por millón) y un Rise Time de 350 pS (pico Segundos) o 0,35 nS (nano Segundos) con ello se logra digitalizar señales de frecuencias de 1 GHz refrescadas a una velocidad de muestreo de 1 Gs/Seg. = 1.000.000.000 de muestras por segundo. Respecto al gran ancho de banda de este instrumento, no ha de sorprendernos porque es imperativo que el ancho de banda de un instrumento de medida exceda el del dispositivo que se mide por un factor de cinco para mantener los errores de amplitud sistemáticos por debajo de la mitad de un dB (decibelio).
Estas especificaciones no son exclusivas del modo SFRA del instrumento, se emplean para reunir en un solo equipo todo lo que necesitamos para la medida y análisis de todos los parámetros concernientes a VDFs, arrancadores suaves, filtros de todas las clases y potencias, antenas, respuesta del lazo de control de los dispositivos PID, impedancia de componentes, voltajes, intensidades, resistencia, capacidad, formas de onda, registros de formas de onda, registros de eventos muy rápidos, parámetros de transformadores y motores eléctricos, corrientes EDM en modo común que perjudican los rodamientos de los motores que son accionados por VDFs, características de bobinas, constantes de tiempo LC, LR, RC, tiempo de cierre o apertura de dispositivos eléctricos como contactores e interruptores de todo tipo, características de conmutación de transistores de puerta aislada IGBT, transistores MOSFET, diodos, y tiristores, medida de perdidas, ganancia, impedancia, y fase.
En el diseño del equipo E.L.M.1G-2 no se ha buscado exagerar las prestaciones de la función SFRA, que surgen como resultado de diseñar un equipo capaz para medir en el rango desde DC (Corriente Continua) hasta RF (Radio Frecuencia) con objeto de viabilizar el resto de utilidades de medida, convirtiendo al E.L.M.1G-2 en una herramienta poderosa de fácil manejo, con prestaciones que el profesional sabrá apreciar.
Técnica de conexión SFRA
Para obtener el rendimiento que se espera de un equipo avanzado de medida y análisis SFRA, es esencial contar con conectores que garanticen las mismas prestaciones que nuestro equipo de medida. El diseño de los conectores debe estar basado en las mismas técnicas que utilizan los equipos de RF (radio frecuencia) para no generar ruido blanco de banda ancha o bucles de resonancias en alta frecuencia que podrían distorsionar las mediciones, asimismo todo conector ha de ser ensayado previamente en el laboratorio mediante un VNA "analizador de redes vectoriales" que cubra un rango de frecuencias al menos diez veces superior que la máxima frecuencia de funcionamiento de nuestro equipo SFRA (regla del ancho de banda), con un mínimo de 10 GHz de ancho de banda para verificar que la impedancia de los conectores es constante en todo el espectro de frecuencias que se pretende cubrir con el equipo de SFRA. Así toda conexión ha de ser fabricada lo más pequeña y compacta posible sin sobrantes como tornillos largos, o resortes de acero que funcionan en AF como si se tratase de bobinas o capacidades, que modifican la reactancia, y por lo tanto la impedancia del conector. Las pinzas grandes tipo cocodrilo han de ser descartadas porque no están diseñadas para trabajar con frecuencias elevadas sino con tensiones continuas para cargadores de baterías, o para tensiones alternas de baja frecuencia.
El exceso de longitud de los conectores y los conectores grandes ensamblados con metales de distinta naturaleza hacen las veces de inductores a determinadas frecuencias debido a las diferencias de resistencia de los distintos materiales que los componen, creando una impedancia no lineal, que inducen resonancias paralelo junto con la capacidad de los cables de conexiones, especialmente si éstos son largos, los cables coaxiales empleados para conducir señales de alta frecuencia tienen una determinada capacidad por cada metro de conductor que pueden producir falsas resonancias, con la capacidad del circuito bajo ensayo, convirtiendo a los conectores mal diseñados en circuitos oscilantes LC excitados por las tensiones alternas de alta frecuencia generadas por el propio analizador SFRA. En el diseño no se ha de buscar la mejor estética del conector, ni tampoco la mejor capacidad de agarre realizada con un solo conector, ni la mejor solución mecánica. Al contrario, los conectores han de ser desarrollados atendiendo a la máxima eficacia de funcionamiento en alta frecuencia, para poder conducir hasta el equipo SFRA los cambios más pequeños de ganancia con la mayor fidelidad posible.
Según el teorema de máxima transferencia de potencia, dichos cambios de impedancia son producidos por el objeto bajo ensayo cuando se realiza el barrido de frecuencia, y no deben ser producidos por los materiales empleados para recibirlos, los demás detalles de los conectores son irrelevantes.
Un detalle importante que no se tiene en cuenta al diseñar equipos de SFRA es la calibración. Con el tiempo y el uso los valores de referencia que utiliza un equipo de SFRA pueden desviarse, esto modifica los valores en las medidas de las trazas adquiridas en el tiempo a un mismo objeto, es decir, las medidas de SFRA separadas en tiempo pueden no coincidir si el equipo SFRA esta des calibrado, lo cual puede inducir a pensar que el objeto bajo ensayo ha sufrido cambios desde la última vez que se realizaron medidas, y por lo tanto se puede condenar el funcionamiento de un equipo que en realidad se encuentra en perfectas condiciones, por haber realizado medidas a ciegas. El analizador de SFRA E.L.M. 1G-2 dispone de calibración automática que se realiza cada vez que se encienda el instrumento, no obstante, también dispone de posibilidad de realizar la calibración pulsando la pestaña “Calibrate” del software, en cualquier momento.
Instrumentos de análisis del laboratorio de ingeniería de I+D de Montajes Alhama S.L:U. utilizados para el desarrollo de los conectores empleados para realizar las conexiones en los transformadores.
Diseño de las conexiones para SFRA
En el diseño de los conectores para el analizador E.L.M.1G-2 se han cuidado al máximo todos los detalles para garantizar unas prestaciones acordes con las del analizador, manteniendo la misma impedancia desde 1 Hz hasta 150 MHz de ancho de banda SFRA, y 1 GHz en los conectores de UHF (suministrados en opción) para el alcance de medidas en las demás funciones que realiza el equipo. Los cables para realizar las conexiones deben desempeñar las mismas prestaciones que el resto del equipo y conectores, efectivamente si disponemos de un equipo de altas prestaciones con conectores excepcionales y conectamos ambos mediante cables normales, las prestaciones conjuntas de nuestro sistema de medida de SFRA se reducirán por debajo de la calidad de los cables de conexión, como si se tratase de dos resistencias conectadas en paralelo. Por ello la eficacia y calidad de los cables de conexión que se emplean para realizar las conexiones entre equipo y conectores debe ser incluso superior que la calidad de los conectores, con objeto de no introducir ninguna pérdida por atenuación de señal procedente del objeto ensayado. Así mismo, los conductores coaxiales empleados para transferir la señal al equipo de medida deben estar diseñados por fabricantes de reconocido prestigio, especialistas en la fabricación de cables coaxiales de la más alta calidad especialmente diseñados para la conducción de señales de ultra baja potencia en altas frecuencias.
Conector especifico de RF (Radio Frecuencia) diseñado y ensayado en el laboratorio para mantener la impedancia constante en todo el ancho de banda del espectro de frecuencias SFRA, este componente ha sido desarrollado por nuestro departamento de ingeniería de I+D, para efectuar las conexiones de los transformadores de potencia. Se fabrica en varios diámetros de orificio para adaptar a los tamaños de bornes de los transformadores, para motores se fabrican también otros tamaños. Con éstos conectores se obtienen las conexiones más firmes posible, exentas de producir resonancias parasitas o ruido blanco, en las medidas de SFRA de alta precisión. En el interior del conector existe un laberinto de sintonía altamente desarrollado, realizado por fresado mecánico que da como resultado excelentes prestaciones eléctricas y mecánicas, por lo que se obtiene una pérdida de retorno superior y bajas perdidas de inserción, con objeto de mantener plana su impedancia en todo el ancho de banda del espectro.
Para lograr resultados repetibles en las medidas de SFRA, la parte del equipo que realiza el registro o ensayo debe encontrarse lo más cerca posible del objeto ensayado, utilizando para ello los cables de menor longitud posible con la finalidad de reducir al máximo la probabilidad de recibir ruido EMI. Los cables con mayores longitudes han de ser descartados, aunque estos sean de buena calidad, en favor de los cables de menores longitudes. Las distancias grandes de los cables de conexión acoplan mayor capacidad en paralelo con las inductancias del objeto ensayado, obteniéndose magnitudes irreales en los registros de SFRA. Los valores típicos de capacidades intrínsecas de los cables coaxiales utilizados para conectar el equipo no pueden ser anuladas, por ello mayor longitud de cables es sinónimo de mayor capacidad en paralelo con el objeto bajo ensayo, y por lo tanto peores resultados. Dentro de lo posible las señales de los barridos de frecuencia deben ser adquiridas lo más próximo al transformador o aparato que estamos ensayando, y enviarlas mediante otro tipo de comunicación que no sea interferida, como por ejemplo mediante cables USB de buena calidad o cables de fibra óptica hasta un PC, donde se almacenan para procesarlas posteriormente, si es posible debe evitarse el envió de señales por vía inalámbrica por medio de comunicación del tipo Wifi o similares ya que introducen ruido adicional en la cadena de medida. La pantalla de los cables no debe conducir la corriente de las señales, pues no realizaría la función de apantallamiento, para solucionar este inconveniente los cables especiales que transportan las señales deben tener dos pantallas separadas la una de la otra mediante un aislamiento eléctrico, solo así podremos garantizar la inmunidad al ruido que deben presentar los cables.
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El ruido en los análisis de SFRA
La popularidad de los VDF (variadores de frecuencia) para el accionamiento de motores eléctricos es cada vez mayor, actualmente no se concibe una instalación sin regulación de velocidad en la mayoría de sectores. Las ventajas son muchas, pero no están exentos de problemas, sobre todo de contaminación EMI, que aumentan con mayor frecuencia a causa del incremento de unidades instaladas. En la mayoría de casos solo se atiende al funcionamiento de los variadores y no se contempla el filtrado, por ser un coste adicional que no se quiere asumir. Las conmutaciones de los aparatos eléctricos producen pulsos electromagnéticos de corta duración y elevada intensidad en un espectro de frecuencias muy amplio, este tipo de interferencia es radiado en las cercanías de las instalaciones y acoplado a las masas de la instalación de forma capacitiva. Las perturbaciones producidas por las fugas de corrientes a tierra debidas a defectos de aislamiento en los receptores eléctricos como motores, calefacción, cableados, y todo tipo de aparamenta eléctrica, son conducidas a través de las tomas de puesta a tierra. Si los umbrales de corriente de estos defectos de aislamiento no producen el disparo de la protección diferencial, estas corrientes serán conducidas por los conductores de protección a tierra y alcanzarán todas las masas de la instalación, generando una fuente de interferencias de banda ancha. Los teléfonos móviles, las comunicaciones radiadas y conducidas, junto con las emisoras de radio y otros tipos de fuentes electromagnéticas presentes hoy en la industria, generan gran cantidad de ruido que pueden reducir la integridad de las señales transportadas por los cables de medida. Las DPs (descargas parciales) en los aislamientos de AT, producen interferencias de banda angosta desde pocos KHz hasta varios GHz, constituyendo un problema de difícil solución. Otra causa de interferencia consiste en el apantallamiento inadecuado, o la falta del mismo, en el equipo de análisis, ésta cualidad debe ser analizada en el laboratorio con receptores de EMI y sondas de campo cercano en el interior del equipo, colocando el analizador en el interior de una cámara anecoica.
Ruido generado por la fuente de alimentación del equipo de análisis SFRA
Del mismo modo se debe depurar y analizar el funcionamiento de un equipo SFRA cuando éste sea alimentado por una fuente distinta que la alimentación por baterías, ya que sirve de poco realizar la inmunización frente a fuentes de interferencias externas, si tenemos nuestra fuente de suministro eléctrico como generador de posibles interferencias conducidas, por ello, se debe verificar el funcionamiento de la fuente de alimentación del equipo SFRA, con receptor de EMI y la ayuda de un LISN (Line Impedance Stabilization Network) o Red de estabilización de impedancia de línea. El resultado debe ser contrastado con un analizador de espectro calibrado conectado a una antena calibrada con objeto de medir la potencia que radia la fuente de alimentación. La alimentación del equipo E.L.M.1G-2 cuando éste se alimenta de la red eléctrica, la toma de una fuente de alimentación "lineal" de ultra bajo ruido. Las fuentes de alimentación "conmutada" son inadecuadas para alimentar el equipo de medida SFRA porque la tensión de salida es proporcionada por modulación de ancho de pulso "PWM", causando en salida un nivel elevado de interferencias conducidas, varios cientos de veces superior que el de una fuente lineal.
Imagen de medida del nivel de ruido EMI (traza amarilla) producido por la fuente de alimentación alojada en el interior del equipo, cuando ésta se encuentra funcionando durante una medida de SFRA en los transformadores
Tecnica para supresión del ruido en medidas de SFRA
La técnica para suprimir el ruido en los análisis de SFRA consiste en la selección correcta de los materiales adecuados que no son atravesados por las emisiones de EMI y campos magnéticos con magnitudes elevadas de inducción, presentes en las cercanías donde se realizan las mediciones. Estos materiales son, el acero inoxidable y los metales no conductores de campos magnéticos y electromagnéticos, la calidad de los conductores empleados en la transmisión de las señales captadas por el analizador, el material utilizado para el apantallamiento interno del equipo donde se encuentran los circuitos sensibles de medida, y la calidad de los conectores empleados para unir los circuitos de medida con los conductores que transportan las señales adquiridas.
Análisis del nivel de ruido EMI de la fuente de alimentación lineal del analizador SFRA, los niveles presentes han de ser medidos antes de realizar la medida para evaluar la ubicación
La pureza de la tensión y la potencia de los estímulos de las señales enviadas por el equipo SFRA al objeto bajo ensayo es fundamental, sobre todo cuando se adquieren las señales al barrer el piso de ruido del objeto ensayado, efectivamente si el nivel S/R (señal/ruido) es desfavorable, el ruido superará al nivel de la señal cuando se adquieren valores al barrer el piso de ruido, causando distorsiones en la medida. Por ejemplo, si en una determinada ubicación se realiza un análisis SFRA en un BW (Bandwidth) ancho de banda del espectro de frecuencia, comprendido entre 20 Hz y 2 MHz, con un nivel de S/N (Signal/Noise) o Señal/Ruido, de -80 dB, resultara que todas las respuestas a los estímulos enviados por el equipo de análisis al objeto bajo ensayo serán superiores a -80 dB cuando el barrido alcance la zona del espectro de mayor interferencia que es también donde se registran las magnitudes de las respuestas de menor nivel, también se producirán oscilaciones de nivel en la señal resultante debido al producto de la IMD intermodulación cruzada producida por los armónicos y sub armónicos resultantes de la mezcla de las frecuencias generadas por el analizador y las frecuencias de las EMI Interferencias electromagnéticas presentes en el lugar. Hay que destacar que las señales de radio presentes, producidas por emisoras de radio difusión comercial en AM, no pueden ser eliminadas, y se encuentran en el mismo espectro de frecuencias que los barridos SFRA que se realizan en transformadores, con potencias que superan fácilmente niveles de -90 dB. Por estos motivos una sensibilidad de -150 dB de un analizador de SFRA normal, no evita del todo el ruido en un análisis por barrido de frecuencia en estas circunstancias, recurriendo en la mayoria de los casos al filtrado por software que reduce la calidad de la señal adquirida, es decir, el filtrado digital realizado por software modifica los resultados originales de las lecturas adquiridas para mostrar una traza SFRA diferente.
Interferencias en las medidas de SFRA
En el diseño del analizador E.L.M.1G-2 se ha cuidado al detalle que el equipo pueda funcionar correctamente cuando se encuentra "sumergido" en interferencias y campos magnéticos de alta intensidad de todo tipo. Para realizar los ensayos de inmunidad se han utilizado generadores de ruido blanco de potencia superior a 42 dB, campos de inducción magnéticos on más de 10 Teslas, y campos electromagnéticos de 37 dB en el espectro de frecuéncias comprendido entre 1 KHz y 4 MHz. Además de todo esto se ha prestado especial cuidado atendiendo a tipo de ambientes donde deberá funcionar nuestro analizador, pues en la mayoría de ocasiones se trata de entornos industriales en los cuales pueden existir DPs descargas parciales en los aislamientos de otros equipos eléctricos que se encuentren funcionando en las proximidades donde se realizan los análisis SFRA, así como también pueden aparecer impulsos de amplio espectro causados por las conmutaciones de los equipo eléctricos. En especial, los análisis de SFRA pueden ser afectados por las frecuencias que generan los VDF variadores de frecuencia y por sus armónicos, cuando los mismos no disponen de filtros adecuados, siendo frecuente en la mayoría de casos que los VDF intalados no dispongan ni siquiera de una inductancia de línea. Para resolver este apartado se ha recurrido a los generadores de DPs que empleamos en nuestro laboratorio y a equipo eléctrico que produce ambientes similares a los industriales como variadores de frecuencia sin ningún filtraje, que empleamos para el estudio y diseño de diferentes soluciones de filtrado. Los valores de intensidades de campo han sido contrastados con los mismos equipos que utilizamos para el diseño electrónico en el campo de la radiofrecuencia, más los instrumentos que empleamos para realizar las medidas de los campos magnéticos en transformadores y motores.
El circuito de medida del analizador y todos sus demás componentes se encuentran alojados en un cofre de acero inoxidable, con este material se asegura el bloqueo total frente a campos magnéticos y EMI de cualquier intensidad, gracias a que el acero inoxidable no es un material magnético, ni es conductor de las ondas electromagnéticas, y por lo tanto no deja pasar ni salir señal alguna. Las conexiones de unión entre el circuito de medida y los conectores internos del equipo están realizadas con conductores con apantallamiento metálico de triple capa, los conectores coaxiales son de ejecución en materiales no conductores de campos electromagnéticos, el cofre contenedor de los circuitos se encuentra revestido de material de apantallamiento de gran eficiencia, por su parte los cables coaxiales empleados para unir el equipo con el objeto bajo análisis están realizados con la mejor tecnología existente, y como ya hemos explicado anteriormente los conectores han sido diseñados y ensayados al detalle para que mantengan la impedancia constante en el rango útil de frecuencias del analizador, Con todo este despliegue de tecnología empleada para el diseño del equipo se logra registrar valores fidedignos transmitidos por la respuesta del objeto ensayado, registrando valores similares a los que pueden ser adquiridos cuando se realizan ensayos en una cámara anecoica.
El analizador con su amplificador interno puede generar una señal senoidal de elevada potencia que es enviada al objeto bajo ensayo, con la que se obtiene un nivel S/R (Señal/Ruido) elevado, para bloquearor la posibilidad de que las interferencias puedan entrar en el sistema de media, haciendo inmune al analizador frente al ruido. Después de ensayar otras alternativas de hardware en el laboratorio, hemos comprobado que ésta solución es mucho más efectiva y simple que el filtrado mediante software.
Solución definitiva para eliminar todos los ruidos e interferencias en los análisis de SFRA (amplificador E.L.M. 2000)
Las medidas por barrido de frecuencia pueden ser afectadas mayormente por las señales de las "Interferencias Electro Magnéticas" del entorno en el que se mide (EMI radiadas), y por el ruido que penetra a la cuba del transformador a través del conductor de puesta a tierra (EMI conducidas), las señales de interferencias pueden contener magnitudes superiores en diferentes frecuencias, que la señal de estímulo que es enviada por el analizador de SFRA al devanado bajo ensayo. Para solventar de forma definitiva este inconveniente, el analizador E.L.M. 1G-2, dispone en opción de un amplificador de alta potencia modelo E.L.M. 2000 que puede inyectar al devanado una señal de estímulo, del voltaje suficiente para superar el voltaje de cualquier tipo de ruido que pueda penetrar en el devanado. La magnitud de voltaje que puede suministrar el amplificador de alta potencia es de 0,05 voltios hasta 2.000 voltios, con esta solución se bloquea cualquier tipo de ruido EMI, obteniendo trazas de SFRA limpias y bien definidas, con ausencia total de ruido. El conjunto formado por el analizador SFRA E.L.M. 1G-2 más el amplificador de alta potencia E.L.M. 2000, garantizan trazas repetibles de alta definición y gran fidelidad a tiempo futuro, incluso si las condiciones de ruido EMI futuras aumentan considerablemente en el lugar donde se realizaron las medidas originales.
El amplificador E.L.M. 2000 también se usa en conjunto con el analizador E.L.M. 1G-2 en las pruebas DFR para el ensayo de aislamiento del aceite dieléctrico de los transformadores, como ya se ha descrito anteriormente, en los modos de funcionamiento del equipo. Este amplificador abarca un espectro de frecuencias comprendido desde CC hasta 5 MHz.
Vista del equipo completo SFRA compuesto por un carro de trabajo construido con perfil de aluminio con ruedas, en la parte baja tenemos: una maleta negra estanca con los cables de conexiones y puentes, una maleta negra estanca con el PC portatil, una maleta roja estanca con los juegos de conectores de alta frecuencia, encima de éstas una maleta roja estanca con el analizador de SFRA. En la parte superior del carro tenemos el amplificador de alta potencia de 2.000 voltios.
Nivel de potencia inyectada por un equipo de SFRA
Durante un análisis por barrido de frecuencia en un transformador o en un motor eléctrico, la magnitud de los estímulos de la señal de barrido enviados por el analizador SFRA al objeto bajo ensayo es muy baja, típicamente del orden de algunos voltios, esto significa que la potencia de la señal es igualmente baja. En el analizador de SFRA E.L.M. 1G-2, podemos utilizar el amplificador interno del instrumento con una potencia de salida de 30 W. Con ello podemos mantener la señal de los estímulos que alimentan el devanado ensayado, por encima de las interferencias de EMI, para conseguir que el ruido no influya en las medidas, Aun así, el nivel de voltaje obtenido en el canal de medida, es decir, en la salida donde se mide, es de una magnitud muy baja en comparación con el nivel del canal de entrada por donde inyectamos la tensión de referencia. Por ejemplo, una magnitud de salida de -40 dB significa que el nivel medido en la salida es 100 veces inferior al de entrada, y para un nivel de -60 dB significa que tenemos 1.000 veces menor tensión en el canal de medida a la salida, en comparación con la señal del canal de entrada. Visto esto podemos intuir que las señales de salida muy bajas menores a -60 dB pueden tener oscilaciones debido al ruido del propio amplificador del equipo, denominado (ruido blanco), que es el ruido que produce una corriente alterna al atravesar un componente electrónico como una resistencia, un condensador, o un circuito integrado, esto es solucionado por nuestro analizador SFRA utilizando un filtro de resolución de banda extremadamente estrecho de alta velocidad programable por el usuario.
Calidad de la señal inyectada en los devanados
El nerviosismo de la señal generada que es inyectada en el devanado bajo ensayo en un análisis de SFRA, es debido a la fluctuación del reloj interno del procesador, el cual tiene un margen de exactitud dependiente del "Jitter" (fluctuación de la base de tiempo) del procesador, que consiste en un oscilador de cristal de cuarzo con una precisión de +/- 20 ppm (partes por millón), el Jitter introduce ruido adicional en la señal que es inyectada en el devanado. Debido a las impedancias complejas del devanado en un transformador, como resultado del Jitter se acopla de forma inductiva dicho ruido en la bobina receptora que es de donde toma la señal el canal de medida del equipo SFRA. Un nivel de Jitter elevado provoca que la fluctuación de la señal de medida tenga magnitudes similares a las de la propia señal que se mide, ocultando a ésta para producir otra señal diferente, como oscilaciones parasitas en la traza del barrido SFRA que no se corresponden con la traza real. Esto puede ser atenuado en parte si se realiza el análisis de SFRA cortocircuitando el devanado secundario del transformador para que las magnitudes más bajas del análisis no desciendan de nivel, o utilizando una base de tiempo de alta estabilidad proporcionada por un oscilador de cristal de rubidio en horno termo controlado con una precisión de +/- 0,02 ppb (partes por billón). Este último tipo base de tiempo dispone de un Jitter de 2 ps (pico segundos) con ello se garantiza una señal de alta pureza inyectada en el devanado, y la ausencia de fluctuaciones en la señal recibida por el canal de medida del equipo SFRA.
Afección de la temperatura en las medidas eléctricas
La temperatura hace variar el valor de la resistencia de aislamiento según un algoritmo de calculo prácticamente exponencial. Las medidas de rigidez dieléctrica, resistencia de aislamiento, corriente de fuga, descargas parciales, y tangente delta, varían sus valores con la temperatura, la medida de resistencia de los conductores depende del coeficiente de temperatura del material empleado. Conveniente realizar éstas medidas en condiciones de temperatura similares o, en el caso de que no resultara posible, corregirlas por cálculo o por tablas para acercarlas a las condiciones de temperatura de referencia. Como ejemplo rápido, tenemos que para una medida de rigidez, un incremento de 10 °C de temperatura en el objeto medido se traduce en una disminución a la mitad de la resistencia de aislamiento, por el contrario una disminución de 10 °C de la temperatura duplica el valor de la resistencia de aislamiento. Las medidas de tangente delta tienen su propia tabla de corrección de temperatura que es distinta de la rigidez dieléctrica. Todo esto sucede porque el parámetro que se mide es la “resistencia” de los aislantes. Los análisis de SFRA son afectados muy poco o casi nada por la temperatura del objeto que se mide, porque el parámetro medido es la “inductancia”, por lo tanto no hay que realizar ninguna corrección en las medidas.
Las leyes que rigen el comportamiento de las dos variables, resistencia, e inductancia, son distintas, la resistencia es la medida de la oposición al paso de la corriente que depende de la naturaleza del material conductor, por su parte la inductancia es la medida de la oposición al cambio de la corriente y depende de las características geométricas y físicas del circuito.
Conexión de los cables de medida al transformador
La conexión de los cables de medida al transformador debe realizarse poniendo especial atención para que se establezca buen contacto entre los electrodos principales de los cables de medida y los bornes de AT o de BT del transformador, y entre la masa del cable con la masa de la cuba, realizando una conexión lo más corta posible. El tipo de conexión empleada para la medida de SFRA es indiferente, pero ha de ser el mismo en todas las fases, y debe ser el mismo en las medidas futuras para poder realizar comparativas repetibles, con objeto de apreciar diferencias entre las medidas anteriores y las medidas posteriores, si es el caso. La secuencia de conexión a los bornes para realizar las medidas siempre ha se ser la misma si queremos hacer comparaciones posteriores. También es cierto que diferentes tipos de conexión al transformador muestran diferentes trazas de SFRA de mayor o menor sensibilidad respecto a parámetros de resonancia en las bobinas de los devanados, pero en ningún caso han de interpretarse los resultados de una u otra conexión como erróneos, sino como diferentes, siendo válido cualquier tipo de conexión realizado de la misma forma en todas las fases del transformador del lado de AT, o del lado de BT.
El número de cables de medida para realizar un análisis de SFRA puede ser de dos cables en caso de longitud superior a 20 metros, entonces el cable de referencia de la medida puede sustituirse por un puente coaxial muy corto, conectado en los conectores (generador y referencia) del equipo, con esta solución se evita introducir ruido adicional en las medidas realizadas con cables de gran longitud, dicho ruido puede ser captado en forma de interferencias EMI por el cable de referencia de medida. Cuando en un barrido de frecuencia se obtienen magnitudes muy bajas inferiores a -90 dB, es preferible realizar las medidas solo con dos cables, un cable para inyectar la señal en el devanado y otro para recibir la medida, pues la impedancia de los cables de conexión y la del equipo de medida es de 50 Ohmios, y si se conectan dos cables en paralelo de gran longitud, la impedancia será de 25 Ohmios, que no es lo correcto. En las medidas SFRA realizadas con tres cables, se obtienen valores similares a las medidas realizadas con dos cables, sin que sea determinante si se utilizan dos cable o tres cables para realizar las medidas. Para garantizar medidas repetibles se debe emplear siempre el mismo número de cables de medida, para el mismo aparato que se evalúa, además los cables deben ser los mismos o de la misma longitud que para las medidas anteriores, y tambien se deben realizar las medidas en la misma secuencia, y en los mismos bornes.
Puesta a tierra de la cuba del transformador
La conexión de la cuba metálica del transformador a la puesta a tierra de la instalación eléctrica puede introducir ruido en las medidas por acoplamiento inductivo o capacitivo, además, los cables de puesta a tierra hacen de antenas receptoras para la interferencias EMI radiadas por la emisoras de radio, teléfonos móviles, tele medidas, transitorios producidos por la desconexión de cargas eléctricas de elevada potencia, o por el ruido de las frecuencias PWM generadas por los variadores de frecuencia cercanos que se encuentren en funcionamiento, todo ello ocurre sin que lo sepamos, dichas interferencias son introducidas en las medidas a través del conductor de puesta a tierra de la cuba del transformador. La mejor solución en las medidas de SFRA consiste en desconectar el conductor de puesta a tierra de la instalación eléctrica de la cuba del transformador, pues el análisis de SFRA consiste en medir capacidades e inductancias propias del transformador, y no las de la puesta a tierra de la instalación eléctrica la cual puede afectar negativamente a las medidas. Las medidas SFRA realizadas cuando la puesta a tierra de la cuba se encuentra conectada, no son repetibles porque dependen del nivel EMI presente en cada momento, que es introducido en la medida a través del cable de puesta a tierra de la cuba. Resumimos este importante apartado en que la cuba metálica del transformador debe estar completamente aislada de cualquier masa metálica de la instalación incluida la puesta a tierra de la instalación eléctrica, por la cual puede circular parte de la energía suministrada por el analizador SFRA, entorpeciendo los resultados, al igual que sucede con una antena receptora o emisora si la tocamos con la mano o la derivásemos a tierra, entonces dicha antena perdería la sintonía o resonancia con las frecuencias que se pretenden recibir o emitir.
Teoria del SFRA
Los valores de inductancia de las bobinas de un transformador dependen de su forma física, junto con las demás variables asociadas a las bobinas, capacidad distribuida, y resistencia serie, causan resonancia a determinadas frecuencias. El resultado de la medida consiste en la transferencia de impedancia desde el lado que es alimentado por el generador hacia el lado que se mide en el devanado. El conjunto de varios cientos o miles de medidas forman una traza que es representada en el gráfico. La calidad y la fidelidad de las trazas SFRA obtenidas dependen en gran medida de la pureza y potencia de la señal inyectada al objeto bajo ensayo, y de la ausencia de interferencias en el canal de medida, aunque éstas sean mínimas. Para hacernos una idea de lo que estamos explicando, por ejemplo, en un análisis típico de SFRA en un transformador se obtienen señales en el canal de medida, inferiores a 0,1 mV, lo cual significa que estas señales no deben ser interferidas por nada.
Tipos de conexiones para las medidas
Estándares actuales para medidas de SFRA
Características Técnicas
Suministro estándar con el equipo
- Analizador SFRA modelo E.L.M.1G-2 + amplificador de 30 W de banda ancha, alojados en maleta estanca IP67.
- PC con software instalado bajo Windows 10/11 + Bolso de transporte + cargador de batería.
- Cable USB de 2 metros para conexión al PC, tipo A en un extremo y tipo B es el otro extremo.
- Caja estanca IP67 con cables de conexión 3 UD + conectores de masa 3 UD + cable de cortocircuito de 1 metro con 4 pinzas 1 UD + carga de 50 W 1 UD + atenuadores 2 UD.
- Conectores especiales de HF para alta frecuencia hasta 150 MHz 3 UD.
- Manual de instrucciones y operación.
- Certificado de calibración.
- Certificado CE
- Certificado de Garantía de 2 años.
Lista de opciones disponibles