Motores Electricos

Motores Eléctricos Selección y mantenimiento de motores asincrónicos de baja tensión

Manual de Curso Centro de Formación Técnica Schneider Electric Argentina

La herramienta para perfeccionar sus conocimientos

CFT Selección y mantenimiento de motores asincrónicos de baja tensión. Índice Introducción. ...................................................................................................... Pag.

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CAPITULO 1: CARACTERÍSTICAS DE DISEÑO. ............................................ Pag. 3 1.1 Introducción. ..................................................................................... Pag. 3 1.2 Tipos de cerramiento. ....................................................................... Pag. 3 1.2.1 Generalidades. .................................................................... Pag. 3 1.2.2 Ambientes no agresivos ni explosivos. ................................ Pag. 4 1.2.3 Ambientes peligrosos. .......................................................... Pag. 5 1.3 Tipos de sujeción. .............................................................................. Pag. 5 1.4 Consideraciones de temperatura. ...................................................... Pag. 7 1.4.1 Calentamiento. ..................................................................... Pag. 7 1.4.2 Influencia del medio ambiente. ............................................ Pag. 10 1.4.3 Tipo de servicio. .................................................................. Pag. 10 1.4.4 Clase de aislamiento y calentamiento. ................................ Pag. 11 1.5 Relación del par del motor con la potencia y la velocidad. ............... Pag. 13 1.5.1 Generalidades. .................................................................... Pag. 13 1.5.2 Motor Asincrónico. ............................................................... Pag. 15 1.5.3 Pares resistentes. Características de los sistemas de carga típicos. ......................................................................................... Pag. 16 1.5.4 Relación de las dimensiones de un motor con la potencia y el par. ........................................................................................... Pag. 17 CAPÍTULO 2: EL MOTOR ELÉCTRICO TRIFÁSICO. ....................................... Pag. 2.1 Constitución. ...................................................................................... Pag. 2.2 Principio de funcionamiento. .............................................................. Pag. 2.2.1 Campo magnético en las máquinas eléctricas rotativas. ..... Pag. 2.2.2 Velocidad sincrónica. ........................................................... Pag. 2.2.3 Rotor. ................................................................................... Pag.

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CAPÍTULO 3: EL MOTOR ELÉCTRICO MONOFÁSICO. ................................. Pag. 27 3.1 Introducción. ...................................................................................... Pag. 27 3.2 Principio de funcionamiento. ............................................................. Pag. 27 3.3 Características de cupla y velocidad en motores monofásicos. ........ Pag. 28 CAPÍTULO 4: SELECCIÓN DE MOTORES ELÉCTRICOS. ............................. Pag. 4.1 Generalidades. .................................................................................. Pag. 4.2 Determinación de la potencia del motor. ........................................... Pag. 4.2.1 Cargas constantes. .............................................................. Pag. 4.2.2 Cargas variables. ................................................................. Pag. 4.2.3 Ciclos de maniobra. ............................................................. Pag.

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CFT 4.2.3.1 Relación entre pérdidas en el rotor y energía cinética. ............................................................................. Pag. 4.2.3.2 Pérdidas totales. .................................................... Pag. 4.2.3.3 Ciclos de maniobras reales. ................................... Pag. 4.3 Datos complementarios para seleccionar un motor. .......................... Pag. 4.3.1 La red eléctrica. .................................................................... Pag. 4.3.2 El medio ambiente. ............................................................... Pag. 4.4 Otros requerimientos generales. ........................................................ Pag.

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CAPÍTULO 5: FACTORES QUE ALTERAN LA PERFORMANCE DEL MOTOR Pag. 49 5.1 Generalidades. ................................................................................... Pag. 49 5.2 Variación de tensión. .......................................................................... Pag. 49 5.2.1 Efecto de la tensión de alimentación desequilibrada. .......... Pag. 50 5.3 Utilización en ambientes superiores a 40 C°. .................................... Pag. 50 5.4 Corrección por altitud mayor a 1000 metros. .................................... Pag. 51 CAPÍTULO 6: PROTECCIÓN DE MOTORES ELÉCTRICOS. .......................... Pag. 53 6.1 Introducción. ...................................................................................... Pag. 53 6.2 Función de seccionamiento. .............................................................. Pag. 53 6.3 Función interrupción. .......................................................................... Pag. 54 6.4 Función de conmutación. ................................................................... Pag. 54 6.4.1 Contactores. ......................................................................... Pag. 54 6.5 Función de protección contra cortocircuitos. ..................................... Pag. 56 6.5.1 Dispositivos de protección contra cortocircuitos. ................. Pag. 56 6.5.2 Curva característica. ............................................................ Pag. 56 6.6 Función de protección contra sobrecargas. ....................................... Pag. 57 6.7 Coordinación de protecciones. ........................................................... Pag. 58 6.8 Otras protecciones. ............................................................................ Pag. 59 CAPÍTULO 7: SISTEMAS DE ARRANQUE. ....................................................... Pag. 61 7.1 Arranque del motor de jaula de ardilla. ............................................... Pag. 61 7.2 Sistemas de arranque electromecánicos para motores trifásicos. ..... Pag. 62 7.2.1 Arranque directo. .................................................................. Pag. 62 7.2.2 Arranque Estrella – Triángulo. .............................................. Pag. 63 7.2.3 Arranque por autotransformador. ......................................... Pag. 63 7.2.4 Arranque estatórico. ............................................................. Pag. 64 7.2.5 Arranque por arrollamientos separados. .............................. Pag. 65 7.2.6 Comparativa entre métodos y selección. ............................. Pag. 65 7.3 Sistemas de arranque electrónicos para motores de C.A. ................ Pag. 66 7.3.1 Arranque con componentes de estado sólido para rotores de baja potencia. ........................................................................... Pag. 66 7.3.2 El Arrancador suave (soft estarter). ..................................... Pag. 67 CAPÍTULO 8: VARIACIÓN DE VELOCIDAD. .................................................... Pag. 8.1 Introducción. ...................................................................................... Pag. 8.2 Principio de funcionamiento. ............................................................. Pag. 8.3 Relación entre el par y la frecuencia y la tensión. ............................. Pag.

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CFT 8.4 Control vectorial de flujo. .......................................................... Pag. 72 CAPITULO 9: MANTENIMIENTO DE MOTORES ELECTRICOS. ........... Pag. 75 9.1 Generalidades. ......................................................................... Pag. 75 9.2 Mantenimiento mecánico. ........................................................ Pag. 75 9.2.1 Reengrase de los rodamientos. ................................. Pag. 75 9.2.2 Auscultación de los rodamientos. .............................. Pag. 76 9.2.3 Revisión de los cojinetes a fricción. ........................... Pag. 76 9.2.4 Vibraciones. ............................................................... Pag. 76 9.2.5 Fijación del motor y de los elementos de acoplamiento o transmisión. ................................................................................... Pag. 76 9.3 Mantenimiento eléctrico. ......................................................... Pag. 77 9.3.1 Características de la corriente consumida. ............... Pag. 77 9.3.2 Tensión de la red y carga del motor. ......................... Pag. 77 9.3.3 Arranque. ................................................................... Pag. 78 9.3.4 Elementos de protección. .......................................... Pag. 78 9.3.5 Conexionado y puesta a tierra. ................................. Pag. 78 9.3.6 Estado del aislamiento. ............................................. Pag . 78 9.3.7 Limpieza. ................................................................... Pag. 79 9.3.8 Revisión de rotor. ...................................................... Pag. 79 9.3.9 Revisión de otros elementos del motor: Centrífugo y condensadores. ............................................................................. Pag. 80 9.3.10 Medición de la resistencia óhmica de los bobinados. Pag. 80 9.3.11 Prueba de la rigidez dieléctrica. ................................ Pag. 80 9.4 Programa de mantenimiento. .................................................... Pag. 80 CAPÍTULO 10: ENSAYOS DE MOTORES. ............................................... Pag. 83 10.1 Generalidades. ........................................................................ Pag. 83 10.2 Tabla de verificaciones. ........................................................... Pag. 84 10.3 Descripción de los ensayos. .................................................... Pag. 85 10.3.1 Verificación de las dimensiones mecánicas. ............. Pag. 85 10.3.1.1 Motores con base de fijación. ................................. Pag. 85 10.3.1.2 Motores con brida de fijación. ................................. Pag. 86 10.3.1.3 En todos los casos. ................................................. Pag. 86 10.3.2 Verificación de marcación de terminales y el sentido de rotación. ........................................................................... Pag. 87 10.3.3 Calentamiento. .......................................................... Pag. 87 10.3.4 Medición de la resistencia de aislación. .................... Pag. 94 10.3.5 Pruebas con alta tensión. .......................................... Pag. 95 10.3.6 Medición de la resistencia de los arrollamientos. ...... Pag. 97 10.3.7 Ensayo en vacío. ....................................................... Pag. 97 10.3.8 Ensayo de rotor bloqueado. ...................................... Pag. 100 10.3.9 Ensayo con carga nominal. ....................................... Pag. 102 10.3.10 Diagrama Circular. .................................................. Pag. 108 10.3.11 Sobrecarga momentánea. ...................................... Pag. 108 10.3.12 Sobrecarga específicas en motores especiales. .... Pag. 108 ANEXO 1: TIPOS DE SERVICIO. ................................................................. Pag. 109 III

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CFT ANEXO 2: INSTRUCCIONES DE INSTALACIÓN. ....................................... Pag. 119 ANEXO 3: FALLAS DE MOTORES ASINCRONICOS. ................................ Pag. 123

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CFT INTRODUCCIÓN

Definición de motor: Un motor, es una máquina que convierte energía en movimiento o trabajo mecánico. La energía se suministra en forma de combustible químico, como gasóleo o gasolina, vapor de agua o electricidad, y el trabajo mecánico que proporciona suele ser el movimiento rotatorio de un árbol o eje. Los motores se clasifican según el tipo de energía que utilizan, según el tipo de movimiento de sus piezas principales, según dónde tiene lugar la transformación de energía química a calor, según el método utilizado para enfriar el motor, Ciertos motores transforman energía eléctrica en energía mecánica, y este documento está dedicado a este tipo de motores. El motor eléctrico: Los motores eléctricos, son máquinas que se utilizan para convertir la energía eléctrica en mecánica, con medios electromagnéticos. Dos principios físicos relacionados entre sí sirven de base al funcionamiento de los motores. El primero es el principio de la inducción descubierto por el científico e inventor británico Michael Faraday en 1831. Si un conductor se mueve a través de un campo magnético, o si está situado en las proximidades de otro conductor por el que circula una corriente de intensidad variable, se establece o se induce una corriente eléctrica en el primer conductor. El principio opuesto a éste fue observado en 1820 por el físico francés André Marie Ampère. Si una corriente pasa a través de un conductor situado en el interior de un campo magnético, éste ejerce una fuerza mecánica sobre el conductor. La máquina dinamoeléctrica más sencilla es la dinamo de disco desarrollada por Faraday, que consiste en un disco de cobre que se monta de tal forma que la parte del disco que se encuentra entre el centro y el borde quede situada entre los polos de un imán de herradura. Cuando el disco gira, se induce una corriente entre el centro del disco y su borde debido a la acción del campo del imán. El disco puede fabricarse para funcionar como un motor mediante la aplicación de un voltaje entre el borde y el centro del disco, lo que hace que el disco gire gracias a la fuerza producida por el campo magnético. El campo magnético de un imán permanente sólo tiene fuerza suficiente como para hacer funcionar una dinamo pequeña o motor. Por ello, los electroimanes se emplean en máquinas grandes.

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CFT Tipos de motores eléctricos. La clasificación de motores eléctricos, contempla un importante abanico de posibilidades, pudiéndose clasificar de acuerdo al tipo de alimentación (Corriente continua o alterna monofásica / trifásica), de acuerdo al principio de funcionamiento, etc. Según es tipo de alimentación, los motores pueden clasificarse de la siguiente manera: Motores de Corriente continua

-

Serie Derivación (shunt) Compuesto (compound)

Síncronos

Monofásicos

- Con bobinado auxiliar de arranque (Fase partida) - De espira en cortocircuito

Motores de Corriente Alterna

-Jaula de ardilla - Con rotor en cortocircuito

- Asíncronos

- Doble jaula de ardilla - Con anillos arranque

Trifásicos -Con rotor bobinado

- Con anillos regulación -Con rotor mixto

Sin duda el motor mas barato y confiable de la industria es el motor de inducción, del que existen principalmente dos tipos según el rotor sea bobinado (motor de anillos rozantes) o en cortocircuito (motor de jaula de ardilla) El primero, al igual que los motores de CC, requiere un mantenimiento menor de anillos rozantes y escobillas, pero el segundo sólo podrá requerir reemplazo de rodamientos que no constituye un problema aún en plantas de procesos continuos. El motor jaula de ardilla es el más ampliamente utilizado en razón de su diseño sencillo y robusto, de su confiabilidad de accionamiento y de sus mínimas exigencias de mantenimiento. Entre otras ventajas se puede mencionar la posibilidad de utilizar el motor en ambientes agresivos o explosivos, funciona a baja temperatura y, contrariamente a lo que ocurre con un motor provisto de colector, no genera chispas.

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CFT CAPÍTULO 1: CARACTERÍSTICAS DE DISEÑO. 1.1) Introducción En el diseño de un motor, existen diversos parámetros a tener en cuenta para lograr un funcionamiento correcto y asegurar la vida de la máquina. Estos parámetros pueden ser, entre otros: • El ambiente donde se instalará el motor • El tipo de montaje. • El desempeño de par según la velocidad • La potencia mecánica a desarrollar por el motor El presente capítulo está dedicado al análisis de las características mencionadas. 1.2) Tipos de cerramiento. 1.2.1) Generalidades Según las particularidades del lugar de instalación, el motor debe tener una protección mecánica que asegure su correcto funcionamiento y evite su deterioro a corto o largo plazo. El grado de protección se obtiene mediante el tipo de cerramiento del motor, existiendo una normalización que permite adaptar los motores eléctricos a las distintas aplicaciones, la cual se refiere principalmente a los siguientes aspectos: • Protección de la máquina contra la entrada de cuerpos sólidos extraños (esta definición comprende tanto al operador como sus herramientas, para evitar que entren en contacto con partes normalmente tensionadas o en movimiento.) • Protección contra el ingreso de líquidos. • Protección contra la penetración de gases o vapores (atmósfera contaminada). • Protección de la máquina en ambientes explosivos. La protecciones contra goteo, proyecciones y chorros de agua, contra cuerpos extraños y contra contactos accidentales de los motores que trabajan en atmósferas no contaminadas o no explosiva, está contemplada en los dos primeros puntos citados en el listado anterior, y la ventilación de dichos motores se efectúa mediante el aire del ambiente del local donde están instalados. Para obtener una protección completa contra líquidos, polvo u otras impurezas del ambiente es necesario recurrir a motores de construcción cerrada con ventilación forzada, en cuyo caso el aire de refrigeración se toma de un lugar apropiado y se conduce al motor mediante canales ó conductos. En caso de motores de pequeña o mediana potencia, puede optarse por la construcción de motores completamente cerrados. En este caso la ventilación puede realizarse por convección y radiación natural o por ventilación forzada.

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CFT 1.2.2) Ambientes no agresivos ni explosivos. Según la norma IEC 60529, o su equivalente IRAM 2231, el grado de protección mecánica de las máquinas se definen por las letras IP (Conocido como grado de protección IP), el cual indica por medio de dos cifras la protección contra sólidos (primera cifra) y contra líquidos (segunda cifra) y puede ser ampliado por medio de una letra adicional cuando la protección real de las personas contra el acceso a partes peligrosas es superior al indicado por la primera cifra. Estos grados de protección son aplicables a cualquier máquina, y en el caso de motores, la norma IRAM contempla una letra adicional que indica si el ensayo del IP fue realizado en marcha (Letra m) o parada (letra p). La ausencia de dicha letra implica que en motor fue ensayado en los dos estados. Debe tenerse en cuenta que para asegurar la vida de las personas, los motores al igual que cualquier equipamiento eléctrico debe asegurar un grado de protección mínimo IP20. La tabla siguiente muestra la definición de los grados de protección IP según IEC 60529. 1ª cifra característica

2ª cifra característica

Letra adicional

Protección del material contra la penetración de cuerpos sólidos

Protección de las personas contra el acceso a partes peligrosas con:

Protección del material contra la penetración de agua con efectos nocivos

Protección de las personas contra el acceso a las partes peligrosas con:

0

No protegido

No protegido

0

No protegido

A

Dorso de la mano

1

De diámetro >= 50 mm

Dorso de la mano

1

Gotas de agua verticales

B

Dedo

2

De diámetro >= 12,5 mm

Dedo

2

Gotas de agua (15° de inclinación)

C

Herramienta ∅ 2,5 mm

3

De diámetro >= 2,5 mm

Herramienta ∅ 2,5 mm

3

Lluvia (60° de inclinación)

D

Hilo ∅ 1 mm

4

De diámetro >= 1,0 mm

Hilo ∅ 1 mm

4

Proyección de agua

5

Protegido contra el polvo

Hilo ∅ 1 mm

5

Proyección con lanza de agua

6

Estanco al polvo

Hilo ∅ 1 mm

6

Proyección potente con lanza

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Inmersión temporal

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Inmersión prolongada

1.2.3) Ambientes peligrosos. En ambientes contaminados o explosivos, se utilizan motores con cerramientos especiales. Las normas nacionales, clasifican los ambientes peligrosos a los efectos de los equipos e instalaciones eléctricas a localizarse en ellos del siguiente modo: Ambiente de la CLASE I Ambiente de la CLASE II Ambiente de la CLASE III

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Es aquel en que están o pueden estar presentes gases o vapores inflamables en cantidad suficiente para producir mezclas explosivas o inflamables Es aquel en el que la presencia de polvo en suspensión puede producir ignición o explosión. Es aquel que es de atmósfera peligrosa debido a la presencia de fibras y volátiles inflamables, pero que no es probable que se hallen en suspensión en el aire en cantidades suficientes para producir mezclas inflamables.

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CFT En cada una de estas clases de ambientes, se consideran 2 divisiones: 1. La división 1, comprende los ambientes en los cuales existen en condiciones normales o con frecuencia los elementos que producen el ambiente peligroso; es decir, los lugares donde se fabrican, utilizan para la elaboración de otros productos, manipulan, etc, y 2. La división 2 comprende, para las clases I y II, los lugares donde los elementos que producen el ambiente peligroso se hallan normalmente en recipientes, o sistemas cerrados, o donde debido al funcionamiento normal de la instalación no es probable que el elemento combustible se encuentre en suspensión en cantidad suficiente como para producir ignición o explosión, es decir, tomando contacto con el medio solamente en caso de accidente o funcionamiento anormal de la instalación; o sea, los lugares donde se almacenan, tratan, etc., y para la clase III, la división 2 comprende los lugares donde se almacenan o manipulan fibras fácilmente inflamables. Las tendencias modernas sobre instalaciones eléctricas indican que para dichos ambientes, los tipos de motores a instalarse deben ser:

CLASE I

División 1

A prueba de explosión

División 2

Solo a prueba de explosión los contactos deslizantes o mecanismos de conmutación, si los tuviera. Se admiten motores abiertos del tipo jaula de ardilla, sin contactos deslizantes o mecanismos de conmutación, actualmente definidos como de “seguridad aumentada”

División 1

Motores totalmente cerrados, no ventilados o con ventilación forzada por tubería o con ventilador exterior.

División 2

Los indicados para la CLASE II División 1. En lugares con moderada acumulación de polvo no conductor y no abrasivo, si el equipo es accesible para limpieza de rutina, se admite: • Motores de jaula de ardilla de limpieza automática. • Motores de construcción abierta sin contactos deslizantes ni mecanismos de conmutación. • Motores de construcción abierta con contactos deslizantes o mecanismos de conmutación en alojamiento metálico estanco sin ventilación u otras aberturas. • No se instalarán motores de construcción protegida o a prueba de salpicaduras.

División 1

Los indicados para la CLASE II división 1. En lugares con moderada acumulación de pelusa y de cuerpos volátiles en el interior o sobre la máquina, si el equipo es accesible para limpieza de rutina, se admiten los tipos indicados para la CLASE II división 2.

División 2

Los indicados para la CLASE II división 1, debido a que se da en esta división una probabilidad mayor que en la división 1 de material inflamable en suspensión, según surge de las definiciones de ambientes peligrosos

CLASE II

CLASE III

1.3) Tipos de sujeción. Las ejecuciones mecánicas que pueden adoptarse para los motores son numerosas, pues resultan de la combinación de los siguientes elementos: el tipo y la ubicación de los rodamientos, la carcasa y su forma de fijación, la posición del eje, la segunda punta de eje libre, la posición de la caja de conexiones, etc.

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CFT Las normas IRAM (en concordancia con las IEC), clasifican las distintas ejecuciones mediante signos, compuestos de una letra seguida de cifras. La letra se refiere a la disposición de rodamientos y a la dirección del eje, pudiendo ser: • • • • • •

A: Máquina sin rodamientos, de eje horizontal. B: Máquinas con escudos Porta rodamientos, de eje horizontal. C: Máquinas con escudos Porta rodamientos y rodamientos exteriores, de eje horizontal. D: Máquinas con rodamientos exteriores, de eje horizontal. V: Máquinas con escudos Porta rodamientos , de eje vertical. W: Máquinas si escudos Porta rodamientos, de eje horizontal.

Las cifras simbolizan las distintas combinaciones entre los elementos principales del diseño mecánico, que pueden ser:

Rodamientos

Con 1 escudo porta rodamientos Con 2 escudos Porta rodamientos Etc.

Carcasa

Carcasa con patas Carcasa sin patas Etc.

Eje

Eje con brida Punta de eje libre Etc.

Disposición general

Brida sobre carcasa lado accionamiento. Carcasa y pedaestales rodamientos sobre base común Etc.

Los tipos más usuales son: • B3: Máquinas de eje horizontal, con 2 escudos porta rodamientos, carcasa con patas para montaje sobre basamento, punta de eje libre. • B5: Máquinas con eje horizontal, con 2 escudos porta rodamientos, carcasa sin patas, con brida para montaje en proximidad cojinete lado accionamiento, punta de eje libre. • V5: Máquina de eje vertical, con dos escudos porta rodamientos, carcasa con patas, punta de eje libre hacia abajo, para fijación contra pared. Además, la designación puede variar de acuerdo al tipo de brida que se le coloque. Los tipos de bridas existentes son: Brida B5: Normalizada IEC Brida B14: Normalizada DIN

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CFT Teniendo en cuenta la inclusión de una brida B5 en un motor con sujeción B3, la designación del conjunto sería B35, y en caso que la brida colocada fuese una B14, en conjunto se denomina B34. Si la sujeción del motor fuese solo con brida (sin patas), las designaciones para montaje horizontal son igual que el de la brida, es decir B5 y B14. En la figura 1.1 se muestra distintas disposiciones de sujeción de los motores.

B3

B35

B5

B34

B14

V5

V15

V1

Figura 1.1: Tipos de sujeción

1.4) Consideraciones de temperatura. Uno de los puntos más importantes que se presentan en la aplicación práctica de los motores eléctricos es : ¿ Cuál es la potencia máxima que se puede obtener?. Naturalmente la respuesta depende de muchos factores, y está íntimamente ligada a la temperatura a la que la máquina a diseñar debe trabajar. La vida que se puede esperar de una máquina está íntimamente relacionada con la temperatura de servicio, debido a que la degradación del aislamiento es función de dos factores : Temperatura y Tiempo. Esta degradación es causada principalmente por un fenómeno químico de oxidación lenta que endurece los aislamientos volviéndolos frágiles y quebradizos en detrimento de su duración mecánica y de su rigidez dieléctrica. En general, la degradación, así como la vida de un dieléctrico siguen una ley exponencial: Vida = A . e -(B/ t ) Donde A y B son constantes que dependen del tipo de aislante y T es la temperatura absoluta. Una vieja ley empírica reza que la vida útil de un aislante disminuye a la mitad por cada incremento de 10 °C (En realidad el DT varía según la clase de aislante usado). 1.4.1) Calentamiento. El calentamiento que experimenta cualquier parte de un motor, es decir, el incremento de temperatura en dicha parte en relación a la del medio refrigerante, depende del balance energético en el motor. Cuando el medio es el aire circundante, el calentamiento es el incremento de temperatura respecto a la temperatura ambiente.

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CFT Del análisis del balance energético resulta: Energía Eléctrica entregada al motor

Energía transformada en energía mecánica Energía transformada en energía térmica

La energía mecánica comprende: • La necesaria para efectuar el trabajo mecánico exterior, que es transferida por el eje del motor a la carga. • La que se utiliza para vencer el rozamiento de las partes rotativas con el fluido circundante, e impulsar el sistema de ventilación en las máquinas autoventiladas. La energía térmica comprende la energía correspondiente a: • Las pérdidas en el cobre en los arrollamientos estatóricos. • Las perdidas en el hierro de estator y rotor. • El rozamiento en rodamientos. • Las perdidas adicionales en el cobre y en el hierro de la máquina, debidas a fenómenos de carácter secundario, pero que pueden alcanzar valores importantes según el diseño y el tipo de motor. Un motor eléctrico es un sistema complejo desde el punto de vista térmico, pues sus distintas partes experimentan un calentamiento producido por la energía térmica y mecánica desarrollada en esa parte en ellas mismas, y a su vez están influidas por la energía térmica desarrollada en las demás partes del motor. El conjunto, en caso de funcionamiento en régimen continuo, alcanza un estado térmico estacionario; es decir, las distintas partes del motor alcanzan temperaturas diferentes pero constantes en el tiempo. A su vez, del balance energético de la energía térmica resulta:

Pdt Cantidad de energía que se transforma en energía térmica

CGdθ Cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de la parte del motor

Función de las pérdidas y del intervalo de tiempo

Función de la capacidad térmica de la parte del motor y del incremento de temperatura con respecto al medio refrigerante

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αSθdt Cantidad de energía que se intercambia entre la parte del motor y el medio refrigerante

Función de la capacidad de intercambio de energía, de la diferencia de temperatura con el medio refrigerante y del intervalo de tiempo.

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CFT Considerando la máquina como un cuerpo homogéneo, los símbolos tienen el siguiente significado: • • • • • • •

P: Cantidad de calor producida por segundo en la máquina [Watts] c: Calor específico de la máquina, que expresa la cantidad de calor necesaria para aumentar la temperatura de la unidad de peso de la máquina, en un grado Celsius [Ws/Kg°C] G: Peso de la máquina [Kg] α: Coeficiente de la transmisión de calor, que expresa la cantidad de calor cedida al medio refrigerante por metro cuadrado de superficie y por segundo cuando la diferencia de temperatura entre la máquina y el medio es de 1°C. [W/m2°C] S: Superficie refrigerada de la máquina. [m2] θ: Calentamiento de la máquina [°C] t: Tiempo [s]

Al alcanzarse el equilibrio térmico, la diferencia de temperatura se mantiene constante (servicio continuo) o varía periódicamente entre temperaturas constantes (servicio intermitente). En servicio continuo, el primer término de la suma se anula y toda la energía térmica se intercambia con el ambiente, pues se alcanza una diferencia de temperatura constante en el tiempo con respecto al medio refrigerante (dθ=0). La ecuación queda:

Pdt = αSθ max dt ∴θ max =

P αS

siendo:

θmax el calentamiento máximo de la máquina y los demás términos los indicados anteriormente. Dicha diferencia de temperatura (θmax)es directamente proporcional a las pérdidas, e inversamente proporcional a la capacidad de intercambio con el medio refrigerante. En general, el calentamiento es función de la energía térmica desarrollada en el motor y de la capacidad de intercambio con el medio refrigerante. A su vez, la energía térmica es función de las pérdidas en el hierro y en el cobre y del intervalo de tiempo. Las perdidas en el hierro dependen de la tensión aplicada y las perdidas en el cobre de la corriente circulante por los arrollamientos, por lo tanto, las pérdidas son función del estado de carga del motor. El intervalo de tiempo de funcionamiento depende del tipo de servicio del motor. Por otra parte, la capacidad de intercambio de calor con el medio refrigerante depende de las características constructivas del motor y del sistema de ventilación. Si en un motor de construcción abierta se obstruyen la entrada y la salida del aire de ventilación, por ejemplo, mediante la colocación de rejillas de protección contra contactos acidentales o de pantallas para obtener protección contra goteo, es necesario reducir la carga para disminuir la corriente y así, con menos pérdidas en el cobre, mantener el mismo calentamiento.

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CFT Por todo lo detallado anteriormente, podemos concluir que el calentamiento del motor depende del tipo de servicio, del estado de carga, de las características constructivas, del sistema de ventilación y del medio ambiente. 1.4.2) Influencia del medio ambiente. La temperatura ambiente (en general, la temperatura del medio refrigerante) sumada al calentamiento, fija la máxima temperatura a alcanzar por un motor: la temperatura límite. Para fijarla, tanto las normas internacionales como nacionales (IEC e IRAM), adoptan una temperatura ambiente de 40 °C. Si el equipo se utiliza permanentemente a una temperatura inferior, el usuario puede permitir que el calentamiento se eleve en ese valor, y si por el contrario se utiliza a temperaturas mayores, solo pueden admitirse calentamientos menores.

TEMPERATURA MÁXIMA (ó límite)

TEMPERATURA del MEDIO. (Temperatura ambiente)

Calentamiento

La altitud, al variar la presión atmosférica, disminuye la capacidad de refrigeración del aire, por lo que los motores a instalarse a alturas mayores a 1000 metros sobre el nivel del mar se utilizan a potencias inferiores a la nominal en una proporción adecuada. La humedad, el polvo y los productos químicos u otras contaminaciones del ambiente, influyen en el calentamiento admisible. En especial la presencia de gases o polvos inflamables o explosivos limita aún más el calentamiento en motores cuya construcción no sea del tipo antiexplosivo, como los de seguridad aumentada. 1.4.3) Tipo de servicio. El tipo de servicio a que se somete una máquina, es la estipulación de los ciclos de trabajo y reposo. Los tipos de servicio se pueden clasificar como:

•

•

•

Continuo: Es aquel de suficiente duración a carga constante, como para que se alcance el equilibrio térmico con el medio (salvo que la placa del motor indique otra cosa, la potencia nominal que aparece en la misma corresponde a este tipo de servicio) Temporario o de corta duración: aquel en que se opera en carga un tiempo menor que el requerido para alcanzar el equilibrio térmico, seguido por un tiempo de reposo tal que la máquina vuelve a temperatura ambiente (p.e.: motores de desplazamiento de las máquinas herramientas). Intermitente: este servicio está constituido por una secuencia de ciclos, cada uno de los cuales comprende un tiempo de operación y otro de reposo. El tiempo de operación que es demasiado breve para alcanzar el equilibrio térmico, se expresa en porcentaje de la duración del ciclo.

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CFT •

Ininterrumpido con carga intermitente: comprende el funcionamiento permanente del motor, pero se alternan estados de carga y de vacío o menor carga. Los tiempo de carga se especifican en porcentaje de la duración del ciclo.

En general, para servicios distintos al continuo, se pueden utilizar los motores para potencias mayores a su potencia nominal, en otras palabras, para suministrar una determinada potencia en servicios no continuos los motores serán más pequeños y más económicos. Para evitar que el motor alcance un calentamiento mayor que el admisible en función de la carga y del servicio, es imprescindible que la salida motor contemple una protección contra sobrecargas. Esta función se puede resolver mediante relevos térmicos que trabajen por imagen térmica del motor (pudiendo ser electromecánicos o electrónicos) o bien por medición directa de temperatura con sondas PTC. En este último caso, el motor debe tener incorporadas las sondas internamente, las cuales estará conectadas a un relé exterior sensible a los cambios de resistencia de la sonda. Para más información, consultar el ANEXO 1: “Tipos de Servicio” 1.4.4) Clase de aislamiento y calentamiento. Hasta aquí se indicaron los distintos factores que producen el calentamiento de un motor. Este calentamiento alcanza valores diferentes en las distintas partes del mismo. En función de los materiales aislantes con que están fabricadas, existen especificaciones que indican el calentamiento límite que pueden alzanzar ciertas partes, expuestas a mayor calentamiento y que además son indicativas del conjunto del motor. Para realizar la medición directa en el punto presumiblemente más caliente, son necesarios indicadores interiores u otros elementos adicionados en la fabricación. Esto solo se justifica en prototipos, en arrollamientos cuyo calentamiento no es detectado por la protección exterior o en máquinas de gran potencia y alta tensión. Como resulta difícil la medición directa en el punto presumiblemente más caliente, lo que se controla es que ciertas partes tengan un calentamiento menor que el especificado para ellas, indicándose valores según se mida por termómetro o por variación de resistencia, con este último método solo se obtiene el calentamiento medio del arrollamiento. En la tabla que aparece a continuación, aparecen los valores de temperatura correspondientes a máquinas rotativas hasta 5000 KVA y 11 Kv para las distintas clases de aislamiento (IRAM 2008). En el caso de máquinas de hasta 16,5 Kv el calentamiento se debe disminuir en 1,5 °C por Kv o fracción que supere los 11 Kv.

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CFT Tipo de Aislación Parte de la máquina

Clase A Term.

Res.

Clase E Term.

Res.

Clase B Term.

Res.

Clase F Term.

Clase H

Res.

Term.

Res.

100

105

125

Arrollamientos de C.A. en máquinas menores de 5000 KVA. Arrollamientos de exitación de C.C. de máquinas de C.A. (exceptuando los bobinados de campo de los turboalternadores) y de C.C. (exceptuando los bobinados de campo de baja resistencia de más de una capa y bobinados de compensación o de una capa con barras expuestas)

50

60

65

75

70

80

85

Bobinados aislados permanentemente cortocircuitados

60

75

80

100

125

Núcleo de hierro y otras partes en contacto con los bobinados

60

75

80

100

125

Conmutadores y anillos rozantes, abiertos o cerrados.

60

70

80

100

125

Cojinete de deslizamiento.

45

45

45

45

45

Cojinete de rodadura.

60

60

60

60

60

Bobinados permanentemente cortocircuitados sin aislamiento. Núcleo de hierro y otras partes que no están en contacto con los bobinados

El calentamiento de estas partes no debe nunca alcanzar un valor tal que produzca daño a cualquier aislamiento u otros materiales de las partes adyacentes.

La tabla anterior se basa en la clasificación que, en función de la experiencia y a ensayos especiales, se ha establecido para los materiales aislantes considerando la temperatura que son capaces de soportar sin deterioro, es decir, manteniendo sus propiedades (rigidez dieléctrica, estabilidad térmica, resistencia mecánica, etc.) durante una vida útil aceptable. Esta clasificación solo fija valores máximos para el calentamiento de los distintos materiales, y el margen de seguridad está dado en el hecho que la temperatura ambiente máxima no es un valor mantenido (en general el motor trabaja a temperatura ambiente menores) y que las condiciones de carga y servicio para las que ha sido adquirido no son las permanentes de trabajo (lo hace también a otras menores). La norma IRAM 2180 clasifica las clases de aislación, con ejemplos de materiales que cumplen con dicha clase. En la siguiente tabla se muestra dicha clasificación.

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CFT C L A S E

A

Temp. °C

105

Ejemplos de materiales aislantes

Algodón Seda natural Papel Cartón prensado Madera Telas barnizadas Papel barnizado

Impregnado o sumergido en un líquido dieléctrico

Madera laminada

E

120

Esmalte para alambres del tipo oleorresinoso o a base de resinas poliamídas Esmaltes con resinas a base de formal-polivinilo, poliuretano o resinas epóxicas Piezas moldeadas con rellenos celulósicos Laminados a base de papel o tejidos de algodón Fibra de vidrio, amianto Tela barnizada de fibra de vidrio, amianto barnizado

B

130

Mica aglomerada (con o sin soporte) Laminados de fibra de vidrio, laminados de amianto, moldeados con soporte mineral Fibra de vidrio, amianto

F

155

H

180

C

+ 180

Tejido de vidrio barnizado, Mica aglomerada Fibra de vidrio, amianto, Elastómeros de silicona. Tejido de vidrio barnizado, amianto barnizado, Mica aglomerada Mica, porcelana, vidrio cuarzo

Materiales aglomerantes, de impregnación o de revestimientos que entran en la fabricación de los aislantes indicados en la columna anterior

Materiales de impregnación que pueden ser utilizados en el tratamiento del conjunto aislante

Ninguna

Barnices a base de aceites y resinas naturales o sintéticas. Resinas fenol-formaldehído

Barnices a base de resinas naturales y de aceites secantes (ej.: goma laca) Aceites aislantes y líquidos dieléctricos sintéticos.

Ninguna

Ninguna Resinas epóxicas. Resinas de melaminaformaldehído, etc. Ninguna Barnices a base de resinas sintéticas y de aceite Goma laca, Resinas epóxicas, Masa aislante asfáltica o bituminosa. Resina melamina-formaldehído y fenol-formaldehído. Ninguno Resinas epóxicas, Resinas siliconada-alquídicas.

Barnices a base de asfalto o de resinas sintéticas y de aceite.

Asfaltos y resinas sintéticas con aceite. Resinas poliésteres. Materiales incluidos en las clases de temperatura más elevadas. Resinas epóxicas, resinas siliconaalquídicas y silicona-fenólicas o materiales de clases de temperatura más elevada.

Ninguna Resinas de siliconas apropiadas Resinas de siliconas apropiadas Ninguna

Ligantes inorgánicos como vidrio o cementos.

1.5) Relación del par del motor con la potencia y la velocidad. 1.5.1) Generalidades. La red a la que se conecta un motor le determina tres características: • Tipo de tensión (CA,CC) • Tensión nominal (220/380, 380/660...) • Frecuencia (50/60 Hz). El equipo al que un motor se acopla, a su vez le determina: • La potencia nominal, que es la potencia mecánica que entrega el eje. • La velocidad nominal, es decir la velocidad a plena carga a que el equipo trabaja. • Una determinada relación par – velocidad en el proceso de arranque.

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CFT Comercialmente, los motores se identifican por su potencia nominal y su velocidad. El par nominal se puede determinar por la relación:

P[ KW ] P[CV ] (1) = 716 n[V m] n[V m] Donde P es la potencia nominal (medida en KW o CV) y n es la velocidad nominal (en vueltas/minuto). Pero la relación entre el par y la velocidad es una característica del tipo y del diseño del motor. Para la selección de un motor hay que tener en cuenta ciertos valores del par que caracterizan dicha relación. M[kgm]= 974

Fig. 1.2: Curva de par de un motor trifásico

En el proceso de arranque, desde el momento en que el motor está parado hasta que alcanza la velocidad nominal, el par varía entre ciertos límites y el motor debe elegirse de modo que sea capaz de acelerar, a partir del estado de reposo, las masas del equipo a accionar con el par resistente que esa carga presente y en los tiempos que el tipo de trabajo requiera. De la curva característica de un motor trifásico mostrada en la figura 1.2, vemos:

•

El par nominal: Es el desarrollado por el motor a régimen nominal. Su valor debe ser igual o mayor al par resistente de la carga y se puede calcular por la fórmula (1) con los valores de la chapa de características.

•

El par de arranque: Es el producido cuando el motor está aún parado (rotor bloqueado)

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S

CFT •

El par máximo: Es el que puede desarrollar el motor durante un lapso de tiempo y que en los motores de jaula de ardilla normales es del orden de 2,4 veces el par nominal. Esto permite el empleo del motor en condiciones de sobrecarga momentáneas.

•

El par mínimo e arranque: Aparece solo en los motores asincrónicos.

1.5.2) Motor Asincrónico. La curva característica par-velocidad varía según el tipo de motor considerado, es decir, existen curvas características distintas según el motor sea de jaula de ardilla o rotor bobinado, más aún, existen diferencias si, para el caso de los motores de jaula de ardilla, el rotor es de jaula simple, doble, etcétera. En esta sección analizaremos solo la curva características de los motores de jaula de ardilla. En la curva par-velocidad típica, pueden considerarse dos tramos. En el primero, durante el proceso de arranque y valores altos de resbalamiento (S>0,2), resulta una hipérbola hasta alcanzar el par máximo (llamada también zona inestable), y para resbalamientos pequeños es prácticamente una recta (esta zona es llamada estable). En funcionamiento normal el motor actúa en esta parte, donde a grandes variaciones de carga corresponden pequeñas variaciones de velocidad. En un motor de jaula de ardilla, su curva característica par-velocidad no puede alterarse por conexiones externas al rotor, sino que es fija para cada diseño; y existen distintos tipos según las características constructivas del motor. En la figura 1.3 se muestran las curvas para tres tipos de motores de jaula de ardilla.

Fig. 1.3: Par en función de la velocidad (n) ó deslizamiento (s) para distintos tipos de motores de jaula de ardilla

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CFT •

•

•

Curva 1: corresponde a motores de tipo normal (jaula simple), donde el rotor es una jaula de aluminio fundido; su resistencia es baja y por tanto también las pérdidas. La ubicación del devanado del rotor cerca del entrehierro da una reactancia del rotor baja y un par máximo alto. El par de arranque es bajo y en motores de gran potencia puede ser menor al nominal. Curva 2: corresponde a motores de doble jaula de ardilla, donde el par de arranque es considerablemente más alto, mientras que el par máximo es algo más bajo que en los motores normales. La jaula profundamente encajada en el rotor tiene resistencia baja y reactancia alta y la segunda jaula, ubicada cerca del entrehierro, tiene resistencia alta y reactancia baja. Curva 3: corresponde a motores con pares máximos elevados. Son motores de pérdidas altas. La jaula es del tipo de los motores de la curva 1, pero sus barras son tales que la resistencia rotórica es varias veces mayor. La corriente de arranque es porcentualmente algo menor que para los motores de las curvas 1 y 2 y el par en el arranque y el máximo considerablemente mayores.

1.5.3) Pares resistentes. Características de los sistemas de carga típicos. El motor que acciona un determinado equipo debe seleccionarse de modo que la diferencia entre su característica par motor-velocidad y la característica par resistentevelocidad del equipo sea tal que se llegue a la velocidad nominal en el tiempo previsto. Por ello, aunque los diversos equipos tienen distintas características de par resistentevelocidad, resulta de interés tipificar los casos más generales. A continuación se detallan los tipos de par resistentes más comunes. Par resistente del equipo En el arranque Variación Se aplica la carga con Bajo el motor a velocidad nominal Aumenta con la Bajo velocidad Prácticamente Del orden de plena constante con la carga velocidad Considerablemente Disminuye con la mayor que el de plena velocidad carga

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Ejemplos

curva

Tornos, compresores de émbolo con arranque en vacío, prensas, punzadoras.

a

Ventiladores, bombas centrífugas y compresores centrífugos.

b

Elevadores, bombas de émbolo con arranque en carga, cintas transportadoras.

c

Trenes de laminación, molinos de bolas, calandras.

d

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Fig. 1.4: Pares resistentes típicos

1.5.4) Relación de las dimensiones de un motor con la potencia y el par. Las dimensiones de un motor están fijadas por el par que debe desarrollar y no por su potencia. Esto puede verse de la comparación entre motores cuyas dimensiones y potencias se encuentran normalizadas con fines de ínter cambiabilidad. La información que se detalla a continuación está tomada de la norma IRAM 2192. a) Motores de igual par

P = 22 KW (30 CV) n ≈ 1440 rpm M = 14,9 Kgm

P = 15 KW (20 CV) n ≈ 960 rpm M = 14,9 Kgm

P = 11 KW (15 CV) n ≈ 730 rpm M = 14,9 Kgm

Fig. 1.5: Designación de la carcasa 180 L

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CFT b) Motores de igual potencia

P = 15 KW (20 CV) n ≈ 1440 rpm M = 9,92 Kgm Designación de la carcasa 160 L

P = 15 KW (20 CV) P = 15 KW (20 CV) n ≈ 960 rpm n ≈ 730 rpm M = 14,9 Kgm M = 19,8 Kgm Designación de la carcasa 180 L Designación de la carcasa 200 L Fig. 1.6: Motores de igual potencia.

Puede verse en las figuras precedentes que para un mismo par no varía el tamaño de la carcasa duplicando la potencia y que, para la misma potencia, cuanto mayor es la velocidad, los motores resultan más reducidos y por lo tanto menor es su precio. Las condiciones de refrigeración y normalización de la fabricación hacen en muchos casos, que estas relaciones no se cumplan tan estrictamente como en los ejemplos dados.

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CFT CAPÍTULO 2: EL MOTOR ELÉCTRICO TRIFÁSICO

2.1) Constitución La máquina de inducción se deduce de la máquina eléctrica rotativa general, eliminando en esta el colector de delgas y uniendo en cortocircuito los anillos colectores unidos al devanado rotórico. En un motor de jaula de ardilla, el devanado rotórico se simplifica al máximo, limitándose a simples barras conductoras de cobre o aluminio, alojadas en ranuras, de igual sección del paquete magnético rotórico y unidas todas ellas por ambos extremos por anillos del mismo metal. Ampliando esta simple descripción, diremos que la máquina de inducción esta constituida por (Fig 2.1): -una corona estatórica de chapas magnéticas de 0,35 a 0,5 mm de espesor aisladas entre sí, ranuradas interiormente y convenientemente prensadas y sujetas a una carcasa de aluminio, fundición de hierro o a un marco de acero soldado; -un devanado polifásico distribuido, alojado en el ranurado del paquete estatórico. -una corona rotórica, de chapas magnéticas apiladas directamente sobre el eje en las máquinas pequeñas, o sobre una linterna de acero soldada al eje en las maquinas de potencias medias y grandes, ranurada exteriormente, o cerca de la periferia; -un devanado dispuesto en las ranuras del rotor.

Figura 2.1: constitución del estator y del rotor El devanado del rotor puede ser similar al del estator, y sus terminales conectados a unos anillos colectores de bronce aislados del eje (máquina de rotor bobinado y anillos rozantes) o bien pueden ser simples barras de cobre o de aluminio, unidas en los extremos por aros del mismo metal que las ponen en cortocircuito (máquina de jaula de ardilla). La unión del aro frontal con las barras se realiza por presión y soldadura en caso de ser de cobre, y, en caso de ser las mismas de aluminio, las barras junto con los aros frontales se funden directamente sobre el paquete rotórico formando una sola pieza. Esta fundición se realiza a presión, inyectando aluminio 19

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CFT líquido sobre el molde que contiene el rotor. En algunos casos, el molde usado para inyectar las espiras en cortocircuito incluye en uno de los aros unas aletas de ventilación. Por último, la separación entre las coronas rotóricas y estatóricas llamada entrehierro, debe ser lo más reducida posible pero lo suficiente para evitar el roce entre las partes. Esta separación puede ser desde unas pocas décimas de milímetros hasta un milímetro dependiendo de la potencia del motor. Las ranuras del estator pueden tener formas diversas según la potencia y tensión nominal del motor. Usualmente se emplean las de tipo semicerrado (figura 2.2) para reducir la longitud efectiva del entrehierro, lo que implica una menor reluctancia.

Figura 2.2: ranuras estatóricas semicerrada.

El bobinado del estator se realiza aparte sobre moldes apropiados y luego se colocan dentro de las ranuras por la parte abierta de la misma. Previamente en las ranuras se coloca los “Aislantes de ranura”, que dependiendo de la clase del motor puede ser de MYLAR (Clase B 130°) o NOMEX-MYLAR-NOMEX (conocido como NMN para clase F 155°), ambos de marca registrada de Dupont. Colocados los arrollamientos del estator, se los recubre por la parte abierta del mismo con una lámina del mismo aislante empleado en la ranura.

Las ranuras del rotor pueden presentar una mayor diversidad en su formato dependiendo del tipo de arrollamiento que se adopte. Estas ranuras pueden ser básicamente semicerradas en los motores de rotor bobinado y cerradas en los de jaula de ardilla de fundición de aluminio (figura 2.3). Cabe aclarar que para los motores de jaula con espiras de cobre se emplean también ranuras semicerradas.

Figura 2.3: ranuras rotóricas

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CFT Cada una de las láminas del rotor se monta defasada de la siguiente, este defasaje es de un paso. En la figura 2.4 se muestra un rotor de jaula de ardilla terminado, donde puede verse dicho defasaje.

Figura 2.4: rotor de jaula de ardilla El conjunto estator y rotor se monta dentro de una carcasa que evita el deterioro de los componentes que forman el motor, cuyas características serán analizadas más adelante. 2.2) Principio de funcionamiento. 2.2.1) Campo magnético en las máquinas eléctricas rotativas El campo magnético es la base del funcionamiento de las máquinas eléctricas, en función del tipo de alimentación podemos tener: . Campo fijos . Campos giratorios Campo fijo: Son los que no varían su dirección en el espacio. Sí pueden cambiar su sentido, lo que depende del tipo de alimentación (continua o alterna) a los devanados. Por ejemplo, los motores monofásicos de corriente alterna funcionan con un campo fijo en el espacio que va cambiando su sentido en el tiempo, también conocido como ¨campo alternativo¨. Campo giratorio: Son campos de valor constante pero giratorios en el espacio a una cierta velocidad angular ωs y se obtienen por combinación de campos alternativos. Si tenemos tres bobinas iguales conectadas a una red trifásica por ejemplo en estrella y colocadas a 120º geométricos entre sí, el campo resultante será la suma en cada instante de los campos de cada una de las bobinas. Al mismo tiempo estos campos son proporcionales a las corrientes que circulan por ellas.

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CFT En la figura 2.5 se muestra una señal trifásica en donde se detallan 3 instantes de la misma (t1, t2 y t3) empleados para graficar el campo rotante de la figura 2.6.

Figura 2.5: Corriente trifásica en las bobinas.

.En el instante t

la corriente ir en la bobina alimentada por la fase R es máxima, mientras que en las otras bobinas, is e it son negativas y de valor mitad de ir. La suma de los campos de las tres fases da como resultado el campo H según la figura2.6 a. .En el instante t2 se tendrá un campo resultante H según la figura 2.6 b. .En el instante t3 se tendrá un campo resultante H según la figura 2.6 c. 1

Vemos que: 1- Se forma un campo magnético giratorio en el tiempo. 2- Este campo es de valor constante e igual a 1.5 veces del máximo de los campos pulsatorios de las fases. (Esto es fácilmente demostrable geométrica y analíticamente).

a)

b)

c)

Figura 2.6: Campo rotante

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CFT Es condición necesaria para que se cree un campo giratorio la existencia de un desfasaje eléctrico y geométrico entre bobinas. Si las tres bobinas estuvieran en un mismo eje ( a 0º geométricos en vez de 120º), los tres campos se sumarían algebraicamente dando un valor nulo pues las corrientes que los producen suman cero (1º ley de Kirchhoff). Si las bobinas estuvieran a 120º, pero las corrientes se tomaran de una sola fase, en cada instante las bobinas tendrían el mismo valor de corriente lo que daría un campo resultante nulo. 2.2.2 Velocidad sincrónica : Las bobinas en las máquinas eléctricas rotatorias generalmente pueden estar divididas en dos mitades para cada fase como se indican en la figura 2.7. Si las conectamos como en la figura 2.7 (a) los flujos debido a los campos de cada una de ellas se sumarán pues están en el mismo sentido, dando líneas de flujo que se cerrarán a través de la parte fija de la máquina (estator) y la móvil (rotor). En la figura se ha considerado sólo el recorrido de flujo producido por las dos media-bobinas U-U´/X-X´de la fase R y vemos que se ha formado un par de polos (el efecto es como si fuera una sola ). Si en cambio conectamos las media-bobinas como la figura 2.7 (b), tendremos dos líneas de flujo en sentido contrario entre sí y las líneas de flujo medio se cerrarán formando dos pares de polos.

Figura 2.7 a: Motor de un par de polos

Figura 2.7 b: Motor de dos pares de polos

En el primer caso tenemos un solo juego de bobinas trifásicas (aunque estén en dos partes del estator ) y la frecuencia de giro de los fasores de corriente y campo dados por la red será también la frecuencia de giro del campo giratorio. En el segundo caso tenemos un doble juego de bobinas. Cuando tengamos un ciclo eléctrico de 360º el campo giratorio habrá recorrido sólo 180º. Necesitamos dos ciclos eléctricos para producir un ciclo geométrico.

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CFT En general: f [Hz ] S p f nS = 60 • p [rmp]

f

=

Donde: fS: frecuencia del campo giratorio o sincrónica. f: frecuencia de la red. p: número de pares de polos. nS: velocidad del campo giratorio o sincrónica 2.2.3 Rotor. Como ya de describió en el punto anterior, en el interior de la parte fija (estator) de la máquina hay tres arrollamientos iguales, uno por fase, y desplazados 120º entre sí (para el motor de un par de polos),cuyos terminales son: U-X, V-Y, WZ. Por lo visto en campos giratorios, los efectos simultáneos de las tres corrientes de una red trifásica originan un campo constante que gira a la velocidad sincrónica nS. En el interior del estator se coloca una espira en cortocircuito que puede girar alrededor de un eje como se muestra en la figura 2.8.

Figura 2.8: Espira arrastrada por el campo magnético giratorio

Al conectar el motor a la red, en el momento en que la espira está detenida, comienza a actuar el campo giratorio que irá cortando a los conductores activos de la espira originando una fem inducida. Motores Eléctricos

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CFT Como la espira está en cortocircuito circulará una corriente, que por acción del campo magnético rotativo creará cuplas distribuidas a lo largo de la espira, haciendo que la espira trate de seguir al campo giratorio. La espira detenida, sometida a una fuerza comenzará a tomar velocidad acelerándose y tratando de alcanzar al campo que gira a una velocidad sincrónica nS. Es obvio que nunca podrá alcanzarlo, pues si lo hiciera no habría variación de flujo (o corte de líneas de flujo) en la espira, no se induciría fem y por lo tanto no habría ni corriente, ni fuerza (cupla) y tendrá que atrasarse nuevamente para que pueda igualar la cupla resistente que ofrece la carga mecánica y aún sin ella, para vencer los rozamientos de los cojinetes y ventilación. Por esta razón se llama motor asincrónico. Es decir, siempre debe haber una diferencia entre la velocidad ns del campo giratorio y la del motor n que llamamos velocidad relativa. nrel = ns - n Un parámetro que caracteriza a la máquina en funcionamiento es el resbalamiento que se define por la siguiente relación:

s=

nrel ns − n = ns ns

n = ns − ns • s = ns • (1 − s ) = 60 •

nrel = ns − n = ns • s = 60 •

f • (1 − s ) p

f •s p

Donde se deduce que: •

Si el motor está detenido n = 0

-> s = 1 (100%)

•

Si el motor está girando a n = ns

-> s = 0 (0%)

Como ya se dijo anteriormente, los motores trifásicos asíncronos pueden clasificarse en dos tipos según la forma constructiva del rotor: • •

Motor de rotor bobinado y anillos rozantes Motor de jaula de ardilla

siendo este último el de mayor difusión pues es el presenta mas beneficios.

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CFT Esta página fue dejada en blanco intencionalmente.

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CFT CAPÍTULO 3: EL MOTOR ELÉCTRICO MONOFÁSICO

3.1) Introducción. En muchas aplicaciones industriales y, más que nada, en las aplicaciones domésticas, no existe una red de distribución eléctrica trifásica, por lo que no es posible emplear motores de inducción trifásicos. En estos casos es imprescindible recurrir a motores eléctricos monofásicos, conectados ya sea entre dos fases o entre neutro y fase. Este capítulo está dedicado a estudiar el funcionamiento de este tipo de máquinas rotativas. Constructivamente, los motores monofásicos pueden clasificarse en dos tipos: • De inducción. • De colector El más simple y de mayor difusión es el motor monofásico de inducción, el cual es, en su concepción, similar al motor trifásico de inducción con rotor de jaula de ardilla, con la única diferencia que el devanado estatórico es monofásico, ocupando dos tercios de las ranuras. El tercio restante es utilizado para disponer otro devanado monofásico auxiliar, sin el cual no sería posible obtener un par de arranque.

3.2) Principio de funcionamiento. El motor asincrónico trifásico gira arrastrado por el campo rotante que tiene origen en las corrientes de fase. Cuando se interrumpe una fase el motor sigue en rotación, aunque su característica par velocidad cae notablemente. En estas condiciones, absorbe mayor corriente, para poder entregar la potencia requerida por la carga, y puede llegar a dañarse si no actúan las protecciones. Si se carga el motor, alimentado con dos fases podrá entregar una potencia sensiblemente reducida en comparación a sus dimensiones (que corresponden al motor trifásico). Si el motor está detenido y se lo alimenta con sólo dos fases, no arrancará, y sería necesario hacerlo girar mediante un impulso para iniciar el movimiento. Un sistema monofásico puede alimentar un motor a inducción bifásico, cuyos arrollamientos son de distinta impedancia, una vez que el motor gira puede desconectarse uno de los arrollamientos que se lo considera de arranque. Los motores monofásicos a inducción, muy utilizados en el campo de pequeñas potencias, presentan respecto a los motores monofásicos con colector, algunas ventajas como por ejemplo, son constructivamente más simples, no tienen colector que como se sabe es un órgano particularmente delicado, tienen una marcha silenciosa, no provocan disturbios en las comunicaciones (que de alguna manera son inevitables en los motores con colector); en cambio requieren dispositivos auxiliares para poder arrancar.

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CFT Todos los artificios para hacer que este motor pueda arrancar se fundan en el principio de crear un campo rotante, por medio de un arrollamiento auxiliar (o de arranque), que produzca un flujo fuertemente desfasado en el espacio y en el tiempo respecto del principal, y que al componerse dan el campo rotante. El arrollamiento de arranque se dispone en cuadratura respecto del arrollamiento principal (o de trabajo), y se desconecta automáticamente cuando se produce el arranque o más precisamente cuando la velocidad del motor alcanza un valor próximo a 0.75 - 0.80 de la velocidad de sincronismo; la desconexión se realiza con dispositivos que son accionados por la fuerza centrífuga o más recientemente por medio de un relé temporizado por accionamiento electrónico. Para producir el desplazamiento temporal entre la corriente del circuito auxiliar y la del circuito principal se pueden utilizar distintas soluciones, estas consisten en poner en serie con el devanado auxiliar una resistencia, una inductancia o bien un capacitor. El par de arranque desarrollado es fuertemente dependiente de la solución que se adopta, por ejemplo en motores con arrollamiento auxiliar con resistencia alcanza o supera muy poco el par nominal, en cambio en motores con devanado auxiliar con capacitor el par de arranque puede superar varias veces el nominal. Hay motores que tienen en el devanado auxiliar un capacitor y que tanto el devanado principal como el auxiliar permanecen conectados permanentemente tanto en el arranque como durante la marcha normal. Si nos referimos a su principio de funcionamiento se trata en realidad de un motor bifásico, pero por estar alimentado monofásicamente, se lo considera monofásico. Los motores monofásicos se diseñan normalmente para satisfacer un conjunto de especificaciones algunas de las cuales están impuestas por la carga, otras por el ambiente eléctrico donde serán utilizados, y otras en cambio por el fabricante. 3.3) Características de cupla y velocidad en motores monofásicos Como ya se dijo, un motor monofásico detenido no tiene par de arranque, debiéndose emplear un bobinado auxiliar por la que debe circular la corriente desfasada respecto a la del bobinado principal, para lograr el par de arranque necesario. Las características de cupla en el motor monofásico no son originadas por el diseño del rotor (como es en el trifásico), sino por la disposición del bobinado de arranque, tenemos así tres tipos de motores posibles: a) Motor de fase partida: (Figura 3.1 a) El bobinado auxiliar se realiza con alambre más fino de modo que su impedancia sea considerablemente superior al del bobinado de marcha, lográndose así el necesario desfasaje.

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CFT Producido el arranque, un mecanismo centrífugo desconecta este bobinado, cuando la velocidad es el 70% u 80% de la sincrónica. Se logra un par de arranque del orden de 200% el nominal, pero la corriente durante el proceso es muy alta, aproximadamente 10 veces la nominal. Este sistema se emplea en motores de hasta ½ HP, con cargas que no requieren un par de arranque elevado. b) Motor con capacitor de arranque: (Figura 3.1 b) El bobinado auxiliar tiene conectado en serie un capacitor electrolítico, con lo que se consigue un mayor desfasaje entre las corrientes con lo que aumenta el par y simultáneamente disminuye la corriente de arranque respecto al motor de fase partida. Usualmente se generan pares de arranque de entre el 300% al 400% el nominal y corrientes de entre 5 a 6 veces la nominal. El capacitor se selecciona de modo de obtener las mejores condiciones durante el arranque, empleándose capacitores electrolíticos ya que esta tecnología permite lograr las necesarias capacidades relativamente grandes, en un espacio reducido. Estos capacitores son aptos para permanecer conectados hasta 3 segundos, producido el arranque, un “disyuntor” centrífugo corta la circulación de corriente por el capacitor y por la bobina de arranque. Por las características del capacitor empleado, es admisible hasta 20 arranques/hora de 3 segundos de duración, o bien 60 arranques/hora de 1 segundo. c) Motor con capacitor permanente: (Figura 3.1 c) En este caso la bobina de arranque con un capacitor apto para servicio continuo, permanecen conectados durante la marcha del motor, no hay ningún mecanismo centrífugo que los desconecte. La capacidad empleada es mucho menor, seleccionada de modo que resulte adecuada para la marcha del motor, motivo por el cual el par de arranque resulta ser más pequeño. Como contrapartida se obtiene un muy buen factor de potencia. Este tipo de motores es adecuado para accionar ventiladores, ya que estos requieren un par de arranque reducido.

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CFT

Curvas de Par V

(a)

IL

Ia

Im V

(b) IL Ia Im V

IL

(c) Ia Diagrama circuital

Im Diagrama de corrientes

Figura 3.1: Motores monofásicos

Motores Eléctricos

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CFT CAPÍTULO 4: SELECCIÓN DE MOTORES ELÉCTRICOS 4.1) Generalidades En la gran mayoría de las aplicaciones industriales (entre un 70% al 80% de los casos), la selección de las características y de la potencia de un motor eléctrico, es una cuestión relativamente simple. Tal el caso, por ejemplo, de cargas cuyas cuplas de fricción estáticas son menores del 50% de la cupla nominal del motor, o donde los picos de sobrecarga son infrecuentes y menores del 125% de la carga nominal, o donde la inercia de la carga es menor que la inercia del propio motor, o donde la operación es continua, con carga constante y con una muy baja frecuencia de arranques y / o inversiones de marcha. En el 20% al 30% de los casos restantes, la selección del motor puede involucrar una serie de consideraciones técnicas de cierta complejidad, en el supuesto de pretender, como es natural, una adecuada adaptación. Por ejemplo, la carga puede caracterizarse por el requerimiento de una alta cupla de arranque, variaciones cíclicas de carga, picos o pulsaciones de cupla, altas inercias y arranques o inversiones frecuentes. A menudo tales aplicaciones imponen limitaciones en los valores de corriente de arranque. En todos los casos, la correcta selección de motor resultará en un mínimo costo inicial, a la vez que reducirá los gastos de mantenimiento y mejorará el rendimiento energético, con una mayor vida útil del mismo. Debemos como consecuencia poner en evidencia cuales son los factores a considerar, tanto del motor como de la máquina operadora, para lograr una correcta adaptación. Lo haremos a continuación con la mayor generalidad posible, aunque en muchos casos particulares algunos factores no entren en consideración, y el análisis será mucho más simple.

4.2 Determinación de la potencia del motor. En general, las condiciones de operación de la máquina o equipo impondrán al motor de accionamiento algunos de los siguientes tipos de carga. • • •

Carga constante en el tiempo. Carga Variable cíclicamente. Ciclos de maniobra (arranque, frenado, inversiones de marcha)

Discutiremos a continuación los métodos para calcular y verificar la potencia del motor para los tres casos mencionados.

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Motores Eléctricos

CFT 4.2.1 Cargas constantes. Muchos manuales y catálogos, contienen información para el cálculo o estimación de la potencia requerida por diversos tipos de máquinas. Esto incluye, por ejemplo, ventiladores, bombas, sopladores de diversos tipos (cálculo basado en presión y caudal), maquinas para trabajo de metales en general (cálculo basado en el esfuerzo necesario para arrancar un determinado volumen de material en la unidad de tiempo), transportadores, elevadores, grúas (cálculo basado en los esfuerzos por rozamiento y en los valores de Kg / Seg necesarios para la elevación o transporte de carga). En cada caso, la potencia calculada debe incrementarse en un cierto valor, para tener en cuenta las pérdidas por fricción en la transmisión (correas, engranajes, cadenas), los rendimientos de estos equipos pueden también obtenerse en catálogos de los fabricantes. Cuando no se dispone de tales datos, la potencia requerida por la carga puede determinarse realizando un ensayo a la velocidad normal de operación, o de lo contrario, puede calcularse en base a los datos obtenidos en un ensayo realizado a baja velocidad, siempre que sea conocida la característica de cupla (o de potencia) en función de la velocidad (el ensayo a baja velocidad tiene como ventaja que requiere menores potencias para su realización. Las formas básicas de estas características se indican en la figura 4.1

Cupla resistente en función de la velocidad para diversos tipos de carga

Potencia en función de la velocidad, correspondiente a las respectivas curvas de la izquierda. Figura 4.1: Cupla y potencia en función de la velocidad.

Motores Eléctricos

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CFT Tenemos así la siguiente clasificación: •

Curvas1: Cupla resistente prácticamente constante, potencia proporcional a la velocidad de rotación.. Se presenta, por ejemplo, en mecanismos elevadores, bombas y compresores de émbolo que impulsan venciendo una presión constante, laminadoras, cintas transportadoras, máquinas herramientas con fuerza de corte constante.

•

Curvas 2: Cupla resistente crece proporcionalmente con la velocidad de rotación y la potencia aumenta con el cuadrado de la velocidad.

•

Curvas 3: Cupla resistente crece proporcionalmente con el cuadrado de la velocidad, y la potencia con el cubo de la misma. Se aplica, por ejemplo, a bombas, ventiladores y soplantes centrífugos, máquinas de émbolo que alimentan una línea de tuberías abiertas.

•

Curvas 4: Cupla resistente disminuye en proporción inversa con la velocidad, permaneciendo constante la potencia. Se presenta en procesos de regulación, máquinas bobinadoras.

Además de las características de cupla y/o potencia en función de la velocidad, para determinar el comportamiento del motor en procesos de arranque, se deben conocer con la mayor exactitud posible los siguientes datos de la máquina accionada: a. Cupla resistente en reposo, o momento inicial de arranque, o cupla de fricción estática. Una manera muy sencilla de determinar dicha cupla, es colocar en el eje una polea, alrededor de la cual se arrolla una cuerda, y de esta se cuelgan pesos de hasta que el eje comience a moverse. La cupla resistente en reposo será entonces igual al producto del peso (o fuerza aplicada) por el radio de la polea. Si el eje accionado gira a una velocidad distinta que el eje motor, la cupla se reducirá a la velocidad del motor con la siguiente formula:

C =C 1

n n

2

2

1

Donde: C1: Cupla resistente en el eje del motor. C2: Cupla resistente en el eje de la máquina n1: Velocidad de rotación del motor. n2: Velocidad de rotación de la máquina.

33

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Motores Eléctricos

CFT b. Factor de inercia, o momento de impulsión, representado por GD2. Se expresa en Kg.m2, y debe referirse a la velocidad de giro del motor. G: peso del cuerpo o parte Giratoria de la máquina. D: diámetro de aplicación de la inercia = 2 x radio de giro. Para un disco plano delgado y para un cilindro homogéneo, cuyo radio es r, tenemos lo siguiente: K: radio de giro. k = r

D = 2•k = 2•r

2=d

2

2 , siendo d: diámetro del cilindro o disco; luego

GD 2 = Gd 2 2 . Para reducir el momento de impulsión de un cuerpo que gira a una determinada velocidad, a la velocidad de giro del motor, se usa la siguiente expresión:

GD 2 maq. ref .

nmaq motor = GD maq nmot

2

2

2

El momento total, referido al eje del motor, será el momento propio del motor, más el momento de la máquina referido al eje del motor.

GD 2tot = GD 2 mot + GD 2 maq. ref . motor. 4.2.2 Cargas variables. La selección de la potencia de un motor que trabajará con cargas variables cíclicas, implica la determinación de los siguientes factores. Potencia absorbida por la máquina en cada parte del ciclo, y su correspondiente tiempo de aplicación. Potencia de pérdida del motor. Tiempo efectivo de ventilación del motor durante cada porción del ciclo. La determinación de la potencia absorbida por el motor en cada ciclo puede hacerse como se indicó en el punto anterior (es decir, por cálculo, o por medición sobre un motor calibrado). Se supone que el ciclo consiste en una serie de período de marcha con carga, la duración de los cuales es lo suficientemente larga como para que el motor alcance

Motores Eléctricos

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S

CFT en cada uno de ellos una velocidad estable, y además, que el motor opera a una sola velocidad. Los ciclos que involucran arranques, frenado e inversiones frecuentes se discutirán en el punto siguiente. Bajo estas condiciones, las perdidas en el motor por efecto Joule (I2R) son proporcionales al cuadrado de la corriente (por definición) y ésta es a su vez proporcional a la cupla entregada por el motor. Si la velocidad del motor es constante, la cupla que desarrolla el motor es constante, por lo que la cupla será entonces exactamente proporcional a la potencia entregada por el motor, y luego las pérdidas (I2R) serán proporcionales al cuadrado de la potencia. La cantidad de calor Q, producida por las pérdidas, es proporcional al producto de su valor (en Watts) por el tiempo durante el cual se producen (seg). Finalmente, la cantidad de calor producida durante todo el ciclo será igual a la suma de las cantidades de calor producidas en cada una de las partes que componen el ciclo. Expresando lo anterior en símbolos, tendremos: Q = k 0 •W p • t I = k1 • C C = k 2 • HP

Donde son: Q: Cantidad de calor. Wp: Potencia de pérdida por efecto Joule (I2R) t: Tiempo de duración de las Wp C: Cupla desarrollada por el motor HP: Potencia entregada por el motor, a velocidad constante. Efectuando los reemplazos correspondientes, tendremos:

I = k k • HP W = k k • HP • R = k • HP Q = k k • HP • t 1

2

p

2

2

1

2

2

2

3

2

0

3

Si el ciclo consta de n partes, el calor total desarrollado será: n

n

Q = ∑ Q = ∑ k • HP • t i =1

i

i =1

2

i

i

Dicho valor total será a su vez proporcional a la potencia equivalente que el motor ha desarrollado durante todo el ciclo, o sea:

35

S

Motores Eléctricos

CFT Q = k • HP • t Luego tendremos 2

eq

n

,

siendo t = ∑ t i =1

n

k • HP • t = k ∑ HP • t 2

eq

i =1

i

2

i

i

de donde se deduce, n

HP

eq

=

∑ HP • t 2

ii

i =1

i

n

∑t i =1

i

Si la determinación de la potencia se efectúa mediante un motor calibrado, y en el ciclo existen cargas intermitentes que pueden llegar a superar el 200% de la potencia nominal del motor, la velocidad de este ya no será constante, sino que caerá significativamente, aún cuando tales cargas sean de corta duración. Bajo estas condiciones desaparece la proporcionalidad entre cupla y potencia supuesta anteriormente. En tal caso, el valor de la potencia a considerar para el cálculo de la potencia equivalente, es igual a la potencia media, multiplicada por la relación entre la velocidad sincrónica (o de vacío) del motor, y la velocidad real que el mismo alcanza cuando es sometido a la carga en cuestión. Si durante el ciclo, el motor permanece en reposo (velocidad = 0) durante un tiempo t0, la formula anterior se altera de la siguiente manera: n

HPeq =

∑ HP • t 2

ii

i =1

i

n

k •t + ∑t 0

i =1

i

siendo: t0: tiempo (o suma de los tiempos) en que el motor permanece detenido. K: Constante que tiene en cuenta el enfriamiento del motor en los períodos de reposo (0,25 para motores totalmente cerrados; 0,33 para motores abiertos o ventilados). A continuación analizaremos 2 ejemplos numéricos. Ejemplo 1: Figura 4.2 Calcular la potencia del motor necesario para accionar una máquina cuyo ciclo de trabajo es el siguiente: 60” .......... 10HP Motores Eléctricos

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S

CFT 120” ......... 20 HP 90” .......... Sin carga (marcha en vacío) 90” .......... 5 HP Aplicando la fórmula anterior tendremos:

10 • 60 + 20 •120 + 0 • 90 + 5 • 90 = 12,5 HP 360 2

HPeq =

2

2

2

Si en lugar de marchar en vacío, el motor permaneciera detenido durante los 90” que constituyen la tercera parte del ciclo, tendremos (suponiendo que se trata de un motor abierto):

10 • 60 + 20 •120 + 0 • 90 + 5 • 90 = 13,69 HP 0,33 • 90 + 270 2

HP

eq

=

2

2

2

Obsérvese que la introducción de un tiempo de detención en el ciclo nos obliga a pasar a un motor de mayor potencia (en este caso se debería colocar un motor de 15 HP, que es la potencia normalizada), lo cual no sería necesario si durante la parte del ciclo en que la máquina no absorbe potencia, se permite que el motor continúe girando en vacío. Obsérvese también que si se calcula el valor de la potencia promedio durante el ciclo, resultan 9,58 HP, cifra que difiere mucho de los 12,5 HP necesarios para que el motor funcione sin recalentamiento.

Figura 4.2

Ejemplo 2: Figura 4.3 Este ejemplo ilustra sobre el cálculo de la potencia efectiva, en el caso que una de las cargas del ciclo supera el 200% de la potencia nominal del motor.

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S

Motores Eléctricos

CFT El ensayo de una máquina que trabaja en ciclos de 4 minutos arrojó los siguientes valores: 120” .......... 10 HP 60” .......... 50 HP 60” .......... Sin carga (marcha en vacío) El motor utilizado para el ensayo era de 20 HP a 1500 rpm, y en el momento de arrastrar la carga de 50 HP, su velocidad cayó a 1330 rmp. De acuerdo a lo indicado anteriormente, la potencia efectiva para la parte (2) del ciclo será.

HP

ef

= 50 ×

1500 1330

=

56,39 HP

Luego, la potencia equivalente será: 2

10 • 120 + 56,39 • 60 + 0 • 60 120 + 60 + 60 2

HP eq =

2

= 29,06

HP

Esta es la potencia equivalente desde el punto de vista térmico.

Figura 4.3

Será necesario verificar, además, lo siguiente: 1. Que la cupla de arranque del motor elegido satisfaga la condición de acelerar el sistema, desde el reposo hasta la velocidad normal de operación. 2. Que en el régimen máximo la cupla impuesta al motor se halle por debajo de la cupla máxima del motor. Como práctica normal, para asegurar una operación estable, se considera que la cupla máxima del motor debe exceder al menos en un 35% a la cupla de corta

Motores Eléctricos

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S

CFT duración que se presenta en el régimen de mayor potencia (habrá que tomar márgenes mayores si se esperan caídas de voltaje). Así, en el ejemplo anterior, un motor de 25 HP seguramente podría arrastrar la carga desde el punto de vista térmico, pero en el régimen de mayor potencia su cupla máxima debería ser: 56,39 (ó 225%) de su cupla nominal. = 25 2,25 veces Este valor constituye prácticamente el límite para los motores de diseño normal, y no nos queda margen para asegurar una operación estable. Por lo tanto, deberíamos optar por un motor de 40HP de diseño normal (si su cupla máxima es de 200%, nos queda un margen de 60% en el régimen de mayor potencia), o por uno de 30HP de diseño especial, con una cupla máxima de 250% (nos asegura un margen de 60% en el régimen de mayor potencia). 4.2.3 Ciclos de maniobra. 4.2.3.1 Relación entre pérdidas en el rotor y energía cinética. La energía total perdida como calor en el rotor de un motor de inducción (con rotor en cortocircuito) durante la aceleración desde el reposo hasta la velocidad de sincronismo, es igual a la energía cinética (o de rotación) que ha adquirido la masa acelerada por el motor (incluido el propio rotor) al llegar a dicha velocidad. Para que esto se cumpla se deben respetarlas siguientes condiciones: 1. La velocidad final (o de sincronismo) debe ser constante (o sea el motor debe operar a una sola velocidad y con una frecuencia constante) 2. La cupla de carga debe ser prácticamente despreciable. Expresándolo en símbolos tendremos:

Q

R

=

K • GD • N 2

2 S

=

E

C

Donde son: QR: Cantidad de energía liberada como calor en el rotor. K: constante GD2: Factor de inercia (de la carga y del motor referido al eje del motor) NS: Velocidad de sincronismo del motor EC: Energía cinética acumulada en el sistema cuando el motor alcanza la velocidad NS Durante la aceleración, la energía total que ingresa al rotor desde el estator es igual a la energía cinética más las perdidas por calor en el propio rotor. Dado que ambas componentes son iguales, la energía total entregada al rotor es igual al doble de energía cinética almacenada en el volante.

39

S

Motores Eléctricos

CFT Cuando se efectúa un frenado a contra corriente (es decir, se invierte el sentido del campo giratorio respecto al rotor), la energía que el estator entrega al rotor es la misma que en el caso anterior, o sea, 2EC. Además, cuando el rotor ha alcanzado la velocidad cero, toda la energía cinética que estaba almacenada en el volante ha sido reintegrada al rotor en forma de energía eléctrica. Por lo tanto, la energía total entregada al rotor durante un frenado a contra corriente (energía que se ha convertido totalmente en calor cuando el rotor alcanzó la velocidad cero), es igual a tres veces la energía cinética del volante, o sea 3 EC. Si en lugar de un frenado a contra corriente, se efectúa una inversión de marcha, las perdidas totales en el circuito del rotor serán la de un frenado (3EC) mas la de una aceleración N (EC), o sea 4EC. Ver figura 4.4.

Et= Qr + EC = 2 EC

Et= 2 EC = Qr n=ns

Rotor Qr

=

Rotor EC

EC

Qr

=

EC

2EC Estator

Estator Aceleración

Instante inicial frenado

Et= 2 EC

Figura 4.4 EC Rotor Qr

=

3EC Estator Instante final frenado

Motores Eléctricos

40

S

CFT La ecuación anterior puede escribirse de manera de indicar las pérdidas totales por calor en el rotor al producirse cualquier cambio de velocidad de la siguiente forma:

Q

R

=

K •G • D • N 2

2 s

•

(S

2 1

− S2 2

)

S1: deslizamiento inicial. S2: deslizamiento final. Siendo en general,

S

=

n −n n s

s

ns: Velocidad de rotación del campo magnético giratorio. n: Velocidad de rotación del rotor del motor. Por ejemplo, al final de un ciclo de aceleración, n es igual a ns, por lo que el deslizamiento (S2) será igual a 0, en tanto que al comienzo del ciclo de aceleración n es igual a 0, y el deslizamiento S1=1. Al comienzo de un ciclo de frenado el rotor gira a n= ns, como el campo se aplica en sentido inverso será:

S

2

=

− ns − n s − ns

=2

4.2.3.2 Pérdidas totales. A los fines de poder evaluar los calentamientos producidos por los distintos ciclos mencionados (arranque, frenado o inversión) debemos considerar las pérdidas totales producidas en el motor. Dichas pérdidas totales son iguales a la suma de las pérdidas en el rotor (calculadas anteriormente) más las pérdidas en el estator. Además, estas últimas son iguales a la del rotor, multiplicadas por el factor (R1/R2)C, donde: R1: resistencia óhmica del bobinado estatórico. R2: Resistencia óhmica del bobinado (o jaula) del rotor. C: Factor de conversión que depende del diseño del motor. Luego, las perdidas totales serán:

Q =Q +Q t

R

R

⎛ R1 •⎜ • ⎜ R2 C ⎝

Q = K •G • D • N 2

t

41

2 s

•

⎞ ⎛ ⎟=Q •⎜ + R ⎟ ⎜1 ⎠ ⎝

(S

2 1

⎛ 2 − S 2 ⎜1 + ⎜ ⎝

)

R1 • C R2

R1 • C R2

⎞ ⎟ ⎟ ⎠

⎞ ⎟ ⎟ ⎠

S

Motores Eléctricos

CFT Para un motor en particular, podemos agrupar resultando:

Q =K t

1

•

(S

2 1

− S2 2

)

Para una aceleración simple, S1= 1; S2= 0; Qt= K1 Para un frenado, S1= 2; S2= 1; Qt= 3K1 Para una inversión, debemos desglosar dos partes: a) Un frenado. b) Una aceleración en sentido inverso (térmicamente equivale a la aceleración en sentido directo. c) Qt inv = Qt fr + Qt ac = 4Qt ac En conclusión en el caso de un motor en particular y de una determinada inercia todos los factores de la ecuación son conocidos, excepto el término (S12-S22) que depende del ciclo de servicio. Tabulando los valores calculados anteriormente para los distintos ciclos tendremos: Elementos componentes del ciclo de servicio

(S

2 1

− S2 2

)

Numero de frenados o inversiones consecutivos en múltiplos del número de arranques (o aceleraciones) simples, para producir la misma cantidad de calor. Fracción Número 12 1

Aceleración simple

1

Frenado por contracorriente

3

1/3

4

Inversión (fr+ac)

4

1/4

3

4.2.3.3 Ciclos de maniobras reales. Hasta aquí hemos supuesto que el motor no arrastraba cargas adicionales en los períodos de aceleración frenado o inversiones. En los casos reales además de la carga de inercia, el motor debe suministrar una determinada potencia a la carga. Para efectuar la selección del motor, además de la potencia nominal, se debe conocer la frecuencia de maniobra en vacío, Z0, datos que debe suministrar el fabricante del motor, la tabla siguiente indica esta cifra para los motores Czerweny.

Motores Eléctricos

42

S

CFT Número de inversiones / hora (en vacío Z0) admisible en motores 1300 tipo continental. 2 POLOS Tipo 80 2A 80 2B 90S 2A 90L 2A 100L 2A 112M 2A 112M 2B 132S 2A

HP 1 1,5 2 3 4 5,5 7,5 10

Z0 1250 1250 1000 1000 750 650 450 350

GD2 [Kgm2) 0,0039 0,0047 0,0074 0,0089 0,0157 0,0283 0,0330 0,0742

Z0 2000 2000 1500 1500 1250 1250 850 600

GD2 [Kgm2) 0,0055 0,0064 0,0138 0,0163 0,0263 0,0304 0,0522 0,150

Z0 4000 4000 2000 2000 1600 1250 750

GD2 [Kgm2) 0,0055 0,0066 0,0135 0,0195 0,0354 0,0665 0,140

4 POLOS Tipo 80 4A 80 4B 90S 4A 90L 4A 100L 4A 100L 4B 112M 4A 132M 4A

HP 0,75 1 1,5 2 3 4 5,5 10

Tipo 80 6A 80 6B 90S 6A 90L 6A 100L 6A 112M 6A 132M 6A

HP 0,5 0,75 1 1,5 2 3 5,5

6 POLOS

Este valor representa el número de inversiones / hora que puede realizar el motor arrastrando solo su propia inercia, sin proporcionar potencia y con el cual se alcanza la elevación de temperatura límite correspondiente a la clase de aislamiento con la que está construido. Para determinar el número de inversiones admisibles para un ciclo real se deben considerar los siguientes factores de corrección:

43

S

Motores Eléctricos

CFT Factor KS: Factor del momento de impulsión. Considera el efecto de la inercia de la carga, y se calcula de la siguiente manera: 2

K

S

=

GD mot GD mot + GD c arg aref .mot. 2

2

Ks: Factor del momento de impulsión. GD2 mot:.: Momento de impulsión del motor. GD2 carga ref. mot.: momento de impulsión de la carga referida a la velocidad del eje motor. Factor KL: factor de carga. Considera el efecto de la carga durante el período de trabajo (es decir, supone que el calentamiento se origina por una parte debido la frecuencia de maniobra, y por la carga por otra)

⎛ P⎞ K = 1 − ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ Pn ⎠

2

L

KL: Factor de carga. P: Potencia equivalente (o eficaz) absorbida por la carga (se calula en la forma indicada en el tema “cargas cíclicas”) Pn: Potencia nominal del motor. La frecuencia de maniobra admisible por el motor, al aplicar estos factores, será menor que la frecuencia de maniobra en vacío Z0: Z’= KS. KL. Z0 “El valor de Z’ así determinado debe ser igual o mayor que la frecuencia de maniobras que impone el ciclo real de trabajo.”

Z'

≥ N °de inversiones del ciclo real.

Considerando las equivalencias térmicas establecidas entre un arranque, un frenado a contracorriente y una inversión, podemos escribir en forma general:

Z'

≥ N ° inv. ciclo + 3 / 4 fren. ciclo + 1 / 4 arr. ciclo

Ejemplo 3: Sea un ciclo de maniobra como el indicado en la figura 4.5 (el motor funciona en régimen de inversión permanente) GD2 maq. Ref. mot. = 0,085 Kgm2. Haremos un primer cálculo basándonos en un motor de 2 HP, 1500 rpm, según la tabla, para este motor tenemos Z0= 1500 inversiones / hora, GD2mot=0,0163 Kgm2. Motores Eléctricos

44

S

CFT

Figura 4.5 2

K

K

S

L

=

0,0163 GD mot = GD mot + GD c arg aref .mot. 0,0163 + 0,085 2

⎛P⎞ ⎜ ⎟⎟ ⎝ Pn ⎠

=1 −⎜

2

2

⎛ n ⎜ ∑ HPii2 •t i ⎜ i =1 n ⎜ ∑ ti ⎜ i =1 =1 −⎜ Pn ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝

2

= 0,1609

2

⎞ ⎟ ⎟ ⎟ ⎞ ⎛ n 2 ⎜ ∑ HPi •t i ⎟ ⎟ 1 • 2 +1 •1,5 +1,5 • 2 +1 •1 = 0,2638 ⎟ = 1 − ⎜ i =1 n ⎟ = 1 − 4,5 • 2 ⎜ P2 • ∑ t ⎟ ⎟ ⎜ n i⎟ ⎟ i =1 ⎠ ⎝ ⎟ ⎟ ⎠ 2

2

2

2

2

2

Z’= KS. KL. Z0 = 0,1609 * 0,2638 * 1500 = 63,66 inversiones / hora. En el ciclo se presentan 2 inversiones; como la duración del ciclo es de 4,5 minutos, el número de inversiones en una hora es: Z ciclo = (60*2)/4,5= 26,66 inversiones / hora. Se cumple la condición Z’ 63,66>26,66 Luego, el motor propuesto es apto para trabajar en este ciclo. Ejemplo 4: Elegir el motor necesario para trabajar en el ciclo indicado en la figura 4.6. El momento de impulsión de la carga es GD2maq.ref.mot.=0,0600 Kgm2.

45

S

Motores Eléctricos

CFT Por las características del ciclo, haremos un primer cálculo basándonos en un motor de 2 HP, 1500 rpm, según la tabla, para este motor tenemos Z0= 1500 inversiones / hora, GD2mot=0,0163 Kgm2.

Figura 4.6

0,0163 = 0,2136 0,0163 + 0,0600 1 • 0,5 +1 • 2 +1 •1 = 0,596 K =1 − (0,25*1+3) • 2 K

S

=

2

2

L

2

(el término 0,25*1 es el indicado en la formula como k*t0 en la formula de la potencia equivalente para cargas cíclicas).

2

2

Z’= KS. KL. Z0 = 0,2136 * 0,596 * 1500 = 190,95 inversiones / hora. El ciclo propuesto consta de: 1 arranque.......................... 0,25 inv 2 inversiones...................... 2,00 inv. 1 frenado............................. 0,75 inv 3,00 inv. Con una duración de 4 minutos. Son (60*3)/4= 45 inversiones /hora Nota: el motor permanece detenido durante 1 minuto antes de recomenzar el ciclo. Se verifica la condición de Z’: 190 > 45

Motores Eléctricos

46

S

CFT Luego, se verifica que el motor propuesto es apto para funcionar en el ciclo indicado. Dado el elevado margen de seguridad, veremos si es posible utilizar un motor de menor potencia. Para el motor de 1,5 HP y 1500 rpm (que es el inmediato inferior), tenemos según la tabla los siguientes valores: - Z0= 1500 inversiones / hora - GD2mot=0,0138 Kgm2.

0,0138 = 0,186 0,0138 + 0,0600 1 • 0,5 +1 • 2 +1 •1 = 0,282 K =1 − (0,25*1+3) •1,5 K

S

=

2

2

2

L

2

2

Z’= KS. KL. Z0 = 0,186 * 0,282 * 1500 = 78,67 inversiones / hora. Con este motor vemos que también se verifica la condición de Z’: 78,97 > 45. Sin embargo, será necesario verificar que su cupla de arranque (que por supuesto es menor que en un motor de 2 HP), sea suficiente para acelerar el sistema en el tiempo permitido por el ciclo.

4.3 Datos complementarios para seleccionar un motor.

Además de la determinación de la potencia necesaria para cada aplicación, hay otros factores que influyen en la selección del motor eléctrico.. Estos factores son: La red de energía eléctrica disponible. El medio ambiente. Requerimientos del mecanismo a impulsar. 4.3.1 La red eléctrica. Las características de la red existente es un factor de relevante importancia en la selección del motor. Cualquier tipo de transformación de la tensión existente (CA/CC , transformación de tensión, etc) implica una inversión adicional, la cual es inadmisible cuando debe hacerse para un solo motor. Por lo general, se opta por un motor cuyas características eléctricas coincida con la de la red disponible, definiendo así su tensión, frecuencia y número de fases.

4.3.2 El medio ambiente Las potencias nominales de los motores están referidas a lugares que no superan los 1000 metros sobre el nivel del mar ni los 40 °C de temperatura ambiente, pues en esas condiciones sobrepasaría su calentamiento admisible. Por ello, cuando

47

S

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CFT se trate de una localización que exceda los parámetros de referencia, deberá indicarse en la especificación y estudiarse la clase de aislamiento mas conveniente. El medio ambiente es el factor que define el tipo de cerramiento o grado de protección que el motor necesita; tema que fue tratado en el punto 1.2.

4.4 Otros requerimientos generales. Restan mencionar a lo ya indicado, algunos factores derivados de leyes, reglamentaciones y normas vigentes que varían con el tipo de instalación, por ejemplo, las características de la industria, la exigencia de seguros, limitaciones requeridas en el ruido o las vibraciones, el grado de seguridad pretendido en el servicio, etc.

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CFT CAPÍTULO 5: FACTORES QUE ALTERAN LA PERFORMANCE DEL MOTOR 5.1 Generalidades. Existen múltiples factores que pueden alterar la performance del motor, provocando la desclasificación del mismo. De no tenerse en cuenta los mismos, corremos el riesgo de acortar significativamente la vida útil del motor eléctrico. Algunos de estos factores son: Variación de Tensión. Desequilibrio de tensión. Utilización en ambientes superiores a 40 °C Utilización a más de 1000 metros de altitud.

A continuación trataremos cada uno de estos puntos. 5.2 Variación de tensión. Las variaciones de tensión en la red eléctrica afectan las características electromecánicas de los motores. La publicación IEC 34-1 establece que estos deben ser capaces de operar con tensiones desde el 95 % al 105 % del valor nominal, pudiendo, en estas condiciones, exceder 10 °C la elevación de temperatura por sobre el límite de la clase. Con baja tensión disminuyen las pérdidas en vacío, pero aumentan las pérdidas con cargas por el mayor deslizamiento; aumentando las perdidas totales y por lo tanto la elevación de temperatura. En la figura 5.1, se indica la variación de la curva cupla – velocidad, correspondiente a una tensión del 90% de la nominal, puesto que las cuplas son proporcionales al cuadrado de la tensión, en este caso la cupla es del 81% de la nominal. La capacidad de sobrecargas transitorias disminuye y si la carga tiene un fuerte par resistente durante el arranque, el motor puede resultar incapaz de acelerar a su velocidad de régimen con una cupla como la CR2, o bien, el pequeño exceso de cupla aumentará considerablemente el tiempo de arranque. Si la red interna de distribución o la línea de alimentación del motor es insuficiente, durante el período de arranque, en el que la intensidad puede ser entre 5 a 6 veces la nominal del motor, se produce una caída de tensión en los bornes del motor puede ser mucho menor aún; agravando los problemas de arranque. El funcionamiento con tensión mayor, aumenta las cargas magnéticas en el hierro, aumentando las pérdidas y la corriente de vacío y el factor de potencia empeora. Como los pares aumentan no hay problemas de arrastre de la máquina accionada. 49

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Cupla a plena tensión Cupla a 90 % de la tensión Figura 5.1

5.2.1 Efecto de la tensión de alimentación desequilibrada. El sistema trifásico de alimentación deberá tener sus fases equilibradas, se considera prácticamente equilibrado a un sistema cuyas tensiones de sus fases respecto al neutro no difieren del 4%. Mayores desequilibrios provocan un aumento en las pérdidas, las cuales conducen a elevaciones de temperatura inadmisibles. Con respecto a la forma de onda de tensión, deberá ser sinusoidal, y el valor instantáneo no debe diferir en un 5% del valor teórico para la sinusoide. 5.3 Utilización en ambientes superiores a 40 C° Las elevaciones de temperatura fijada por norma, resultan adecuadas para el motor, cuando este opera en ambientes de hasta 40 °C. Por ejemplo, para un motor de aislamiento clase E, la sobre elevación de temperatura máxima es de 75 °C, por lo que: 75 °C + 40 °C= 115 °C como temperatura máxima de funcionamiento. Aplicando este motor en un ambiente entre 40 °C y 60 °C deberá restarse de la elevación permitida el exceso de temperatura ambiente sobre 40 °C. Resultará así para la clase E en ambiente de 55 °C: ∆T= 75 – (55 – 40)= 60 °C como sobre elevación permitida. Esto implica utilizar un motor diseñado expresamente con una elevación de temperatura menor que en los diseños normales. Por lo general una solución más simple es utilizar el motor de diseño normal (∆T 75 °C u 80 °C) pero construido con aislantes de clase térmica superior. Si en el ejemplo anterior utilizamos aislante clase F (∆T= 100°C), es admisible ∆T= 100 – (55 – 40)= 85 °C como sobre elevación permitida. Para ambientes de más de 60°C, la elevación de temperatura se fijará por acuerdo, teniendo siempre en vista que en las condiciones reales de funcionamiento

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CFT no sean superadas las temperaturas adecuadas para los aislantes empleados, sin superar los valores indicados en la tabla de la página 12. 5.4 Corrección por altitud mayor a 1000 metros. La disminución de la densidad del aire a grandes alturas, hace que la ventilación sea menos eficaz. Debe reducirse, ya sea la elevación de temperatura del motor supuesta, determinada a nivel del mar en 1% por cada 100 metros que se excede a los 1000 metros de altura. Así mismo, con el aumento de altitud es de prever temperaturas ambientes menores, pudiéndose así, emplear motores con elevación normal si se reduce la temperatura ambiente. La corrección se plantea así, por ejemplo, para un motor clase E a 2200 metros de altura: ⎛ 2200 m − 1000 m ⎞ ⎟⎟ • 75 °C = 9 °C Re ducción de temperatura = 1%⎜⎜ 100 m ⎠ ⎝ En este caso es admisible: • un ∆t = 75 °C con una temperatura ambiente de ( 40 °C – 9°C) = 31 °C o bien • ∆t = (75 °C – 9 °C) = 66 °C, con temperatura ambiente de 40 °C.

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CFT CAPÍTULO 6: PROTECCIÓN DE MOTORES ELÉCTRICOS. 6.1 Introducción. En un sistema de distribución en baja tensión, el conjunto de aparatos que asegura el comando y la protección de un receptor eléctrico es llamado “SALIDA”. Cuando el receptor es un motor, dicho conjunto es llamado “SALIDA MOTOR”. Dicha salida, tiene como función extra, la de proteger al conjunto de aparatos que la conforman. En consecuencia la salida motor debe proteger además del motor, al conjunto de aparatos que lo componen y fundamentalmente privilegia la protección de las personas, este concepto importante se conoce como “Coordinación”. Los elementos destinados a una salida motor deben cumplir con las siguientes funciones básicas: Función de seccionamiento. Función de interrupción. Función de conmutación. Función de protección contra cortocircuito. Función de protección contra sobrecargas. La norma IEC 60947 define las prescripciones y ensayos de los elementos que cumplirán las funciones detalladas arriba, y a continuación se presenta brevemente las características de cada una de ellas.

6.2 Función de seccionamiento. Es una función de seguridad, que contempla los elementos para aislar eléctricamente los circuitos de potencia y comando con respecto a la alimentación general. Un aparato es apto para el seccionamiento, cuando le garantiza al operador, que en la posición de abierto todos los polos están correctamente aislados, permitiendo al personal de mantenimiento su intervención sin ningún peligro para su vida. El dispositivo de seccionamiento debe garantizar la separación galvánica completa de la salida motor y ubicarse en el principio de la salida (tablero). La calidad del seccionamiento implica que el dispositivo deba cumplir con una serie de características: Aislación de los circuitos de las fuentes de energía. Separación omnipolar y simultánea, post apertura del neutro y pre cierre del mismo. Condenación en la posición de apertura, o enclavamiento mecánico que impida el cierre intempestivo mientras se está operando. Separación plenamente aparente, ya sea visible o a través de una indicación abierto, si todos los contactos están efectivamente abiertos y separados por una distancia determinada.

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CFT 6.3 Función interrupción. El dispositivo destinado a cumplir la función de interrupción debe permitir interrumpir o establecer un circuito bajo carga y realizar la parada de emergencia. Debe ser capaz de realizar la apertura de una sobrecarga de hasta 8 In. Debe soportar, además, el cierre sobre un cortocircuito, pero no es necesario que lo despeje. Vulgarmente el interruptor se denomina interruptor manual o seccionador bajo carga, debido a su característica de corte de la corriente de carga. Una variante de los interruptores, son los interruptores seccionadores, que cumplen con la función de interrupción en la puesta en servicio y al interrumpir la carga , y además en la posición abierto aíslan el circuito de carga de acuerdo a lo especificado para un seccionador.

6.4 Función de conmutación. Está destinada a la puesta en marcha y parada en forma manual o automática, local o a distancia del electromotor. Este dispositivo debe ser capaz de establecer y cortar la corriente de valores iguales o múltiplos de la corriente nominal de la carga. Debe ser capaz de soportar cadencias de maniobras elevadas, con una vida mecánica y eléctrica elevadas. Existe una gran diversidad de productos destinados a cubrir esta función. Cada uno presenta características técnicas propias que lo hacen aptos para aplicaciones en general, la decisión de utilizar uno u otro dispositivo dependerá de la calidad y costo que se requiera. Básicamente se los puede dividir en: Productos electromecánicos: Contactores, arrancadores combinados. Productos electrónicos: Arrancadores progresivos, variadores de velocidad. 6.4.1 Contactores. Dentro de los productos electromecánicos, el contactor es el dispositivo más conocido y utilizado ya que ofrece una serie de ventajas como ser: Corte de altas corrientes mediante un circuito de muy baja tensión. Posibilidad de trabajar en servicio intermitente y continuo. Poder operarlo desde distintos puestos de trabajo. Gran cantidad de ciclos de maniobras eléctricas y mecánicas. La norma IEC 60947-4 define al contactor como: “Dispositivo mecánico de maniobra con una sola posición de reposo, operado NO de forma manual, capaz de establecer, conducir y cortar corrientes bajo condiciones normales de servicio incluyendo la operación en sobrecarga.”

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CFT La misma norma establece 11 categorías de empleo en corriente alterna y 4 en corriente contínua a saber: Categoría

Aplicaciones Categorías en Corriente Alterna

AC – 1

Cargas no inductivas o poco inductivas, hornos de resistencia.

AC – 2

Motores de rotor bobinado: arranque, desconexión

AC – 3

Motores a jaula de ardilla: arranque, desconexión del motor girando (motor lanzado).

AC – 4

Motores a jaula de ardilla: arranque, plugging (2), marcha a impulsos.

AC – 5

Maniobra de lámparas incandescentes

AC – 6a

Maniobra de transformadores.

AC – 6b

Maniobra de bancos de capacitores.

AC – 7a

Cargas poco inductivas en aplicaciones domésticas y similares.

AC – 7b

Motores para aplicaciones domésticas

AC – 8a

Motocompresores herméticos con reseteo manual de los dispositivos de protección contra sobrecargas.

AC – 8b

Motocompresores herméticos con reseteo automático de los dispositivos de protección contra sobrecargas. Categorías en Corriente Contínua.

DC – 1

Cargas no inductivas o poco inductivas, hornos de resistencia.

DC – 3

Motores derivación: arranque, plugging (2), marcha a impulsos. Frenado dinámico.

DC – 5

Motores serie: arranque, plugging (2), marcha a impulsos. frenado dinámico.

DC – 6

Maniobra de lámparas incandescentes

Los contactores vienen especificados por el fabricante para ser empleados en categoría AC – 3, así, un contactor Telemecanique indica el amperaje en esta categoría en el código del producto. Por ejemplo, tomenos el contactor LC1D12M7, el código indica: LC1: Prefijo de los contactores D: familia D (existen además las familias K y F) 12: In en AC – 3. M7: tensión de comando de la bobina Empleando tablas de selección, puede determinarse la intensidad asignada a cada contactor en cada una de las categorías definidas por la norma.

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CFT 6.5 Función de protección contra cortocircuitos La corriente de corto circuito es una sobrecarga de valores elevados que se establece en forma imprevista e intempestiva, y puede causar daños irreparables sobre los componentes de la instalación y eventualmente sobre las personas. El dispositivo empleado para la protección contra cortocircuitos debe ser capaz de detectar y separar la parte afectada, eliminando rápidamente las corrientes de cortocircuito que puedan establecerse, de manera de proteger la instalación y las personas. Estos equipos deben detectar el cortocircuito e interrumpir el circuito muy rápidamente, si es posible antes que la corriente llegue a su valor máximo. 6.5.1 Dispositivos de protección contra cortocircuitos Los dispositivos más comunes para la protección contra cortocircuitos son : Fusibles de alta capacidad de ruptura. Interruptores automáticos. Los fusibles son los elementos tradicionales de protección contra cortocircuitos, no solo para las “salida motor” también para otros tipos de “salidas”. Su utilización en la práctica presenta desventajas operativas y funcionales: Envejecimiento del elemento fusible por el uso. Ante la fusión de un fusible hay que cambiar el juego completo. Disponibilidad del calibre adecuado para el cambio. Los interruptores automáticos, en cambio, evitan todos estos inconvenientes aportando una protección de mejor perfomance, invariable con el tiempo, flexible por su capacidad de adaptación a nuevas cargas y que asegura la continuidad de servicio De acuerdo a la tecnología de fabricación, existen dos tipos de interruptores automáticos: Rápidos y limitadores. La diferencia entre un interruptor rápido y un limitador está dada por la capacidad de este último de dejar pasar una corriente sensiblemente inferior a la corriente de defecto presunta. 6.5.2 Curva característica. La curva característica de un interruptor automático da la información sobre su funcionamiento. Esta información, se traduce en un gráfico tiempo corriente, en una representación en escala logarítmica de la corriente en Amperes, o veces de In, en el eje horizontal y el tiempo en segundos en el eje vertical. La característica de disparo de un interruptor automático es a tiempo independiente, es decir que a partir de un determinado valor de corriente, la protección actúa, siempre en el mismo tiempo. La figura 6.1 muestra una curva característica de un interruptor con unidad de disparo magnética.

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Figura 6.1: curva característica de la protección magnética.

6.6 Función de protección contra sobrecargas. La sobrecarga es el defecto más frecuente de las máquinas. Se considera una sobrecarga a una elevación de la corriente por encima de la nominal, sin llegar a tomar valores tan elevados como las corrientes de cortocircuito (hasta 10 In). La función del dispositivo de protección contra sobrecargas consiste en la detección y el corte de la sobrecorriente, para evitar el deterioro del aislante de los componentes de la instalación (principalmente cables y motores). Para cada valor de corriente de funcionamiento, se tendrán diferentes valores de temperatura alcanzados. Es importante para la vida útil del motor que no se supere el valor de temperatura máxima establecido para el tipo de aislante utilizado, ya que un aumento de 10º C en la temperatura de funcionamiento por encima de la temperatura límite reduce su vida útil a la mitad. Los motores sin embargo, pueden funcionar con corrientes por encima del valor nominal, pero la duración está limitada por la temperatura que puede alcanzar el motor, es decir, el motor no puede permanecer en funcionamiento continuo con estos valores de corriente, debiéndose interrumpir la corriente antes de que se alcance el valor de temperatura límite, existiendo además un tiempo límite de actuación de la protección para cada valor de sobrecarga. Graficando estos valores se obtiene la curva de carga del motor con una característica denominada de tiempo inverso. La protección contra sobrecargas debe garantizar que el motor funcione con temperaturas inferiores a la temperatura límite. Esto se traduce en que la curva de actuación corriente-tiempo de la protección debe estar por debajo de la del motor protegido como se muestra la figura 6.2. Es importante destacar que el dispositivo de protección debe soportar el arranque del motor sin desconectarse, para lo que es imprescindible emplear protecciones con una clase adecuada.

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Figura 6.2: Curva de protección térmica

Como ya se dijo, estos elementos deben supervisar que el motor no alcance valores de temperatura superiores a los máximos admisible por el aislante empleado, lo cual puede ser realizado de dos maneras: Supervisión de corriente Relés térmicos que miden corriente y funcionan por imagen térmica (bimetálicos o electrónicos). Supervisión de Temperatura Relés de termistancias que controlan la temperatura de la máquina (Relés electrónicos con Sondas PTC). 6.7 Coordinación de protecciones. Lo tratado hasta ahora constituyen las distintas funciones que debe cumplir una salida motor. Esto nos obliga a asociar distintos aparatos para constituirla. Con esta asociación de aparatos, debe asegurarse que en ningún momento durante su funcionamiento, ocasionen daño a las personas o a la instalación en caso de defecto. El criterio, de la coordinación de las protecciones, de la norma IEC 60947-4 privilegia la protección de las personas y toma en cuenta el mantenimiento de los equipos. Esta norma, define el concepto de coordinación entre los dispositivos de mando y protección del motor. La coordinación de las protecciones es la forma óptima de asociar los dispositivos de interrupción, comando, protección contra sobrecargas y protección contra cortocircuitos,. El objetivo de la misma es interrumpir a tiempo, sin peligro para personas e instalaciones, corrientes de sobrecarga (1 a 10 In) o una corriente de cortocircuito (>10 In) muy rápidamente y limitarla antes que alcance su valor de cresta. La norma IEC 60947-4 define además dos tipos de coordinación de las protecciones, caracterizados por el estado de la salida luego de un cortocircuito.

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CFT Coordinación tipo 1: En condición de cortocircuito, el material no debe ocasionar peligro a las personas o a las instalaciones y puede no estar capacitado para funcionar después sin reparación o recambio de piezas. Coordinación tipo 2: En condición de cortocircuito, el material no debe ocasionar peligro a las personas o a las instalaciones y debe ser capaz de funcionar después sin reparación o recambio de piezas. La norma IEC 60947-6-2 establece el tipo de coordinación total, que en condición de cortocircuito, el material no debe causar daños a las personas e instalaciones. No debe existir proyección de material encendido fuera del arrancador. Además ningún daño ni riesgo de soldadura es aceptado sobre todos los aparatos que componen la salida. Esta norma valida el concepto de continuidad de servicio, minimizando los tiempos de mantenimiento. 6.8 Otras protecciones. El objetivo de las protecciones de una salida motor, es evitar que por funcionamientos anormales se incremente la temperatura del motor, disminuyendo así la vida útil de la máquina. Además de las funciones básicas descriptas en los puntos anteriores, es posible incorporar en la salida motor otras protecciones, de tipo electrónicas, que permiten una protección más eficaz del motor. Dentro de las protecciones más importantes podemos citar: Protecciones por sub y sobretención. Protección contra fallas de asimetría. Protección contra inversión de fases. Protección contra fallas de subcorrientes Las ultimas dos constituyen un elemento de protección para la mecánica asociada al motor, pues para este, trabajar a menor corriente o en sentido inverso no presenta ningún riesgo. Sin embargo tomando como ejemplo una aplicación de bombeo, es inadmisible que la bomba gire en sentido inverso (inversión de fases) o que trabaje en vacío (subcorriente), condiciones que implican riesgo de destrucción para la mecánica.

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CFT CAPÍTULO 7: SISTEMAS DE ARRANQUE 7.1 Arranque del motor de jaula de ardilla. En el proceso de arranque, los motores con rotor de jaula de ardilla toman de la línea una alta corriente. El valor de esta intensidad es, al comienzo, el de la corriente del motor con rotor bloqueado, hasta que la velocidad que toma alcanza entre el 40% al 60% del valor nominal. La corriente disminuye entonces rápidamente hasta que el motor llega a la velocidad correspondiente al estado de carga en que ha sido arrancado, tal como se ve en la figura 7.1.

Figura 7.1: corriente de arranque de un motor jaula de ardilla

Cabe señalar que: El valor de la corriente de arranque del motor no depende de la carga que tiene conectada, sino de sus propias características de diseño. La corriente de arranque para la mayoría de los motores de uso industrial es de aproximadamente 6 veces la corriente nominal. La duración de la corriente de arranque, es decir, el tiempo que transcurre hasta que la misma disminuye al valor correspondiente a la carga conectada, es función de esa carga, pues el par de aceleración depende de la diferencia entre el par motor y el par resistente de la carga, y de la inercia de las partes giratorias del motor y de la carga mecánica

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CFT Esta gran corriente de arranque puede, sobre todo si la sección de la línea de alimentación es insuficiente, provocar una caída de tensión susceptible de afectar el funcionamiento de los receptores. A veces esta caída de tensión es tal que es perceptible sobre los aparatos de alumbrado. Para remediar estos inconvenientes, algunos sectores prohíben por encima de una cierta potencia, la utilización de motores de inducción con arranque «directo». Es por eso que se plantean diferentes sistemas de arranque de motores de jaula de ardilla, y a continuación analizaremos brevemente las distintas soluciones electromecánicas y electrónicas. 7.2 Sistemas de arranque electromecánicos para motores trifásicos. Para evitar los inconvenientes descriptos en el punto anterior, no se utiliza el arranque en forma directa, sino que se realiza el arranque por diferente métodos. Todos los métodos de arranque reducen la corriente, reduciendo la tensión de alimentación y por consiguiente el par de arranque, por lo que es necesario conocerlos para poder determinar cual se adapta mejor a cada accionamiento. Los distintos tipos de arranque utilizados en motores asincrónicos a jaula son los siguientes: Arranque directo Arranque Estrella - Triángulo Arranque por autotransformador. Arranque estatórico Arranque por arrollamientos separados. 7.2.1 Arranque directo. Es la solución más utilizada, por ser la más simple y económica. Presenta picos de corriente de arranque elevados, que deben ser soportados por la red de alimentación. Este arranque es el único que no reduce la tensión y, por lo tanto, tampoco reduce el par de arranque. Este sistema de arranque se obtiene en un solo tiempo, el estator del motor se conecta directamente a la red, por lo tanto arranca tomando una gran corriente (4 a 8 In). Se utiliza generalmente en máquinas pequeñas que deben arrancar a plena carga ya que el par de arranque es 0,6 a 1,5 Cn. La figura 7.2 muestra el conexionado de potencia. La categoría de empleo del contactor puede ser AC - 3, AC - 4, o mixto. Figura 7.2

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CFT 7.2.2 Arranque Estrella – Triángulo. Este procedimiento solo puede utilizarse en motores donde los dos extremos, de todos los arrollamientos, estén accesibles en la caja de bornes y que la tensión de conexión en triángulo coincida con la de la red. Así en una red 3x380 V el motor debe ser 380/660 V y en una red de 3x220 V el motor debe ser 220/380 V (La tensión menor indicada en la chapa característica, corresponde a la tensión de diseño de cada arrollamiento). La figura 7.3 muestra el conexionado de potencia. Este sistema consiste en arrancar el motor conectando sus arrollamientos en estrella (En esta Figura 7.3 situación la tensión aplicada a cada uno de ellos se reduce en √3), para luego del arranque conectar los devanados en triángulo. Con este método se reduce el par y la corriente a una tercera parte del valor que corresponde al arranque directo. Este método se utiliza en máquinas que arrancan en vacío o que tengan par resistente pequeño. Un momento crítico es la transición entre ambas conexiones, ya que aparecen saltos de corrientes, la corriente es interrumpida y posteriormente restablecida. En este momento se presentan picos de corriente altos. Además, se deberá retardar la conexión del contactor de conexión triángulo hasta que se extinga el arco producido por la apertura del otro contactor, a fin de evitar el cortocircuito entre fases. Normalmente los contactores funcionan en clase AC - 3. Km1 y Km2 calibrados con Ie= In/√3, mientras que Km3 con Ie= In/3. El relé térmico debe regularse a In/√3. 7.2.3 Arranque por autotransformador. Este método consiste en alimentar el motor con una tensión reducida mediante un autotransformador, que se pone fuera de servicio una vez que termina el arranque. El arranque se efectúa en tres tiempos: Puesta en estrella del autotransformador después del cierre del contactor de línea. El motor arranca a tensión reducida. Apertura del punto neutro de la estrella, quedando una parte del autotransformador en serie con cada fase del estator, comportándose como una inductancia en serie. Un tercer contactor acopla el motor a plena tensión de red y provoca la apertura de los dos contactores utilizados para el arranque. La figura 7.4 muestra el diagrama de potencia correspondiente. 63

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CFT Esta forma de arranque se utiliza para los motores de gran potencia e inercia, donde la reducción de corriente de arranque es un criterio importante, obteniéndose el máximo par de arranque con el mínimo de corriente en línea. Esta solución es onerosa por el costo del autotransformador. Tiene la ventaja que no se presentan cortes en la alimentación durante el arranque. Los autotransformadores están equipados con tomas normalizadas en 50%, 65% y 80% lo que permite ajustar los valores de arranque a cada necesidad. Se admiten que se efectúen tres arranques por hora con dos consecutivos partiendo del estado frío o uno solo aislado partiendo del estado caliente. Km1 y Km2 deben soportar la corriente de inserción del autotransformador, durante dos veces el tiempo Figura 7.4 de arranque. Se debe verificar que el poder de cierre de ambos contactores sea mayor que la relación Potencia del motor/Un. Km3 funciona en categoría AC - 3 con una corriente de empleo igual a la nominal del motor. Este arranque tiene una duración de 10 a 30 segundos, por lo que el relé térmico debe adaptarse correctamente en su clase. 7.2.4 Arranque estatórico. La tensión reducida durante el arranque se obtiene insertando resistencias o reactancias en serie con cada fase del estator, posteriormente son puestas en cortocircuito, quedando el motor conectado directamente a la red. El par inicial es pequeño Mn/2, con una corriente importante 4,5 In. Se logran pares mayores que con el arranque estrella- triángulo para un mismo par nominal. Con este sistema el paso a la tensión de red se realiza a una velocidad mayor, lo que implica puntas de corriente menores. Es método conveniente para realizar el arranque de máquinas con par resistente creciente o cerca de la mitad del par nominal. Permite ajustar a voluntad la cupla y el par de arranque variando la resistencia o reactancia de inserción. El conexionado es el de la figura 7.5

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Figura 7.5

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CFT El contactor Km1 debe calibrarse en categoría AC - 3 con Ie=I nominal. El contactor Km2 se dimensiona para soportar la corriente de arranque reducida por las resistencias, incluyendo la posibilidad de arranques sucesivos. En general se calibra en AC - 3 para Ie=In/2. El valor de las resistencias dependerá de la reducción de corriente deseada y en su fabricación debe considerarse la cantidad de arranques por hora necesarios. 7.2.5 Arranque por arrollamientos separados. En este caso se trata de motores cuyo arrollamiento estatórico está dividido en dos secciones iguales, conectadas en paralelo durante la marcha normal pero, durante el arranque, solo una está conectada. Este método da un par de arranque bajo e incierto y se requiere desde ya de motores especialmente preparados. Este sistema permite reducir al 65% la corriente de arranque. Además el arrancador es simple, ya que se compone de 2 arranques directos calibrados en AC - 3 a Ie=In/2. 7.2.6 Comparativa entre métodos y selección

% de la tensión nominal

Corriente de arranque en la tensión reducida % de la corriente de arranque directo

Directo

100

100

100

Estrella triángulo

58

33

33

Autotransformador

80 65 50

64 42 25

64 42 25

Estatórico

80 65

80 65

64 42

-

70

70

Método de arranque

Arrollamientos separados

Tensión aplicada en el arranque

Par de arranque a tensión reducida % del par de arranque directo

Criterios de selección: El arranque directo se usa siempre que la corriente de arranque no provoque trastornos en la red y cuando la aplicación de un par elevado no daña el accionamiento. Su simplicidad y economía son determinantes.

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CFT El arranque estrella – triángulo, cuando se requiere arranque a tensión reducida, es el más recomendable, siempre que sea suficiente el par de arranque que provee en conexión estrella. Lo demás sistemas de arranque a tensión reducida deben considerarse para casos donde no se adapte el estrella – triángulo y casos especiales. 7.3 Sistemas de arranque electrónicos para motores de C.A. El avance en la tecnología de fabricación de dispositivos electrónicos, favoreció notablemente el desarrollo y fabricación de equipos para el arranque de motores utilizando semiconductores. Hoy en día puede obtenerse a un costo razonable, productos que mejoran la performance del arranque, para motores de pequeña y alta potencia, haciendo obsoleto el empleo de sistemas de arranque electromecánicos a tensión reducida, quedando como vigente solo el sistema estrella – triángulo para pequeñas y medianas potencias. A continuación haremos una breve descripción de los mismos, ya que este tema se desarrolla con mucha mas profundidad en el curso ALTISTAR. 7.3.1 Arranque con componentes de estado sólido para rotores de baja potencia El reemplazo más natural para los arranques estrella-triángulo en bajas potencias, está constituido por simples arrancadores de estado sólido, que controlan a uno o dos tiristores, y que permiten realizar el ajuste de: El tiempo de arranque El par de despegue ( para vencer los rozamientos estáticos ) Los arrancadores progresivos LH4 permiten el arranque suave, sin golpes de par y con corrientes reducidas de motores asincrónicos monofásicos y trifásicos con rotor de jaula. Contrariamente a los sistemas de arranque electromecánicos clásicos, los arrancadores electrónicos LH4 permiten un ajuste preciso del par de arranque, con la supresión de los golpes mecánicos que causan mantenimiento adicional y parada en la producción. Se instalan en serie en una salida motor clásica ( Ejemplo : guardamotor contactor - LH4 ). El arrancador progresivo LH4 realiza la puesta en tensión reducida de motores y la incrementa progresivamente hasta el valor nominal. Es así como se reduce la corriente de arranque y las cuplas perjudiciales para los motores, el mantenimiento y la mecánica involucrada. La cupla de despegue se ajusta por el utilizador, gracias a un potenciómetro en el frente del arrancador, lo mismo que el tiempo de arranque ( correspondiente al tiempo de incremento de la tensión) con un segundo potenciómetro. En algunos modelos existe un tercer potenciómetro, que permite regular el tiempo de ralentización (parada).

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CFT 7.3.2 El Arrancador suave (soft estarter).

El principio de funcionamiento de un arrancador suave (ALTISTART), no difiere demasiado de lo expresado en el apartado anterior, siendo las diferencias más significativas que el control del motor lo efectúa sobre las tres fases (emplean 6 tiristores), los algoritmos de control son mucho más avanzados, y poseen una gran cantidad de funciones incorporadas. Con el ALTISTART se puede aumentar el tiempo de arranque en relación a una solución de arranque directo. En consecuencia se reducirá la intensidad y el par de arranque y para la parada con el ALTISTART, se puede aumentar o reducir los tiempos de parada en relación a una parada libre. Estos equipos se conectan entre la red y el motor y como se trata de un dispositivo estático, no asegura un aislamiento suficiente; es por eso necesario, para asegurar la seguridad de las personas, disponer de un órgano de aislamiento, por ejemplo: un seccionador , interruptor automático, etc. Aplicaciones: El arrancador ralentizador Altistart 48 es un graduador de 6 tiristores que realiza el arranque y la parada progresivos en par de los motores asíncronos trifásicos de jaula, para potencias comprendidas entre 4 y 1.200 kW. Integra las funciones de arranque y ralentización con suavidad, de protección de las máquinas y los motores y las funciones de comunicación con los automatismos. El arrancador ralentizador Altistart 48 es una solución económica que permite: Reducir los costes de explotación de las máquinas disminuyendo los problemas mecánicos y mejorando sus prestaciones; Reducir las solicitaciones de la distribución eléctrica, disminuyendo las puntas de corriente y las caídas de tensión en línea relativas a los arranques de los motores. La oferta de arrancadores ralentizadores Altistart 48 se compone de 2 gamas: tensiones trifásicas de 230 a 400 V, 50/60 Hz. tensiones trifásicas de 208 a 690 V, 50/60 Hz. Para cada rango de tensiones, los arrancadores ralentizadores Altistart 48 están dimensionados en función de las aplicaciones estándar y severas.

Funciones: El arrancador ralentizador Altistart 48 se suministra listo para su uso para una aplicación estándar con protección de motor de clase 10 y cuenta con un terminal integrado, que permite modificar las funciones de programación, de ajuste o de supervisión para adaptar y personalizar la aplicación según las necesidades del cliente. Funciones de prestaciones del accionamiento con: Control de par exclusivo del Altistart (patente Schneider Electric).

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CFT Control del par suministrado al motor durante todo el período de aceleración y deceleración (reducción significativa de los golpes de ariete). Facilidad de ajuste de la rampa y del par de arranque. Posibilidad de by-pass del arrancador con un contactor al final del arranque con mantenimiento de las protecciones electrónicas (función by-pass). Amplia tolerancia de frecuencia para las alimentaciones por grupo electrógeno. Posibilidad de conectar el arrancador en el acoplamiento en triángulo del motor, en serie con cada bobinado. Funciones de protección del motor y de la máquina con: Integración de una protección térmica del motor. Tratamiento de la información de las sondas térmicas PTC. Supervisión del tiempo de arranque. Función de precalentamiento del motor. Protección contra las sub-cargas y las sobreintensidades en régimen permanente. Funciones de facilidad de integración en los automatismos con: 4 entradas lógicas, 2 salidas lógicas, 3 salidas de relé y 1 salida analógica. Borneros de control desenchufables. Función de configuración de un segundo motor y fácil adaptación de los ajustes. Visualización de las magnitudes eléctricas, del estado de carga y del tiempo de funcionamiento. Enlace serie RS 485 para la conexión al bus Modbus. Opciones: Un terminal remoto que se puede instalar en la puerta de un cofre o de un armario. Soluciones avanzadas de diálogo PowerSuite: Una oferta de accesorios de cableado que facilitan la conexión del arrancador con los autómatas mediante conexión al bus Modbus. Opciones de comunicación para bus y redes Ethernet, Fipio, DeviceNet, Profibus DP. 1 2 3 4 5 6 7

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CFT CAPÍTULO 8: VARIACIÓN DE VELOCIDAD. 8.1 Introducción Entre los controladores electrónicos de motores trifásicos de jaula, los variadores de velocidad merecen una especial atención. Los variadores de velocidad son dispositivos electrónicos que nos permiten variar la velocidad y la cupla de los motores convirtiendo las magnitudes fijas de frecuencia y de tensión de la red de distribución en magnitudes variables. Hasta hace algunos años cuando se necesitaba variar la velocidad de accionamiento se recurría a sistemas mecánicos impulsados por motores de CA o CC. Los avances electrónicos y su abaratamiento fueron desplazando los sistemas mecánicos, con un alto costo de mantenimiento, por motores de continua controlados electrónicamente. Sin embargo este tipo de motores requiere un mantenimiento periódico, como es el cambio de escobillas y rectificación de colector, que implica un costo y tiempo, afectando fuertemente los procesos industriales continuos. Sin duda el motor mas barato y confiable de la industria es el motor de inducción, del que existen principalmente dos tipos según el rotor sea bobinado (motor de anillos rozantes) o en cortocircuito (motor de jaula de ardilla). El primero, al igual que los motores de CC, requiere un mantenimiento menor de anillos rozantes y escobillas, pero el segundo sólo podrá requerir reemplazo de rodamientos que no constituye un problema aún en plantas de procesos continuos. El motor jaula de ardilla es el más ampliamente utilizado en razón de su diseño sencillo y robusto, de su confiabilidad de accionamiento y de sus mínimas exigencias de mantenimiento. Entre otras ventajas se puede mencionar la posibilidad de utilizar el motor en ambientes agresivos o explosivos, funciona a baja temperatura y, contrariamente a lo que ocurre con un motor provisto de colector, no genera chispas. Por todo lo dicho, es éste motor el que atrajo mayor atención para poder dotarlo de un sistema electrónico que permita obtener las prestaciones de un motor de CC, esto es, control de cupla de arranque, velocidad, aceleración, posibilidad de realizar frenado regenerativo Como ventajas de la variación de velocidad podemos citar: Economía de energía. Incremento de la producción. Economía de los materiales. Reducción de los costos de mantenimiento. Mejora del tratamiento y de la calidad. 8.2 Principio de funcionamiento. Como se vió en el capítulo 2 (punto 2.2.3), el resbalamiento “s” (o deslizamiento) de un motor trifásico asíncrono se calcula como:

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CFT s=

nrel ns − n = ns ns

de donde podemos obtener la fórmula de cálculo de la velocidad de giro del motor (n) en función de la velocidad de giro capo magnético giratorio de un motor de rotor de Jaula de Ardilla (ns) y del deslizamiento de la siguiente forma: n= ns . (1 - s) De la formula anterior podemos inferir que es posible variar la velocidad del motor, variando el resbalamiento o bien la velocidad de sincronismo, siendo este último el método empleado en los variadores de velocidad modernos, lográndose en base a convertir a la frecuencia de red en una variable. 8.3 Relación entre el par y la frecuencia y la tensión. Haciendo un análisis completo del funcionamiento del motor, partiendo del circuito equivalente del mismo, podemos obtener la fórmula del par motor en función de la tensión y de la frecuencia aplicada. (para mayor información consultar el manual del curso ALTIVAR). Dicha fórmula es la siguiente:

C =k U f

2 2

Donde: C: par motor k: agrupación de todas las constantes U: tensión aplicada al motor f: Frecuencia aplicada al motor. Al variar la frecuencia aplicada para lograr la variación de velocidad, estamos a su vez modificando el par motor. De la fórmula anterior se concluye que el par es constante para un determinado deslizamiento, cualquiera sea la frecuencia f, siempre que se mantenga la relación U/f constante. Mantener constante esta relación es posible hasta un valor de tensión menor o igual a la nominal del motor, valor por encima del cual solo es posible aumentar la frecuencia, y como consecuencia de esto, el par motor cae. Debemos tener en cuenta que en estas condiciones la carga está en movimiento, y lo que se necesita es potencia mecánica en el eje para mantenerla. Si analizamos la expresión de la potencia mecánica de un movimiento circular tendremos que:

P = C •ω Donde: C: par motor P: Potencia mecánica. ω: velocidad angular Motores Eléctricos

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CFT De esta fórmula podemos deducir que si bien el aumento de frecuencia provocará una disminución en el par motor, también provocara un aumento de la velocidad angular (ω = 2πf), logrando mantener la potencia constante. Es por este motivo que con un variador de velocidad logramos hacer trabajar al motor a Cupla Constante hasta el valor de velocidad nominal, y a Potencia Constante por encima de ella. La figura 8.1, muestra la curva característica del par en función de la velocidad de un motor comandado por un variador de velocidad.

Figura 8.1

En la figura 8.2 se puede apreciar el diagrama de potencia de un variador de velocidad moderno. FUENTE DE ALIMENTACIÓN C.C.

ONDULADOR

TRANSISTOR DE FRENADO Figura 8.2

Para lograr variar la tensión y la frecuencia aplicada al motor, los variadores de velocidad cuentan con tres etapas: Un puente rectificador de onda completa Una etapa de filtrado Un ondulador. El puente rectificador tiene como función convertir la tensión alterna de entrada en una tensión contínua. La etapa intermedia de filtrado (capacitores), tiene como función eliminar el riple de la señal contínua pulsante obtenida por el rectificador. Estas dos 71

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CFT etapas se indican en la figura 8.2 como Fuente de alimentación CC”. La etapa de salida está formada por 6 transistores IGBT (Isolate Gate Bipolar Transistor), los cuales son comandados por la placa de control (no incluida en la figura), y cuya función es reconstituir la señal trifásica hacia el motor, pero con una frecuencia y tensión determinada por la placa de control. El método empleado para el funcionamiento del ondulador se llama PWM, conocido como Modulación por Ancho de Pulso. 8.4 Control vectorial de flujo. El análisis detallado en el apartado anterior corresponde a un variador de velocidad escalar, con los que se puede obtener par nominal en una gama de frecuencias que va desde los 5 a 50 Hz. Telemecanique emplea en todos sus variadores de velocidad un algoritmo de control vectorial de flujo, el cual le permite aumentar la gama de velocidades con las que se puede trabajar a par constante entre 0,05 a 50 Hz. Para obtener cuplas importantes a muy bajas vueltas inclusive a velocidad nula y con muy buenas características dinámicas, es necesario utilizar un modo de control diferente: El control vectorial de flujo. El control vectorial de flujo consiste en modelizar el motor y transformar sus ecuaciones de forma tal de desacoplar las variable de flujo y de cupla, y controlar separadamente las corrientes Id (de quien depende el flujo Velocidad) e Iq (de quien depende el par). Las características de un variador con control vectorial de flujo son: La estructura de la parte de potencia es la clásica, constituida por un modulador de tensión asociado con un rectificador no controlado y un filtro capacitivo. Las ondas de tensión se generan por modulación de ancho de pulso. La velocidad del motor puede ser medida por un captor o calculada. La referencia del flujo se elabora en función de la velocidad. La salida del regulador de velocidad constituye la referencia para la cupla. La velocidad del campo giratorio se obtiene en función de la velocidad del motor y el deslizamiento que es calculado para obtener la cupla. Se utilizan dos bucles de corriente para determinar las corrientes trifásicas en el motor en función del flujo y la cupla necesaria. El algoritmo típico de un comando vectorial puede resumirse en el diagrama en bloques de la 8.3.

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CFT Referencia de

Id

Id Ref. de velocida

2/

Ref. corriente / torque

Id Iq

Iq

generador

I

MLI

Im Id

Iq Ur s t Integrador Wr med. o calc.

Ws calculad

Posición

2/ I Id Iq

Ir It

Im Id

M

Figura 8.3: Algoritmo típico de un comando vectorial.

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CFT CAPITULO 9: MANTENIMIENTO DE MOTORES ELECTRICOS. 9.1 Generalidades. El proyecto y la fabricación modernos del motor eléctrico han hecho de éste un elemento altamente confiable y que requiere un mantenimiento relativamente escaso. Esta simplicidad facilita realizar las tareas de revisión de la máquina, que son necesarias para contar con ella sin fallas durante el máximo tiempo posible. En momentos de realizar alguna de las tareas de mantenimiento, conviene recordar y tener en cuenta todas las observaciones y comentarios que haya efectuado la persona que utiliza el motor, aunque presuntamente fueran aquellos de poca importancia. Ello ayudará a buscar y descubrir pequeñas (y a veces intermitentes) irregularidades, cuya reparación podrá obviar mayores gastos futuros, satisfaciendo así el espíritu preventivo del mantenimiento. Mantener un motor es: preservar que las condiciones de uso y de accionamiento sean aproximadamente las mismas que se fijaron para su elección, proyecto e instalación, en el caso que esos pasos se hayan cumplido. O verificar que en el uso del motor no se superan sus posibilidades límites, cuando se desea o sea necesario prescindir de las ideas de selección y proyecto. Esto implica una serie de verificaciones, la reposición de lubricantes y elementos desgastados y la reparación de daños incipientes que pudieran detectarse. Se separa en dos partes el tema (mantenimiento mecánico y Eléctrico) sólo para facilitar su tratamiento. En cada una de ellas se indican las posibles inspecciones a realizar y se concluye, luego, con un programa de mantenimiento. 9.2 Mantenimiento mecánico. 9.2.1 Reengrase de los rodamientos. La experiencia y el conocimiento de los elementos que pueden afectar el correcto estado de la grasa (medio ambiente, temperatura, hermeticidad del alojamiento) son los mejores indicadores para establecer los lapsos de reengrase. Pero si no se cuenta con una evaluación concreta de esto, es conveniente efectuar inspecciones a menudo, observando el estado de la grasa mediante el retirode las tapas que dejan al descubierto el rodamiento. El reengrase debe efectuarse entre 500 y 200 horas de servicio del motor. Además, de ser posible, se efectuará retirando la grasa usada, desmontando el rodamiento y lavándolo. Con ello se evita simultáneamente la mezcla de grasas, que generalmente es inconveniente. El deterioro del lubricante se reconoce por el cambio de consistencia o del color, o por la presencia de suciedad. La tarea común de inyectar periódicamente grasa sólo es posible en los sistemas en que se expulsa el sobrante del alojamiento mediante el llamado disco regulador. Cuando los motores poseen este elemento, presentan engrasadores y aberturas inferiores en las cajas de rodamientos. 75

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CFT El sobrecalentamiento es un síntoma de incorrecta lubricación (falta o exceso de grasa), pero puede deberse también a un inconveniente mecánico, como la pérdida del juego axial. 9.2.2 Auscultación de los rodamientos. Con la ayuda de un estetoscopio o de un destornillador se obtiene, mediante el ruido escuchado, una idea del estado de los rodamientos. Como para el diagnóstico es necesaria cierta pericia, es aconsejable el uso de un probador de rodamientos, el cual mediante el análisis de las vibraciones señala claramente el estado y la eventual necesidad del cambio del rodamiento. Sin embargo, antes del reemplazo es necesario lavarlo y probarlo con grasa nueva para establecer si subsiste la anomalía. 9.2.3 Revisión de los cojinetes a fricción. En los casos que se tengan cojinetes a fricción, se vigilará su temperatura. Las causas de una elevación inadmisible podrán ser: Excesiva tensión de la correa si la hubiera. Inmovilidad de alguno o varios anillos levanta aceite Superficie áspera de los cojinetes y del eje. Perdidas de alineación del eje. Las inspecciones a realizar consistirán en verificar el nivel del líquido, la ausencia de pérdidas y el correcto funcionamiento de los anillos. Se procederá a renovar el aceite cada 6 ó 10 meses, o antes si se viera sucio. En el caso de utilizar el mismo aceite se efectuará un buen filtrado. El desgaste excesivo del cojinete traerá otras anormalidades de tipo mecánico, como marcha irregular con aparente desequilibrio, por lo que puede detectarse a través de estos síntomas. Midiendo los diámetros del buje se determina el huelho existente, cuyo máximo admisible es una información que generalmente suministra el fabricante del motor. 9.2.4 Vibraciones. La permanencia en valores bajos de las vibraciones, indica que no hay cambios en la geometría de las masas rotantes ni en la alineación y fijación del motor. Conviene tener presente que vibraciones elevadas o mantenidas por largo tiempo dañarán sensiblemente los rodamientos y los cojinetes. 9.2.5 Fijación del motor y de los elementos de acoplamiento o transmisión. Será conveniente verificar periódicamente las condiciones de fijación del motor a su base, con más frecuencia durante los primeros meses de su funcionamiento. Además, como algunas veces los inconvenientes en los elementos accionados por el motor derivan problemas de éste, es aconsejable extender la revisión mecánica sobre el acoplamiento o la transmisión. Se mencionan a título de ejemplo algunos controles:

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CFT alineación y tensado de la correa, lubricación de los reductores y cajas de velocidad, alineación y fijación de los pernos en los acoples, etc. Un tema particularmente delicado es la de la alineación. Tanto en el momento del montaje, como en las inspecciones periódicas de mantenimiento, deben verificarse las distancias Y, X1 y X2, mostradas en la figura siguiente:

Montaje correcto del acoplamiento: se debe comprobar que la distancia Y sea inferior a 0,05 mm y que la diferencia entre X1 y X2 también sea inferior a 0,05 mm. Las distancias X1 y X2 deberán ser inferiores a 3 mm.

9.3 Mantenimiento eléctrico. Como se verá, se involucra bajo este título lo referente a los cuidados del bobinado y demás elementos eléctricos. 9.3.1 Características de la corriente consumida. Se verifica la constancia de la intensidad de corriente consumida por el motor cuando funciona con carga estable y, simultáneamente, en el caso del motor trifásico, si son prácticamente iguales las corrientes en las tres fases. Si se observan fluctuaciones de la corriente con carga constante, se procederá a revisar la jaula del rotor y, si se aprecian diferencias entre las intensidades de corriente de las tres fases, se revisará el bobinado estatórico. Esta observación puede hacerse mediante instrumentos ubicados en el tablero de control, si los hubiera, o con una pinza amperométrica. 9.3.2 Tensión de la red y carga del motor. Se controlan los valores de tensión en bornes del motor y de la corriente consumida a plena carga, para comprobar que el funcionamiento se desarrolla en las condiciones prefijadas. Corrientes mayores que la nominal llevan a calentamientos que reducen la vida útil del motor. En muchos casos, este incremento en la corriente no está provocado por una sobrecarga mecánica, sino porque se alimenta al motor con una tensión menor que la nominal.

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CFT 9.3.3 Arranque. Observar un arranque para verificar su correcta acción, controlando la actuación de los elementos de maniobra. Deben revisarse los contactos de los guardamotores, interruptores y contactores, reemplazándolos a estos últimos cuando sea necesario. 9.3.4 Elementos de protección. Verificar las protecciones termonagnéticas, para comprobar que estén bien reguladas. 9.3.5 Conexionado y puesta a tierra. Conviene controlar periódicamente el apriete de todas las conexiones y la rigidez de los empalmes y terminales, para asegurar que no queden elementos flojos que originen calentamientos localizados excesivos, que podrían provocar incluso el incendio del motor. 9.3.6 Estado del aislamiento. Un indicador del estado del aislamiento es la resistencia de aislamiento de los bobinados. Este valor a temperatura de régimen (entre 80 °C y 100 °C aproximadamente) deberá superar al obtenido con la siguiente expresión:

Re sistencia de aislación =

Tensión no min al del motor [V ] Potencia del motor [KVA] + 1000

y no ser menor que 1 MΩ. El elemento de medición será un meger, de un valor de tensión similar a la de la tensión nominal del motor. Más adelante, en el capitulo dedicado a ensayos de motores, se describirá el método de medición a emplear. En el supuesto caso de no alcanzar el valor indicado, deberá procederse a: La limpieza del bobinado, puesto que el depósito de suciedad es lo que más comúnmente reduce la resistencia de aislamiento, si este paso no da resultado; Se precede al secado, considerando que la causa es la presencia de humedad. La tarea de limpieza del bobinado se realizará preferentemente con el motor abierto, mediante el sopleteado de aire a presión, o la aplicación de un cepillo suave. Ante la presencia de aceite o grasa, se sopleteará con algún solvente, asegurándose que éste no ataque químicamente la aislamiento. Se recomienda el tetracloruro de carbono ya que, además, no es inflamable. La aplicación de un nuevo barnizado, luego de la limpieza, no debe entenderse como necesaria. Cuando se midan valores relativamente altos de la resistencia de aislamiento, no se ejecutará. Téngase en cuenta que un aumento del recubrimiento de Motores Eléctricos

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CFT material aislante reduce la capacidad de disipación térmica. Por ello, deberá evaluarse esa situación y solamente barnizar cuando se vean claras muestras de erosión química o mecánica (abrasión por partículas en el aire de ventilación) del aislamiento y se asegure que el barniz penetre a los lugares más necesarios, que en general no son las cabezas de las bobinas. Si fuera menester la operación de secado, se puede emplear cualquiera de los siguientes métodos, en función del volumen del motor y de las instalaciones con que se cuente: Cubriendo el motor con una lona y distribuyendo interiormente lámparas o resistencias calefactoras. Se dejará camino a la aireación de manera de evacuar la humedad o se agregará un ventilador. Mediante horno o estufa. Por circulación de corriente continua o alterna, requiriéndose un valor menor que el nominal y una tensión de alimentación reducida. En todos los casos hay que controlar la temperatura de los arrollamientos para que no superen los valores límites correspondientes a su clase de aislamiento. Para ello es conveniente ubicar varios termómetros sobre el bobinado. Como regla general puede considerarse que no se deben superar los 90 °C durante el secado, ni los 5 °C por hora de incremento mientras llega a esa temperatura. 9.3.7 Limpieza. En ambientes de gran suciedad o con partículas en suspensión, se instalarán motores del grado de protección adecuado. Aún en este caso, será necesaria una permanente vigilancia, con revisiones periódicas para evaluar y prevenir las consecuencias de la acción de partículas sobre la aislamiento. En motores abiertos, lo dicho es esencial. La limpieza periódica, realizada en la forma ya indicada, será la primera acción a seguir, el agregado de sistemas filtrantes en el circuito del aire de ventilación será solución cuando aquella sea requerida con mucha frecuencia. En este último caso será conveniente verificar que la ventilación no se ha empobrecido, lo que provocaría incrementos del calentamiento. 9.3.8 Revisión de rotor. Motores de Jaula: La revisión de la jaula podrá prevenir en alguna medida un futuro defecto. En general solo cabrá una inspección visual, buscando algún indicio de anormalidades. En caso de jaulas de cobre, se observarán sus soldaduras y rigidez mecánica. Motores de rotor bobinado: En motores de rotor bobinado se aplicarán los conceptos vertidos en 9.3.6, agregándose aquí la verificación de los zunchos que sujetan los arrollamientos, verificándose que no se han producido corrimientos en los mismos por acción de la fuerza centrífuga, pues los ciclos térmicos pueden llevar a una reducción de los espesores de los aislantes, y por ende, de la tensión del zuncho. Este hecho, que no es fácil de valorar y que también puede producirse en la operación de secado, es crítico para los motores de más de 1000 RPM. El barnizado de las cabezas de las bobinas será entonces conveniente. 79

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CFT De los anillos colectores se vigilan sus superficies, excentricidades y, de tanto en tanto, se verificará que la rigidez mecánica se mantiene, puesto que estos anillos también se fijan sobre material aislante. Con mayor frecuencia se controlará la superficie de contacto de las escobillas, particularmente luego del periódico reemplazo por desgaste. 9.3.9 Revisión de otros elementos del motor: Centrífugo y condensadores. Centrífugo: Se controlará su accionamiento: carrera suave y suficiente superficie de contacto eléctrico. En el caso que esta última sea escasa, se podrá corregir aplicando cuidadosamente una lima para eliminar protuberancias. Condensadores: Cabrá verificar la correcta conexión de los terminales. Si ha habido pérdidas de líquido electrolítico, se aconseja el recambio del elemento. 9.3.10 Medición de la resistencia óhmica de los bobinados. Servirá para verificación de las conexiones, particularmente en los casos en que haya sido necesario abrirlas. 9.3.11 Prueba de la rigidez dieléctrica. Deberá evaluarse muy cuidadosamente la ejecución de esta exigencia, ya que sucesivas aplicaciones de un alto potencial reducen la vida del aislante. Por ello sólo se justificará en los casos en que se dude acerca del estado de la aislamiento y siempre que la circunstancia de una eventual falla posterior del motor detenga un mecanismo imprescindible. Ante valores elevados de resistencia de aislamiento, no será necesaria la prueba de rigidez dieléctrica, pero en los casos en que aquella no se pueda elevar con los procesos de limpieza y secado descriptos, cabrá realizarla para eliminar la duda que este fenómeno se debe a un defecto incipiente localizado, que puede repararse preventivamente, o haber llegado al extremo de la vida del aislante, lo que implica la necesidad de un rebobinado. El valor de la tensión es el 75% del de prueba de un motor nuevo, aplicada durante un minuto. Si esta prueba se ejecuta para agregar cofiabilidad a la medición de la resistencia de aislamiento, podrá tener una duración de sólo unos segundos. 9.4 Programa de mantenimiento. No es posible definir un único programa de mantenimiento para todos los motores eléctricos. La experiencia en el tema, como el conocimiento del medio en que se ha instalado, son los elementos fundamentales para la elección de las tareas a realizar y su periodicidad. Por esto, sólo a modo de guía, se presenta el siguiente programa de mantenimiento.

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CFT Ejemplo de programa de mantenimiento de motores eléctricos. Tarea de mantenimiento

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Frecuencia

9.2.1

En motores de aparatos electrodomésticos no es necesario reengrase. En motores de hasta 50 HP, cada 1000 a 2000 horas de servicio. En motores mayores a 50 HP, cada 500 a 100 horas de servicio

9.2.2

En motores de aparatos electrodomésticos cada 500 horas de servicio. En los demás motores, cada vez que se realiza el reengrase.

9.2.3

Mensualmente verificar pérdidas de aceite y temperatura de cojinetes. Cada 6 ó 10 meses, el estado del aceite. Anualmente medir el huelgo y observar las superficies de fricción.

9.2.4

Ocasionalmente, cuando se realice otra tarea de mantenimiento con el motor en marcha.

9.2.5

Ocasionalmente, cuando se realice otra tarea de mantenimiento con el motor parado.

9.3.1

ídem punto 9.2.4

9.3.2

ídem punto 9.2.4

9.3.3

ídem punto 9.2.4

9.3.4

Anualmente

9.3.5

ídem punto 9.2.5

9.3.6

Anualmente

9.3.7

En función del medio ambiente, pudiendo variar entre lapsos muy distintos: de una vez por semana a una vez por año.

9.3.8

Cuando por alguna causa se abra el motor.

9.3.9

ídem punto 9.3.8

9.3.10

Sólo cuando en las tareas de mantenimiento se han abierto las conexiones.

9.3.11

Sólo cuando se entienda imprescindible.

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CFT CAPÍTULO 10: ENSAYOS DE MOTORES. 10.1 Generalidades. Si bien esta parte está encarada hacia las llamadas pruebas de recepción, que realiza el fabricante en presencia del comprador o de una institución de control de calidad que lo represente, lo indicado es aplicable a los ensayos que para cualquier fin puedan requerirse. El motor es, en su función primaria, una máquina que transforma energía eléctrica en mecánica. Corresponde, por lo tanto, al realizar las pruebas, comprobar que esta transferencia es posible y que se realiza bajo valores estipulados. Es decir, se controlarán los parámetros eléctricos y se observará que la entrega de energía mecánica se cumpla en la forma correcta y esperada. La verificación de esos valores eléctricos y mecánicos se hace por métodos también estipulados. En la mayoría de los casos, las normas IRAM e IEC fijan los ensayos. Los valores y características que no están establecidos en normas, serán los que cabe que el comprador especifique en su orden de compra o que el fabricante garantice en su oferta. Los ensayos establecidos en normas se han elaborado en base a la investigación y a la experiencia, y de ellos puede inferirse, en términos generales, el comportamiento de la máquina en servicio. Sin embargo, debe señalarse que: En general las condiciones eléctricas y mecánicas de prueba no son las de servicio. No hay pruebas normalizadas que puedan garantizar el funcionamiento correcto durante la vida útil del motor. Para salvar el primer punto, la experiencia del fabricante y la utilización de la máquina en las condiciones que él indique, son los elementos a tener en cuenta. La idoneidad técnica y la confiabilidad de la producción del fabricante, será lo que pueda dar tranquilidad en lo segundo. Durante las pruebas, las máquinas deben estar totalmente armadas, con todos los elementos que llevarán en servicio. Debe verificarse que las condiciones ambientales del local de ensayo cumplan los requisitos que se indican en el punto 1.4.1. Además el montaje debe permitir una ventilación adecuada de acuerdo al tipo de máquina que se trate, y en lo posible, similar a la que tendrá en servicio. Los ensayos para motores de corriente alterna se indican a continuación y se tratarán en detalle en los puntos siguientes. Se han separado en determinaciones eléctricas y mecánicas, aún cuando la obtención de ciertos parámetros o verificaciones requieren la necesidad de ambos tipos de comprobaciones.

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CFT 10.2 Tabla de verificaciones

DETERMINACIONES ELÉCTRICAS

- Verificación de la marcación de terminales y sentido de rotación - Calentamiento Medición de la resistencia de aislamiento - Ensayos dieléctricos Prueba con alta presión Potencia útil Rendimiento nominal - Determinación de las características de funcionamiento para distintos estados de carga.

Intensidad de corriente

en vacío de arranque

mominal Cupla

de arranque máxima

Factor de potencia Resbalamiento - Diagrama circular sobrecarga momentánea sobrecargas especificadas en motores especiales - Sobresolicitaciones sobrevelocidad variación de tensión

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CFT DETERMINACIONES MECÁNICAS.

- Verificación de las dimensiones mecánicas - Verificación de las características y estado de los cojinetes - Vibraciones Ruido - Ensayos especiales Verificación de la clase de cerramiento El orden en que se indican los ensayos a continuación, es el aconsejado para una adecuada recepción. 10.3 Descripción de los ensayos El orden en que se indican los ensayos a continuación, es el aconsejado para una adecuada recepción 10.3.1 Verificación de las dimensiones mecánicas. Si se trata de motores normalizados, ha de verificarse el cumplimiento de las medidas principales establecidas en la norma IRAM 2192 (que en este aspecto homologa las recomendaciones IEC 72-1 y 72-2). Aunque no se trate de un motor normalizado, es útil conocer las dimensiones del mismo con exactitud para su montaje, ya se trate de un reemplazo o de una nueva instalación, pues así es posible realizar un proyecto completo y luego ahorrar trabajo de obra. La posibilidad de una intercambiabilidad rápida y eficiente es la razón de la existencia de los motores normalizados, y por lo tanto, en este caso, aumenta la importancia de que el motor cumplimente las especificaciones relativas a dimensiones. Las dimensiones mecánicas a verificar son las siguiente. 10.3.1.1 Motores con base de fijación. Altura de eje: H. Distancia entre los ejes de los agujeros de montaje: A y B. Distancia del centro de los agujeros de montaje al relieve de salida del eje: C. Diámetro de los agujeros de montaje: K. Longitud de la extensión del eje: E.

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CFT Diámetro de la extensión del eje: D. Ancho y prfundidad del chavetero: F y GE. Altura de la chaveta: GD.

Figura 10.1

10.3.1.2 Motores con brida de fijación. Diámetro de la brida: P. Distancia de la superficie de montaje de la brida al relieve de salida del eje: R. Diámetro de asiento de la brida: N. Diámetro de los agujeros de fijación: S. Diámetro de la circunferencia de fijación: M. Cantidad de agujeros de montaje.

Figura 10.2

10.3.1.3 En todos los casos. Anotar el peso del motor, su sistema de izamiento y las ubicaciones de la caja de terminales y del terminal de puesta a tierra.

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CFT 10.3.2 Verificación de marcación de terminales y el sentido de rotación. La forma de marcación de terminales está establecida en la norma IRAM 2053. Se ha agregado en los gráficos siguientes, entre paréntesis, la marcación recomendada por la IEC 34, en los casos en que ambas no coinciden.

Motor de corriente alterna en estrella con 4 terminales de salida

Motor de corriente alterna con 6 terminales de salida para conexión estrella - triángulo Figura 10.3

El sentido de rotación (norma IEC 2008 – IEC 34-8) es el que se observa enfrentando al eje o al extremo más grueso del eje, si tuviera dos. Si ambos diámetros son iguales, o no tiene eje de salida, se observa: Desde el lado opuesto al conector o anillos, si existe colector y / o anillos únicamente en un extremo de la máquina. Desde el lado de los anillos, si existe colector y anillos situados en lados opuestos. Si las reglas anteriores no fueran aplicables, se requiere un convenio especial. La relación establecida entre la marcación de los terminales y el sentido de rotación indica que el giro será en sentido de las agujas del reloj, cuando se aplique a los terminales en orden alfabético una terna directa. 10.3.3 Calentamiento. Este ensayo consiste en determinar la máxima sobretemperatura que alcanzan las distintas partes de un motor, para su condición de servicio, con carga, tensión y frecuencia nominales. En el capítulo 1, se indicaron los factores que producen, y aquellos que influyen, la temperatura que alcanzan las distintas partes de la máquina como también el efecto sobre su vida útil.

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Motores Eléctricos

CFT Resumiendo, se trata de conocer la temperatura de las partes más calientes y de valorar si su efecto de degradación sobre el aislante está dentro de los límites compatibles con una duración aceptable del motor. Pero resulta que el calentamiento de un motor no es uniforme para todas sus partes; los aislantes eléctricos son también aislantes térmicos y los puntos que alcanzan mayores temperatura suelen ser inaccesibles. Por eso, la medición de la temperatura en los puntos presumiblemente más calientes, que se realiza por indicadores instalados en el interior de la máquina durante su fabricación, es la más adecuada, pero se justifica económicamente sólo en prototipos o en máquinas de gran potencia. Las normas exigen esta medición exclusivamente en máquinas cuya potencia sea igual o mayor que 5000 KVA o que tengan rotores de 1M o más de longitud. Entonces, las temperaturas que se determinan con este ensayo son la temperatura media de los arrollamientos y, la temperatura de puntos accesibles de: Núcleo de hierro. Rotor (si se trata de una jaula) Cojinetes o rodamientos Conmutadores o anillos (si los hubiere) Arrollamientos (si se estima conveniente). La temperatura más alta que se alcanza en los arrollamientos, que se produce en puntos internos, puede calcularse por la fórmula de Boucherot, la cual expresa: temperatura máxima = temperatura media + a (temperatura media − temperatura sup erficial ) )

El coeficiente a es función del tipo de arrollamiento y de la forma de enfriamiento; se considera que varía entre 0,4 y 0,8, pero, por las dificultades en su determinación, la validez de la fórmula no es general. Los máximos valores admisibles de temperatura, según las normas, se indicaron en el capítulo 1, y no deben ser superados por el motor en sus condiciones de servicio. Por lo tanto, se trata de medir la temperatura ambiente (o la del medio refrigerante si no fuera el aire ambiente), hacer funcionar al motor en sus condiciones de servicio hasta que alcance el estado de régimen (es decir, el equilibrio térmico con el medio) y determinar entonces la sobre temperatura que alcanzan los puntos del motor que se controlan, en relación a la temperatura ambiente. Este ensayo está establecido en las normas IRAM 2008 y 2125. Realización: 1. Se mide la temperatura ambiente por medio de termómetros ubicados alrededor del motor y aproximadamente a una distancia de un metro. Se debe protegerlos de corrientes de aire u otros disturbios. En el caso en que la ventilación del motor proceda de otro ambiente, se mide la temperatura de entrada al sistema de refrigeración. Esta medición se repite durante toda la prueba.

Motores Eléctricos

88

S

CFT 2. Asegurándose que el motor se encuentra a la temperatura ambiente, se mide la resistencia de los arrollamientos en frío. Esto puede hacerse con un puente adecuado al valor de las resistencias de los arrollamientos, que es el método recomendado por su comodidad y precisión, o con voltímetro y amperímetro. Se debe tomar el tiempo de estabilización del instrumento, que se empleará luego en la medición en caliente. El método de medición debe elegirse de modo que dicho tiempo sea suficientemente breve como para que pueda considerarse despreciable la variación de temperatura del motor en ese lapso, al realizarse la medición en caliente. Para la medición con puente podría indicarse medir con puente de Wheatstone si la resistencia es mayor de 1Ω y con puente de Thompson si es menor. Si se emplea un puente de dos terminales de salida, hay que valorar la resistencia a medir y, de ser apreciable la relación, medir también la resistencia de dichos cables y restarla del total. Para la medición con voltímetro y amperímetro el circuito a utilizarse es el indicado en la figura 10.4.

Figura 10.4

Los instrumentos necesarios son; un voltímetro y un amperímetro preferentemente clase 0,2 (pueden ser clase 0,5), electromagnético o de bobina móvil, teniendo en cuenta que en este último caso la lectura debe estar en el cuarto final de la escala. Para el motor del ejemplo puede hacerse una lectura con aproximadamente 2,5 A (entre el 10% y el 20% de la In). La batería a emplearse debe tener la suficiente capacidad como para mantener invariable su tensión durante la medición, por ejemplo 12V – 40 A hora. En cuanto al reóstato, debe tener una capacidad de corriente mayor a la que circulará. El resultado se corrige teniendo en cuenta el consumo del voltímetro con la siguiente expresión:

Ra =

Vm ⎛ Vm ⎞ Im− ⎜ ⎟ ⎝ Ri ⎠

Donde: Ra: Resistencia del arrollamiento en Ω. 89

S

Motores Eléctricos

CFT Vm: Tensión medida en V. Im: Corriente medida en A. Ri: Resistencia interna del voltímetro en Ω. 3. Se disponen los termómetros o termocuplas para medir la temperatura de las partes fijas sujetándolos con masilla térmicamente conductora, de modo de asegurar un buen contacto y evitar la radiación de calor en esos puntos. Los termómetros a colocar son: Uno en cada uno de los cojinetes En la carcasa. En el rotor. En el estator. 4. Se hace funcionar al motor a la tensión y frecuencia nominal, cargándolo directamente por medio de un freno dinamométrico o de un generador tarado, continuándose el ensayo hasta: Motores de servicio continuo: comprobar que se ha logrado el equilibrio térmico con el medio ambiente, que se alcanza cuando se estabiliza la diferencia de temperatura entre la carcasa y la del ambiente. Puede acordarse el ensayo sobrecargando al motor, pero la verificación final de la estabilización térmica debe efectuarse en condiciones normales. Motores de servicio de corta duración: Una duración del ensayo que sea la especificada para este servicio. Motores de servicio intermitente: Comprobar que se ha logrado el equilibrio térmico con el ambiente, que se alcanza cuando no varía la sobretemperatura de la carcasa con relación al ambiente, medida al final del período de mayor carga en cada ciclo. 5. Logradas las condiciones indicadas en el punto anterior, se desconecta el motor, midiéndose rápidamente la resistencia de los arrollamientos y la temperatura de los demás puntos controlados, repitiéndose estas determinaciones hasta que se comprueba que la temperatura desciende. Si la medición de resistencia demora más de 30 segundos para motores de hasta 50 KW o de 90 para motores mayores, tiempo medido desde que se desconecta el motor, hay que realizar varias mediciones para extrapolar después al momento de la desconexión como se indica en la figura 10.5. En la medición de resistencia con el motor caliente debe esperarse para la estabilización del circuito el mismo tiempo que se indicara registrar en el punto 2 y, de hacerse con voltímetro y amperímetro, emplearse aproximadamente la misma corriente que en la medición en frío, lo que reduce el error en la determinación del calentamiento.

Motores Eléctricos

90

S

CFT

Figura 10.5

Circuito de conexión:

Figura 10.6

Instrumentos necesarios: Los instrumentos que se indican a continuación están especificados (en lo que se refiere a escalas) para un motor de 11KW (15HP), 380 V, 1450 RMP, 50 Hz, aislamiento clase E, 22,2 A, Cos ϕ=0,86. 91

S

Motores Eléctricos

CFT Freno hidrodinámico: 1500 RPM T1, T2 y T3: Transformadores de corriente clase 0,2, 25/5 W1 y W2: Wattímetros clase 0,5, 0-600 V, 0-5 A, 150 diviciones V: Voltímetro clase 0,5, 0-600V. A1, A2 y A3: amperímetros clase 0,5, 0-5 A. f: frecuencímetro clase 0,5, 45-55 Hz. v: Tacómetro. Termómetros: 10-100 °C. Este instrumental se eligió así: El freno debe ser de la velocidad del motor y potencia adecuada. El conjunto de instrumentos, clase 0,5 como mínimo. Para la corriente de este motor (22 A) se emplearon transformadores de medición. Se utilizaron 3 amperímetros para verificar la similitud de las corrientes en las tres fases. Se midió solo una tensión de línea, pero si no existe certeza que la terna de tensiones de la red de alimentación es simétrica, deben medirse las tres. En la página siguiente se presenta la tabla de valores. Evaluación del ensayo: Se calcula el calentamiento medio alcanzado por el arrollamiento estatórico θ, por la fórmula:

Θ=

Rc − Rf (235 + Tf ) + Tf − Tc Rf

donde: Rc: La resistencia medida en caliente Rf: La resistencia medida en frío. Tf: la temperatura ambiente en la medición inicial (en frío) Tc: la temperatura ambiente al final del ensayo 235: el coeficiente para cobre. (Para aluminio emplear 225) Para el ejemplo tomado:

Θ=

Motores Eléctricos

1,1 − 0,897 (235 + 24) + 24 − 18,2 = 64,4 0,897

92

S

93

S 22,3

0,897

1,1

Resistencia del arrollamiento estatórico en caliente (Ω)

Fase U

4,46

Resistencia del arrollamiento estatórico en frío (Ω)

1452

22

1,1

0,897

Fase V

4,4

22,3

1,1

0,897

Fase W

4,46

10,22 41

10,22 39 61 57

18,2

0,716 63

57,8 54,8

18,2

Temperatura ambiente: 18,2 °C

Temperatura ambiente: 24 °C

38+82 12000

0,716

50

380

Motor Parado

10,22 0,716 40

57,8

18:15

10,22 0,716 40

57,8 55

54,8

18,2

50

380

18,5

50

380

18:00

10,22 0,716 40

57,9

17:45

10,22 0,716 39,5

57,5

55

18,6

50

380

54,5

18,7

50

380

17:30

10,22 0,716

17:15

10,22 0,716 39

42

40

40

40

40

40

40

39 38,5

57 57,3

54

19

50

380

17:00

54,5

19

50

380

16:30

10,22 0,716 38 38

56

53,8

19

50

380

10,22 0,716 37

16:00

10,22 0,716 35 37

55

52

19

35

50

48

19

50

10,22

50

10,22 0,716

380

36+81 11700

0,716

380

21,8

(Kg)

(m)

30

15:30

4,36

B

19

15:00

21,9

A

freno

30

41

39

4,38

Temp. Rotor (°C)

Temp. Cojinetes (°C)

19

19

19

19

22,1

4,42 18,5

1465

watt

50

div

50

amp

380

div.

380

amp

fase W

14:30

div.

fase V

Temp. Temp. Arroll. Carcasa Estator (°C) (°C)

14:00

amp

div.

fase U

Temp. Amb. (°C)

Tensión Frec. Veloc. (V) (Hz) (RMP)

Potencia C=100W/div. W1+W2

Hora

Intencidad de corriente C=5A/div.

CFT

Tabla de Valores

Motores Eléctricos

CFT Se calcula entonces el calentamiento de las partes cuya temperatura se ha medido por termómetros o termocuplas, restando a la temperatura alcanzada la temperatura ambiente al final del ensayo. Si al desconectar el motor se comprueba que la temperatura aumenta, se considera ese valor en el cálculo del calentamiento. Para el ejemplo tomado:

Parte del motor

Temperatura máxima alcanzada en el ensayo (°C)

Arrollamiento estatórico (valores medios, medidos por resistencia)

Temperatura ambiente al finalizar el ensayo (°C)

Calentamiento obtenido (°C)

Calentamiento admisible según tabla Cap. 01, pag. 12 para aislamiento clase E (°C)

18,2

64,4

75

(Valor puntual, medido por termómetro)

61

18,2

42,8

65

Rotor

63

18,2

44,8

-

A

41

18,2

22,8

60

B

42

18,2

23,8

60

Cojinetes (de rodamiento

Conclusión: El motor cumplimenta el ensayo si los calentamientos no superan los valores indicados en la tabla mencionada (Cap. 01, pag. 12) 10.3.4 Medición de la resistencia de aislación. Esta medición permite detectar defectos groseros de la aislación, como contactos directos, humedad o suciedad. Es de gran utilidad, pues se realiza previamente a los ensayos con alta tensión, evitando así someter una máquina muy defectuosa, húmeda o sucia a ensayos del dieléctrico que pueden entoces resultar destructivos. También antes de la puesta en servicio de un motor nuevo o que no ha funcionado durante un tiempo, es muy

Motores Eléctricos

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S

CFT conveniente medir su resistencia de aislación, pues se procederá al secado, si fuera necesario, evitándose en forma simple daños importantes. En cuanto a los valores a obtener, existe una regla empírica que dice que la resistencia de aislación, en MΩ, aproximadamente a la temperatura de régimen, debe ser mayor que la dada por la expresión:

Tensión del motor (V ) Potencia del motor ( KVA) + 1000 y, además, en ningún caso menor que 1ΜΩ. Como la resistencia de los aislantes disminuye mucho al aumentar la temperatura, tiene gran importancia la temperatura a la que se realiza la medición. El método para está medición es el indicado por la norma IRAM 2125, pero no está exigido en la misma, ni en las normas IEC. Realización: 1. Se utiliza un megóhmetro cuya tensión sea adecuada a la del motor en ensayo. En general, para motores hasta 600 V se emplean megóhmetros de 500 V, pero para motores de mayor tensión se emplean de 1000 V ó 2500 V. 2. Antes de la medición, es conveniente verificar el megóhmetro, que a circuito abierto y cortocircuito indique infinito y cero, respectivamente. 3. La resistencia de aislación se mide entre cada fase del arrollamiento estatórico (si no están directamente conectadas) y la carcasa, estando los demás fases y arrollamientos conectados a la carcasa. Si el arrollamiento rotórico fuese aislado, se realiza la misma medición. 4. El megómetro debe aplicarse durante 1 minuto, siendo el valor de la medición el leído al transcurrir ese lapso, pues siendo una medición en corriente continua, por la capacidad de los arrollamientos, aparece un incremento del valor obtenido en el tiempo. 5. Luego de la medición deben descargarse a tierra los arrollamientos.

10.3.5 Pruebas con alta tensión. Estos ensayos permiten juzgar el comportamiento de la aislación del motor ya que la experiencia ha demostrado que si el mismo soporta durante un breve lapso una determinada tensión de prueba de frecuencia industrial, Up=(K)Un, será capaz de soportar durante su vida útil la tensión nominal Un. Se aplica exclusivamente sobre la máquina nueva y no debe repetirse, pues representan una fuerte solicitación para el dieléctrico. Si por exigencias especiales, o después de reparaciones parciales en los arrollamiento, se procede a un nuevo ensayo, el mismo debe realizarse al 80% y al 75 %, respectivamente, de Up. Es más adecuado proceder a los ensayos con alta tensión con la máquina a temperatura de régimen, como lo establecen las normas IRAM, por la gran variación del comportamiento de los aislantes con la temperatura. 95

S

Motores Eléctricos

CFT Los ensayos con alta tensión para motores asincrónicos son: a- Con tensión aplicada entre los arrollamientos y la carcasa. b- Con tensión aplicada entre las fases de un arrollamiento. Para la verificación de la aislación entre espiras no aparecen exigencias en las normas, pero se indicarán aquí los métodos usuales. Los ensayos indicados, están establecidos por las normas IRAM 2008 y 2125 y la IEC 34-1. Realización: 1. Se procede, estando el motor a aproximadamente su temperatura de régimen, o sea a continuación del ensayo de calentamiento, a cortocircuitar los terminales de cada arrollamiento. 2. Se aplica entonces entre cada arrollamiento estatórico o rotórico y la carcasa la tensión indicada en la norma (ver tabla), estando los demás arrollamientos, el núcleo y la carcasa conectados a tierra. 3. Al comenzar, la tensión aplicada debe ser menor que el 50% de la prueba y se va elevando, en un lapso no menor a 10 segundos, hasta alcanzar la tensión de prueba, que se mantiene durante un minuto. Se reduce entonces la tensión y se desconecta. 4. Para los ensayos entre fases en máquinas polifásicas, se aplica según lo indicado en 1, 2 y 3, el 75% de la tensión de prueba entre cada fase y las demás unidas entre sí, a la carcasa y a tierra. Evaluación del ensayo: Si hubiera falla en la aislación, ésta se detecta por la caída en la indicación del voltímetro, que mide la tensión aplicada, y porque actúan los elementos de protección que habitualmente incluye el equipo de alta tensión. Valores para los ensayos con alta tensión de motores asincrónicos en Volts. Arrollamiento estatórico de motores con potencia menor que un 1KW o KVA

500 + 2 Un

- Arrollamiento estatórico de motores cuya potencia está comprendida entre 1KW o KVA y 3KW o KVA

1000 + 2 Un

- Arrollamiento estatórico de motores cuya potencia es mayor a 3KW o KVA y menor que 10000KW o KVA

1000 + 2 Un, 1500 V min.

- Arrollamiento estatórico de motores cuya potencia es igual o mayor que 10000 KW o KVA - Un < 2000 V -2000 V < Un < 6000 V - Un > 6000 V

1000 + 2 Un 2,5 Un 3000 + 2 Un

-Arrollamiento rotórico no permanentemente cortocircuitado: - para motores de marcha no reversible - para motores de marcha reversible

1000 + 2 U1 1000 + 4 U2

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S

CFT 10.3.6 Medición de la resistencia de los arrollamientos. La forma de medir la resistencia de los arrollamientos se indicó en el ensayo de calentamiento. Solo cabe aconsejar que para una mayor sencillez en el manejo de las fórmulas de cálculo del rendimiento, se midan dichas resistencias entre terminales de línea (U, V, W). Esta medición detecta los falsos contactos cuando no se obtiene estabilidad en la medición. Y, en el caso de encontrarse desigualdades apreciables entre las mediciones de un mismo motor, sería un indicador de fallas de conexión o apertura de algún circuito. 10.3.7 Ensayo en vacío. El ensayo en vacío es normalmente un ensayo de rutina que el fabricante realiza sobre toda la producción, ya que le sirve para evaluar: Si el motor gira y alcanza su velocidad de vacío en el sentido de giro adecuado. Si la corriente de vacío es la especificada. Si se obtienen valores muy distintos, cabe pensar en errores de conexión internos de los bobinados estatóricos o en la caja de conexiones, en los motores previstos para distintas conexiones. Si son prácticamente iguales las corrientes en las tres fases. Cuando ello no ocurre, indica asimetría en el bobinado estatórico, que pueden ser debidas a inversiones o errores en las conexiones de la bobina, cortocircuitos entre las espiras o fases, etc; la que generalmente es acompañada de sobrecorrientes y calentamiento excesivo delmotor. Si el motor gira sin que se detecten inconvenientes de tipo mecánico, como rozamientos entre laspartes móviles y fijas, ruido anormal en los rodamientos, vibraciones exageradas, etc. En los motores con cojinetes a fricción se verifica también el centrado magnético axial que, si no coincide con el mecánico, origina un empuje que desubica el rotor. Como ensayo de recepción, se obtienen las pérdidas mecánicas y en el hierro estatórico, que intervienen en la determinación del rendimiento por el método indirecto y en el trazado del diagrama circular. Pero, quien reciba un motor, debe prestar atención también a las observaciones citadas previamente por el fabricante, ya que las mismas aportan una idea de los estados eléctrico, magnético y mecánico del motor. Este ensayo está establecido por la norma IRAM 2125. Realización: Se conecta el motor con su eje libre a una fuente de la tensión y frecuencia nominales y de secuencia conocida. Si se trata de un motor de rotor bobinado, se cortocircuitan los anillos rotóricos.

97

S

Motores Eléctricos

CFT Cuando se alcanza la velocidad de régimen, verificando que el sentido de giro sea el correcto, se miden las intensidades de corrientes de las tres fases, la potencia consumida y la velocidad de rotación, tal como se indica en la tabla de valores. Por medio de un estetoscopio o un destornillador se escuchan los cojinetes a fin de detectar si aparecen ruidos anormales. En ensayos de tipo y a fin de conocer separadamente las distintas pérdidas, se realiza este ensayo reduciendo la tención de alimentación desde el 125% del valor nominal hasta el valor en que se compruebe que la intensidad de corriente comienza a aumentar, midiendo todos los valores que se especifican en la tabla de valores. Circuito de conexión e instrumentos necesarios: Se emplean los mismos instrumentos y circuito que en el ensayo de calentamiento, mostrado en la figura 10.6. Se debe recordar que el conjunto de instrumentos debe ser clase 0,5 como mínimo, y seleccionar bien la escala de medición. Para la tabla de valores adjunta se tomo: T1, t2 y T3: 10/5 W1 y W2: 150 divisiones

50 50 50 50 50 50 50

3000 3000 3000 3000 3000 3000 3000

Fase U Fase V Fase W div. amp. div. amp. div. amp. 5,86 11,72 5,8 11,6 5,82 11,64 4,26 8,52 4,13 8,26 4,18 8,36 3,02 6,04 3,13 6,26 3,07 6,14 2,37 4,74 2,44 4,88 2,4 4,8 1,89 3,78 1,89 3,78 1,89 3,78 1,57 3,14 1,56 3,12 1,56 3,12 1,37 2,74 1,38 2,76 1,37 2,74

11,65 8,38 6,15 4,81 3,78 3,13 2,75

Potencia C= 20 x 2 = 40 W/div div 84,5 55 38 28,2 20,4 15,6 11,8

W1 div W2 3380 -53,2 -2128 2200 -32 -1280 1520 -19,5 -780 1128 -12 -480 816 -5,1 -204 624 -2 -80 0,7 472 28

Pot. Total [W]

Intencidad de corriente c=2A/div

I. Porm [A]

% Volt 125 460 110 420 100 380 90 340 75 285 60 230 50 190

Vel. [rpm]

Tensión

Frec. [HZ]

Tabla de valores:

1252 920 740 648 612 544 500

Evaluación del ensayo: La evaluación de las posibles anormalidades señaladas al comienzo del tratamiento de este ensayo, queda a las experiencias del inspector y del fabricante. Las normas no establecen valores máximos ni mínimos ni tolerancias para los declarados por el fabricante, si los hubiera, con respecto a los parámetros que se determinan en este ensayo. Si lo hace, como ya se verá, para el rendimiento, en que la potencia consumida en vacío interviene. Se detallará, no obstante, la forma de obtener las pérdidas en el hierro estatórico y las perdidas mecánicas (de rozamiento en los cojinetes y las de ventilación). La potencia consumida en el ensayo de vacío, Po, es igual a: Po =Pérdidas del hierro estatórico + Pérdidas mecánicas + Pérdidas en en cobre estatórico

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S

CFT Las pérdidas en el cobre se determinan por la siguiente expresión general, para la que no es necesario conocer la conexión interna del motor, ya que es aplicable a motores conectados en estrella y en triángulo: Pcu= 0,5 x (Ruv + Ruw + Rvw) x Io2 Para un motor dado podemos calcular: Pcu= 0,5 x (0,658 + 0,662 + 0,660 x Io2 Se restan luego los valores de la potencia consumida para las distintas tensiones a las que se realizó el ensayo. Tensión % Volt 125 460 110 420 100 380 90 340 75 285 60 230 50 190

Pot medida en vacio [W]

Pérdidas cobre estatórico [W]

1252 920 740 648 612 544 500

134,4 69,5 37,40 22,87 14,15 9,68 7,47

Perdidas hierro estatórica + mecánicas [W] 1117,56 850,48 702,60 625,13 597,85 534,32 492,53

Luego, los valores obtenidos en la resta se grafican en función de la tensión (figura 10.7). Extrapolando la curva, donde la misma corta al eje de las ordenadas, es decir para tensión cero, se obtienen las pérdidas mecánicas, que para el ejemplo planteado es 445 W.

Figura 10.7

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S

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CFT Para el trazado del diagrama circular se utilizarán los siguientes datos: Io Prom. a tensión nominal, (6,15 A) Po potencia consumida a tensión nominal (740 W) ⎞ ⎛ 740 Po ⎟⎟ = 0,18 cos ϕ = ⇒ ⎜⎜ 3 × U × Io prom ⎝ 3 × 380 × 6,15 ⎠ Entre paréntesis figuran los datos para el motor del ejemplo. 10.3.8 Ensayo de rotor bloqueado. Aunque el proceso de arranque de un motor es un fenómeno transitorio, los parámetros más significativos del mismo, los que aparecen en el momento de la conexión, se obtienen en un ensayo a rotor bloqueado. Este no es un ensayo de rutina del fabricante, puesto que de sus resultados severifican fundamentalmente características de diseño y solamentealgunas constructivas referentes al rotor, para el cual, cualquiera sea su tipo (jaula de ardilla inyectada en aluminio, cobre soldada o bobinado), es común emplear satisfactorias tecnologías de fabricación. Sin embargo, es este un ensayo típico de recepción, pues permite al usuario comprobar la correspondencia entre los valores especificados y los reales de corriente y par de arranque. Además, los valores determinados en este ensayo se emplean en la construcción del diagrama circular. Este ensayo también está fijado por la IRAM 2125. Realización: Se bloquea sólidamente el rotor y, en el caso del motor de rotor bobinado, se cierra el valor de resistencia correspondiente al arranque. Se conecta a una fuente de 50Hz y de tensión regulada, ya que de conectarse a la tensión nominal, el motor tomaría su corriente de arranque la cual es varias veces la nominal, valor que a veces la instalación de la sala de ensayos no puede suministrar. Sin embargo, la norma indica que se haga al 75-100% de la tensión nominal, pues si se hace a menores valores la extrapolación matemática induce errores. Por los valores de las corrientes en juego, la lecturas de los instrumentos y de la indicación de la balanza debe hacerse simultánea y rápidamente para que sea despreciable la variación de temperatura de los arrollamientos. Por ello, si se realizan varias determinaciones, debe esperarse un tiempo luego de cada una para que el motor vuelva a la temperatura ambiente o medir la resistencia del arrollamiento del motor en cada una. Como aparece una variación de corriente y el par de arranque con la posición relativa de los dientes del rotor y el estator, las normas indican repetir la verificación para varias posiciones del rotor, observar las diferencias y adoptar para la corriente el

Motores Eléctricos

100

S

CFT mayor valor de los obtenidos y para el par el menor. El par se mide directamente acoplando al eje yna barra que acciona la balanza. En el caso de un motor con rotor bobinado, se abra finalmente el circuito del rotor y se mide la tensión entre los anillos (figura 10.8), estando el estator alimentado a su tensión nominal.

Figura 10.8

Circuito de conexiones e instrumentos necesarios. Se emplean los mismos que para el ensayo de calentamiento, excluyéndose el uso del tacómetro. Para la obtención de los datos de la tabla se emplearon Ti de 150/5 y wattimetros de 150 divisiones.

50

Fase U Fase V Fase W div. amp. div. amp. div. amp. div 360 4,2 126 4,1 123 4,1 123

84

C= 30

W1 div W2 50400 -14,5 -8700 41700

Peso aplicado [Kg]

Potencia x 20 = 600 W/div

Brazo [m)

Intencidad de corriente c=30A/div

Pot. Total [W]

Tensión [V]

Frec. [HZ]

Tabla de valores:

1

Evaluación del ensayo: Se verifica si la corriente y el par de arranque medidos a tensión nominal corresponden al valor especificado, con una tolerancia permitida por la IRAM 2008, del 20% para la corriente y del 10% para el par. Si el ensayo no se realiza a la tensión nominal, se extrapola con las siguientes expresiones: (entre paréntesis figuran los datos de cálculo para el motor tomado como ejemplo)

101

S

Motores Eléctricos

5,7

CFT I arranque = I prom. medida en el ensayo x (Un/Uensayo) (I arranque = 124 x(380/360) = 132 A) M arranque = M medida en el ensayo x (Un/Uensayo)2 (M arranque = 1 x 5,7 x (380/360)2 = 6,4 Kgm Si las determinaciones se hicieran a tensiones no cercanas a la nominal, la extrapolación indicada introduce errores debidos a la saturación, obteniéndose valores menores a los reales de la corriente y el par. Se calculan también las relaciones:

Iarranque Ino min al

Marranque Mno min al

Para el motor del ejemplo resultan:

Ia 132 A = =6 In 22 A

Ma 6,4 Kgm = = 1,75 Mn 3,65Kgm

Para el cálculo de Mn se aplica: (recordar que el motor es de 15HP).

Mn =

716 × P[ HP] 716 × 15 = = 3,65Kgm n[rpm] 2930

Cuando se trate de un motor con cojinetes a fricción no puede determinarse el par por esta medición directa, ya que los rozamientos en los mismos son un freno no leído por la balanza, introduciéndose así un error grosero en la determinación. Por lo tanto, en estos casos, el par de arranque se obtiene indirectamente del diagrama circular. El cos ϕ del arranque se obtiene por la siguiente fórmula:

cos ϕ =

Pmedida en el ensayo 41700 ⎛ ⎞ =⎜ = 0,52 ⎟ 3 × U × I ( prom. medida en el ensayo) ⎝ 3 × 360 × 124 ⎠

10.3.9 Ensayo con carga nominal. Consiste en hacer funcionar al motor entregando su potencia nominal para determinar en esas condiciones si la corriente, el cos ϕ , el rendimiento y la velocidad (o resbalamiento) cumplen con los valores indicados por el fabricante. Además, los parámetros que se determinan con este ensayo son de interés porque:

Motores Eléctricos

102

S

CFT La corriente y la velocidad intervienen en el rendimiento obtenido por cálculo La corriente y el cos ϕ permiten verificar un punto del diagrama circular, que se ha trazado en base a los ensayos en vacío y a rotor bloqueado. El usuario diseña en función de la corriente la canalización y el sistema de protección; el rendimiento y el cos ϕ le afectan directamente en el costo de energía y de la velocidad del motor dependerá la del mecanismo que él accione. Por ello, para tener un conocimiento completo del funcionamiento del motor, se repite este ensayo para el 25%, el 50%, el 75% y el 125% de la carga nominal, con lo que pueden construirse las curvas de variación de sus paámetros fundamentales en función de la potencia entregada. Este ensayo lo establece la norma IRAM 2125 y las tolerancias correspondientes en la IRAM 2008 (IEC 34). Realización: Si bien existen varios métodos para verificar el funcionamiento del motor en carga, en lo que sigue sólo los diferenciamos en: Los que determinan directamente y con una precisión adecuada la potencia mecánica entregada por el motor y que llamaremos medición directa. Los que no la determinan y que llamaremos de medición indirecta. En ambos casos se procede a hacer funcionar el motora tensión y frecuencia nominal. - Para la medición directa se regula el dispositivo de carga hasta que la potencia mecánica medida en el eje sea la nominal - Para la medición indirecta se carga el motor y se calcula la potencia entregada restándole a la eléctrica tomada de la red las pérdidas del motor, por el procedimiento que se verá posteriormente para el cálculo indirecto del rendimiento. Esto requiere una serie de “tanteos” puesto que algunas pérdidas son función de la corriente. Preferentemente cuando el motor ha alcanzado su equilibrio térmico se procede a la lectura simultánea de todos los instrumentos. Si el ensayo se realiza a distintas cargas, se comienza por el 125% de la nominal y se va disminuyendo para las demás condiciones. Circuitos de conexión e instrumentos necesarios. Son los mismos empleados para el ensayo de calentamiento; pero las normas indican no emplear tacómetro para la medición de velocidad, si no, medir resbalamiento con lámpara estroboscópica o con conteo de pulsos.

103

S

Motores Eléctricos

CFT Tabla de valores.

Hz RPM RPM div 50 50 50 50 50

89 72 53 33 14

A

Fase V div

2911 2,6 26 2,58 2928 2,2 22 2,19 2947 1,71 17,1 1,71 2967 1,22 12,2 1,22 2986 0,72 7,2 0,72

Fase W

A

div

A

25,8 21,9 17,1 12,2 7,2

2,61 2,21 1,78 1,23 0,73

26,1 22,1 17,8 12,3 7,3

div

W

div

W

W

m

Kg

48,8 41,2 32 22,8 12,4

9760 8240 6400 4560 2480

26,8 22,3 16,7 10,4 0,6

5360 4460 3340 2080 120

15120 12700 9740 6640 2600

1 1 1 1 1

4,62 3,65 2,73 1,84 0,9

W1

I prom

25,97 22,00 17,33 12,23 7,23

Peso aplicado

Velocidad ns-resb

Resb

Fase U

Brazo

V 380 380 380 380 380

Potencia C=10x20=200 W/div

Intencidad de corriente C= 10A/div

Potencia total

% 125 100 75 50 25

frecuencia

Tensión

Carga

El ejemplo siguiente corresponde a un ensayo con medición directa de la potencia mecánica entregada, puesto que se ha medido el par motor en el eje. No obstante, si bien el ajuste de la carga por el método de medición indirecta se realiza por cálculo, suprimiendo las dos últimas columnas esta misma tabla puede ejemplificar la obtenida por este segundo método. Cabe señalar sin embargo, que habrá diferencias en los resultados obtenidos por ambos métodos.

W2

Evaluación del ensayo: Consiste en verificar si el rendimiento, el resbalamiento y el factor de potencia del motor son los declarados por el fabricante, dentro de las tolerancias que la norma admite. La corriente del motor no se verifica directamente, pero por la expresión: P motor[ HP] = 1,36 × 3 × V × I × cos ϕ ×η Para una potencia y tensión de alimentación dadas y estando acotados los valores de cos ϕ y de rendimiento (η), también lo estará la corriente. Factor de potencia: La tolerancia permitida por las normas es:

⎛ 1 − cosϑ ⎞ −⎜ ⎟ con un mínimo de 0,02 y un máximo de 0,07. 6 ⎝ ⎠ El garantizado para el motor del ejemplo es 0,89. Resulta entonces que la tolerancia es:

⎛ 1 − 0,89 ⎞ −⎜ ⎟ = −0,018 , por lo que se adopta el mínimo de –0,2. ⎝ 6 ⎠ El factor de potencia para la carga nominal se calcula de los valores medidos Motores Eléctricos

104

S

CFT P [W ] = 3 × V [V ] × I prom [ A]

cos ϕ =

12700 = 0,878 3 × 380 × 22

Por lo tanto, en este caso se está dentro de la tolerancia. Resbalamiento: La tolerancia permitida por las normas es ϒ 20% de S. El garantizado para el motor del ejemplo resulta:

S% =

Vel.sin crónica − Vel.no min al 3000 − 2930 100% = 100% = 2,33% Vel.sin crónica 3000

Por lo tanto la tolerancia es igual a ϒ 0,46%. En el ejemplo citado se ha determinado el resbalamiento por medio de una lámpara de efecto electroboscópico, contando el número de vueltas que gira en un minuto atrasando al rotor (72 vueltas para la carga nominal). Resulta:

72 100% = 2,4% , por lo tanto, en este caso se está dentro de 60 × f la tolerancia.. S% =

Determinación del rendimiento. Las normas estipulan tolerancias distintas, según el método de determinación del rendimiento. - Con medición directa de la potencia mecánica entregada: -0,15 (1- η) El garantizado para el motor del ejemplo es de 0,86 (86%). Resulta entonces la tolerancia: -0,15 (1-0,86)= - 0,021 = 2,1% El rendimiento del motor se obtiene de:

η (%) =

Potencia mecánica entregada [W ] 100% Potencia eléctric consumida [W ]

siendo:

Potencia mecánica [W ] = 1,03 × peso aplicado [kg ] × brazo [m] × velocidad[ PRM ]

105

S

Motores Eléctricos

CFT Para el ejemplo tomado y a carga nominal, resulta:

η (%) =

1,03 × 3,650 × 1 × 2928 100% = 87% 12700

En este caso, el rendimiento ha resultado mejor que el garantizado.

-

Con medición indirecta de la potencia mecánica entregada se emplea -0,10 (1- η), para el caso la tolerancia es -0,10 (1- 0,86) =0,014, 14%. Para la determinación del rendimiento por este método se aplica la siguiente expresión:

η=

potencia tomada de la red − perdidas del motor potencia tomada de la red

Esta potencia tomada de la red es la medida en el ensayo con carga nominal, y las pérdidas son las siguientes:

Independientes de la carga

Pérdidas

1

En el hierro que constituye el circuito magnético y adicionales no debidas a la carga en otras partes metálicas.

2

Pérdidas por fricción en los cojinetes y escobillas, si los hubiere.

3

Pérdidas por el rozamiento de las partes rotantes con el fluido circundante, que incluye el sistema de ventilación en las máquinas autoventiladas.

4

En el cobre estatórico

5

En el cobre rotórico

6

Eléctricas en las escobillas, si las hubiere.

7

Adicionales en el cobre y en el hierro.

Función de la carga

Motores Eléctricos

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S

CFT Estas pérdidas se obtienen de los ensayos de vacío y a carga nominal detallados anteriormente, indicándose a continuación el cálculo correspondiente para el motor tomado como ejemplo.

1

2+3

Del ensayo de vacío, restando a la potencia leída para la tensión nominal las pérdidas en el cobre estatórico y las pérdidas mecánicas (2+3)

Perdidas en el hierro = 740 – (34+445) = 258 W

De la extrapolación de la curva de variación de las pérdidas de vacío en funsión de la tensión (fig 10.7=

Perdidas mecánicas = 445W

2

4

5 (Para motores de jaula de ardilla) y 5+6 (para motores de rotor bobinado)

7

Su valor es I R referido a 75 °C, siendo R la resistencia del arrollamiento estatórico e I la corriente correspondiente a la carga para la cual está calculado el rendimiento 0,5 (Ruv+Ruw+Rvw)a 75°CxI2 235 + 75 , donde ((Rx) a 75°C = (Rx)a t °Cx 235 + t °C t°C es la temperatura a la cual se midieron las resistencias (18°C). Su valor es igual al resbalamiento por la potencia trasferida al rotor. La potencia transferida al rotor se calcula restando a la potencia tomada de la red en el ensayo en carga, las pérdidas enel hierro (1) y las pérdidas en el cobre estatórico (4). Pérd. Cu rotor=S x Pot. tranf. al rotor

Ruv+Ruw+Rvw= 0,658+0,662+0,660 = Rt = 1,98 Ω. (Rt) a 75°c= 310 1,98 x = 2,42Ω 235 + 18 Pérdidas en el Cu estatórico = 0,5x2,42X222=586 Ω

Pot. tranf al rotor= 12700 –(258+586)= 11856 W Perd. Cu rotor= 0,024x11856= 284 W

Pot. Traf. al rotor=Pot. tomada de la red – (Pfe+Pcu est) Se consideran para plena carga, iguales a Pérd. 0,5 de la potencia tomada de la red en ad=0,005x12700=63,5W ese estado. Pérdidas totales:

1636,5 W

Entonces el rendimiento resulta:

η=

12700 − 1636,5 = 0,871 ⇒ 87,1% 12700

Se han indicado dos métodos para la determinación del rendimiento. Aquel en el que se miden directamente la potencia 107

S

Motores Eléctricos

CFT tomada de la red y la potencia mecánica entregada por el motor, se emplea fundamentalmente para motores chicos y medianos. El de determinación indirecta, si bien es más laborioso, introduce inexactitudes menores y es considerado por la normas como preferente. 10.3.10 Diagrama Circular. El diagrama circular es una construcción gráfica que se realiza con los datos obtenidos en los ensayos de vacío y a rotor bloqueado, de la que se deducen las características de funcionamiento del motor: Corrientes estatórica y rotórica, potencia consumida, potencia entregada, rendimiento, par y factor de potencia. Calculado esto para los distintos estados de carga, se puede graficar su variación y apreciar los valores máximos que el motor alcanza. Tal diagrama es de suma utilidad para el proyectista durante la etapa de diseño de sus motores, pero escapa a los objetivos planteados para este curso.

10.3.11 Sobrecarga momentánea Debido a la forma en que varía el par con la velocidad en los motores asincrónicos, cuando se aplica una carga que sobrepasa el par máximo el motor sale de la zona de funcionamiento estable y se frena. Con este ensayo se evalúa ese punto crítico. El mismo consiste en la aplicación de una sobrecarga momentánea igual al 160% del par nominal, verificándose que en esas condiciones el motor permanece en la zona de funcionamiento estable y que, por lo tanto, su par máximo es mayor que el aplicado en la prueba. (resulta poco exigente, puesto que los motores actualmente se diseñan para pares máximos del 200%) Realización La norma IRAM 2008 indica que debe efectuarse a temperatura de régimen. Se acopla el motor a un freno adecuado que permita medir rápidamente el par resistente aplicado. Con el motor en funcionamiento a la tensión y frecuencia nominales, se aumenta gradualmente la carga hasta leer en la balanza que el par desarrollado es igual al 160% del nominal, se mantiene así durante 15 segundos e inmediatamente se elimina la carga. Duarantre el ensayo, el motor no deberá detenerse ni variar bruscamente su velocidad. 10.3.12 Sobrecarga específicas en motores especiales. Para diseño de motores para aplicaciones especiales, este ensayo se define por acuerdos entre el comprador y el fabricante.

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108

S

CFT ANEXO 1: TIPOS DE SERVICIO. Los tipos de servicio se definen en función de como varía la potencia mecánica exigida por la carga al motor en función del tiempo. Es por lo tanto esencial, tanto cuando se elige un motor como cuando se lo ensaya, decidir que tipo de servicio representa mejor el variar de la carga, y por lo tanto las exigencias térmicas a las cuales estará sometido en la práctica. Se indican a continuación los distintos tipos de servicio, y las figuras definen las variaciones de distintas magnitudes en juego en función del tiempo. Los tipos de servicio están definidos por las normas especialmente para su aplicación a motores, (algunos también se utilizan para definir las características de servicio de generadores). Los tipos de servicio son los siguientes: Servicio continuo (S1). Se trata de un funcionamiento con carga constante durante un tiempo suficiente para alcanzar el equilibrio térmico.

Carga

Pérdidas Eléctricas

Temperatura

N: Operación en condiciones nominales

Θmax: Temperatura máxima alcanzada.

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S

Motores Eléctricos

CFT Servicio de corta duración (S2). Se trata de un funcionamiento con carga constante durante un lapso determinado, menor del requerido para lograr el equilibrio térmico, seguido de un período de reposo suficientemente largo como para que se enfríe casi a la temperatura del medio refrigerante (la diferencia de temperatura entre la máquina y el fluido de refrigeración debe ser menor o igual a 2 °C

Carga

Pérdidas Eléctricas

Temperatura

N: Operación en condiciones nominales

Θmax: Temperatura máxima alcanzada. Servicio intermitente periódico (S3). Un servicio compuesto de una sucesión de ciclos idénticos que comprenden cada uno un período de funcionamiento con carga constante y un período de reposo. La característica del ciclo de este tipo de servicio es tal que la corriente de arranque no afecta de modo significativo la sobreelevación de temperatura de la máquina.

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S

CFT

Carga

Pérdidas Eléctricas

Temperatura

N: Operación en condiciones nominales R: Detención y desconexión.

Θmax: Temperatura máxima alcanzada. Servicio intermitente periódico con arranques (S4). El servicio consta de una sucesión de ciclos idénticos que comprenden cada uno un período apreciable de arranque, un período de funcionamiento con carga constante y un período de reposo.

Carga

Pérdidas Eléctricas

Temperatura

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S

Motores Eléctricos

CFT D: Arranque. N: Operación en condiciones nominales R: Detención y desconexión.

Θmax: Temperatura máxima alcanzada. Servicio intermitente periódico con frenado eléctrico (S5). Se trata de una sucesión de ciclos idénticos que comprenden cada uno un período de arranque, un período de funcionamiento con carga constante, un período de frenado eléctrico rápido y un período de reposo. Si se trata de frenado en contracorriente, que consiste en alimentar el motor que se encuentra girando a plena velocidad de modo tal de obligarlo a girar en sentido contrario, se tiene un alto par de frenado. La corriente durante el frenado es del mismo orden que la corriente de arranque, y esto produce una importante sobreelevación de temperatura, limitando la frecuencia de frenados en contracorriente, para detectar la temperatura de los arrollamientos se utilizan sensores térmicos (se puede entonces actuar para que no se alcancen sobreelevaciones de temperatura peligrosas).

Carga

Pérdidas Eléctricas

Temperatura

D: Arranque. N: Operación en condiciones nominales F: Frenado. R: Detención y desconexión.

Θmax: Temperatura máxima alcanzada Motores Eléctricos

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S

CFT Servicio ininterrumpido periódico con carga intermitente (S6). Un servicio compuesto de una sucesión de ciclos idénticos que comprenden cada uno un período de funcionamiento con carga constante y un período de funcionamiento en vacío. No hay ningún período de reposo.

Carga

Pérdidas Eléctricas

Temperatura

N: Operación en condiciones nominales V: Operación en Vacío.

Θmax: Temperatura máxima alcanzada

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S

Motores Eléctricos

CFT Servicio ininterrumpido periódico con frenado eléctrico (S7). Se trata de una sucesión de ciclos idénticos que comprenden cada uno un período de arranque, un período de funcionamiento con carga constante y un período de frenado eléctrico. No hay ningún período de reposo.

Carga

Pérdidas Eléctricas

Temperatura

D: Arranque. N: Operación en condiciones nominales F: Frenado Eléctrico.

Θmax: Temperatura máxima alcanzada

Servicio ininterrumpido periódico con cambios de carga y velocidad (S8). Cada uno de los ciclos sucesivos de igual tipo comprende un período de funcionamiento con carga constante y a una velocidad de rotación dada, seguido de uno o varios períodos de funcionamiento con otras cargas constantes y velocidades de rotación diferentes (por ejemplo por cambio del número de polos). No hay ningún período de reposo. Cabe destacar que en los tipos de servicio S3 a S8 inclusive, la duración de un ciclo es generalmente demasiado breve como para que se alcance el equilibrio térmico de la máquina.

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S

CFT

Carga

Pérdidas Eléctricas

Temperatura

Velocidad

D: Aceleración N: Operación en condiciones nominales F: Frenado Eléctrico.

Θmax: Temperatura máxima alcanzada

Servicio con variaciones no periódicas de carga y velocidad (S9). Se trata de un servicio en el cual generalmente la carga y la velocidad experimentan variaciones no periódicas dentro del rango de funcionamiento admisible. Este servicio incluye frecuentes sobrecargas aplicadas que pueden superar notablemente las cargas plenas.

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S

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CFT Velocidad

Carga

Pérdidas Eléctricas

Temperatura

D: Arranque. L: Operación con carga variable. F: Frenado Eléctrico. R: Detención y desconexión. S: Operación con sobre carga. CP: Plena carga

Θmax: Temperatura máxima alcanzada

Selección del tipo de Servicio. El constructor para asignar los tipos de servicio deberá elegir una de las clases definidas a continuación, donde se estipula en cada caso las condiciones particulares de funcionamiento: • Servicio continuo máximo. La carga y las condiciones en las cuales la máquina puede funcionar durante un tiempo ilimitado cumpliendo las prescripciones de las normas. • Servicio de breve duración. La carga, la duración y las condiciones en las cuales la máquina puede funcionar durante un tiempo limitado, arrancando a la temperatura ambiente y cumpliendo las prescripciones de las normas. • Servicio continuo equivalente. A los efectos de la realización de los ensayos, se debe indicar la carga y las condiciones en las cuales la máquina puede funcionar hasta alcanzar el equilibrio térmico, el cual se Motores Eléctricos

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CFT considera equivalente a uno de los tipos de servicios periódicos definidos anteriormente (S3 a S8) o a un servicio no periódico (S9). • Servicio periódico. Las cargas y las condiciones en las cuales la máquina puede funcionar siguiendo los ciclos prescriptos por las normas. Esta clase de servicio, si se aplica, debe corresponder con uno de los servicios de tipo periódico definidos anteriormente (S3 a S8). Se define el factor de marcha como la relación entre la suma de los tiempos de arranque, carga, frenado eléctrico (según corresponda) y el tiempo de duración del ciclo completo. La duración del ciclo debe ser de 10 min y el factor de marcha deberá ser uno de los siguientes valores: 15%, 25%, 40%, 60%. • Servicio de tipo no periódico. Las variaciones de carga conjuntamente con las variaciones de velocidad y sus condiciones, comprendiendo las sobrecargas, a las cuales la máquina puede ser sometida de modo no periódico, conforme con las prescripciones de las normas. Esta clase de servicio se aplica cuando corresponde a un servicio no periódico de carga y velocidad (S9).

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S

CFT ANEXO 2: INSTRUCCIONES DE INSTALACIÓN. AVISO DE SEGURIDAD Los motores eléctricos, en tanto que máquinas eléctricas rotativas, tienen elementos móviles y elementos bajo tensión. Es pues esencial que solamente personal cualificado los instale o manipule a fin de evitar daños a las personas y/o cosas. Antes de su puesta en funcionamiento conviene asegurar la conformidad con la directriz arriba indicada. (Observa también EN 500110-1/VDE 0105, IEC 364, y EN 60204-1.) Ante cualquier duda sobre seguridad, consultar al proveedor antes de instalar el motor y operar con el mismo.

ACEPTACIÓN DEL MATERIAL A la recepción de los motores, efectuar los siguientes controles: Comprobar cualquier daño externo del embalaje y en su caso del motor. Comprobar la concordancia de los datos de la placa del motor con los expresados en el comprobante de entrega y los especificados en su pedido. Comprobar que no existen daños externos en el motor y en especial la funda de los ejes. En los tamaños de carcasa a partir del 160 en adelante, el eje tiene un seguro de rotación para su protección durante el transporte. Quitado este seguro, girar el eje a mano para comprobar que su rotación es suave y silenciosa. Caso de motor con rotación unidireccional con ventilador de bajo nivel sonoro, comprobar que el sentido de giro es el especificado. Una flecha en el motor, lo indica. Si el motor debe ser transportado de nuevo, ya sea sólo o montado en cualquier equipo, móntese otra vez el seguro de transporte a fin de evitar el "picado" de los rodamientos. Si se detecta algún defecto contactar con el proveedor facilitando la información detallada del mismo, datos completos de placa motor y del documento de entrega del mismo. ANTES DE LA PUESTA EN MARCHA El correcto funcionamiento de un motor eléctrico depende de su ubicación. Asegurarse de que se han tenido en cuenta los factores siguientes: Temperatura Ambiente. El motor funcionará correctamente entre -20 ºC +40 ºC y altura máxima sobre el nivel del mar de 1.000m. Consultar si las condiciones fuesen otras. Ventilación. Es necesario un espacio libre en la parte trasera del motor de al menos el 25% del tamaño de carcasa (40 mm. para un motor del tamaño 160, por ejemplo.) El aire extraído no debe recircular de nuevo a la parte trasera.

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S

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CFT Polvo. En ambientes pulverulentos puede ser necesario el empleo de motores especiales, ya que los depósitos de polvo sobre el motor pueden suponer un sobre calentamiento importante. Vibraciones. Instalar los motores sobre bases sólidas, libres de vibraciones externas. TRANSMISIONES Debe tenerse un cuidado extremo en la selección y montaje de la transmisión. Acoplamiento directo. Recomendamos que sean del tipo elástico. Deben seguirse escrupulosamente las instrucciones del fabricante del acoplamiento, en particular sobre alineación y separación entre platos. Recomendamos el mecanizado de agujeros con tolerancia H7. Usar el taladro roscado del eje para montaje evitando siempre golpear eje o plato. Poleas y correas. Es decisivo un correcto cálculo de la transmisión por correas. Un esfuerzo radial excesivo o una tensión incorrecta de las correas puede provocar fácilmente la rotura del eje. Usar las correas de igual dimensión y marca. No es recomendable en general, la transmisión por poleas y correas en motores de 2 polos. Ante cualquier duda, solicitar asistencia técnica. CONEXIONES ELÉCTRICAS Las conexiones eléctricas deben efectuarse también con mucho cuidado a fin de evitar "puntos calientes". Todos los terminales deben apretarse bien pero no sobre apretarse. Véase la tabla. Es conveniente controlar el apriete después de las primeras 100 o 200 horas de operación y reapretar si es necesario. Valores de apriete recomendados, en Nm.

φ del borne

M5

M6

M8

M10

M12

M16

Mínimo

1.8

3.0

8.0

10

20

60

Máximo

2.5

4.0

9.0

17

30

73

INSTALACION Y PUESTA EN MARCHA Los motores, del tamaño 100 en adelante, tienen dos ganchos para su elevación pero solamente para el motor, no para elementos a él fijados (reductores, bombas, etc.). Los motores normales son para tensión Europea y multitensión y multifrecuencia. Hasta 3 kW. inclusive, 230/400 V a 50 Hz y equivalente 275/480 V a 60 Hz. por lo que la conexión puede ser 230 V D, o 400 V U. A 50 Hz. o bien 275 V D, o 480 V U a 60 Hz. Los motores desde 4 kW en adelante, están disponibles normalmente tanto para 230/400 a 50 Hz. y equivalentes a 60 Hz., como para 400/690 V 50 Hz. y equivalente a 60 Hz. (480 V D). Motores Eléctricos

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CFT Las cajas de bornes son muy amplias. Montadas en la parte superior en toda la gama, permiten orientación de las bocas de entrada de 90 en 90 grados. Todos los motores disponen de dos puntos de conexión a tierra, uno exterior y otro en la caja de bornes. Comprobar el aislamiento especialmente después de un largo período de almacenamiento o parada. Con "megger" a 500 o 1.000 V. Durante 60 segundos debe mantenerse una lectura no inferior a 5 megaohmios. En otro caso, deberá secarse el motor y comprobar de nuevo antes de someterlo a tensión. Los rotores están equilibrados a media chaveta. Pueden funcionar sin chaveta o con la chaveta completa, aunque en tal caso cabe esperar un ligero incremento de vibración. Sentido de giro reversible, salvo pedido especial de motor unidireccional. Para invertir el sentido de giro recomendamos intercambiar la posición del cable de alimentación del centro con cualquiera de los laterales. Pueden efectuarse dos arranques consecutivos de 3 segundos de duración cada uno, incluso en caliente. Salvo casos especiales, se permiten 6 arranques espaciados en una hora. Consultar en caso de duda o si se requiere un mayor número de arranques. Los motores desde el tamaño 160 en adelante llevan sondas térmicas del tipo PTC con terminales de conexión dispuestos dentro de la caja de bornes. Para controlar su continuidad el voltaje máximo admisible es de 2,5 voltios, corriente continua. Puede usarse un ohmiómetro PERO NO UN MEGGER. No es imprescindible usar las sondas, pero es recomendable por la protección que suponen para el motor. RODAMIENTOS Los rodamientos normales, son: Tamaños 63 al 132, rodamiento de bolas con tolerancia interna C3, cerrados, lubricados de por vida. Tamaños 160 al 355, rodamientos abiertos, tolerancia interna C3, con boquillas para reengrase dispuestas en los escudos (En el lado ventilador, la boquilla es accesible a través del agujero dispuesto al efecto en la tapa ventilador). Deben emplearse grasas de base lítica, de calidades, por ejemplo, BP LS3, SHELL ALVANIA R3, SKF LGMT/2.

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CFT ANEXO 3: FALLAS DE MOTORES ASINCRONICOS Los motivos de falla de los motores asincrónicos son variados, pueden ser mecánicos, eléctricos, etc. Del total de fallas detectadas en estos motores, estadísticamente se comprueba que el origen de los mismos son: • • • •

41% de las fallas se presentan en los rodamientos. 37% de las fallas se presentan en el estator. 10% de las fallas se presentan en el rotor. 12% otras.

Rotor

Estator

Rodamientos

Estos valores generales se desglosan en: Detalle Rodamientos Cojinetes de fricción Empaquetaduras Cojinetes de empuje Lubricación Otras Aislación a tierra Aislación entre espiras Tirantes Cuñas Carcaza Núcleo magnético Otras Jaula Eje Núcleo magnético Otras

Total 16% 8% 6% 5% 3% 3% 23% 4% 3% 1% 1% 1% 4% 5% 2% 1% 2%

41%

37%

10%

Entre las anomalías mecánicas se pueden mencionar la eventual excentricidad del rotor, la flexión del eje, los defectos de alineamiento, la ovalización del rotor o del estator, la resonancia mecánica a la velocidad crítica y todas aquellas referidas a los cojinetes de soporte. Estos defectos introducen generalmente una desuniformidad del entrehierro, que aumenta a causa del consiguiente desequilibrio de las fuerzas magnéticas radiales, que produce nuevas frecuencias en el campo magnético del entrehierro, en las corrientes de línea y vibraciones de la estructura mecánica. Las condiciones desfavorables de funcionamiento eléctricas, mecánicas o ambientales pueden acortar notablemente la vida de un devanado estatórico trifásico.

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