235633543-Biblioteca-Practica-de-Motores-Electrico-1.docx

BIBLIOTEC A P R AC TICA DE

MOTORES

ELECTRICOS

1 Robert J. Lawr ie

División Técnica de Electr ical Constr uction   and Maintenance Ada ptació n de la edició n en es p  pa ñol Luis Alf onso Padilla González, I.M.E . Un iver sid ad   Nacional Autón Autónom omaa de México Pr ofe fesor sor de Ingeni Ingenieerí ríaa Elé lécctrica y Mie Miem m bro de la  Naation  N tionaal Elec tr ical Manufactur e Associ ssociat atio ionn ( NE  NEM A ) Dir ección ección y revisió revisiónn de la ed ediición en es pa ño l Francisco Paniagua B., I.M.E. Univers idad  Nacioona  Naci nall Au Auttónoma de México Consultor  Editori al de Inge nier ía Eléc tr ica Miem br o de la U.S. Metr ic  Associ Association ( U SMA)

OCEANO/CENTR U M

BIBLI LIO OTECA

PRACTICA DE

MOTORES

ELECTRICOS

1 Robert J. Lawr ie

División Técnica de Divi Elecctrical Constr uction   and Maintenance Ele

Ad a ptaci ón de la  edición en es paño l Luis Alf onso Padilla González, l.M.E. Universidad  Nacio  Nacionnal Autónoma de México Miem m bro de la Pr ofesor ofesor de Ingen geniiería Eléctr ica y Mie  National Electrica Electricall Ma Associiation ( NE  NEMA ) Manu nufact factur  ur e Assoc Dir ecció n y rev revisión de la  edición edición en es pañol

Uniivers rsiidad Francisco Paniagua B., I.M.E. Un  Naciiona  Nac onall Au tónoma de México Co C onsu ltor  Miemb mbro ro de la Editor ial de In geniería  Eléctrica Mi U.S. Metr ic Associa  Associati tioon (USMA)

OCE AN O/CENTR UM 1%

Pr esentación de la edición

en es pañol

 propósito ósito de que la o b Con el  prop Con BIBLIIOTECA PRÁCTICA DE MO bra ra BIBL ELECT TRICOS,  p riggin inaalm lmen entte en inglés, fuera de la TORES ELEC  puu b  bli lica cadda ori  públi úblico co lector de todos todos los  p  paaíses de ha bla mayor conve conv eniencia para el  p española,, la  pres española  presente ente edición ha sido totalm lmen entte ada ptada, ampliada y quee la conforman: l. i p ales qu reorganiizada en base a las dos par tes  pr inc p reorgan Princii pi Princ  pios, Selección y Aplicacio Revisiión y ManAplicacionnes, y 11. Inst staalación ón,, Revis tenimiento. Se obtiene así una ex posición más lógica de los temas, que ser á de gran ayu ayuda para los técnicos y los ingenier os de instalaciones eléctr icas indu striales y de servicio, as asíí com omoo  pa discisci par  r a  pr of esi esionales de otras di connocer los aspectos esen plinas, y a todos aquellos a qui uienes enes inter esa co auxili liar ar de la vida  jee de ciales de dell  buen uso, conservac ión y monta j dell gr an an auxi y la indu str ia modernas: el mo mottor eléctr ico. Esta edi edición se ha com pleme ntado co conn mater ial nuevo y es pecíf ico conntroles,  pr otección y sobr e funcionamiento, constr ucción,  p  prueb ruebas, as, co cuall amp ampllía la a plicac iones de los motores de inducción y de CD, lo cua estta o br a.  perspect  perspe ctiva iva y la utililiidad de es Para facili facilita tarr el us usoo de la BIBLIO BLIOT TECA PRÁCTICA DE MOTOR ES agilizar la  b deseadda, cada ELÉCTRICOS y agili  búúsque ueda da de la inf or mac mac ión desea capíttulo se inicia con un índice detall capí llaado de los temas que tr ata, lo cual  permite  perm ite o b  btener tener una vista  pa  pannor ámi ám ica inmediata del extenso mater ial  presen  pres enttado y, a la vez, ayuda a localizar a pr o piadamente los temas de inter és. En esta edici edición se ha cui cuidado es pe  peccialm lmente ente la adap apttac aciión de la nomencllatura, la simbología y la metr ología (Sist menc (Sistema ema Inte Internacional, rnacional, SI) aplicables a la electr otécnica. La o bra incluye ad adeemás un extenso a péndice con indicacion es que acl aclaara rann y ampl amplíían los conce pt  ptos os  b  básicos ásicos de mecánica mecá nica y electr icidad.

EJ im por tante y diverso material que configura esta BIBLI OTECA PRACTICA DE MOTORES ELÉCTRICOS-pr inc ipios eléctr icos,  bases para selección de motores, aplicaciones, métodos de instalación y operación, revisión y detección de averías,  prácticas de mantenimiento mecánico y eléctrico-- hará que esta o bra se convierta en un eficaz auxiliar del electrotécnico que tiene que ocuparse de la instalación y  buena marcha de los  motores eléctricos.

'

Fr anciscoPaniagua B., I.M.E. Universidad  Nacional Autónoma de México Consultor Editor ial de Ingenier ía Eléctr ica Miembro de la U .S. Metric Association (U SMA)

•

Prólogo de la edición or iginal

La BIBLIOTECA PRÁCTICA DE MOTORES ELÉCTRICOS ha sido especialmente preparada  para el uso del  personal de operación y mantenimiento de máquinas y equipo eléctrico, técnicos de instalacio nes eléctricas, ingenier os de diversas especialidades y toda  per sona inter esada en los temas de selección, instalación, mantenim iento y diagnóstico de averías de motores eléctr icos. Se  presentan nociones técnicas y  procedimientos detallados. Descr ibe las bases del funcionamiento de los motor es  para su selección, los  puntos más im por tantes a considerar  par a su instalación cor recta, y los métodos más ef icaces  para el diagnóstico de desperfectos y para logr ar el mantenimiento ad ecuado .

La descr ipción abarca aspectos tan im portantes como los  pr inc ipios de operación de los motores de CA y de CD, los motor es moder nos de alta eficiencia y su adopción venta josa, motores especiales (LIM y PAM), cir cuitos y equipo auxiliar, sistemas de pr otección contra f allas a tierra, pruebas y técnicas de examen de motores. Los autores han incluido gran número de f otogr af ías, esquemas y diagr amas que ayudan a una f ácil y conveniente com pr ensión.

Robert J. Lawr ie División Técnica de Electr ical Constr uction and Maintenance

Índice de capítulos

PARTE[ Prin ci pios, Selección y A plica ciones

1.

Pr inci pios generales, 3

Principios del motor de ind ucció n  (CA), 7 Principios del motor de cor riente dir ecta (CD), 21 Cir cuit o equ ivalen te  del motor de ind ucció n, 32 Arranque de motores de in du cció n, 44 Control de la velocidad de lo s  motor es de in ducció n, 56 Valores característicos del par en un motor de indu cción, 64 Cálculo del par y del calor gener ado dur ante el ar r anque, 66 Carga óptima de un motor , 71 Reducción de las  pér did as en lo s motor es, 77 Efecto de la ef iciencia de un motor en el ahorro de en er gía, 98 Devanados de estator  par a motores de indu cción, 107 Motores monofásicos, 12 3 2.

Selección de motores y equi pos, 13 9

Selección de motor es de inducción, 141 Car acterí sticas de los  motores de alta ef iciencia, 153 Con sid er ac ion es  prácticas  para adquirir un motor de alta eficiencia, 156 Selección y manten im ie nt o de lo s motor es a prueba de explosión, 160 Selección de escobillas  para motores y gener ador es, 163 Selección de cir cuitos y contr oles  para grandes acondicionador es de aire, 16 9

Índtce de cepf tulos

3.

Aplicaciones diversas, 179 Motores especiales de corriente alterna (CA) y su aplicación, 181 Aplicación de motores de cor rien te directa (CD), 194 Motores de inducción alimentados  por energía de plantas gen er ador as con motor de combustión inter na, 198

PAR TEII Instalación, R evisión y Mantenimiento

4. Métodos de instalación y operación, 203 Guía para la instalación eficaz de motores, 205 Utilidad de los  datos de placa para una m ejor instalación y Mantenimiento, 219 Métodos de montaje que minimizan el mantenimiento, 222 Sistemas de aislamiento para motores, 225 Métodos para la conexión eficaz a tierr a, 235 Protección  por sistema electrónico contr a fallas a tierr a, 240 O pe r ación   con volta je y frecuencia dif erentes del valor nominal, 243 Ahorr o de energía mediante la sustitución de motor es, 247 Ahorro de en er gía mediante o pe r ación discontinua  en ciclos, 248 Reducción del ruido generado por lo s motor es, 252 Eliminación de resonancia en grupos moto bomba, 259 Operación de bombas de sistemas contr a incendios, 264 5. Revisión y detección de avenas, 271

Por qué se averían los motores, 273 Falla por oper ación con una sola fase, 275 Aplicación de los instru men tos  de medición  portátiles, 285 Diagnóstico y localización de averías y defectos, 292 Diagnóstico por diagramas de id entifica ción, 306 Prevención de averías con la protección térmica, 308 Revisión y re paración de los núcleos de laminac io nes, 313 Revisión de los motores de ca pac itar   y sus ca pacitor es, 318 6 .

Pr ácticas de mantenimiento, 327 Los cojinetes en la  vida útil de un motor , 329 Conocimiento  básico de los r od amientos, 330 Identif icac ión y es pe c if ica cio nes de los r od amien to s, 336 R eem plaz o adecuado de rodamientos, 338 Puntos clave de los  sistemas de aislamiento, 343 Pruebas de r esistencia de aislamiento, 347

indice de cap ítulos So br ecar gas y pr otección por reveladores electrónicos, 354 R etr oada ptación de sensor es de tem per atur a (ter mistor es), 359 Autor ización de motor es a prueba de ex plosión r econstruidos, 362

Apéndice l. Apéndice 11. Apéndice 111.

Terminologfa y unidades en el SI de electrotecnia, 367 Tipos de m otor : definiciones, 373 El Sistema Internacional: conversión de unidades, 377

indice de materias, 387

J

'

•

e

PARTE I PRINCIPI,OS, SELECCION Y  APLIC ACIONES

•

C APÍTULO 1

Pr inc ip io s gener ales

I.2 .6

1.1 Princi pios del motor  de ind ucción (CA) 1.1.1 Partes  princ ip ales 1.1.2 Campo magnético r otator io 1.1.3 Desar rollo del  par de rotación en un motor de inducción Curvas características 1.1.4 Ll.5 Diagrama de satu r ación sin car ga 1.1.6 Diagr ama de satu r ación a r otor 

1 . 2 .7

permanente 1 . 2 .8 1 . 2 .9

l.2 .10 1.2.11 1.2.12 1.2.13

 bloqueado

1.1.7

l.l.8 1.1.9 l.1.10 1.1.11 1.1.12 1.1.1 3

1 .2

Diagrama de o pe r ación Características  par -veloc idad Cambio de f re  cuen cia Motor es de motor devanado Aumento de tem per atur a (calentamiento) Factor de se rvicio Variación de tensión y fr ecuencias

Princi pios del mo tor de corriente directa (CD) 1 .2 .1 Car acterísticas de o per ación 1.2.2 Car acter ístic as I.1.3 Ti pos de motor es de CD l.1.4 Motor de tipo par alelo, derivación (shunt ) l 2.5 Motor de tipo serie

Motor de tipo co m pu esto (com pound) Motor de ma gnetismo

1 . 2 .1 4

1.2.15 1.2.16 1.2.17

1.3

Características de  par -veloc idad Ar ranque de los  motor es de CD Control de velocidad Control  por cam po Control  por ar madu r a Control com binado  por cam po y ar madu r a Regulación de velocid ad Regulación debida a la car ga R e gula ción debida al calentamien to Ca pacid ad de so br ec ar ga

Circuito equivalente del motor  de indu cción 1.3.1 Gener alidades 1.3.2 Cir cuito equivalente a pr o ximado 1.3.3 Cir cuito de rotor en el caso de r otores de doble  jau la 1.3.4 Deter minación ex p er imental de las con stantes 1.3.5 Pr ogr ama par a cálculo con com putado r a

Princ ip io genera les 1.3.6 Progr ama para calcular con una computadora el com portamiento de un motor de inducción por medio del circuito equivalente •

1,4 Arr anque de motores de inducción 1.4.1 Métodos de arr anqu e 1.5 Control de la velocidad de los motores de

inducción 1.5.1  Contr ol por medio del número de  polos 5 1. .2 Control por medio de la fr ecuencia 1.5.3 Control por medio del deslizamiento 1.5 .4 Control en motores de r otor devanado 1.6 Valores caracterutlcos del par en un motor de in ducción 1.6.1 Gener alidades 1.6.2 Diversos valores del  par  1.7 Cálculo del par y el calor  generado duran te el arranque 1. 7 .1 Cálculos requeridos 1,8 Carga óptima de un motor  1.8 .1 Determinación de las  pé r dida s  para cualquier condición de car ga 1.8 .2 Comparación de la s pér didas calculadas con las r eales 1.8 .3 Eficiencia de-los motor es 1.8 .4 Aplicación de los cálculos 1.8.5 Aplicación de los r esultados 1.9 R educdón de las �rdldas en los motores 1.9.1  Eficiencia y  pérdidas de ener gía 1.9.1.1 Naturaleza de las pér didas 1.9.1. 2 Pérdidas eléctricas en los devanados 1.9.1.3 Pérdidas magnéticas en las partes de acer o 1.9.1.4 Pérdidas mecánicas 1.9.1.5 Pérdidas indeterminadas 1.9.1.6 Medición de la eficiencia y las pér didas 1.9.1. 7 Efectos del factor de  potencia 1.9.2 Métodos, a plicación y recu per ación de la inversión 1.9.2.1 Motor es de alta eficiencia 1.9.2.2 R educció n de las pér dida s en los devana dos

1.9.2. 3

Reducción de las pér didas en el núcleo 1.9.2.4 Reducción de las pér didas Mecánicas y de las indeterm inadas 1.9.2.5 Otros beneficios 1.9 .2.6 Aspectos económicos y r ecu per ación de la inversión 1.9.2 .7 Costos de o per ación 1.9.2 .8 Análisis económico 1.9.2.9 Adquisición de un motor eficiente 1.9.2.10  Definición de la eficiencia 1.9 .2.11  Norma  NE MA 1.10 Efecto de la eficiencia de un motor  en el

ahorro de energía 1.10.1 ¿Cuál es la  mejor adquisición? 1.10.2 Factores que afectan al comportamiento de un motor  1.10.2.1 Efectos de la variación de volta je 1.10.2.2 Desequilibrio ( des balanceo) del volta je 1.10.2.3 Car ga 1.10.2.4 Ciclo de tr a ba jo 1.10.2.5  Otras varia bles 1.10.3 Casos de estudio so br e eficiencia de motor es 1.10.3.1 Caso 1 1.10.3.2 Caso 2 1.10.3.3 Caso 3 1.10.3.4 R esumen 1.11  Devanados de estator para motores de inducción 1.11.1 Gasificación 1.1 1.2 Definiciones 1.11.2 .1 Número de ranur as  por polos y por fase 1.11.2.2 Grupo 1.11.2.3 Paso polar  1.11.2.4 Paso de  bo bina 1.11.2.5 Inicio de fase 1.11.2.6 Conexión corta y conexión lar ga 1.11.3 Devanado im bricado 1.11. 3.1 Bobinas de paso 1.11. 3.2 Bobinas con cruces

Principios gener ales

1.11.3.3

t

Devanado con grupos desiguales

1.11.4 Devanados concéntricos

1.11.4.1 Devanado de cadena 1.11.4.2 Devanado concéntrico común 1.11.4.3 Devanado concéntrico equivalente al de paso completo 1.11.5 Recomendaciones de orden  práctico

..

1.11.5.2 Númer o de espiras  por

r

1.11.5.1

Paso de  bobina (PB)

 bobina (EPB) 1.11.6 Diagr amas

..

1.12 Motores mono(ásicos 1.12.1 Intr oducción

1.12.2

1.12.3

1.12.4 1.12.5 1.12.6

1.12.1.1 Gener alidades del motor monof ásico Motor de fase dividida { partida) Motor con capacitar de arr anque Motor con capacitar  per manente Motor de  polos som br eados Desconexión del devanado auxiliar  1.12.6.1 Interr u ptor  centríf ugo corr iente 1.12.6.2

Relevador del ti po de

1.12.6.3

Interruptor  de arr anque de estado sólido

Principios del motor de Inducción (CA) 1. 1

PRINCIPIOS DEL MOTOR DE INDUCCIÓN (CA)

1.1.1

Partes princ ipal es

Un motor de ind ucción está constituido  por dos componentes  básicas: una parte estacionaria o estator y una  parte girator ia o rotor. En la figur a 1-1 se muestr a una sección del cir cuito ma gnético de un motor de inducción trif ásico tipo  jaula de ardilla. El núcl eo del estat or está f ormado por laminaciones (láminas) de acero eléctrico de a pr oximadamente 0.5 mm de espesor , troqueladas individualmente y unidas entre si  por cor dones de soldadur a u otr o  pr ocedimiento equivalente que  permita mantener alineadas la s ranur as que servir án de alojamiento a las  bo binas . Básicamente, la s ranuras pueden ser de dos ti pos: abiertas o  semicerradas , como se muestra en

Desde hace mucho tiem po el motor de ind ucción del tipo  jaul a d e ardil la  ha sido el caballo de ba ta lla de la indu stri a  por su sim plicidad, f ue rte construcción y ba jo costo de fabricación. Con el empleo cada vez más extenso de contr ole s ele ctrónicos por ajuste de frecuencia, el motor de inducción de corriente alterna (CA) parece enco ntr ar se en ventaja  para mantener su lide r az go. A fin de obtener un funcionamiento ó ptimo, es im portante que el usuario tenga un conoc im iento adecuado de los  principios y características de o peración tanto de los motores de indu cción como de su contr ol.

Flg. 1-1. Sección del circuito magnético de estator y r otor en un motor de inducción t ipo  jaula de ar dilla.

7

Principios gener ales

la f igur a 1· 2. En el  primer caso, es posible in· sertar bobinas  pref ormadas hechas de alambr e magneto de sección cuadr ada o rectangular, que de ben ser aisladas por completo antes de inser tarlas. Las bobinas quedan  perfectamente su jetas al insertar  en la ranura pr evista una cuña de

En los dos casos mencionados se acostum br a a im pr egnar el con junto de laminaci ones y bo binas con un barniz aislante, ya sea por inmer sión o al vacío, y posteriormente someter lo a un  pr oceso de curado a f in  de obtener un con ju nto de alta r esistencia mecánica y dieléctrica, que

Flg.1·2, Formas de ranur as  par a núcleos de estator de motor de inducción. material aislante rígido, cortada a dimensiones  precisas. En el caso de r anuras semicerr adas,  primer o es necesario recubrir la r anura con una capa de material aislante y lu ego insert ar las bo binas devanadas pr eviamente con alambre magneto de sección redonda en un molde de dimensiones adecuadas. Este segundo método se em plea en motores de ba jo volta je y hasta de 300 hp aproximadamente, mientras que el de bo binas pref ormadas se utiliza para potencias mayor es o para voltajes su periores a 600 V.

 permita a la vez una mejor transmisión del calor . El núcleo del rotor también está formado  por láminas de acer o eléctrico punzonadas en la  par · te central. En la figur a 1-3 se muestran las f or mas usuales empleadas par a las ranuras del r otor . En máquinas hasta de 300 o 400 hp la  jaula del rotor  por lo común es una armazón f undida de aluminio de una sola pieza que comprende las  barr as, los ar os extremos, las  aletas de enf r iamiento y las  pr otuber ancias que facilitan el  ba-

Fig.1·3. Formas de ranuras para núcleos de rotor ti po jaula de ar dilla. 8

-

-

.

·"-

.

Pr incipios del motor de Inducción (C A)

ducir  una f uer  z a magnetomotr i z (FMM) vertical hac ia arriba o hacia aba jo, según el sentido de la corriente. Igualmente, las fases B y C sólo podr án pr oducir fuerzas magnetomotrices en la dir ección de los r espectivos  par es de polos. Si en

lance  o equilibrio dinámico del r otor (fig. 1-4). En motor es gr andes se insert an  barras desnud as de co bre o latón en cada r anura, las cuales se sueldan a los ar os o anillos de los extremos  par a f ormar la  jaula cilíndrica.

Flg. t-4. Armazón fundido de aluminio par a un rotor tipo jaula de ar diUa. (Cortesía de Lu misistemas, S.A., Méxi co).

•

Por lo general, los r otor es se someten a un tr atamiento tér mico que permite reducir las pérdidas su per ficiales y sirve a la vez  para hacer un ensambla je en caliente con el eje (o flecha). El rotor queda soport ado  por los co jinetes, que mantienen un entrehierro (espacio de air e) unif orme y de dimensiones r educidas. 1.1.2

la f igur a 1-S b se consider a como punto de  part ida al punto !1, la FMM de la fase A tendr á ahí su máxima intensid ad en el sentido de arriba hacia abajo, en tanto que las FMM de las f ases B y C tendr án la mitad de la intensidad máxima y los sentidos indicados en el diagrama 1 de la  figur a 1-6. Al sumar los tres f asor es se o btiene uno solo dirigido de ar riba hacia a ba jo . Al pasar al  punto ti se observa que la intensidad en la fase A se ha reducido a la  mitad, que la f ase B tiene la misma intensidad,  pero dir ección opuesta a la que tenía en el punto t ¡, y que en la f ase C la intensidad ha alcanzado el valor máximo,  por lo que ahor a la suma de los tr es f asores tendr á la misma dir ección que el fasor C; es decir , del  punto t1 al punto tz el f asor que re pr esenta la FMM total ha gir ado 60°, en el sentido del r elo j. Haciendo un análisis similar para los puntos t  , 3  j y t 6  se encontrar á que el fasor mencio na do t 4 , l 

Campo magnético rotator io

En la figur a 1-Sa se representa en forma esquemática el estator de un motor trif ásico de dos polos. En un motor r eal, el devanado de cada fase está distribuido en las ranuras del estator ,  per o el hecho de consider ar los concentrados como se indica en la figur a no altera los r esultados. En dicha figur a se repr esenta la corriente tr ifásica que circula por las  bo binas. Como  puede verse, la  corriente en la  fase A sólo puede  pr o9

Principios gener ales

A, B,

e, ·

'* . .>

I'

e,

B,

A2

(a )

t,

t  ,

, �

 /

8

''

l

'

t, ,,, ...

..

t  ,

--- ·-·-

,,...

.......

/ '' '

'',

-'"® <;

(b)

'

t  ,

t,

t   ,

'

· - - - --

\

,, ,,

Tiempo

Esquema de un motor de inducción trifásico de dos polos. Ilustra la formación del cam po magnético giratorio del estator .

Fig. 1-5.

seguir á  girando 60° en cada caso y habrá dado una vuelta completa al llegar al punto t 1 ( coincidente con t1), lo que constituye un ciclo com-  pleto de variación de la  corriente de la fase A. De lo anterior puede concluirse que al ser alimentados con una tensión trif ásica equili br ada,

los tr es devanados de fase del estator  pr oducen una fuerza magnetomotriz constante que gir a uniformemente ,y  pr oduce un cam po magnético igualmente constante, que gira a la misma velocida d. Como ya se ha mencionado, el cam po magnético gir atorio en un motor de dos  polos, 10

Principios del motor de lnducc:lón (C A) miento,  por lo cual se gener a en ellos una f uerz a electromotriz que a su vez hace circular una corriente en cada barra. El sentido de la corrien te  puede deducirse por la regla de la mano der echa, de modo que  prácticamente la mitad de las  barras conducen en un sentido y la otra mitad en sentido opuesto, como se muestra esquemática mente en la figur a 1- 7. Al aplicar la r egla de la

como el analizado, ef ectúa una revolución com pleta  por cada ciclo de la cor riente alte rna,  por lo que en este caso la velocidad de rotación n , , en revoluciones  por segundo (rp s) es numérica, y la velocidad n , mente igu al a la fr ecuencia f  en revoluciones  por minuto (rpm) es ento nces:

FMM TOT AL

'J j .' /'� "·;) :J,, I

FMM TOT AL

FMM TOT AL

�/

r(_ ,

<,

•

FMM TOT AL

FMM TOT AL

FMMTOT AL

©

'J.' 1

FMM TOTA L

®

®

Fig. 1-6. Combinación insta nt ánea de los fasorcs de FMM de las fases (A, B, C), que da por r esultado una FMM total constante que gira en el sentido del relo j.

mano izqu ie r da a cada barr a se observa que, según el sentido de la corriente y del campo magnético que rodea a las bar r as, en cada una se producirá tin a fuerza tangencial que tender á a h acer girar el r otor . El efecto total es el par d e r ot ación que se desarr olla en el rotor (fuerza por distan cia al eje de gir o). Por tal motivo, un motor de inducción siem p r e oper a a velocidades inferior es a la del campo magnético o síncrona. La dif er encia entr e la ve loc idad del campo (n,) y la veloc ida d real del rotor ( n , ) se conoce como d e sl  iz amient o (s) y su ele expr esarse como un  por centa je de la velocidad del cam po :

Si en luga r de un motor de dos polos se consid er a uno de cuatro, seis o más, la velocidad del cam po magnético será igual al valor anterior divid ido

en tr e el número de pares de  polos:

 f  W  n ,

•

=

 p'l 2 =

12 0 x f 

 p

donde  p es el número de  polos. La v elocidad con la que gir a el campo ma gnético (n,) se conoce como velocidad síncrona ( o  sincrónica) del motor y, conforme a la ex pr esión anterior , se deduce que dicha velocidad sin cr on a sólo se  puede cambiar si se modifica la fr ecu en cia o el número de polo s. Al co rt ar a los conductores del estator , el cam po magnético giratorio genera en ellos una f uer za cont rae f ect ro  mot ri z  (FCEM) cuyo efecto es limitar el valor de la corriente que cir cula  por el devanado  prim a rio. 1.1.3

S

=

n , - n , n

X 100

,

En el caso de un motor de induc ción trifásico bipolar , alimentado con una tensión cuya frecuencia es f = 60 Hz, la velocid ad síncrona vale:  E   jemplo.

12 0[ n,=-  p- =

Desarrollo del par de rotación en un motor  de indu cción

12 0 X r,J 

2

= 3600 rpm

Si el deslizamiento es s = 4 %, la velocidad de oper ación del motor es:

Los elementos conductor es del rotor también son cortados  por el campo magnético en moví11

Pr incipios generales FluJO  del estator 

I

I

1

1

1

I

1

1

r.i..i:

GhY Yi 1Gh

r.-,.¡_ 1 ¡ ¡Y j ¡

d1,I

1

1

¡

1

Fuerzas

º

¡ I ¡

I

l I l I l I H 1 11 11 M 1 ,1,1,1-+4> 1 1 ,l¡ 1

1

1 1

1

1

1

¡

' +r   ,,

1

¡

1

1

¡

1

'

t

¡

1

1

1

¡ ' t

----------riO rota pci ro Campci tatoriO

Fig 1-7, Fu Fueerzas ind del rotor por efecto electr omagnético. nduucidas en las  barras de

n.

= n , (1 -

s 100

)

como función función de la  frecuencia f de la alimentación, es:

=

3600((1 - 0.04) = 3456 rpm 3600

cess cuat r o polos, polos, entonce Si el motor fuera de cuatr  n, = 1 800 rpm y n , = 1 728 rpm. Si el des deslizami lizamieento fuera cero cero,, entonces la tensión induci inducida en el rotor sería sería nula. En cam bio, cuan uanddo el rotor rotor está detenido y el deslizamiento es de 100 %, la tensión (o FEM) E, ind ucida en cada  ba  barr  rr a de dell ro rottor es igual a la fuer za za contr ae-

lectr omo tri z (F (FCE CEM) M) por co conductor nductor en el estaestator . Si se conoce conoce el valor del voltaj ltajee del r otor condicio icione nes, s, el volt voltaa j jee a cualquier E � en estas cond otr o deslizamientos ser á:

corrientee qu quee circula por las  barras y el cir La corrient cuito total del del rotor crea un flujo local o dis pers o a su alrededor que representa una reactanci reactanc ia local (o de dispersión) cuyo valor ,  por ser ser p  pro ro por cional a la frecuencia según la  expresión anterior , será tam b  bién ién proporcional al desliza miento. En cuanto a la  corriente en el rotor , su valor  está dado por el cociente: tensión indu cida im ped ancia Puesto que Pues que a va valores lores  b  baj ajos os de des deslizamiento la im ped ancia es  práctic  prácticaamente cons constante tante,, la corriente será casi proporcional al deslizamientos,

En f onna pareci parecida,  pu  pueede co conncluirs luirsee que la fre. cuenda  en el rotor a cualquier  deslizamientos, 12

motorr de ind ndu ucció ción n (C A) Pr incipios del moto mientr as qu quee a val alor  or es el e levados des tan tanto to el vol vol-taje inducido co como mo la impedancia son  pr o por cio nalles al deslizamientos,  p na  por or lo que la corr iente es prác prácticamente constante. El deslizamiento deslizamient o nec eces esaari rioo par a pr oducir la fuerza fue rza qu quee impu lse la carga nomm nommal al del motor de p  peend ndee de las car acter ísticas de éste. En general,, cuanto mayor sea ral se a la cor r  r iente que toma toma el motor en el arranq arranquue tant antoo me mennor ser á el de desslizamiento a car ga  plena y mayo ayorr se será rá la efi ficie ciennciaa. Cu ci Cuant antoo más  b  baa j jaa sea la corri corrieente de arr anque ue,, tant tantoo ma mayyor ser á el desl esliizami zamieento, y menor

la efici  eficieencia. El vo voltaj ltajee de alimentación, la c  coorri rrien ente te,, el par . eloc ocid idaad y la im pedancia de dell r otor otor es esttán dila vel rectam re ctameent ntee r elaci lacion onad adoos ent ntr  r e sí. Al mod odiifica ficarr la resistencia y la r eactancia del ro roto tor  r , tam b  biién se modificcan las carac modifi ractterístic erísticas as del mo mottor.  p  per  er o en el caso de un dise señño dado de roto rotorr dic dichas has cara araccterí te ríssti ticcas pueden considerarse fija fijas. s. volttaj ajee de línea se r educe Si se incr ementa el vol el de desslizami lizamieento nto,, y lo co cont ntrario rario tam bi  bién én es válido. En am bos casos sos,, la co corri rrien entte indu cida en el r otor otor ser á suficiente  par a  p  producir roducir la fu fuerz erzaa de im p ulso de la car ga. Una r educci duccióón en el volta je de línea tra traee con conssigo un incr emento en el cal aleentamiento del moto mot or ; po porr el co conntr ar  ar io, io, un incr emento en en el vol voltaj ajee de línea re redduce el calentamiento, de forma que el moto mot or puede so port ar una carga mayor. Según el ti po  po de d e motor , el des es-lizamiento a pl pleena carga pued puedee vari riaar entre 3 y 20% . La co corr  rr ient ntee de arran arranque ( o a rotor  bl  bloquea oquea-do) y el par resultante son los f act ctore oress que determinan si el motor motor  pu  pueede po ponnerse en en mar cha cone co necctándolo dir ectamente ectamente a la línea de al aliime menntaciión, o si es necesa tac ecesario rio r educir  la co corriente rriente en el ar r  r anque a fin de obtene obtener el f uncio namiento r equer ido. Dependdiendo del ti po Depen  po de mot otoor , la corri  corrien ente te a r oto otor  b  blloque queaado qu quee toma un mo motor varía normalmente entr e 2. 2.55 y 10 ve veces ces el el valor desucorrieent rri ntee a  pl  pleena ca car  r ga, ga,  pero existen motores con corriente co rrientess de arr anque aún mayo mayores res.. Un voltaj oltajee ma mayo yorr que el normal incr ementa la arranque a r azón de un 12 %  por corr iente de arranque cada 10 % de incr ement olttaje aje,, mientr as as ntoo en el vol que el par de de arr anque aumentará en un 20 %  porr cada 10 % que se incr emente la tensió  po tensiónn. Una disminu isminucción en el vo voltaj ltajee por debajo del normal tr aer á consigo consigo efe efecctos o puestos.

El  par y la r esist isteencia del del rot rotor or mant mantiene ienenn un unaa relaación di r ecta: a mayo rel yorr resiste resistenncia del del r otor ,  paar de arr anque más intenso. Esta  pr o por cio p nallida na idadd se ma mantiene ntiene sólo hasta cier to to límite, más alllá de al dell cu cual al un un incr emento en la res resiistenc tenciia acarr ea un unaa r educción en el par . Sm em b  bar  ar go, el par tam b  biién es af ect ctaado  por el flujo ma maggnét étiico que cruzaa el entr ehier r  cruz r o y  por la disposic isposiciión y f or ma de las ran ranuras uras y  b  baarras del r otor . 1.1.4

Cur vas cara cterís ticas

Desde los ini inicios cios de del motor de inducción. lo s indescubrier  r on on que par  par a cualquier vestigador es descubrie carga y a cu cual alqqui uier er velocidad velocidad.. la corriente está localizada. como di diag agr  r ama. ama. en el arco de de un cír culoo r ef erido al volta j jee a p cul  pllic icaado. De este hecho deduc ucee el di diagrama agrama cir  cir cular cular que  p  per  er mite grase ded  pletto de un motor ficar  el com p  poort amient ntoo com ple a partir partir de tr es es juegos de de lectur as: 1)

Corrien Corri entte, ten tensión y pote potennci ciaa sin carga (en vacío).  blolo2) Co Corrie rriente nte,, ten enssión y potencia a r otor otor  b quea do . 3) R esistencia óhmi hmicca de dell devanado del estattor a una te ta temper  mper atu tur  r a determina da. 1.1.5 Diagrama de satur aci6n sin ca carg rga Estos diagramas Esto diagramas o curva rvass se obt obtiienen haciendo rottor sin car ga a plic  plicada ada a su eje (o funcionar el ro flecha). Se ha h ace variar la tensión de alim alimeent ntación ación desde un 30 o 40 % de so bret  breteensión hasta el valo r mínimoo que  perm mínim  permit itaa qu quee la máqu máquiina continúe cadaa va vallor de tensión se o btietr a ba jand o. Para cad nen las lectur as co corre rrespondie spondientes ntes de am per es es y watt wa ttss, y se tr azan azan las cu curvas rvas indicadas en la figura 1-8. Conn ba Co base se en es esttas gr áf icas es es po  possibl iblee deducir los siguient entes es val valore ress: 1.

Corrien Corri entte magn magneeti tizzan antte úni nica cam ment ntee  par a el entr ehie ierro rro,, la cual co corr  rr espon esponde a la ordennada  AB levantada en el punt de untoo del voltaje o tensi tensión nomin minaal ha hassta la tangente curvaa de am per es que que p  paasa por el (M) a la curv on gen.

Pr incipios gener ales 2. Corrien Corriente magne gneti tiza zannte  para el entr ehie ). rro y el hi hieer r  ro  (or denada  AC  ación , coci cocieente de  AC 3. El factor de satur ación, entr e  A  AB B, qu quee indica el grado al cu cuaal se trabaja el ma matterial magné magnéti tico co (acer  (acer o o «híe rr o»). rdee4. Pér didas mecá cánica nicass (po (porr fricció fricciónn), ord nada  A E . Pér  r didas didas magn agnéética cass en el hi hieerr o, o, or de5. Pé nada  ED.

tur as de tensió siónn, corr iente y  pot encia mientr as as se ap apllica un f r  re  no al ej ejee  pa  par  r a ev eviitar el giro del motor . Por Jo ge tiliza iza un br azo genneral se util azo de  pa permiita lee r al mismo tiem po el par lanca qu quee  perm mecá ecáni nicco e j jeer cido  po  porr el motor . Cuanndo no es  pos Cua  posii bl  ble toma omarr lectur as a volta je oltaje aje r edu nom no mina inall se toma tomann a volt duccid idoo y se extr a pr  r esente ese nte que la gr áfi r iente polla, te  po tenniendo  p fica ca cor r   prácti tica camente mente una r ect tennsió te siónn es  prác ecta, y que  potenadradoo del cia y  par varía varíann como f unc nciión del cuadrad volta je. Las cu curvas de de satur ac ación a ro roto torr bloqueado  pro po r cionan dire irectame ctamente nte el valor de la imp edanccia del motor , el par dan par de arr anque a d if er ente s tenssione ten ness, y la corri rrieente req requer ida ida  p  para ara prod ucir un  p  par ar deter minado. A su vez, la lass lectur as as de watts y la r esistencia  perm rmiiten ca dell de de deva vana naddo del estator  pe callcul ular ar la re re-sistenci ciaa del r oto torr r ef er ida al estator .

Los dos últi Los últimos conce p  pttos se de deno nomin minaan  pér didas di das const ant e s de la máq áquuina, ya que  pr ácticame ca mennte son inde pendientes de la carga. Esttas curvas son de ut Es util iliida dadd par a est stim imaar el factorr de  potenc facto  potencia ia y la ef iciencia ( o r end imiento) de la máq máquuina a difer ente tess ca car  r gas, ya qu quee la co co-agnetiizant ntee const constituye la ma rrientte magnet rrien mayyor  part e acttiva y tiene un efec de la corr iente r eac efecto to definitorr de potencia.' tivo so b  bre re el f acto

1.1. 7 Di Diaagr ama de o per ación 1.1.6

Diagra iagram ma de satur ación a r otor  bloqueado

 bteenidas en las pru De las le ctur as as o bt pruee ba  bass sin car ga ga  bloquuea eaddo a tens y a rot rotor or  bloq nsiión nomi minnal al,, y de dell va va-ator  r , es  p esistencia de dell estato  pos osii ble  ble deter lo r  de la r es

Est stos os diagr  diagr ama amas (f ig. 1-9) se trazan tomando lec-

,

1

1

1

-- ·

. ov j 

T ensiOn nominal

. ¡: 1' •

Watts-- ..

/

•

i!

/ #

•

:�::

/ /

ké-

' V  - �- f-- -� /

1-'

-7

l
'<' '

I  / 

-

/1

11

e,,

�

.,M 

V

1

1

1

>---·

1 •

•

:

•

' ''

1

1 :

'

lll''

�- -1 1

sq:! !

'' .

• •

•

'' ' ' c.,:

"''

/

. .

;

A1

Fig.1-8. Dia ación sin car ga. iagra gram ma de satur aci

14

' ¡'

;

Pr incipios  del motor de Inducción (C A)

dentes a  primera vista, que  pueden ser de gran utilidad  par a  juzgar la corr ecta aplicación de un motor . Por ejem plo, si la curva de factor de  potencia (FP )  pr esenta un cambio br usco de la  pen · dien te, como el mostrado en Q, puede in f erirse que la corriente reactiva a  baja car ga tiene re· lativamen te  menor im port ancia que a cargas mayor es; es decir , que la corr iente magnetizante es relativamente  ba ja comparada con la que corresponde al flujo loc al o de dis per sión. Esto ex-

minar por medios gráficos los valores de eñ cíe ncia. factor de potencia y velocidad como función del  par . Desde luego , estas curvas pueden o btenerse directamente a partir de una  prue ba con dinamómetr o en la cual se varíe la carga a p licada al motor desde a proximadamente el 25 % hasta el 150 % de la carga nominal, manteniendo la tensión a plicada en su valor nominal y to ma ndo lectur as de velocidad, corriente,  par y  poten cia de entr ada.

1

Am per es�-

'v

/

/

/

1

1

'

/

/

1

1

,,

'' '

/ /

/ 1/ /

1/

L.

wa:S

/

/

/

/

V  -:

V,:..  _..,...--

' I 

/

1/ 

 _/

1

/

/

/

<

Par - '

Tansión normlal "

1

I

/  1 1

''

/

'1

,

1

/ 

1

Volts

Fig.1·9. Diagr ama de satur ación a rotor bloqueado.  plicaría por qué el factor de poten cia a baja ca r ga es comparativamente alto, y  permite deducir que el  par máximo (a plena carga) tendrá un valor ad ecuado. De la misma forma, el quiebre en la curva de ef icien cia ind ic ar ía que la s pérdidas co nstantes son relativamente más  bajas que las pérdidas va·

::S. �,dente que las curvas de o peración so n � � unponan tes, ya que  pr o po r cionan una � .:or:n ple ta  del comportamiento del motor , :::x. eceecce del aumento de tem per atur a. == 1=US6 de las curvas de un diagrama de ix::x:a. .:. .:t.'CO las que se muestr an en la figur a �- .. éeducir algunos hechos, no eví15

••

--·------,

Principios gener ales

Cor ri ente magnetizante par a el entr ehier ro  y el hierro (ordenada AC). 3. El factor de satur ación, cociente de  AC entr e  AB, que indica el gr ado al cual se tra baja el mater ial magnético (acer o o «híer r o»). 4. Pérdidas mecánicas ( por f ri cción), or denada  AE . 5. Pérdidas magnéticas en el hierro, or denada  ED.

tur as de tensión, corriente y  potencia mientr as se a plica un freno al eje para evitar el giro del motor. Por lo gener al se utiliza un brazo de palanca que  permita leer al mismo tiempo el  par mecánico e jer cido  por el motor . Cuando no es  pos ible tomar lectur as a volta je nominal se toman a volta je reducido y se extr a pola, teniendo  presente que la gr áf ica cor ri entetensión es pr ácticamente una recta, y que potencia y par varían como función del cuadrado del volta je. Las curvas de satur ación a r otor  bloquea do  propor cionan directamente el valor de la impedancia del motor , el par de arr anque a dif er entes tensiones, y la corr iente requerida para  pr oducir un par determinado. A su vez, las lectur as de watts y la r esistencia del devanado del estator permiten calcular la resistencia del r otor ref erida al estator .

2.

Los dos últimos conceptos se denominan  pér d id as constant es de la máquina, ya que  pr ácticamente son inde pendientes de la carga. Estas curvas son de utilidad par a estimar el factor de potencia y la ef iciencia ( o r endimiento) de la máquina a diferentes car gas, ya que la cor ri ente magnetizante constituye la  mayor  par te de la corriente reactiva y tiene un efecto def initivo so br e el f actor de  potencia.'

1.1. 7 1.1.6

Diagrama de saturación a rotor bloqueado

Diagrama de operación

De las lectur as o btenidas en las pruebas sin car ga y a rotor  bloqueado a tensión nominal, y del valor de la r esistencia del estator, es posible deter -

Estos diagramas (f ig. 1-9) se tr aza_n tomando lec-

1 1 Tensión nom inal

- ¡--....¡1  / I  '

-

-

-

;w

-

-

Watt s

--

•

.!. • �

�

go

/

E

;

:2

·

le

:

Q. :

/ --""' --

i V

/

1/

//

'

V

/

,

ol/  1--

1/!,

I 

 ,,, M 

'z:¡

#  ! VI

1

'

' 1

'

1 1

-T �-- ��-

'

-Amperes

--

<(:

1

' '

' ' ' ' ' ¡'

�:

1

Ai

Volts

Fig. 1-8.

Diagrama de saturación sin carga. 14

u<(::' ''

.

' ''

' '' ''

Cll''

1 1

1.u:

'' '

'''

' ¡'

2. 3.

4. 5.

Pr in c ipios ge nerale s Corriente magnetizante  par a el entr ehierro y el hierro (or denada  Aq . El factor de satur ación, cociente de  AC  entr e  AB, que indica el grado al cual se tr aba ja el material magnético (acero o «bíerr o»). Pér didas mecánicas (por f ricción), or denada  A E . Pérdidas magnéticas en el hier ro, or denada  ED.

turas de tensión, corriente y  potencia mientr as se aplica un freno al e je para evitar el giro del motor . Por lo general se utiliza un  br azo de  palanca que  permita leer al mismo tiempo el  par mecánico e jer cido por el motor . Cuando no es posible tomar lectur as a volta je nominal se toman a voltaje reducido y se extr a pola, teniendo pr esente que la gr áf ica corr ientetensión es pr ácticamente una r ecta, y que potencia y par varían como f unción del cuadrado del volta je. Las curvas de saturación a rotor  bloquea do  pr o porcionan dir ectamente el valor de la im pedancia del motor , el par de arranque a dif er entes tensiones, y la corriente requerida para  pr oducir un par detenn inado. A su vez, las lectur as de watts y la r esistencia del devanado del estator permiten calcular la resistencia del r otor referida al estator .

Los dos últimos conce ptos se denominan  pér did as const ant es de la máquina, ya que  pr ácticamente son inde pendientes de la carga. Estas curvas son de utilidad para estimar el factor de potencia y la eficiencia (o r end imiento) de la máquina a diferentes cargas, ya que la corriente magnetizante constituye la mayor  parte de la corriente reactiva y tiene un efecto definitivo sobre el f actor de  potencia. 1.1.6 

1.1. 7

Diagrama de satllración a rotor  bloqueado

Diagr ama de operación

De las lectur as o btenidas en las  pruebas sin carga y a rotor bloqueado a tensión nominal, y del valor  de la r esistencia del estator , es posible deter -

Estos diagramas (fig. 1-9) se trazan tomando lec-

I

I

I

'""'""'"'""' - -.1

D�

., -

'

---�-

/

1

 L- --·

(!)''

l
"{·

/ 

! ''' '

.'.

:

v...

Fig. 1-8. Diagrama de saturación sin car ga. 14

''' .

Pr incipios del motor  de indu cción (C A)

dentes a  primer a vista. que pueden ser de gran utilidad par a  juzgar la correcta aplicación de un motor. Por e jemplo. si la curva de factor de potencia (FP) presenta un cam bio brusco de la  pendiente. como el mostr ado en Q.  puede inf erir se que la corriente reactiva a  baja car ga tiene r elativamente menor im port ancia que a cargas mayores: es decir . que la cor riente magnetizante es relativamente ba ja comparada con la que corresponde al flu jo local o de disper sión. Esto ex-

ccar  por medios gr áf icos los valor es de eficien.::a... factor de potencia y velocidad como función

del  par . Desde luego, estas curvas pueden obli:ae'I'Se directamente a partir de una prueba con � etr o en la cual se varíe la carga a plicada al mor.or desde apr oximadamente el 25 % hasta d 150 � de la  carga nominal, manteniendo la ral5lÓO a plicada en su valor nominal y tomand o lea:u..tas de velocidad. corr iente,  par y  potencia 3: earrada.

1

1 / 

1

/ /

/ / /

/ /

b.

/ 

', / /

 Amper es --

1

/

. .....---

/

./

/

/ /

/

1

!

-, 1

'

1

1

wa:S I

/

/

/

/

/ '<,

!

V

/

<

/

{  1 1

-, 1

Par ... ' '

'1 1

-i 1/ 

TenslOO nominal "'

1

V"'1s

Fig .1-9.

Diagrama de sa turación a retor  bloqueado.

 plicaría por qué el factor de  potencia a ba ja car ga es compar ativamente alto, y  permite deducir qu e el par máximo (a  plena car ga) tendr á un valor adecuado . De la misma for ma, el quie bre en la curva de eficiencia indicarí a que las  pér didas constantes son relativamente más bajas que las pér didas va-

Es evidente que las curvas de o per ación son las más im por tantes, ya que propor cionan una imagen completa del compor tamiento del motor , coe excepción del aumento de tem per atur a. El análisis de las curvas de un diagr ama de operación, como las que se muestr an en la f igur a 1-10.  pennite deducir algunos hechos, no evi15

10

r:

o

/

9o

'°   '  

o

y 

I.M 

o

ol----4/A,

�

,,

/

--

I "°""'"

 ª"'

o

.. -··

·

-··-· ',, aeceree

/  / 

/ 

I 

o J

I 

o /  O 10 20 30

"ºPaSOr (%60) 70 ªº 90 100 Fig. 1-10. Diagrama de o per ación.

riables. En el caso ilustr ado, la eficiencia máxima ocurre al 75 % de la car ga nominal, lo que indica un diseño bien equili brado y una distri bución de las  pérdidas que permite obtener un  balance adecuado entre el funcionamiento y el aumento de tem per atur a. 1. 1. 8

Motores de alto  par y baja corriente de arr anque con doble  jaula en el r otor (diseño NEMA C). 4. Motores de alto deslizamiento (diseño 3.

NEMA D).

Existen otr as variantes de motores, como los de  ba ja r esistencia, que en el arr anque to man una corriente 8 o 10 veces mayor que la de  plena carga. Estos motores tienen alta eficiencia y se a plican frecuentemente en car gas de o per ación continua, como ventiladores, máquinas-herr amienta, bombas y grupos motor -gener ador . Los ti pos  básicos de motor es mencionados se derivan de la  norma NEMA MG l-1.16. Las cur vas  par -velocidad  para cada ti po (o diseño  NEMA) se muestr an en la figur a 1-11. En la figur a 1-12 se indica la variac ió n de la potencia con la velocidad. Un motor de diseño A tiene corriente de arr anque de 6 a 10 veces la corriente nominal.

Características  par -velocidad

Modificando el diseño de un motor tipo  jaula de ardilla es posible controlar hasta cierto  punto la corriente y el  par de arranque. Dentr o de las normas NEMA (National Electrical Manufacturers Association), estos diseños se han agru pado en cuatro clasificaciones princ ipales: Motor es de par normal y corriente de ar ranque normal (diseño NEMA A). 2. Motor es de par normal y baja corriente de arranque (diseño  NEMA B). l.

16

Pr incipios del motor  de Inducción (C A) Dise/lo NEM A

D

C F

1

1 00

B

1

•

<,

 A1

1'l -

)�

J 

J

1/ 

"", '

I}' ''

I 

\ 1/

100

200

300

Par (% del normal)

Fig. 1·11.

Curvas velocid ad- par  corr es pondientes a los d ·istintos diseños NEMA. Un motor de diseño B tiene mayor r ea ctan cia que uno de diseño A, lo cual  se logr a mediante el uso de barr as delgadas y pr ofundas en el r otor . Esto  permite reducir la corriente de ar ranque a un valor del or den de cinco veces la nominal.

eficiencia y factor de potencia ace ptables, alto  par máximo y  bajo deslizamiento. El par de arranque es cer cano al 150 % de l par normal, y el par máximo sobr epasa el 200 % de este último . Tiene además

"1

150

.s

!

!'.

1

50

900

1800 2700 3600

Veloodad (rpm) para en motor de 4 polos

o

30

60

90

12 0

Fr ecuenaa de la teosióo aplicada (Hz)

Fig. 1-12.

La  potencia de un motor aumenta con la velocidad. Sin embar go, el par  pennanecc constante, y es esencia l que no varíe [a r elación de volta je a fr ecuencia. 17

Pr incipios gener ales Este ti po de motor  puede ar rancar a voltaje  pleno en algunos casos en los que el motor de diseño A requeriría un arr a ncador de tensión r edu cida . El  par de arr anque, deslizamiento y ef iciencia son casi del mismo valor  que para el motor de diseño A, en tanto que el  par máximo y f actor de potencia son menor es. Esto último  puede hacer inadecuado el empleo del motor de diseño A en casos en que se tengan  picos consider a b les en la  carga. El motor de diseño 8 es de uso generalizado  para  potencias de 1 a 150 h p en constr ucción a bierta a  prueba de goteadu r as, y hasta 100 hp apr oximadamente en con str ucción cerrada con ventilación f orzada exter na. El motor de diseño C tiene mayor par de ar ranque que los de lo s diseños A o B , a pr oximadamente un 200 % del nominal. Por otra par te, el par máximo es menor que el de los diseño s A o B, a proximadamente un 180 % del no minal. Com bina un alto  par de ar ranque con  baja corr iente de arra nque. El  par nominal (de  plena carga) es igual al de los  diseños A y B. Este tipo de motor tiene una « jaula doble» f or mada  por dos grupos de  ba rr as con céntr icas; una jaula está cer cana a la  perif er ia del rotor , y tiene alta r esistencia y ba ja r ea ctancia; la otr a está dentr o de aquélla, a mayor pr ofundidad., y tiene  baja r esistencia y alta r eactancia. En o per ació n, la r ea cta ncia de ambos devanados disminuye a medida que aumenta la veloc ida d del r otor , y decrece la fr ec ue ncia del voltaje ind ucido en las barr as. Dur ante el ar ra  nqu e, la mayor parte de la corriente indu c ida  fluye  por la  jaula exterior , de bido a que la r e act a nc ia de la otra  jaula es  bastante alta. Al in cr ementar se la v elocida d del r o tor se reduce la r eactancia de la Jaula interi or , y como su r esistencia es  ba ja, la mayor par te de la corr iente cir cula por ella. Este diseño toma una corriente de arranque o inicial menor que el tipo de motor estándar. Su  par de ar r anque es del 200 % o más, lo cual hace que este motor sea es pecialmente adecuado p ar a car gas que r equier en un alto  par inicial. Sin em bargo, el  par máximo tiende a ser menor que el de arr anque, lo cual hace a este ti po de motor inadecuado  par a cargas que  pr esenten  picos eleva do s. El motor de diseño NEMA D  produce un  par de arr anque muy alto: apr oximadamente el 275 % del nominal. Sin embargo, no tiene en lid d un p áxim  bien def i id l

 par disminuye en forma continua al aumentar la velocida d. La corriente de ar ranque de este motor es reducida, su deslizamiento es alto y su ef iciencia es  ba ja. El deslizamiento con carga de un motor de este tipo es mayor que el de cualqu ier otr o, y se emplea en casos en que se requier e de un elevado  par en el ar ra   nque,  pero donde la carga es liger a o inter mitente, como en m ontacargas (poli pastos) y ascensores. También se utiliza con fr ecuencia en prensas troquelador a s y en  prensas doblador as, donde su alto desliza miento hace que el em pleo de un vo lante de iner cia sea sumamente eficaz, ya que la veloc idad del m otor decrece con la car ga, y esto  permite al vo lante almacenar y ceder energía durante la o per ación. La corriente que toma un motor de indu cción consta de dos componentes: una reactiva o mag netizante y otr a activa o de trabajo. La com ponente que produce el par (es decir , la que r ea liza tr abajo útil) está  prácticamente en fase con el voltaje; es decir , su factor de  potencia es casi del 100 %. La componente magnetizante  podrí a considerar se  puramente indu ctiva, salvo por la  pequeña r esisten cia del devanado y  porque tal corriente está atr asada casi 90" respecto al voltaje. Por tanto, su factor de po tencia es  prácticamente cer o. El campo magnético se conserva sen si ble men te constante desde la marcha l ibr e o sin carga ( en va cío) hasta la car ga nominal o una mayor , de modo que la componente magnetizante de la corriente total es casi la misma para cualquier v alor de car ga. En cambio, la componente activa v aría con la carga y aumenta al incr ementar se ésta. A  plena car ga la corriente activa es mayor que la corr ien te magnetizante, de modo que,  par a un motor tí pico, el factor de potencia de la co r riente resultante está entre el 85 y el 90 % . A medida que disminuye la car ga, la componente activa disminuye mientras que la magnetizante se conserv a casi sin var iación, lo cual hace que la corriente r esultante tenga un menor factor de p otencia. Cuanto menor sea la car ga, menor es se r án la componente activa y el factor de potencia. El bajo factor de  po tencia resultante a  ba jas car gas es una consecuencia de que la corr ien te magnetizante sea aproximadamente la misma a cualquier car ga.  No o b stante, se requeriría sólo un campo magnético r educido par a el par necesar io a bajas car gas y un cam po sumamente  pequeño sería su-

Pr incipios del motor de Inducción (C A} ficiente par a cas en vacío.

1.1.9

contr ar restar las pérdidas mecáni-

AJgunos controles están diseñados para  pr o por ciona r un par constante hasta 60 Hz, y potencia constante por encima de esa f r ecuencia, lo cual  permite o perar a velocidades más altas sin sobrecargar el motor . La velocidad de un motor de indu cción  de corriente alterna puede variarse dentr o de un intervalo muy am plio, desde tal vez un 10 o 20 % de la velocidad nominal, a 60 Hz, hasta varias veces este valor . Sin embargo, es necesario tener ciertas  pr ecauciones. A velocidades un 10 % o mayor es que la nominal, se r equiere cuidar q ue no se exceda la potencia nominal del motor , y es necesario también consultar al f a bricante acerca de la capacidad del motor para soportar esf uer zos mecánicos derivados de la sobr evelocidad. A velocidades del or den de un 20 % de la no minal o inf erior es, especialmente si se tr ata de un motor con ventilación f orzada externa, es im po rta nte cuidar que no se  exceda el aumento de tem  peratura (calentamiento)  permisi ble. Si la velo cidad  se reduce demasiado,  puede caerse en el ef ecto de «tironeo» (es decir , que el motor gi r e a tirones o im pulsos cortos en vez de hacerlo unif orm e mente), o  bien se detendrá  por com pleto, con riesgo de sobrecalentamiento y destr u cción. La capacidad, la gran var iedad de usos y la flexibilidad de las aplicaciones del motor de inducción de corriente alterna constituyen venta jas notables. Sin embargo,  par a obtener r esultados óptimos al seleccion ar  y aplicar este ti po de motor es necesario con sider ar  muchos otros f actores, tales como la clase de a plicación, ti po de construcción, montaje, modo de acoplamiento, cojinetes (r oda miento s), ti po de aislam iento, temperatura nominal, costo in icial, costo de o peración, consumo nominal de ener gía y r equ isitos de arranque y contr ol.

Cambio de la r r ecuencia

Como ya se mencionó, un motor de inducción es un dis positivo de veloc idad constante. Su velocidad de pende del número de polos dis puestos en el estator . Para esto se supone que el volta je y la fr ecuencia de la alimentación  perm anece n constantes. Existen varios métodos  par a variar la velocidad de un motor de corriente alterna. El devanado  primario o del estator  puede conectarse de maner a que sea posible cambiar el número de  polos. Por ejemplo, si se reconecta un devanado de cuatr o  polos para obtener uno de dos  polos, se duplica la  velocidad. Este método puede  producir una velocidad diferente,  per o no un cambio gr adual de veloc idad. Puede cam biar se también el deslizamiento variando el voltaje de alimentación; sin embargo, como el  par es pr o porcional al cuadr ado del volta je, al reducirse éste disminuye muy r á pidamente el  par disponible, lo cual finalmente  obligará al motor a detenerse . Un medio excelente par a cam biar la velocidad de un motor ti po  jaula de ardilla consiste en variar la frecuencia de la tensión de alimentac ión. Par a ma ntener el  par constante es necesario variar simultáneamente la tensión y la fr ecuencia, de modo que la r elac ión de voltaje so bre fr eruencia se conserve invaria ble. Los co ntr oles modernos de frecuencia ajustable ef ectúan esta función. A  par constante, la  potencia de salida es directamente propor cional a la velocidad. En el caso de un motor de 60 Hz, el incr ementar la fr ecuencia de alimentación  por en cima de ese valor ocasionará una so b r ecar ga en el mourr sobre la n ominal, lo cual no es con veniente a:ccp¡o  por periodos cortos. Si se r educe la f re  � a menos de 60 Hz, la velocidad ser á infcnor a la velocidad de diseño del motor. Al r ec.bl!' la frecuencia es necesario r educir tam bién d mltaje  para m an ten er  el  par constante. En .:>.::!SJODeS es deseable ten e r  un alto  par en el � :;.e o conservar la  potencia de salida cons. . cierto intervalo de velocidad. Éstas y ce-es codif icaciones pueden obtener se variando ....:. �� de volta je sob r e f r ecuencia según se

1.1.10

Motores de rotor devanado

Si puede var iarse la resistencia del cir cuito se· cundario o del rotor de un motor de inducción, es posible obtener difer entes curvas de o pe r ación, como se muestr a en la figura 1-13 . Desde luego, la adición de resistencia per mite vari ar el par de arranque del motor , per o no modificar el par máximo, cu yo valor queda fijado  por la r eactancia loca l (o de dispersión) del  primario y del secu ndario,  x1 +  x2 Lo que sí pu ed e

-.-- e

:-!'...,, �

•

19

Pr incipios gener ales variarse es el deslizamiento al que ocurre el  par máximo. La adición de resistencia externa en el caso de un motor con rotor devanado o em bo binado  per -

1

\ �--f,.-t :f-- -l¡----

t

\

\.

 piedades dieléctricas. Los sistemas de aislamiento se clasif ican según la tem peratura de o per a· ción a la que  puede es per arse que su dur ación normal. sea 

--l'-s:-t-w.. "" -k:-f!---f--t-+----1 "'

---t

....::,,

<, "' "/... ./. i 501---.\  }-+--\-+--'l<--t--l'"',d----ll/ '---J/-- '\-t--t---l J  \ '\ .s

1 ::�

r-, s -,l-t-----\--t---'c-Q,.-t- -+-¡l'lsc.7'f+-/-ff--+---+

I;: ''\ � 1 20f--+-- i.l- -+----'\---+ �� 1-"A - ---1'1---A�'i-�+----I 10

 1- ---1-�c+----l  f-----+�-+-f-\-+- ++/'--f'fl -+l  \ f\'  I  '---...._ \ L.....-L�_¡_ �_¡_ Jc_..JL�..L �_¡__¡_ �u._ J

O

.....l

O

25

50

75

100

125 150 175 200  Par (% del nom inal)

225

250

275

Fig. 1-13. Ef ecto del cam bio de resistencia, en el secundario de un motor de inducción.

mite r educir la cor riente inicial, incr ementar el  par de arr anque hasta el valor del par máximo, y ajustar la velocid ad de oper ación dentr o de cier tos límites.

El método tí pico par a determinar el aumento de temperatura de un motor consiste en med ir la r esistencia  del devanado  R1 a la tem per atur a am biente T 1 y a la tem per atur a nominal de o peración T2. El valor de la tem per atur a nominal de o peración se calcula con la f órmula:

1.1.11 Aumento de tem per atur a (calenta miento)

T 2

Par a un tamaño de motor y un sistema de ventilac ión  determinados, es posible establecer una capacidad de disipación (en ºCJW) que  per mita calcular la elevación (o el aumento) de temper atur a como función de las  pérdidas del motor que contribuyen al calentamiento. Todos lo s materiales aislantes son af ectados  por el calor , el cual los enve jece y deter ior a gradualmente hasta que llega el momento en que el aislamiento f alla o pierde  por completo sus  pr o-

R, -

-T ,

(234.5 + T1)

-

234.5

La elevación de tem peratura (T 2 • T  )1  permisible  para las dif erentes clases de aislamiento se indica en la tabla de la página siguiente.

1.1.12 Factor de ser vicio Cuando en la placa de un motor se señala un fac20

Pr incipios del motor de conlente directa (CD) C l ase d e aisl amient o

Tem peratur a ambiente (°C) Aumento de tem per atur a (medido por  resist encia ) (ºC) Margen para el punto más caliente (ºC) Tem per atur a del  punto máúalieme (ºC)

130

1 55

180

40

40

40

40

60

80 10

105 10 155

125 15 180

5 105

130

con una sobr ecarga equ ivalente a su f actor de servicio, no pueden admitirse simultánea mente var iaciones de tensión y de f r ec uencia.

tor  de servicio mayor de 1.0, este f actor ind ica la ca p acid ad  de sobrecarga del motor a la ten sión y f re  cuencia nominales. Cuando la car ga del motor es igual a su  po tencia nominal multiplicada  por el f actor de ser vicio, entonces la eficiencia, el f actor de  potencia y la velocidad ser án dif er ent es de los valor es es pecificados al 100 % de car ga. En lo r eferente al aumento de tem pe r atur a cuando el motor oper a a su f actor de se rvicio ,

1. 2

PRINCIPIOS DEL MOTOR DE CORRIENTE DIRECTA (CD )

Los motor es de cor r iente dir ecta (CD) se em  plean en forma extensa en la industr ia gracias a su ca pacidad  para satisf acer   una gran va r iedad de r equisitos de par y veloc idad . Estos motor es son es pecialmente adecuados par a a plica cion es que r equier en acele r ación gr adual dentro de un in terva lo muy am plio, ajuste  pr eciso de veloc idad, sincr onización de velocidades (o am bas cosas) y control  pr ec iso del par de rotación o de tensión . Aun cuando los motor es de inducción  pr o vistos de sistemas de contr ol de fr ecuencia var ia ble  par a im pu lsión a velocidad a justa ble tienen un uso cada vez más extenso, el motor de corr iente dir ecta seguir á siendo el más ind icado  para cier tas aplicaciones debido a su muy especial car a cterística  par -velocidad. Por e jemplo, un motor de corriente alterna que im pulsa fuertes car gas tiende gen er alm ente a f re  narse cuando la car ga sobrepasa el doble de su valor nominal. En cam  bio, un motor de corriente directa  puede  pr o por cionar un  par tr es veces mayor que el nominal dur ante  periodos cortos, y durante la psos muy breves p. ej. de 3 a 4 s. es capaz de  pr o porcionar un par hasta de cinco veces el par nominal.

 puede observarse en la gráfica r espectiva que al 115 % de carga el motor oper a ría 10 ºC por en cima del aumento de temper atur a indicado en la ta bla anter ior , Jo que equivale a de cir que ya no existe margen par a el punto más caliente, Jo cual, como es o bvio, limitar á la dur ación del mo tor . Puede decirse que un motor con f actor de ser . vicio de 1.15 tiene un margen en cuanto a su ele vación de temperatura al 100 % de carga, lo cua l le  permite o perar con so br ecargas hasta del 115 % sin exceder la ca p acidad térmica del aislamien to . Se observa sin embargo que a este valo r de so b r ecar ga el aumento de temper atura excede al valor normal de un motor con f actor de servicio unitario. 1 . 1. 13

105

Va r iación de tensión y f recu encia

Por norma, un motor de be tener cierta r ese rva de ca pacidad que le  permita oper ar satisf actoria mente 1) a una tensión un 10 %  por encima o  por de bajo de la nominal, o 2) con una variación combinada de volta je y f r ecue ncia que no exced a del 10 %, siempr e y cuando la var iación de fr e cuencia no sea su per ior  al 5 %. Cabe mencionar que en condiciones dif er ente s de las nominales, los valores de eficiencia, f acto r de  potencia, ele vación de tem pe r a tur a, etcéter a  pueden ser diferentes de los gar antizado s  por el fabricante  para la o per ación norm al. También de be señalarse que si un motor o per a

l.2.1

Características de o peración. Gener alidad es

En casi todas las ramas de la ind ustria es pos ible encontr ar a plicaciones tanto  par a motor es de CA como para motor es de CD. Puede decirs e

21

Principios generales

máquinas motrices poseen una car acterística que ningún motor de CA ha logr ado igualar : la facilidad para ajustar su velocidad dentro de una gama sumamente am plia, que  puede ser contr olada con gr an precisión. Además, los motores de CD tienen mayor eficiencia que los de CA en aplicaciones que im pliqu en aceler ación y desaceleración fr ecuentes con car gas de iner cia elev a da .

que estos dos tipos de máquina tienden a com plementarse y no a competir entr e sí. Los motores de CD f uer on los  primer os dis positivos  para la conversión electromecánica de ener gía, y se utilizar on  princi palmente en tr an vías, en los que la tr acción eléctrica reemplazó a la tracción animal (por tir os de acémilas). Desde luego, la invención  del motor de CA de indu cción in clinó la  balanza hacia una mayor utiArmazón polar  (o

de campo)

"'"""''"""'

 Armadura Escobillas

Fig. 1-14. Esquema de una máquina de CD donde se aprecia la com ponente fi ja, ar mazón  polar o inducror, y la com ponente móvil, armad ura o ind ucid o.

En contraste, el motor de CD  pr esenta var ias desventajas que no pueden pasar inadvertida s: a) su tamaño y costo son mayor es que los de un motor equivalente de CA,  b) normalmente r equier en equi po extr a  par a la r ectif icación de CA, y c) su construcción es más comple ja,  por lo que r equieren mayor mantenimie nto. El motor de CD consta de dos com po nentes  pr inci pales: la ar ma z ón pol ar (estator ), que contiene los polos y los devanados de cam po, y el elemento rotatorio denominado ar mad ur a (r otor), de la cual el conmutador es una  parte muy im po rta nte así como el conjunto  por tae sco billas. Esto se ilustr a en forma esquemática en la figur a 1-14. La armazón pelar , yu go o estator es una estructura cilíndri cá. hecha normalmente de una alea ción de acer o de alta  permea bilidad ma gnética a la cual se f  ijan lo s polos o piezas  po lar es.

lización de la corriente alterna; sin em bar go, estadísticas r eciente s demuestr an que, contra las

 predicciones, el uso de motores de CD tiende a aumentar en vez de dismin uir . 1.2.2

Caracterís ti cas

En condiciones usuales en que la alimentación general de una industria es a base de CA, las  pr inc ipales razones para especificar un motor de CD son: a) la facilidad para co ntr olar su velocidad,  b) el control del  par motor , y e) la  posi bilidad de obtener su detención en  posiciones muy pre cisas. En efecto, los motores de CD son extr emadamente flexibles en sus car acterísticas de o pe r ación, y es posi ble obtener con ellos una gr an var iedad de curvas  par -velocidad, ya que estas 22

Pr incipios del motor de corr iente directa (CD)

Paquetes de laminaciones

Segmentos

Eje

(f lecha)

Conmut ador 

Fig. 1·15. Ar madura o r otor de un motor de CD.

Los  polos y sus  bobinas están dis puestos alte r nadamente como norte y sur, y la cor aza o yug o, además de constituir  parte esencial del cir cuito magnético, es también el sopo r te mecánico de los  polos, co jinetes o rodamientos y  portaesco  billas. La armadur a o r o tor está for mada esen cia l· mente  por el eje (o flecha) con el núcleo de laminaciones de acer o al silicio en cuyas r anuras se alo jan  bobinas que constituyen el de vanado , y sobr e el eje, en un extremo del núcleo, va el conm u tado r . Los extr emos de las bobinas se conectan a lo s segmentos del conmutador , que a su vez se cooectan sucesivamente a la alimentación a tr avé s ée las escobillas (fig. 1-15). Pa: los conductores del devanado de la ar a citmla corriente alterna formada  por la ::::=;:a¡ 1c;;; a Mw ,. de una fr ecuencia que depende de  b "Cloo,:,d de rotación y del númer o de polos

1.2.3

Ti pos de motores de CD

Par a estud iar la s características de o per ación es conveniente distinguir entre lo s cuatro ti pos fundamentales de motores de corriente dir ecta, atendiendo a la forma en que, por distintos co nexionados de lo s devanados, se obtiene el cam po magnético induc ido en la   armazón  po lar : Excitación en derivación (ti po  shunt  ) Excitación en serie (ti po serie ) Excitació n compuesta o combinada (ti po com-

 pound)

Magnetismo  per man ente 1.2 .4

Motor de tipo par alelo, derivación (  shunt  )

'

Éste es el motor de CD de uso más f re  cuente. Su nombre pr oviene de la f orma original de la conexión interna de estas máquinas, en la que la armadur a y la armazón polar (o «d e campo») se conectan en  paral el o o derivación a una f ue nte de tensión constante. Aunque el tér mino se usa todavía, muy  pocos motores f unc ion an aún de esta manera. Por lo gen er al, el circuito d e cam po es alimentado con una f uente diferente de la ali· mentación del cir cuito de ar mad ur a. Los volta jes de am bos cir cuitos suelen se r   del mismo nivel.

ad esater 

La cstructura laminar   del r otor (armadura) r edntt las pérdidas magnéticas  pr od ucidas  por dicha corriente altern a. La corriente directa sólo circula  por los circuitos externos a la armadur a ( bo binas del es· tator ). ya que el conmutador conecta continu a· mente los conductores de ésta a dichos cir cuito s y los desconecta de ello s. 23

Pr inc ipios gener ales

En casos es peciales pueden usar se valores de voltaje de excitación que varían entr e 15 y 600 V. El motor del ti po derivación se car acteriza por que su velocidad se modifica muy poco cuando varia la carga; la veloci dad rar a vez decrece más del 5 % . Considérese la  ecuación básica:

donde V ,, es el volta je de línea a plicado a la ar madura, /,, es la corriente de la armadur a,  R ,, es la resistencia de este elemento y  E  ,, es la f uerza contraelectr omotriz (FCEM) gener ada. Si se in ,, R ,, aumenta en la misma ,,, la caída  I  cr eme nta /   pr opo r ción, y como V  ,, es constante, el valor de E ,, debe reducirse par a que la igualdad se conserve. Como la tensión indu cida (FCEM)  E  ,, es pr o por cional al flu jo magnético y a la veloc idad, si el flujo se mantiene constante, entonces la velocida d debe disminuir  para que disminuya E ,,, con Jo cual se o btiene una gr áf ica de velocidad descendente con la car ga.

F ig. 1-16.

se r equ ier e una velocidad  pr ácticamente invar ia ble y el motor puede mantenerse dentr o de la región de o per ación esta ble. La veloc idad del motor de tipo derivación puede m odif icarse cambiando la corriente de cam po I ¡ o el volta je de la armadura V ,,. El contr ol de la  velocidad por medio de la resistencia de la  a r madur a no es satisf actor io debido a que la re g ul ación de velocidad resulta ina ce pta ble . Sie m  pre que la carga vari a en fonna gr adual, ta m bién cambia el flu jo magnético a causa de la r eacción de ar madura , y la velocidad se mantiene con stante. Por el contr ar io, si la carga varí a en f onna  br usca sin que la inductancia pr opia del devanado de campo  per m ita que el flujo var íe, entonces la velocidad cambiará r á pidamente. Puede o btenerse una var iación de velocidad de 4 a 1 con una estabilidad razona ble par a car gas h a sta del valor nominal. Debe tenerse precaución de que no se desconecte el circuito de campo de un motor de ti po derivación cuando f unciona sin carga. La pérdida del flu jo  princi pal (de cam po ) ocasionará que el motor se acelere hasta límites

Diagrama circuital y curvas car acterísticas de un motor tipo derivació n.

Ahora bien, la corriente que circula por la ar madura y que aumenta en  pr opo r ción al par demandado por la carga,  produce un flu jo magnético  propio que se opone al de los  polos  prin ci pale s. Esta disminución del flujo neto tiende a hacer que se incr emente la veloc idad, de modo que si su ef ecto sob r e pasara al producido por la caída de  pot encial /  ,,R. ,, , el motor tendría una característica de velocidad ascendente que sería inesta ble y podría conducir al desboque o sobr eace / er ación del motor . Por esta causa los  motor es del tipo derivación se usan en sistemas de tensión constante, dond e 24

 peligroso s. La curva par -veloc idad de un motor de este ti po se  presenta en la figur a 1-16.

1.2.5 Motor de tipo ser ie En los motores de esta clase, el flujo princ ipal es  producido por el cir cuito de campo conectado en se rie con el de la armadura (fig. 1-17). De esta forma, cuando el motor ar ra  nca, la cor r iente-y  por tanto, el campo magnético- está en su valor máximo y  produce un alto  par de arr anque. A medida que la veloc idad del motor aumenta se

Pr incipios  del motor de corr iente directa (CD)

reducen la corr iente y el flujo. El par var ía en  pro por ción al cuadrado de la intensidad de la corriente de ar madura si se desprecia la satur ación magnética de las  piezas polares, la cual aminor a esta r elación. El par y la velocidad del motor t ipo

la im p ulsió n de vagones lo comotor es o locomotor as de tr acción y otros vehículos eléctr icos, donde además se tiene un acoplamiento permanente y no existe el riesgo de que el motor quede sin carga y rebase su velocidad critica.

Fig. 1-17. Diagrama circuital y curvas car acterísticas de un motor t ipo serie.

1.2.6 Motor de ti po com puesto (c ompo und  )

serie son muy sensibles a los cam bios en la in tensidad de la cor riente de ar madur a (o en la de cam po que es la misma) debido a la notable variación que pr oduce en el flu jo. La velocidad del motor tipo ser ie puede var iarse  punteando todo el devanado de campo,  poniendo en cortocir cuito sólo algunas de sus es pir as, o agr egando resistencia extr a en uno u otr o, o ambos circuitos

Un motor con cir cuitos de cam po conectados en  par alelo y en ser ie con la  armadura se denomina de ti po compuesto (fig. 1-18). La pr o por ción entre los dos cir cuitos determinar á si la car acterí stica del motor tiende más hac ia la del tipo serie o hacia la del tipo der ivación.

Cam?O ""

,.

Fig. 1-18. Diagrama circuital y curvas car acterísticas de un motor co m puesto.

de campo y ar madur a. Sin embar go, el ajuste de velocidad en este motor no es sencillo. El motor tipo serie tiene la desventa ja de que tiende a «desbocarse» (sobr eaceler arse) con cargas bajas. La so brevelocidad puede  provocar la destrucción del motor si se le suprime la carga r e pentinamente. Por esta r azón, un motor ti po ser ie sólo debe usarse donde la carga está acoplada o conectada  por  engr anaje al e je del motor . Este tipo de motor se ada pta perfectamente a

Cada devanado tiene los números de es pir as y el calibr e de los conductor es similar es a los de los motores de tipo derivación y serie. La  pr o porción del flu jo total pr oducida  por el cam po en ser ie determina el «gr ado de com binación» ( c ompounding), el cual  puede variarse a fin de o btener la ca¡acterística deseada. Un cam po en serie «f uerte» hará que la car acterística de la máquina se aseme je a la del motor ti po serie. mientr as que un campo en serie «dé bü» hará que se 25

Pr incipios gener ales

asemeje a un motor ti po derivación. Comúnmente se emplean motor es cuyo cam po en serie  produce entre el 40 y el 75 % del flu jo  total. Un valor del 50 % es el usual. En algunas aplicaciones ind ustr iales se utilizan tam bién motor es con un campo en serie que sólo  produce entre el 10 y el 25 % del flujo total. En términos gener ales,  puede decirse que la curva característica de la velocidad de un motor de ti po compuesto es inter media entr e la del motor ti po serie y la del motor ti po der ivación. Los motores tipo com puesto o combinado se utilizan en casos en que es admisi ble la variació n de la velocidad con la carga. El par de arranque del motor tipo com p uesto es alto, aunque no tanto como el del motor ti p o serie. El par se incr ementa r á pidamente con la carga a causa del aumento de flu jo magnético  pr oducido por el cam po en serie, y la velocidad descenderá rápidamente por el mismo mo tivo. Sin embargo, el motor no  pr esentará la tend encia a desbocarse con cargas bajas debido al flu jo  pr oducido por el campo en der ivación. La velocidad de un motor tipo compuesto puede controlarse por medio de un r eóstato en el circuito de la  bobina de campo en der ivación. Los equi pos modernos de contr ol para motor es de CD son un tanto complicados,  pero en cam bio per miten tener un funcionamiento excelente. l.2,7 Motor  de magnetismo permanente Estos motores obtienen el flu jo magnético necesario par a su operación a partir de imanes hechos de un material que retiene un cierto gr ado de magnetización, como el Alnico. Las car acterísticas de estos motor es varían un  poco respecto de las comunes y su f uncionamiento está su jeto a ciertas limitaciones que de ben tenerse presentes para una a plicación corr ecta. Al no existir devanado de campo, la alimentación se conecta únicamente a las esco billas  para la armadura o r otor . Las ventajas de un mot or d e mag netismo (o de imán)  permanente son: 1)

Poca var iación de sus car acterísticas con la tem p er atur a. 26

2) Efecto reducido de la r eacción de armadur a, lo cual da por r esultado un mayor  par  por am per e en condiciones de sobr ecarga. 3) Facilidad de conexió n, ya que solamente se tienen las dos terminales de la ar madur a. 4) Mayor sencillez del control, ya que no se r equier en relevadores de  pr otección contra  pér dida de cam po. Sus principales desventajas son: 1)

Si se somete el motor a corrientes que ex-

cedan el valor de diseño, el campo magnético del imán se de bilita y tiene que ser  per iódicamente magnetizado para  paliar esta cir cunstancia. 2) El costo de un motor de imán per manente es mayor que el de un motor ordinario de igual  potencia, aunque en algunos casos el costo total de instalación  puede r esultar menor . 1. 2 . 8

Car acter ísticas de par -velocid ad

Las car acterísticas de par y velocidad de un motor de CD son muy diferentes de las de un mo tor de CA, debido a que su oper ación no es a velocidad constante y a las diversas var ia bles que afectan al par de r otación. Si se muestr an en f orma con junta las curvas corr espondientes a los cuatr o tipos de mo tor es mencionados, y todas se r efier en a un punto común de  par nominal y velocidad base,  podr án apr eciarse me jor las dif er encias entr e los distintos tipos de motores (fig. 1- 19). Puede a preciarse de inmediato que la velocidad de un motor tipo der ivación es  pr ácticamente constante en toda la gama de par es de oper ación de uso común. En teoría no existe un límite  para el par que  puede desar r ollar un motor de CD; dicho par es  propor cional al  producto del flujo (densidad de flujo)  por la  corriente de armadur a,  por lo que el límite real queda determinado por la conmut ación, o sea por la  máxima cor r iente que las escobillas puedan manejar sin dañar se. Para el motor tipo derivación, este límite  puede esta blecer se en un 200 % de la cor ri ente nominal.

Pr incipios del motor de corr iente directa (CD)

Lo anterior podña indicar   que un motor ti po derivación es capaz de desarr ollar un par en el arranque del 200 % del nominal, lo cual es cierto en teoría per o dif ícil de alcanzar en la pr áctica  por las limitaciones im pu estas  por el contr ol. Si se observa la gr áf ica corr espondiente al mo tor tipo serie (fig . 1-19 ), es claro que con car ga menor que la nominal la velocidad aumentar á r á  pidamente, lo que  podría dañar la máquina si no se la  pr oteg e de manera ad ecuad a. En cuanto a la curva corres pondiente al mo tor 

250

l

1 . 2 .9

Ar ranque de los motor es de CD

Cuando el motor o per a cer ca de su velo cidad no-

1

1

''"""" 200

imán )  permanente tiene una característica  pa r velocidad que es casi una recta en la cual la velocidad siem pre disminuye al aumentar la car ga . Este ti po de motor es completamente esta b le hasta que se alcanza la desmagnenzación de las  piezas polar es. (V éase también la f ig. 1-20).

1 1 1 1

1

1 1

.!! 150

i

t 

1

1 1

1

J ioo

-----. ---r,po

1

-- -- -- ----· ---..... _  .

dériYaCl6n

- ·-

·

50

De magnetismo per manente

Par (% del nominal)

Fig.1 -19.  Curvas  par -velocidad en motores de CD.

de ti po combinado o compuesto,  puede ver se que su com por tamiento es inter med io entre los dos anter ior e s. Este motor  posee algo de la ca pacidad de desarr ollar un alto  par de arra nqu e como el motor ti po serie, y algo de las car acterísticas de velocidad constante del motor ti po deriv ación . Por su parte, el motor de magnetismo (o de

una f uerza min al, la armadur a genera contr ae- lectr omo tr iz que limita el valor de la corriente de armadura,  pero como dicha FCEM es pr o po r - cional a la velocidad, su valor es cero en el ar r an - que y lo único que limita la corr iente es la r esis- tencia óhmica del devanado de la armadura, que tiene un valor muy r educido. Si se aplicase el vol- taje com pleto a la armadura, el va lo r  de la co 27

-

Principios generales

En los casos en que el control no permite que se varíe ajustando el volta je de ali mentación de la armadura, los motores ar rancan insertando suficiente resistencia en serie con aquélla, a fin de limitar  la corriente a un valor admisible. En un motor  ti po serie, la resistencia debe insertarse en serie con la armadura y el campo.

rriente seria demasiado elevado, y  podría  producirse flameo (o ar queo) en el conmutador ; además, el par desarrollado  por el motor seria excesivo y podría dañar mecánicamente a la máquina im pulsada. de este modo, es necesar io limitar la corriente de esta armadura en el arr anque a no más del 200 % del valor nominal.

--------

�oom,nal -----------

Comente de armadura (l.)

Flg.1 -20 . Curvas  par -co rriente de annadura en motor es de CD.

En motor es  pequeños que mueven cargas de iner cia reducida es permisible el arr anque en f orma dir ecta, ya que el motor es capaz de aceler ar rápidamente la car ga sin que se  pr oduzcan daños al motor  o a la carga. El límite  pr áctico para r ealizar el arranque dir ecto se puede ver en la ta bla siguiente:

Cuando el contr ol permite ajustar el voltaje de alimentación de la ar madura inde pend ientemente del voltaje del cam po en der ivación, no es necesario intr oducir r esistencia en ser ie, ya que el valor de la corriente de arr anque se limita directamente al reducir la tensión a plicada a la armadur a.

V el ocido.d  base ( rpm)

 Potencia máxima ( h p )

0.5

3 500 o menos l 750 o menos

2 3

l 150 o menos 850 o menos

5 28

Pr incipios  del motor de corriente directa (CD) 3. Se reduce el flu jo magnético. 4. Se r educe la FCEM de la ar madur a. 5. Se incr ementa la  corriente de ar ma dur a. 6. El aumento en la corriente de armadura tr ae consigo un aumento en el flu jo  propio de la arma dur a, ocasionando una r educción extr a del flujo total. 7. Se incr ementa la velocidad hasta esta bilizar · la en un valor tal que haga que el valor de la nueva FCEM más la caída de tensión l  ,. R ,. sea igual al volta je a plicado.

En un motor ti po ser ie conectado a una ali· mentación de tensión constante, es posible inter calar un control tipo chopper que a justa el va· lor medio de la tensión a plicada su bdividiénd ola en  pequeños segmentos que producen el mismo ef ecto que el de una f uente de voltaje vari a ble. 1.2.10 Control de velocidad La gran flex ibilidad posible para contr olar la velocida d es una de las venta jas  pr imor diales del motor de CD. La gama de var iación de velocidad es sumamente am plia, y et número de pasos dentro de este intervalo puede consider arse infinito. La velocidad de rotación de un motor de corriente di r ecta está dada por la ex pr esió n:

Es  posi ble apreciar que el contr ol  por cam po  puede utilizarse  para o btener velocida des superiores a la velocidad base y una gama de a pr oximadame nte 4 a 1. La velocidad máxima o btenible con control por cam po está f  ijada  por las nor mas  para motor es ti po denvacrón, como función de la  potencia y velocidad r.ominales. Este último valor  está limitado  por la constr ucción mecánica de la ar madura, por lo que cuanto menor sea la velocidad base, más amplia ser á la gama  per misi ble de contr ol. Puesto que la potencia del motor  per manece  pr ácticamente constante, su capacidad para desarrollar un par en f orma continua disminuir á a medida que se incr emente la velocidad. El método de contr ol por campo es el más sim ple, y  por tanto el más utilizado.

donde 4> es el flu jo magnético por  polo y Z' es una consta nte que depende del númer o de conductor es de la armadura, del númer o de polos y del ti po de devanado. De la ex pr esión anter ior , es  posi ble o bservar  que la velocidad del motor puede alter ar se de dos formas: a) cam biando la corriente de campo ( para cambiar fl!), y  b) cam biando el volta je de armadura ( V a )· Como ya se mencionó, al hablar de velocidad de motor es de CD el  punto de r ef er encia es la velocidad base, cuyo valor corresponde a la ve· locida d que tendría el motor a plena car ga, con la corriente de cam po nominal y el volta je no· minal a plicado a la ar madur a . 1.2.11

1.2.12 Control  por arma dur a Si la corriente de campo se mantiene sin cam bio y el voltaje de armadura se modifica, la velocidad cam biar á también, conforme a la ecuación

descrita antes. El cam bio en la tensión de armadur a debe ser hacia a bajo desde el valor nominal, por lo que el a juste de velocida d será tam bién hacia a ba jo desde el valor  base. La gama de velocidades disponibles con este método de control es más amplia que en el caso anter ior : 10 a 1, y sus efectos sobr e la  potencia y el par son o puestos a los observados  para el contr ol  por cam po:

Contro lpo r ca m po

Su poniendo que el voltaje de armadur a  perm anece constante, la velocidad del motor aumenta en r elación inver sa con la corriente de campo. La sim ple adició n de un r eóstato en el cir cuito de campo  permite realizar este a juste mediante la siguiente sucesió n de  pasos:

La capacidad de par permanece de una forma constante. La potencia disponible decrece en una forma  pr o por ci onal a la disminución de la velocidad.

Se incr ementa la resistencia en el cir cuito de cam po . 2. Se reduce la corriente de campo. l.

29

Pr incipios generales

Es conveniente señalar que la velocid ad mínima de o peración es establecida por el aumento de tem peratura alcanzado por el motor , y de pend er é en gran parte del sistema de enfriamiento em p lea do. 1.2.13

locidad máxima permisible es de 2 000 rpm; es decir , una proporción de 4 a l. Si también se utilizar a el contr ol de armadura en proporción de 10 a 1, sería  posible reducir la vel ocid ad hasta 50 rpm y obtener de este modo una vari ac ión total de 50 a 2 000 rpm; es decir , de 40 a l. Las mismas r eglas de potencia y de par citadas antes serían a plicables al contr ol combinado (fig. 1 - 21 ) .

Contr ol combinado  por campo y ar ma dura

•

Cuando se r equier e una variac ión de velocidad mayor que la o btenible por los métodos antes enuncia dos, éstos pueden combinarse  par a lo· gr ar una gama total que es el pr oducto de am bas , es decir , 40 a l.

1.2.14

R egulación de velocid a d

A pr imera vista, los términos «contr ol  de velocidad» y «r egulación de velocida d» parecen equi-

15 00

E

1

1 00 0

------ --"-�--- ---

Velocidad  base

500 25 0

-- ===-==-=

"i:=:::'.::: o

-- --

.>

Control  por armadura 10:1

1

���_J

=::!==== �

== :::::;: 50

100

_..'.._.

15 0

200

Par o potencia (%)

Flg. 1-21.

Co ntrol de la veloci dad.

Por ejemplo, su póngase un motor de 10 h p, 240 V y cuya velocidad  base es 500 rpm. La información acerca de este motor indica que su ve-

valentes; sin em bargo, control d e velocidad es un ajuste que o btiene el operador por medio de un sistema externo al motor , mientras que la r eg u-

Pr incipios  del motor de corr iente dir ecta (CD)

 /ación de vel ocid ad se define como el cambio de la velocidad de un motor debido a sus car acterísticas intrínsecas cuando se modifican su tem peratura de oper ación o la carga aplicada a la máqu in a. La regulación puede expresarse como un  porcentaje de la caída de velocidad entre la ma r cha sin carga y a plena car ga, o como el  por cen ta je de decrecimiento de la velocidad a plena ca r ga con el motor frío y a su temperatura normal de o p er ación. Debe r ecor darse que la s características in trínsecas que ocasionan el cambio de velocidad del motor están relacionadas principalmente con la r esist en cia óhmica de lo s devanados, y con el ef ecto de la carga aplicada y de la tem per atu r a so br e el flu jo magnético  pr od ucido . 1.2 .15

Los mo tor es de ti po serie tienen car acter ísti ca  par-velocidad extr ema damen te descendente, y  por tanto su muy am plia regulación se ada pta  perf ectamente a determinadas aplicaciones, con las  precauciones ya mencionadas de que la car ga se mantenga siem pr e conectada mecán icame nte al motor, ya sea por acoplamiento axial o por medio de un en gr an a je. Los motores de tipo compuesto  pueden tener  una curva de regulación similar a la del moto r ti po serie o a la del motor tipo derivación. Su r egulación desde marcha en vacío hasta ple na car ga a tem per atur a nonnal varía del 15 al 25 %. 1.2 .16

Regulación debida al tal entamien to

Cuando un motor se  pone en marcha, todos sus com ponentes están a la temperatur a am b ien te,  por lo cual la r esistencia del campo tendrá cierto valor que se in cr ementar á a medida que el moto r adquier a su temperatura normal de fun cionamiento. Si el campo está conectado a una f ue nte de voltaje constante, el aumento de r esisten cia tr aerá consigo un descenso en la in tensid ad de la cor riente de campo y la consiguiente r ed ucción en el valor del flujo. Esto ocasionará que el motor adquiera mayor veloc ida d a medida que se eleve la temper atura de su s devan ado s.

Regulación debida a la carga

A dif erencia de un motor de CA, el de CD  puede tener una característica par -velocidad que manifieste inesta bilid ad. Se dice que un motor de CD es inest able cuando no se puede logr ar  un equilibrio de velocidad o de corriente de anna dur a  para detennin ada s condiciones de o pe r a ción, o  bien cuando a una carga igual o menor que la nominal, la velocidad o la corriente de armadur a alcanzan valor es muy ele vados. También se dice que un motor es in e sta b le cuando la velo cidad se eleva al aumentar la car ga a plicada. Por el contrario, si la  velocidad decrece con un a.u.men to de carga, se dice que el motor es est a-

1.2 .17

Capacidad de so br eca rga

Todos los motores de CD de tipo industrial y de construcción a bierta de ben poder so portar una carga de 1.15 veces su  potencia nominal a la velocid ad nonn al. Los motores clasif icados hasta de 0.25 h p/rpm deben poder soportar una carga de 1.3 veces la nominal en f onna continua si operan a velocidades entre el 150 y el 300 % de la velocidad nominal.

bk .

Por norma, los motor es tipo derivación, que son los de mayor uso, tienen limitada su regulación de velocidad desde marcha en vacío (o sin carga)  basta  plena carga y tem peratur a nonn al de oper ación, a los valor es que se indican en la u!Jla siguiente:

 Regul ación ( % )

 Desde la vel ocidad  Desde l a velocidad  Desd e la vel ocidad base hasta un l 'J9 base hasta un 2 ()() base hasta un 3()() a un 2'}9 % de és t a a un 400 % de é st a % de ést a  P ot encia 20 30 25 Menos de 3 h p 20 25 15 De3a7.5h p 0 5 1 2 10 .\f ü de 7.5 hp 31

Pr incipios generales Todos los motores de ti po industrial deben tener ca pac idad de sobrecarga momentánea de un 50 % por encima de la  potencia nominal. Elevación de temperatura (calentamiento) De conformidad con las nor mas, de pendiendo del tipo de construcción, clase de aislamiento y método de medición, el aumento de te m pe r atur a  permisible en las distintas  parte de un motor de CD tipo industri al es como se ind ica en la tabla 1-1.

etapas de operación: arranque,  plena carga, marcha en vacío o sin carga, etc. Con fr ecuencia se compara al motor de indu cción con un transformador , con base en el hec ho de que las corrientes en el secundario o rotor son indu cidas,  pero no debe perderse de vista que no lo  son por la variación cíclica del voltaje a plicado, como ocurre en un transformador , sino  por la  acción de un campo magnético rotatorio q ue no cambia de magnitud. Sin embargo, lo que se conoce como circuito equivalente exacto de un motor de indu cción, propuesto  por Stein metz, es

Tabla 1-1. Aumento de temperatura  permisible en las distintas parta de un motor de CD ti po ind ustria]

C lase d e aislamiento

 Motores abiert o s 130

Motores cerrado s con o sin ven til ación 130

155

 ]  8()

90

100

130

15 5

90

100

75

85

130 105

15 5 125

AUMENTO DE TEMPERATURA (ºC):

l. Devanado de armadura,  por resistencia 2. Devanado de cam po,  por  r esistencia 3. Conmutador ,  por termómetr o

Las cifr as indicadas en la ta bla se refier en a motor es  para r égimen de carga continuo. En el caso de motor es  para r égimen de carga intermitente, la elevación de tem per atur a permis ible puede ser mayor que si el motor está clasificado par a un t iem po de operación menor de 30 min.

1.3

1.3.1

CIRCUITO EQUIVALENTE DEL MOTOR DE INDUCCIÓN

 prácticamente el mismo que el de un tr ansf or mador , con la  salvedad de que la impedancia de la carga ha sido su stituida  por una resistencia varia ble, con lo  que el circuito es como se ind ica en la figur a 1-22, donde:

Generalidades

tensión aplicada al motor  1 = corriente de línea   que circula por el estator  R = resistencia del devanado del estato r   x , = r eactancia loc al  (o de dispersión) del estator  / M   = corriente ma gn e tiz ante X M   = reactancia de ma gne tiza ció n = conductancia que representa las  pér didas en el hierr o  x , = reactancia local  (o de dispersión) del rotor referida al estator  R = r esistencia del devanado del r otor   s = deslizamie nto � = corriente que circula por la r esistencia  R2 del r oto r  V

El circuito equivalente constituye la her ra  mienta más útil para estudiar el funcionamiento del motor de indu cción, así como para calcular todos los  par ámetr os relacionados, una vez que se han determinado las constantes del cir cuito. El cir cuito equ ivalente tiene ventajas innega bles si se le compara con otros métodos, como el del diagrama cir cular , ya que permite visua lizar con toda claridad-la forma en que se inte rrelacionan las r eactanciaS y las r esistencias del estator y del rotor , y cómo afectan al com po r tamiento del motor . Por otr a  parte, el cir cuito constituye una base ideal  par a r ealizar el cálculo sistematizado  de todos los valores que definen el funcionamiento del motor en cualquiera de las

,

e ,. ,

32

Cir cuito equivalente del motor de Inducción

La conductancia GFe puede sustituirse por un a resistencia equivalente en serie con X M  para sím plificar el cir cuito , ajustando también el valor de

Potencia de entrada al rotor = PER

 X M. 

La  primera su po sición   en que se basa el cir cuito equivalente es que el volt a je, la  potencia y la corr iente en cada fase son iguales de maner a que una fase puede r e pr esentar   a todo el motor . Si la  máquina está conectada en delta, en el cir cuito se r epr esenta el valor de una fase de la es· trella equivalente; V r epresenta el voltaje al neutro; l , la corriente de línea   que circula por el es· tator , ocasionando una caída de voltaje /(R 1 + .:. j   ) M  es también la  corriente ma gnetiza nte ;  X  1 ; I  12 es la corriente que circula por la resiste ncia  R2 del r otor .

I 

 R ,

R,

=

� - · l 

 s

=

(por fase) o b ien

' PER = 3  R , · /2 (para las  tres fases)

- s

(1·1)

y como las pér dida s totales en el rotor están da das  por 

la potencia de salida sería el resultado de r estar la  ecuación 1-2 de la l · 1; es decir ,

h

 X

 X  ,

V

•

 R /   ,  s

(aa-,

Fig. 1,22 . Circuito equivalente de un motor de inducción. El flu jo de la energía que se transmite  podrí a :epresentarse como sigue: Potencia de entrada  pér didas en el cobr e del estator   pér didas en el hierro  potencia transferida al entr ehier ro  potencia de entrada al roto r   pér didas en el r otor  =  potencia de salida

r eagr upando tér minos nos queda la ex pr esión :

PS = 3  R ,

- s

· I, ' (1 - s)

(1-3)

El par puede representarse como T , y la ve· locidad  como n (en revoluciones por minu to, rpm). De este modo la  potencia de salida ser á PS=

Exa mina ndo  el

circuito puede verse que la po· iencia de entrada al rotor es equivalente a la poteacia disipada en la resistencia R ,f s; es decir ,

T n

-

K 

(1-4)

donde K es una constante dimensional que de·

33

_ ,,

Pr incipios generales

------,

 pende de las unidades de T . Igualando las ex pr esiones 1·3 y 1-4 se o btiene:

Tn

- = K

3

 R2

- s

2 · I , (1

s)

Es oportuno ahora r egresar al cir cuito equivalente para examinarlo en f orma cualitativa  ba jo ciert as  condiciones de funcionamiento. En el arranque, el deslizamiento vale 1,  por lo que  s tiene su valor mínimo y su magnitud es com R  f   parable a la reactancia  X 2; de este modo la corriente en el cir cuito del rotor ser á alta y su factor de potencia será  ba jo. En operación normal,  R f   s es mayor que en el arranque. Si el deslizamiento vale un 3 %,  R¡ s valdr á 33 veces más que en el arranque, de modo que el circuito del rotor se volver á no ta blemente r esistivo y su factor de potencia ser á compar ativamente alto . El  par máximo ocur r e aproximadamente a un deslizamiento tal que  R2'   s tenga el mismo valor numérico que la im pedancia:

(1-5)

despejando el  par de la expresión 1-5  queda lo siguiente: T

 K

 I   /   Ri

"

- s

=-·3 =

 K

- (1 -

n/(1-s)

.

3

s) =

 I   /   R2

 s

como n/(1 -  s ) es la velocidad síncrona del motor , n,, se tiene finalmente:  I  T =  K .3 i R2

" ·

 R12 = (X1 \f 

(1-6)

+ X2)2,

lo cual sólo puede suceder a un deslizamiento

 s

 I 2

 X 

..

 /   s  R

Fig. 1-23. Cir cuito equivalente apr oximado del motor de inducción.

Por otr o lado, com par ando las ex pr esiones 1-1 y 1-2,  puede apr eciarse que: PTR =  s · PER

elevado. Si este deslizamiento fuera por e jemplo del 16 %,  R  s valdr ía sólo seis veces más que en  /  condiciones de rotor bloqueado,  por lo que la corriente sería elevada y el factor de  potencia,  bajo, debido a las razones ya ex puestas. En condiciones de mar cha sin car ga, el deslizamiento sería menor , y  por tanto,  R ,i s tendrí a un valor muy alto, lo que permite consider ar  que el circuito del r otor está abierto y sólo cir cula corriente por el estator . Como la r eactancia X1 + +  X M  es mucho mayor que R , la  corriente de

(1- 7)

lo que equivale a decir que las  pér didas en el rotor son iguales al deslizamiento multi plicado por la  potencia que entra al rotor ; esto confirma que no es conveniente traba jar con un deslizamiento elevado,  pues de este modo las  pérdidas se incr ementan. 34

Circuito equtvaktnte del motor de Inducción

marcha li br e tendrá por necesidad un factor de  potencia muy r educido.

1.3.2  Circuito equivalente a p ro xi mad o Los cálculos pueden realizarse en forma más ex pedita, sin  pérdida apreciable de precisión, si se utiliza el circuito aproximado de la fig ur a 1-23, en el cual la resistencia que representa las pér didas en el hierro se  ha colocado d ir ecta mente a la entrada del circuito y su valor es

(1-8)

donde Pf t- representa la s pér didas en el hierr o. Otra modificación que conviene hacer en es te circuito consiste en expresar todas las cantidad es en r ant o por uno (o por unidad) , tomando como  punto de partida la  potencia nominal del moto r ex pr esada en watts y definiendo las siguien tes cantidades unitarias o base:  P a ""  potencia base

voltaje  base (voltaje por base)  ,  P  b . "" corr ie nte ase l a :: Va ""

-3 v ,

V 

Za "" -...!. "" im ped ancia base I , n8

120 = -"" velocidad  p

base (f "" 

= f r ecu encia, p = número de  polos)

T e=

K ·

P ,

n,

=  par base ( K , constante)

Con estas modificaciones es posible r ealiza r  un cálculo  bastante rápido de las condiciones de operación de un motor si se conocen los valor es de las r esistencias y reactancias que deben inser tarse en el circuito, y cuya detenninación ex penmental se  presenta más adelante. En la parte final de esta sección se incluye un  programa de computadora en len gu a je B asic para calcular los valores más impo rta ntes que de· finen el comportamiento del motor a un deslíz:ami ento  s da do .

Es necesario destacar que las «constantes» del circuito equivalente no son invaria b les en r ealidad,  pues dependen de la saturación del cir cuito magnético y del deslizamiento, lo cual debe te· nerse  presente al desarrollar un programa com pleto de cálculo.

1.3.3

Circuito de rotor en el cese de rotores de doble jaula

Lo que se ha mencionado hasta ahora acerca d el cir cuito equivalente se ha basado en un rotor de  jaul a  sencill a , constituida  por una sola barra en cada r anur a. En el caso de rotores de d obl e jaul a es necesario resolver in icialmente el cir cuito del rotor  par a transf ormarlo en un cir cuito equiva lente de una sola reactancia en serie con una sola resistencia. Muchos métodos han sido idea do s  para este fin,  pero el que  par ece dar lo s me jor es resultados en la práctica es el  pr o puesto  por Al· ger , que se basa en el circuito de la figura 1-24. En este circuito se presenta una jaula tri ple f or mada por las  barras  A, N y B, de la  cual se o b tiene un valor equivalente de resistencia R 1,arr1 y de reactancia X barra que es válido para el deshzamiento  s utilizado en el cálculo. Dicho par de valores se combina con la resistencia de los ar os o anillos extremos  Rufs y la reactancia su plementaria del r otor ,  para obtener una im ped ancia resultante R 2 + j   X 2 que puede transferirse al circuito equ ivalente.

1.3.4

Determinación ex perimental de las

'°"""""'

Los valores que deben inse rta rse en el circuito  para evaluar el comportamiento del motor en cualquier condición pueden obtenerse básica · mente  por tr es pruebas similares a las corr es·  pondientes en el caso de un tr ansf ormado r : Medición de la r esistencia óhmica del dev a n a d o. 2) Medición de la corriente y la  potencia en vacío, de pr ef er en cia a varios valor es de voltaje, inclu yendo  el valor no minal. 3) Medición de la corriente y la  potencia a rotor bloquea do . 1)

Pr incipios generales

 A S   R / 

d

b

e

 R , x /   S 

 x.;»:

�

d

e

a  Rba.r ro  .

R,

ba.r ro.  X 

 X ,

b Fig. 1-24 .

d 

Circuito equivalente par a un rotor de jaula tri ple.

 M edición de la resistencia óhmica del devanad o. Por lo general, sólo se tiene acceso a las terminales del motor , por lo que se r equier e sa ber si el devanado está conectado en estr ella o en delta (.6.). Si la conexión es en estr ella (o Y), la r esistencia óhmica por f ase ser á la mitad de la lectu r a  entre terminales,  Rn, como se muestr a en la figur a 1-25. Par a tomar en consideración las  posibles variaciones entr e las tr es fases, es conveniente medir la r esistencia entre los tres  par es de terminales y obtener el valor  promedio de las tr es mediciones. Si la conexión del estator es en delta, la medición entre terminales corresponderá a la de una f ase en  paralelo con las  dos restantes (fi g. 1-26),  por lo  que la resistencia por fase será en este caso 1.5 veces el valor medido. Es necesario tam bién medir la tem per atur a ambiente a la cual de be haber estado ex puesto el motor   durante varias hor as antes de la medi

ción. Con este valor de temperatura es posible cor re  gir el valor de resistencia a la tem per atur a

de o per ació n del motor .

 Medición de la corr iente  y  potencia  sin car  ga (prueba en vacío). Si se toman lectur as de watts y amper es a difer entes valores de voltaje, es  pos ible tr azar una gr áfica de voltaje a plicado y pér didas (en watts), como ya se ex plicó. De tal gráf ica puede deducirse el valor de las  pér didas mecánicas, y una vez conocidas éstas, se  pueden evaluar las pérdidas magnéticas ( en el hier r o)  por dif er encia:

PF =  pér didas magnéticas =  potencia sin carga -  pérdidas mecánicas -  pérdidas eléctr icas en el estator  •

Como las pér didas magnéticas se su ponen constantes, el valor de la r esistencia que se usar á

Circuito equivalente del motor de Inducción

e«  R , =- Rpo r f  ase =

b Fig. J-25.

.

2

e Medición de la r esistencia del estaror , conexión en estr ella.

 para r e presentar las en el circuito equivalente es: 1 R M "" - P  F   j P  B

1

-  R.

(es por umdad,  p/u)

y, también se tendr á:

(1-9)

Por su part e, el cociente de las lectur as de volta je nominal y corr iente sin carga corresponde de maner a aproximada al valor de la r eactancia en vacío, de la cual es posi ble deducir la r eactancia de magnetización restándole  X 1 cuando se o btenga su valor . Con base en la figura 1-27,

(1-10)

(1-11)

donde el su bíndice ev signif ica en vacío.

 Medición d e la cor ri  ent e y  potencia a rotor bl oquead o (prueba a rotor bloqueado ). En teoría,

si se su pone que  X M  es mucho mayor que X1 + + X  ,2 es posible calcular el valor de la r eactancia de dispersión conjunta del estator y el rotor a  par tir de las lectur as de watts y am p er es a r otor  bloqueado conforme a la  ecuación (1-12):

e«

3 R1=Rpo r fa se=2Rtt

Flg.1-26.

Medición de la r esistencia del estator , conexión en delta. 37

Pr incipios generales

 x , +  x ,

=

J( �0' - ( ::')'

(1-12)  _ =

V prue ba

donde Ves el voltaje aplicado por fase, Wrb son los watts por fase a rotor  bloqueado, e /rb es la cor riente en iguale s condiciones. Sin embargo, debido a la satur ación de lastr ayector ias magnéticas, el valor de X1 +  X 2 así calculado sólo ser ía aplica ble a las condicio nes de rotor  bloqu eado, y no podría utilizarse en el circuito para otro  punto de la curva de o pe r ación.

J ( ! ""  b'"  )' ' -(wrb·:)' /

/,

(1-14)

donde V  prueba y [ prue ba ser ían el voltaje y la fr ecuencia utilizados. Como es necesario ef ectuar una se par ación de la r eactancia total de dispersión en sus dos com ponentes, X1 y X  ,2 y esto no  puede hacer se en forma ex perimental, se acostum bra a dividir  el valor  X 1 +  X 2 conforme a las

 X ,

 R ,

; i 

V

�

Flg.1-27.

Circuito equivalente aproximado para oper ación en vacío.

De las lecturas a rotor  bloqueado puede calcularse también el valor de la resistencia del rotor ,  R2 , conf orme a la ex pr esión:

 pr oporciones siguientes, basadas tam bién en la norma IEEE 112:  Par a

motores

 x ,  x ,

(1- 13)

 Nuevamente, debe hacerse notar que el valor  de  R2 así obtenido sólo corresponder ía a las condiciones de ar ranque, debido a las difer encias en la distribución de la corriente en las  barr as del rotor entre dichas condiciones y las de o pe r ación norm al. La norma IEEE 112 (de Estados Unidos) establece que la prueba a rotor bloqueado debe hacerse con f r ecuencia r educida, que no exceda del 25 % de la f r ecuencia de línea y aplicando un volta je a justado de tal modo que la corr iente a r otor  bloqueado sea la misma. En estas condiciones la ecuación 1-12 pasa a ser:

de diseño  B:

=

2

 P ar a mot or es de diseño

 x ,

3

,

7

x 

(1-15)

3 C :

(1-16)

 Para mot or es de diseño  D:

 ,  x - =1  x ,  Par a

motores

de diseño  A:

 x  , - =1  x , 38

(1-17)

(1-18)

Circuito equivalente del motor de Inducción

La norma IEEE 11 2  proporciona un método iter ativo  para o btener un valor exacto de R2 utilizan do  para el cálculo el  propio circuito equ ivale nte . En la  pr áctica, un método que produce r esultados muy congruentes con la  realidad con siste en efectuar dos pruebas a rotor bloqueado, una a la frecuencia nominal y otra al 25 % de dicha

Enseguida se ilustr a el método delineado en los párrafos anterior es me dia nte el cá lc ulo de la s constantes del circuito equivalente  para un motor especifico, a partir de los valor es o btenido s en las pruebas r es pe ctivas.  jem pl o. Calcular las  constantes del cir cuito  E  equivalente de un motor de 10 hp, cuatro polos, diseño B, tr es fases, totalmente cerrado con

w,,.

600

500

'ºº 'ºº 200

100

., . ,,""

,, ,,'

10 0

200

300

Voltslf ase

Fig. 1-28 . Prue ba de vacío de un motor de 10 h p, cuatro polos. Curva de las  pér didas en watts en función de la tensión en volts.

frecuencia,  y utilizar los valores de X 1 +  X 2  y de  R2 de la  primer a  prueba a fin de calcular las con diciones de arranque,  y los valores obtenidos de la   segunda  prue ba  par a otros  puntos de la curva de operación. En am bos casos es con veniente r eali zar las lectur as con la  mayor rapidez pos ible  y colocando termopares en contacto con el devanado para evitar sobr ecalentarlo, ya que está sometido a una corriente muy intensa durante un la pso mayor que en la o peración no rm a l.

ventilación exterior (T CCV E ),  que opera a 220/440 V  y 60 Hz. Las  prue bas se r ealizar on con el motor conectado  para el voltaje ma yor , o sea 440 V, que según el diagr ama r e s pe cti vo corresponde a una conexión estr ella en ser ie. Los r esultados obtenidos son como sigue: Resistencia entre terminales: 1.364 Q (a 23 "C) R esistencia por fase: 1.364/2 = 0.682 Q (a 23 ºC) 39

Pr incipios general es

R esistencia  por fase corregida a 75 ºC  , R 1:

0.682  X

254.03 7 1 .3 2 = 3.228 Q

234.5 + 75 = 0.8197 Q 234.5 + 23

volta je nominal) son V = 254.03 V ( po r  f ase),  Í ev = 3.3 3 A, Y W ev = 471 W. Las lectu r as obtenidas a voltajes menor es que el nominal son: l e. ( am per es )

W e. ( wat ts )

200 150

2.51 1 . 92 1 . 28

352

100

X

3.332

X

277 198

2

3X2 +

3. 33

y

 x ,

=

!

(1.937) = 1.291 Q

Como  X M  pr áctica mente no influ ye en estas condiciones, no se calcula. Finalmente, los datos de la  prueba a rotor bloqueado a 15 Hz son V  prue ba = 237 V/3 f ases = 136.8 V (voltaje requerido  par a obtener la misma corriente que a 60 Hz) y Wm = 22 035 W (totales); es decir , 7 345 W/f ase. Siguiendo  el mismo método que en el caso anter ior se o btie ne:

-

27 = 365 W

= 76.28 Q/f ase

R,

Los datos de la prueba a r otor  bloqueado a 60 Hz son V = 254.03 V, /,b = 71.3 2 A, y W ro = 22 972 W (total); o sea, 7657 .3 W/f ase. De lo anter ior   puede deducirse el va lor de R2 en las condiciones de r otor  bloqueado :

7657.3  R2 "" ( 1. )2 7 32

3.228 Q

3 x , = 3.228 ¡¡ 3  x, = 5 (3.228) = 1.937 ¡¡

Por otra  parte, la reactancia de vacío es: 254.03

=

0.8 197 = 27 W

PFe = 471 - 79

=

X2

5

Ahora puede obtenerse el valor de las pér d idas magnéti cas:

X �

=

y su stituy endo en la  relación 1-19:

Los datos de volts y watts se gr af ican en la figura 1-28, de donde puede obtenerse el valor de las pér didas  por f ricción y ventilación del moto r , que valen 79 W. Como ya se conoce el valor  de la r esistencia del estator y la corriente de vado, es  posi ble calcular las pérdidas en el cobre del estator en estas cond iciones: 3

2

Como el motor es de diseño B, se utiliza la relación 1-15  para obtener lo s valores de las com ponentes de reactancia. Despejando  X , en dicha r ela ción , se o btiene:

Los datos de la prueba de vacío (a 440 V de

V ( vol ts )

7 657.3 71.322 (J-19)

2

7 345 (71.32)'

- 0.8 197 -

y 136.8

71.32 - 0.8 197 =

0.6243 Q/f ase

0.6857 Q/f ase

= 5.050 0:/fase

y la  reactancia total a r otor  bloqueado ser á:

de donde: 40

2

7 345 71.322

2

=

Circuito equivalente del motor de Inducción

3

 X i =

5

1 RM = - - ...cn:... -

X 5.050 = 3.030 O/f ase

- = 20.4383  p/u

3

5 4 60 0.8197 = 0.0316  p/u 2 5. 9 51 O

y 2

JX

 X 1 =

74.26 25. 951 O

3.030 = 2.020 O/f ase

=

2.8615 p/u

Para valor es elevados de deslizamiento se em plea r ían

y por último,  X  M  =  X ev - X1 = 76.28 = 2.02 = 74.26 Q/ f ase

1.291

 _ = 0.0497  plu 25 9510 1.937  X i = 25.9510 = 0.0746 p/u

 X ,

Para pasar ahora al siste ma de valor es  por un idad, hay que ca lc ula r  pr imer o la  pot en cia base:

=

P a = 10 X 746 = 7 460 W

00316

•

0.1•16•7

••

•

0.0778

•

 A

2.86 15

20.4383

/

Flg. 1-29. Circuito equivalente de un motor de inducción de 10 hp, cuatr o  polos, en la región de o per ación nor mal, en valor es  por unidad ( p!u).

Por definición, el voltaje  base ser á:

R2 =

Ve= 254.03 V

P 8

--

3

Ve

=

7 460 = 9.789 A 3 X 254.03

--'----'-'--

 X i=

y por último, la imp edancia base es: v ,

254.03

1,

9.789

Ze=-=

=

0.0264  p/u

Para valores  pequeños de deslizamiento en la r egión de o per ación nonnal se usar ían lo s siguien tes:

de donde se obtiene la corriente  ba se:

l e =

0.6851 25.9510

 X 2 =

= 25.9510 Q

2.020 = 0.0778  p/u 25.9510 3.030 = 0.1167  p/u 25.9510

y

Por consiguiente, los valores de las constan tes del circuito, expresados en valores  por unidad (p. u), ser án:

R 2 = 41

0.6243

25.9510

= 0.0240  p/u

Pr incipios gener ales

-.·, ------, •

0.0316

0.0497

0.0746

20. 4383

/ 

•

Flg. 1-30. Circuito equ ivalente (a pr oximado) de un motor de indu cción de 10 h p, cuatro polos, en la r egión de alto deslizamiento (s>l5%) , en valor es por unidad ( p/u). De modo que el cir cuito equivalente de este 1.3.6 Programa  par a calcula r  con una motor , en la región de o peración normal, quecom putad or a el com portamiento de un daría como se indica en la f igur a 1-29. mo tor  de inducción por medio del circu ito Para cálculos en la r egió n cer cana al arr anqu e equ ivalente

o para valores de deslizamiento mayores del 15 %, el circuito sería mejor r e pr esentado  por la figur a 1-30. 1. 3 . S

10

20 30 40

Programa para cálculo con com puta dor a

50

60 70 80 90 100

Enseguida se  pr esenta un programa de com putador a en lengua je Basic que calcula un  punto de las curvas de o per ación de un motor . Para ello se intr oducen  primer o los datos  básicos, como  potencia nominal, deslizamiento al que se r equier e el cálculo, etc., y posteriormente las constantes del cir cuito en valores por unidad ( p/u), las  pér didas mecánicas y las  pér didas magnétícas. En el listado de salida se obtienen la corriente de línea , el  par unitario y el par en unida des inglesas  (pie·  lbf), la  potencia en caballos (h p), la potencia de entrada, la eficiencia y el f actor de  potencia."

110 120 130 140

150 160

170  180 190 •

N . del R .: En la f órmulaP= T n! K,  donde Pest á

en watts y n en rpm, la constante K  puede tener los siguient es valor es r espectivos según que el par Test é ex presado en  pie·  lbf , m · kgf o m ·  N: K = 7.04, K = 0.974, o K = l. En el programa se consider a la  potencia nominal en ca ballos (hp) y el par en  pie· lil  br as ( pie ·  bf).

200 210

220 230 240 42

REM CALCULO DEL ClR CUlT O EQU!V ALE NTE REM CONSTANTES EN POR U NI DAD REM DATOS DEL MOT OR  I NPUT "POTENCIA  NOMI NAL=";H P INPUT " NUMERO DE POL OS= ";P INPUT "VOLTS POR FASE = ";V l NPUT "FRE CUE NCIA= ";F INPUT "DESLIZA MIE NTO= ";S LET RPM = 120• F/P REM CALCULO DE LAS CAN TID A DES BA SE PBA SE = 746 H P !BASE = PBASE/(3• V) TBA SE= 7 .04•PBA SE/R PM INPUT "R 2=";R 2 REM SI  NO SE DIO VALOR AL DESLIZAMIE NTO, EL PROGRAMA CALCULA U N VAL OR  IF S=O THE N S=l.25•R2 INPUT "X2= ";X2 INPUT "XM= ";XM REM CALCULO DEL . VALOR DE LAS VARIABLES I NTE RME DIA S A, B , C Y D A= R2/ S B =(X2 + XM)/... C=B•X2 + A D= B X M + C INPUT "Xl=";X l •

•

•

250 INPUT "R l=";R l 260 LET X2 F=C XM/D 270 LET R2F=XM '21D 280 LET XT=Xl + X2F 290 LET RT=R l + R2F 300 ZT=(R n + xr-a r.s 310 I NPUT "RM=";RM . 320 IW=(l/ZT) (R T/ZT) + 1/R M 330 I2W=( l/ZT) ( R T/ZT) 340 IX= (l/ZT) XT /ZT 350 I=( I W"2 + IX"2)'.5 360 ILI NE A=I IBA SE 370 I2=( I 2W"2 + IX"2)'.5 380 INPUT "PERDIDAS MEC A NICAS="; FAW 390 LET FW= FAW/PBA SE 400 T=I2"2•R 2F - FW•(l - S)'2

Circuito equivalente del motor de Inducción CORR IE NTE DE LI NEA= 12.47961

PAR U NITAR I O= 1. 034329 PAR EN LB·PIE 30.17849 POTENCIA E N HP 10.03299 WATTS DE E NTR ADA= 8512.809 EFICIENCIA = .8792172 FACTOR DE POTENCIA= .8950883

•

•

DATOS Y VALORES CALCULAD OS

•

•••••••••••••••••••••••••••••••••••••

•

•

TI =T TBASE 420 H=(l - S) T•H P 430 PE NT=IW•PB ASE 410

•

•

440 EF=(l - S) T/JW 450 FP=IW/l 460 LPRINT "DATOS Y VALORES CALCU LADO S" •

470 LPRINT ..

480 490 500 510 520

530 540

LPR I NT LPRJ NT HP LPR INT LPR I NT LPRINT LPR INT !LI NE A LPR INT LPRI NT

•

POTE NCIA  NOMINAL= 10  NO. DE POLOS= 4 VOLTS POR FASE= 254.03 DESLIZAMIE NTO= .015 CORRIE NTE DE LINEA= 7.259824 PAR U NITARIO= .5525735 PAR EN LB·PIE 16.12237 POTE NCIA EN HP 5.442848 WATTS DE ENTRADA= 4679.603 EFICIE NCIA= .867673 FACTOR DE POTE NCIA= .8458175 DATOS Y VALORES CA LCUL ADO S

••••••••••••••••••••••••• '':

"POTENCIA  NOMI NAL= "; " NO. DE POL OS=" ;P "VOLTS POR FASE ="; V "D ESLIZAMI E NTO= ";S "CORRIENTE DE LI NEA="; "PAR U NIT A R IO=";T "PAR E N LB .p¡ E";TT

550 LPRINT "POTENCIA E N HP";H 560 LPRI NT "WATI'S DE E NTR ADA="; PE NT 570 LPRINT "EFICIE NCIA=";EF

•••••••••••••••••••••••••••••••••••••

POTE NCIA  NOMI NAL= 10  NO. DE POL OS= 4 VOLTS POR FASE= 254.03 DESLIZAMIE NTO= .06 CORRIENTE DE LI NEA= 21.64912 PAR UNITARIO= 1.698043 PAR EN LB·PIE 49.5436 POTENCIA EN HP 15.9616 WATTS DE ENTR ADA= 1421 1.85 EFICIE NCIA= .8378466 FACTOR DE POTENCIA= .8613988 El programa puede modif icarse con f acilidad para hacerlo iterativo y caJcular en f orma consecutiva varios puntos de las curvas de funcionamiento. Otra característica del programa es que si no se asigna un valor al deslizamiento, el programa mismo introduce un valor que corresponderá a un punto cercano al de operación nominal del motor. Para ilustrar el uso del programa se han calculado los valores correspondientes a tres condiciones de traba jo del motor de 10 hp, para el cual se ha determinado el valor de las constantes

sso

LPRINT "FACTOR DE POTE NCIA="; FP 590 LPR INT:LPR I NT 600 END DATOS Y VALORES CALCULADOS •••••••••••••••••••••••••••••••••••••

POTENCIA NOMI NAL= 10 SO. DE POLOS= 4 \ULTS POR FASE= 254.03 DESLIZAMIENTO= .03 43

·-.-, _------- --;

Pr incipios generales

del cir cuito equivalente en las  páginas anten or es. Dichas condiciones cor responden a un  punto cer cano a la  potencia nominal con deslizamiento del 3 %, un segundo  punto donde el desliza· miento es del 1.5 % y que da  por r esultado una  potencia de salida del 54 % de la nominal, y un ter cer  punto con un 6 % de deslizamiento y casi un 60 % de sobr ecar ga. Una ventaja más de expresar las constantes del cir cuito en valor es por unidad es el hecho de que tales valores no difier en mucho para motores de diseño similar , aun cuando su potencia nominal sea muy dif er ente. El hecho de que las resistencias y las reactancias queden r eferidas a distintas bases hace que un valor siempre se encuentr e dentro de una  banda más o menos estr echa, en vez de estar muy separado de los demás valor es como ocurr e cuando se emplean valor es absolutos en vez de r elativos (p/uJ.

vocar daños al equi po aco plado o a] motor mismo. Por otra  parte, las em presas de suministr o eléctrico limitan en ocasiones la  potencia máxíma de un motor que puede arr ancar dir ectamente (por conexión dir ecta a la línea),  con lo cual se hace necesario elegir un método alternativo  para cualquier motor que exceda dicha potencia. Arr anque a tensión reducida

Cuando el arranque dir ecto por conexión sim ple a la r ed no es conveniente,  pueden consider ar se var ias o pciones a fin de realizar el ar ranque a tensión r educida. En todos estos métodos se considera el hecho de que en tér minos  prácticos la cor r iente de arranque se reduce en forma dir ectamente  pr o por cional al voltaje y el  par de arr anque se reduce en  pro porción dir ecta al cuadr ado del decremento de voltaje. Tales métodos se examinan en seguida, y son: 1) 

1.4 

2) 3)

ARRANQUE DE MOTORES DE INDUCCIÓN

4) 5)

.

Con r esistencia en serie Con reactancia en serie Con autotr ansf ormador  o com pensador  Con cam bio estr ella-delta Con devanado parcial

Ar r anque con resistencia en ser ie

1.4.1

Métodos de arr anque

Los siguientes son los  pr ocedimientos o sistemas de ar ranque más utilizados para los motor es de inducción. Arr anque directo (a  plena tensión)

Las normas NEMA para los dif erentes diseños de motor es de indu cción esta blecen valor es mí· nimos del par de ar ra  nque que el motor de be de· sarrollar en función del  par nominal. En dichos valores se considera que el ar ra  nque  del motor se efectúa conectándolo dir ectamente a la línea de alimentación; es decir, a plicando el 100 % del voltaje nominal a las terminales del motor o, en otr as  pala bras, se pro porciona arr anque d irect o al motor . El pr ocedimiento anterior es ace ptable en motor es de baja capacidad,  pero puede ser o b jeta ble en motores de 10 o 15 hp en adelante, toda vez que la corriente que toma el motor ser á del or den del 500 o 600 % de la nominal, lo que además de producir una caída de volta je momentánea en toda la red de alimentación puede pr o44

Este método consiste en inter calar  cier to valor de r esistencia entre la línea de alimentación y las terminales del motor dur ante el periodo de arranque. Una vez que el motor alcanza su velocid a d nominal, la resistencia adicional de cada f ase se retira del circuito mediante  puenteo, como se indica en la f igur a 1-31. La caída de volta je en las resistencias  R haría que la tensión en las terminales del motor se r edu jer a en un 20 % en el caso típico, o sea al 80 % del volta je nominal, con lo que la corr iente de ar ranque se r educir ía al 80 % del valor nor mal y el par de arr anque al 64 % del valor nor mal. Desde lue go que las r esistencias deben estar dimensionadas  para disipar una cantidad impor tante de energía durante el ar ra  nque,  por lo que en algunos casos su costo  puede r esultar com par ativamente alto. Un r efinamiento del esquema ilustr ado en la figur a 1-31 consistiría en dividir la r esistencia en dos o más secciones que ir ían retirándose del cir cuito en forma sucesiva, con lo cual la corr iente cam biaría en f or ma gradual y no en un solo paso.

 Ar ranque de motor es de inducción

R 

Motor 

 R

 R Fig. 1-31.

Arranque con r esistencia en serie. aplicado a la s terminales del motor , con menor disipación de calor. Esto se ilustr a en la f ig ur a 1-32. Desde luego, con este método se dificulta eliminar la r ea ctancia ad icion al  por  pasos, como en

Arranque con reactancia en serie Si los r esistor es de la figura 1-31 se sustituyen por r eactor es, o sea bobinas de conductor de co b r e dispuestas alrededor de un núcleo de hie r ro  , es  posible lo gr ar  la misma r edu cción en el vo lta je

 X 

Motor 

 X 

 X  Fig. 1-32. Arranque con r eactancia en sen e. 45

-------,

Pr incipios gener ales elegir una tensión de arranque entr e un 50 y un 80 % de la línea . Par a efectuar el arr anque del motor se cerr arían los contacto s a en la s figur as 1-33 y 1-34, con lo cual el motor quedaría conectado a un  por-

el caso de la r esistencia,  por lo que el arr anqu e con reactancia en serie se emplea menos f re  cucntemente. Sin em bar go, cuando se trata de motor es de 2 300 V, puede resultar la alte r nativa

más económica.

m

 , .La.---

1

a m

a

a

Fig. 1-33 . Com pensador de arr anque en conexió n delta a biert a. centaje de la tensión de línea seleccionado de antemano. Una vez que el motor hubiese alca nzado su ve locida d normal se a brirían los conta ctos a y se cer ra  r ía n lo s m , con lo que el com pen sador quedaría fuera del cir cuito y el motor qu e daría conectado dir ecta me n te a ta línea. El cir cuito de contr ol está previsto par a evitar que, en caso de una inte r rupción momentánea, el mo tor  pueda volver a arrancar conectado dir ecta mente a la te nsión plena . Examinando el circuito  puede advertirse una de las princ ipale s ventajas del co m pen sado r . Si se hub ier a elegido la derivación corr es po ndien te a un 50 % de la tensión de línea, la corriente de arranque del motor se reduciría también a pr oximadamente al 50 % del va lor a tensión ple na,  per o la mitad de esta corr iente la  pr o po r cion a ría el au to tr an sf onna do r  por transf ormación, y la mitad r estante  provendría directamente de la línea de alimentación. Lo ante r ior sig nif ica que la corriente de lín ea se reduciría a la   cuarta parte del valor normal, lo que es equivalente a una r educc ión en la corriente de arr anque  pr o po r cion al al cuadr ado de la r educción en voltaje. Por ninguno de los dos métodos de arr anque ya de scr itos es posible logr ar este decremento. En este análisis,  por supu e sto, no se consider a la corr ie nte de excitación que se r equiere  para el f un cío-

En el caso típico, la r educción de voltaje buscada  por este método es también de un 20 %,  por lo que los valor es de la corriente y del par de arranque disminuir án en la misma pr o po r ción que en el caso del arr anque con r esistencia en serie; es decir , al 80 y 64 %, r es pe ctiva me nte. Desde lu ego , como la cor riente de arranque del motor está sumamente atrasada res pecto a la tensión, la r eactancia que debe inte r cala r se tendr á un valor mucho más  bajo que en el caso de la resistencia  par a o btener la misma caída de vo lta je. Arr anque con autotra nsf onnador  o com pensador

Este método es  posiblemente el que  pr esenta mayor es ve n ta jas y por ello el más utiliz.ado en la pr áctic a. El compensador de arranque  puede estar construido con dos bo binados conectados en delta abierta (o V), como se ind ica en la f igur a 1-33, o con tr es  bo binados conectados en estr ella, como en la figur a 1-34. En ambos casos, los devanados del com pensador se conectan dir e ctamente a la r ed de alimentación, y tienen derivaciones que per mite n aplicar a las te rmina les del motor cierto  por centa je de la tensión de línea. Los compensador es de arranque nor malmente tienen varias derivaciones que  per miten 46

 Ar r anque de motor es de Inducción

namiento del autotransfor mador , y que incr ementaría liger amente el valor de la corriente de línea . Podría  parecer que el com pensador r e pr esenta un costo compar ativamente elevado. Sin em b ar go. si se consider a que un autotr ansf or mador  puede manejar un mayor volt-am per a je que un transformador normal, y que dicha ca pacidad sólo se usará durante el br eve la pso del arr anque. puede concluirse que el compensador consti.tuye una opción económica, sobr e todo si se utiliza roo la conexión en V. que sólo r equier e dos  bobinados.

Arr a nqu e con cambio estre lla -delta

Si se tiene un motor que f unciona nor malmente con sus tr es devanados conectados en delta (.6.), es posi ble cambiar la conexión a estr ella (Y) durante el arr anque. Mediante este cambio de conexión, cada f ase del devanado r eci birá solamente el volta je nominal divid ido entr e \(3 , Jo que equivale a ef ectuar el arr anque r educiendo la tensión al 57. 7 % de la nominal. Por otra  par le, el cambio de delta a estrella significa que la corriente de línea ser á igual a la corriente de fase. lo  que se traduce en una reducción total de la  corriente de línea de 0.577 x 0.577 = 0.333,

m

a

m

a

'""�

�mi--� -,-� -+��� / o

a Fig. 1-34 .

Compensador de arr anque en conexión estr ell a.

Cabria agregar que la r educción en el  par de arranque utilizando un com pensador es tam bién  propor cional al cuadr ado de la reducción en el volta je. De este modo, los valores obtenidos con un compensador de ar ranque de diseño nor mal serían:

o sea al 33.3 % de la normal. Lo anter ior equivale a decir que en este tipo de arr ancador tanto la corr iente como el par de arranque se r educen tam bién en forma  pr o por cional al cuadrado de la  reducción de volta je.  Esto se ilustr a cuantitativamente en en la figur a 1- 35, tomando como  base un motor  de 15 hp, seis polos, 460 V, 60 Hz

 Den" va ción (% d el  vol ta  je nominal  )

C or r ient e de ar ra  nque ( % de la nor mal   )

de ar r anque (% del nor mal  )

80 65

64 42.2 25

64 42.2 25

50

 P ar 

Los valor es corr es pond ient es  par a los métodos (1) y (2) se rían: 80 80 64

-··.-----,

Principios gener ales

cuya corriente de arr anque a tensión nominal es de 100 A. Como puede apreciarse en la figur a 1-35, el mismo númer o de bo binas que en la  par te (a) estaban conectadas a un volta je de 460 V quedan conectadas según la  parte (b) a una tensión de 265.6 V, por lo que la corriente que en (a) er a de 57.7 A en cada fase se reduce en ( b)

del devanado de ber án quedar accesibles. De be considerarse tam bién que el  par disponible es sólo la tercera  parte del normal, y  podría no ser

suficiente  para aceler ar la carga en un tiem po r azona ble. Hay que indicar asimismo que la tr ansición de una conexión a otr a  puede  pr ovocar una cor riente transitoria de gr an intensidad, a 1

100 A

/o60V

460V

'*º j"" ¡1=

io

26 6

57.7X 4

:33 .3"'

(�

(a)

Fig. 1-35. Ejemplo de arranque   con cambio estr elladelta.

menos de que se agregue una r eactancia en serie  para limitar  dicha corriente.

de manera  propor cional al voltaje a plicado, a sólo 33.3 A, y esta misma intensidad de corr iente es la que debe entregar la línea de alimentación. De este modo se r educe la corriente de línea de 100 a 33.3 A.

1

a

Fig. 1·36.

Arr anque con devanado  parcial Este método tiene la venta ja de que es muy sim-

l-i

1a

a

m

1m

1

m

Cucuito  par a arranque con devanado  par cial.

 ple a la vez que ef icaz  para r educir la corriente de arr anque. Consiste en alimentar sólo la mitad del devanado en el momento del arr anque, con lo cual la im pedancia a r otor  bloqueado que el motor  presenta se eleva entre un 25 y un 75 %,

Para poder emplear este sistema de ar r anque es necesar io desde luego que el motor esté diseñado  par a o per ación en delta (.6.) y que se es pecifique al fabricante que el ar ranque será en estrella (Y); de este modo, todas las ter minales 48

 Arr anque de motores de Inducción seccion es par alelas en el devanado, cuya co nexión  puede ser en estrella o en delta. Pod r ía

q::m las características  particular es del devaGJo k, anterior. la corriente de arr anqu e r � a nn 60 u 80 % de la normal. y el  par  :S, �e ea el caso típico a un 75 % del o btea!lo �  p1cna _ Uoa cz que el motor al.::m:::::J. .:xitz ,"docldad _  mediante una transición r : A"c d 2.1ww ?AY  permite conectar todo el .::et:m.» par;¡ qce la máquina funcione nor ;;;:J1;;;e;;e E.lll b figura 1-36 s,e ilustra este  p r o:eS eñO :;;ru..

•

cr eerse que cualqu ier motor construido  par a oper ar a dos volta jes distintos (como 220/440 o 2301460)  podría arrancar así,  per o esto no siem pr e es posi ble. Es necesario ver if icar  con el f a bricante del motor la posi bilidad de que el diseño  permita o no el arranque con devanado  par cial. La o peración del arrancador en sí es su ma· meme sencilla. como  puede apreciarse en \a fi-

••

1

....., --- <,

-----"s.-

\ 1

/

- ---

/

<,

\

 )

 Arranque normal

/

 Ar r anQue coo devanado par cial

'" fig. 1-37. Curvas  par -velocidad de un motor en los casos de arr anque norma l y con devanado  par cial .

de su sencillez, este método no está � de  problemas, ya que al conectar sólo la � dd devan a do se crea una distr  ib uc ión no �u.a:i: del campo magnético que in tr odu :::a. :c::=oua:,s  pares de consider a ble magnitud , ,\es se manifestarán en forma de ruido y lill .:e� en la gráfica  par -veloc idad, co mo ..cs:::a en la figur a 1-37. � reducciones o caídas en el  par pue den rn �e el motor alcance su velocidad no r ::ua.. ce ooe ra ción. ?rl. =ilizar el método del devanado pa r cia l 5 re::=:sa..,o que el motor tenga  por lo menos do s

g ur a 1-36. Inicialmente se cierran los conta ctos a , que  pertenecen a un mismo contactor , y uno s segundos des pués se cierran los contactos m , que de penden de un segundo contactor .

.¡,_ �

La figur a 1-38 es el diagrama de un motor de cuatr o  polos en el cual se observa que existen dos  posi bilidades  para la conexión corr espondiente a arranque con devanado par cial:

,:

I)

49

Alimentar inicialmente los grupos de  bo binas marcadas I y 10 en la fase A; 9 y 12, en la f ase  B; 8 y 11, en la fase C. Es decir , gru pos eontiguos de una misma f ase.

---,,

-·.-·---

Principios generales

II)

Tomando como  base los valor es de la tabla an-

Alimentar inicia lm ente los gr upos de bo binas marcadas l y 7 en la  fase  A; 3 y 9, en la fase  B; 5 y 11, en la f ase C. O sea, gr u pos diametr almente opuestos de una misma Iase.

terior puede re presentarse en una sola gr áfica el arranque de un motor cuyo par a r otor  bloquea do es del 160 % a tensión plena, a fin de  pode r observar el com portamiento de la curva par -v e-

Fig. 1-38. Pos ibilidades de conexión  para arr anqu e con dev ana do  p ar cia l. La conexión oonf onne a la  pr imera o pción locidad al aplicar cada uno de los métodos semencionada  produciría la mayor reducción de ñalados, y hacer comparaciones con la curva cocorr ie n te,  pero se acompañaría de un mayor nirrespondiente a un ar r anque dir ecto (por cone vel de ruido. La otra conexión  posi ble sería más xión sim ple a la lín ea ). Esto se r epresenta en la equilibrada,  por lo que el ruido se aminor aría figur a 1-39, de cuyo examen pueden o btenerse algunas conclusiones:  pero la corriente de arr anque sería ma yor . Recapitulando lo visto hasta ahor a es pos ible a) El ar r anque con cam bio estr ella-delta pr oestablecer la siguiente ta bla compar ativa  para los duce la curva  par-velocidad más baja,  por cinco métodos de arranque descritos. Los valores son pr o me d io . lo que sólo puede utilizarse  para poner en

 Ar r anque

Con resistencia en serie Con reactancra  en serie Con autotr ans f orrnado r  o compensador  Con cam bio estr ella -delta Con devanado  par cial

V ol t a je

C or r ient e

 P ar 

(%)

(%)

( % )

80 80

80 80

64 64

80

64 33 65

64 33 75

100 100

50

Arranque de motores de inducción

R esistencia x corriente de línea del motor 

marcha cargas que no opongan demasiada r esistencia mecánica en el arranque, como ventilador es.  b) El arr anque con devanado parcial de be emplear se con  precaución, debido a las fluctuacio nes de par que ocur ren siem pr e. c) El arr anque con compensador  pr oduce una curva uniforme en la que el par siem pre es  pr ácticamente  pr o por cional al por · centa je en que se reduce la tensión aplicada.

En el arranque, la corriente del motor es muy intensa y tiene un factor de  potencia muy bajo, y en ese momento es cuando la caída en la resistencia tiene el valor esti pulado, que en este caso se fi jó en un 20 %. A medida que el motor se aceler a, la  corr iente disminuye y, por tanto, apar ece un mayor voltaje en las terrr nnales del motor. Esto hace que el par del motor 

 Arranque con r es1stenc:. a en sene  Arranque con r eactancia en serie

ººí �1111�....�.-.�.-..�..-..�. -� ····� ····§;: ···-

'

.........

'º

;��. . -:;�� - ;r-1/

', ·---� ..... -c-,

.: --�.\�I

:n�� \ �

-

1

 Arranque con cambio estrella-deha

¡

.:

.//

/

I

I  1

20

1 1

1

I

l

' 7 

•

I 

. ·l 

y

/

 Arr anque dir ecto (a tensón plena)

 /  � //  f'  . i  ./-'/  .

f '

I  I 

1 1

1 o'--������� ���������� 100 150 200 so o Par ( %)

Fig. 1-39. Curvas  par -velocidad resultantes según los métodos de arr anque consider ados.

d)

vaya incr ementánd ose en forma  pr o por cional al cuadr ado del voltaje que a par ece en dichas terminales. e) En el arranque con reactancia en serie, el efecto mencionado es todavía más nota·  ble, en vir tud de que la caída de voltaje a través de la r eactancia es el pr oducto de

El arr anque con resistencia en serie  per mite o btener mayor par máximo que en el caso del com pensador . Esto se de be al hecho de que el voltaje que se aplica a las terminales del motor es el de línea menos la caída en la resistencia, que es igual al  pr oducto: 51

-·.-,------,

Pr incipios gener ales

.

ésta por la corriente (en extremo atr asada) que toma el motor en el arranque, y como el ángulo de fase de tal corriente va cambiando a la vez que se r educe su intensidad, el par del motor se va acer cando

de una planta, y pueden sim plificarse además los esquemas de control y de  pr o te cción .

Arranque de motores con rotor de doble jau la Se ha venido r e iter ando que la corr ie nte de arranque de un motor de inducción es var ias veces mayor que la corriente nominal de o pe r ación del motor. Este elevado valor se debe al hecho de que la im ped an cia que  presenta el motor en e\ in stante en que se a plica la tensión de línea es muy  ba ja y está f ormada por la r esistenc ia de l estator y del r otor, la reactancia de ma gnetización y la s r eactancias locales corres pondientes al flu jo de dis pers ión. Una solución que parece obvia par a r educir la

al valor que tendría a tensión plena, ya que el voltaje en la s terminales es cada ve z más próximo al nominal a medida que la velocidad del motor aumenta . Arranque de motores alimentados con tr ansf or ma dor  pr o pio Cuando se considera el arranque de motores de  potencia elevada y tensión alta su per ior  a los 2 300 V,  puede resultar económico alimentar 

13.2kV

Translorm ador es de 13 200/4160 V

óó ó

Otros eervtcos

Fig. 140. Diagr ama unifilar de una instalación con tres motor es alimentados cada uno  por su  pr o pio tr ansf or mador .

cor r iente de ar r anque es la de incr eme ntar la r e sistencia del r oto r , con lo cual además se ele va el  par de arr anque. Sin embar go, este au mento de r esiste ncia se tr aduciría en menor eficiencia y mayor deslizamiento cuando el motor estu vier a en operación normal. Si se opta por in cr eme nta r la r eactancia, se sacrificará en cam bio el f actor de potencia y el par máximo que  puede entr eg ar el motor ,  por lo cual ésta tam poco es una bue na so lución .

cada motor con un transformador  pr opio de ca pacida d adecuada, como se ilustr a en la f igur a 1-40. De esta f or ma la reactancia del tr ansf or mador , que puede es pecif ica rse en un valor más alto que el no r ma l, sirve como reactancia de arr anque y limita la corriente a r otor  bloqu eado a valor es ace pta b le s. Con este método se aminoran tam bién la s pe r tur  bac ion es  pr oducidas  por el ar r a nque de una máquina de gr an ca pacidad en el sistema gener al 52

-

-·--

-

Arranque de motor es de inducción

está cer ca de la super f icie del rotor, y a que su ár ea tr ansversal es relativamente r educida. La  jaula f or mada por las  bar ra  s contenidas en las  partes B tiene  ba ja r esistencia y alta r eactancia, con lo cual la mayor parte de la cor riente de ar ra  nque se ver á  desplazada hacia las  barr as  A. De esta for ma se logr a un  par elevado y se reduce la cor r iente durante el ar ranque. A medida que el motor adquier e velocidad, la cor r iente tiende a cir cular  por las  bar ras B, con lo cual la r esistencia del rotor se r educe y se o btiene deslizamiento nor mal y mayor ef iciencia.

La alter nativa más adecuada  para r esolver el  problema es utilizar una doble  jaula en el r otor , con lo cual las car acterísticas de ar ra  nque  pueden mejor arse nota blemente. Esta solución no es nueva,  pues ya a f ines del siglo  pasado OlivoDo browolsk y había ex puesto sus tr aba jos sobr e un motor de inducción basado en este  pr inc ipio, y en el cual se  reducía de maner a consider a ble la cor r iente de arranque. Sin embargo, algunos f abr icantes se r esistier on al empleo del motor de do ble  jaula, quizá  por que su cálculo es mucho más comple jo que el de jaula sencilla.

 B

Fig.

1-41.

Ranur a del r otor de doble  jaula.

La  parte C de las r anur as se par a las dos  por ciones de la  jaula y debe ser  tan delgada como sea posible, sin que se  produzca satur ación magnética bajo la máxima corriente que  pueda cir cular por las bar ra  s B. Si la construcción del rotor de doble  jaula se hace soldando barr as individuales a los ar os de los extr emos, las  bar r as  A  pueden ser de un mater ial de baja conductividad, como latón, en tanto que las  barr as B pueden ser de cobr e, y la  par te C de unión no existiría. En esta constr ucción, los aros de los extr emos de cada jaula pueden ser ind e pendientes y de dif er ente mater ial.

En esencia, el motor de doble  jaula utiliza un estator seme jante al de cualquier otr o motor ,  per o con laminaciones en el rotor  pr ovistas de r anur as como la que se ilustr a en la f igur a 1-41. Este ti po de r anur as  para alo jar las  barras subsana las dificultades antes mencionadas; es decir .  pr esenta alta r esistencia y baja reactancia dur ante el arranque del motor , ya que  pr ácticamente toda la cor r iente circula por las bar ra  s contenidas en la  pate  A de la r anura (f ig. 1-41) . En otr as  palabras, la  jaula formada por las  barr as contenidas en las  partes  A tiene alta resistencia y  ba ja r eactancia de bid o a que cada una de sus  barr as 53

..,------;

Pr incipios generales

--�···-·

 A

'"'"

B

1= .-

 AB

Corte S-B

(a)

( b)

Fig. 1-42.  Rotor es de do ble jaula. a) Construcción con soldadur a;  b) const rucción con aluminio colado a  pr esión.

0.12 0.03

0 . 10

Reactancia (X,)

0.08 002 0.06 0015 004 001

o

0.2

0.6

0. 4

ne

Des�za,meoto

Flg. 1-43. Cam bio de los valor es de r esistencia y rcactancia en un r otor de do ble jaula de a\ummio en función del deslizamient o (valor es por unidad).

54

 Ar ra  nque de motores de Inducción

río) hasta el punto de plena carga ( deslizamiento  bajo, menor de 0.05). Se muestran valor es r eales corr es pondientes a un motor de mediana potencia, equi pado con r otor de doble  jaula de alu minio colado a  pr esió n. Como  puede a pr eciar se, la r esistencia a par ente del r otor en el momento del arranque es casi tr es veces mayor que la que presenta a carga plena, en tanto que la r eactancia aumenta  pr ácticamente al do ble de su valor inicial desde el ar ra  nque hasta el punto de car ga  plena. Este a juste en los  par ámetr os de o peración del r otor sólo es  posible si se emplea la constr ucción de doble  jaula. La figur a 1-44 permite compar ar las car acterísticas  par-velocidad y corr iente-velocidad de dos motores de igual  potencia nominal, uno provisto de rotor de  jaula sencilla de construcció n ordinaria, y otro con r otor de doble  jaula. Puede a preciarse claramente que este último motor tíe-

Sin em bar go, la constr ucción más económica consiste en f ormar el paquete de laminaciones e inyect ar aluminio a presión par a llenar las r anuras  A y las B, así como la garganta C, con lo cual se obtiene de hecho una tri ple jaula. En este caso, los aros de extremo son comunes a las  jaulas y están constituidos del mismo material que las  barr as. Este tipo de construcción tiene el inconveniente de que la única forma de elevar la r esistencia de las  barras superior es es hacer las con una sección tr ansver sal r elativamente pequeña.  No obstante, como la mayor parte de la corriente de arr anque cir cula  por estas  barr as, esta  porción de la  jaula a bsorbe la mayor  parte del calor que se gener a en cada ar r anque, lo cual hace que un motor de este ti po no sea muy adecuado par a poner en marcha car gas de iner cia elevada, sobr e todo cuando deben ef ectuar arranques f re  cuentes. En la figur a 1-42 se ilustran los dos ti pos de construcción mencionados.

--

1QQr -- ...���".::':��::::�;z�; 80

........ ........_

Par , motor de doble ¡a ula Par , motor de  jaula

  ), I 

\¡

sere na

Cor r iente, motor de  jaula sencill a

f 1

cemente. mo � de •

doble ,aula

1

\\ \\

\\

20

\ 1

Par {% del nominal) Cornente (% de la nominal)

Flg. 1-44 . Com par ación de car act erísticas  par -velocidad y corriente-velocidad de motores de jaula sencilla y de do ble  jaula.

Par a ilustr ar la f orma en que se modifican los valor es de r esistencia y de reactancia del r oto r , en la figur a 1-4 3 se grafican estos valor es desde el momento del arr anque (deslizamiento unita-

ne  par de arr anque mucho más elevado con menor cor riente que el de jaula sencilla; es decir , el  par por unidad de corriente es más de dos veces mayor para el motor con r otor de doble  jaula 55

.--------,

Pr incipios generales

1.5

que para el de jaula sencilla. Sin em bargo, ca be señalar que la curva par -veloc idad del motor de doble jaula tiende a descender después del instante del arr anque, y su va lor máximo tiende también a ser menor que en el caso del motor común.

CO NTROL DE LA VELOCIDAD DE LOS MOTORES DE I NDUC CIÓ N

Un motor de inducción es en esencia una máquina de velocidad fi ja, ya que en la mayor parte de los casos su velocidad de o pe r ación no difier e

Neutr o

Neutro

Línea

Línea

(a)

(b) Conexión serie-estr ella par a oper ación a cuatro polos

Conexión de dos secciones paralelas en estrella para la  operación a dos polos

Fig. 1-45 .

Diagrama de un motor de  polos consecuentes  par a oper ación a dos y cuatro  polos.

56

Contr ol de la velocidad de los motor es de Inducción

lo que se des plaza el número or iginal de polos y de este modo el motor así conectado gir a a 1 800 rpm. Con esta conexión pueden obtenerse  por tanto dos velocidades, con la limitante ya mencionada de que deben guar dar  por   fuerza la relación de dos a uno. Desde Juego. si el motor debe tra bajar a velocidad muy baja tiene que estar en  posibilidad de desarrollar mayor par y. por consiguiente, su volumen activo de materiales de be incr ementarse y  pasar se a una armazón mayor . Además, el hecho de tener que diseñar un devanado tr atand o de satisf acer los requisitos de dos númer os de polos diferentes o bliga al diseñador a ado ptar algunos valor es que distan mucho de ser  id eales. Hay tr es  posibilidades  par a conectar  los devanados en alta y en baja velocidad:

más de un 5 % del valor de la velocidad síncr ona. la cual está definida por el númer o de  polo s "! la fr ecuencia de la fuente de alimentación, conforme a Velocidad síncr ona = x f r ecuencia númer o de  polos 120

(1-20)

Si se trata de incr ementar el deslizamiento para hacer que el motor f uncione a más baja velocidad, las pérdidas en el r otor se incr ementan y la eficiencia se reduce,  por lo cual éste no es d camino más con venie nte. Examinando la ex pr esión 1- 20 r esulta clar o que. como ya se dijo, sólo hay dos variables que afectan la velocidad: la frecuencia y el númer o de  polos. Por tanto, si se desea var iar la velocidad es necesario modificar uno de estos  par ámetr os. 1.5. 1

a) Ser ie-delta en ba ja velocidad y dos  par alelos-estr ella en alta velocidad  b) Dos paralelos-estrella en baja velocidad y serie-delta en alta velocidad e) Ser ie-estr ella en baja velocidad y dos par alelos-estr ella en alta velocidad

Contr ol por medio del númer o de polos

El método más sencillo y más utilizado par a o btener dos velocidades dif erentes en un mismo En la f igur a 1-46 se  pr esentan las tres  pos ibimotor es el de pol os consecuentes. Este méto do,  pro puesto  por Dahlander , per mite o btener dos lidades de conexión mencionadas; L , 1 L2 y L3 velocidades en la relación 2:1 mediante un cam- son las tr es líneas de alimentación. Como se in bio en las conexiones del estator. En la  figur a dica en la figur a, la conexión a ,  para  par cons1- 45 se pr esenta el diagr ama de conexiones de un tante ,  per mite o btener  prácticamente el mismo motor de polos consecuentes. En la  parte su pe- valor de  par a las dos velocidades. De hecho, el rior se muestran los gru pos de bo binas, y sólo se  par en  baja velocidad es del or den del 20 % maind ican las conexiones para la fase A a fin de sim- yor que el par en alta velocidad.  plificar el diagrama; en la parte inf erior se muesLa conexión de la f igur a 1-46 b,  para  pot encia tran las conexiones  par a los gr u pos de las tres const ant e ,  per mite o btener casi la misma  potenf ases. Como puede ver se en la  parte a de la f i- cia a ambas velocidades si el factor de  potencia gura 1-45, los gru pos cor respondientes a cada y la ef iciencia no varían. Sin embar go, dicho facfase se conectan en paralelo en la forma nor mal, tor se r educe al aumentar el número de polos, y con lo  que el motor oper a sincr ónicamente a lo mismo ocur re con la ef iciencia,  por lo que a 3 600 rpm alimentado con tensión de 60 Hz. En la velocidad menor la  potencia será sólo del orcam bio, en la  parte b los gru pos se conectan en den del 80 % de la corr es pondiente a la velociserie, con lo que los gru pos  A1 , C3 y 85 quedan dad mayor. invertidos con r es pecto al diagrama original. De Por último, la conexión de la figur a l-46c, par a este modo los  dos gr u pos de cada fase tendr án  par var iabl e , hace que el  par en  baja velocidad la misma  polaridad magnética ; es dectr , ambos sea el 70 % del par en alta, de ahí el nom bre de serán nor te o sur , dependiendo de la dir ección conexión de par var ia ble. de la corriente. Como el flu jo magnético tiene La conexión de par constante se utiliza  par a que buscar un camino de regr eso, se crean polos car gas en las que la f ricción es el f actor domivirtuales entr e cada par de  polos físicos, con nante. La conexión de potencia constante se em57

Pr incipios generales

L,

(a )

Ba1a veloc idad

 Alta veklcl dad

4

3 2

(  b) Baja velOC!d ad

L,  Alta veloctdad

4

L,

(e)

Baja velocidad Fig. 14'.

 Alta velocidad

Conexiones de motores de dos velocidades. a) Par a par constante; b) para potencia constante; e) para par vana ble.

58

Contr ol de la velocidad de los motores de Inducción

existen otr os ti pos de cargas, como los hor nos rotatorios y algunos ti pos de máquinas centríf ugas, que no se prestan a tal a juste de velocidad. En las figur as 1-47 a 1-49  pueden a pr eciarse mejor las dif er entes características o btenibles en alta y  ba ja velocidad con los tr es tipos de conexiones para motores de polos consecuentes. Si la a plicación requiere que el motor opere a dos velocidades que no están en la  relación 2: l ,  puede emplearse otr o método par a cam biar  el

 plea con frecuencia en máquinas-herr amienta, en las que el hecho de que se  pueda obtener el do ble del par reduciendo la velocidad r esulta sumamente útil, mientr as que la conexión de  par varia ble sólo se aplica en ventilador es o cargas seme jantes, en las que el par se reduce en f orma  proporcional al cuadr ado de la  velocidad. Cuando se r equier en más de dos velocidades es posi ble colocar un segundo devanado en el es· tator , el cual a su vez puede usarse para o btener 

Veloodad alta

Velocidad baj a

Par nommal Par (%)

Fig.1-47. Curvas par -v elocidad  para motores de par constante.

una o dos velocid ades. De este modo r esulta f acti ble una gran variedad de combinaciones, aunque  por lo gener al se trata de no tener valor es demasiado se par ados entr e sí. Por e jemplo, un devanado  par a 4 y 8  polos, y un segundo devanado par a 6 y 12 polos, of r ecer án la  posi bilidad de o per ar con velocid ades síncr onas de 600, 900, 1 200 y 1 800 rpm. En algunas a plicaciones  resulta satisf acton o este tipo de contr ol  por pasos discr etos,  per o

númer o de  polos del motor . Este  pr ocedimie nto se denomina modulación de l a am pl it ud  pol ar

(PAM, de pole am pl itude modulat ion) y f ue descubierto en 1957  por el pr ofesor Rawelif fe  , de la Universidad de Bristol, Gr an Br etaña. La modulación de la am plitud polar  per mite o btener com binaciones de dos diferentes númer os de  polos con un solo devanado mediante la reconexión de seis ter minales, como en el caso de polos consecuentes, y son posi bles combina59

Pr inc ipios gen era les velocidad normal de o pe r ación en la conexión de  baja velocidad, el control  puede cam biar a la conexión de alta velocidad sin detener la mar ch a del motor , aunque la alimentación  podr ía in terr umpirse durante un la p so aproximado de 1 s (un seg undo ). En la f igur a J-50 se  pr esentan las curvas par velocidad y co rr ien te-veloc id ad de un m oto r PAM de par varia ble, de 10 y 8 polos. Ahí  puede a pr eciarse que la cor riente de ar r anque se r ed uc e sustancialmente y ocurre un nuevo pico de corriente en el instante  en que se r ealiza el cam b io 10 a 8  polo s. de conexiones de

ciones de velocidad de 1:4, 2:3, 2:5 , 3:4 , 3:5 , 4:5 , 5:6, etc. Los motores con modulación de la am plitud  polar  pueden f a b r ica rse también con car acter ísticas de  par var iable, par constante o  po tencia co nstante. Existen aplicaciones en las que el motor PAM  permite obtener mayor ef iciencia incluso que un motor común de una sola veloc idad. Un caso tí pico ser ía el de un ven tilado r con el que se  pr etendiera r egular el flujo de air e desde a p r oximadamente un 20 % hasta un 100 % del flu jo nominal (m3/min ).

Velocidad al!a

Veloc!dad baJa

Par (%)

Fig. 1-48. Curvas par-velocidad  para motores de  par  var iable.

Con el sistema de modulación de la am plitud se pueden colocar dos devanados inde pendien tes en el estator  para obtener cuatro veloc idades.

Un motor del tipo PAM r e presenta asimismo una ventaja im portan te en el arranque, ya qu e es  posible utilizar la conexión de ba ja veloc idad  par a reducir la corriente y el volt-a m pe r a je (k VA) de ar ranque, lo que permite utilizar lo acoplado a una car ga de mayor in er cia de la qu e sería recomenda ble  para la  potencia nominal en esta velocidad. Una vez que se ha alcanzado la

1.5.2

Control  por medio de la f retuencia

Como se dijo al p r inc ipio   de esta sección, almo 60

Control de la velocidad de los motores de Inducción

Línea de potaooa constanta

1 1

1

VeloC!dad atta

1

1

l

]¡

\

\

\

t--t-1�--.:.._ 

:§� 1

100

Veloodad baja

20 0

Par (%)

Fig. 1-4 9. Curvas  par -velocidad para motor es de potencia constante.

--- ·--......

curve par -velocidad en alta velocldad

�  A

"""·�, ;, . ., ""'" .

,

en ee;. �

-

•

Curva  par-ve4ocldad

en baja V9loadad

1

¡' ;

,

---

\

''\

\

1

1

1

\

Q.Jrva comente-velocidad en alta v elocidad

61

Principios gener ales

dificar la f r ecuencia de alimentación de un motor de inducción cam bia la velocidad del cam po magnético r otatorio, al igual que la velocidad de o per ación del motor . Es necesar io desde luego que el cambio de f r ecuencia vaya acom pañado de un cam bio en la tensión a plicada  para evitar que la corriente magnetizante se eleve en f orma des pr o por cionada. Si,  por el contr ar io, se tr ata de mantener constante la r elación volta je-f r ecuencia, es posi ble o perar el motor con un  par  pr ácticamente constante y o btener una variación continua de la velocidad en una gama  bastante am plia. Esto permite elegir entr e una gr an variedad de curvas  par -velocidad, que son casi una imagen a escala unas de otras, como se o bserva en la figur a 1-51. El cam bio coordinado de voltaje y de fr ecuen-

Flg. 1-51.

cia puede obtenerse por medio de un cir cuito que r ectifique la corriente de línea y después tenga una etapa de inver sión a f recuencia var ia ble con ajuste simultáneo y pr o por cional del volta je. 1.5.3

Control por medio del deslizamiento

Puede o btenerse un contr ol limitado de la velocidad de un motor modificando el voltaje de alimentación, con lo cual se modifica su curva  par velocidad. Este método sólo se aplica en motores de ca pacidad r educida y que o per an con car gas de velocidad var ia ble. Como se mencionó al  pr inc ipio de esta secció n, no es conveniente incr ementar el deslizamiento,  pues esto va acompañado de

Curvas  par-velocidad de un motor de indu cción a dis tintos valor es de hecuencia l  constante. y relación V  f  62

Control de la velocidad de los motores de Inducción

Bl.!(lles  pér didas en el r otor . Por tal moti vo, ese cétodo sólo se aplica en motor es  pequ eños, t:111 b cuales la s  pér didas adicionales  pue d e n =t'C:Slderarse  poco im porta ntes en términos r e·

único que varía conforme se agr ega r esistenci a es el deslizamiento al cua l ocurre el par máximo, hasta llegar  al  punto en que se obtiene dicho  par en el arranque. Si continúa agr egándose r esistencia, la curva par -velocida d sigue des plazandose hacia la izqu ier da, y se obtienen pares d e arr a nque cada vez menor es. El agr egar resistencia al cir cuito del r otor tiene  por tanto un ef ecto más, que es el de mod ificar el  par de ar ranque r educiendo al mismo tiem po la corriente de ar ra  nque.  No existe una r elación linea l entre los valor e s de r esistencia que se agrega y el par de ar ra  nque, según puede a p r eciarse en la f igu r a 1-53. En cam bio, la corriente de arr anque sí disminuye a medida que se incr ementa la r esistencia ex terna. En lo que respecta al motor ya en o p er ación, el agr egar r esistencia lo situar á en una nueva cur va  par -velocidad, donde par a un valor deter minado de par la velocidad ser á menor , lo que

=·

Ll.. _. Contr ol en motores de rotor deva na do  E;; an motor de rotor devanado (o em bo bina do ) � llene acceso al cir cu ito del r otor a tr avés de .os. anillos rozantes (o de contacto),  por lo que a  posible intr oducir  resistencia adicional en el ;i:opio r otor , como se muestr a esquemática menr en la fig ur a 1-52, y obtener cierto gr ado de �n de velocidad. Esto tiene la ventaja de q:r las  pér didas extr a no tienen que disiparse en !::l. rotor , sino en el con junto de r esistor es agr e pdos. que es externo al motor en la mayor p art e -2  jos

casos.

L

,

L

Resistencia

L,

externa

Fig. 1-52 .

Diagrama de un motor de r otor devanado. equivale a decir que la  velocidad del motor  puede controlarse en cier to in tervalo por medio de la resistencia en el cir cuito secund ario . En la  pr áctica, la velocidad  puede r edu cir se hasta el 50 % de la nominal, aunque no es  pos ible o per ar el motor a esta veloc idad en f or ma continua puesto que un sistema de venti lación serla in ca paz de mantener la tem pe r atur a del motor dentro de lo s límites  per mis ib les. Como se indica esquemáticamente en la figur a 1-52, la resistencia externa se agr ega en « p a so s»,

La curva  par -velocidad de un motor de r otor  .:::lcT20ado sin resistencia externa es muy simila r ah de un motor con rotor de jaula simple, como r l!:!stra en la figur a 1-53. Esta curva se o bt en· ::::a operando el motor con los anillos en co r ax:::.::cito.  _.\ :.;edida que se intr odu ce r e siste ncia en cad a 25e dd. rotor se modifica gradualmente la curva ;:ar �ad manteniendo prácticamente el :ii&:JO par máximo, el cual de pende de la s r ea c� de dis persión del estator y del r otor; lo 63

Pr incipios generales

Fig. 1-53. Curvas  par-velocidad para un motor de r otor   devanado con cinco pasos de aceler ación.

motor es existentes por otros de alta eficiencia. Quienes tienen a su cargo la su pervisión de per sonal del ramo eléctrico coinciden en que es necesario actualizar los conocimientos de dicho  personal a medida que nuevos sistemas sustít uyen a los de máquinas existentes. En el  pasado, cuando un motor suf ría des perf ectos se r e par a ba o bien se reemplazaba por otr o idéntico; en cam bio, en la actualidad �y ésta seguirá siend o la tendencia en el f utur o-- se pr ef ier e optar por un nuevo motor «de alta eficiencia».

 por lo cual el control de velocidad se r ealiza tam bién en incr ementos discr etos. Dependiendo de las necesidades de la aplicación es posi ble incr ementar o reducir las etapas o « pasos» según los cuales se agrega la resistencia, lo que permite un control más o menos preciso (fino) de la velo· cidad.

1.6

VALOR ES CARACTERÍSTICOS DEL

PAR EN UN MOTOR DE I NDUCCIÓ N

Tener un conce pto clar o del  par de r otación (o «tor que») y comprender  bien la terminología relacionada con él son requisitos esenciales  par a la elección y la a plicación adecuadas de motor es. Esto es válido no sólo en el caso de motor es nuevos, sino tam bién cuando se trata de r eem plazar 

1.6.1 Genera lidades El concepto de  par d e r otación (o sim plemente  par) es equi par a ble al de fuerza. Sin em bar go, este último término se emplea generalmente al hablar de movimiento rectilíneo, y el de par se 64

Valores car acter ísticos del par  en un motor  de Inducción

m ·  Na par tir de  P en k W.  K = 9549.3;  pa r a Ten m · k gf y P en kW. K = 973. 7:  para Ten  pies ·  lbf  y  P en hp,  K = 5 250.

:mliz::a en relación con un movimiento r o ta torio. !:..l realidad. el par es el momento de una f uerz a �  producto  por la distancia (r adio) a un centr o ::re !IIO o línea e je a propiados) y se ex pr esa en m unidades corres pondientes de distancia y txrza. En otr as  palabras, el par es la fuerza de ':la:JÓn o torsión , y la medida del efecto r otaaooal que  puede  producir un motor (fig. 1-54). Ln motor de inducción tí pico desar r olla va r ios

1.6 .2

Diversos valor es de  par ·

El par de arranque , conocido tam bién como « pa r a r otor  bloqueado». es el que desar r olla el moto r 

Fig. 1-54. Es esencial un conce pto claro del  par de r otación  para poder seleccionar  y sustituir   motor es adecuadament e, como en el caso de este motor de inducci ón de 30 h p que acciona una cr  ibador a centrífuga grande. El mecanismo de  banda y  polea está res· guardado por el gr an con junto de la  base de acer o. También es im por tante el dimensionado correcto de las pole as, que tendr á un ef ecto significativo tanto en la velocidad como en el

 par .

al ser  puesto en marcha y corr esponde al  pu nto (1) de la figura 1-55. Una vez que el motor se ha puesto en movimiento, el par tiende por lo  común a un valor más bajo conoc ido como  par mí nimo ,  punto (2 ) de la figur a. Como  puede a pr eciarse , este valor  del par se produce cuando el motor apenas ha alcanzado una f r acción de su velocidad nomina l. El par máximo es el valor más alto de par que  puede desar r ollar el motor sin que tienda a f r enarse. Como  puede ve r se en la figur a, el  punto (3) cor r es pond e al valor máximo de  par en la curva  par -velocidad. Se le lla ma también « par de desenga nche»,  por que es el valor de par que hace que el motor disminuya de velocidad súb itamente y tienda a «deseng an charse» de la car ga (e s p ec ia lmen te en el caso de un motor síncr o no ).

 pares característicos. Como  puede a preciarse en la figura 1-55, el par desar ro  llado depende so br e todo de la velocidad. La f órmula básica para la  potencia  P ilustr a la r elación entr e el  par T  y la velocidad n en r evo luc ion e s  por minuto: ', T n P =-  K 

(1-21)

Esta expresión es del todo gen er al y ada pta ble convenientemente a las máquinas r otato r ias. Des pe jando , KP 

T =-  n

(1-22)

donde  K es una constante. Para obtener T en 65

Pr incipios generales

El  par normal es el que desar r olla un mo tor  par a pr o porcionar la  potencia nominal a la velocid ad n o minal (de plena carga),  punto (4) de la f igur a. El  par d e aceleración es la difer encia entre el  par desarrollado por el motor y el par r equer i do  por la carga a una velocidad dada. Este par extr a está repr esentado  por el área com pr endid a entr e

ahor a tienen menor ca pacidad de disi pación de calor que sus antecesor es. Si se conocen los valor es de par de r otación y de calor gener ado durante el arr anque,  podrán hacerse coincidir el motor y su car ga con más exactitud par a los requisitos de a plicación (f ig. 1-56). Los motor es con armazón «T» tienen menor  tamaño que los antiguos de la misma potencia.

(4 Jf'ar & pltn& <*gl

I 

I 

I I 

z

1

1

,-

,,

(3)P.,,,..._ 

�-

C...V&dO  par 

(§ 1 P..-dO

,,

..

12JP

I

ll)f'ar dO

-

Fig. 1-55. Curva  par-velocidad de un motor . la curva de par del motor y la de par de la carga. El punto (5) de la f igur a 1- 55 ilustr a la magnitud del par de aceler ación a un valor de velocid ad

Se requier e menos metal en su construcción de bido al empleo de aceros con grano orientado, en los cuales las moléculas tienden a alinearse en la misma dir ección y no en forma aleatoria, como en el acer o común. El acer o de gr ano orientado es más eficiente. Además, se han cr eado me jores clases de aislamiento par a estas máquinas, lo cual les per mite f uncionar con normalidad a tem pe r atur as más elevadas. Estos factor es,  ju nto con la r educción corres pondiente en la cantidad de aluminio o co br e utilizados en los devanados, se combinan  par a que los motores de ar mazón « T » sean más  pequeños;  por ello han aumentado la posibilidad de sobr ecalentamiento, pues no existe un inter valo entr e la temperatura de operación y la máxima temperatura posi ble. Cuanto más caliente funciona un motor y más tiempo per manece a esa alta tem peratura, más  pronto suf re daños ser ios,  pues el aislamiento es de un compuesto químico cuya duración de pende de la temperatur a y el tiem po en que se mantiene. Es f ácil calcular el par de rotación y

determinado. Es im per ativo que el  par de aceler ación sea adecuado par a  poder aceler ar una carga de iner cia elevada sin que el motor tienda a frenarse o a sufr ir calentamiento excesivo. Una conclusión impor tante a la que puede llegarse observando el diagrama de velocid ad y  par es que el par del motor de be ser  siempre mayor que el r equer id o  por la car ga a cualquier velocidad menor que la nominal; en este punto se igualan los dos  par es.

1.7

CÁLC UWDEL PAR YD EL C ALOR GE NER ADO DURANTE EL AR R ANQUE

La ef iciencia de un motor es más elevada cuando éste f unciona lo más cer ca posi ble de su  potencia nominal o a plena carga. Sin em bar go, los motor es con armazón del ti po «T» que se utilizan 66

Cálculo del par y del calor generado dur ante el arr anque ción  para acelerar su rotor y la carga. A fin de determinar si puede hacer lo, se com para la curva de velocidad-par del motor con la car acterística

el calor generado durante el arr anque, y la in· fonnación o btenida puede utilizarse par a hacer concordar la ca pacidad del motor con lo s r equisitos de la car ga. De esta f orma se logr a el máximo aprovechamiento de la ener gía disponible  par a el si stema .

de velocidad y par de la carga, teniendo  pr esentes los momentos de iner cia de r otor y carga. A veces, mediante una sencilla com par ación de

•

Fig. 1-56. Mor or con ar mazón t ipo «T ,., con menor ca pacidad de dis ipación de calor  que sus antecesores pero de menor   tamaño y mayor tem per atur a  de operación normal.

La inf or mac ión necesaria  par a calcular el  par de arranque y el calor gener ado deben o btener se de los f abr icantes del motor y del equipo im pulsado. Entre la inf ormación necesaria se incluyen tiem po  per mitido con rotor bloqueado, diagramas velocidad- par -cor r iente del motor y de la carga, y momento de iner cia de la carga  por im pulsar .

gráficas, se deter mina si el par es adecuado. En el caso de motor es de gran potencia suele ser ne· cesar io realizar cálculos. La técnica que se describe enseguida se conoce como método de integr ación g rá  fica.

E jem plo

Se utilizarán las f igur as 1-57 y 1-58,  junto con los datos de los fabricantes del motor y del equ ipo impulsado,  par a calcular los valor es que apar ecen en la figur a 1-59. (L as conversiones a unidades métr icas se realizan con las equivalencias 1  pie·  lbf  = 1.3558 m ·  N = 0.1382 m · k gf .) Las

l. 7 .l Cálculos r equer idos El motor debe producir suficiente  par de rota67

JOO

600

�

""

-

':

zoo

"º --

'

--·

---

•

�

'''

--

--- /-

r-. V

'

/ 

'

;.

:

'º o o

ac

'º

50

'

''

60

90

80

10

V9k>c:ldf,d IIÓ'ICtontl (%)

Flg.1,57. Curvas velocidad - par -corriente de un motor de 250 hp, 460 V, 60 Hz, tr es f ases y 1 780 rpm. Par a plena carga = 740 pies·  lbf ; corriente a plena car ga = 285 A; momento de inerci a del motor = 31.

curvas de la figur a 1-57 son típicas par a un motor de diseño B de 250 h p; la curva de la figur a 1-58 es típica para un ventilador con car acterísticas de iner cia elevada.  Supóngase que los f a br icantes

 pr o por cionan los siguientes datos: tiem po máximo  permitido  par a disminuir de la corr iente de arranque a la corriente de o per ación nor mal, 10 s; momento de iner cia del rotor , 31  b l ·  pie2:

•

/

"o

/

o

,oo

1/ 

--

V 

- /

r ºo

1

C?;

í  _.-¡r

" "

54

'

'

1

1

7.2

90

108

2 .6

1

1

4 .4

1

Fig. 1·58. Curva  par -velocidad de un ventilador de tir o f orzado de 1 no rpm y momento de iner cia = = 1 645, con las aletas compuerta de entrada cerr adas .

.

62

1

V� (rprn X 100)

8. 0

1

600

,..L.

-- -�·

1

200

'

"

- -·

---

--

N

' •

--

--- .c

1

t

••

\

/ 

1

'

"'

 A

:

1

' 1

20

"

"

30

60

Velocidad fflCftlN.

80

70

('11,)

Curvas velocidad- par-corriente de un motor de 250 h p, 460 V, 60 Hz, tres f ases y 1 780 rpm. Par a  plena carga = 740  pies ·  lbf ; corriente a  plena carga = 285 A; momento de inercia del motor = 31. Flg.1-.57.

curvas de la figura 1-57 son tí picas para un motor de diseño B de 250 h p; la curva de la figur a 1-58 es típica  para un ventilador con características de inercia elevada. Supóngase que los f a br ica ntes

 pro por cionan los siguientes datos: tiempo máximo permitido  para disminuir de la corriente de arr anque a la  corriente de operación normal, 10 s; momento de iner cia del rotor , 31 lb·  pie':

"º

/ 

ese

/

20 o

"º -- -- -

'

o

--

-

/  /  �

/ 

' '

� V

1

1

º,

"

36

5.4

9.0

7.2.

8

10.

2 .6

1

4 .4

1

16

Veio<:ldmd (rpm X 100)

Curva  par -velocidad de un ventilador  de tiro f orzado de 1 770 rpm y momento de inercia = = 1 645, con las aletas com puerta de entr ada cerr adas.

Flg. 1·58 .

68

2

8 O

1

Calculo del par y del calor generado durante el arr anque

v,....., 1

del motor ( %)

11

111

Comont,

Comente del motor  del motor (% carga (amper es)

 _ ,

IV

Par del % ="" (

)

vt V Volta je del motor r esultante (%) del motor ( %)

VII

'" '""'

la carga (%)

VIII Par neto (%1

IX Par neto {pie en

-, X Tiempo

, X

,,

Ws)

0.9 1

2,317,967 2.311 ,107 2,279 ,113

010

560

'596

teo

95.7

1 46 5

68

145.8

1078 9

,020

550

1568

'55

95.7

142 0

1.01

141.0

10 '3.

eo-ac

535

1525

150

95.8

137 7

2.02

135 .7

1004.2

"' 0.98

30-40

525

1'96

1'7

95.9

1352

•

73

130 .5

9657

1.0 1

2,260 .396

'so-eo "º

515

""

"'

960

1327

8 11

1 24 . 6

922.0

1.06

2,284 .32 5

96.1

130.2

12 50

117.7

871 O

1 12

2,274 ,300

1397

1.,

962

1296

18 24

11 3.4

839.2

1.17

2,283 ,38 3

""

tss

963

''"'6

23"

tac 1

8887

110

2.0 16.648

60·70

7000

500

1'25

"º '75

'"

80-90

,so

1283

195

96.5

181

so.ac

151.2

1118.9

0.88

1,448 ,558

90-100

370

1055

270

97.1

25'.6

37 50

217.1

1606.5

0.6 1

676 ,94 5

Total tiempo r ecorrido

9.78

-

Total /21

Fig. 1-5 9.

C ol umna 5. La caída de tensión en el motor ,  por la caída en la línea y la regulación en la f uente, es máxima al arranque y disminuye conf or me el motor aceler a hasta su velocidad nominal. Par a el motor en cuestión, supóngase una caída de 20 V (de 460 a 440 V) en el momento del arr anque. Esto significa que el voltaje en el motor en ese momento es de 440/460, o sea el 95.7 % del nominal. Par a mayor sencillez, el voltaje del motor durante cada intervalo se considera como el cociente del porcenta je de corriente nominal y el porcentaje de corriente de arr anque, multiplicado  por la caída inicial de volta je. Par a el intervalo del 50 al 60 %, la caída de tensión sería de 500/560 x 20 = 17.9 V. (El  por centaje de corriente de ar ranque se o btiene de la curva de cor riente de la figura 1- 57, al O% de velocidad.) Luego, el volta je del motor en ese intervalo de velocidad es de 450 - 17.9 = 442.1 V, que es 442.1 460, o sea el 96.1 % del volta je no minal. C olumna 6. El par varía en f orma a proximadamente  pr opor cional al cuadrado del volta je. Por tanto, los valor es  por centuales de  par  para cada intervalo de velocidad se o btienen multiplicando el valor de la columna 4 por el cuadr ado del valor de la columna 5. Par a el intervalo

C olumna 2. Se entr a a la escala horizontal de la figur a 1-57 en el centr o de la gama de velocidades, señalado con la línea  punteada. Se avanza entonces verticalmente hasta la intersección con la  curva de corriente, y se sigue hacia la der echa para leer el porcentaje de la cor riente nominal (de  plena car ga) en la escala vertical del lado  derecho. Las líneas discontinuas de la f igur a indican que el motor toma el 500 % de la corriente de plena carga cuando está entr e el 50 y el 60 % de su velocidad síncr ona. Columna 3. Se multiplica la fracción de am per es (en decimal) obtenida por los amper es de  plena car ga.  Para el intervalo del 50 al 60 %: X

20.154 742

Resultados de los álculos.

momento de iner cia de la carga, 1645  lb· pie2• Los valores de las columnas 2 a 11 de la figur a 1- 59 se calcularon como sigue:

5.0

-

285 = 1 425 A

C olumna 4. Se vuelve a entrar a la escala horizontal de la f igur a 1- 57 en el centro del inter valo de velocidad. Se avanza hacia arriba hasta la intersección  con la curva de par del motor , y se sigue a la izquier da hasta leer  el por centa je de  par en la escala vertical del lado izquier do. 69

Principios gener ales

del 50 al 60 %, se tiene que 1.41 x 0.9612 = = 1.302, o sea el 130.2 %. Columna 7. En la f igur a 1-58, la curva ve locid ad- par del fabricante del ventilador se ha dividido en 10 inte rvalo s de velocidad de 180 r  pm  par a que concuer den con los 10 intervalo s de las curvas del motor. Se entra a la figur a 1-58 en el centro del interva lo de velocidad, se avanza ver ticalmente hasta la inters ección con la curva y se lee el valor de par en la escala del lado izquier do . Para el intervalo del 50 al 60 % de velocidad del motor (que corresponde a la veloc idad del ventilador de 990 rpm), el  par es de 92.5  pie ·  Jbf . Luego, este valor  se convie r te al  porcentaje de  par nominal d el mot or. (Posteriormente, los r esultado s finales se conver tir án de valor  por centual a valor en  pies·  lbf .). El  par nominal del motor es de 740 pies ·  bf  l (fig. 1-57 ), de donde 92.5n40 = 0.125, o sea el 12.5 %. El  par neto es el  producido  por Columna 8. el motor menos el que requier e la car ga, o sea el valor de la columna 6 menos el de la columna 7. Par a el intervalo  del 50 al 60 %, ese valor  es de 130.2 % - 12.5 % :::: 117 .7 %. C olumna 9. Para conve r tir el  porcenta je de  par neto a un valor en pies·  Jbf , se multi plica el valor de la columna 8 por 740, que es el par nominal del motor: 1.177 x 740:::: 871 p ies·  lbf . Col umna 10. El tiem po requerido (6.t)  pa r a cada intervalo de velocidad (6.n) se ex pr esa  por la f ór mula 6.n

X }

6.r ::::---

308 T 

(1-23)

dond e: 6.n :::: variac ión de la velocid ad J :::: momento de iner cia (car ga + r otor ) T ::::  par neto desarr ollado (de la colum na 9) En este e jem plo, la variación de ve loci dad es de 180 rpm, el momento total de iner cia es de 1 645 + 31, o sea 1676  bl ·  pie2, y el valor  308 es una constante. Por tanto, el tiem po transcurrido en el intervalo del 50 al 60 % de la velocidad es:

(180 X 1 676)-;- (308 X 871.0 ) = 1.12 s. 70

Después se suman los incr e mentos de tiem po  par a cada in terv alo de velocidad de la colum na 10, a fin de ev alu ar  el tiem po total r equer ido  par a aceler ar la car ga hasta alcanzar la velocidad nominal, tiempo que en este caso es de 9 .78 s. Dado que el fabricante del motor es pecificó un tiempo máximo de 10 s par a que la corr iente del motor decr ezca hasta su valor de plena carga, el r esultado de 9.78 sind ica que el motor es adecuado para impu lsar  la car ga. Col umna 11. La pér dida de  potencia por cale nta miento en cualquier sistema eléctr ico es básicamente la  pérdida i 2 R; es decir , la que deter mina el  producto del cuadr ado de la corriente y la r esistencia eléctrica. De bido a que los r otor es y estator es de los motor es  pr esentan r esistencia eléctrica en el momento del arranque (r otor bloqueado), debe es per arse que se gener e calor . Cuando la masa total de armazón, r otor y conductor es se consider a en términos de sumid er o (disipador) de calor , la sob r et em per atur a o cale nta miento no parece ser un  pr o blema. Sin em  bargo, en el ar ranque no hay tiem po suficiente  par a tr ansf er ir  y almacenar calor , y esta blecer  el equilibrio tér mico. Los límites de tem pe r atu r a  pueden alcanzarse en cuestión de segundos. El tiem po requerido  par a aceler ar la car ta en este ejem plo (9.78 s) es muy cer cano a los 10 s  permitidos. Lo anter ior  puede tener consecue ncias graves, en especial en el  primer ar r anque, cuando el lu bricante quizá esté muy viscoso. Casi todos los fabricantes inf or ma n dos valor es: uno  para el arr anque en fr ío y otro par a el arranque en caliente. Es  pos ible obtener una a pr oximac ión sencilla del valor f2 t (calor generado  por efecto f2 R,  po r unidad de resistencia) para ver if icar  que no se exce der án lo s límites térmicos del motor dur ante el  periodo de ar ranque. El valor i2 t máximo se o btendr á cuando cir cule la cor r iente de arr anque, en el in stan te en que el r otor está  bloqu ea do o inmóvil. En la figura 1-57 se o bserva que la cor r iente de arranque es el 560 % de 285, lo s amperes a  plena carga; es decir , 1 596 A. Par a los 9 s  permitidos, la pér dida í2 t máxima  perm is ible seria de 1 5962 x 9, es decir : 22 924 944 A 2 , s. Cuando se calcula el valor  í2 r  par a cada intervalo de veloc idad de las figu r as 1-58 y 1-59 y lo s r esultados obtenidos se sum a n, se obtiene la

 pérdida f t total durante el periodo de arranque de 9.78 s  para este ejemplo, lo cual ya se hizo en la columna 11. Par a el inte rva lo de veloc idad d el 50 al 60 %, 1 425 A2 (columna 3) x 1.12 s (columna 10) = 2 274 300 A2 · s. La suma de los valores de la columna 11 es de 20 154 742 A2 s que es menor que el valor máximo  permitido de 22 924 944 A 2 · s. De be tenerse  pr esente que ésta es una cifra conservadora,  pues en gen er al el tiem po  para arranque en caliente es menor que el tiem po  par a ar r anque en frío calculado, y no se han incluido toler ancias  para la tr an smisión de calor . Por tanto, el motor es adecuado  para la car ga y se adapta a lo s requisitos de ésta, tanto en tiempo de aceleración como en valor f t . Par a fines  pr ácticos, en especial en el caso de car gas con baja iner cia, como en los ventilador e s im pulsor es y extractores de air e, suele ser suficiente un cá lculo en un solo interv alo. Así, en este e jemplo se utilizaría un solo intervalo o paso de 1 800 rpm en vez de diez  paso s de 180 rpm. •

1.8

C ARGA ÓPTIMA DE UN MOTOR

Si se cuenta con datos de eficiencia de un mo tor de indu cción en dos  puntos de car ga cualesqu ie ra, es posible calcular las pérdidas par a cualqu ier valor  de la car ga. Estos cálculos indican que ele gir un motor de modo que funcione con car ga cer cana al 100 % de su  potencia nominal quizá no sea la solución más económica . El ahorro en potencia ha llegado a ser crítico con los actuales costos de la energía. Ya se utiliza n sistemas de ilum ina ción más eficientes y económicos; otr o ahorro im po rtante de ener gía eléctrica se obtiene r ed uciendo las pérdidas en los motores de in ducción. El hacer fun cionar  estos motores a su máxima eficiencia es una  pr áctica de ingeniería im portante que  permite una considerable economía. Hay en la actualidad motor es de alta eficiencia que tienen un pr ecio más elevado,  pero la r educción en las  pér didas ayuda a amortizar su costo inicial más alto. Es im portante  poder determinar las pérdidas en cualquier motor  para un valor dado de la car ga, si se desea seleccionar el motor más co nveniente en cuanto a costo  para una aplicación dada.

Carga óptima de un motor  Deter minación de las  pér d idas pa ra cualquier  condición de car ga

1. 8 . 1

Si se o btienen valores de eficiencia de un mo tor

de indu cción par a dos cargas distintas (fig. 1-60), es  posible determinar las pérdidas a pr oximad as en ese motor dado un valor cualquier a de la car ga. Por lo gener al, los f a bricantes indican la s ef iciencias para 100 y 75 % de la car ga nominal, de modo que aquí se utilizarán esos valor es. Las  pér didas cor r es pondientes se calculan mediante las f órm u las L,00% - 0.746 hp 1

L7 5 % = 0.746 (0.75 h p)

.l

Ef 1c w0 1

. l

Eñ c - ,

- 1J

(1-24)

- 1J

(1-25)

%

%

dond e:  pérdida de  potencia al 100 % de car ga (k W )  L.,5
,¡¡,

Enseguida se  pr esenta  por pasos la f or ma en que se calculan dichas pér didas.

 Paso 1. Se determinan las  pér didas a plena

car ga (L100 ,¡¡,) y al 75 % de car ga (L75 %)· P aso 2 . Las  pérdidas  principales en los mo tores son de dos tipos: fi jas y variables. Se su pone que las  pér didas f  ija s no cambian entre las condiciones desde sin car ga hasta la  plena car ga. Esto no es totalmente cierto,  pero sí muy a p r o ximado, por lo cual lo s err or es que se comet en no son im po rtantes. Entr e tales pér didas se in cluyen las pérdidas magnéticas en el acer o, el efecto de fr icc ión en los co jinetes o chumacer as, y la pér dida por r oce con el aire dentr o del mo to r . Las pér didas varia bles son las de car ácter eléctrico por  pertur   bacione s en la car ga, en los conductores de estator y r otor , las cuales varían en  pr o po r ción al cuadrado de la cor riente (f  ) con esencialmente constante. Así, r esistencia 71

Pr incipios generales

Fig. 1-60. Unida d  de prueba de motor es utilizada par a determinar las  pér didas, el factor de potencia y otr os dalos de f uncionamiento de motores reales en diver sas condiciones de car ga. Y 100 91,= Y 7591,=

(1-26)

a

b

(1-27)

LO

0.75 =  pérdidas variables (kW) =  pérdidas fijas (kW)

Sustituyendo los valor es de Y , estas ecuaciones toman la  forma:

donde:

 L100,¡¡,=a+ b

Y

= relación de  potencia =

-

 L.,5

 potencia desar r ollada (hp ) �������� � �  potencia nominal (hp)

%

= 0.5625

a

+b

Despejando las  pér didas variables: 72

(1-28) (1-29 )

carga óptima de un motor 

=

L100 % - Ln (1 - 0.5625) a

a= Lioo

%

-

%

=

= 0.4375 a L¡5

0.4375

%

(1-30) (1-31)

Y despejando las pér didas fi jas:

b= L100%-a

(1-32)

Si ahora se define el nuevo término e como las  pér did as fijas por unidad de potencia (1 h p) a  plena car ga: b   c =-  - 

L100

los fa br icantes. El cálculo cor r esponde a un caso típico, y en la ta bla 1-2 se  presentan lo s r esul-

tados para ocho motor es difer entes (A a H ). Su pón gase  un motor  NEMA B de 10 hp, 1 800 rpm y las eficiencias  pu blicadas Efic100 % = 0.86 y Efic.¡5 % = 0.86 (el motor A de la tabla). A p licando las  fór mulas 1-24, 1-25, 1-28 y 1-29, se tiene: L100% =0 .746 X 10[---1 1 = l.2144k W 0.86  L 1S %

= 0.746 X {0.75 X 10 )1---11 0.86 =0.9108k W

=

(1.30)

(1.31)

(1-33)

%

4\11, =0 .56 25a +b= 0.9 108k W Es posible ahora o btener una fórmula para la s  pér didas ( L ) a cualquier valor dado de ca r ga, desde carga cer o hasta plena car ga:

 L = L,oo% (e+ Y 2 (1 - e)]

1.8.2

(1-34)

Restando la ecuación 1-25 de la 1-24:

0.4375a = 0.3036 k W Despe jando a , b y e:

Com paración de las pérdidas caJcu ladas con las r eales

Con ob jeto de verif ic ar  los r esultados de esta f ór mula, enseguida se calculan las  pér didas con el método anterior  para diversas cargas en motor es instalados, y se comparan con datos obtenidos de

0.3036 = 0.6939 k W .4 37 5

a = O

b = L100 e

b

-

= -L100 %

a = 0.52 05 k W = 0.4286

(véase el pie de la ta bla 1.2)

Tabla 1·2. Pérdidas reeíes y caJculadas aJ 50 % de carga  P é r d idas al 50 % de carg a ( k W )   P ot encio.  P or cent a je nominal (hp ) C al cul ad as  Real es de er ro  r  e  Motor  -2 .32 0.4286* 10 0.7105 0.6940  A 2.0722 2.1384 50 +3.19 B 0.5457 1.( )698 -13.95 30 0.2402 1.2433 e 2.18 79 2.1081 0.4286* 50 -3.65 D 3.4565 3.2435 +6.57 O 4286° 100 E 1 -3.09 60 0.3127 1.946 F 1.8859 G 0.2737 0.7218 15 0.7630 +4.84 0.3063 H 20 0.7831 -7.39 0.7252 Si las eficiencias a los dos valores de car ga elegidos  para deternunar e son las mismas, e: será constante e igual a 0.4286. Cuando no se tienen datos r eales del motor , en el caso de motor es gr andes con curvas de eficiencia a planadas, e  puede •

consider arse igual a 0.4286 sin que ello im plique error es a pr ecia bles.

Pr incipios gener ales Entonces, la ecuación para la s pérdidas en este motor a cu alqu ier carga pasa a ser : L = 1.2144 [0.4286+Y' (1 -

que in f or man  par a un motor dado es más a lta que la correspondiente en Estados Unidos. En Europa se utilizan otros métod os. Al com par ar motor es fabr icados con normas de distintos  países, hay que cer cior arse de que las eficiencias se evalúan con la  misma base . Los fabr icantes de Estados Unidos ind ica n las eficiencias  pr omed i o de sus motor es. Un f a bricante que tenga un buen contr ol de calidad  producirá motores muy cercanos a ese valor promedio de ef icien cia. Un fabricante con un con· trol de calidad no muy estr icto  puede logr ar el mismo valor  pr omedio,  pero con consider a ble dis persión en tr e los valores de los motores in dividuales. Los error es, en este método de cálculo de las  pérdidas en un motor, son pequeñ os si se toman en cuenta las  posibles variac ione s r especto de los valor es  promedio inf or mados  por el fabricante, y los resultados  pueden emp lea r se sin riesgo para tomar decisiones orientadas a su adquisición .

0.4286)1(1-35)

que se r educe a: L = 0.5205 + 0.6939 Y2

(1-36)

A una car ga del 50 % ( Y = 0.5): L =

0.6940 (calculada )

Los datos del fabricante ind ican una ef iciencia  de 84 %, de modo que, con base en la ecuación 1-25: L = o.746 (0.5 x 10) [ o.� - 1] =

= 0.7105 kW (r eale s)

Error =

0.7105 - 0.6940 x 100 = 2.32 % 0.7105

1.8.4

Puede ver se en la ta bla 1-2 que este método de cálculo pr oduce r esultados muy cer canos a los datos del f abricante. La variación en las pér d idas según la carga depende del fabricante y del ca ballaje, velocidad y tamaño de armazón del motor .  No es  posible  pr e decir la,  per o  puede calcularse  por el método descrito . 1.8.3

Aplicación de los cálculos

El  procedimiento de scr ito es útil para hacer com paraciones en tr e motores de difer entes tamaños o para sele ccionar  entre lo s de ti po estándar y los de alta eficie ncia,  para una carga es pe cífic a.

E jem plo Supóngase que se desea compar ar un motor de 40 hp con uno de 50 hp,  para una car ga real im pulsada de 37.5 hp. Empleando el método descrito así como las eficiencias a plena carga y al 75 % de la car ga que indica el fabricante se o b tienen los sigu ientes r esulta d os:

Eficiencia de los motores

Casi todos los fabr icantes de Estados Unido s  prue ban la eficiencia de los motores de I a 500 hp con dinamómetr o, conforme a la nor ma IEE E 112-1977, método B. Con ello se logr a la unif ormidad de los datos por inf or mar , aunque  permite cierto grado de interp r eta ción  perso nal al aplicar las pérdidas eléctr icas de pendientes de la carga per o ind eter mina bles. El r esultado es una ser ie de variaciones en los r esultados, se gún sea quien efectúe la  pr ueba. Actualmente se ela bora una nueva nor ma más estricta  para el método de corrección por pér didas eléctricas ind eterminables a f in de evitar esas variaciones. Los fabricantes  japoneses de motores no toman en cuenta la s pér did a s de ese tipo, y la eficien cia

 P oten cia

 E   fic

nominal  100 % 40 h p 89.0 % 90.5 % 50 hp

 fic  E  75 % 88.0 % 90.0 %

e

P ér did as

a 37 .5 hp

0.6057 3.512 k W 0.5288 3.108 k W

La carga real es de 37.5 x 0.746 = 27.975 k W,  por lo que la eficiencia de cada motor con car ga es: Ef ic40 = 74

 potencia de sa lida =  pot encia de entr ada

Car ga óptima de un motor 

=

27.975 27 .9 75 +. 3.512 Eficso =

=

X 100

=

kVA =  potencia a par ente de entr ada k V.Ar=; potencia r eactiva desa rr ollada ,-w =  potencia activa de entr ada e· = ángulo cuyo coseno es el factor de po-

8$.85 %

 potencia de salida =  pote n cia de entr ada

27.975 X 100 = 27.975 + 3.I Oll

----�

tencía

Los r esultados de estos cálculos  para los do s motor es se resumen como sigue:

90.0 % kW tan e kVAr  k VA

La reducción en las pér didas del motor de 40 h p res pecto al de 50 h p ser a:

40h p 31.487

SOh p

31.083

0.426 13.41 3 34.225

0.395 12.277 33.422

3.512 - 3.108 = 0.404 k W P.or  tanto, en este e jem plo, el motor de 50 h p

Hay que examinar tam bién el factor de po ten cia y la  potencia r eactiva. Segú n los datos del f a.  bricante, a 37 .5 h p el motor de 40 hp tiene un factor de  poten cia del 0.92 al 93.7 % de car ga , y el motor de 50 hp, un f acto r  de potencia del 0.93 al 75 % de carga. Con los valor es de car ga determinados antes (31.487 y 31.083) es  pos ib le calcular la potencia r eactiva (k V Ar ) y la  potencia aparente de entr ada (kVA) con las siguie ntes f órmu las: k WAr = tan

ex

kVA = yk W2

no sólo consume menos energía sino que tam bién r equiere menos potencia r eactiva. Los resultados compar a tivos de tr es ca sos distintos obtenidos  por este método se  presentan en la ta b la 1-3. En la figur a 1-61, se  presentan los r esu lta dos de los casos 1 y 3 en for ma gr áfica  para una am plia gama de car ga s. 1.8.S

k W

+

Aplicación de los r esultados

 No es de sorpr end er la conclusión de que em pleando un motor más  potente se r educen la s  pérdidas, pues con más hierro y cobre de be te ne r menos  pér didas y menor temperatur a de f un cio namiento  par a una carga -dada.  Asimismo, se

k VA r2

de dond e:

Ta bla 1-3. Selea: i6n de un motor encaminada a reducir las pérd idas C as o2

C aso3

 Mot or  A

l  Mot or B

 Motor  A  M ot or B

 B  Mot or C  Mot or  A  M ot or 

40

50

20

25

18.75

18.7 5 89.0% 90.0% 0.2554

100 90 94.0% 94.0%

Caso

Potencia nominal (hp) Car ga real (h p) Eficiencia a plena car ga Eficiencia al 75 % de car ga e (calculada)

 A la carga r eal: Pér didas (k W) Eñciencia Factor de potencia Potencia r eactiva (k VAr ) Potencia activa de entrada (k W) Potencia a par ente de entr ada k V A)

37.5 89.0%

88.0%

0.6057 3.512 88.9% 0.92 13.413 31.487 34.225

37.5 90.5%

0.5288

89.5% 89.0% 0.5202

3.108

l.685

90.0%

0.93

0.82

12.277 31.083

10.71 15.64

9.02 15.54

5.006 93.1% 0.91 32.856 72.116

33.422

18.96

17.97

79.248

90.0%

89.2%

75

l.554 90.0% 0.86

0.4286

125

90

93.0% 93.0% 0.4286

5.087

150

90

93.0% 93.0% 0.4286

33.310 72.194

4.531 93.7% 0.89 36.708 71.654

79.508

80 .510

93.0% 0.908

Pr incipios gener ales emplean transf ormador es con so br eca pacidad  para r educir las pér didas y las temperatur as de f uncionamiento. Los motor es antiguos solían construirse aplicando un f actor de seguridad. Sin embargo, los motores modernos se diseñan de modo que su f uncionamiento a la  potencia nominal sea más o menos el máximo absoluto, con

miten a menudo amortizar el mayor costo inicial en un tiempo muy br eve. En un caso r eal se eligió un motor de 700 hp en vez de otro de 600 h p  par a impulsar una car ga real de 560 hp, y la reducción en el costo de las pér didas de ener gía  permitió amortizar el más elevado costo inicial en menos de un año.

'

so

©

@

•

�g  o �

,,f � •

1,.f:f.

il'º

V

Jd1

o0.

••


V 

i

e.

1,.0,V

/,

¡¿,-

•

:!!

¡:::::v 

/

"' � � "-

'«

�

V 

OY 

' ,.o

o'-- �-'-�-' ���������

o 5

�

�

W

�

�

3�

Carga del motor (h p)

�

45

�

"

SO

75

00

1

Carga del motor (hp)

125

ISO

Fig. 1-61. Gr áfica de la variación de las pérdidas con la car ga a partir de datos calculados, por el método que se descri be en el texto. Nótese que en A el motor más grande uene menores pérdidas  par a tod as las car gas; est o no es necesariamente cierto par a todos los motores y todas las  cargas. Como se observa en B, el motor de 150 h p tiene las menor es  pér didas hasta a pr oxi madamente 65 hp, y el motor de 100 h p tiene  menor es  pérdidas que el de 125  hp a todas las car gas  hasta 75 hp, valor a  partir  del cual las pérdidas son casi iguales. Las curvas se a justar on a los  puntos calculados,  pero a una carga dada cualquiera, la curva puede no pasar exactamente  por los puntos calculados de bido al suavizamiento.

lo cual se reduce el empleo de hierr o y co br e as! como el costo inicial. Con el r á pido aumento de los costos ener géticos y de la electricidad, que  parece destinado a continuar, los costos iniciales se moder aron por un decremento en los costos de o per ación (pér didas y eficiencia). Se  pr odu jer on los llamados motor es de alta eficiencia,  basados en el empleo de más hierro y acero. Ahora se construyen de nuevo en tamaños más gr andes (so br edimensionados) , y con mayor  precio inicial. Los ahorros en el consumo de energía per -

El método descrito para el cálculo de  pérdidas, dada una carga cualquiera en un motor es pecífico,  permite determinar ,  par a cualquier condición de car ga, las pérdidas en kW y, dado el f actor de potencia, los valor es de  potencia r eactiva (kVAr) requeridos  par a diversos motor es. Por tanto, es  posible determinar las dif erencias entre motor es,  pues éstos de ber án traba jar con carga. Un motor más eficiente  producir á ahorros en costo de ener gía y en penalizaciones por factor de  potencia  bajo (o bien  per 76

Reducción de las pér didas en los motor es

mitirá emplear ca pa citor es más  pequeños  par a corr egir el factor de  potencia) y tendr á ma yor duración, ya que f unciona a tem pe r atur as más  bajas. Sin embar go, el costo inicial de la máquina también será más alto y quizá lo sea ta m bién el del equi po de arranque y la instalación. Ahor a es posible evaluar estos f actores  para cualqu ier motor según su carga aplicada, a f in de  pod er seleccionar  el motor más eco nómic o.

1.9

REDUCCIÓN DE LAS PÉRDIDAS EN LOS MOTOR ES

1.9.1

Eficiencias y pér didas de energía

La reducción de las pérdidas en los motor es eléc-

tr icos constituye un campo en extr emo  pr omisorio para el ahorr o de ener gía (fig. 1-6 2). La o ptimización de los niveles de ilumina ción y los sistemas de alumbrado de alta ef iciencia han sido objeto de inv estiga ción, atención  pú blica y r eglame nta ción guber namental considerables; sin embargo, la ilummación sólo r epresenta,  por e jemplo, alr ededor del 20 % del consumo de ener gía elé ctr ica en Estados Unidos. Otr o 16 % se utiliza en calefacción y a plica ciones div er sa s. Con mucho, la aplicación más extensa de la en er gía elé ctr ica se da en los motores, que r e pr esenta un 64 % o sea casi dos tercer as partes de toda la ener gía eléctrica utilizada, según un inf or me  pu·  blicado en 1976 por la Administr ación F eder a l de Energía (ahora Se cr etar ía de Energía) del go bier no de Estados Unidos. De esta  pr o po r ción corr espondiente a motor es, a pr oximadamente un 14 % a barca motores  pequeños  para usos r e-

Fig. 1·62. Línea de producción de estator es de motor .  Se observa la inser ción de las  bo binas en el núcleo m agnético. El estator consta de muchas la mina ciones o lá minas delgadas estampadas de acer o magnético de alta calidad, a fin de m inimizar  las  pér didas en el hierr o. Las ranur as se aíslan, luego se msertan en ellas las bo binas y fi nalment e se conectan éstas.

Pr incipios gener ales sid enciale s y otr as aplicaciones, en su mayor  par -

d el f act or d e  pot encia , este dispositivo constituye una gran posibilidad par a r educir las  pérdidas en los motores. Otro dis positivo, el  sint etizador de corr ient e alterna (SCA), tam bién  puede significar ahorr os considerables cuando  se tienen cargas var ia bles. El SCA  pr o por ciona al motor volta je y f r ecuencia var iables, de modo que su velocidad se ajusta al valor requerido  por la carga. Los nuevos desarrollos tecno ló gicos han contribuido a r educir el costo inicial del sistema im pulsor de velocidad variable SCA, a tal cont ro   lador

te monof ásicos y de  potencia f raccionaria. El 86 % restante cor r es ponde a los motor es indu striales, comer ciales y los empleados como auxiliar es en plantas o estaciones gener ador as. Estos últimos casi siempre son tr if ásicos, de  potencia integr al (f ig. 1-63) . El hecho e s que en Estados Unidos los motor es son alimentados con ener gía eléctrica equivalente a seis millones de  bar r iles de petróleo al día; un 33 % más que los auto móviles. Por tanto, una r educción en la ener gía consumida por este concepto  puede ser extr cmadamente valiosa par a la economía de ese país, y para el usuar io significaría un ahorro consider a ble en sus costos de o per ación.

gr ado que en muchos casos su elección se justifica  plenamente. En seguida se analizan la natur aleza de las pér didas en un motor y su medición. Des pués se

��

iol90%--

<111 1200f1>1

�- .......

CONSUMO TOT A.L DE ENERGIA

CONSUMO DE EN�RGl.o. POR MOTORES

".

Fig. 1-63 . Consumo de ener gía eléctrica en Estados Unidos.

A f in de minimizar las pér did as en los mo tor es es posible utilizar var ios método s. La ada ptación adecuada del motor a su carga (lo cual no sígnifica necesar iamente cargar el motor hasta su  petenera nominal) puede contr  ibuir a ese o b jetivo. Actualmente se dis pone de motores de alta eficiencia con menores pérdidas  para una car ga dada que los motores or dinar ios, y los cuales a menudo ahor r an en muy corto tiempo la ener gía suficiente par a com pensar el so brepr ecio que signi f ica su adquisición. El inve nto de Frank  Nola, de la Administr ación  Nacional de Aeronáutica y el Es pacio de Estados Unidos ( NA SA), está ahor a al alcance de todos. Comer cializado como

evalúan las ventajas, desventajas y aspectos económicos de los motor es de alta ef iciencia, el controlador del f actor de potencia y el mando de velocidad variable SCA, como medios para la r educción de  pér didas. 1.9.J . l  Natur aleza de las  pér didas

La potencia total consumida por un motor com prende la  potencia empleada para im pulsar la carga y la potencia que se  pier de en el mismo motor . Un motor ideal entregaría exac tamente la misma potencia  que r ecibiera, lo cual lo harí a eficiente al 100 %. En cambio, un motor real des pe r dicia cierta cantidad de potencia; las  pér78

Reducción de las pér didas en los motor es

didas constituyen típicamente el 10 % de la  po tencia de entrada en gr andes motor es de  poten cia integr al, entr e un 10 y un 15 % en motor es de  potencia integr al de menor tamaño, y un  porcentaje aún mayor en motores de potencia f ra  ccionar ia. Un motor que funciona con  baja car ga tiene mayor  por centa je de pér did as que otr o igua l que opera car gado a  plena ca pacidad, de bido a que las  pérdidas fi jas son constantes cualquier a que sea la car ga. Consider ando que un motor rara ve z o per a al 100 % de su ca pac idad

rías  básicas: fijas y variables. Las  pér d idas fijas se consider an constantes  para cualquier condición de carga del motor , desde la o peración en vacío hasta a car ga  plena. Esto no es r igur osa· mente cier to,  per o sí suf icientemente a pr oximado, y no se incurr e en un err or significativo al hacer esta suposición. En esta categoría se in cluyen la s  pér didas magnéticas  (po r histéresis y corrientes  par ásitas) y las pérdidas mecánicas (por f ri cc ión de los co jinete s. esco billas, r otor con el air e inter ior  y ventilación). Las  pér di d a s  varia-

1.0 .9

•

.8

/

g ••

�

.7

I 

'

.6 .5

/

o

25

50

75

100

125

Por centaJe  de car ga no minal

Fig.1-64. Variación de la eficiencia con la car ga  para un motor de inducción tí pico.

(potencia) no minal, de be diseñar se para que su ef iciencia sea r azonablemente aceptable desde alr ededor del 60 % hasta el 100 % de su  potencia no minal, de modo que en la mayor  p;µ{e de los casos la ef iciencia estará localizada Jntr e el 75 y el 80 % (f ig. 1- 64). La eficiencia es'muy  ba ja con cargas r educidas, y en el caso extr emo, como el motor cuando o per a en vacío no desarr olla trabajo alguno y en cam bio sí toma cierta  potencia de la línea, su eficiencia en estas condiciones es cero. Las pérdidas de ener gía son una  porción de la  potencia suministr ada que casi en su totalidad se convier te en calor, en vez de im p ulsar la car ga. Estas  pér didas  pueden dividirse en dos catego-

bles son aquellas de índole eléctrica que de penden de la car ga del motor y,  por tanto, desucorr iente. Estas  pér didas aumentan con la carga aplicada al motor , y como consecuencia se incr ementa la cor r iente que éste consume. Consisten princi palmente en la  potencia disipada por la r esistencia de los devanados del motor , conocida también como pérdida en el co bre o pér dida r «. En esta categoría se incluyen tam bién las  pérdidas ind eter minadas, que son otras  pér didas en el hierro y en el co bre y  pérdidas por corr ientes ar mónicas que cir culan  por los conductores del r otor . Las pérdidas varia bles son a pr oximada· mente  pr o por cionales al cuadrado de la corriente de carga del motor . 79

Pr incipios gener ales de alam br e magneto de aluminio .. Por otr a  par te, casi todos los motor es tienen un devanado secundario que consiste en barr as, anillos y aletas de ventilac ión que integr an una  pieza f undida de aluminio. Considerando lo anterior , la denominación más correcta es la de  pér di das eléctr icas o  pérdidas  P R , lo cual indic a potencia con vert ida en calor  por la resistencia de conductor es de co bre o aluminio. Las  pér didas eléctricas totales son la suma de las pér didas  P R en el estator o  pr imario y las pér didas P R en el rotor o secundario (incluyendo en estas últimas las  pér dida s  por contacto con las escobillas y en las mismas esco billas, en el caso de un motor de rotor em  bo binado). Las pér didas  P  R r eales dependen no sólo de la corr iente, sino  también de la r esiste n c ia de lo s devanados en las condiciones de operación. La r esistencia r eal efectiva de un devanado var ía con la tem pe r atur a, carga, flujo magnético, ef ecto su pe rf ic ial de la CA, distribución no u nif or me de la corr iente entre los conductor es y otr os f actor es similares. Aun par a condiciones es pe cíf icas es sumamente difícil deter minar  el valor exa cto de la r esistencia  del devanado. La práctica normal prescr ibe por tanto hacer la medición del valor  de la resistencia con cor riente directa (CD) a la tem per a tur a de esta bilización que alcancen los devanados con el motor o perando a car ga plena en un ambiente de 25 ºC. El cálculo de la r esistencia se cor r ige a esta tem pe r atur a. El er r or  intr odu cido al consider ar  esta su posición se com pensa con otr as pérdidas de  pequ eña cuantía que quedan de ntr o de las pér didas indeter minadas.

La eficiencia de un motor es el cociente de la  potencia mecánica de salida del motor y la  potencia eléctr ica que el pr opio motor toma de la línea ; se expresa gener almente como un  por cen taje. La potencia de salida es igual a la de en trada menos las pér didas:

Ef iciencia(% ) =

= =

746

.

watts de salida x 100 watts de entr ada (h p)

 E · l · F.P

X 100

=

(1-37)

 potencia de entr ada -  pér didas X 100 .  potencia de entr ada

1.9.1.2 Pérdidas eléctr icas en los deva na dos El volta je aplicado a un motor hace circular una

corriente  por sus devanados. En un tí pico motor de indu cción tr if ásico, el volta je se a plica dir ectamente al devanado del estator (o  primario) y esto indu ce una corriente en el devanado del rotor (o secund ario). El devanado secundario de un motor de tipo  jaula de ar dilla consiste en  barr as o conductor es desnudos conectados sólida· mente a un aro conductor colocado en cada extr emo del rotor. Este devanado car ece de conexiones externa s. Los motor es de inducción de tipo rotor em bobinado tienen  bobinas aisladas en el secun dario, las cuales forman un devanado que seconecta a un  juego de anillos de contacto r ozante s (deslizantes) y,  por medio de escobillas, a ter minales externas. A estas últimas  puede conectarse una resistencia variable o, en algunos casos, una fuente de volta je, lo cual  permite variar el deslizamiento y por consiguiente la velocidad del motor . Algunos motor es están diseñado s  para oper ar a la velocidad síncr ona y tienen un devanado secundario conectado a tr avé s de anillos rozantes a una fuente externa de corr iente directa. La mayor parte de los motor es de uso actual son del tipo de  jaula de ar dilla,  por lo que en este análisis de las pér didas y su r educción se considerar á  básicamente dicho ti po de motor . Las pér didas en los devanados se denominan frecuentemente « pé r dida s en el cobre», lo cual no es estrictamente corr ecto, ya que en la actua lidad muchos motores fr accion ar ios o integ r ale s de ba ja  potencia tienen  bobinados constr uidos

1.9.1. 3

Pérdidas magnéticas en las partes de acer o Un motor de indu cción oper a gr acia s a que gener a en su   primar io un campo magnético r ota· torio que hace girar a su secundario. P ar a que el motor sea eficiente y de tamaño r azona ble, el campo magnético de be esta blecer se, concentr ar se y dirigirse  por medio de una estructur a de acero magnético de alta calidad, tanto en el r od ete  polar (estator) como en la ar madur a (r otor ), con un espacio de air e o entr ehier r o mínimo entr e am bos elementos. Cuando las moléculas del acero son magnetizadas  pr im er o en una dirección y luego en la dir ección opuesta por la corriente al· ter na a plicada, ocur re una pér dida de ener gía de ntr o del acer o, lo cual se manifiesta en f o rm a 80

Reducción de las pér didas en los motor es

de calor y se denomina  pérd ida  por hist ér e sis. Esta pérdida aumenta con la densidad de flu jo magnético (mayor corr iente) o con la f r ecuencia del voltaje aplicado. El campo magnético alterno induce tam bién  pequeñas tensiones (o FEM) en el r odete y el núcleo de acer o, lo cual genera cor ri entes que cir culan al azar  por esos elementos. Estas comentes se denominan corr ient es  parásifas , y al actuar so br e la resistencia eléctr ica del acer o  pr oducen también una  pér dida eléctrica de  potencia que se manifiesta en forma de calor . El efecto de las corr ientes  par ásitas se minimiza haciendo las partes magnéticas de ti po laminar , con laminaciones delgadas de acer o aisladas entr e si, tanto en el cam po como en la armadur a. La  pérdida  por corrientes par ásitas var ía también con la densidad de flu jo y con la f re  cuencia de alimentación, tal como ocurr e con la  pérdida por histér esis, y estos dos conce ptos se com binan en el tér mino  pérdidas magnét icas . Las pérdidas magnéticas varían con la corr iente de car ga del motor , los cambios en la velocidad y otr as condiciones de o per ación, y es muy dif ícil medir las en condicio nes dinámicas. Por tanto, el método ace ptado par a determi nar las consiste en medir las en determinadas condiciones y su pon er que son constantes  para cualquier valor de la car ga del mo tor . Las dif er encias derivadas de esta su posició n se consider an dentr o del r englón de  pér didas indeterminadas.

determinadas en forma exper imental, siguiendo un método aceptado. Para motor es de inducció n de r otor em bo binado, las  pr uebas se hacen con las  esco billas en su posición normal, de modo que la f ricción en ellas quede incluida en la me· dición. En el caso de los motores de corriente dir ecta (CD), dado que la fr icción entre las esco bi\las y el conmutador varía mucho con las condiciones superficiales de los materiales en contacto, la  prueba se hace levantando las esco billas y agregando posteriormente cierta cantidad de watts, dependiendo del tipo y tamaño de las esco billas, al valor medido para las  pér didas mecánicas. 1.9.1.5 Pér didas indeter minadas Se ha visto aquí que algunos tipos de pérdidas se consideran constantes  en todo el intervalo de operación del motor , desde en vacío.ha sta  plena carga, aun cuando se sa be que tales  pér didas en realidad varían liger amente con la carga. Existen además otr as  pérdidas que no pueden ser calculadas. Por e jemplo, de bido a la var iación del flu jo magnético con la carga, el efecto su perficial de la CA y la configuración de los conductor es, la corr iente no se distribuye entr e ellos en f orma equitativa, y la densidad de cor riente en cada conductor no es  per fectamente unif orme. Además, al aumentar la corr iente también se incr ementan la tem per atur a y la r esistencia de los conductores, con el consiguiente aumento de las  pérdidas en ellos. Asimismo. al incr ementar se el flu jo magnético se elevan las  pér didas magnéticas. Todas estas  pér didas menor es  pr ovenientes de fuentes conocidas o desconocidas se agr u pan como  pérdidas ind er erminad as , que son función de la car ga del motor . Estas pérdidas se estiman  por procedimientos normalizados de prueba y cálculos basados en tales procedimientos. La f or ma de evaluarlas puede conducir a pérdidas sustanciales en los valor es de eficiencia calculada.

1.9.1.4 Pér didas mecánicas Las pérdidas por f ricció n y ventilación o pérd idas mecánicas r e pr esentan la ene r gía mecánica em pleada por el motor par a contrarr estar la f ricción en co jinetes o r odamientos, la f ricción de las escobillas contr a el conmutador o los anillos rozantes ( cualquier a que sea el caso) y la f ri cción viscosa de las  par tes móviles, especialmente en las aletas de ventilación contr a el air e. Parte de esta energía  per dida se convierte en calor , como el r esto de las  pérdidas. Puede su poner se que las  pér didas mecánicas se mantienen constantes desde la o per ació n sin car ga hasta a carga plena, Jo cual es bastante r azonable aunque no es absolutamente cierto. Como en el caso anter ior , cualquier discr e pancia  puede incluirse en el renglón de  pérdidas indeter minadas.  No existe un método sencillo que permita calcular las pér didas mecánicas, las cuales de ben ser 

1.9.1.6 Medición de la eficiencia y las pér didas Podría pensarse que la medición de la eficiencia de un motor  es un asunto sencillo:  aplicar al motor una carga, medir la potencia mecánica oh· tenible en el e je (o flecha), medir la pot encia eléctrica de entrada  por medio de un wattímetr o, y calcular la eficiencia por medio de las fórmulas 1-37. Por desgr acia, las cosas no son tan sencillas como parece a sim ple vista. Para ilustr ar este he81

Pr incipios gener ak!s cho enseguida se citan unas línea s del in f orme  pr esentado en 1976 por la empr esa de consultores Arthur O. Little, In c., a la Admin istr a ción Federal de Ener gía de Estados Unidos:

neralmente en una pr ueba sin car ga y en algun as su posicione s y cálculos derivados de ella. Una  pr ue ba de este ti po es más r ápida y menos costosa que una basada en el método IEE E-11 2,  pero los r esultados tienden a ser estimacion e s muy optimistas del valor de la ef icie n cia (ta b la 1-4 ). En cambio, la nor ma IEEE -112 , método B,  pr esenta algunas dificultades y mayor costo,  pero es la más exacta y minuciosa. Las eficie ncias calculadas por este método son valor es r eale s, lo cual  permite  pr edecir los ahorros con exactitud. Puede o bservarse en la tabla que, con lo s otros métodos de  prue ba, la eficienc ia de los mismos motores fue del 2.0 al 4.7 % mayor que la o btenida con la nor ma IEEE -11 2, método B. Si la ef ic iencia  es del 80 %, la s pérdidas son del 20 %, y una me dic ión que dé como r esultado un valor 4 % mayor para la ef icie nc ia re presenta un cálculo de pér didas un 20 %  por debajo de la r ealida d.

«Lo s usuarios de motores no cuentan en la actualidad con datos con fia bles y congr uentes so br e la eficien cia de los motor es. Los datos  pu blicados  por los f a br icante s varían desde los mu y conservador es hasta lo s de smesur ad amen te op-

tim lsta s.»

Al no contarse con una norma definida pa r a realizar las pr uebas de eficiencia, el com parar los datos pu blicados por dif er entes f abricantes no constituía un método confiable par a la sele cción de mo tor es. De hecho, se  pe naliza b a a los fa bricantes conservadores y se f avor ecía a los que  publicaban datos demasiado o ptimistas. Esta situación mejor ó con sider a ble mente con

Tabla 1-4. Compar ación de eficiencias

 Eficiencia a pl ena car  ga (% )

N o rma

Inter nacional (IEC 34-2) Bntánica (BS·269) Ja ponesa (JEC-37)

Estadounidense (IEEE-112, método 8) la

 publicación de la nor ma IEEE-112-1978 (r evisión de la IEEE -11 2A -1964), que f ue adop tada  por el Instituto  Nac ional de Nor mas de Es tad os Unidos (ANSI, Amer ic an  National Sta ndar ds Jn stitute ). En este documento, titulado  I   E  E  E S t andar t T e st  P r ocedur e f or  Polyphase  J nd uct ion  M otor  s and Gener at or  s (Pr ocedimiento está nd ar IEEE de  pr ue bas par a motores y gen er ado r es de inducción polif ásicos), se  pr o por cionan método s detallados para medir la eficiencia de un motor (así como otr as  pr ue ba s), desarrollados a  part ir de inf or ma ción teórica y experimental a po rtada  por el Comité de Máquinas R otatorias  perten eciente a la Socied ad de Ingeniería de Potenc ia del IEEE (Instituto de lngenier os en Elec tr icidad y Electrónica). Existen otras nor mas utilizadas en diversos países del mundo,  basadas ge-

7 .5 hp

20 h p

82.3

82.3 85.0

89.4 89.4 90.4

80.3

86.9

La norma IEE E contiene cinco métodos  pa r a deter min ar la ef icien cia . En el método A se em plea un freno mecánico ajusta ble  par a cargar al motor con el  par deseado. En el método B la máquina se car ga  por medio de un dina móme tr o  para medir la  potencia mecánica de salida . En el método C se utilizan dos motores id én ticos aco plados directamente y conectados a dos f uentes de ener gía elé ctr ica , una de ellas a justa ble en f recuencia y volta je  para poder  pr od uc y- la car ga deseada. Los métodos E y F se conocen como métodos de « pé r d idas segr eg ad as», y de pe nd en de me dicione s y cálculos (método E) o so la mente de cálculos  basados en el circuito equ iva len te del motor (método F). No existe método D. La figur a 1-6 5 es útil  para compr e nder los cálc ulos la s de pér did a s. 82

Reducción de tas pér didas en los motores

das, por lo cual en la norma se es pecif ica la maner a de minimizar los  errores y la posi bilidad de o btener resultados demasiado optimistas. Los  procedimientos de prueba están claramente de· finidos en la nor ma. La prueba se  realiza a la

Suele aceptarse que el método B es el más exacto  par a  motores de 1 a 125 hp. Con equ ipo

de prueba adecuado en ca pacidad puede a plicarse a motores aún más grandes. Se  basa en mediciones con dinamómetro, y su exactitud se

Estn. d1n lar.wlai � r«tX (Mlere!Js y

comen:es c.ir o>.ti SI

Fig. 1-65. Corte de un motor de inducción en el que se observan características importantes, así como su f orma de constr ucción. Se ind ican las com ponente  primor diales que contribuyen a las  pér didas en el motor , y entr e  par ént esis se señala el t ipo de  pérdida que interviene.

tem peratura de o per ación total o se agregan corr ecciones para tomar en cuenta cualquier diferencia en la temperatura. La exactitud r equer ida de los instr umentos queda clar amente es pe cif icada, y se expr esan los métodos necesarios  par a eliminar o minimizar lo s er r or es. En la figura 1-67 se ilustr an los datos de  prue ba y una forma de presentarlos. Si los datos de  prueba se obtienen conf orme a los  métodos es-

me jora segr egando las  pérdidas y valor ando las  pérdidas indeter mina das (fig. 1- 66). A fin de segregar las pér didas es necesar io r ealizar medíciones y cálculos individuales par a cada tipo de pér dida; es decir ,  pér didas  mecánicas,  pér didas magnéticas, pérdidas P R en el estator ,  pér didas  P R en el r otor y  pér didas indctenn inadas. La  princi pal variació n que puede ocur r ir  entre varios motor es está en las pér didas indetenn ina83

Pr incipios gener ales  pecificados en la norma, y si la ca pacidad del dinamómetro no excede el tr  iple de la  potencia del motor (para minimizar el error dina mo métrico), los in str umentos de medición son de la  pr e cisión requerida y se r ealizan las correcciones ne cesarias por tem per atur a y otros conce ptos, lo s re-

er an meno r es. Poster ior mente se  pidió a los mismos fa br icantes que utilizaran los mismos da tos de  p r ue ba pero se gr egando la s pér didas me dia nte un «alisa do estadístico» de las pér didas ind eterminadas. Los r esultados f ueron clar amente mejor es. y el inter valo de va r iac ión se redu jo a

Fig. 1-66. La  prueba de ef iciencia de un motor de 100 hp es un procedimienlo com plicado. El motor !>e conecta a un dina mómetr o de 300 hp a fin de hacer  variar y medir la potencia de salida,  y con apar atos de m edición se m ide la potencia  de entrada. Mediante muchos conductores delgados se conectan termopares, situados dentro del motor y en la car casa, a un registr ado r  múlti ple de temperaturas en tir a de papel para medir la elevación de esta última en los devanados, en el aislamiento y en la carcasa. El registro cuidadoso de los datos  per mite calcular con  precisión la ef iciencia.

sultados deben ser   exactos y pr ecisos. A fines de 19 77 y  princi pios de 1978 la Asociación  N a cional de Fabricantes de Equi po Eléctrico ( NE MA,  National Electr ical Manuf acturers Asso cia tion ) condu jo una serie de pr ue bas del ti po de elim inación (« r ound r obin»). Se enviar on tres motores (uno de 5, otro de 25 y uno más de 100 h p) a cada uno de nueve fa bricantes, a quienes se  pidió que determ ina r a n la eficienc ia a diverso s valores de carga utilizando su  propia ver sión del método B de la norma IEEE-112. Los r esultado s f ueron desalentadores. Se encontr aron dif er en cias de var ios puntos  porcentuales en la ef iciencia, que equivalían a una var iación de un ± 15 % en las pér didas para los  motor es de 5 y 25 h p, y de un± 20 % (y hasta u n± 40 %) en el caso del motor de 100 hp en el que las  pérdidas to tales

un ± 10 %  para el motor de 5 h p, un ± 12 %  par a el de 25 hp, y un ± 15 %  para el de 100 h p. A f inales de 1978 volvier on a enviarse los tr es motores menciona dos a los mismos nueve fa bricantes para que ef ectuasen nuevas pr ue b as, es pecificando que se utilizar a en todos los casos el método de entrada-salida. Los r esultados f uer on inf or ma dos antes y después de lo s cálculo s con segr egación de las pér dida s. Aun sin tomar en cuenta dicha se gr e gación, lo s resultados fueron nota blemente mejores, con var iación en los valo r es de pérdidas de un ± 13 % par a los motor es de 5 y 25 hp, y de un ± 20 %  para el de 100 h p. Después de la se gr ega ción de las  pér didas y de alisar las pérdidas indeter mina das, el in tervalo de variación se redujo a un ace pta ble

84

Reducción de las pér didas en los motor es

--

MoHodo B: Pruel>I de entr llllwalklll d9 u,.. m6qul,.. d9 I nducción

-M

r.,

-------

...., ------ """"""

Voftaje

F EleYación d9 � ('C)

-

Temper 

-

(!,! del deYanado del estatof,

T.._...,,.a ambiente,

-e

--P<>l enaa (hp l Veloadad srocmna (r lmm) Qes¡gnaciól, de  ben' P)

'

'

'C

-

----

'=

•

------

seee núm. ------Modelo núm ------

a

'

•

•

Fr e,cuanc,a ,Hl:

Daslll8fflianlo obse
..

•

Pw de f0tad6n . (1) eo-:a6n dinamorré!rica, 12)

Par IXlfT'9(1o,

..

..

{3) Polaooa de salida, "'

de linea,  A Fac,o, de potencia, % Comente

Potencil, de enltada obslorva(l¡i,

w

 (b)  P...iida  P  R del Htator , W, ar, ("C) (e) P..:hda  PRdel HlalOf , W, a� (4)�deanlradol

•( b)-(c)

(5) Po1enci1o de -- corregida. W (6) Eficiencia, %

Curva de comporlamoento ---------------

-

•

V6asa 4.4.1

Carga, an 1antO por c.nto da la nonwial

Factor da pOlencia, % Eficlencu., % Velotodad. r/mr, Comente de linea,  A �

•

·

�

-

del devanado del

"

estator �

"

"'

con base an

la fflOSlenaa del aslalor

,oo

'"

'"'

o por IMdiQ de un det8CIOr de �atur a durante

esp,,orlicadll por la correcaón de la ntSISlenaa (véase 4.3.1) ¡ 1 ¡ Son •c:orrec:<:IOON del par  por las  pjtdlclas  por el rozamienlo con el aire y en los tOdamoet'llos del donam6tnetn> , y � dadas  por  ,.

•

�

•

.,,

 (A-8) -C 

 A

•

poo,naa, en watts. requerida  pan, ac:aonar la ,njqu"" a..ndo ati. acopacill al
"""'*""

 B  polenaa, en wans, requerida  pare Impulsar la •

e k

•

•

 par

<1111

wandO o¡,era sin carga,  y .., IICOP3ffll8IIIO

salida regostrad
0.1047  pare el  par en m·  N

k ,.

O 1420  par a el  par en p,e,, lbf 

n

...-ad

•

<1111  Al'fl'llldl.,'a

<1111

rOlaci6n en r /mm

es igual el par obsesenr ada ""  watts m*5 IA CQtt8Cdón (4)

(2) El  par corregido

(S) Este v alor '" (6) E-.a. (%)

•

::;

><

74 570

Fig. Ui7. Datos de  prueba para la norma IEEE-112, método B.

85

del dinamómetro

Pr incipios gener ales

± 6 o/ o en el caso del motor de

5 h p, al ± 8 o/o o/o en el de 100 h p .

demanda. Por  consiguiente, aun cuando  pod rí a haber un lig er o decremento en las pér dida s  I 2 R en los conductores de alimen tación como r esultado de elimina r la corr iente r eactiva  por medio · de ca p ac itor es adyacentes a los motor es (esto no ocur re si tales elementos se colocan al in icio de la alimentación), debe hacerse hinca pié en el hecho de que los ca pacitar es no r ed ucen en f or ma al  g una las pérdidas de un mot or . Aunque los ca pacito r e s mejor a n el f actor de  potencia del sistema que alimenta a las má quinas, el factor de  potencia de éstas  permanece sin cam bio, ya que  para et motor es com pletamente ind if er ente r ec ibir  la  potencia r eactiva del sistema o de un  banco de ca p acit or e s inst alado cer ca del motor .

en el de 25 hp y a un ± 12 Este exper imento motivó que la NEMA ado ptar a una nueva norma, la llamad a  NEMA MG1-12.53,  párrafos a y  b, según revisión del 17 de en er o de 1980. Esta norma complementa a la IEEE-112, ya que es p ecif ica métodos de pr ue ba de la ef icie ncia de motor es que me jor an la ex a ctitud y con f ia b ilidad de lo s r esultados. Esta nor ma NEMA ha sido adoptada por el ANSI. Pue de dar se  por hecho que la  pr óxima   revisión de la norma IEEE -112 incorp o r ar á también estos r equisitos de prue ba. Es de esperar que todo f a bricante que ind iq ue que sus motores cor r es pon den a diseños NEMA r ealice pr ue bas con f or me a esta nueva norma, y se recomienda encar e cidamente que el cálculo de ef ic ie nc ia , la com p ar ación de motores y la determinación de costos de ener gía se basen siem pre en la  norma IEEE 112 , método B, conf or me a la mod if ica ción  NEMA MGl- 12.53a y  b.

1.9 .2

Métodos, a plicación y r ecu per ación de la · inversión

Las pér didas en lo s motores  pueden r edu cirs e  por dif er entes métodos, como el uso de motor es de alta eficien cia, el contr olador del factor de potencia desarr ollado  por la  NASA y los sistemas de im pu lsión de veloc idad y frecuencia va r ia b le s. Todos estos métodos resultan ef icace s cuando se aplican cor r ec ta mente. Es impo r tante com pr ender no sólo la f orma en que cada uno de estos siste mas reduce las pér -

Ef ect os del f actor  de poten cia Es necesar io mencionar que un  bajo factor de  potencia también  puede incr eme nta r  el costo de la energía si la compañía de suministr o tiene un a cláusula al respecto. Los ca pacitor es  para corrección del f actor de pote ncia  pueden ele va r lo y r edu cir o eliminar la  pena lización por este conce p to . 1.9 .1.7

Fig. 1-68 . El mayor costo de f a br icación d el motor  de alta ef iciencia {rzqurer da} com par ado con el del motor estándar (der echa) es evidente en f orma inmedia ta. Puede o bservarse que los nú cleos del estator y del r otor son mayores Menos vis ibles son los conductor es de mayor diámetro en rotor y estator , los entr ehier ros o ptimizad os, las nuevas formas de las ranuras y otros cam bios. Am bos motor es pertenecen al mismo fa bncante y su  potencia nominal es de 1.5 h p. didas y mejora la eficiencia, sino también qu é método pr oduce lo s resultados más favor a bles y el menor tiem po de r ecu pe r a ción de la inv er sión.

Los ca pacitor e s suministr a n la  potencia r eac tiva requerida  por el motor , la cu al no intervie ne en la lectur a del watthorímetr o o del medidor de 86

Reducción de las pér didas en los motores su mayor costo inicial. Actualmente, el com pr a-

1.9.2.1 Motor esdeallaeficiencia El método más o bvio  para r educir  las  pér did as de un motor es el de hacer lo más eficiente. Esto  puede logr arse con  buenos r esultados, pero al aumentar la eficiencia se eleva tam bién el costo del motor . Hace 20 años o más, los motores er an consider a blemente más eficientes; de hecho, el valor nor mal de eficiencia para motor es de hasta 20 o 25 h p er a similar  al que se tiene actualmente en motores de alta eficiencia. Des pués, el desarrollo de mejores materiales aislantes hizo f acti ble incr ementar la intensid ad de la corr iente que  podía circular  por un conductor de calibr e determinado, y o per ar el motor a una tem per atur a más alta. Esto, a su vez, per mitió r educir las dimensiones de lo s núcleos y, en consecuencia, las dimensiones glo bales de los motor es. Como resultado se desarrollaron líneas de motor es más pequeños y liger os y de menor coste, que fueron adoptados como el estándar de la industria de bid o a la elevada com pe titividad del ramo (fig. 1-68). Hasta hace algunos años, el costo inicial er a el factor más im port ante al seleccionar   un motor de características dadas entr e los f a bricantes r econocidos  por la confia bilidad y dis poni bilidad de sus  pr oductos. Solían de jarse a un lado consider aciones como la del costo de o per ación, que depende de la  eficiencia, lo cual es com pr ens ible  por el  ba jo costo de la ener gía en ese entonces y por que en la industria la energía eléctrica re presentaba menos del 1 % del valor total de los  pr oductos ex pedidos. Además, casi la mitad de los motor es er an adquir idos  por f a bricantes de equi po or iginal para incorpo r ar los en otr os equ i pos. Estos f a bricantes se pr eocupan  por la confia bilid ad de su producto final y por su costo inicial,  por lo que tr atan de adqu irir un motor de confiabilidad adecuada al menor costo  pos ible, ignor ando en ta mayoría de los casos las  pér did as que ocur r an dur ante la f a br icación,  por las cuales el fa br icante no tiene que pagar y que el usuario del equi po r ara vez toma en cuenta. Esta situac ión está cam biando. Ya no es pos ible ignor ar el incr emento en los costos de la energía eléctrica, además de que su f utur a dis poni bilidad no  puede darse  por un hecho, toda vez que la demanda em pieza a exceder la capacidad instalada, lo que hace esencial r educir el des per dicio. Todo esto ha hecho del motor de alta ef iciencia una o pció n ace ptable a  pesar de

dor de motores sagaz analiza el costo total de un motor , incluyendo los costos de oper ación. al seleccionar  un motor o al adquirir equipo en el cual el f a br icante ha instalado motores. En muchos casos, el tiempo necesario para recuperar la inversió n extr a que signif ica la adquisición de motores de alta eficiencia  puede r esultar  breve y. aplicado con corrección, económicamente muy atr activo. Reducción de las  pér didas en los devanados Las pér didas en lo s devanados son las  pr oducidas  por el efecto  P.  R que resulta del paso de corr iente a tr avés de aquéllos, y repr esenta entr e el 55 y el 60 % de las  pérdidas totales. Es obvio que var ían con el cuadrado de la com ente que cir cula  por las bobinas del estator y por los cond uctor es del r otor , y con la r esistencia de ambos devanados. La corriente consumida por el motor de pende  básicamente de la car ga,  por Jo que no  puede r educirse de manera sustancial; sin em bar go, con una disminució n del f actor de potencia es posible reducir la un poco. Así, la me jor manera de reducir este factor de pérdidas consiste en a batir  la r esistencia de los devanados. Esto es lo que se hace en los motor es de alta ef iciencia, dentro de las limitacio nes de tamaño y costo. En el estator. es  pos ible incr emen tar  el númer o y el cali bre de lo s conductor es a f in de r educir la resistencia. En años recientes, en muchos motores estándar con capacidad hasta de 20 o 30 hp, que r e presentaban el mayor númer o de unidades vendidas, se ha utilizado alambr e magneto de aluminio en el devanado del estator . Sin em bargo, al mcr ementarse el área tr ansver sal y el número de los conductor es de aluminio tendrían que aumentar las dimensiones del devanado. Los tamaños de armazón nor malizados por la  NEMA es pecifican una altur a del e je sobr e la  base par a cada tamaño, y al incr ementarse el diámetr o del estator tam bién tendóa que aumentar esta dimensió n, con lo cual el motor de ber ía f a bricarse en un mayor tamaño de armazón. Esto es indesea ble por que eleva tanto el costo del motor como los requisitos de es pacio par a su instalación. Por tal motivo, en los motor es de alta eficiencia se utiliza casi exclusivamente alam br e 1.9.2.2

87

\

Pr incipios gener ales magneto de cobre a f in de o btener un mínimo de r esist encia en el menor es pacio. Las pér didas en los rotor es de  jaula de ar dilla tam bién  pueden r educirse incr ementando la sección de los conductor es. La mayor parte de los r otor es de máquinas de tamaño medio tienen las  barras que for man la jaula f undidas integr al mente con los aros de extremo y las aletas o aspas de ventilación. Para f acilitar la f undición o colado se em plea aluminio. R esultaó a de masiado costoso f a br icar un r otor con barr as de cobr e unidas con soldadur a a los aros de extr emo. Si se incr ementa el tamaño de las ranur as se o btienen  barr as de alum inio de mayor sección. Cabe señalar que tanto la secc ión de las r anur as como su f or ma son muy im po r tantes en el  proceso de dise ño de un motor . En el caso de motor es de r otor em bobinado  pueden utilizarse conductores de co br e. En cualquier caso, al aumentar la sección de los conductores se r educen las pér didas eléctr icas (P R )  del r otor . Si se reducen el entr ehier r o entr e el estator y el rotor y la densidad de flu jo magnético (em  pleando núcleos de acero de mejor calidad) es  posible r edu cir  el cam po magnético r equerido, lo cual a su vez a bate las necesidades de cor r iente  par a  pr oducir dicho cam po, con Jo que disminuye la com ponente r eactiva de la cor ri ente total del motor. Dicha componente r eactiva no eleva dir ectamente la  potencia utilizada,  pero sí contribuye a las pér didas PR que fonnan  parte de la lectur a del kilowatthorf metr o. Al r educir la com ponente r eactiva se elimina una  parte de las  pér didas eléctricas y se me jor a el factor de  potencia del m otor . Cuando se diseña un motor  para o btener un mínimo de  pér didas P R debe considerarse cada uno de estos factor es y equili br a r lo con el incr emento en el costo. En un motor de alta eficiencia de diseño tí pico se utiliza apr oximadamente un 20 % más de cobr e y un 15 % más de alum inio que en un motor de  potencia equivalente de diseño normal.

carbono  par a fa br icar las la minaciones del r otor y del estator . Para una densidad de flujo y un es pesor deter minados, la  pérdida por histér esis está en f unción de la clase de acer o. Un acer o al car  bono de buena calidad tiene una  pérdida de 4.5 a 5 watts  por l ibr a (W/lb) a una densidad de 15  kG (k ilogauss). A esa misma densidad, inc luso un acer o al silicio de  ba jo gr ado tiene una  pér dida de 3.6 W/lb, y otros grados más altos  pueden tener  sólo 2.5 W/l b. Sin em bar go, los acer o s al silicio cuestan al menos el d obl e que los acer os al carbono: desde un 200 %  par a los gr ados más  ba jos hasta un 230 %  par a los más altos, así que la r ed uc ción en la s  pér d ida s debe ponde r a rse contra el incr emento en el co sto.

Fig. 1-69. Una sola lam inación del núcleo de un motor de alta eficiencia se controla cuidadosam ente en cuanto a la concentricidad mediante un cali br ador  de f ototr ansistor es, como  parte del progr ama par a minimizar las pér didas magnéticas.  No sola m ente debe utilizarse lám ina de acero al silicio de elevado costo, sm o que el diseño de las laminacio n es debe ser cuidadoso y exacto, y éstas deben estar li br es de do bladur as o mellas.

Reducción de las  pér didas en el núcleo Como ya se ha visto, las pérdidas magnéticas en el núcleo constan de dos com ponentes:  pér dida  por histér esis y pérdida  por cor r ientes par ásitas. Estas  pérdidas r e pr esentan entre el 20 y el 25 % de las  pér didas totales. La primer a puede r educirs e  utilizando acer o al silicio en vez de acer o al 1.9.2.3

La  pér dida por corrientes  parásitas  puede r educir se haciendo las lamina ciones de acer o más delgadas y bien aisladas (f igs. 1-69 y 1-70). Con88

Reducción de las pérdidas en los motor es

siderando un acer o al silicio de grado medio, al  pasar del calibre 24 al 26 es posi ble r ed ucir la  pér dida  por cor r ientes  par ásitas en un 15 %, y utilizando el cali br e  29 dicha reducción es casi del 20 %. El costo de la mater ia  prima sólo se incr ementa en un 5 %,  per o habrá un aumento considera ble en los  costos de fabricación de bido a que se r equier en más laminacio nes para f or mar un paquete de un tamaño dado (f ig. 1-71).

dos,  per o la mejora que puede obtenerse es pequeña, básicamente r esultante de la reducción en el entr cfuerro. Una me jora más apreciable es la que se obtiene incr ementando el tamaño del núcleo, ya �e  par a un flu jo magnético total dado, u.!!J!.ujo más alto significa una menor densidad de flu jo debido al incr emento de ár ea tr ansver sal. Al aumentar et diámetr o del núcleo aumenta  el área.  per o esto har ía necesa rio  pasar 

Fig. 1- 70. El diseño y el ensambla je de un núcleo tienen un not a ble efecto en las  pér didas magnéticas. El núcleo ensam blado se intr oduce  en una máquma para afl oTar   el paquete de laminaciones, a fin de que pueda penetrar el aislante.

a una armazón de mayor al tur a de eje;  por consiguie nte, la mayor área se obtiene alargando el núcleo, lo cual no afecta al tamaño de la ar mazón. Una menor densid ad de flu jo tr ae  como

Tanto las pérdidas por histéresis como las pér didas por corrientes parásitas pueden abatirse reduciendo la densidad de flujo. Esto puede lograrse aminorando la corr iente en los devana89

••

Pr incipios gener ales

, ----:; •

consecue ncia un decr emento en la cor rie nte magnetizante, una me jora en el factor de  poten· da y una  pequeña r educción en las pérdidas  P  R.  Nuevamente, es necesario  ponder ar la r educcr ón en  pérdidas contr a el inc r em e nto en el costo

la

fricción y ventilación dentr o del motor, y r e pr esentan sólo del 5 al 8 % del total. La f ri cción o r ozamiento es  básicamente la de los co jine tes, y es  pos ible o btener una lige r a me jor a em pleando r odamientos de alta calidad y  baja f r icció n.

t Fig. 1-71. El nucleo se sumer ge en un líquido aislante es pecial El aislamiento entre una y otra tarmoacrc n reducir á la  pér dida por corrientes  par ásitas. La pér dida por histér esis depende de la calidad del acero. El d iseño de las ranuras tam bién influ ye en el aumento de la eficiencia.

de lo s materiales. En un motor tí pico de alta cñciencia se utilizan la minaciones  delgadas de acer o al silicio  con apr oximadamente un 35 % más de acero en el núcleo que en un motor nor mal de la misma potencia.

La r educción en el entr ehierr o o es pacio entr e estator  y r otor o bliga de cualquier forma a utilizar  r odamientos de alta calidad a f in de man · tener las estrechas toler ancias que se r equier en. Las pér didas  por ventilación son ocasionadas por la fr icción viscosa del air e contra tas  partes gir atorias, y del air e enfr iante contr a las aletas de los vent ilado r es íntemos. Pueden o btenerse pe· queñas me jor as o ptimizando el diseño d� las ale-

Reducción de las  pérdidas mecánicas y de las indetermi n adas Las pér didas mecánicas son las que r esultan de l.9.2.4

l

90

-

R educció n de las  pérdidas en los motore s

tas y de las trayectorias de cir culación del aire de enf riamiento. La posi ble me jor a  en eficiencia es  pequeña,  per o el incr emento del costo derivado del uso de rodamientos de alta calidad y de un sistema de enf riamiento optimizado es tam bién  pequeño. Por tanto, en lo s motor es de alta eficiencia se incorp or an invar ia blemente estas me jor as. El término « pér didas indeter minadas» englo ba las  pérdidas ocasionadas  por el flu jo loc al o disperso  producido por corrientes en el motor , variaciones en las pér didas debidas a la car ga, que por comodidad se consider an constantes,  pérdidas resultantes de la distribución no unifor me de la corr iente en los conductor es del estator y rotor , y otr as causas similar es. Estas  pér didas representan entre el 11 y el 14 % del total. A par te de tener extr emo cuidado al diseñar las ranur as del r otor y del estator , poco más puede hacer se par a r educir estas  pérdidas en f or ma es pecífica,  per o las me joras realizadas en el motor  para r educir las pér didas en el devanado y en el núcleo, así como la corriente total del motor , tam bién contr  ib uyen a r educir tales  pérdidas. El cuidado con que se f abriquen y mane jen las laminaciones ayuda tam bién a ese fin. Un motor de alta eficiencia  bien diseñado tendrá inher entemente un bajo porcentaje de pérdidas índeter minadas. 1 . 9 .2 . 5

 per aturas iguales o mayores que las utilizadas en motores de tipo estánd ar . Una menor tem per atur a de operación me jor a también la ca pacidad de so br ecar ga  del motor , ya que si los aislamientos se  encuentran a tem peratura más baja, es factible so brecar gar el motor durante más tiempo y en mayor  por centa je antes de que los aislamientos alcancen la máxima tempe r atur a  total permisible. Por las mismas r azones, estos motores pueden oper ar a mayor tem per atur a am biente o a mayor altur a sobr e el nivel del mar (donde el air e enr arecido tiene menor capacidad de enf ri amiento) sin que se disminuya su potencia, o con menor disminución de la que tendr ía que aplicarse en el caso de un motor nor mal. Estos motores sopor tar án tam bién mayores var iaciones de volta je sin sobr ecalentar se. La menor tem peratura de o per ación de be asimismo coadyuvar a una lubr icación más ef icaz y a incr ementar  el tiempo de vid a útil de lo s r o· damientos. Por último, la r educción en las  pér dicta s significa menor cantidad de calor gener ado, lo cual en una planta con acondicionamiento de air e y con varios motores instalados puede r e pr esentar una disminució n impor tante en la car ga de enf r iamie nto . (Desde Juego, en una  planta· que requier e calef acción el efecto será el o puesto.) En gener al puede decir se que los motor es de alta eficiencia, además de compensar su mayor costo inicial por medio de un ahorr o de potencia, también tienen mayor vida útil y una gama de a plicaciones más amplia que los motores de ti po estándar .

Otr os beneficios

Los motor es de alta ef iciencia se eligen cuando

el ahor ro por concepto de energía compensa el mayor costo inicial. Sin embargo, existen otr os  beneficios que obtienen los usuar io s. Por tener menores  pérdidas, estos motores f uncionan a temperatura más baja. En algunos casos se em plean carcasas de aluminio, lo  cual reduce aún más la tem per atur a y el  peso del motor . La menor tem peratura de operación se traduce en mayor vid a útil del motor , ya que la dur ació n de los aislamientos se acorta a medid a que aumenta dicha temper atura. Conforme a una regla empírica, el tiempo de vida de los aislamientos se du plica por cada 10 ºC que se abata la tem per atur a de operación. Aunque la falla de lo s aislamientos no constituye la única causa de que un motor se aver íe, el r educir  la tem per atura de o per ació n del aislamiento eleva def initivamente el tiem po de vida promedio, suponiendo que los mater iales aislantes em pleados sean adecuados  para tem-

Aspectos económicos y recu peración de la in versión Como se ha visto,  pr oducir motores de alta ef iciencia con un mínimo de  pér didas requiere mayor cantidad de materiales de alto costo, lo  cual se tr aduce en un motor cuyo  pr ecio es típicamente un 20 o un 25 % mayor que el de un motor común. La r educción en las  pérdidas abate el consumo de energía del motor , lo  cual de be ser suficiente  par a recuperar en un tiem po r azonable la dif er encia en el costo inicial. Con las tarifas actuales de la ener gía eléctrica, el  periodo de r ecu per ación  para un motor de alta eficiencia es muy cor to, lo cual hace dificil ex plicar  por qué la a plicación de estos motor es ha sido relativamente lenta. En aquellos casos en que el númer o de horas de o per ació n es elevado y el costo de 1. 9 . 2 . 6

91

Pr inc ipio s gener ales la energía es consid er a ble, sólo el desconoci-

solina, que a un costo de 1.2 5 dólares  por galón repr esenta un monto de 938 dólares anuales. Si el  pr ecio inicial del automóvil es de 7 000 dólar es, el costo anual del combustible consumido re presenta el 13 % del  pr ecio de compra. Siguiendo el símil comparativo, un motor eléctrico de 20 hp con una eficiencia normal promedio del 88 % tiene un precio inicial aproximado de 450 dólares y demanda alr ededor de 17 kW de potencia. Si este motor opera en dos turnos diarios, o sea 80 hor as  por semana durante 50 semanas, o 4 000 hor as al año, su consumo anual de ener gía ser á de 68 000 kW · h. A un precio  pr omedio de cuatro centavos de dólar el kilowatt-hora, la ener gía necesar ia  para operar tal motor costaría 2 720 dólar es anuales; es decir , más d e seis vece s el precio inicial d el mot or . Únicamente el costo de las  pér didas de un 12 %, sería de 326 dólar es

miento de la realidad puede ex plicar por qué se adquieren motor es comunes en vez de los motores de alta ef iciencia que están igualmente dis pon ibles. Por ejemplo, en 1980 las ventas de motor es de alta eficiencia  repr esentaron sólo del 4 al 5 % del mercado total de motores de potencia integr al. Según las ex pectativas de la Secr etar ía de Ener gía del gobierno de Estados Unidos, las ventas de motor es de alta eficiencia deben ha ber ascendido al 33 % de este mer cado en 1985 y de berán re presentar el 74 % en 1990. 1 . 9 .2 . 7

Costos de operación Es im portante reconocer que el costo de o per ación de un motor suele ser  var ias veces mayor que su costo inicial. Es  posible comparar esto

con el caso de lo s automóviles, en el cual el con-

Ta bla 1-5. Com paración de costos de motores

 Ba se d e com par ació n

 M ot or  de al t a e ficiencia

 Motor  e st ánd ar 

 D if er enci a

C omen t arios

$112

25% mayor  4.5% mayor  Y1 menor  4.3% menor  36.2% menor 

Pr ecio de compr a Eficiencia Pérdidas Costo anual de la ener gia Costo anual de las  pér did as

$450 88% 12% $2 713 $326

$562 92 % 8% $2 595

$208

4% 4% $118 $118

Costo de la energía durante 20 años

$54 2(,()

$51 900

$2 360

Y4 veces el costo del motor 

S6 520

$4 160

$2 360

21 veces el costo de  pr ima

Costo de las  pér didas durante 20 años

Supuestos: Motor de inducción de 20 hp, 480 V Costo de la ener gía: 0.04 dólar es/k W h Tiem po de o per ación: 4 000 h/año (2 turnos/día, 50 semanas/año) 0.746 kW/hp X 20 h p Costo anual de la ener gía = x $0.04/k Wh x 4 000 h Ef ic (%) X 0.01 Cos10 anual de las  pér didas= costo anual de la energía x 0.01 x  pér didas(% )

sumidor insiste cada vez más en un mejor rendimiento ex pr esado en kilómetr os por litr o o millas  por galón (y lo cual los diseñadores de automóviles de Estados Unidos han a pr endido a un alto costo). Por e jemplo, si un automóvil r ecor r e 15 000 millas al año con un r endimiento de 20 millas  por galón, r equerirá 750 galones de ga-

al año, por lo cual en 1.5 años el costo de las  pérdidas exceder á el pr ecio del motor nuevo (ta bla 1-5). Un motor de alta eficiencia que tuvier a sólo un 8 % de pér didas r e presentaría un ahorr o de 118 dólar es anuales con un precio inicial 112 dólar es ( aproximadamente un 25 % ) más alto. Este motor recu per aría en el primer año de ser 92

R edu cc ión de las  pé r didas en los motores 5.25 ve ces el costo inicia l del motor , y 21 vece s la dif erencia en dicho costo (coste de prim a ), en compar ación con el de un motor co mún .

vicio el costo extra que r epresenta su adqu isició n, lo-que no es algo excepcional. Normalmente, el periodo de recuper ación  par a motor es de alta eficiencia es de uno a dos años, des pu és de Jo cual el ahorro acumulado de ener gía sigue aumentando dur ante el tiem po de vida ef ectiva del motor . En 20 años, el aho r ro  r e pr esentaría

Anál isisec onó mico El ejemplo anter io r constiluye una com par ación elemental entr e el costo inicial y el costo de o p e1.9 .2.8

C"' 0.746 X (hp) X H X P 

s = c ,td  - c .

E 

donde

C = costo anual de operación (umd. monelana) C.,,, = costo del motor estándar 

c.

"' costo del motor de alta etcencla

H = liemPo de oper ación del motor (hlal'io)

 P

""

costo de ta energía eléctnca (unid.  monet./kW , h)

 E "' ef iciencia de! motor (en decimal)  E ..,, = ef iciencia del motor estándar 

E ., = eficiencia del motor de alta eficiencia

S = ahorro anual Por el uso de motor es de alta encence (unid. monel.) l.

Recu per ación simple Y 

•

D

-

S

dond e Y"' nem po de recuper ación (alios) D = diferencia de costos entr e un motor de alta ef 1e1encia  y un motor estándar  11. Valor  presente de la

W =

S x

reducc ión en el costo de operación

(unid. monet)

t 

dond, W"" valor presente del ahorr o anual en el cos lo de operación (umd.

f=

monet.)

(1+1r  -1 = factor de valor presente (obtenible de tablas de inter és compuesto) h 1( 1 + 1)

n = número de anos de operación tnerocc supues to de vida útil del

motor )

1"" tasa de inter és anual supuesta (en decimal) 111.

Costo total del motor durante su ciclo de vida

útll

Costo total del ciclo de vicia = costo inicial (par a el tiempo de Vida supuesto de

n años a una tasa anual de inter és

+

W 

,)

NOTA: Los cálculos se basan en cifras antes de impuestos  y no incluyen el efecto del impuesto sobr e la r enta, la depl'eciaaón, los créditos fiscales poi' inversiones, m otras coneicer econes snr  nla res.

Fig. 1-72.

Evaluación del ahorr o obtenido con

motor es de alta eficiencia.

,.-------,

Pr incipios generales

 par a  per c ibir utilidades,  por lo cual ---es pecialmente a las  elevadas tasas de inter és actuales-es necesar io hallar el valor pr esente de los ahor r os previstos. Por ejemplo, si el ahor r o fuer a de 100 dólar es al año dur ante 10 años, el método de r ecu pe r ación sim p le ar rojaría un ahorro total de 1 000 dólar es. Si en cambio se toma el inter és su poniendo una tasa r elativamente ba ja (en la actualidad} de un 12 %, el valor  pr esente de 100 dólares anuales al 12 % dur ante 10 años (tomado de tablas de inter és com puesto} es de sólo 565 dólar es. Para tener una idea clar a del valo r del ahor r o obtenido con un motor de alta eficiencia dur ante un la pso determinado, no sólo es necesario  pr edecr la  tasa de inter és, sino que deben to mar se en cuenta el incr emento en el costo de la ener gía debido a la inflación, el efecto de los im p uestos, los cr éditos tributarios derivados de las inver siones, la  depreciación y otros conce ptos similar es. Si bien esto es difícil a pr imer a vista, existen pr ogr amas de computadora que permiten r ealizar el cálculo una vez que el usuar io determina los parámetros necesarios. Un vendedor de mo tor es de alta eficiencia  puede utilizar una com puta· dor a portátil para r ealizar   este tipo de cálculo en la oficina de un cliente, em pleando valor es r eales de inflación, tasas de inter és, tiem pos, tarifas eléctr icas, horas anuales de o per ación, etcéter a, y o btener r ápidamente los ahorros anuales, el flujo de ef ectivo y el análisis de recu peración de la inver sión.  El progr ama de computador a  puede considerar tam bié n var ios métodos de de pr eciación, tasas de impuestos, créditos f iscales por inversiones, incr ementos en el costo de com busti bles fósiles y otros datos similar es. Puede asimismo pr opor cionar inf or mación tal como el per iodo de r ecuperación con inversión descontada, costos de ciclos de vid a y flu jo de ef ectivo des pués de impuestos. En la figur a 1- 73 se  pr esenta un e jem plo de listado  de salida de un  pr ogr ama de este tipo. Ya sea que el cálculo del ahor ro se haga por  métodos sencillos o com plicados, es evidente que si las horas de oper ación son extensas, los motor es de alta eficiencia constituyen una inver sión segur a cuando se trata de la adquisición de un motor nuevo. Lo que no par ece tan obvio a simple vista es el hecho de que en muchos casos es económicamente cor r ecto reemplazar un motor existente por otro de mayor eficiencia, en es-

ración de un motor a f in de estimar el tiem po r equer ido  par a recu per ar el costo extr a de un motor de alta eficiencia. Generalmente  bastar á con este sencillo cálculo para  justificar la adqu isic ión de un motor de ta l tipo. En ocasiones,  po dría ser conveniente utilizar un  pr ocedimiento contable más completo para realizar un verdader o análisis económico que permita com par ar varias o pcion e s. En dicho análisis debe consider arse el costo real de la electricidad, el valor del diner o como función del tiempo, las tasas de inter és, aspectos f iscales y otr os f actores. Los ahor ros anuales en el caso de un motor de inducción tí pico var iar án con el ciclo de tra bajo y las tarifas de la electr icidad. En la f igur a 1- 72 se  presentan algunos métodos  para evaluar los ahor ros derivados del uso de motores de alta ef iciencia, calculando  pr imer o el costo de o per ació n anual de cada motor . El ahor ro anual es la diferencia entr e el costo de operación del motor de menor eficiencia (o estándar ) y el del motor de alta eficiencia. Aun en dicho cálculo sencillo se su pone un costo fijo y conocido de la energía eléctrica. El costo real de esta última no es solamente el car go por cada k ilo watt-hor a, sino que deben incluir se los car gos  por demanda máxima, cargos extra por com bustible,  penalizació n  por bajo factor de potencia y otr os  gravámenes incluidos en la factur ación de la com pañía de suministr o. Si la ener gía eléc tr ica es generada  por la pr opia industr ia, el cálculo del costo se vuelve aún más complejo. Al estimar el costo de la ener gía par a deter mina do intervalo de tiem po en años es necesario considerar el incremento de los costos por aumento en el  pr ecio de los combusti bles y la inflación. (Si existier a un cargo por ba jo f actor de potencia sería ló gico agr egar ca pacitor es  par a cor r egir dicho f actor , cuyo costo proba blemente se recu peraría en menos de dos años, cualesquier a que f uer an las  pér didas del motor.} Una vez calculado el ahor r o anual, el método más sim ple  para evaluar el  per io do de r ecu peración consiste en deter minar cuántos años (o meses} se r equier en  para que el ahor ro iguale o exceda al sobr e pr ecio  pagado por el motor de alta eficiencia. Desde luego, en este método sencillo se ignor a  el hecho de que en caso de que el dinero extr a no se hubier a utilizado par a la com pr a del motor de alta eficiencia,  podría ha berse  puesto a tr a bajar ganando inter eses, o inver tido 94

-

R educció n de las pér didas en los motor es

 pecial cuando el motor por sustituir se ha de pr eciado ya en grado considerable aunque funcione satisf actoriamente. La de pr eciació n del nuevo motor  per mitir á posi blemente o btener algunos

 plazado o, más comúnmente, r eem bo binado. Muchos usuar ios industriales han llegado a la conclusión de que al cambiar un motor de be adquirirse uno de alta eficiencia.  Nuevamente

DP

 Armazón Constr ucción Potencia (HP) Velocidad (R/MIN) Volta je (V) .04 00

Costo de la ener gía (Unid. monet. kW H) Tiempo de operación (H) Tasa de impuestos(%) Depr eciación

AL 125 1800 460

$/k W h •

•

8000 . 46.0 % Lineal

-10.0  Años

 A

B

e

D

E

F

G

o

-$3 16.17 $1070.98 $1156.6 6 $124 9.19 $134 9.13 $ 1 4 5 7 .0 6 $1573.6 3 $1699.5 2 $,1835 .48 $ 1 9 8 2 .3 1

-o-

-o-

-o-

-$35 1.30

-$35 1.3 0 $243 .19

1

2 3 4 5 6 7 8 9

$35 .13 $35.13 $35 .13 $35.13 $35.13 $35.13 $35.13 $35.13 $35.13

$1035.85 $1121.53 $1214.06 $1314.00 $1421.93 $153 8.50 $1664.39 $1800.35 $1 9 4 7 . 1 8

$476.4 9 $515.90 $55 8 .47 $60 4 .44 $65 4 .09 $70 7 .71 $765 .62 $82 8 .16 $89 5 .70

$5 94.4 9 $64 0.76 $6 90.72 $7 44.6 9 $80 2.97 $86 5.9 2 $93 3.9 0 $1007.3 2 $1086.6 1

$88 3 .95 $1574.67 $2 319.36 $3122 .33 $398 8.25 $49 2 2.15 $5 92 9.47 $7 016.08

 A- Año B- Ahor r o C - Depr eciación D - Ef ecto  sobre el ingr eso gr avable E - Ef ecto en el flujo de efectivo para f ines de impuestos F - Flu jo  de efectivo después de impuestos G - Flu jo de efectivo acumulado Período de r ecuper ación: 0.59 Años (Punto de equ ilibr io a inter és nulo) Tasa inter na  de retomo: 176.60 % (Tasa de r endimiento descontada) Fig.1-73. Flu jo de ef ectivo y análisis de recu per ación de la mversrón.

nuevos cr éditos fiscales por inversión. El  pr ogr ama de computadora ya mencionado  per mitirí a analizar una situación así. Cuando un motor se avería puede ser reem-

aquí, el progr ama de computadora  puede ayudar a tomar la decisión corr ecta entre r eembobinar o r eemplazar .  Un factor que debe consider ar se es el hecho de que al r eembobinar un motor pue95

Pr incipios generales den incr ementar se la s  pér didas, lo cual reduce su todo B , modificada según la nonna  NEMA eficiencia. Se ha encontrado que el uso excesivo MGI-J2.53a y  b. de calor al retir ar el devanado antiguo daña la resistencia del aislamiento mterlaminar del nú1.9.2 .10  Definición de la eficien cia deo, con lo que aumenta la pér dida  por cor ri en- La  pala br a «ef iciencia», aplicada a m otor es, debe definir se con su mo cuidado, como se vio e n tes par ásitas . la sección 1.9 .1. Enseguida se  presenta  par te de Una gran empresa  buler a (o del caucho) tenía la ter minología em plea da en la actualidad. muchos motores idénticos de 30 hp en una plan· ta. Cuando uno fallaba se le reem plaza ba  por  Eficiencia nominal ( o eficiencia med ia es per a· uno de reserva y luego se reembobina ba. Se o bservó después que todos tos motor es r eem bo bida). Valor promedio obtenido al  pr obar una gran cantidad de motor es de la misma mar ca y nados tomaban diferentes va lor es de corr iente modelo. Cada uno de los motor es puede dif er ir con la  misma car ga, y que a cada nueva o pe r ación de reem bobinado la corriente se  eleva ba y  bastante del valor medio, por lo cual dicho  parámetro no es confiable para realizar cálculos la ef ic iencia se r educía. Tal empresa decidió fi. · económicos. nalmente que el incr e mento en las pérdidas hacía  Eficiencia cal cul ad a. Valor resultante del que no resultara económico el reem bo binado de cálculo basado en los  par á metros del motor y en los motores, y los r eemplazó por motor es n u evo s var ias supo siciones. A menudo este valor tiene a medida que  iban aver iándose. Recuérdese que sólo un r emoto par ecido con la eficiencia mediun l o un 2 % de pérdidas pueden r e pr esentar da, por lo  cual no debe utilizarse para deter miun costo consider a ble en el tr anscur so de la vida nar las pér didas. del motor; a menudo este costo es var ias veces  Eficiencia a parent e. Pr oducto del factor de su pe r ior  al inic ia l  del motor . Sin embargo, este  po tencia y la eficiencia. Un valor garantizado de inc r e me nto aparentemente  pequeño en la s  pér eficiencia a par ente nada dice al usuario acer ca didas podría pasar inadver tido des pués de reem bobinar el motor. La Asociación de Ser vicio de de un posi ble ahorro, ya que la cif ra puede pr oEquipos Eléctr icos de Estados Unidos (E ASA, venir de un alto factor de potencia y una  ba ja Electrical Appar atus Se rvice Assoc iation ) r ealieficiencia, o de un ba jo factor de potencia y una alta eficiencia, o bien de valores inter medios. za actualmente  pruebas encaminadas a deter  Eficiencia m f nima es per ad a. Éste es un conminar la  gravedad del  problema, ya que se discepto mejor def inido. Todos los motores de ben  pone de pocos datos. Un mínimo de calor y maximo cuidado al retirar el em bobinado vie jo y tener una eficiencia igual o mayor que el valor dañado dar án  por resultado un menor ef ecto so· dado. Sin embargo, aquí tam bién  puede existir  bre la eficiencia de un motor r ee m bob inado, cierta var iación. Por e je m plo, un f abricante de·  per o con un incremento en el costo de la r e pa- fine su «mínimo» como el valor que satisf acen el ración. Por otr a  par te, pocos talleres de r e pa- 95 % de sus m otor es.  E   f iciencia mí nima g ar ant  iz ad a. Valor que el ración de motores están equipados  para medir la eficiencia de un motor que ha sido r eembobí- fabricante gar antiza que alcanzan o exceden todos sus motores de una potencia dada. Por lo nado . menos un fabricante of re  ce cambiar o r e par ar cualquier motor que no cumpla la eficiencia ga1.9.2 .9 Adquisición de un motor eficient e Al decidir  la  conveniencia de adqu irir  un motor r antizada o, en su defecto, pagar al usuario una de alta eficiencia es im po r ta nte realizar ca m pa· cantidad que compense las  pérdidas extr a. r aciones válidas. Al compar ar el motor es im Al evaluar diferentes motores de ben com pa  portante verificar que se o btenga el nivel de eficiencia deseado. Esto aún no es sencillo, aunque rarse estos valores minimos, con el ob jetivo de obtener cif r as de costos que sean confia bles. la normalización de los métodos de medición ha Debe tenerse cuidado de no compar ar valor es contribuido a mejor ar el  panor ama. mínimos con valores nominales, promedios o vaComo se mencionó en la sección 1.9.1, es muy lor es no ga r a ntizados . im po rta nte que la efic ie ncia se deter mine en toUno o dos  puntos porcentuales de error en el dos los  casos siguiendo la  norma IEEE -112, mé96

Reducción de las  pérdidas en los moto r es

valor de la ef iciencia  pueden significar a la lar ga miles de dólares de dif er encia en ahorro dur ante la vida del motor . 1.9 .2.11

fabricante debe deter minar la eficiencia  por el método B de la nor ma IEEE-112 modificada  por la  NEMA MG1-12.53a y  b, y estampar  po steriormente una letr a índice o de código en la  placa de datos (f ig. 1-74) que indigu e tanto la eficiencia nominal como la eficiencia mínima que  puede es perarse de cualquier motor de este diseño. Algunos fa bricantes estampan en la  placa la eficiencia en  por centa je, en lugar de la letr a de cód igo.

 Nor mas  N E MA

Las variaciones normales en materiales,  pr o cesos de manufactura y  pruebas de motores dan  por r esultado una amplia gama de valores de ef iciencia  para una gr an  po blación de motor es del mismo diseño. Tomando esto en consider ación

--

Valor nominal o  promediado esper ado

' •

1 1 1 1

Curva de

'1 1' ''

'Valor m(

Letra Indice

 A B

nomo o gar an tizado

Valor máximo

espef ado

86.S 88.6

90 .2

91.7

93.0

... ,

-o

>9SO 94.1

G

68.5 86 5

86 5

81.5 785 5..05 772

78.5 75.5 "o 72 0

H K l N

de eliclencia con-espondlentes a las lettas lndice

-

mlnima

o

e

M  p Intervalos

atoerce

95 O 94, 93 O 91.7 90.2

E F

1

E!ictencia oom,nal

R

s

T

u V

w

"o

68.0 64 O 59 5 5S o 50.5

-

93.0

'"

90 2 68 5

eco 81.5

'"

5 9 .5

55.0 50 5

"o

<460

-E -F

-G

Fig. 1-74 . Valor es nonnalizados por la NEMA  para el marcaje en las placas de datos. E jem plos de los mtervalos corr es pondientes a las let r as de código O, E, F y G. El valor nominal de la eficiencia está indicado  por el  punt o; el valor  mínimo  per mit ido,  por la flecha de la izquier da; y el valor  máximo es perado,  por la flecha de la der echa.

se esta bleció la norma NEMA MG1-J 12.53 b,  basada en la curva nor mal de distr ibución estadística (de Gauss), en la cual se su pone  que  par a un diseño determinado la mitad de los motor es estar án por encima y la otra mitad  por de ba jo del valor medio o nominal de la eficiencia. El

En este caso, el usuario debe cer cior ar se de si el valor estampado corr esponde al mínimo o al nominal de la eficiencia. Cualquier a que sea el valor indicado, todo fa bricante debe estar dis puesto a gar antizar la ef iciencia mínima de su motor . 97

' , �-----....;

Pr incipios gener ales

•

1.10 EFECTO DE LA EFICIENCIA DE UN MOTOR EN EL AHORRO DE ENERGÍA

El siguiente  paso par a ef ectuar un análisis com parativo es evaluar la ef iciencia de ot r o motor  de ti po común equivalente, tal vez uno que ya esté instalado y oper ando. Determinar la ef iciencia de este motor no es tar ea fácil, y  puede o ptarse por tomar el valor buscado de una ta bla de valores que represente el « pr omedio en la industria». A menos que se dec ida enviar el motor a un la bor ator io de  pr uebas, el valor tomado de esa ta bla es suf iciente  para una evaluación inicial. Una vez que se dispone de datos de operación y  pr ecios, tanto de motor es de alta ef iciencia como de motores estándar, par a evaluar la me jor compra es necesar io estimar el tiem po de o per ación y el costo de la energía. Estas varia bles son f unciones de la aplicación y de los datos pr opor cionados por el usuar io . Cualquier evaluación  básica requier e como mínimo la siguiente inf ormación:

Los motores de alta ef iciencia están diseñados  para ahor rar costos de o per ación dur ante su vida útil. Como estos motores tienen mayor  pr ecio que los de diseño común, es necesario  justificar la inver sión  por medio de un análisis com par ativo. La evaluación suele  basarse en datos f ácilmente dis pon ibles, ya que no serí a econó mico realizar un análisis  pr ofundo cada vez que se tomara una decisión de com pr a. La evaluación se funda en inf or mación  propor cionada por el fa bricante de los motor es y en ciertas suposiciones relativas a las condiciones de o per ación del equ ip o. Supon iendo que el análisis ind ica que la me jor o pción es un motor de alta ef iciencia, ¿cómo  podría determinarse que tal decisión es cor re  cta? La única pr ueba realmente ef icaz ser ía un ensayo en condiciones de o per ación que indica r a si el motor funciona como se esper aba y si ahor r a energía según se calculó. El estudio de algunas instalaciones seleccionadas por sus  buenos resultados puede ayudar a reducir el r iesgo que im plica una decisión de compr a. Por otra  parte, si el análisis poster ior arroja resultados desfavor a bles, debe concluirse que las suposiciones que sir vier on de  base er an erróneas, o bien que el motor no f unciona como era de es per ar . Un estudio realizado en más de 100  plantas, mediante el cual se tomaron lectur as con watthorímetros en una gran var iedad de a plicaciones,  per mite concluir que existe una tendencia f avor a ble.

Medida de la forma en que el motor convier te la energía eléctrica de entr ada en trabajo mecánico de salida: watts de entrada entr e watts de salida. T iem po de operación.  Número de horas por día, semana o año que el motor debe tr a ba jar . Costo de la energ í a . Costo unitario total de la ener gía (unid. monet./kW · h), que incluye car go básico, penaliza ción  por bajo factor de potencia, cargo por demanda máxima y otros gravámenes. Se obtiene dividiendo el car go total facturado (unid. monet.) entre el consumo total (kW · h).  Eficiencia.

E jemp lo Su pó ngase que se tienen dos motor es dé 40 h p,

que deben tr abajar 6 000 h/año. Uno es el motor estándar A, con eficiencia marcada del 89.5 %, y el otr o es un motor B con ef iciencia del 92.4 %. El costo total de la energía es de 0.05 dólares por kW · h. El ahorro o btenido gracias a la mayor ef iciencia del motor B está dado  por la ecuación:

1.10.1 ¿Cuál es la mejor adquisición? Las decisiones acer ca de cuál es la me jor adquisición se basan gener almente en los datos dis ponibles de forma inmediata, ya que un análisis  profundo en el que se tomaran en cuenta todas las var ia bles  potenciales r equer iría demasiado tiempo. La eficiencia y el factor de potencia de un motor de alta eficiencia se obtienen de las  pu blicaciones del f a br ica nte. La eficiencia nominal r e presenta el comportamiento promedio en una gran población de motores del mismo diseño.

(h p)x0.746x Nx($1kW·h) x

(1-38)

1 1 X(- --)  E  A  E 8

Sustituyendo en esta ecuación los datos mencionados se o btiene un ahor ro de 314 dólar es  por año. 98

Efecto de la eficiencia de un motor en el ahor ro   de energía se utiliza par a convertir energía eléctrica en energía mecánica de rotación (fuerza motr iz).

La evaluación anterior sólo es tan pr ecisa como lo s datos  pr o por cionados. Por ejemplo, los datos de ef iciencia se tomar on de un  pr omedio estadístico, ya que no hay dos motores exactamente iguales debido a las variaciones de fabrica ción, que dan a cada motor car acter ísticas pr o pias. En la pr áctica, un grupo de motores iguales tendr án eficiencias loca lizadas dentro de un intervalo cuyo centr o será el valor pr omedio o nominal. Utilizando diversos métodos de mues· treo, la  NEMA ha deter minado que es  pos ible una desviación para las pérdidas de un ± 20 % ,

- - -

-----

En el la bor ator io se evalúan los distintos diseños de motor es en cuanto a su ef icacia a través de la observación de algunos par ámetros clave en condiciones ideales de la f uente de alimentación. Los r esultados se han compilado en la  bibliograf ía técnica y estampado en las placas de datos que sirven como base par a seleccionar un motor  par a una a plicación es pecíf ica. Al instalar  un motor en su lugar definitivo de tr a ba jo, se le somete a un medio circundante dís-

Disello estándar  Dlsel'\ode

alta eliclenaa

COr riente

Fig. 1-75.  Curva de satur ación

y sobre esta base ha establecido la nonna  NEMA M G1-12.53a y b, en la que se  pr o por cio na un método para pr o bar y marcar los motor es y se establece Un lengua je común para compar ar motor es de varios f a br icantes. En la nor ma se definen el método de pruebas, la interp r etació n de r esultados y el marcaje de la  placa nominativa. Esta norma es aplicable a motor es de nueva f a.  br icación. 1.10. 2

tinto al del la bor ato rio,  por lo cual se afecta su com por tamiento. La f uente de alimentación de un motor de corriente alterna afecta también en fonna dir ecta el f uncionamient o de la máquina, ya que las variaciones de volta je, fr ecuencia y car ga influyen en el factor de potencia y la ef iciencia. 1.10 .2.l

Ef ectos de la variación de voltaje

La norma  NEMA MGI-12.43 esta blece que lo s motor es de corr iente alterna deben o perar satisfactoriamente en condiciones de car ga nominal y con una variación de volta je medid a en las ter minales del motor de un ± 10 % del valor de diseño. A fin de permitir una mayor flexi bilida d

Factores que afectan al com portamiento de un motor 

Desde un punto de vista simplificativo, un motor  99

Principios gener ales

de diseño  par a aplicación general, en las n or mas  NEMA se de f in e la var iación de volta je a plic a ble tanto a motores comunes como a motores de alta eficien cia. Es necesario dif er enciar  entr e volta je del sistema y volta je terminal. El vol ta je del sist ema es el que entrega a lo s usuarios la compañía de suministro o el que se obtiene de una sube sta ción  propia y que normalmente  puede ser a justado  por medio de las derivaciones de lo s tr ansf or madores (p. e j., un voltaje de sistema de  planta de 480/240 V). El vol ta je t erminal (o vo lta je de  placa) es el valor medido en las terminales del motor y para e cua se toma en cuenta a ca a de voltaje  por ef ecto r  « en las línea s de alimentación (p. e j., el valor estándar en la industr ia es de 4601230 V). Gran parte del ef ecto de las va r iaciones de vo lta je de pende de cuán dur amente tr a b a je la estr uctura de acer o en forma magnética. Si el motor o per a a baja densidad magnética, la r elación entr e volts y amperes será  básicamente lineal. La mayoría de motor es de ener gía eficiente (alta eficien cia ) están diseñados de este modo. En cambio, si el motor tr a ba ja cer ca del valo r  de saturación, dicha relación deja de ser  lineal y la corr iente aumenta en mayor  proporción que el voltaje (f ig. 1-75). Muchos motor es normales de armazón T están diseñados para operar cerca del  punto de satur ación . La ef icien cia  de un motor que oper a a car ga  plena no se altera en forma notable con lig er as variaciones de tensión, ya que las  pérdidas  por ef ecto  P.  R en el estator y en el r otor tienden a moverse en dirección opuesta a las  pér d idas magnéticas, lo cual hace que el efecto neto sea  pequeño. En cambio, si la car ga es menor, las variaciones de tensión se tr aducir án en un decr emento significa tivo de la ef iciencia, como  puede a pr eciarse en la  figura 1- 76. Gr acias a su diseño y construcción, los motores de alta ef iciencia son más to ler antes a las variaciones de voltaje. Obsérvese la diferencia fundamental en tre los dos ti pos de máquinas: el motor estánd ar  se ve af ectado en el intervalo nor mal de car ga, mientras que el de alta eficiencia sólo r esulta afectado a cargas super iores al 100 %. Como la cor riente de magnetización aum en ta con el voltaje, el f actor de  potencia de un motor  de indu cción se reduce cuando se eleva la ten sión  por encima del valor nominal. A menores vol-

tajes generalmente mejora el factor de  poten cia. Como en el caso de la eficien cia, el f actor  de  potencia  cambia en forma más in tensa en mo tores estándar que en motores de alta eficien cia. La reducción en la ef iciencia del motor de bido a la a plica ción de un voltaje alto o ba jo a su s terminales puede corr egirse por métodos de ingeniería esta blecido s. La acción más simp le consistiría en a justar la s derivaciones del tr ansf or mador a pr o piado . La mayor parte de los pr o blemas por  bajo voltaje se deben a una caída excesiva en las lineas de alimentación del moto r . Si la car ga varía consider a blemente en el tr an scurso e a,  po r a ust icar s e e uso e un cambiador automático de derivaciones. Si el motor  está colocado al final de un alimentador de masiado lar go , la situa ción podría cor regir se haciendo  un r eacomodo del sistema. Como la causa de la caída de vo lta je es la corr iente (P.  R) , la componente reactiva de ésta podría r educirse corrigiendo el f actor de  potencia. 1.10.2.2  Desequ ili b r io (desbalanceo) del vo ltaj e

Hasta aquí se ha supuesto que se aplica una tensión trifásica equilibr ada cuyo valor es su pe r ior  o inf er ior   al valor nominal. Otra variación de singu lar importa ncia  en la o pe r ación eficie nt e y uniforme de un motor de in ducción es el deseq uili b rio entr e las magnitudes del voltaje de cad a fase. El  por centa je de desequili br io (fase a f ase) se  expresa por medio de la r ela ción : lOOX

desviación respecto valo r  medio de vo lta je d. . volta je r ome 10

Cuando los volta jes de línea de las fases a plícados a un motor de indu cció n  polifásico no so n exactamente iguales, en los devanados del esta tor cir culan corrientes desequilibradas. El ef ecto  producido por tal desequili bno de los volta je s es el de una tensión sim étr ica de «secuencia negativa », que gira en el sentido opuesto al de unas ten sion es normales  balanceadas. El voltaje de sequilibrado  produce un correspondiente flu jo magnético de secuencia negativa que ocasion a una corriente dcsbalanceada, cuyo valor es más gr ande que el de aquella que circularía en con diciones de tensión en equili br io. El nivel de dese qu ili br io en la cor r iente de car ga  plena se r á  gene r a lm ente   del orden de 6 a 10  veces el valo r de l desequilibr io de volta je, y se incr emen tar á a me-

100

Ef ecto de la ef iciencia de un motor en el ahorr o de ener gía 100

-- --

so

;.:

Subtensióo (10 %)

60

!'

;¡¡ w

VoltaJ e nomi nal

'° 20

o

o

25

75

60

100

125

150

Car ga(%)

Motor de tipo estándar 

100

Sobretensión (10 %)

so ;.:

SubtensiOn (10 %)

7---

Voltaje nor mnal

60

s •

�

'° 20

o

o

25

75

50

100

125

150

Carga(%)

Motor de alta ef iciencia

Fig.1-76. Efecto del volta je de línea en la eficiencia. dida que se reduzca la car ga (f ig. 1-77). La eficiencia del motor se reduce en f orma notable a medida que aumenta el desequilibrio de volta je. Por ejem plo, un desequilibrio del 3.5 % se tr aducirá en un aumento en las  pérdidas de a proximadamente un 25 % , con el consiguiente

incr emento en la elevación de tem peratura. In· cluso un liger o desequili br io en el voltaje a plicado ocasionar á un rá pido incr emento en la tem per atur a de o peración del motor . En la fase que conduce la cor r iente más intensa, el  por centa je en que aumenta la elevación de tem per atur a es

101

Pr incipios gener ales

apr oximadamente proporcional a dos veces el  provocan desequili brio entre las dif er entes f ases. cuadrado del porcentaje del desequili brio de volCualquier a que sea la causa del desequilibr io, ta je. Tal desequilibrio podr ía también  pr ovocar éste debe corregirse, ya que la corr iente excesiva vi br ación electr omecánica, conducente a aver ías  pr oduce mayores pér didas, reduce la  eficiencia y en los r odamientos. acor ta la del motor . vida

1 •

..:

1

20 16

.s 12 • o

s

í,

!

8 4

o

2

3

Oesequih boo del vdl a ja (%)

F ig .

t-n.

Efecto del desequilibrio (o desbalanceo) del volta je sobr e la cor riente.

Otra causa f re  cuente de desequili br io de voltaje es un cir cuito abier to en el lado pr imario del sistema de distr  ibución. La distr  ibución no uniforme de car gas monofásicas sobre un mismo sistema de alimentación es otr a de las causas que

1.10.2.3

Carg a

Pocos motores operan a su carga nominal,  por lo que la eficiencia, el f actor de  potencia y la cor r iente de  placa no son a plica bles, toda vez que estos valor es se suelen supo ner  en condiciones

E bc iencia

Factor de  pot enc:,a

o+-������� O

25 50

,

75 100 125 150

�rga (%)

Fig. 1-78. Car acterísticas de un motor estándar tí pico. 1 02

Ef ecto de la ef iciencia de un motor en el ahor r o de energía

tos valor es, el ahor ro alcanza los 14 145 kW · h anuales.

de «car ga  plena» o «nomin al». Gener alm ente, los fabr icantes  ponen a disposición de los usuarios hojas de datos a varios puntos de ca r ga. En la figura 1- 78 se ilustr a la forma en que varían la eficiencia y el f actor de  potencia con la car ga en un motor tí pico. La eficiencia es esencialmente constante desde el 50 hasta el 125 % de la  carga nominal, mientr as que el factor de  potencia es muy af ectado

8 00 7 00

-- - VeloCldad (rpm)

600 500

- Comente  (AJ � Sob reca l entam,ento

z 400 -,1 300 u

1.10.2.4 Ciclo de tr a bajo Ésta es otra consider ación r elacionada con la carga, ya que en el ciclo intervienen cargas cuyo valor es función del tiempo. Por lo general, el ciclo de tr a ba jo es repetitivo y  puede r e pr esen tar se por medio de una gr áf ica en la que la abs-

Mar cha

[

200 100 50

o

Fuer a

�- 1

Marcha

\

\

o

2 3 4 5 6 7 8 9 O nempo ( s)

Fig. 1-79, E jem plo de ocio de tr a ba jo.

 por las  bajas cargas. Si se comparan las curvas correspondientes a motores de alta eficiencia, se ver á que son simila r es pero  presentan mayor ef iciencia a cualquier car ga. Desde luego que cada diseño de motor tiene su gr á f ica  particular , en la cual la ef iciencia  máxima se localiza antes o des pués del 100 % de la car ga. Así, al evaluar los ahorros  potenciales que podrían obtener se con difer entes diseños de motores, es mejor basarse en los valores de ef iciencia  y factor de potencia que cor r esponden a la car ga real del motor en cuestión. Por e je m plo, supón ga se una aplicación en una bomba que requier e un motor de 40 hp y cuatro  polos. La eficiencia de un motor estándar es del 89.3 % y la de un motor de alta eficiencia, del 92.0 %, am bos a car ga plena. En o per ación continua, el ahorro de ener gía será de 8 550 kW · h por año. Sin embargo, en la  realidad el motor o per a a 3/4 de carga y las efic iencia s respectivas a este valor de car ga son del 88.0 y el 92.4 %. Con es·

cisa es el tiempo. Un e jem plo de instru mento utilizado par a o btener inf or mación r elativa al ciclo de tr a ba jo son los gr af ic ado r es, que ind ican la variación de la cor r iente o la  potencia como función del tiem po. Si el ciclo de tr a ba jo r equiere que el motor se detenga durante una parte del ciclo, como se indica en la  figur a 1-79, entonces  podría pr esen tar se un  pr oblema de so br eca lentamiento. La corriente de arr anque gener a energía tér mica ( pérdidas)  pr o porcional al cuadrado de su intensidad y, por otr o lado, la capacidad del motor  de disipar el calor a través de su sistema de ventilación es  p r o po r cion al al cuadrado de la velocid ad . Los motores que se usan en este tipo de a plíca cton es no experimentan carga constante,  por  lo que su eficiencia varía de f or ma continu a. Es  posi ble evaluar aproximadamente la car ga  promedio y la eficiencia pr omedio,  pero debe r ecor dar se  que un motor que funciona en vacío no 10 3

Pr incipios gener ales

desarrolla tr a ba jo útil y sin em bar go puede estar tomando el 30 % de sus k VA a plena carga. 1.10.2.S  Otras var ia bles Hay otr os f actor es am bientales que af ectan la eficiencia. Aun cuando son más difíciles de medir, su efecto sobr e el com portamiento del motor  puede ser deter minante. En general, tales f actores caen en la categoría de las condiciones de mantenimiento. Una conservación deficiente acorta la vida del motor, y se tr aduce en una f alla  prematura de bida a so br ecalentamiento. Los cojinetes y aislamientos son  en especial suscepti bles al calor excesivo. El calor es ener gía térmica gener ada,  por lo que debe minimizarse esta  pér dida.

r e par ación  o reembobinado de un motor que se ha averiado. El  proceso que se utiliza para quemar el devanado anter ior puede ocasionar un incremento en las pér didas en el hier ro (sec. 1.9). Si la tem per atur a de quemado es excesiva; es decir , superior a 400 ºC (750 ºF),  pueden degr adarse las propiedades magnéticas y la r esistencia inter laminar , lo  cual daría por resultado un motor con ef iciencia más ba ja des pués del reem bo binado. 1.10.3

Casos de estudio so bre eficiencia de motores

Las variaciones y el equilibrio de volta je, así

Fig. 1-80. Equipo sencillo utilizado  par a pr obar la ef e ctividad  de un motor de alta eficien cia. Consist e en un watthorímetro y un medidor de tiem po transcur rido montado en la misma caja de aqu él.

como las condiciones de car ga,  afectan a la eficiencia y el comportamiento de todos los motor es. Tales factores constituyen la influencia externa más significativa a la que se enfr enta el diseño intrí nseco de un motor . Los motores de diseños distintos,  como los normales y los de alta eficiencia, r eaccionan  en for ma dif erente a los

Existen además ciertas anor malidades comunes que tienen un efecto adverso en e l com por tamiento del motor , como desalineamiento mecánico, lu bri cación def iciente, aplicación im propia para la transmisión con  bandas V, y tem peratura ambiente y ventilación im pr o pias. Otro problema es et efecto pr oducido por la 104

Efecto de la eficiencia de un motor   en el ahorr o de ener gía

estímulos exter nos y los de diseños comunes lo hacen de modo similar . Con base en la inf or mación obtenida en numer osos estudios,  puede afir marse que las var iaciones en las condiciones exter nas afectan negativamente en mayor grado a los motor es de diseño estándar que a los de alta ef iciencia. Los tr es casos que se ex ponen enseguida son e jem plos típicos que apoyan esta tendencia. Los casos contienen lo s r esultados de  pr ue bas realizadas con watthori metr os en el lugar de tr a bajo y en condiciones r eales de o per ación. Par a este ensayo, en el circuito del motor sometido a  pr ue ba se inter caló un watthor ímetr o dotado de un medidor de tiem po tr anscur ri do, y se pidió a

objetivo de r evisar estos casos es mostr ar la difer encia que existe en el f uncio namiento com par ando datos reales y datos calculados (o es per ados). A menos que se indique otr a cosa, en los tr es casos la ca pacidad del motor de alta ef iciencia (motor B) que sustituyó al motor normal (motor A) era igual a la ca pacidad de éste. 1.10.3.1 Caso 1 V ar iación del vol ta  je. La tensión a plicada es un 3 % mayor que el valor nominal. Como el motor

B está diseñado  para más baja satur ación que el motor A, el in cr emento de volta je r educe la corriente de línea y eleva la ef iciencia del motor B.

Ta bla 1-6. Caso l:  plantaqulmica Com presor de t ipo tor nillo  A pl ica ció n T i po de mot or 100 h p, J 800 rpm, a bierto a prueba de goteo, 404T T iem po de oper ación 3 000 hf año C o sto de la ener  g  f a ( d ól ar e s ) S.04f k W·h  P ar ámet ros de op er ació n  Motor A  Mot or B Comente nommal ( plena car ga)  pu blicada Volt a je no minal  pu bhca do

Comente medida de prueba ( plena cár ga) Volta je medido de prueba ( plena car ga)  Dato s cal cu l ad os Ef iciencia  pu blicada Ahorr o anual (dólar es)

 Dato s de prueba K ilo watt s-hor a iniciales K ilo watts-hor a {males K.ilo wans-hor a netos Hor as iniciales Hor as finales Hor as netas

460 y

130  A

1 12 A

474 V

474 V

 M o10r A 91.6 %  Motor A

 M otor B 93.1% $157  Motor B

77 354 70 171 7 183

26 427 20 186 6 241

15

% 3.5

15  842.5 121.0

Consumo de ener gí a  por hor a (kW.h) Ahorro anual (dólar es)

!ISA

1 20  A 460 y

59.4

6 140.0 16 009.l 130 .9 1

47.7 SI 404

En cambio, el motor A r eacciona en sentid o o puesto (ta bla 1-6).  Desequil ibr io d el vol t a je. El valor de menos de un 1 % da  por resultado una baja de eficren-

las

compañías suministr adoras que tomaran las lectur as. El costo de la energía utilizada en estos e jem plos r epresenta el pr omedio del costo a nivel nacional en Estados Unidos (fig. 1-80). El 10 5

Efecto de la eficiencia de un motor en el ahorro de ener gia

estímulos exter nos y los de diseños comunes lo hacen de modo similar. Con  base en la inf or mación obtenida en numer osos estudios,  puede afirmarse que las var iacio nes en las condiciones externas afectan negativamente en mayor grado a los motor es de diseño estándar que a los de alta eficiencia. Los tr es casos que se ex ponen enseguida son e jem plos tí picos que apoyan esta tend encia. Los casos contienen lo s  resultados de  pr ue bas r ealizadas con wattho rímetr os en el lugar de tr a bajo y en condiciones r eales de operación. Par a este ensayo, en el circuito del motor sometido a  prueba se inter caló un watthorí metr o  dotado de un medidor de tiempo tr anscur rido, y se pidió a

o b jetivo de r evisar estos casos es mostrar la diferencia que existe en el f uncionamiento com par ando datos r eales y datos calculados (o es per ados). A menos que se indique otr a cosa, en lo s tres casos la ca pacidad del motor de alta ef iciencia (motor B) que sustituyó al motor normal (moto r A) era igual a la capacidad de éste. 1.10.3.1  Caso 1 V ar iación del vol ta je.

La tensión aplicada es un 3 % mayor que el valor   nominal. Como el mot or B está diseñado  par a más baja satur ación que el motor A, el incr emento de volta je r educe la corr iente de línea y eleva la eficiencia del motor B.

Tabla 1-6.  Caso 1: plan taquf mica  A pl icación T  ipo de motor T iem po

de o per ación Co sto de la ener  g í a ( dól ar es)  P arám et ro    s de o per ación Corriente nominal ( plena car ga)  pu b licada Voltaje nominal  pu blicado Corriente medida de prue ba ( plena carga) Volta je medido de prue ba ( plena car ga)  Dato s cal cul ad os

Eficiencia  publicada Ahorro anual (dólar es)  Dat os d e prueba K ilowatts-hor a iniciales K ilowatts-hor a finales K ilowatts-hor a netos

Hor as iniciales Hor as finales Horas netas Consumo de energía por hor a (kWh) Ahorro anual (dólar es)

las com pañías suministr ador as que tomaran las lectur as. El costo de la energía utilizada en estos

J

e]em p ios r e pr esen�a  el prumedio e) rosto a iri vel nacional en Estados Umdos (fig. 1-80). El

Compr esor de ti po tornillo 100 hp, 1 800 rpm, a bierto a prue ba de goteo, 404T 3 000 h/año $.04/k W·h  Motor A  M otor B 120A

460 V

118 A 460 V

130

A

112 A

474 V

474 V

 Motor  A

77 354 70 171 7 1 83

 Motor B 93.1% $157  M otor B 26 427 20 186 6 241

15 963.5 15 84 2.5 121.0

16 140.0 16 009.1 130.9

59.4

47.7

91.6%  Motor A

Sl 404

En cam bio, el motor A r eaccio na en sentido opuesto (ta bla 1-6). 'i'J m1f ti f /¡¡¡ i   i1J  l.i!, WilO'¡!. 'i:,\ 1,im; .¡,.• .,,,..,,,._  de un 1 % da por resultado una ba ja de eficien-

Pr incipios gener ales cia en ambos motor es, y no es  pos ible  pr ecisar si afecta más a uno o a o tr o. V ar ia ción de la carga. La aplicación imp lica un cic lo de trabajo que requiera que el motor opere sin carga durante una par te de dicho ciclo. Las pér didas sin carga del motor A son considerablemente mayores que las del motor B. Por esta causa, la  energía absor  bida durante la mar cha en vacío es un factor significa tivo  para ex plicar  la  diferencia en las lectur as r egistr adas en lo s wa tthorí metr o s.

V ar iación de la carg a. La máquina im pu lsada tr a bajó en id énticas condiciones de car ga con am bos motores; es decir, con una v ar iación desde los 3/4 hasta 112 de la n ominal. A la  tensión nominal, ambos motores ex per imentaron el mismo deter ior o en su eficiencia: de un 1 a un 1.5 %,  per o en vista del sob r evolta je a plicado, el motor A experimentó una caída de eficiencia de un 3 % a me dia car ga, con lo cual se incr ementó su consumo medio de energía dur ante el ciclo de tr a ba jo.

•

1.10 .3.2  Caso 2 V ar ia ción  del vol t a je.

La tensión aplicada está un 4 %  por encima de la nominal en el caso del motor B, y un 9 % en el caso del motor A. Un análisis de las curvas de satu r ación a car ga plena de cada motor revela que am bos motores o pe r an muy por de ba jo del recodo de la  curva a su volta je nominal. Sin embar go, a 600 V el motor A experimenta una reducción en la eficiencia, mientras que el motor B experimenta una mejora (tabla 1-7).

1.10.3.3 Caso 3 V ar ia ción de vol ta je. La tensión aplicada es un 2.6 % inf er ior  a la nominal. En esta a plicación tal voltaje de hecho mejor a la  eficiencia de am  bos motores en virtud de que su car ga es muy  ba ja. El voltaje bajo tiende a r educir la intensidad de la cor ri ente, Jo cual a su vez aminora las  pérdidas por la  carga P R de los motor es (ta bla 1-8).  Desequilibrio del volt a je. Su valor puede consider arse des pr ecia ble.

Ta bla 1-7. Caso 2: fábrica textil  A pl icación i de motor  T  po

Acabado de hilados 15 h p, l 800 rpm , TETC, 254T 6 000 h/año 0.04/kW·h

de o per ación Costo d e la energ í a ( d ól ar es )  Parámetros de oper ació n T iem po

 Motor  A

Corriente nominal ( plena car ga)  publicada Voltaje nominal pu blicado

17.0A

550 V

Corriente medida de  prue ba 14 2 A ( plena car g a) Volta je medido de prueba ( plena car ga) 600 V

 Datos cal cul ad os Eficiencia  publicad a Ahorro anual (dólar es)

 Datos de prueba Consumo de energía ¡x,r hora (k W·h) Ahorro anual (dólar es)  Desequil ibr io de

volt a je. Ambos

m otor es

 Motor  B 14.8

A 575 V

13

OA 600 V

 Mot or  A

 Motor  B

86.7%

89.8% $107

 Motor  A

 Motor  B

10 1

7.7 $76

Var iación de la carga. El motor A f ue instalado como  parte del equi po or igin al y, en vista de que sólo tomaba el 60 % de su corr iente nominal, se dec idió   que de bía probar se con el ta-

f uer on sometidos al mismo voltaje desequilibrado en menos del 1 % , lo cual no afectó ma yor mente al consumo de ener gía. 106

Devanados de estator  par a m otor es de Inducción

maño inmediato inf er ior   correspondiente a 5 h p. En realidad, como se descubrió des pués, un motor de 3 hp hu biera sid o tal vez una me jor elección  para las car gas aplicadas a la  bom ba. Con el motor sobr edimensionado, mucha de la energía estaba re presentada por la com pon ente

Los casos anterior es tam bién ponen de r elieve algunas variables que se pr esentan en a plicaciones reales y que influye n en el f uncionamiento de todos los motor es. Las variaciones en el voltaje a plicado y en la  carga im pu lsada ocasionarán que el motor opere en fonna su bó ptima. Es-

Ta bla 1-8.  Caso 3:  planta  petroq u fmica  A pl icación T i po de motor 

Bo m ba 7.5 h p", l 800 rpm, TEF C,

213T 7 800 h/año 0. 04/k W.h

T iem po

de operación Costo d e la ener  g[a (dól ares )  Par ámet ros d e operación Corriente nominal  (p lena car ga)  pu blicada Voltaje nominal pu b lica do

 Motor  A

 M otor  B

11.2A

460 V

6.1 A 460 V

Corriente medida de  pru e ba ( p lena car ga) 6.8 A Volta je medido de  prueba ( plena car ga) 447 V

4.2 A 449 V

 Dato s calculados

Mot or  A

Eficiencia  pub lica da Ahorro anual (dólar es)

82.7%

 Datos de pr ueba

Motor  A

Consumo de ener gía por hor a (k W·h)  Ahorro anua l (dólar es)

0

3.23

 M otor  B 87.0% $70  Motor  B 2.74 $153

• En susmución del motor B de 5 h p "* La oper ación del motor  A se calculó con base en el punto de car ga corr espondiente a 5 hp de la curva de f uncionamiento del diseño de

7.5 h p.

reactiva, que no aporta traba jo útil. El ahor r o de energía se o btuvo principalmente al dimensionar el motor más cer ca del valor de la car ga. R esum en Los tr es casos mencionados ilustr an que el aho rro de energía obtenido en instalaciones r eales a menudo está por encima de los valor es es per a bles calculados por medio de datos nominales. Hu bo algunos otros casos en los que la a plicación de motores de alta eficiencia no dio por resultado el ahorr o esperado. La razón más  pr oba ble es que el motor normal tenía en realidad mayor  eficiencia que el valor su puesto, o que el motor  de alta eficiencia tenía menor rendimiento. Sin em bargo, en la  mayor  parte de las pr ue bas r ealizadas los ahorros o btenidos f uer on  mayor es que los calculados originalmente.

tas variables se encuentran  bajo el contr ol directo de los ingenier os de aplicación y del personal de planta. El control de dichos f actor es  per mite al usuario alcanzar lo s máximos  benef icios que el diseño mejorado de los motor es de alta eficiencia  pone a su alcance.

1.10.3.4

1.11 DEVANADOSDEESTATOR PAR A

MOTORES DE INDUCCI  N

1.11.1

Clasifica ción

Los devanados de estator de los motor es de inducción  pueden clasificarse en las dos categorías  básicas:

10 7

Devanados  para r anu r as sem ice rr ada s - Devanados  para ranuras a b ie rt as -

1.11.2 Definicio nes

Se ha .d iscutido mucho sobre las ventajas y d es vent a¡a s d e ca d a uno de estos ci po s;  podria

1.11.2.1 Número de ranuras por polo y por r ase Esta cantidad, abreviada RPF, es la   que r esulta d e dividir el número total d e r anur a$ d e l c!>t at or

decirse que el ingeniero de diseño tenderla a f a  en tr e el producto del número de polos (p) y ( S ) vorecer el uso d e r anur as  semicenad a s , con J o eJ número de fases ( m ). Tal cantidad n umé rica cual se obtiene un mejor aprovechamiento del es im po rta nte  en la   posible disposición de los dematerial magnético, mientras que desde el p un to vanados y de  preferencia debe ser un númer o ende vista de la fabricación  podría considerarse que tero, si bien esto no es indispensable para que el es más fácil el embobinado cuando las r anu r as devanado esté equ ili br ado . están completamente abiertas, ya que r esulta más sencilla la colocación de las  bo binas. núm. de ranur as RPF ,.::C = ',-'",-'=,,_,----:cc=-::- = -,En la  práctica se emplea el  primer tipo de d enúm. de polos x núm. de f ases vanado en motor es hasta de 300 hp que tr a b a je n  s , a baja tensión, lo  cual Jo hace el ti po más am-(1-39)  pliamente a p licado . =  p·m Un devanado  para ranuras semicerradas consiste en bobinas hechas en un molde de d ime n1.11.2.2 Gru po siones adecuadas, las cu ale s se alo jan en un nú- Un  grupo está formado por las  bobinas que  per cleo de laminaciones del estator , ya sea en f o rm a tenecen a la misma fase y se encuentran  bajo un mismo polo; es d ec ir , las  bobinas que están en manual o au tomá tica.  Normalmente hay dos costados de bobina e n RPF ranuras contiguas y que  pertenecen a un a cada ranura, de modo que al colocar un g ru po misma f ase. de bobinas se inserta n  primer o los costados que El númer o de grupos ( G) de un devanado de van a ocupar el fondo de la ranura, de jando f ue- do s capas es: ra lo s otros costados hasta que todos lo s f ondo s (1-40) de r anura hayan sido ocupados y  puedan emG =  p·m  pezar a colocarse los costados que ocuparán la A su vez, el número de bobinas por grupo es  parte supe rior  de las r anu r as. En este ti po de devanado, la s bobinas se ela - igual al R PF .  boran con alambre magnético de se cción cir cula r , y por lo gener al se producen grupos com p letos de  bobinas; es d ec i r , se f ab ri ca  n en f orma J.JJ.2 .3 Paso po lar  cont inua t od u fas  bobinas 9ue perf enecerr a (f !T   E lt  7 &' fJ ¡7(1/  ,?!' (! '!'   ) ¿;J  )¡¿, JJ ; )6 ¡lj,itancia cir cular  1

é((' c# «'  ff/ 

1


 AW dtÍ'!$'  éf.(  f'  dT d- ,w, §77 ¡11?, dJff'   ,tf cl?.t' é' st' é' ff cf ,?tf' ¿($f¡' d7 {j"  ¡es de hacer uniones  postenores. cíí J5<1i3f &Jñlígüos: . En motor �s de mayor capacidad o para tenpp = Jt  X diámetro interno del estato r  swn .es su pe nor es a 600 V es necesario utilizar  bobinas  pr ef orm adas con la  particularidad d núm. de  polos que sól� �u ede � in serta rse en r anuras a b ie rta/  Si el diámetro se designa  por Di , entonces se tie E�te ultimo sistema tiene la ventaja de que las ne que:  bobmas quedan  perf ectamente aisladas antes de su colocación en las ranuras y de que el área n eta  x D ,  P  P =1t  de cobr e dentr o de una ranur a es mucho ma yor  (1-41)  p �ue en el caso de r anur as semicerradas, lo cual he n�e ª.com pen sa r la  pérdida en la superficie d e En un devanado tr if ásico, RPF es igual al nu lam mac_ion e s en el entr ehierr o. mero de ranuras local iza das a p r oxima dame nte Esta pér �ida resulta de abrir la ranura y af ecta 1 en la ter cer a parte del paso polar, o sea que un a . ca p a cida d que  puede obtenerse de las Jammac,ones da da s. grupo cubre aproximadamente un te rcio del  p aso  pola r . Como una excepción a esto pueden cita rse

 ª

--- 108

Devanados de estator para motores de Inducción

los motor es de polos consecuentes  par a dos velocid ades. 1.11.2.4 Pasode bo bina

El paso de bobina (PB) es la distancia entre los dos costados de una bo bina, medida en r elación con el  paso  polar . Cuando el  paso de bo bina es igual al  paso polar , se dice que la  bobina es d e  paso completo. Si el paso de bo bina es menor o mayor que el  paso polar , la  bobina es de  paso  f  ra  ccionario o de paso acor ta  d o. 1.11.2.S

Inicio de f ase Los inicios d e f ase de los  grupos de bo binas son las  puntas de las  bobinas que van conectadas a la línea . En un devanado trifásico, los inicios de f ase de ben estar situados  aproximadamente a 21 3 del  paso- polar . Sin em bargo, es posible agr e-

Flg. 1-81.

respecto del primero. En cambio, en la conexión l arga , ello se hace a un gru po dcfasado 360° eléctr icos r especto del  pr imer o. Cuando se tienen dos o más circuitos en paralelo, es  pr ef er i ble utilizar la conexión lar ga  par a contr ar restar el posi ble desequili br io magnético, que tiende a des plazar al r otor . Sin em bar go, si se tienen grupos desiguales de  bo binas, es necesario utilizar la conexión corta. Si el devanado se conecta en serie,  puede usarse cualquier a de las dos conexiones.

1.11.3 Devanadoim br icado Este ti po de devanado se emplea en el estator de la mayor par te de los motores de inducción. Pr ácticamente en todos los casos se coloca el de-

Ca bezal r edondeado de bobma.

gar a esta distancia un múltiplo  par del  paso  polar ;  por e jemplo, el inicio de la segunda f ase  puede estar a 2/3 + 2 = 2 veces el paso polar  del inicio de la  primer a f ase, y la ter cer a fase iniciarse en una ranur a situ ada a 2/3 + 213 + + 2 = 3 '13 veces el  paso polar del inicio de la  primer a  fase. 1.11. 2 .6 Conexión corta y conexión larga CÜand o se utiliza la conexión cor ta, cada gru po se conecta a otro grupo defasado 180" eléctricos

vanado en dos capas.

Los ca bezales de las  bobinas pueden ser re· dondeados o de diamante. En el caso de los cabezal es r edond ead o s (fig. 1-81), las  bobinas se f onnan en un molde cuyo  perímetro se deter mina en f orma ex perimental.  Normalmente todas las  bobinas de un grupo se devanan en su· cesión utilizando un molde múlt iple. Para el cabezal d e d iamant e (f ig. 1-82)  puede hacerse un molde similar , o  bien utilizarse un molde universal en el que es posi ble a justar el

Pr incipios gener ales

tamaño de las  bobinas de conformidad con las condiciones. La dimensión m r e presentada en la figur a 1- 82 es en extr emo im por tante. Si se hace muy  pequeña, el devanado queda demasiado a pr etado; si es muy grande se corr e el riesgo de acer car en exceso las  bobinas a las ta pas de la car casa además de tener   una r esistencia óhmica excesiva

colocar se en la r anur a 19. Des pués de esto, los costados supe r ior es de las  bobinas 1 a 5 podr án ser intr oducidos en sus respectivas r anur as. Las  primeras cinco bobinas se llamar ían en este caso bobinas d e paso , y su númer o es igual al paso de bo bina. Este método de devanado se llama de paso hacia arriba y es el más satisf acto rio por que todas

h

r 

Fig.1-82. Dimensiones im portantes de un ca bezal de di amante. en el devanado. El radio r se hace normalmente igual a 6 mm. El espesor del separador h se toma como el 40 % de la pr ofundidad de la r anur a. Bobinas de paso Si se consider a un devanado de cuatr o  polos, tr es fases y 24 ranuras, con paso de ranur a de 5 (ranuras 1 y 6), el em bobinado colocar á  pr imer o un lado de la bobina en el fondo de la r anur a 1, de·  jando el otro costado sin colocar . Lo mismo ocurrir á con las  bo binas 2, 3, 4 y 5. Al inser tar  la sexta bo bina, su  primer  costado se colocar á en el fondo de la ranura 6 y su segundo costado en la parte super ior  de la ranura 1, que ya tiene un costado de bobina en el fondo. De igual f orma  podrían irse instalando las bobinas sé ptima, octava, novena, etc. Cuando el costado inf erior  de una bobina se coloca en la r anura 24, su costado superior de be 1.11.3.1

110

las  bobinas resultan idénticas  (fig. 1-83). En algunos casos, es pecialmente tr atándose de motores de dos polos, no es f ácil devanar te· niendo dentr o del estator un buen númer o de costados de bobina en es pera de ser instalados. En este caso es posible utilizar la conexión de aso hacia abajo, como se indica en la figur a 1-84. En esta for ma de conexión ambos costados de las  bobinas de paso quedan en el f ondo de la r anur a; por e jemplo, los dos costados de la  bobina 1 se colocan en el fondo de las r anur as 1 y 20; los de la  bobina 2, en la 2 y la 21; y asi sucesivamente. A partir de la  bobina 6, la colocación se hace igual que en el caso anterior : un costado en la  parte super ior  de la ranur a 1 y el otro en el fondo de la ranur a 6. Una vez que se han ubicado costados de bobina en el fondo de todas las r anur as, quedarán 10 r anur as vaciasen su  part e

Devanados de estator  par a motores de Inducción

.

7 \ 

\

\

\

\

\

\

\

\ \

\ \

\ \

\

Bo bina núm. Grupos de f ase

''-- -"  A

•

B

A

Fig. I-83. Método de devanado de paso hacia arri ba. su pe ri o r , en la s cuales se colocar án cinco  bo binas

cuyos costados estar án  precisamente en esta  parte . La conexión de paso hacia abajo puede utilizarse para bobinas de extremos redondeados o  para bobinas planas de diamante,  per o no en el caso de  bobinas pr ef or mad as. Bo binasco ncru Ci!S Cuando el es pacio h del molde sólo puede r ec ibir un conductor , o en general cuando sólo cabe un 1.11.3.2

16, la final. El primer cruce ocur re al pasar de la espira 4 a la 5, de la 8 a la 9, y de la 12 a la 13.

Por razones más bien mecánicas, deben aislar se los cruces dur ante el pr oceso de em bobinado. E s necesario tomar en consideración que el volta je entre espiras adyacentes será mayor que en el caso de bobinas «hacia arr  iba » En una bobina «ha cía arriba», el valor máximo de volta je que  puede existir entr e dos conductor es a d):'..ace ntes es igua l al valor  pico por es pir a, o sea V2 por la tensión por fase divididos entr e

I 

' , 1,  /   /  1

v24 I  23 ¡22

' /..

 /

),

15/  I 

//

/ I 

I 

I 

,1 "  / 1, rI I "'- .1  /  I ''  ( 'y ,,,  /      '   /\,  / I -,

V

 /  , 1'   

V

V

V

I 

'

V

I 

I 

/

"

Fig. 1-84. Método de devanado de paso hacia a ba jo.

conductor en el ancho d e la ranur a, cada con ductor su bse cuente se coloca sobre el ante rior , f ormando una bobina «ha cia  arri ba» que no tiene cruces. En cambio, cuando ca ben dos o más conductores en el ancho de la ranura, se f or ma una bobina como la mostrada en la  figur a 1-85, en la cual el conductor cruza sobre sí mismo al  pasar de una car a a la siguie nte. Por ejemplo, en la figur a cada capa contie ne cuatro conductor e s; el 1 es la  punta inicia l y el 111

el número de es pir as: Tensión máx. por espira =

V2

x tensión de f ase .::.:: ::._:=:_���-'--=- _.:::=

=

núm. de espiras en serie por fase

(1-42)

donde:  Núm de es pir as en serie  por f ase = núm.  bo binas  x núm. esp ir as por bo bina núm. f ases x núm . circuitos en  par alelo (1-43)

Principios gener ales

Final---,

16

15

1i,

13

1.'c,pa

2 • capa

 _  ,. 4." capa

Fig.1-85. Dis pos ición de los conductores en las capas de una bo bina con cruce. En la figur a 1-85, el voltaje entre las es pir as 1 y 2, 2 y 3, 3 y 4, o bien 4 y 5, es el corr es pondiente a una es pira tal como ocur r e en una bo bina «hacia  arriba». El voltaje entre las es piras 3 y 6 es 6 - 3 = 3 veces el volta je  por espir a, y el voltaje entr e las es pir as 1 y 8 es 8 - 1 = 7 veces dicho valor , lo cual puede hacer necesario

r ef orzar el aislamiento del conductor o agr egar aislamiento complementario entr e ca pas. Es facti ble también seccionar las bobinas con cruces devanando cada sección «hacia arri ba» y aislándola de las demás, como se muestr a en la figur a 1-86. Dicha figur a representa una  bobina con cruce

Mitad superior  de La bobina

Inicio  de la

pnmera

secc,ón--�"'

Mitad 111f eoor  de la bobina

Final de la primera sección

2

3 4

Final de la

""""",..,,.,.,

----...L »<; Cruce de 5 a 6

Fig.1-86 . Bobina con cruce formada  por dos secciones de lO espir as cada una. 1 12

Devanados de estator  par a motor es de Inducción

formada por dos secciones de 10 espir as ca d a una, dispuestas de dos en dos a lo ancho, y de cinco a lo alto. Ambas se ccion es se co nect an uniendo la  punta f in a l de la  primera sección con la in icia l de la segun da sección. La unión se e f ectúa en el ca be zal de la  bo bina. El volta je entr e se ccione s en cualq uie r  punto es igual al volta je  por espira multi plicado por el número de es pir as  por se cción . Este ti po de bobina se emplea cuando el númer o de espir as de la  bobina es con siderable o cuando se tiene una ranura com par ativamente an cha.

ese nú mer o de  bobinas. Si el númer o no es un enter o, las  bo binas deben distr  ibuirse como se indic a en la tabla 1-10. Por e jem plo, si se de sea obtener un devanado de cuatro polos en un estator de 15 r anur as, el número de  bobinas  por  polo y  por grupo es de 1114; en la ta bla 1-10 se ve que el agrupamiento cor r espondiente a 1 \  bo binas por gr upo es: 2-1-1-1-2-l-1-1-2-I-l-1, lo cual sig nifica que el pr imer gru po de la fase A tiene dos  bo binas por grupo, los siguientes tr es grupos tienen sólo una bobina, el quinto tien e dos bobinas, etc. El devanado ser ía ig ua l si  se tr atar a dé ocho  polos en 30 r a nur as, o bien de 12  polos en 45 r a nu r as. El númer o de cir cuito s r e pr esenta el número máximo posi ble de circuitos en  par alelo . Cuando se utiliza un agr upamiento desig ual, es necesario r ecur r ir a la conexión corta  para devanados conectados en par alelo .

Devanados con grupos desiguales Cuando al ca lc ular  el número de bobinas  por grupo se obtiene un númer o fr accio nar io, es po s ible en muchos casos diseñar un devanado que tenga gr upos con dif erente número de  bob inas,  pero que sin embargo esté equili b r a do. 1.11.3 .3

Tabla 1-9. Pos ibles devanados con dos a ocho polos  N úm. de ranuras

6

9

 Do s polos

 N úm.

de Bobinas circuitos por g rupo 2 1

12 15 18 21

2

24

2

27 30

1

2

36

2

33 39 42 45

48

1

2 1

1

Cuat ro  polos  Núm. de  Bobinas circuit os  por grupo

Ocho pol o s

d e  Bobinas cir cuit o s  por gr upo

 N úm.

1 11/z

2

2Y2 3 3Y2 4 4Y2

4 1

2 1

4 1

5

2

6

4

5Y2

1

6Y2

1

2

7

2

1

?1/2

1

2

8

1

S eis pol o s  N úm. d e  Bobinas circuito s  por gr u po

4

1

1Y  ,

Yi

6

2 2Y, 2Y2

3

l

th

o

o

ih

o o

3Y..

o

3

6

o o

31/z 3h

3

4

En la tabla 1-9 se  presentan algunas de las  posi b ilid ades par a devanados de dos a ocho  polos. Ahí se indica el númer o de  bobinas por grupo y el de cir cuitos en par elelo que puede tener el de vanado. Cuando el número de circuitos es cer o, ello significa que no es posi ble diseñ ar  un devanado equili brado (o  balan cea do }  en esas condiciones. Cuando el número de bobinas por gru po es un número entero, todos lo s grupos tienen

1. 1 1 . 4

lY2

8

1

1

IY8 1Y . 1r 8 1Y2

2 1

2

4 1

21/z

2 1

8

17'8

1r ,

1% 2

Devanados con céntr icos

Por razones de economía, muchos motor es se devanan en for ma automática, lo cual suele limitar se a casos con número entero de r anur a s  por polo y por fase, y pr á ctica mente obliga a utilizar  devanados concéntr icos, de lo s cuales ha y una gran variedad. Los más empleados son lo s siguie ntes:

11 3

P r incipios gener ales Tabla 1-10. Distribución de bobinas (númer o fraccionario de bobinas por gru po)  N úmer o  p r omed io de bobinas  por g ru po

 N úmer o d e g ru po

11 211111111 2 1 21111111211 2111121111 2 1 21112111211 211211211 2 12 212112 12 2 12 212112 21 2 21 2 l 2 1 2 1 221212212122121 2212212122 12212

1.11.4 .1

2222222122 22222 322232223222 323232 3332333233 32 433343334333 434343 444344434443 545454 656565 767676 878787 Dt vana dodeca d ena

Este ti po de devanado, que se ilu str a en la figur a 1-87 , se utiliza mucho  porque es muy econ óm ico. En este caso sólo hay un lado de  bo bina  por r anura, y únicamente seis grupos en lug ar de 12, como ocurriría en un devanado común. Au n cuando el devanado en sí es de una capa, existe n dos niveles o ca pas de cabezales de  bo bina .

+a

-b +e

-a

Fig. I-87.

1

2

2

1

2 2

2

111111

2 1

1

2

1

1

2 1

1

1

2

2

2 2 2 2 2 2 2

kd =

sen 70"

+

sen 90"

+

sen 110"

3

=

0.960

Este devanado es exactamente equivalente a uno im bricado  de paso completo con la mitad de las es pir as  por  bobina de la s que tiene el deva nado de cadena en una r anu r a. El devanado de cad ena es adecuado  para mo-

+a

' .. .,���� ( 

2 2

-QJ-

-c

+b

2

1 1

1 2

-b

, r r 

+e

( 

Devanado de cadena para cuatro po los, 36 ranur as, tres fases.

Ca be señ alar que, en este caso, ninguna r anura contiene conductor es de distinta fase, lo cual sim plif ica el aislamien to . El f actor de distr i bución  par a esta dis posición es: 114

tores de cuatro polos,  per o no para los de dos o seis polos.

1.11.4.2 Devanad ocon céntricoco mún En la  figura 1 ·88 se ilustra un devanado concén-

Devanados de estator para motores de Inducción trico de la  forma usual; es decir , con un gru po céntrico para un motor de dos  polos. Este de por polo y  por f ase (12 gru pos para el caso ilus- vanado es el equivalente exacto de uno im br itrado). Cada f ase tiene cuatr o grupos, uno  por cado de dos capas, tiene (al igual que un deva polo, que pueden insertar se uno a la vez, lo que nado común) seis grupos, o sea uno  por f ase y da por r esultado tr es capas o niveles de ca be-  por  polo, las ranuras están uniformemente llenas, y ninguna tiene conductores  pert enecientes zales.

+a

-a

'2 "2 �1 �-�-� ,�-�+b� �2 2, r  / 

1 22 1 -b

2 1

1 2

i ' 1

+e

-e

-� ...,.., ,r7- �� -,�1

1221

-a

1

1221

1 2

+a

-e

r r 

22 1

1

-b

r 

1

1 2

'+e2' 2 1

+b 1

 , ,  ,�-��- ,� , rr:  ,

122 1

1221

1221

Fig.1-88 . Devanado concéntrico  par a cuatr o  polos, 36 ranur as, tres f ase s.

'

El llena do de las r anur as es uniforme en este caso,  pero cada ter cera r anura contiene conductor es de dif er entes f ases. El f actor de distribución corr espondiente a este arreglo es: sen

6(f

+ 2 sen 80° 3

a difer entes f ases. Este arr eglo puede emplearse para cualquier número de polos. El f actor de distribución  par a este caso en concr eto es:

� 0.945

k d  =

sen 67.5°

+ sen 82.5º

-------

2

= 0.9 57

rr: 1 1 ..1 1 ,...._ 

+a

1

1

1

1

"--.......--' -b

1

1

1

+e

1 1 1 .1.....= ., .,

1 1 1 1 �

-a

+b

.1 . 1 1 ,1 -e

Fig. 1-89 . Devanado concéntrico para dos polos, 24 ranur as, tres f ases.

Este devanado equivale exactamente a uno im bricado con paso de 819 y con el mismo número de espiras corr espondientes al de la figura 1-87. Esta disposición puede ser usada para cualquier  númer o de polo s. 1.11.4.3 Devanado conténtri co equivalente al de paso com pleto En la figur a 1-89 se presenta un devanado con-

1.11.5 Recomendaciones de or den práctico 1.11.5.1

Pasode bo bina(PB) Los valor es· más comúnmente utilizados son los siguientes: 5/6 del paso completo  par a cuatro o más polos 2/3 del paso completo  par a dos polos

115

1.11.5.2 Número de es pir as por  bobina (EPB) Si C es el número de conductor es en serie por f ase, c P  el número de cir cuitos en paralelo y S1 el número de r anur as del estator :

Por lo gener al no es conveniente utilizar un númer o menor de cuatr o es pir as por bo bina. En la figura 1-90, el númer o de espiras por bo bina para devanados de cuatr o polos conectados en dos par alelos y par a 220 V se grafica en función de la  potencia. El númer o de EPB para dos  polos sería superior , y el correspondiente a seis y ocho polos, inf erior  al mostrado en la figur a. Otr o criterio que es conveniente aplicar al determinar el número de circuitos en paralelo es la máxima tensión admisi ble por grupo. Este valor anter iormente se limita ba a 100 V por segundo;

debe ser normalmente múltiplo de 3 p debe ser un número entero debe ser un número enter o debe elegirse de modo que el númer o de espiras por bo bina r esulte un valor entero que no sea demasiado  pequeño ni demasiado gr ande

30

o..

e

.. 5

o

20

JO

"

50

60

hp

,o

80

90

120

Fig. 1-90.  Númer o de es pir as por bo bina  para motores de cuatro polos, conexión con dos  p ar alelos

en éstrella.

Se tiene entonces que: EPB:

en la actualidad se consider a ace ptable alcanzar  200 V por grupo. Cabe señalar que al conectar  el devanado en dos o más paralelos se obtiene como efecto extr a

(1-44) 11 6

Devanados de estator   para motores de Inducción

una combinación par cial de cualquier asimetría en el cir cuito magnético. Para esto es necesario emplear la conexión corta y no la lar ga, con la cual el ef ecto de com pensación se per dería.

1.11.6 Diagramas En las figur as 1-91 a 1-11 6 se presentan algunos de los diagr amas de embobinado que más se utilizan para motores de dos a ocho polos.

8

1

Fig. 1-91. Conexión par a dos polos, serie estrella.

e

•

:r .

',

''

"'

-,

· ::---..

"" ", , ',''1,

,.,,

�

-=-+-�

1

1

)

J

,.

\,

'

'f/

e

•

\l

'

' 

Fig. 1-92. Conexión para dos polos, dos par alelos estr ella.

8 L

'

-,

•

'

1 1

' '

1

'

''

1

'

''

'

/

' '

1 1 / 

' �

) 1

:1r .

�'

, j) e·

1

'

\ ,>

'

' <,

-

\ '

I 

1

'

'

'

-�

<,

1 '

117

Pr incipios gener ales

I  I 

----- ----

-,

'\

'

'\

\

1

I 

1

e Fi g.1-95.

'

Conexión para cuatr o  polos, ser ie estr ella.

C  A

8'

Fig. 1-96. Conexión para cuatro polos, dos  par alelos estr ella.

-----

1

 A Flg. 1-97 .

1

8

C

Conexión  para cuatr o polos, cuatr o  par a· lelos est r ella.

 A Flg.1·98 .

8

C

Conexión par a cuatro polos, serie dell a.

1 •

Devanados de eatator para motores de inducción

1

8

Flg. 1-99.

 A

C 

Conexión  para cuatro polos, dos par alelos delt a.

Fig. 1·100. Conexión  par a  cuatro polos, cuatro  par alelos delta.

-------

e Fig. 1-101.

Conexión  para seis polos, serie est r ella.

Flg. 1·102 .

119

Conexión para seis polos, dos  par alelos estr ella.

Principios generales

A

'

8

Flg. 1·103. Conexió n  para seis polos, tr es  par alelos estrella.

 A

'

 A

C 

8  C 

Flg. 1·1 04. Conexión  para seis polos, seis par alelos estr ella.

'

A

8  C 

Flg. 1·10 5. Conexión par a seis polos, dos  par alelos delta.

'

8

C 

Fig. 1·106. Conexión par a seis polos, serie delta. 120

Devanados de estator para motores de inducción

'

1 A

B

 A  B

C

C

Fig. 1-107. Conexión para seis polos, tres  par alelos delta.

Fig. 1-108. Conexión para seis  polos, seis  paralelos delta

Flg.1-109. Conexión par a ocho  polos, serie estr ella.

Fig. 1-110. Conexión  para ocho polos, dos par alelos estr ella.

12 1

Pr incipios gener ales

 A

Fig. 1-111.

B C 

Conexión para ocho polos, cuatr o  par alelos estr ella.

Fig. 1-112. Conexión para ocho polos, ocho  par alelos est r ella.

'

\

A

8

C 

 A

B

C

Flg. 1-114. Conexión  para ocho polos, dos  par alelos delta.

Fig. 1-113. Conexión para ocho polos, serie delt a.

122

Motores monofásicos

 A A

8

8

'

C 

C 

Fig. 1-115. Conexión  par a ocho  polos, cuatro  par alelos delt a.

Fig. 1-116 . Co nex ión para ocho polos, ocho par alelos delta.

1.12 MOTORES MO NO FÁSICO S

motor no es excesiva, continuará girando aunqu e a una velocidad liger ame nte más baja y toma ndo mayor cor riente de la línea. Esto equivale a decir que la máquina funciona como motor mono f ásico, y desarr olla par de rotac ión mientr as esté en movim iento. Si por alguna causa se detuvier a la marcha del motor y se tr atar a de volver a  pone r lo en movimiento con una f ase in terr um pida, se vería que el motor no es capaz de ar rancar . De aquí pu ede concluirse que:

1.12.1

Intr oducción

Las car acterísticas particulares de los motor es monofásicos, sobre todo su  baja eficiencia y ba jo factor de  poten cia, limitan su aplicación a los casos en que la  potencia requerida es r elativamente  baja; es decir , desde milésimos de caballo (h p) hasta 3/4 h p, en el caso gener al. Por su puesto, en casos especiales en que no se cuenta con alimentación trif ásica pueden utilizarse motor es monofásicos hasta de 7 1/2 h p a pr oxim adamente. Lo anterior   podrfa conducir a pensar que los motor es monofásicos tienen gener almente  poca a plicac ión. Sin embar go, la gran cantidad de unidades en servicio  pone de relieve la  necesidad de considerar a estas máquinas una  parte significativa del sector de utilización de la ener gía eléctri ca. La o pe r ación de un motor monof ásico puede visualizarse más clar amente si se consider a la siguiente  prueba. Supóng ase  que durante la o pe r ación de un motor trifásico se inte rr um pe la alimentación por una de las f ases. Si la  carga del

Un motor mono f ásico desarr olla  par sólo mientras está en mar cha. 2. Un motor monofásico car ece de par de arr anqu e, y  por tanto r equiere un med io auxiliar  para ponerlo en movimie nto. 1.

1.12.1.1 Gener alidades del motor monof ásico Si se consider a un estator con un devanado mo -

nofásico distribuido en sus ranuras, como se mue str a en la fig ur a 1-11 7, es posible analizar el com portamiento del campo magnético que se crea al alimentar dicho devanado y concluir de inmediato   que dicho campo magnético cam bia de magnitud y dirección conforme varia sinu soi12 3

Pr incipios  generales

dalmente la alimentación; es decir , se o btendr á un cam po magnético  pulsante variable en el tiempo per o estacionario en el es pacio y que, en consecuencia, no es capaz de pr oducir par de r otación (fig. 1-118).

eir á en ellas una f uerza electr omotriz (FE M). Esta FEM  pr oduce una corriente distri buida como se ilustr a en la figur a 1-119. Los conductor es del r otor podrían considerarse ahor a una  bobina que produce un cam po magnético orlen·

Fig. 1-117.  Motor con devanado monof ás ico de dos polos. Si ahor a con un medio externo se hace gir ar el

motor a la velocidad de sincr onismo (3 600 rpm a 60 Hz), los conductor es del r otor cortarán las líneas de flujo magnético del estator , y se indu-

tado horizontalmente; es decir , a 90" del cam po del estaror , y el resultante de los dos campos (el del estator y el del rotor ) ser á un cam po magnético r otatorio. lo cual ex plica por qué el motor 

t 

Fig.1-118. Campo magnético pulsante  pr oducido en el estator de la figur a 1-ll7. 12 4

Motores monofá sicos

Fig. 1-1 19. Campo magnético originado  por las corrientes ind ucidas en el rotor . La flecha horizontal r e pr esenta el campo magnético del rotor .

Par nominal

Par máximo

o Fig. 1-120. Curva par -velocidad de un motor con un devanado mono f ás ico. 12 5

-

Principios generales monofásico sí  produce par cuando su rotor está en movimiento. Así, la curva par -velocidad de un motor monofásico sin un medio auxiliar de arr anque sería como la que se muestr a en la figur a 1-1 20, en la cual puede apreciarse que el par se incr ementa a partir de cer o a medida que el r otor se pone en movimiento hasta llegar a un valor  máximo, y después decrece hasta el valor nominal en el  punto en que el par desar r ollado se equilibra con el par r esistente de la car ga. Como conclusión de lo anterior podría decirse que el problema básico para hacer oper ar un motor mo no f ásico consiste en dar le un im p ulso inicial en uno u otr o sentido, ya que una vez vencid a la r esistencia inicial el motor es capaz de seguir girando sin ayuda externa. También  podrí a decirse que una vez puesta en marcha, la máquina monofásica puede consider arse un caso es pecial de un motor de dos fases, donde la segunda fase corr esponde al campo magnético  pro ducido por el r otor . El medio que se utiliza para lo gr ar  que la máquina desarrolle  par durante el arranque per mite clasificar lo en alguno de los ti pos siguientes:

l. Motor 2. Motor 3. Motor 4. Motor

uno de los  tipos de motor es monofásicos mencionados. 1.12.2 Motor de fase dividida  (partida)

En esta máqu ina, el par de arr anque necesar io  par a poner en movimiento el r otor se obtiene colocando un segundo devanado a 90° eléctricos del  primero. En la definición de la ASA (A merican Standar ds Association)  par a un motor de fase dividida se Je cataloga como un motor de ind ucci ón monofásico con un devanado auxiliar desplazado en su eje magnético y conectado en  par alelo con el devanado  pri nc ipal. La  pr egunta que inme diatamente sur ge es: ¿cómo o btener una dif er encia de f ase entre dos devanados que están conectados en par alelo? La respuesta es que ambos devanados tendrán que diseñarse de tal maner a que su resistencia óhmica y su r eact ancia sean tan dif er entes como sea  posi ble. ,.....---..... Si se recuerda que la r esistencia  de un devanado es dir ectamente  pr o por cional al númer o de es pir as y que, en cam bio, su r esistencia varía con el cuadrado de dicho númer o, se tendrá una idea más clar a de lo que conviene hacer . Si el número de espir as en el devanado auxiliar  se reduce, su reactancia se hace menor que la del devanado de trabajo, y si se utiliza un conductor 

de f ase dividida con capacitar de arr anque con capacitar  perm anente de polos som br ear.los

V  Devanado aux1l11lf  .........._  Inter ruptor 

de arranque

-

 J r  ,

l r  ,

G)

�Devanado de tr aba jo o principal

- -' '  I 

 I r  ...

,

Flg. 1-121. Corrientes en los devanados de un motor de fase dividida. En la clasificación anterior sólo se consider an más delgado se incr ementa la resistencia, con lo los  motores monofásicos con rotor de jaul a , que cual la corriente en las  dos ramas se def asa en

son los de construcción más simple y de uso más generalizado. Enseguida se examinan  br evemente las caracter ísticas y la constr ucció n de cada 12 6

un ángulo suficiente par a obtener el par de arranque necesario. De hecho, el par de arr anque es pr o por cio nal

Motores monof ásicos

renda de f ase de 25 a 30" suele dar r esultados satisf actorios. La segunda  pregunta que sur ge es: ¿có mo evitar que se sobrecaliente el devanado auxiliar , que está hecho de conductor mucho más delgado que el del devanado de tr abajo y sin em bar go conduce una corriente de intensidad com par a ble? La r espuesta es que, en vista de que el devanado auxiliar sólo tiene  por ob jeto «arr ancar » el motor , puede r etir ársele del circuito una vez

al  pr oducto de las corrientes en cada rama por

el seno del ángulo que forman los vectores correspondientes a las dos cor rientes y  por la resistencia aparente del r otor, 'w Esto se ex pr esa matemáticamente por medio de la ecuación: (1-45)

.., Tarr  = K ·/  ,,·/  1·se no:· r 

En la figur a 1-121  se presenta en f orma esquemática la r elación entr e las cor rientes en am-

-·-·-. ---

Curva par -velocidad correspondien!e (T) sólo al devanado de tr aba¡o

.................

...... (Desconexión del

•

 X devanado auxiliar)

\

I 

!

/

>

./ 

r-. . T  A)

/

,/· /

(

•

Corva par ·velocidad correspondiente a los dos devanados tr aba jando conjuntamente

./·

/

./

 /  par 

Par de ar ra  nque

Fig.1-122. Curvas  par-velocidad de un motor de fase dividida .

 , en el devanado  bos devanados. La corriente t  auxiliar tendr á r es pecto al volta je aplicado V un ángulo de atr aso menor que el corr es pond ie nte a la cor riente /1 que circula por el devanado de traba jo, de modo que el ángulo o: entre am b as corr ientes tenga un valor adecuado. Una dife-

que el r otor ha alcanzado cierta velocidad, y con esto el pr oblema queda soluciona do. En la figur a 1-122 se presenta la curva  par -velocidad (T + a) que se o btiene con los dos devanados conectados a la alimentación, así como la curva cor r es pondiente al devanado de tr a ba jo 12 7

-Principios gener ales

(T). En un  punto determinado  x, el devanado auxiliar queda fuer a del cir cuito y el motor o per a únicamente con el devanado de tr a bajo y según su pr opia curva (T). El sistema de fase dividida es por tanto un medio económico de o btener el par de arranque necesario en un motor de inducción monof ásico, y  por tal motivo este ti po es uno de los más utüizados. Cabe mencionar que el par que puede o btenerse con este ti po de motor es r elativamente r educid o,  puesto que está limitado por el ángulo de defasamiento (o  defasaje) entre la corr iente del devanado de trabajo y la del devanado auxiliar , y este valor no  puede incr ementar se más allá de cierto límite. Por esta causa, en algunas aplicaciones que requier en un elevado par inicial es necesario utilizar un motor de arr anque  por  ca pacít or . Para tener una idea de las magnitudes que intervienen, enseguida se examinan los datos de diseño de un motor de f ase dividida de 1/3 h p, cuatro polos, 1 725 rpm, 120 V y 60 Hz. En este motor se utiliza un volumen de hierro en el núcleo de casi 900 cm 3, lo  que equivale al material activo necesar io  para un motor trif ásico de 3/4  hp. Esto es indicativo del mayor contenido de material que se r equier e en un motor monofásico. El devanado de tr a bajo consta de 316 es pir as de alam bre magneto de co bre calibr e 17 (de 1.2 mm de diámetr o), con peso total de 0.690 kg, en tanto que el devanado auxiliar está constituido  por 212 es pir as de alambr e magneto de co br e calibre 23 (de 0.617 mm de diámetro) y con un  peso total de apenas 0.136 k g. Este motor desar r olla un  par de arr anque equivalente al 196 % del nominal, y un par máximo  del 264 %, lo que r esulta satisfactorio en la mayor parte de las a plicaciones. Más adelante se describen los dispositivos que  pueden utilizarse para desconectar el devanado auxiliar una vez que termina su f unció n. 1.12.3

Motor con ca pacitor de arranqu e

Ya se ha visto que en el caso del motor de fase dividida el diseñador dispone realmente de un escaso mar gen en cuanto al ángulo de dif er encia de fase que puede obtenerse entre las cor r ientes del devanado de tr aba jo y del devanado auxiliar .

En cambio, si se coloca un ca pacitor (C0 en serie con este último devanado, es posible incr ementar dicho ángulo hasta casi 90". Si se r ecuer da que el par de arranque es  pr o por cional al seno del ángulo com pr endido entre las dos corri entes y que el seno de 30° (que es el valor angular máximo que puede obtener se  prácticamente en un motor de fase dividida) es 0.5 y el seno de 90" es 1, resulta clar o que sólo por este concepto el  par de arranque sería por lo menos del doble en un motor con capacitar de arr anque. Si ahor a se examina la figur a 1-123, puede o bservarse que la corr iente de linea ser á mucho menor que en el caso de la máquina con ca pacitar de arranque de Jo que sería en el motor de f ase dividida, de bido precisamente a que el ángulo et'. es mayor . Esto significa que par a un mismo valor  de corriente de línea, las cor rientes del devanado auxiliar y del devanado de tr a ba jo  pueden ser mayores, con lo cual se incr ementa aún más la magnitud del par de arr anque. Por tanto,  puede decirse que el motor con ca pacitar de arranque tiene el más alto  par inicial de todos los  tipos de motor monofásico, es pecialmente en lo que r especta al valor del par por unidad de corriente, o « par  por am per e».  Natur almente que el incr emento en el par se o btiene a expensas de un costo extr a, ya que  por lo general el ca pacitar C debe tener una ca pacidad  bastante elevada [es f r ecuente encontr ar valores de 400 µF (microf ar ads) o más] y r equiere un aislamiento adecuado  para el volta je al que va a estar sujeto, que es mayor que el de la línea de alimentación. Por ello su costo resulta consider a ble. Es necesario también que el dispositivo de desconexión actúe oportunamente,  puesto que el voltaje a plicado al ca pacita r  se incr ementa a medida que el motor adquiere velocidad, y si no se desconecta del circuito puede dañarse. Par a esta a plicación, el ti po de ca pacitar nor malmente empleado es el electr olítico especial  para corriente alterna (r eversible). Estos capacitar es se fabrican arrollando dos tir as de lámina de aluminio tratadas electroquimicamente  par a generar el delgado dieléctrico en for ma de  película de óxido de aluminio, las cuales están se paradas por dos películas de material aislante. El conjunto se aloja en un r ecipiente adecuado y se im p r egna con un electr ólito que r egener ar á el dieléctrico a lo lar go de su vida. Eta constr uc-

12 8

)

Motores monof ásicos

ción permite o btener una capacitancia varias veces mayor para el mismo tamaño de r ec ipiente que la que  podría o btenerse con la constr ucción usual. Por supuesto que la elevada ca pacidad nominal del ca pacitor se basa en el hecho de que sólo interviene unos cuantos segundos dur ante cada arranque del motor , y después  permanece fuera del cir cuito.

debe estar plenamente justificado  por lo s r equisitos de o per ación de la  carga. En aplicaciones como el im pulso de com pr esores en sistemas de air e acondicionado que tr a ba jan con alta contr a pr esión, el motor con ca pacitor  de arranque es sin duda la  elección inmediata,  pero en otros casos, como el de los r efrigerador es  par a uso doméstico, el motor de

I 

' ,,

Inter ruptor de arranque

V

a l 

C, I  ,

 )1 ,

'  ,  ,  ,

0 �-===;h='=:::;¡.,.:.  I r 

V 

 ,,"' 

/

Fig. 1-123. Corrientes en los devanados de un motor con capacitor de arr anqu e.

Por tanto,  puede decirse que el motor monofásico con ca pacitor   de arr anque  permite o btener un alto  par de arr anque a cambio de un costo inicial mayor que el de un motor de fase dividida. Tampoco de be  per derse de vista el hecho de que el capacitar de arr anque constituye otro es· la bón de la cadena que puede dañarse y con el tiempo tener que r eem plaz arse . Por estas razones el uso de un motor con capacitor de ar r anque

V

fase dividida constituye una alternativa más económica; un diseño cuidadoso del devanado auxiliar  permitir á logr ar un  par de arranque suficiente en las condiciones de o peración más sever as que  puedan  pr esentarse . El costo de un motor con ca pacitar de ar r anque es un 40 o 50 % más alto que el de uno de fase dividid a, lo cual confir ma el que aquel ca pacitar sólo debe utilizarse cuando su elevado

I  ,1

e , Fig.1 -124. Motor con capacitar  penn anent e. 129

-·----

Pr inc ipios gener ales

 par de arranque es absolutamente necesario en la  pr áctica. Estos motor es comparten una desventa ja con lo s de fase divid id a: normalmente no es f act ible invertir su sentido de rotación cuando están en movimiento; es dec ir ,  se requier e que el motor se detenga o reduzca su velocidad sustancialmente para poder inter cam biar las terminales de conexión del devanado auxiliar e invertir así el sentido de r otación.

1.12.4 Motor con ca pacilor  perma nente La principal venta ja de este tipo de motor consiste en que no r equier e un interr u ptor extr a  para desconectar el devanado auxiliar , ya que tanto éste como el ca pacitar C  P que está en serie con él  permanecen en el cir cuito (f ig. 1-124). Otra ventaja es que con él se o btiene un me jor f actor de potencia y por consiguiente una r educlínea. ción en l a  corriente de

a

,

l

--

b

ª,-..1

J

J

0

'

V 

1

T T T T

J

1

1

l

8

,

e

e

,. ,. ,. ,. V

!

b

Fig. 1-125. Inversió n del sent ido de r otación de un motor  con capacitar perm anente. 130

Motores mo nof ásicos

Sin embargo, como el motor permanece CO· nectado en el circuito en todo momento, ya no  puede ser del tipo electrolítico, sino que de be em plearse un ca pacitar im pr egnado de aceite, cuyo costo y volumen  por micr of arad de ca pa· cidad son bastante más elevados. Por otra  parte, una vez que el motor arr anca, la capacidad requerida en el cir cuito auxiliar es mucho menor . Por las r azones ex puestas, la ca pacitancia (en micr ofarads, µF)  para un motor de este ti po es mu· cho menor que en uno con capacitar de arr anque (5 a 20 µ.Fes un intervalo r epresentativo), lo cual da una indicación de que el par de arranque que  puede es perar se no es muy gr ande.

quisitos de par en el arranque son r elativamente  ba jo s. En los motores con ca pacitar  permanente, los dos devanados  pueden ser iguales, con lo cual el motor puede hacerse gir ar en uno u otr o sentid o con un sencillo cambio de conexiones, como se muestr a en la figur a 1-125. Una de las línea s de alimentación está conectada en f or ma  permanente al punto e, mientr as que la otra linea se conecta alter nativamente al  punto a o al b , según el sentido de r otación deseado. Esto permite invertir  la  marcha del motor sin necesidad de detenerlo, lo cual constituye una

Curva par-velocidad de la carga

i. v,¡:  / )

v,/

/ / V,

v ,

 I  1 /   /   /   /  ' /  .//  / //

//  / .

/ 1

/

 /   _ l ¡

I I 

Fig. 1·126. Control de velocidad en un motor de capacitar  permanente por var iaci ón del volta je aplicado.

El ba jo par inicial inher ente a este ti po de motor limita  por tanto su uso a a plicacio nes como ventilador es de as pas o de tipo tur  bina, cuyos re13 1

una ventaja so br e los  dos ti pos de motores monof ásicos ya descritos. El cir cuito ilustr ado  en la figur a 1-125 se a plica

''-· ------; con frecuencia en lavador as de ro pa del tipo de impulsor , en las que la mezcla de agua, ropa y deter gente se agita haciendo girar el im pulsor  primero en un sentido y luego en el o puesto,  par a evitar que la ropa se enr ede. Lo anterior se logr a fácilmente  por medio de un tem por izador que sólo tiene que controlar un inter ru ptor  de un  polo y un tiro (lPI T) .

....

',

''

,' 2 •

V

o'

""'" Alta

Un inconveniente de este tipo de control de velocidad es el hecho de que la veloc idad o btenida depende de la carga, como se vio en la figur a 1-126. Es decir, si el motor opera en vacío, la variación de velocidad obtenida  por este método ser á  prácticamente nula, mientras que con una carga consider a ble la variación de velocidad  podría resultar excesiva.

c

•

t,

}

§

•

•

i

-e

� � �

�

C)

Fig. 1-127 . Contr ol de velocidad de un motor con capacitor  pennanete, por medio de derivaciones en el devanado de trabajo.

Otra ventaja del motor con capacitor  per manente es que permite cierto control de la velo. cidad mediante una variación del volta je a plicado a sus terminales. Este tipo de control es útil sobre todo en ventiladores, en los que el volumen de air e mane jado se puede variar de maner a muy sim ple. Esta variación de velocidad o bedece al hec ho de que al a justar el voltaje aplicado al motor se modifica la intensidad del campo magnético  y , en consecuencia, el par mo tor . En la figur a 1-126 se ilustr an  cuatro curvas  par -velocidad de un motor de ca pacitor  permanente corres pondientes a cuatr o valores distinto s de volta je a plicado. Como puede a preciarse en esa figur a, la velocidad del ventilador  puede var iarse en un intervalo muy amplio. Una forma muy simple de logr ar lo consiste en disponer deri vacio nes en el devanado de tr aba jo del motor , con lo cual  podr án obtenerse dif er entes curvas  par -velocidad sin modificar el voltaje de alimentación, como se advierte en la figur a 1-127.

La corriente de arranque que toma un motor con capacitor  permanente es muy baja,  por lo que no afecta a las demás cargas conectadas al mismo circuito, en contraste con lo  que ocurr e en el caso de los motores de fase dividida o con ca pacitor  de arranque, que  producen una caída de voltaje considerable. Esto puede ocasionar un  parpadeo molesto en las lám par as conectadas al sistema, y af ectar a otras cargas alimentadas  por  el mismo circuito. Enseguida se comparan brevemente las car acterísticas de tr es motores de la  misma potencia nominal, 1/3 hp,  y con datos de placa similares: cuatro polos, 120 V y 60 Hz, correspondientes a los tr es tipos de motor monofásico que se han examinado hasta aquí. Los  par ámetr os que se utilizarán para la com paración son:

l. 2. 3. 4. 13 2

Par de arr anque Par máximo Corriente de arra nqu e Velocid ad a plena carga

Motores monofásicos Ta bla 1-11. Comparación de las au-acteristicas de motores monof ásicos C or rit nt t  V t l ocid ad   Par d t ar r anqut   Par máximo (% del par  nominal  ( % del par  de arr anque nomina l  (   A ) (rpm )  ) nominal  ) Motor de fase dividida 190 4-0.4 264 1 730 Motor con ca pacitor  de arranque 350 249 29.7 1 725 Motor con ca pacitor  15 1 13.9  permanente 56 1 625

En la tabla 1-11 se confirma que el motor con capacitar de arranque tiene el mayor par de las tres máquinas, mientras que el capacitar  per manente desarrolla el menor par inicial con la corriente de arranque más baja. Por su  parte, el motor de fase dividida tiene el valor más alto de  par máximo y la mayor velocidad nominal. El motor de ca pacitar   permanente tiene en cam bio la velocidad nominal más  ba ja, lo que indica que este tipo de motor presenta un campo magnético relativamente dé bil.

 para el arranque, el cual se desconecta del cir cuito en el momento oportuno. De este modo se deja sólo un capacitar de baja ca pacitancia en serie con el devanado auxiliar , como se observa en la f igur a 1-128, donde se presenta el sistema de doble ca pacitar . 1.12.5 Motor de polos so m breados

Este tipo de motor monofásico es el de cons-

/ lnterruptOr 

 _J_  de arr anque C ,

V

C ,

1

1

Flg. 1-128. Motor de doble capacitor .

e , es el capacitar  permanente y c. el ca pacitor de arr anque.

Es  posible también com binar las car acterísticas del motor de capacitar  permanente con las del motor con ca pacitar de arranque utilizando un ca pacitar electrolítico de capacidad elevada 133

tracción más r o busta, sim ple y económica, por lo que su uso se ha extendido enormemente a todas aquellas aplicaciones que r equieren una fuente confiable de ener gía a  bajo costo, como

-�· -----�

Principios gener ales

.

son •ven tilado r es, calef actores,  bom bas pequeñas, apar atos electrodomésticos, etc . El  pr inci pio en que se  basa la o pe r ación del motor de polos sombreados es muy sim ple, y se ilustr a en la figura 1-129. Esta f igu r a r e pr ese nta

o-

un flujo magnético  IP que circula  por la estructur a la m in ar del estator y cruza el entr ehierr o  par a completar su tr ayectori a   a través del r oto r . En cada  polo del motor hay  por lo menos una « bo bina» S que a bar ca una parte del ar co del

--v---o

¡

1 B

r- ----'1

¡p

1

1 1 1

:

Pi

¡

1 1

1 1

1

1 1 1

1

1

1

1

1

1 1 1

o

f---L-, -

'

1

1 1

1

1 1

Rotor

1

 j

1

Bobina de sombr a Fig. 1·129.

Motor de polos som br eados.

un tipo de constr ucción denominada de esque-

leto,  per o el principio es a plica ble a todos los motores de  polos som br eados . Al aplicarse una tensión alterna a la  bo bina B, la corriente que cir cula por sus es piras  pr oduce

 polo y que consta de una anilla o es pira única de cobre cerrada sobre sí misma; es decir , en cor · tocir cuito. Dado que una  parte del flu jo magnético (como la denotada L1 en la figur a) se en· laza con la es pir a S, en esta es pir a se induce un a

134

•

Motores

monof ásicos

De la  descripción anterior  puede inf er irse que el par de arranque de un motor de polos som br eados no es muy alto,  per o en muchas aplicaciones prácticas su magnitud es suficiente. Por otr a  parte, como no se tiene un dispositivo de desconexión ni un capacitor extra, la o per aci ón de este ti po de motores es sumamente confiable. En cambio, el hecho de que las bobinas de som br a  permanezcan en el circuito después de ha ber cum plido su misión de producir el par de arra n-

tensión, y por ella circula entonces una corriente. Esta última ocasionar á a su vez que el flu jo magnético corr es pondiente a la  parte del polo a bar cada por la « bo bi na» S se atr ase (o defase en atraso) con r es pecto al flu jo que pasa por el resto del polo. Esto equivale a la f ormac ión de un cam po magnético r otatorio que gira hacia la  parte «som br eada» del  polo y  pone en movimiento al rotor . Tal ef ecto se denomina «som br eo»."

Par nominal

Par de arranque

Par méximo

Par 

Fi¡¡.1-130. Curva  par -velocidad de un motor de polos som br eados.

del R. El nombr e de esta máquina proviene de su denominación en inglés:  shaded poí e motor . El nombr e del ef ecto sobre el  polo causado por la anilla de co bre ( bob ina de som br a) se de be a que se com par a su acción con la de una  pantalla o sombra que inter cepta la «luz» (flu jo magnético) del  polo. •

N .

que necesario, significa que la corr iente que cir cula  por ellas originar á una pér dida extr a en el motor . La eficiencia de un motor de polos som br eados es muy  baja; en un motor del tipo esqueleto no es rar a una eficiencia de a penas un 10 %,  pero cuando la  potencia requerida es del

13 5

-

Pr inci pios gener ales 1.12.6

orden de 1 W, en r ealidad no es relevante el concepto de eficiencia. En la figur a 1-130 se pr esenta la curva  par -velocidad de un motor de polos sombreados. Como  puede verse, el par de arranque es sólo una fr acción del par no minal, y el par máximo es a penas mayor que aquél. Es tan ba ja la  corriente de arranque que to ma un motor de polos som breados, que algunos de estos motores pueden  permanecer con su r otor  bloqueado dur ante semanas enter as sin quemar se. Sin embar go, una desventaja im po r tante es la dificultad de hacer reversible esta máquina. Para logr ar  esto tendrían que colocarse otras bo binas de sombr a en el otr o lado de cada  pieza  polar, y conectar y desconectar cada  juego de  bobinas según el sentido de rotación deseado. Aunque lo anter ior es teóricamente f actible y se han fabricado motor es así, lo complicado de la construcción difícilmente se  justifica.

Desconexión del devanado auxiliar 

Enseguida se describen algunos de los medios utilizados  par a realizar la desconexión del devanado auxiliar en los motor es monof ásicos de f ase dividida y con capacitar de arr anque. 1.12.6.1 lnterruptor ce ntrff ugo Éste es uno de los tipos más utilizados para realizar la desconexión. Consiste en dos partes  básicas, una estacionaria que incluye los contactos de conexión y desconexió n, y otr a rotatoria, que está montada en el rotor y que hace oper ar los contactos al desplazarse axialmente de bido a la fuerza centrífuga e jer cida por contra pesos montados cer ca de su perif eria. De esta f orma, cuando el rotor ha alcanzado por e jemplo el 80 % de su velocidad nominal, los contrapesos se des plazan r adialmente venciendo la oposición de sen· dos r esortes, modificando la forma del disco en

...... V 

Fig. 1-131. Co ntr ol de veloci dad de un motor de polos som breados mediante derivaciones en su devanado. La velocidad del motor de polos som br eados  puede también controlarse, dentro de ciertos Jí. mites, variando el voltaje a plicado a las bobinas del estator . Al igual que en el caso del motor de capacitor permanente, el control de velocidad  puede logr arse mediante derivacio nes en las bo binas del estator , como se ilustra esquemática mente en la f igur a 1-131. De esta forma la constru cción  se mantiene muy sencilla y no se r equier e de un tr ansformador u otro equipo extr a, exceptuando un interru ptor  de varios pasos que  permita cam biar la alimentación a la derivac ió n desea da.

el que están montados y haciendo que una pieza aislante (que ejer ce  pr esión  para mantener cerrados los contactos) se deslice axialmente. Esta última acción permite que los contactos se a br an. Este sistema es económico y confia ble. Per mite que el motor sea una sola unidad, con dos term inales  para su conexión a la r ed de alimentación, y no depende de la  posición del motor   para su f uncionamiento. R elevador  del tipo de corriente Existen ciertas aplicaciones, por e jemplo los compresor es herméticos  para r ef riger ación, en 1.12. 6.2

136

Motor es monof ásicos

n B

e

e

V  Devanado auxiliar 

Fig. 1-132. Revelador de arranque del tipo cor riente.

las que no seria f actible tener un interr u p tor   dentr o del motocom pr esor . En este caso se extr aen las tr es terminales del motor y se instala un relevador (r elé) electr omagnético externo  par a desconectar  el devanado de ar r anque. En el ti po de relevador accionado por corriente, que se ilu str a en la figur a 1-132, se tiene una bobina de contr ol B en serie con el devanado de tr a ba jo, que acciona un  juego de contactos (c-c) nor malmente abiertos inter calado en el circuito del devanado auxiliar . Cuando se aplica el volta je de línea al devanado de traba jo, la corriente de ar r anque que toma es elevada y el cam po magnético que se ge-

ner a en la  bo bina B es lo  bastante intenso  par a atraer el núcleo n hacia arriba y cerrar los con-

tactos (e-e), alimentando así al devanado auxiliar . Una vez que el motor se ha puesto en mar cha, la corriente que toma el devanado de tr a ba jo ser á apenas 1/5 o 1/6 de la inicial, y por tanto la fuerza que e jer ce la  bobina  B sobre el núcleo n ya no es capaz de r etenerlo levantado en la  parte superior , de modo que lo s contactos se abren al  ba jar el núcleo. Gener almente la  bobina B actúa contra la gravedad,  por lo que el r elevador debe instalar se en  posición vertical, aunque hay algunos diseños de

" '" " 8

V 

oe

1r a

ao

F1g. 1-133. Interruptor de estado sólido  para el arr anque de un motor de f ase diviclida. 13 7

M

Pr incipios gener ales relés que mediante un r esorte pueden operar en cualquier posición. 1.1 2.6.3

Interru ptor de arranque de estad o

sólido En años r ecientes se han desarrollado interr uptor es de tipo electr ónico  para el arr anque de motor es monof ásicos. El tipo más común consiste en un dispositivo triac con un cir cuito de contr ol que permite discriminar entr e las condiciones de

138

ar r anque y de mar cha, como se re presenta esquemáticamente en la figur a 1-133. Para evitar la  posibilidad de r esonancia de bido a la car ga inductiva que representa el devanado auxiliar, la capacidad del triac se puentea con un r esistor de r esis tencia no lineal. Este ti po de inter ru ptor  tiene la ventaja de que la adición de un segund o triac per mite invert ir el sentido de r otación del motor sin detener su mar cha.

CAPÍTULO 2

Selección de motores y equipos

2.1 Selección de motores de inducción 2.1.1 Generalidades 2.1.2  Potencia de la carga 2.1.3 Velocidad de operación 2.1.4  Par de arranque 2.1.5 Par mínimo de aceler ación 2.1.6 Par máximo resistente 2.1. 7 Efecto de ine r cia  o de vola nte 2.1.8 Con clusione s

Consideraciones gene r a le s 2.4.2 Conside r aciones  para el mantenimiento  pr e ventivo 2.4.3 Localización de averías eléct r ica s 2.4.1

2.5 Selección de escobillas par a motores y generado res 2.5.1 Características  princ ipale s 2.5.2 T ipos   de esco billas 2.6

2.2 Características de los motores de alta eficiencia 2.3

Consideraciones prácticas  para adqu irir  un motor de alta eficiencia 2.3.1 Eficienc ia   del grupo motor -equ ipo impu lsado 2.3.2 Pérdidas en el motor  2.3.3 Medición de la  eficiencia en los motor es 2.3.4 Carga y eficiencia de un motor  2.3.5 Desequilibrio de la ten sión 2.3.6 Amortización de la inv ersión

2.4

Seleccíon y mantenimiento de los motores a  prueba de explosión

Selección de circuitos y controles  par a grandes acondicionadores de aire 2.6.1 Co nsider acio ne s gen er ale s 2.6.2 Selección de volta je 2.6.3 Selección del equ i po 2.6.4 Es pecificaciones aplicables de l  NE C 2.6.5 Marcado del equ ipo 2.6.6 Capacidad del contr olador  2.6.7 Diseño del cir cuito derivado 2.6.8 Protección contra so br ecar ga 2.6.9 Protección del cir cuito de riva do 2.6.10 · Desconectador gene r al  para el motor  2.6.11 Ubicación del de sconectador gener al

Selección de motor es de Inducción

2.1 SELECCIÓN DE MOTORES DE INDUCCIÓ N

2.1.1 Gener alidades Desde su invención a fines del siglo  pasado, el motor de indu cción se ha constituido en uno de los pilares de la indu str ia , y es por un gran mar· gen el de mayor a plicación en todos los se ctor es indu str ia les gracias a su sencillez, r obusta con str ucción y conf ia bilidad. La gr an im po rtancia de este motor hace ne· cesario estudiar , aunque sea  brevemente, los conce ptos  básicos que lle van a elegir el más adecuado para satisfacer la s condiciones de a plica· ción comúnmente encontr adas en la pr ác tica. La selección de un motor de ind ucción  par a im pu lsar determinada carga la gr an mayor ía de las veces  puede r educir se a un  pro blema r elativamente sencillo, si bien en unos cuantos casos  puede resultar muy complicado ya sea  por la naturaleza de la máquina im pulsada o  por los r e· quisitos particulares de la a plica ción . El objetivo básico que de be considerarse en cualquier  problema de aplicación es desde lue go lleg ar  a la com binación más adecuada de moto r y carga im pulsada que permita satisfacer toda s las condiciones de f un cionamiento  planteadas, al menor costo  posible, tanto inicial como de oper ación. Los as pectos más im po r tantes que deben examinarse al selecc iona do r un motor de inducción son los siguiente s:

cor re  cta es el  pr ime r  paso ha cia un costo total mínimo. Si se eligier a un motor con menor ca pac ida d que la necesaria, f unc ionaría en condiciones de so brecar ga y su vida útil se ver ía r e·
Potencia requerida  por la car ga 2. Velocidad a la que de be o per ar  3. Par de arranque necesario l.

4. Par mínimo r equerido dur ante la  aceler ación S. Máximo par resistente que la carga  puede o poner al motor  6. Efecto de inercia (o de volante) de la car ga

K P 

Enseguida se analiza cada uno de los aspectos mencionados. 2.1.2.

Probar la máquina con un motor del cual se tengan datos com pletos sobre sus ca· r acterísticas, de modo que las le ctur as de  potencia o corriente de entr ada a un vol· ta je dado puedan convertirse en una potencia mecánica real (en h p o k W). En la f igur a 2-1 se ilustr an algunas de las gr áf ica s de operación de un motor , con car ga desde el O hasta el 125 % de una capacidad o potencia nominal. Pue de obser varse que la corr iente de entrada es  prácticamente propor cional a la  potencia de salida, desde un 30 hasta un 110 % de la  potencia nomina l, mientr as que el des· liza miento medido en r evoluciones  por minuto (rp m) corr esponde casi a una línea recta hasta ese valor del 10 % de so br ec ar ga . Cuando se dis pone de un motor así, que  puede consider arse un motor «ca l ibr ado », es  posible sa be r con  bastante  precisión la  potencia que entrega al ser acoplado a diversas cargas. Incluso es  pos ible tr azar curvas  par -cor r iente o  par - po tencia de entrada si se calcula el par  par a cada condición, r ecor dando que dicho  par  por : está dado T =-  n

(2-1)

donde  P se expr esa en ca ballos (h p) y n en r  pm, y K es una constante dimensional que vale 7 124 si el par se desea en me· tr os-newton; es igual a 726 si el par se r e-

Potencia de la car ga

Seleccionar   un motor con la potencia nominal 14 1

Selección de motores y equipos

"º � � 75 •

"

'6000

"

14000

-------

"

---��

e "'

e

�.

eg

/

?

:<::,'\;

"� so

8

/

[ �

y' 

•

>

• u


�

1i

,0000

 -,11� / 

s

�

'2000

aooo

•

,y

•

E

•

� o•

6

e •

E

u

6000

•

·g

s

Ir.

4

4000

2

2000

15

o

o

25

75

SO

100

Car ga(%)

"'

Fig. 2- 1. Curvas de o per ación de un motor de inducción.

quiere en metr os-kilogramo f uer za, y vale 5 250  par a o btener el par en  pies-l ibr a fuerz a.

En la ta bla 2·1 se  pr e sentan los valor es calculados  para un motor trifásico de cuatr o  polos, 10 hp y 440 v.

Ta bla 2- 1. Puntos de la curva de opera ción de un motor trifásico de 10 bp, cuatr o  polos, 440 V, 60 Hz, TCCVE, diseño NEMA B V el ocid ad  ( r p  m )

1800 1790 1779 1768 1754

 Desl i z amient o (  por unidad  )

o

0.0057 0.0116 0.0179 0.025

 P or 

C om ent e

(  pie-l b!)

(A)

o

7.34

14.76 22.28 29.93

3.80 4.93 7.10 9.73 12.68

 P ot encia d e ent r ad a ( W ) 

 Potencia útil ( h p)

508 2 429 4 410

o

6 4óO 8 594

7.5

2.5

5.0 1 0 .0

1740

0.033

15.99

37.72 14 2

10 834

12.50

Selección de motores de ind ucció n

En la figura 2-2 se gr afican los datos de la ta bla anterior . Ahí puede a pr eciarse que cualquier lectur a de corriente o de potencia de entr ada, su poniendo que el voltaje es el nominal,  puede tr aducirse al par desarr ollado por el motor .

velocidad de la máquina, podrá tr azar se ésta en for ma aproximada. Básicamente hay tr es tipos de curvas  par-velocidad en f unción de las cuales  pueden clasificarse la  mayor parte de las

[

�

•

!' t "

1 5 12

•

i

o

12

"

8

7.5 6

5

'

Fig. 2-2. Curvas par-corriente y  par - potencia de entr ada para un motor triíásico de 10 h p, cuatr o pol os, 440 Vy60Hz.

B.

Si no se dispone de un motor de car acter ísticas conocid as,  puede o btenerse cierta inf or mación aplicando un  par a la

máquina hasta logr ar  que se ponga en movimiento; esto dar á una idea   del par de «des pegue»  o de arranque que se r equerir á, y si se conoce el ti po de cur va par -

máquinas  por im pulsar   con un motor : 1.

de par const ant e. Es la que r equier e el mismo valor de par a cualquier  velocidad, como es el caso de

 Máquina

algunas máquinas-herr amienta, algunos ti pos de transportadores, car gas

. ----� •

Selección de mo mottores y equi equipo pos s

Par con slilnte Par v anable

--

con& on&IM IMta

'"  par  r -velocid -velocidaad par a tres t pos Curv rvas as pa Fig. 2-3. Cu  ipos  de cargas.

de fr icci icción, etc.

curvas  pa ress  par  r -vel -velocidad correspond c orrespondie ient ntes es a los tre ti pos  pos de car gas.

2.  Máquina d e p  paar var iabl e. Es aquella en la que el  pa  parr requerido varía en forma  pr o po r cional al cuadrado de la velocidad,, co velocidad com mo en en el caso de un vencenttríf uga, uga , etc. tilador , una bomba cen 3.  Máquina de potencia const ant e. Es la que req medidaa que requi uiere ere mayor par a medid velloc ocida idadd, ya que el  pr odismiinuye la ve dism ductto de es duc esto toss dos  parám  parámet etr  r os os de be manttene man ener  r se se invar ia ble  para conse serv rv ar consttante la  potencia. cons

ríaa Existen muchos manual nuales es de ingenierí C. Exi mecá ecáni nica, ca, e incluso catá catállogos de f a bricantes de equipos, que pu puede edenn con sultars e  para  p ara o b acer  r ca ca de lapo btener tener inf orm ación ace tenncia req te  pos de márequuerida  por diversos ti pos chass fue quinas. Dicha fuenntes conti contieenen en al· gunos casos casos fórmu fórmullas em pírica  píricass cuya validez ha sido com  bienn r ecocom pr   pr obada obada,, o  bie sobr  r e  potenci menndacion me daciones es conc concr  r etas etas sob  potenciaa r equerida para ve  bas as y ventil ntilado adore ress,  bom b otr o " tipo tiposs de carg cargaas, segú segúnn sean las con ·

En la figura 2-3 se  p  pr  r esentan esentan los tres t p  ipo s de 144

Sellección de motor es de Inducción Se diciones específicas a la s que deban tr a ba jar . Si bi Si  bieen es estte méto étoddo no pu pueede conside consider  r ar  ar se tan eficaz com como una prueba prueba real, puede dar una idea aproxim aprox imaada de los requerimient requerimientoos de la máq máquuina  pe cialm ente cu en cues cuesttió iónn, es pe cuand andoo se tr ata de un equii po equ  po común. Hasta aqu aquíí se ha su p  puuesto que la ca car  r ga ga r eequi uieer e un unaa  p  potencia otencia det deteerminada y consta nte toddo el tiem po de operación,  per o hay ti to ti pos  pos de cargas par  par a la s que debe consi conside der  r arse arse un cic lo de complleto en el que la demanda de  potr a ba jo comp  puuede var iar «en esca scallones» es»,, e incluso ser te ncia  p nula dur a nte cierta parte de del ciclo.

Si la ve velloc ocid idaad

manntiene  pr ác ticame nte se ma connsta co stannte dura rannte el ciclo,  puede consider ar se se que la corr iente del motor motor es  proporc  proporcion ionaal a su carga y que las  pér didas didas en el el cobr e son pr o por ado de la co cor  r r  r iente ente,, mie ntr a s cionales al cuadr ado que el cal calor produ producido por las pé pér  r didas didas se ser  r á  pro por cio ional nal al prod producto de los watts de pér dida s  por el tie tiem m po conside r ad ado. Si la ve  vellocidad var ía durante el ciclo de tr a ba j  jo o ya no podrá co connsiderarse que la  potenc ia es  pr o porc  p orciional al par , conf orme a la  fórmul fórmula 2-1,  por habr á que calcul ular ar la  po  pottencia equ iva le nte lo que habr  realees po porr la veloc idad no no-mult ultii pli  plicando los h p real mina inall del motor y di divi viddié iénndo dollos entre la velocidad a la qu quee operará en esta parte de del cic lo. Por 

�------------------,----------�-- -----3-t---

4

---

Potencia eficaz equiY iYale alente

---- ------ - ---------- Potencia

media

-

2

o

5

15

10

Tiem po (mi n)

 ba jo  jo co conn carg cargaa varia ble. Flg. 2-4. E jem plo de ciclo de tra ba

 presenta nta el ciclo de tr a ba jo En la fig figur  ur a 2-4 se  prese de un unaa máquin quinaa en el cual cual se requi requieer e n los siguie gu ientes ntes  pares de valor es es de ti tiempo y  potencia: • • •

• •

3 hp, hp, 5 min 2 h p, 1 min

vallor es es en um er ado s antes antes se eje m plo ejem  plo,, si en los va supo uponne que el el m otor o p er a a 1 760 rpm cua n ntr  r e ga 3 hp y su  velocidad desc do ent desciiende a 1 530 rpm dur ant ntee la  parte del cicl icloo en que la dem de m anda de  pote ncia es de 5 hp hp,, la  po tenc ia  par  r a estta es parte equi eq uiva vallente  pa sería:

3 h p  p,, 2 min  p,, 3 min 5 h p  p,, 4 min (motor  par a do ) O h p

5 X 14 5

1 760 1530

=5.75h p

 po s Selección de de motore motoress y equ quii pos Ahora, co Ahora, com mo el o bjetivo es seleccionar  un mom otor que  p  puueda cum p lir  co conn este ci cicclo de tr a ba jo sin suf ririr  sobr ecalentamiento, de b  bee determ rmiinarse la  potencia efic eficaz az eq equuiv ival alente ente,, que ser á igual a la raí raízz cu cuadrada del coc ociiente de la suma de todo s los  produc  p))2 (ti  producttos (h p tiem em p  poo) entr e el tiem po total del ciclo.  Como la capacida  capacidadd de disipación de calor del motor di disminuye cua cuando es está inmóvil, se acostu m br a a co connside ider  r ar ar só sóllo el 33 % de ese tiempo en el cas casoo de motor es a bi  bieertos rtos,, y sól sólo el 25 % en el el caso de de motore motoress to tottalme almennte cerr ados. Por tan antto,  para el cic cicllo de d e tr a ba jo  pr o p  puuesto, la  po  pote tenncia equivalente eficaz basada basada en el uso de un motor del del tipo abi abierto erto,, sería: (31x5 x5)) + (21xl) + (32x2 x2)) + (5.752x3) + O 5+1+2+3+413 = 3.67 hp

Si se hubiera opt optado por cal calcu cullar sólo la potencia promedio  promedio,, el valor  se ser  r ía: (3x5 3x5)) + (2X 1) + (3X2) + (5.75X3) + 0 5+1+2+3+413 3.26 26 hp = 3.

nor mal mal. De Dessde luego, este ti po  po de ciclo de tr a baa j joo sólo pu  b puede apl aplicarse normal normalmente a motoress de 20 h p o menos. re Por lo gener al, cuando se ha b  bla la de la  potencia nomi ominnal de un motor se enti entiende ende que dicho valor se r efi er e a lo s ca ba  ball llos os (h p) que el motor  puede entr  ent r egar egar en f or  or ma ma continu continua, o sea, sea, ope oper  r ando ando 24 24  pllicaciones que r equ quiiehora orass diar ias ias,  pe  per  r o hay a p renn motor es re es de uso intermitente, como es el el caso de un eleva levaddor , un unaa gr úa, úa, etc. En este caso conconviene util utilizar izar un un motor capaz de desarro esarroll llaar la  pottencia no  po nomin minal al dur  dur ante un tie tiem po r educido, quee normalm qu normalmeent ntee osci oscilla entre 5 y 60 minut minutos os.. mottor tiene po Es clar o que decir que un mo pottencia de 5 hp dur  dur ante ante 30 mi minn significa que ést ésta es su su capacidad térmica, térmica,  pe  per  r o no nece necesa sari riaament ntee que deba util ilizar  izar se con una carga qu que r equ equiera 5 h p durant rantee 30 min, min, y después O h p, has asta ta que que la tem per   pe r atu at ura del motor descienda a la tem pe r atur a ambieente ambi te,, sino que puede utilizarse en en cualquier cicloo de tra b cicl  bajo ajo equi equiva vallente ente.. En la figur a 2-5 se ilustr a la diferenc ferenciia entr e un motor  pa  par  r a uso intermiten ermitentte y uno para uso continuo. 2.1..3 Velocidad de o per ación 2.1

lo cua uall cond conduuci cir  r ía ía a se selecc ecciionar un moto motorr de muy  baja pot poteencia  pa  par  r a el ciclo de tr a ba jo en cuestión. Convvie Con ienne agregar que si si el motor o per ar a sin carga durante la úl últtima par  par te te del ciclo en vez de de estar en r e poso  poso,, su aptitud para di disi par  par ca callor no disminuiría,,  por lo que el valor   de 4 mi disminuiría min ya no se dividiría entre 3 y la  potenci  potenciaa efi ficaz caz di dismi mi-nuiría a 3.328 hp hp,, con lo cual ser ía factib factiblle ut utiilizar   un motor de 3 hp con factor factor de servi servicio de áxiimo f uer a su 1.15, siem pr e y cu cuaando su par máx su-f iciente  pa  par  r a sopor tar la demanda dede-5 hp durantee la  pe rant  pennúltima  por ción del ciclo. Hayy cicl Ha iclos os de tr a bajo aún más sever os en los que es necesar io detener la mar cha de dell moto motorr o incluso cambiar el el sent entiido de r otación invir tiendo la corr iente.  En este caso no sería adecuado el métod odoo de la  po  pote tennci ciaa equivalente que se ha descrito,, y de be cons descrito nsid ideerarse la  pé  pér  r did dida de potencia que ocurr e en cada parte parte del ci ciclo, ya ya qu quee el fre frennado por inversión de corrie corrient ntee  produce el triple del cal calor generado en un arran arranque nor mal; una inversión de dell se sentido ntido de r ot otación  pr oduce cuatro veces la cantidad de cal calor de un ar r  r anque 146

Ésta es es una caracte caracterí rísstica muc mucho más f áci cill de dedeter minar  que la anterior . En la  mayor mayor par te te de los casos casos se ti tieene un sol solo valor de vel veloc ociida dadd a la que se requi requier e que f uncione la má máqquin inaa im pulsada. En otr  otr os os casos ha ha brá que consider ar dos o más val valor es es concretos concretos de velocidad, y en al algguno unoss otros es neces necesario a b  barcar arcar un unaa gama de velocidades que pu puede aju ajustarse en for  for ma ma contin tinuua. Estto se verá con mayor detall Es detallee en un cap capítul ítuloo  posteri rioor .  port rtante esta b  bllecer  la f or  Es mu muyy im po or ma en que que el motor ser  ser á conect conectad adoo a la ca car  r ga. ga. Si se trata de un acopla acoplami mieento (o con conex exiión) dir ecto, la ve vellocidad del motor debe ser ser igual a la de la car ga,  per   pe r o si la co connexión es po por medi medio de engr ana je, trannsmis tra smisiión de banda, banda, etcéte etcéter  r a, de b  bee tomar se se en cuen entta la r elac aciión de vel veloc ociidades y consider arse que el  par varía en propor ción inversa a la veloc ociidad. La con conexión por por  bandas y pol poleas eas es lo más común;; si mún sinn embargo mbargo,, implica un esfue esfuerz rzoo extra extra so so- br   b r e el e je (o fl flecha echa)) y los rodamientos del del motor ,  por lo que las normas NEMA establ establece ecenn la  potenncia máxim te máxima que se r ecom ecomienda tr ansmitir  p  por 

Selección de motores de de Inducción

medio de ban medi banda dass trapec rapeciial ales, es, o ti po  po «V,., a los valor es sigui uiente entes, s, de conf or mida d con el número de pol polos del motor :  N úm. de pol o s

2 4

6

hecho de qu que la tr ansmis ansmisión de banda pued puede  per mitir mi tir la aplicación de un motor de mayor ve vello· cidad y,  por tanto, de menor cost costo. Por e jem plo, si en un unaa a plicación se r equ quiier en 50 hp a una una velocidad cer cana cana a 900 rpm, rpm, un motor par  par a ac acoo plamiiento o conex  plam co nexiión dir ect ectos debe ser  de  de 50 h p, ochho  polo oc  poloss (co conn 900 rpm de de sinc incr  r onism nismoo), en tanto que si la conex conexiión a la carg cargaa es por  b anda,  podrá opta optarse rse  por un motor de de 50 hp hp,, cuatr o polos (co conn 1 800 rpm de de sin inccroni ronissmo), cuyo cos costo seria mucho mucho más ás bajo  bajo qu quee el de oc ochho  pol  polos, os, por  por 

áxiima  P ot encia máx 25 200 125

100

8

Porr otra parte, Po parte, no de be perders perdersee de vista el Temper atur a Temperatu Tempera tura ra

nonnal

de oper ación ación

-------------------

Temperalura ambiente

( I Motor pa,. uso c:ontlnuo •

Temper atura atura

Temperatur a m Axima perm,sible

Temperatura ambl enle

Tiempo Tie mpo de

Tompodo

oper ación ación

enlna enl namien miento

 (b) Motor  par. uso lntsmltente  b

Flg. 2-S. Dif er encia  entre un mot otoor par a uso continuoo y uno par  nu par a uso inter mit ente 14 7

Selección de m otor es y equipos

ser un motor de menor tamaño. Ef ectivamen te, el motor de ocho polos estaría constr uido con armazón 404, y tan sólo su contenido de acero eléctrico sería un 70 % mayor que el del motor correspondiente con cuatro  polos, que tendría ar mazón 326, o sea dos tamaños menor. La r ecom en da ción de utilizar motores de mayor velocidad no puede seguirse en forma general,  pues si el ciclo de tr a b a jo de la máquina incluye invers ione s de marcha ( o sentido de r otación), debe tenerse  pr esente que cuanto ma yor es la veloc idad de o per ación , tanto menor es su capacidad de cambio de sentido de gir o .

Hay cargas que requieren un par muy  ba jo en el arranque, como es el caso de los ve ntilado r e s, que  pr ácticamente  pueden ponerse en mo vimiento sin oponer resistencia, mien tr as que al ir aceler ándose, su  par r esistente aumenta de manera pr o po r cional al cuadr ado de la v elo cid ad. Par a este tipo de cargas, la selección de un moto r que satisf aga la s condiciones de ar ra  nque no r e presenta mayor  problema, aunque el arra nqu e sea   a tensión r edu c ida. En contraste, hay cargas que r equier en un elevado par de arr anqu e, como son lo s molinos  par a caucho o hule (de Ban bur y), que en ocasiones

Tabla 2-2. Valor r equerido de par de arranque en algunos equi pos C l asi ficación

Par de arranque (% del nominal} T ipos de máquinas o equipos

 Par ba J O

Par med io

lO a 25 20 a 25 Máquinas de tipo Transportadores, sin car ga centrífugo o de as pas, Mezcladores, sin carga como ventilador es, Compresores y  bombas de so pladores, ém bolo , sin car ga compresores y  bombas Molinos de  pul pa, sm car ga Quebr ador as de quijadas, sin car ga Mezclador as de concr eto Bombas ver ticales de ti po tur  bina

En un capítulo posterior se  examina la a plicación de motores en los casos en que se r equier e más de una velo cidad de f unc iona miento. 2.1.4

·

50 a175

Transportador es, sin carga Mezclador es, con car ga Sierr as cir cular es para aserr ad er os Compresor es y  bom bas de ém bolo, sin carga Molinos Ban bur y Molinos de pul pa Trenes de laminado Hornos giratorios Malacates

deben ar rancar completamente car gados, los tr ansportadores mecánicos, y algunos compresor es. En estos casos, el par de ar r anque del motor debe especificarse cu ida dosa mente. En la tabla 2-2 se  presenta en fonna a b r eviada una clasif icación de las máquinas más utilizad as conforme a su requisito de  par en el ar r anqu e, r ef er ido al par no min al.

Par de ar r anque

Es im portante deter minar con precisión el  par  resistente que la car ga  presentar á al motor en el instante del arranque y comparar lo con el par de rotor bloqueado que el motor desar r olla, a fin de cerciorarse de que tal  par tiene un margen su ficiente. El margen mínimo que se r ecomienda es del 25 % en las condiciones más desf avo r a ble s en las que deba ef ectuar se la  puesta en ma r cha, entre las  que pueden mencionarse el ar r anque con ba jo   voltaje, arr anque con el motor a su tem per atur a máxima, etc.

Par alto

2 .1 . S

Par mínimo de aceler a ción

Una vez que el motor ha ven cido la r esiste ncia inicial de la  carga y su fun ciona miento emp ieza a ascender por la cur va par -ve loc id ad hacia el  punto de operación final,  por lo común hay un descenso en el par dur ante cier to in tervalo de velocid ades (rpm), un la pso que  puede ser cr ítico

14 8

Selección de motor es de Inducción

 par a la o per ació n del con junto motor -car ga. Según las normas, el par mínimo no debe ser menor que un 70 % del par de ar r anque. El par de aceleración es, como ya se mencionó, la dif er encia entr e el par que desarr olla el motor y el  par que la carga o pone a éste: es decir , es el excedente de par del cual dispone el motor par a aceler ar  la carga.

tivamente. La cur va corres pondiente a la carga  podría r epr esentar una  bom ba centríf uga. En condiciones normales el motor ar r ancar ía satis· factoriamente y, aunque el par mínimo de aceler ació n no es grande, lo gr ar ía acelerar la  bom ba hasta donde el par de aceler ación valga cer o; es decir , en el  punto donde se cor tan las gr áficas  par -velo cidad.

Curva par -velocidad de la c ar ga --  - 

Punto normal de oper acoón

Q

Curva par -veloadad del motor a voltaje pleno

,&,,.-�- Curva pa r -velocid ad del motor a volta je r educlclo

Intervalo de velocidades

en que el par de aceler ac'6n es más importante

'" Fig. 2-6. Curvas  par -velocidad de la car ga y el motor en una bomba centr ífuga. Si la curva  par -velocidad del motor se acer ca demasiado a la  propia de la carga,  podría ocurr ir  que el tiempo de aceleración f uera demasiado  prolongado, con el consiguiente daño al mo tor , y si a esto se agr ega un descenso en el volta je que des plazar á hacia la izquier da la curva  par velocidad del motor ,  podría ocurrir que el moto r 

Pero si el volta je ter minal del motor se a batiera,  por e jemplo al 90 % -lo que r e pr esenta todavía un valor  per mis ible-, la caída de par al 81 % del or iginal  podría hacer que las curvas  par -velocidad del motor y de la carga se cor tar an ahora en el punto b de la f igur a, y al no ha ber  ya par aceler ante dis ponible el motor no podría continuar aumentando su velocidad. Tr ataría de operar en ese  punto con una corriente muy intensa que podría dañar lo antes de que se aedo-

no estuvier a en posibilidad de continuar acelerando la car ga. En la figu r a 2-6 es posi ble ver esto más o bje14 9

Selección de motor es y eq uipos

-.·

naran las  protecciones de circuito. Por todo lo expuesto anteriormente es conveniente que el  par mínimo del motor sea cuando menos un 25 % mayor que el par r equerido por la car ga a ese valor de la velocidad. Si el motor es de alta capacidad com par ado con la fuente que lo alimenta, puede ocurrir que esta máquina  pr ovoque la disminución de su volta je terminal en el momento del arranque. Su póngase por e jemplo que se trata de un motor  de 1 000 hp alimentado por un gener ador  de 2 000 k VA. En el arr anque, el motor demandaría una  potencia aparente de más de 5 000 kVA, y como el gener ador no  puede  pr o porcionar la, el volta je del sistema de be disminuir hasta un nivel tal que permita al gener ador  satisf acer la  demanda de  potencia a par ente (k VA ). El valor por centual de caída de voltaje  puede calcularse de manera apr oximada con la ex pr esión: Caída de voltaje (%)

ch e .

x im pedancia(% ) del tr ansformador

d e sen g an-

Al aplicar un motor es necesar io cer cior arse de que el  par que  pueda demandar la car ga en las condiciones más desfavorables de o per ació n sea inf er ior  en un 25 % al  par máximo. Si se r egr esa un momento al ciclo de tr a ba jo mencionado  pr eviamente,  puede verse que el motor de be desarrollar un par igual a: T =

9550x5h p =31.2m· N 1 530 rpm

Como el par nominal del motor es: T=

9550x3h p = 16.3 m ·  N 1 760 rpm

el par máximo que se pide al motor en este ciclo es por tanto: 31.2 x 100 = 191.4 % del nominal 16.3

=

--

kVA del motor al ar r ancar  - -------------x kVA nominales del tr ansf or mador 

2. 1.6

ximo tam bién se le denomina  par d e

(2-2)

Par máximo r esistente

Como lo indican las curvas  par -velocid ad de un motor de inducción de diseño nor mal, una vez r e basada la r egió n donde se tiene el par mínimo, el momento de r otación empieza a incr ementar se hasta llegar  al punto en que tiene su valor  más alto, y desde ahí em pieza nuevamente  a decr ecer hasta el valor no minal, o al valor cor r es pondiente a la inter sección con la curva par -velocidad de la carga. Cuando se aplica mayor carga al motor, una vez que ya está en f uncionamiento, su velocidad desciende hasta el punto en que  puede  pr opor cionar el  par que demanda la carga, y este  pr oceso  podría continuar hasta llegar  pr ecisamente al valor del  par máximo, donde el motor ya no  podría  pr o por cionar más car ga extr a,  pues su velocida d descendería bruscamente hasta quedar frenado, ya que el par de ar r anque suele ser  me· nor que el máximo. Por este motivo. al rar ma-

lo que es muy conser vador si se considera que un motor de 3 h p, cuatro polos debe tener  por norma un par máximo del 250 % del nominal. Hay algunos ti pos de cargas que no son adecuadas  para oper ar con un motor de diseño B -o incluso de diseño C�, como en el caso de una pr ensa tr oquelador a, en la que el volante al· macena una consider a ble cantidad de ener gía. Cuando la  pr ensa está sin carga, el volante gir a a ciert a velocidad y el motor traba ja con muy  bajo deslizamiento; es decir , cer ca de la velocidad de sincr onismo. Cuando la pr ensa em pieza a troquelar se requiere que el volante reduzca su velocidad en cada gol pe del ariete, a fin de que ceda parte de la ener gía almacenada. Si se utilizar a  un motor de diseño normal, sólo se r edudría su velocidad en unas cuantas r evoluciones al a plicar la car ga, y por tanto, el motor tr atar ía de aceler ar el volante hasta la velocidad or iginal, tomando entonces una elevada cor riente de la línea. Si en cam bio se utiliza un motor de diseño D, o sea, de alto deslizamiento, como se ilustr a en la figur a 2-7, su curva  par -velocidad indi ca que el  par máximo ocurr e  pr ecisamente en el arr anque, y que un incr emento de car ga se tr aduce en un notable descenso de la velocidad. 150

Selección de motores de Inducción Oper ación sio carga

en 1a pr ansa

/ / 

/

/ Fig. 2-7.

/ 

/  I 

Aplicación de un motor de d iseño Den una  pr ensa de tr oquelado .

Con este tipo de motor la velocida d de r otación del volante decrecería sin que el motor tomar a más cor riente de la línea, lo que equivale a decir que dicho volante realiza por sí solo el tr a ba jo extr a, y el motor únicamente tiene que volver a aceler ar  al pro pio volante cuando el ariete de la  prensa r egresa y ha  pasado el periodo de car ga máxima. Es decir , el motor reduce su ve loo· dad mientras realiza el recorr ido de la curva del  punto a al b y,  posterior mente, acelera desde b

hasta a en es per a del inicio  del siguiente ciclo. La aplicación comentada antenormente  puede considerarse una car ga  pulsátil en la que el volante actúa como un amortiguador para aminorar los pulsos.

N . del R . Esta cantidad corr es ponde al mo mento de ine r cia J de un cuerpo r especto a un eje de r otación que atr aviesa a dicho cuerpo. Se evalú a J como el  pr o· duelo de la  masa total  M y el cuadr ado del radio de inercia k del cuerpo en cuestión. k es el radio de un circulo ideal en cuya cir cunf er enaa puede conside r ar se distri b uida toda la  masa del cuerpo, de maner a qu e J llene el mismo valor. Por consiguiente, J =  M k:2 . El efecto de mer cia EI se ex presa como el producto del

no es pos ible disponer del radio de ine r cia ver da der o. Por tanto, El= M R 2 En el sistema  de unidades in· glesas suele ex presarse como WK2 , y en el sistema métrico técnico, como GD2. Las cantidades W y G son, respectivamente, el « pe so» en li br as o kilogramos; K  es un radio e quivalen te en pies, y D es el doble de ta l r adio equivalente en metros. El r adio de ine r cia se de· nomma ta m b ién en la  práctica .. r ad io de gir o», y el ef ecto de iner cia ta m b ién como «mo men to volante- o  ywhet l  e ff t ct  ). «ef ecto de volant e- (fl  Se establece la siguiente equivalencia:

•

«peso» (masa) de un cuerpo rotatono y el cuadr ado de un r adio re presentativo (el  periférico, a veces)  R. El ef ecto de iner cia es  pro porcional a J , y tiene la venta ja de que es más fácil de evalua r , ya que muchas veces

2.1. 7 Ef ecto de iner cia  o de volan te-

Si la car ga tiene un momento de iner cia r otado·

•

WK2 (en lh ·  pie2)

== 5.93

x GD2 (en kg · m-)

Selec ció n de motores y equipos nal de más de cinco veces el del pr opio motor , debe ser   considerado una car ga de alta iner cia, y  pr estarse gran atención al tiempo que se requier e  para alcanzar el punto de o per ación así como al calor desar ro  llado dur ante dicho  periodo . Cuando la conexión del motor no es dir ecta, el efecto de iner cia El debe ser ref er ido al e je o flecha del motor multiplicándolo por el cuadr ado de la relación de velocidades. Si la conexión se realiza mediante una tr ansmisió n de engr ana jes, debe agregarse el efecto de iner cia de la tr ansmisión referido también a la velocidad del motor:

El r ef erido al eje del motor  = rpm de la  carga2 = El de la car ga x rpm del motor 

(2-3) 2.1.8

En la ma yor  par te de los catálogos de los f a.  br icantes de motor es,  puede encontr arse el valor del efecto de volante del motor para com p ar ar lo con el de la carga. En caso de duda es siempr e r ecomendable investigar con el fabricante del motor la capacidad par a aceler ar car gas de iner cia elevada. Si puede determinar se un valor  r e pr esentativo  para el par  pr omedio de aceler ación y medir él tiempo (eil segundos) en que el conjunto motor carga debe alcanzar la velocidad de o per ación, el efecto de volante podr á calcular se con la f ór mula: GDi = 94 x  par promedio de acelc1aaón x tiempo

velocidad de operaaón en rprn

(2-4)

que  pr oduce resultados en k g · m2• El  par está dado en m · k gf . En unidades inglesas:

308 x par promedio de acele r ación x tiempo

vcloo dad de ope r ación en rpm

valor máximo recomendable del efecto de volante que un motor de diseño estándar puede aceler ar , arrancando a tensión plena y en condicio nes nor males de operación, sin que el rotor suf r a daño alguno. En la ta bla corres pondiente de la nor ma podrá apreciarse que cuanto menor sea la velocidad de o per ació n mayor ser á el efecto de volante que el motor pueda mane jar sin pr o blemas. Por e jemplo, un motor de 250 hp, cuatr o  polos,  puede aceler ar una car ga con efecto de volante máximo de 1 017  lb ·  pie2, mientras que uno de 250 h p, seis polos puede manejar una de 1 590  lb ·  pie2; esto puede deducirse de las ex pr esiones 2-4 y2-5, las cuales indican que el ef ecto de volante es inver samente  pr opor cional a la velocidad de o per ación.

(2·5)

que produce r esultados en  lb ·  pie2. El par está dado en pie ·  lbf . Cuando se trata de motores con  potencia nominal mayor de 200 h p, cuatro polos,  puede n consultarse las  normas NEMA para o btener el

Conclusiones

Los seis puntos hasta aquí descritos son los r equisitos básicos para seleccionar adecuadamente un motor de inducción. En una a plicación determinada de ben consider arse además los aspeetos mecánicos particulares que impo nga la aplicación especifica y las condic iones del ambiente en el que deberá operar el motor , las cuales de· finir án el tipo de envolvente o carcasa que de be especificarse. Entre tales condiciones deber á in· cluir se desde lu ego la temper atur a ambiente, en es pecial  si ésta excede de 40 ºC, así como la altura sobr e el nivel del mar a la que oper ará el motor . Si el medio ambiente en el que se instalar á el motor es particular mente adverso, como en el caso de los ambientes corrosivos, la  pr otección y la ventilación del motor de ben planearse con es pecial cuidado, recurriendo incluso a un sistema de enfriamiento forzado que tome air e del exteri or . Deben mencionar se también las car acterísticas eléctricas de la alimentación, aunque algunas de ellas ya f uer on consideradas en los seis  puntos mencionados. Es necesar io insistir  en la im por tancia de la ca pacidad de los tr ansf orm ador es, o en su caso, la de los gener adores que alimentan el sistema, a fin de veri f icar  cuál es la  disponi bilidad máxima de kVA en el arranque, lo cual  puede modificar completamente las car actert sticas especificadas par a el motor. Hay que to mar en cuenta asimismo las dif er entes tensiones de 15 2

Car acter ísticas de los motores de alta ef iciencia alimentación a las que  podría conectarse el motor , ya que en algunos casos es posible o bten er un ahor ro  impo r tante si la tensión de f uncionamiento se elige de modo que sea mínimo el costo total de la instalación, in cluyendo el equi po de contr ol.

2.2

CARACTERÍSTICAS DE LOS MOT OR ES

DE ALTA EFICIENCIA

El r ápido aumento del costo de la ener gía eléctrica ha  pr o vocado una demanda cr eciente d e motor es de alta eficiencia. La atención ha r e caído  pr incipalmente en la me jor a de la ef icien cia a  plena carga,  pero también es  posible logr ar ahor ro  s en otr as condiciones de o per ación. Como los motor es tienen me jor (menor) f actor de  potencia,  par a la cor rección de éste se r equier en capacitor es de menor ca pacidad, y son menores las pér didas en cada cir cuito der ivado. Este ti po de motor es tam bién más co nf ia ble, lo cual contr  ibuye a reducir los costos de o per ación y a me jor ar la  pr oductividad. Además, los mo tor es de alta eficiencia  son mucho más flex ibles en lo que r es pecta a su a plicación: un motor nor mal de este ti po puede utilizarse en a plica cion es que anter ior mente r equer irí an un motor de diseño es pecial (con eficiencia nor mal). Enseguida se ex ponen  brevemente algunas de las razones  por las cuales los motores de alta ef iciencia ofr ecen mucho más que una f or ma de convertir ener gía eléctr ica en ener gía mecánica de movimiento r otatorio.

 Más al ta  eficiencia. Los motores de esta clase  pr esentan el mayor r endimiento de cual- quier línea de motor es diseñada o constr u ida hasta ahor a. Hay quienes se  preguntan si estas máquinas no significan r ea lmente que la indu s- tr ia ha dado mar cha atr ás y adoptado las normas  pr evias cor r es pondientes a los armazones ti po U y las  pr ácticas de diseño  pr evalec ientes en ese entonces. En realidad no hay com paración entr e lo s motor es de eficiencia nor mal construidos con armazones U o T y los motor es de alta eficien cia. Por e jemp lo, al con sider ar el histor ial de lo s valo r es de ef iciencia de los motores de 7 .5 h p, cua tr o polos (1 800 rpm) y construcción totalmente cerr ada con ventilación exterior (TEFC. tot allv 1.

enc / o sed  , f on  cool ed), se o bserva que un motor de estas car acter ísticas tenía en 1944 una ef iciencia del 84.5 %, un motor equivalente en ar mazón U tenía en 1955 una ef iciencia de 87.0 %, uno de ef iciencia normal en armazón T tenía en 19 65 el 84 % de eficiencia, y uno de ar mazón T  per o de alta ef iciencia alcanza ba en 1981 un r endimiento del 91.0 %. 2.  M enor cost o de operación. El co sto inicial de un motor depende de su potencia, velo cidad, con str ucción cerr ada o a bier ta y volta je nominal, mientr as que su costo de oper ación var ía según la ta r if a a p lic a b le , el tiempo de o peración, la car ga y la ef iciencia. Por ejem plo,  par a un motor de eficiencia n or mal de 75 h p, l 800 rpm, de construcción a b ierta a prue ba de goteadu r a (dnp- pr oof) que o p er e en f or ma continua, según una tasa de energía de 0.05 dólares/kW · h, el costo de o per ación serí a más de tr ece veces el costo inicial, lo que r e p r esenta una  proporción con side r a ble. Por otra par · te, el sobrepr ecio de un motor de alta ef iciencia es del or den del 22 % , considerando un ahor ro  de ener gía del 4 % , lo cual da  por r esultado un a r ecu peración de la inversión en 0.42 de año, o sea cinco meses. 3.  M enores car  g o s por demanda máxima. Las em pr esas de suministro de ener gía suelen aplicar un car go en f unción de la demanda máxima r egistr ada durante el  per iodo p r eced ente de 12 meses. Cada motor que o per e durante tos  picos de demanda de 15 o 30 minutos contr  ibu ir á a incr ementar dicho car go . Un solo motor de alta eficiencia de 100 h p,  puede r educir en 2.9 k W el va lo r de la demanda máxima, lo cua l, con sid er ando un cargo por demanda máxima de 5.70 dóla r es/ k W , re presentaría un car go mensual de 16.5 3 dóla r es, o sea 198.3 6 dólares anua le s. 4. C apacit or e s de menor ca pacidad par a l a corrección d e l f act or  de pot encia. Los motores de alta eficiencia tienen además me jor f actor de potencia que lo s de diseño normal. Esto significa que se requier e menos ca pacidad en k VA r ea ctivos  para logr ar un f actor de potencia ace pta ble. Los ahorr os son  pr opo r cionalm ente mayores en el caso de motor es  pequ eño s. 5.  Menores  pér d id as en l os r amales de al iment ación. La corr iente de plena carga de un motor de alta eficiencia es menor que la de uno co mún, lo cual se tr aduce en un ah or ro   extr a por ser  menor es las pér didas en la línea de alimen -

:·- --  - 

Selección de motor es y equipos

.

tación. En un siste ma en el que se admita un a caída máxima del 3 %, las pérdidas en lo s ali· mentador es o en los cir cuitos der ivados se reducen en 120 W si se sustituye un motor de ti po común de SO h p  por otro de alta ef iciencia. Si además se emplean ca pacitar es  para co rr ecció n de f actor de  potencia, las  pér didas  podrían reducirse en otr os 180 W. 6.  Menores pérd idas en vacío. Algunos motor es se utilizan  para cargas variables o están su jetos a un ciclo de tr a ba jo que inclu ye  per iodo s de o pe r ación sin carga. Un motor de alta eficiencia  permite ahorr ar ener gía aun en esas condiciones, ya que su más eficiente diseño se traduce en  pér d idas en vacío que son signif icativamente menor es que las de un motor nor mal. 7.  Reducción en l a car  ga para el acond icionamient o de air e l ocal . Al r ealizar la con ve r sión de energía eléctrica en ener gía mecánica, un rnotor disi pa una fracción de en er gía que se con · vierte en calor . Si el motor oper a en un m edio en el que existe climatiz ación o aco ndiciona· miento de aire,  por ejemplo en una planta textil, la s pérdidas del motor sig nifica n una carga extr a  par a el sistema climatizado r . Algunos usuario s estiman que el ahorro extr a que se o btiene por este conce pto con un motor de alta ef icien cia es del 25 %. 8.  Los ahor ros se increment an con el tiem po. El ahorro logr ado con el uso de motor es de alta eficiencia es directamente proporcional al co sto de la ener gía. Seg ún los  pr onósticos, dicho costo se elevar á con mayor r a pidez que casi todos los demás costos, lo cual signif ica que la valía de un motor de alta eficiencia se in cr emen tar á cada vez que aumenten las tar if as de energía eléc tr ica. 9.  Eficiencia nominal . Hay muchos  pr odu ctos que se of re  cen a lo s usuar ios como la solu ción id ea l al pr o blema del costo cr ec ie n te de la ene r gía. Si  bien los ahorros  potenciales que se of r ecen son cuantiosos, lo s hechos son un tanto vagos. Desde lu ego, éste no es el caso en lo que res pecta a lo s motores de alta eficiencia. La Asociación  Norte amer ica n a de Fa b ricante s de Equipos Eléctricos ( N E MA,  National Ele ctrical Manufactur er s Association) ha esta b lecido la norma MG1-12 .5 3 b, que sienta los lin ea mientos  par a marcar en la placa de datos del motor la eficiencia de éste. La nor ma está basada en el conce pto  pr o b a bilístico de la distr  ibución nor mal (campana de Gauss), el cual in dica que una vez 1 54

esta blecido el valor normal de ef iciencia  para un diseño  particular , la mitad de los moto r es qu edar án por de ba jo de este valo r , y la otra mitad ,  por encim a. Esta nor ma, que es a p lica b le amotor es trif ásicos in tegr ales de tipo  jaula de ar dilla de una sola velocidad, en diseños A y B y en  potencias de l a 125 hp, establece que la efícíen cia nominal a plena carga es la que de be estar mar cada en la  placa de datos del motor. En esta norma se consideran las var iac iones en mater iale s,  pr ocesos de f a br icación,  pr ue b as y otras varia bles que afectan al valor de la ef icien cia entr e un motor y otro, inclu so cuando sean del mismo diseño. La ef icien cia a plena car ga para un g r u po numer oso de motores de un mismo diseño no es un valor único, sin o más  bien un intervalo de va· lo r e s de ef ic ie n cia . Esta nueva norma ind ic a los valor es nominal y mínimo de eficiencia que  pueden esper arse de un motor de determinado diseño o de un grupo de m o tor es. Cualqu ier  motor de alta eficiencia que satisfaga las nor mas NEMA tendrá estampado en su  placa el valor de su eficiencia nominal. Algun os f abricantes especifican también el valor mínimo garantizado  para la eficien cia. IO. l nt ercambiabil id a d . Los motor es de alt a ef iciencia tienen la misma asignación de armazones establecida  por la  NEMA par a lo s m otor es estándar de armazón T. Por este motivo tienen la misma altur a de e je (o fle cha) y la s m i sma s dimensiones de monta je, y son por tanto f ácil· mente inter cam b ia bles. Si se trata de sustituir un motor de armazón U es nec esar io agregar un a  base extra (suplemento)  para adaptar el nuevo m otor . ll. C o n  M   f or mid a d  con f as nor mas  NE   A. Como ya se dijo, si el motor se fabrica sig uiendo las normas NEMA, su eficie n c ia nominal (a ple na car ga) estará ind icad a en la  placa de datos. Este valo r de eficien cia se determinará según la norma  NEMA M G1-1 2.53a, la cual está basad a en la norma IEEE (Instituto de Ingenier o s en Elect r icid ad y Electrónica) 112 , método de  pr ue ba B. Además, lo s motores de alta eficiencia satisf acen todos lo s r equisitos de las n or mas  NEMA, como corriente de arr anqu e,  par de arr an qu e,  par máximo, etc. Por tanto,  puede concluirse que no hay reglas o conocimientos es peciales r equeridos  para la aplicación de lo s motor es de alta eficienc ia . 12.  Prot ección  y cont r ol . Como lo s m otor es

Car acter ísticas de los motor es de alta ef iciencia

de alta eficiencia .están basados en un  pr ocedi- alar ga un 200 % la vid a útil del lu bricante con miento convencio nal de diseño y cumplen las res pecto a la dur ación en un motor común. Este normas  NEMA, su aplicación  puede r ealizarse incr emento en la vida del lu brica nte contri buye, empleando pr otecciones normalizadas  por la sin lugar  a dudas, a una mayor confia bilid ad de  NEMA contra sobrecarga, cortocircuito, o per a- los r odamientos y del motor mismo, y a un a bo· ción en una fase, inversió n de fases, y  bloqueo. no por mayor es paciamiento del mantenimiento Asimismo, estos motores em plean el mismo con- de engrase y r enovación de r odamientos.  z o t ér mico d ur ante el ar ran16.  Menor e s f uer  trol que un motor común cuando la aplicación implica inver sión de la marcha, frenado  por in- que. Estos motor es están sujetos a menores esversión, levanta miento de car gas, fr ecuencia va- fuerzos términos dur ante la  puesta en mar cha y  pr esentan menores sobr eelevaciones (o picos) de ria ble y otr as condiciones. 13. O peración con menor cal entamient o  y tem p er atur a cuando se les somete a cond iciones más  sil encio sa. Una ventaja más de los motor es anormales de o per ación durante la psos  breves. de alta eficiencia es que, al gener ar menor es  pér La rapidez de calentamiento de un motor de didas (calor), su operación conlleva menor ca- alta eficiencia es mucho menor que la  pr opia de lentamiento, Jo cual, a su vez, requiere menos un motor común, lo cual se tr aduce en menor es disipación de calor , normalmente  pr o por ci ona da temperatur as totales. Un motor de alta eficiencia  por el ventilador incorpo r ado en el diseño total- alcanza una temper atur a pico 300 C menor que mente cer r ado (TEFC). Al usar un ventilador la que alcanza un motor común después de ha ber más  pequeño o más eficiente, el motor  pr oduce o perado dos veces el  protector de sobrecarga y de que el motor arr ancó en frío. Si el motor también menos r uido. 14.  Mayor vida útil del aisl amient o. Los moarr anca en caliente, la di f er encia en la tempetor es de alta eficiencia o per an con elevaciones de ratura alcanzada se r á del 51 % después de una tem per atur a inf erior es a la  permisibi ble par a la sola o per ación del  pr otector de so br ecar ga. clase 13 0 (o B), y muchos oper an incluso por de· Dado que los cambios bruscos en la tem per atur a  bajo de la  elevación corr es pondiente a la  clase de o per ación, junto con el deter ior o natural de 10 5 (o A). Como estos motores están fabricados los aislamientos, son una causa f recuente de las con sistemas de aislamiento clase 130 (B) o clase aver ías en los motor es, el motor más ef iciente 155 (F) , su temperatur a de o per ación estar á  por ser á también el de mayor confia bilidad. lo menos 200 C por debajo de lo usual. Dado que 17 .  Mayor capacid ad de disi pación t érmica en teoría la vida del aislamiento se du plica por en condiciones de bl oqueo. La menor elevación cada 100 C que se r eduzca la temper atur a, la du- de tem per atura y la más baja r a pidez de calenración del aislamiento de un motor de alta efi- tamiento de lo s motores de alta eficiencia les dan ciencia ser á hasta cuatr o veces la de un motor mayor ca pacid ad  par a disi par el calor gener ado no rmal. en condiciones de r otor bloqueado, lo cual sigIS.  Mayor vida útil de l os r od amient os. Una nifica que están mejor protegidos contr a f allas causa común de falla de un rodamiento (o ba- ocasionadas  por operar en una sola f ase. ler o) es la  falta de lu br icante. Cuanto mayor sea 18.  Menor  susce pt ibil id a d  a l a ob strucción la dur ación de la  grasa, menor será el r iesgo de d el sistema d e ventilación. Un motor de alta efique falle un cojinete de r odamiento. Dado que ciencia es menos susce ptible de sufrir daños por el tiempo de vida de la grasa es af ectado dir ec- f alta de ventilación. Si  bien el motor de inductamente por la temperatur a de o per ación del ció n de ti po común es un dispositivo sumamente motor, un motor de alta ef iciencia of rece mayor conf ia ble y que r equier e muy poco manteniconfiabilidad en su sistema de r odamientos. miento, es esencial que su sistema de ventilación La dur ació n del lubr icante  puede estimarse en no tenga o bstrucciones. Como los motor es de términos de la temperatura del rodamiento. El alta ef iciencia o per an a menores tem per atur as, aumento de dicha temperatura en un motor to- están menos  propensos a dañarse por c bstr uctalmente cerrado con ventilación exterior dones en el sistema de ventilac ión. (TEFC) es de a pr oximadamente del 0.50 al 0.66 19. Una meior opción de compr a que los ant ide la elevación correspondiente al devanado del  g uos mot or es de ar mazón U. Cuando los fabríestator ,  por lo  cual un motor de alta eficiencia cantes de motor es cambiaron a la armazón T con 15 5

Selección de motores y equipos

aislamiento clase 130 (B), algunos usuarios continuaron adquiriendo motor es de annazón U con aislamiento clase 105 (A). Si  bien es cier to que los motores de armazón U operan con meno elevación de tem pe r atur a, lo s de annazón T de eficie ncia normal están diseñados  para so po rta mayores tem pe r atu r as, logr ando ig ual o má confia bilidad, gr acias a las mejoras incorpo r adas en el sistema de aislamien to. Algunos usuar ios ace ptaron el sistema de aislamien to clase 130 (B) per o insistier o n en que la elevación de tem peratura no sobr e pasara la corr es pondiente a la clase 105 (A), como una salvaguarda extr a der ivada del mayor margen de esf uerzo tér mico. Los motor es de alta ef iciencia en armazón T operan con menor calentamiento y mayor mar · gen de tem pe r atu r a, lo cual co ntr  ibu ye a una mayor confia bilidad. Además, estas máquinas tienen mayor eficiencia, mejor f actor de  po ten cia,  pr ecio  más  ba jo, menor nivel de ruido, menor   peso y mayor vida útil que los antiguos mo tor es de ar mazó n U. Sim ple me nte no hay com par a· ción  pos ib le. 20.  Mayores f  a ct or e s de  serv icio. Con o b je to de me jor ar  la eficiencia, el diseñador recurr e a menudo a un mayor uso de mater ial activo electr omagnético, lo cual conlleva la ventaja extra de mayor ca pacidad de so br ecarga. El valor  nor mal en la indu str ia par a el factor de servicio es LO (cero so br ecarga)  para motores TEFC y 1.15 (15 % de so brecarga)  par a motor es abiertos a  prue ba de gotea du r a. Todos los motores de alta eficiencia, ya sean de construcción cer rada o a b ier ta, tienen f acto r es de servicio de 1.1 5 , y algunos diseños tien en már genes térmicos que  permitirían una sob r ecarga del 30 y hasta del 40 %. Sin embar go, no es recomenda ble que un motor de alta eficiencia f uncione en f orma continua a valores altos de factor de servic io, ya que la ef iciencia se r edu ciría y podrían inducirse f allas en los r od amientos y hasta rotura del e je (o flecha). Ciertamente, los usuar ios y lo s es p ecific ado r es que en fonna deliber ada eligen un motor de mayor capacidad para com pensar algunos f acto r es desconocidos o ir r egular id ad es de la car ga, ahor a pueden ar monizar me jor el tamaño del motor  y la car ga impu lsada.

eficiencia suf re  n en menor grado los esf uerz os  provocados  por los ar ranques r e petidos que  pr escr  iben los sistemas de administr ación de ener gía. Algunas a plicaciones,  particularmente en ven tilador es de gr an tamaño y en algunos tipos de compresor es, tienen un inten so ciclo de arr anqu e  por la iner cia que es necesario acelerar hasta la velocidad de plena car ga. Un motor de alta eficiencia so porta mucho me jo r  estas cond icio nes de arranque que uno de diseño nonnal. 22.  M arg en térmico  par a el contr ol d e la ve·  / ocid ad . El mar gen térmico adicional de los motor es de alta eficiencia es también su mamente útil cuando un motor se alimenta a partir de una f uente eléctrica con inve rsor es (de CD a CA) donde la onda, por no ser sinu so idal,  pr od uce  pérdidas y calor extr a y el motor funciona a ba ja velocidad, con enf r iamiento   menor del no rmal. Esto puede dar por resultado un menor costo in icial para el fabr icante de equipo original.

2.3  CONSIDERACIO NES PRÁCTI CAS

PARA ADQUIR IR UN MOTOR DE ALT A EFICIE NCIA

Hace todavía pocos años, cuando había que reemplazar un motor, el electricista de servicio quita ba el polvo de la  placa de identif icación y toma ba el camino más f ácil: pedir otro de la misma mar ca, tamaño, modelo, etc. En algunos casos era  prudente examinar el motor para ver si i le r econstru ir lo. Además, al com pr ar  er a  pos b un motor nuevo para una aplicación tí pica, el in geniero eléctrico de la  planta o el electricista en  je f e seguían el mismo camino fácil: seleccion ar  una mar ca, ti po, ca pacidad o  potencia, velocidad, etcéter a corr espondiente a los de la insta· lación or iginal. Tal era la forma r ápida,  pr ác tica y eficaz de hacer las cosas. Per o la situación ha cambiado. En la actualidad, el costo de la ener gía es consider a b le, y los motores constituyen la parte más im po rta nte en la f actur ación del co nsu mo.  Por ello, es fund a· men tal co nsider ar  la ef icien cia de la in sta lación de un motor nuevo o de r e puesto. Además de los f actor es usuales en la selección

Consideraciones pr ácticas par a adquir ir un motor  de alta ef iciencia

 jamiento cerrado o a biert o, servicio, monta je, etc.), se requiere es pecial atención al costo; el inicial, desde luego, es im portante. Per o hay que consider ar asimismo los costos de o per ación y mantenimiento y factor es relativos. Asimismo, hay que evaluar con cuidado la instalación total del motor , que incluye no sólo a éste, sino tam bién la carga y el sistema de conexión a la unidad im pulsada, que puede ser un aco plamie nto, transmisión de  bandas o correa, tr ansmisión de engranajes u otro medio. Es necesar io seleccionar con cuidado el motor y la transmisión  par a logr ar  la máxima eficiencia. 2.3.1 Eficiencia del grupo motor -equi po impulsado Muchas  personas creen que un motor eléctrico consume toda la ener gía que se le  pr o por ciona; en realidad, sólo consume eléctricamente la  par -

cia, consumen 28.8 kW (40 % de 72 kW)  par a hacer  su tr a bajo. Si una bomba convierte la ener gía r emanente en la de im pulsión de un líquido en una tu bería, se  pier de energía en este  pr oceso. Esta situación continúa hasta que se contabiliza cada unidad de  potencia. Por lo gener al, se encontr ará que el motor eléctrico es la  par te más eficiente del sistema. Con f r ecuencia, algo tan sencillo como la alineació n en un aco plamiento (o copie) puede influir nota blemente en la eficiencia. Cuando se  presenta una desalineación se r educe la  potencia transmitida con el acoplamiento. Si el costo de la ener gía es de 0.04 dólar es  por KW · h y si la eficiencia de un motor de 100 h p se r educe en un 0.5 %, el costo par a el usuario será entre 100 y 200 dólares o más al año, si el motor trabaja en for ma continua. Otr os  factores que de ben considerarse con la im portancia de una  buena ventilación en las inme diaciones del motor y el mantenimiento de la lim pieza  de esta máquina. Am-

Fig. 2-8. La alineación cor re  cta en un acoplamiento  es crítica para la o per ación gener al de un motor . Un mdicador de alineamiento colocado en el copie del motor y la car ga mide la variación en  par alelismo o angularidad. En una a plicación tí pica de motor y componente im pulsado,  pueden ocur rir  pérdidas en algún sitio del mecanismo de tr ansmisión.

te que no se tr ansmite al equi po im pulsado. Por e jemplo, si se aplican 80 kW a un motor con un 90 % de eficiencia, el motor disi pa (o sea, convierte en calor ) 8 kW (10 % de 80 kW) y tr ansfiere el resto de la ener gía de entrada (72 k W) a la bomba, com pr esor o ventilador que im p ulsa; si estos componentes tienen el 60 % de of icien15 7

 bascosas ayudar án en el funcionamiento eficiente y a pr olongar la dur ación del motor (fig. 2-8). 2.3.2 Pérdidas en el motor  Es im por tante  conservar un conocimiento clar o

--.

Selección de motor es y equipo s

-- ---,

y conciso de las pér didas en el motor y las  pr incipales técnicas que se utilizan  par a r edu cir la s. La energía que no se transmite al equipo im pulsado suele lla marse « pé r didas en el motor », y es igual a la  potencia de entrada menos la  potencia de sa lida. Las pérdidas en el motor ocasionan el calentamiento de la máquina. Tales pérdidas pueden dividir se en cuatr o ca-

y, a veces, material es p e cial- par a min imiza r estas pér didas. 4.  Pérdid as indet erminadas. Comprenden diverso s ti pos de pér dida s difíciles de medir que varían en r elación con la carga del motor . Pue de decirse que, en algunos aspectos, se r ela ciona n con disimetrías o  peculiar idades en la constru cción del motor , como la existencia de ranur as en lo s núcleos de acero del rotor y del estator. De bido a que es dificil cuantificar estas  pé r did as, suelen considerarse glob almente, y  pr odu cen gran parte de la s variaciones que se observan al aplicar diferentes métodos de pru e ba. -

tegorías: Equivalen al tr a b a jo necesario para hacer pasar corriente  por el interior de los conductor es. Para calcular esta  pér ado la intensidad de la codida se eleva al c�t  rr  iente y se mllai l'llica  por la r esisten cia ( ef ecto 2 ' -1' ... l.  Pérdidas eléctricas.

eléctr icos en el devanado Hay conducjoses 1 del rotor y eni del estator y, en consecuencia, J R).

«. La técnica usual en ambos ocur n pérdidas r   para minimiza as consiste en emplear condu ctores de cobre ( no de aluminio) de mayor diámetro en los de vanado s. 2.  Pérdidas mecánicas . Se necesita ene r gía  para vencer la fricción o rozamiento en los co jin etes; se disipa calor en ellos y se pr oduce un aumento en la te m pe r atur a de los co jinetes y el lub ri can te. La f r icción inc r e me nta la   carga im puesta al motor por el equipo impu lsa do. El r oce del aire es la resistencia que opone este fluido a la r otac ión de elementos como los ventila do r es de motor; tal efecto tam bién incr ementa la ca r ga aplicada a la máquina. Ventiladores más pequ eños y cojinetes antifricción o de me jor ca lida d ayudarán a minimizar estas pér dida s. 3.  Pérdidas ma gnét icas. Las pér didas en el material magnético son de dos clases: por hístér esis y por corr ientes  par ásitas. En las partes de hierro del motor se produce un cam po magnético que varía con gran r apidez. Los cam po · nentes magnéticos de acer o  pr esentan un «e f ecto de memoria» lla mado histéresis , que oca siona una pérdida de en er gía . La pér dida por histér esis  puede r edu c irse empleando aceros es pe ciale s costosos, y su uso depende de la venta ja de una mayor eficiencia comparada con el costo más alto. El otro tipo de pérdida en el hierro se debe a las corrientes parásit as , que son corr ientes ir r eguiares inducid a s en el acero y que no  pr odu ce n efecto útil alguno. En los motores se utiliza la construcción con lámin as muy delgadas de acer o

En la f igur a 2-9 se  presenta la distr ibución de la s pér didas totales en un motor de 25 hp del ti po TEFC, según la s cuatr o categorías. Se indica n lo s  porcentajes de  pérdida que suele encontr arse en cada catego ría. Este motor específico de 25 h p tiene una ef iciencia del 90 % a la  potencia nominal, deter minada por medio de la  prueba IEEE-112A, método B, que se describe más adelante. Si f uer a  pos ible hacer cambios en el diseño para r edu cir esas pérdidas del 10 % en un 25 %, la ganacia en eficienc ia   sería de sólo un 2.5 % y llegaría al 92.5 %.

2.3.3 Medición de la eficiencia en los motores La NEMA ha convenido en em plear una norm a elaborada  por el IEEE para pro bar motor es de in ducción  trifásicos: tal norma es la IEEE -112A, método B. Los f a br ica nte s de mayor confianza de motores consideran que este  procedimiento de prue ba  para medir  la ef icien cia   produce resultados más  pr eciso s,  y por ello ha sido ace ptado como su  pr opio método de prueba estándar . De sa f ort u nad amen te , algunos f a br icantes utilizan  pr ocedimientos que tienden a dar por resultado eñcienc ias nominales de valor más elevado y se denominan «núme r o s de ef ic iencia de motor », lo que puede causar desor ientación al usuario al hacer le creer que adquiere algo de mayor ef icie ncia. Ta� bién es necesar io conocer la  potencia que entrega el motor a una eficiencia dada. En el caso id ea l, la  potencia y la eficiencia r equ erida s se tend r án exactamente a la car ga nominal,  pa r a

158

Consideraciones prácticas para adquirir un motor de alta eficiencia Electo l'A 911 81 estator 

'""'"

'"'

-'""'"

(1ricción)

Electo l'R 

oo

•

1 --

Roce del aire en

V90hlador  9xtemo

Roce del aire 90

wn tilador  interno

 por a¡uste fornido

,.-oo 14

' "' """' too w

1

%

--•

60"'

Pbd,d,s 12.3 %

�

....

""""

15 .

•

%

de la carga, de gr asa, ele.

-�

Com entas par ás �

90 hie rro

H,stér esis

En la SUpemcie del rotor debidas a la corrien!e del estato<

""'°"""' "''= 00

•

 """"

-

En la supeffiae del estator debidas a la ooment& del rotor 

-

Por dispersión d&I 90 zig· zag

N..,

Por pulsaaones en di&ntes, comente

- entre

barras del rotor , etc

�

."'"."'.·""' �

Distmtas pérdidas que ocurr en en el caso de un motor de inducción de 25 h p y 1 800 rpm, de ti po TEFC. En las casillas o cuadros de la izquierda se indica n las cuatr o  principales categorías de  pér didas y su  por centaje típico. Flg.  Z.9 ,

159

Selección de motores y equipos cada aplicación específica. Sin embar go, la  potencia real entr egada no siem pr e es igual a la no· minal. 2.3.4

Carga y eficiencia de un motor 

La eficiencia varía con la  carga de un motor . Por  ello es necesario sa ber  qué potencia debe entr e· gar un motor en todo su ciclo de tra ba jo a fin de evaluar el costo de la energía que consume la máqu ina. La eficiencia no siem pre es la máxima cuand o se desarrolla la  potencia nominal,  pues en mu· chos motores es más alta al 75 % de car ga que a plena car ga. Un motor de alto ca balla je suele tener una curva de eficiencia más a planada que uno de menor capacidad. Esto significa que es posible que un motor de 100 h p tenga la misma eficiencia a  plena carga que con 1/4 de la  carga nom inal, mientras que en un motor de 5 h p la eficiencia será mucho menor que a plena car ga.

ricas con o b jeto  de esta ble cer  si  par a una aplicación dada vale la pena consider ar un motor de mayor eficiencia. Una  buena medida es consíder ar las hor as que tr a ba jar á el motor. Si se re· quiere un motor par a repuesto o uno  par a una nueva aplicación, el cual funcionar á más de 2 500 horas anuales a su potencia nominal, se  puede esper ar amort iza r lo en menos de 3 años si es de alta  eficiencia. Par a ello puede su poner se en pr inci pio un costo aproximado de 0.04 dólar es  por KW · h y un motor de eficiencia signífícativamente superior a la de uno estánd ar . Si sus costos de ener gía son diferentes, hay que efectuar los  ajustes necesarios en el cálculo de la amortización. Debe tenerse la certeza de que el motor que se consider a es, en realidad, de alta eficiencia. En este e jem plo, se su puso que la dif er encia en el valor de la eficiencia  era de un 2 % entr e los  motor es que se com par ar on. Sería idea l  poder hacer  un cálculo  preciso del costo en el ciclo de vida o dur ación de un motor  eléctr ico, per o en ocasiones ello no r esulta nada  pr áctico.

2.3.S Desequilibrio de la tensión Si el voltaje tr if ásico aplicado a un motor no está

2.4 SELECCIÓN Y MANTENIMIENTO DE LOS MOTORES A PRUEBA DE EXPLOSIÓ N

equilibr ado,  puede  perderse una  potencia con· sider a ble. Si el desbalance se debe a otr as car gas en la instalación de la  planta, unas cuantas modificaciones mejor ar án el equilibrio de la tensión y ahor r ar án dinero. Si el suministro de ener gía a la fá brica o instalación produce un voltaje des balanceado, de be inf ormars e a la empresa de suministro eléct rico a fin de que r ealice las correcciones necesarias. Con un desequilibrio de apenas un 1 % en el vol· ta je nominal pueden ocurrir reducciones considerables en la eficiencia . 2.3.6

2.4.l

Consideraciones generales

El f uncionamiento confia ble de los miles de motares que ayudan en los trabajos de investigación y desarr ollo en una enorme f actoría como la Hoffmann-La Roche, lnc. en Nutley,  Nueva Jer sey, es el r esultado de una selección cuidadosa, un diseño eficaz de los cir cuitos y un  pr ogr ama de mantenimiento muy com p leto. En este com plejo de 90 edificios, que ocu pa 48 hectár eas, hay muchas zonas peligrosas, la mayor  parte de ellas designadas ubicaciones de clase 1, división 1, grupo D. Aunque algunas de esas zonas cumplen con los r equisitos  para la clasificación como clase 1, división 2, la a dmin istr ación de la empresa ha pr eferido con sider ar la s zonas de clase 1, división 1,  para sim plificar  las especificaciones de los sistemas y equi pos eléctr icos. (Ad emás, una u bicación de división 2 po-

Amortización de la inversi ón

Se ha escrito mucho sobre los métodos par a cal· cular los aspectos económicos de los motores de alta eficiencia. Todos tienen su utilidad, ya sean cálculos sen· cilios de amor tización de la inv ersión  o los costos del ciclo de vida refer idos al valor actual o  pr e· sente. También es posible utilizar r eglas crnpí16 0

Selección y mantenimiento de los motores a prueba de explosión dría cambiarse más tarde a división l, y sería ne  prue ba de explosión es parte de un  programa escesario modificar el equ i po .) tablecido para ins pe ccion es a in terv alo s r e gulaPor ello, la seguridad debe ser la  princ ipa l res. De bido a lo s miles de motor es a prueba de consideración  para el diseño  y la selección. To- explosión que se hallan instala dos, sólo lo s qu e dos los cir cuitos  y el equi po auxiliar  par a los mo- están en a plicaciones críticas o tienen un histo rial tor es de ben cumplir-con las reglas aplica bles del  pr o blemático se inclu yen en un  pr ograma nor mal R eglamento de Electri cidad de Estados Unid os de mantenimiento. Sin em bargo, la mayor parte ( NEC,  National Electric Code), en  particular el de los motor es a prue ba de ex plosión se r evisan articulo 5.00 (Lugar es peligr osos), el 501 (U bidurante in s pe ccione s in cluid a s en el pr ogr ama caciones de clase 1) y el 430 (Motor es, cir cuito s general de mantenimiento  pr eve ntivo. Todos los equipos o sistemas im po r tantes o  y contr oles). Al se leccionar  y comprar equipos  y críticos están  pr o gramados  par a ins pe cción  pe · componentes eléctricos, suele consultarse con riódica por  personal de lub rica ció n, mecánico s, frecuencia el  H a z ar do  us  Locat ion  E qui pment  Dir ect ory  publicado  por los Underwriters La- electricistas, etc. Durante estas revisiones se efectúa un cuidadoso examen visual de los mo boratories y complementado con in f or mación de tor es a prue ba de ex plosión y otr os equi pos eléclo s fabricantes y la experiencia de muchos año s. tricos en la máquina o en el siste ma. Los motores  para las zonas con clasificación de Dur ante las ins pe cciones eléctr icas  pr ogr ariesgo se seleccionan de modo que cumplan con madas  para mantenimiento  preventivo, el eleclas condiciones de carga y funcionamiento en el sitio,  y  por lo general son de armazón o car casa tricista busca si hay suciedad excesiva o r uido, del tipo TEFC a  pr ue ba de explosión, clase I, calentamiento o corrosión. Se hacen verificaciodivisión 1, con doble designación nominal  par a nes más extensas en los  periodos en que se susgrupos C o D, aunque se utilizan algunos mo-  pende el servicio en partes de la  planta  par a tores es pe cificado s para clase 11, división l, gru- mantenimiento, la s cuales pueden incluir análisis de vibraciones y  pruebas de resistencia de aispos E y F. lamiento eléctrico. Hay un conjunto de  pr oceEn muchas de la s zonas peligrosas, lo s mo tores y procesos se controlan en f orma auto mática dimientos, instrucciones y notas especiales par a desde cuartos de mando que están a una  pr esión todas las  pruebas de equi pos o sistemas im po r superior a la atmosfér ica. Los desconecta dor es, tantes. Se lleva un r egistr o de todos los r e su lta· contr olador es y demás equi po auxiliar para los do s: lectur as de cor riente y voltaje, y estado de motores están en esos loc ales y no se r equ ier e carcasas¡  bandas, em bragues, transmisiones, et· que sean de diseño es pecial. La  pr esión  positiv a cétera,  par a referencia f utur a. (mayor que la atmosf érica) se mantiene con ventilador es de gran tamaño; si la  presión cae  por deba jo de un valor determinado, un interru ptor 2.4.3 Localización de averías eléctricas de presión diferencial hace sonar una alar ma. En esas instalacion es, sólo el motor y un interr up tor Cuando se sos pecha que hay un  pr o blema eléc de paro de emergencia se encuentran dentro de trico en una zona peligrosa, es necesario em p lea r la zona peligrosa. Por supuesto, tienen alo ja-  procedimientos es pe ciales, ya sea en la in s pe cmientos a prue ba de ex p losión . ción en el tumo de noche o en la  jorn ada nonnal Los contr oles u otros apar atos que deben insde tr a ba jo. talarse en zonas de  peligr o suelen tener envolPrimero, un electricista experimentado y con ventes especiales, diseñadas  para soportar  pr e-  práctica en el traba jo en zonas  peligr osas o bser sión, como se descri be en la sección 500-1 de l va el  pr o blema, ef ectúa un análisis y fonnula un  juicio con base en el examen visual, de ser  poNEC. sible. Por e jemplo, si  parece que un motor , su carga im pu lsad a o am bos funcionan en forma in· 2.4.2 Consideraciones  para el matenimiento correcta, el electricista r ealiza un examen visua l  preventivo de los com ponentes o busca si hay piezas daña das, con cambios de color o flojas; escucha si ha y El mantenimiento  pr eventivo de los motores a nud os inusita do s, toca el equi po par a dete rmi nar  16 1

Se lección de motores y equ ipos si hay exceso de temper atura o sob r eca lentamiento y busca olores anor males. Los o pe r ador es de equipo y los su pe rvisor es de  pr odu cción a menudo a por tan datos e indicios que ayudan a r esolver los  pr oblemas que sur gen en el equi po. Si es necesaria una mayor in ve sti gación, la s  pr uebas eléctr ica s pueden r ealizarse con f acilidad si el equi po de con tr ol y lo s descone ctado r e s se hallan instala dos en una zona no  peligr osa. Cuando hay que ef ectuar pruebas eléc tr icas dentr o de la zona peligr osa, debe o btener se un « pe r miso de par o de segur idad» es pe cia l, aunque la s  pr ue bas va yan a realizarse con equi po desener -

de aislar el  pr oblema, r evisa r los com pone nt es de los cir cuitos de control (r elevador es de so br ecar ga), in te r r u pto r es (de flotador , límite,  pr esión, etc.) y  pr o b ar  el volta je en las ter minales del moto r .

gizado.

El  pr ocedimiento del  permiso de  par o es  pu esto en  pr áctic a  por el de partamento de segu r idad , los químicos de esa sección y lo s técnicos es pe cializados. Estos últimos com pr ue ban las tem peraturas y el contenido de gases o va pores en al zona utilizando in stru me ntos es p ec iales, como lo s ex plosímetros, a f in de com pr obar que la zona es segur a  par a la lo ca lización de la s averías elé ctricas. Cuando se otor ga el per miso de  paro se aplican lo s  pr ocedimientos usuales  para r ealizar la diagnosis de las aver ías, las cuales pueden r equerir la desconexión del motor de la car ga a f in

Fig. 2-10. La motobom ba mtegr al es una de las máquinas que suelen instalar se en zonas  peligr osas. En esta moto bom ba, el r otor del motor es parte del con junto del sistema im pulsor  de la  bom ba, y los devanados del estar or  estén tmalment e sellados. Las conexr cnes con los conductores ter minales del motor se hacen a tr avés de una caja r edonda de 4 pulg (10 cm) que está encima de la máquina. (Véase el NEC, seocien 501·5(Q(3).)

Fig, 2-1 l. Esta enor me f á bnca de productos f armacéuticos, que consla de casi 90 edificios en un terreno de 48 hectár eas, tiene muchas u bicaciones  peligr osas de clase 1, división l , y más de 10 (XX) motor es a prueba de ex plosión 16 2

Selec ción de escobillas  para motor es y gener ador es

La técnica  par a el diagnóstico com pr e nde dos  pasos  pri nc ipales: Seleccio nar y aplicar las diagnosis que ofrezcan la máxima seguri dad. Por e jem plo,  prue bas de continuidad de los devanados del motor antes de  probar el voltaje en ello s. l.

2. Las carcasas y cubiertas del equipo se mane jan con todo cuidado al desarmar o armar . Las su perfi cies embonantes se examinan con tocio cuidado para ver si tienen puntos de desgaste o raspaduras, ya que para el funcionamiento CO· rrecto y seguro las superficies de acabado a maquina deben conservarse en  perfectas condiciones. La mayor parte de las veces sólo se abre la caja de terminales. Si es necesario desarmar el motor, deben utiliz ar se los servicios de una em pr esa especializada en r e par aciones. En las ilustr aciones de esta sección (figs. 2-10 a 2-18) se muestr an detalles adicio nales  para el mantenimiento y diagnosis de averías del equ ipo a  prueba de ex plosiones.

2.S SELECCIÓN DE ESCOBILLAS P AR A MOTORES Y GE NER ADOR ES 2.5.1 Fig. 2-12. Los motores a prue ba de ex plosión  para u bicaciones de clase l, división 1, se contr olan con es· raciones  de botones instaladas en ca jas a prueba de ex plosión.  Pueden verse los sellos en el condmt {con· dueto de cables) en ambos extremos de las estaciones de botones, requeridos  por el  NEC, sección 501 ·5.

Car acter ísticas  princ ipales

El funcionamiento confiable de los motores y gener ador es equipados con esco billas (fig. 2·19) depende de la selección cuidadosa de los elementos de contacto adecuados para la a plicación.  Hay muchas características que determ inan

Fig. 2-13. Este centr o de cont r ol de motor es es uno de los muchos instalados en una u bicación no peligrosa. Las es pe cificaciones  de seguridad para el sistema  eléctrico indican  que la  mayor cantidad  posi ble de los elementos eléctncos deben instalarse en lugar es fuer a  de riesgo. Ello sim plifica la localizaci ón  de averías y el mant en imiento eléctrico. 16 3

Selección de motores y equipos

Fig. 2-14. Este motor del ti po TFEC de 15  hp, clase 1, división 1,  tiene tubería conduit flexi ble y conexiones a prueba de explosión en la caja de terminales. Los conductores de ter minal del motor están sellados dentro  de un compuesto en el sitio  por donde salen de la armazón y entran en la  caja de ter minales. Fig. 2-16. Ca ja de acceso de gr an tamaño de una instalaci ón  en zona peligr osa,  de diseño a prue ba de ex plosiones. Los tubo s conduit de entrada a la ca ja no necesitan se llos,  salvo que midan más de 2 pulg (50 mm) de diámetro (véase el condu it en la parte su perio r de la  caja) según el NEC, sección 50I- 5(a)( 2).

Fig. 2-I S.  Los contr oles  a prue ba de ex plosión com prenden un interruptor de servicio (a la izquier da), una alarma con luz pilot o o de aviso (en  el centro) y un botón de par o de emer gencia (a la derecha). Se advier te  cómo están instalados los sellos en el lugar  en que los tu bo s conduit entr an y salen del apar ato de extinción de ar cos requerido  por el  NEC. sección 501-S (a)( l)

Selección de escobillas par a motor es y gener ador es qué escobilla ser á más eficiente en una situación deslizar la superficie de un m aterial a plicada condada (fig. 2-20). Las características más im por - tr a otra y la f uerza que comprime am bas. En el caso de una esco billa, el coeficiente de f ricción tantes son la resistencia específica, coeficiente de fricción, ca pacidad de conducción de corriente, se deter mina con pruebas efectuadas so br e un conmutador de cobr e, r anur ado y de 25 cm velocidad máxima de funcionamiento  y a br asi(20  pulg) de diámetr o, con una velocidad  per ividad. férica de 900 m/min (3 000 pie/min). Par a estas 1.  Resistencia es pecífica. Salvo que se indi- mediciones se utiliza una pr esión de 0.28 k gf/cm2 que Jo contrario, la r esistencia es pecífica es la r e- (4  lbf/ pulg2) en esco billas que tienen sección sistividad del material (en Q · cm o en Q ·  pulg) tr ansversal de 6.45 cm2 (1  puig2). cuando se mide la dirección longitudinal de la taHay muchos factor es que influyen en la fric blilla. (La resistencia medida en la dirección de ción de las escobillas, y son, tem per atur a,  pr ela anchura o del es pesor  puede ser muy dif eren- sión de contacto, corriente, condiciones atmoste). El conocimiento de la r esistencia es pecífica f éricas, condiciones mecánicas, material de conmu-

Fig. 2-17. Antes del r ear mado la  brida de la ca ja de ter minales de un motor a prueba de ex plosión debe lim piarse con cuidado. El motor de este caso im pulsa el agitador de un r ec ipient e  por medio de un mecanismo  pr ot egido de engrana je sinfín a 9!1'. El tacómetr o puede ver se a la izquier da.

de una escobilla ayudar á al compararla con otr as características durante la evaluación de su a plicación. 2. Coeficiente de fr icción. Se define como el cociente entr e la fuerza requerida  par a hacer  16 5

tador o anillos,  películas su perficiaJes y velocidad. La f ricción de las esco billas tiene un fuerte aumento cuando éstas trabajan a temper atur as menor es de unos (J:f C o mayor es de unos 100 a 12Ü° C. La elevada fricción que se gener a a me-

Selección de motores y equipos

Fig. 2-18. Un puente de Wheatstone sirv e par a r ealizar pruebas com par ativas de r esistencia de los devanados de motor es vert icales a prue ba de ex plosión. Se observan los accesorios de conexión a pr ue ba de ex plosiones unlizados  par a el suministr o de corr iente al motor y los contr oles.

Fig, 2·19.

Las máquinas r otator ias  pr ovistas de esco billas son motor es y ge·

Selección de escobillas par a motores y gener ador es

nudo produce tr a qu eteo y astillamiento de la s escobillas. Esas temper aturas extremas suelen ser el resultado de una carga eléctrica inco rr ecta , con alta s o  bajas densidades de corr ien te. Por ello, es im po rta nte que las esco billas f un cione n con la densidad de corriente recomendada, qu e suele ser de 5.4 a 10 .8 A/cm2 (35 a 70 A/ pu lg 2).

Fig. 2-20. Los fabncantes tienen un amplio sur tido de esco billas, y muchas veces se es pecializan en elementos par a máquinas r otator ia s de CD

Se  pr ef ier e que las  escobillas tengan  baja f ricción ,  pues tal rozamiento no es de ninguna utilida d . La  potencia requer ida  par a contr arr esta r  la  fricción es potencia des per diciada. Un f a bricante presenta la siguiente clasificac ión de esco b illas: Fr icción Alta Media Baja

Coeficiente 0.40 y ma yo r  0.22 a 0.40 Menor de 0.2 2

3. Capacidad de cond ucción de cor r ient e. Hay cond ic iones de funcionamiento que in flu ye n mucho en la ca pacidad de condu cción de cor rien te, como el tipo de ventilación, tr a b a jo co n tinuo e in tenn itente, velocidad, etc. Casi todos los fa br icantes pu blican ta blas en las que r eco miend a n los amper es por unidad de área que debe con du cir   una escobilla deter minada,  per o este va lor 

varía con la a p licac ión. La capacidad puede var iar desde unos 6.2  Af cm2 (40 Af  pu lg2) en escobillas de carbón hasta 28 Alcm2 (180 A/ pulg2) en las de metal y g r a fito . La ca pac ida d de conducción de cor riente de la escobilla de pende de la temperatur a de f un cionamiento. En la s máquinas  bien ventiladas y  pr ovistas de escobillas  pequeñas y ár ea sup erf icial gr ande en r elación con su vo lumen, y cua ndo las escobillas sólo cubren un pequeño  por centa je de la supe rficie del conmutador o de los an illos, es fácil du plicar las densidades sin alterar no to riamente el comportamiento. Por otr a  parte, cuando se eleva la densidad de corriente sin tomar la s  pr ovid enc ias adecuadas  par a man tener  baja la tem pe r atu r a,  puede r educirse mucho la dur ación de las esco billas. 4. Velocidad máxima d e f unciona mient o. La velocidad  perif ér ica más alta recomendada  par a los anillos o el conmutador so bre los que tr a b a jar á la esco billa es su «velocidad máxima». La velocidad  pennisible depende no sólo de la s características del material de las escobillas, sino tam bién de la  presión del a plicador , densidad de corr iente, tipo de  portaescobillas, ángulo de a plicación, estado de lo s anillos o del conmutador y condiciones atmosféricas. Por tanto, la ve loc id ad máxima que se men ciona  como característica de las escobillas es sólo a pr o ximada. Se han utilizado diver sos ti pos de escob illas con buenos resultados a velocid ad e s y en condiciones difer entes. Por ello, la velocida d máxima a la cual la escobilla tiene r en dimie nto ó ptimo muchas veces es detennina da  por la ex per ie n cia. Por e jemplo,  par a anillos colectores de tu r  bogener ado r es que desar r ollan ve loc ida de s per if ér ic as hasta de 3 600 m/min (12 000 pie/min) se ha utilizado una escobilla electrograf ítica de grado denso y fuerte, recomendada hasta  par a 1 500  m/min (5 000 pie/min). Casi todas las esco billas de metal y gr afito se recomiendan  par a veloc id ad e s hasta de 1 500 m/min, pero se han empleado en generador es  pequeños y otr as má quinas especiales a 2 400 m/min (8 000 pie/min) o más. S .  Abr asivid ad . La ca pacidad de una esco billa de resistir la fonnación excesiva de una  película ocasionada por ambientes corr osívos o aceitosos se llama abr asividad o «ef ecto de  pulido». Par a los conmutador es con mica al r as

16 7

Selecclón de motores y equipos

suelen necesitarse escobillas a br asivas. La du b. Las esco billas de car bón y de carbón gr areza, estructura granular y contenido de ceniza  fit ado se em plean en condiciones mecánicas y atinfluyen en la abr asividad de la escobilla, que se mosfér icas adversas. Sus  pro piedades de gr an clasifica como baja, media o alta. «Ba ja» signi- dur eza, alta r esistencia mecánica e intensa acfica,  por su puesto, escobillas de abrasividad r e- ción lim piador a les dan una larga dur ación en ducida, que suelen llamars e  «no abr asivas»; condiciones adversas de f uncionamiento, aunque «media» o «intermedia» indica cierta acción de la conmutación es más def iciente que con esco pulido, «alta» signif ica fuerte acción  pulimenta-  billas más suaves. dora, que suele o btenerse con mater iales con Las escobillas de carbón suelen hacerse con alto contenido de ceniza o a los que se ha agr e- mater iales amorf os como negr o de humo o cogado un agente  pulimentador . que. Las de carbón y grafito se elabor an con mezclas de carbones amorfos y de gr afito natur al o artificial. c. Las escobillas el ect rog r aftt icas se hacen 2.5.2 Tipos de esco billas con mater iales de carbón amorfo sometidos a Hay cuatr o grupos pr inci pales de esco billas cla- temperaturas muy elevadas (2 400 ºC o más), lo sificadas según el ti po de proceso de fabricación cual les pr oduce un cambio ffsico y las conviert e y de los carbones, gr afitos u otr os materiales uti- en una estructura más gr af ítica. Estas esco billas lizados para elabor ar las escobillas: de gr afito, de suelen tener mayor densidad apar ente y menor es carbón grafitado, electrografíticas y metalogr a- r esistencia mecánica, dur eza y resistencia eléc trica específica que las no grafitizadas hechas con fíticas (fig. 2-21).

1

'

f ig. 2-21. Las configuraciones de l as esc obillas com pr enden dif er encias en gr ado, tamaño y tipo de la derivación. Las colas o derivaciones, que suelen ser de cobre trenzado, se su jetan  por diversos métodos,  como remach ado, sua jado, atornillado o inser ción a  pr esión.

a. Las escobillas de  grafito casi siem pr e son de grafito natural, pero en algunas éste es artificial. El grafito natural contiene im pur ezas llamadas ceniza, que dan a las esco billas acción abrasiva o de limpieza. El grafito artificial suele ser puro y f orma menos escamas. Comúnmente se emplea en a plicaciones  especiales, por e jem plo sobre anillos colectores de acer o en tur  boalternadores y en atmósferas contaminadas. Muchos motor es fraccionarios tienen 'este ti po de esco billas.

los mismos ingredientes iniciales. Son muy pur as y están li br es de ceniza a br asiva. Por lo gener al tienen  buenas características de conmutación,  per o no siempre pueden utilizarse cuando se requier e una acción lim pia dor a intensa  para mantener una película esta ble, de bido a las corr ientes elevadas o condiciones mecánicas o atmosféricas adversas. d. Las escobillas metalograftt icas suele n hacerse con gr afito natural y polvos metálicos finos. El constituyente metálico más común es el 168

Se5ecclón de cir cuitos y controles par a grandes acondicionador es de aire cobr e,  per o tam bién se utilizan a veces la plata,  biental de 7 000 toneladas de r ef riger ación y mad estaño, el plomo y otr os metales. El co nte n ido quinar ia con im pu lsión  eléctrica es pecíf ica. Los circuitos y motores de alta ca pacidad reaproximado de metal es de un 10 a un 95 % en  peso. Un alto contenido de metal permite mayor queridos para mane jar esta elevada carga eléctrica constituyen un inter esante estudio de un ca pacidad de corriente, más resistencia mecánica caso en lo que res pecta a cálculos y diseño elécy ciertas car acterísticas ,com binadas de caída de  poten cial  de contacto y fricción que sólo se entricos, en  particular  por lo que toca a los r equieaentran en estas escobillas. Este tipo de matesitos del R egla mento de Electricidad de Esta do s nal se em plea cuando hay altas densidades de coUnidos (NEC). Si  bien la instalación se haría :riente,  ba jos volta jes, o ambos; tiene un nota ble conf orme al reglamento eléctrico de la ciudad de efecto de pulido. Entre las aplicaciones típicas se  Nueva Yor k,  sus estipulaciones coinciden en lo encuentran gener ador es  para galvanostegia, car- r elativo al equipo de acondicionamiento con las gador es de acumuladores, gener ador es para má - del NEC, con una sola excepción, como se ver á. quinas soldador as y otr os equipos que mane jan Por tanto,  en este estud io se citar án los r equisicorriente eléctr ica ele vada. tos del  NEC, que cu bre a plicaciones más am plias.

?.6 SELECCIÓN DE CIRCUITOS Y

CONTROLES PARA GRANDES ACO ND ICIO NADOR ES DE AIRE Aquí se descr ibe un  procedimiento detallado  par a la selección de cir cuitos y contr oles en el caso de un sistema de climatización de gran ca pecidad. Se ind ica  paso a  paso la aplicación del :s:EC en el diseño de los circuitos del sistema alimentador de energía eléctric a.

!.6.1 Consider aciones generales La selección y el diseño del equipo y los cir cuitos necesarios  para acondicionar fr igorí f icamente el edificio Celanese de 45  pisos en el R ock ef eller C.e nter , de Nueva Yor k,   plantea ban cuestione s difíciles de r es ponder y com ple jos  pr o blemas de mgeniería. La causa de ello f ue que los motor es de alta eficiencia, que normalmente tr abajan a un voltaje de 4 160 V, se debían alimentar a !(,() V (fig. 2-22 ). Como ocur re  a menudo en estos proyectos, los  parámetros gener ales de diseño, respaldados  por estudios de ing enierí a, indicar on que lo más desea ble sería un suministr o eléctrico a 460 V par a e1 equipo de climatiza ción . Los ingenier os de la empresa consultora S ysk a &.: Hennesy, de Nueva Yo r k,  determinar on que para este edificio constr uido en un pr edio de lS5 OCIO m2 (dos millones de pies cuadr ados) se aecesitaría equi po de acond icionamiento am-

2.6.2

Selec:ci6n del voltaj e

La empresa de energía eléctr ica suministr a 13 .8 k V al ed ificio, que se tr ansforman en 460 V  par a su utilización. Por tanto, había pocas o pciones para la selección de volta je para los motocom pr esores. El empleo de 13.8 k V hubier a significa do mayores costos de operación por que se necesitaría doble medición. Los costos de tableros de distr i bución y transfor mador es de 15 kV y su mantenimiento también habrían resultado  pr ohi bitivos. Et empleo de 4 160 V, que suele ser más económico y más eficiente  par a esos motores, ha brí a signif ica do una elevación de 460 a 4 160 V. De bido a las ca pa cidades requeridas, los costos imciales y los costos de oper ación muy elevad os tam bién hicieron inaceptable este plan. La única solución era mane jar los 460 V. Mediante un estudio cuidadoso se demostr ó que con este volta je  podría obtenerse una instalación económica y pr áctica. 2.6.3

Selec:ci6n del equ ipo

Los ingenie r os de Syska & Hennesy de cidie r on utilizar cuatro unidades inde pe ndientes para acondicionar el air e, cada una con un motocom pr esor hermético de 2 200 A y 460 V, y con una alimentación individu al (entrada de servicio  pro pia)  para la máxima confia bilidad de funcion a-

Selección de motores y equipos

l Fig. 2-22. Este motocom pr esor her m ético con capacidad nominal de 2 200 A a 460 V es ins peccion ado por técnicos de m antenim iento eléctrico del edificio. Se conectan cinco cables de cobr e THW de 400 MCM a cada una de las seis ter m inales del moto r . 17 0

Selección de clrcuHos y controles para grandes acondicionadores de air e miento. En la  figur a 2-23 se ilustr a un cir cuito Desde el dispositivo de desconexión del cir tipico. cuito del motor se instalar on 24 conductor es de En cada una de las cuatr o entr adas de servicio aluminio THW de 700 MCM, a razón de ocho  para el equipo, una barr a colectora de 4 000 A  por fase en ocho tubos cond uit de aluminio de a bastece a dos desconectador es  gener ales de 89 mm (3.5 pulg), y que llevar ían la corr iente de

Coleclor de 4000  A, 460 V

r 

M echos de oosconexion sec 440-12 440-14  Art. 430 . partes G y H

i

Desc:oneclador general de 4000 A

Fusible limltador es de cemente tpo L de3000 A

Pro!ece>On 00<1!r a sobr ecomentes de c,rcuilos denv ados sec. 440-22.  Ar! 240

24 conductores de ah.lmmlo THW de 700 MCM, 8  por fase

Conductores de circll�os de-nvados Sec 440-5, 440-32

Cargas d,varsas
 Ar! 300y310

COntrolador de motor . sec. «o-<1, 440-41

)

'-------�

Estrella-Oetta 2200  A,  600 V

Pro10CCl6n  conir e sobrecarga: See. 440-52, 430- 32 Circuilo de arr anque

COnctuctores de cir cuitos de rivados· sec. «o-s, 440-3 2 Ar!. 300 y 310

 _ .....¡....--

C 1reurtos de mar cha

 _ ..-j¡- - 30 conductores de 400 M CM 15 por ci r cuito

de cobre TH W.

5 ""' ""'

Motoooml)fesor hermético

par a relngerac,ón

sec aac-t

Comoote de carga nominal 2200 A

440- 2,  440-3

Volta¡e nommal: 460 V

Fig. 2-23. Este diagr ama umfilar de cir cuito derivado para la alimenta· ción de un motooompresor es el tí pico de estas cuatro mstalacicnes. Los datos de los cir cuitos se  pr esentan en el lado derecho, y las ref er encias al  NEC so bre fondo negro.

4 000 A provistos de fusi bles. Uno es para las car gas de f uerza y alum brado del edif icio, y el otr o  par a un motoco m pr esor . 17 1

460 V al contr olador  en estr ella-delta. Desde tal contr olador , 30 conductores de cobre de 500 MCM. en tubería conduit de aluminio. llevarí an

Selección de motores y equipos la energía eléctrica de 460 V al motor . Se seleccionó un contr olador en estr ella -delta (fig. 2-24) porque este tipo de arr ancador r e du ce la corriente inicial y el par de arr anque al 33 % de lo nor ma l, o sea. más que cualquier otro ti po .

2.6.4

Es pecificaciones aplicables del  N E C

En el artículo 440 del  NEC, «Air Condition ing and R efriger ating Equipment», se  presentan lineamientos  para determinar los tamaños y ca-

Contr olador del t ipo estr ella-delta que reduce la corriente de arranque de un motor más que cualquier otr o tipo. Los contactar es IM de arranque y marcha se o bservan a la izquier da; los contactares S  par a los devanados del motor están en la parte su perio r  centr al, y los contactorcs 2M de mar cha se encuentran en el centr o. El circuito de contr ol está en el tabler o de la der echa. Los resistor es  para f uncionamiento con tr ansición cerr ada están instalados en gabinetes  p r ovistos de ventilación ubicados en la  parte su perior del contr olador . Fig. 2-24.

Esto fue im porta nte  para asegurar un mínimo de  perturbación en el sistema de distribución dur ante el arranque de los grandes motores. Los cir cuitos requieren dos  juegos de conductores de entrada  par a el motor : uno o per a sólo dur ante el arr anque, y los dos se conjuntan  para la marcha normal. El contr olador conecta los de va na dos del motor en estr ella, en f orma auto mática, dur ante el arranque; des pués de la acele r ación , se r econectan  par a el funcionamiento normal en delta. En la figura 2-25 se ind ican los detalles del funcionamiento de l contr olador . 17 2

 pacidades de los contr ola do r e s, inter r u ptor es, desconectador es, a paratos  para  protección con· tra sobrecorriente y conductores  para los cir cuitos. En la secc ión 440-2(a) se ex presa que ta les dis posiciones «son adiciones, o enmiendas, a la s dis posiciones del articulo 430 y otros de este R eglamento, excepto lo que modifique este art iculo». Salvo por el 430, ninguno de los otr os ar ticulos ( par a garages, luga r e s  peligrosos, etc.) era aplicable al equipo instalado en Celanese. Además, en la sección 440-2( b) se excluyen los artículos 422 y 424,  pues éstos sólo se aplican a

Selección de circuitos y controles para grandes acondicionador es de air e

460V 1M

10 L 1A

2M

RES

""""""-"' 1M

TS

T3

T1 J4

20L 1A

2M 1M

RES

30L 1A

1CR

2M

RES

2M

1A

L.0.

L.0

s 1M

s TC

s

2M 1M

•• • •• ••••

Fig. 2-25. Diagrama de circuito del contr olador  estr ella-delt a en et que se aprecia el funcionamiento de tr ansición cerrada. Los r esistor es en los conductores de entrada de potencia asegur an que el arr ancador nunca se desconectar á de la linea dur ante los  pasos de arr anque y marcha. El método  para el arranque requiere dos circuitos trif ásicos desde el controlador hasta un motor con seis conductor es de entrada. Cuando se oprime el  botón de ar ranque, se excita la bobina lCR de un circ uito  piloto y elld hace que se cierren los contactos lCR y se excite o ener gice el contactor S; sus contactos se cierr an, y se conectan en estrella los devanados del motocompr esor . Se cierr a el contacto auxiliar normalmente abierto en el contactor S, lo cual energiza el contactor IM  par a cerrar sus contactos y exci tar  los devanados en estrella del motocom pr esor . Después de un tiempo  pr edeterminado se cierra el contacto normalmente abierto en el temporizador (o medidor ajustable de tiempo) T, se energiza el contactor lA y los contactos de éste se cierran y conectan en estrella los r esist ores RES, poniéndolos en  par alelo a través de los devanados del motor conectados en estr ella. Se a br e un cont acto auxiliar de apertura demorada en el contactor lA, se desexcita el contactar S, cuyos contactos se abren, y los resist ores RES se colocan en serie con el devanado del motor, que ahora queda conectado en delta. Se cierr a un contacto auxiliar normalmente  cerrado en el contactor S, lo cual excita al contactor 2M, cuyos cont actos se cierran también y con ello ponen en corto a los r esistor es RES. El motor ya conectado en delta reci be ahor a el voltaje total.

Seleccló n de motores y equ ipos equipos de r efriger ación que no contienen un motocom presor hermético. Debido a que el equi po que se instaló consta sólo de motocompr esores herméticos  par a el re· f ri ger ante, se a plicó el artículo 440 junto con las secciones aplicables del artículo 430 no modificadas por el 440. 2.6.5 Mar cado del equi po

En la sección 440-1 se def ine un motocom pr esor (grupo motor eléctrico-compresor) her mético  para r ef r iger ación, como sigue: Una com binación consistente en un com pr esor y un motor, am bos dentr o de la misma car casa, sin eje o sellos de eje; el motor funciona en el seno del r ef r iger ante. La sección 440-3 r equier e que el f a br icante mar que ese equi po con cier tos valores para cier tas condiciones además del nombr e del f a brican· te, marca registrada, número de f ases, volta je, frecuencia y corriente a r otor  bloqueado. La «cor riente de carga nominal» de be a par ecer en todos los motoco m pr esor es hennéticos para ref riger ación, y en la sección citada del NEC se define como sigue:

La corr iente de carga nominal de un motocompresor hermético es la que r esulta cuando se hace funcionar el motocompr esor con la car ga, el voltaje y la fr ecuencia nominales del equipo al que  per tenece. Además, si el motocompr esor her mético incluye un sistema de  pr otección que permita que haya paso continuo de cor riente con intensidad super ior   al porcentaje especificado de la corr iente de carga nominal en la  placa, como se menciona en la seción 440-52(b)(2) o (b)(4), hay que marcar el equipo con la corr iente par a selección de cir cuitos  derivados o r amales; en la sección 440-3 se def ine  como sigue: La corriente par a selección de circuitos derivados es el valor en amperes que de be utilizarse en vez de la corr iente de car ga nominal a f in de detenninar la ca pacidad de los conductores de los cir cuitos der ivados  para motor, interr u pto174

res, desconectadores, contr olador es, aparatos de  pr otección contra cortocircuitos de las der ivado· nes y f allas de conexiones a tierra, siempre que el aparato  protector contra sobrecarga en marcha permite una corriente sostenida mayor  que el por centaje especificado de la corriente de carga nominal. El valor de la corriente para seíección de circuitos derivados debe ser siempre mayor que la corriente de car ga  nominal mar cada. Los cuatro motocompresor es herméticos  par a la instalación se marcaron con una corriente de carga nominal de 2 200 A y una corriente a r otor  bloqueado de 9 750 A.  No tienen sistemas  pr otector es inher entes o especiales, ni se ha mar· cado la corriente  para selección de cir cuitos derivados. Por tanto, se utilizó la corr iente de carga nominal de 2 200 A a f in de determinar el tamaño de los com ponentes de circuito. 2.6.6 Ca pacidad del controlador  El tamaño del controlador estrella-delta utilizado se deter minó conf or me a la sección 440-41, la cual r equier e que el controlador tenga capacidades par a tr abajo continuo y a rotor  bloqueado no menor es de las que aparecen en la  placa del motocom presor para plena carga. Por tanto, se especificó un contr olador de 2 200 A y 600 V, con ca pacidad de 9 750 A a rotor  bloquea do (fíg. 2-25). 2.6. 7 Diseño del circuito deri vado

Des pués se trabajó en los detalles de ca pacidad, tipo e instalación de los conductores  para el cir cuito derivado (o r amal). La ca pacidad de corriente ( «am pacidad») se determinó so br e la  base de 2 200 A, la corriente de carga nominal del motocom presor , conf orme a la sección 440-5(a). Pr imero se consider aron los conductores entr e el contr olador y el motor . De bido a que el controlador es un ar r ancador del tipo estr ella-delta, se r equier en dos cir cuitos  pr inc ipales: uno o per a sólo durante el ar r anque y se une al restante durante la mar cha normal del motor (figs. 2-23 y 2-26). La ca pac idad de estos conductor es de circuito derivado se detenninó de conf ormidad con la

Selección de cir cuitos y controles para grandes acondicionadores de aire

sección 440-32, la cual r equiere que los conductores para alimentar un solo motocompresor tengan capacidad de corriente no menor del 125 %, ya sea de la corriente de carga nominal del motocom pr esor o de la corriente para selección del cir cuito derivado, la que sea mayor. Ello significa que estos conductores de ben tener capacidad de cuando menos 1.25 x ( corriente de car ga nominal); o sea, 1.25 x 2 200 A "" = 2 750 A.

¡

la corriente nominal de carga se multiplica  por la constante que se a plique a las relaciones de corriente en sistemas en delta balanceados y por el 125  %, como lo requier e la sección 440-32:

Corriente nominal de carga x K x 125 % = corr iente de línea de cada cir cuito, en donde: 2 200 A

X

0.58

X

1.25 = 1 595 A

1,

 j1,¡,=� =0.581, Tl

T6

OrcullO

de

ar ra  nque Circuito

Conductores en el encuito denvado desde el

de marcha

"ha'"s't"a"el"d"e'sconectadof 

Ftg. 2-26. Diagrama del ci r cuito en delta en el que se observa la forma en que se conectan los conductores del circuito derivado entr e el controlador y el motor en las esquinas de los devanados de la máquina, cuando ésta se halla con ectada  para la mar cha. Estos conductores conducir án sólo la corriente de fase, que es el 50 % de la corriente total de lin ea.

Sin em bargo, en este caso hay dos circuitos en  paralelo que alimentan al motor , y con éste en su modo de mar cha normal, los circuitos quedan conectados en delta. Dado que hay dos circuitos, la «ampacidad» r equerida debe dividirse entr e ellos;  pero, de bido a la r elación de las corrientes de f ase en los circuitos en delta, la división no será aritmética. En la figura 2-26 se ilustr a este  princ ipio. Para calcular la «am pacidad» de cada cir cuito, 17 5

Por tanto, hubo que calcular la cantidad y dis posición de los conductores  para los dos cir cuitos u bicados entre el controlador y el motor , cada uno con capacidad de cuando menos 1 595 A. Como el tramo era más o menos corto y la conexión en el motor requería seis tenninales (para  poder intercam biar las conexiones internas de los devanados, de estr ella a delta), se decidió utilizar ca bles en tu bos conduit. Se seleccionaron conductores de co bre THW para tener  máxima

Selección de motores y eq uipos

.------,

conf ia bilidad en las terminaciones, que estarí an sometidas a la vi bración del motor . Además, la gran flex ibilidad del cobre sim plif icó las conexiones en las terminales del motor . Como el contr olador  y el motor requerían seis termi nales, la cantidad de los conductores tendría que ser un múltiplo de seis a fin de perm itir conectar el mismo númer o de ellos a cada ter minal. Después de estud iar la tabla 310-16 del  NEC, donde a parecen las ca pacidades de corriente de conductor es de cobre aislados, se encontró que los conductores THW de 400 MCM darían la «am pa cídad» y combinación de con ductores requeridas. La capacidad de cor r iente  para cada fase del circuito se determinó como sigue:

Capacidad de un conductor de cobre THW de 400 MCM = 335 A donde: 5x335A=l675A

El resultado condujo a un grupo de cinco con ductores de cobre de 400 MCM por fase en cada circuito, o sea 15 conductor es  por cir cuito, o  bien un total de 30 conductores, los cuales se alo ja· rían en 10 tu bos conduit de aluminio de 76 mm (3 pulg), a razón de tr es  por tubo. La am pa cidad del circuito es la menor  posible con la dis po sición del circuito r equerida. La capacidad requerida en el resto de los conductor es del cir cuito derivado, o sea los situados entre el controlador y el dispositivo  protector de dicho circuito, tam bién fue de 2 750 A, calculada según las   secciones 440-5(a) y 440-32. Se seleccionaron conductores de aluminio THW por sus menores costos inicial y de instalación. Se consider ar on diversas com binac ion es de cables y tu bos conduit para logr ar  la más económica. La disposición consistió en 24 conductores de aluminio THW de 700 MCM en ocho tu bos conduit de aluminio de 89 mm (3 '12  pulg), con tres en cada condu it. 2.6.8

Protectión contra so brecarga

En la sección 440-52 se describen cuatro método s que pueden emplearse para  proteger contra so br ecorrientes el motocompresor , el contr olado r 

y los conductores de circuito derivado. Los a ju stes de designación máximos de cada apar ato o sistema protector se expresan como un  por centaje específico de la corriente de car ga nominal o la de selección de cir cuito der ivado . Los cuatro métodos par a  protección contra so brecarga y sus ajustes de designación nominal máxima consisten, r es pe ctivamente, en el uso de: 1) relevador de sob r ecar ga separado, un 140 % de la corriente de carga nominal; 2) protector térmico integr al con el motocom pr esor, un 156 % de la corriente de carga nominal (o de sele cción de circuito der ivado); 3) fusi ble o disyuntor de tiempo inverso integral con el motocompr esor, un 125 % de la corriente de car ga nominal; 4) sistema de  pr otección sum inistr ado , especificado o aprobado  para su uso con el motocompresor , un 156 % de la corriente de car ga nominal (o de selección de circuito derivado). El artículo 440-21 exige asimismo la aplicación de las disposiciones del artículo 240, «Pr ote cción contra sob r ecar ga». En esta instalación, la  protección contra so brecarga es suministr ada  por relevadores de so brecarga in de pendiente s in stalado s en el contr ola dor estrella-delta. Los ajustes  para dispar o se determinaron de conformidad con los pr ove edores del equi po, debido a la disposición  poco común de los conductores entre el contr olador y el motor . En la figura 2-25 se observa que cuan· do el motor está en la conexión normal de mar cha, los seis conductores entre el motor y el controlador conducen la corr iente normal de 2 200 A, pero los relevadores de sobrecarga están instalados en sólo tr es conductores. El a pego estricto a la sección 440-52(a)(l) habría pr oducido  pr otección incorr ecta  par a el motocom pr esor,   pues la  sección 430-32 dice: Cuando un a parato se parado para  pr otección contra sobrecarga de un motor se conecta de modo que no conduzca toda la cor r iente es pecificada en la  placa de identific ación del motor ,  por ejemplo para arranque en estr ella-delta, el  porcentaje correcto de la corriente de la  placa que se utilice para la selección o ajuste del a parato protector contra sobrecarga estará ind icado con claridad en el equipo o se tomar á en cuenta en la  tabla de selección del f a bricante.

176

Por tanto, el ajuste de los relevadores de so-

S4tlecclón de circuitos y controles para grandes acondicionadores de aire  brecarga se basó en la corriente que circula en 2.6.10 Desconectador gener al para el motor  uno de los  dos circuitos hacia el motor . De bido al empleo del cir cuito en delta, para determinar En la sección 440-12 se est ip ula que el dis positivo el por centa je correcto r equer ido de la cor r iente de desconexión general para un mo tocom pr esor de la  placa de id entificación, se multiplica la de r efriger ación hermético de be tener una ca-

constante 0.58 por la corriente de carga nominal (2 200 A) a fin de o btener una cor riente de fase de 1 276 A. Luego los relevadores de sobr ecar ga se a justan a menos del 140 % de 1 276 A, conforme a la sección 440-52(a)(l). 2.6.9 Protección del cirtuito derivado En la  sección 440-22 del  NEC se descr  ib e la ca pacidad de los f usibles o el ajuste del disyun tor (interru ptor automático)  para la  pr otección de un circuito derivado contr a la sobr ecorr iente. En tal sección tam bién se dispone que el a par ato  protector contra cortocir cuito y fallas a tierr a debe poder conducir la corriente de arranque del motor , y su capacidad o ajuste no excederán del 175 % de la corr iente de carga nominal o la de selección de cir cuito derivado, la intensidad que sea mayor . En caso de que el aparato protector no  pueda conducir la corr iente de arranque del motor , es  posible incr ementar su capacidad o a juste,  per o ninguna de ellas debe ser mayor del 225 % de la corr iente nominal o de la de selección de circuito, la que sea   mayor. Por tanto, se deter minó que la designac ió n o ajuste máximos del  pr otec tor  deberían ser de 2 200 A x 1. 75 "" 3 850 A. Debido a la muy intensa corriente de cortocir cuito  pos ible, se seleccionó un interr u ptor   con fusibles como desconectador general del circuito y como pr otector contra so brecorr ientes. Se hizo así por que un inter ru ptor con f usibles r esulta mucho menos costoso que un disyuntor r es paldado  por los f usi bles !imitador es de corriente que se habrían necesitado. Después se consultaron los datos de los f a bri cantes de fusibles y, con base en lo s criterios de diseño de los motores, se seleccio nó un f usible clase L, !imitador de corriente con demor a y  para 3 CXXl A, con 200 CXXl A de capacidad interruptiva. Dichos f usibles, que según las especificaciones  pueden conducir la corriente de arranque sin disparo ind e bido, dan mejor  pr o· tección que lo s de la designación máxima per mitida.

 pacidad de corriente de cuando menos el 115 % del am per a je de la car ga nominal o del de selecció n de cir cuito der ivado, el valor que sea mayor. En la sección 440-14 se requiere que el desconectador general esté a la vista y sea de fácil acceso desde el equipo. También, en una nota en tipo pequeño se estipula que en las  partes G y H del artículo 430 se incluyen r equisitos extr a que deben cum p lirse. En la sección 430-109 de la par te H del artículo 430 se estipula que el aparato de desconexión general del motor  puede ser un interr u ptor  swit ch ) , especificado en caballos, o un disyunt or (   ). En el artículo 100 se define un ( cir cuit -br eak er  inter ru ptor de circuito de motor ( mot or -cir cuit  switch ) como sigue: Un interr u ptor , con la capacidad indica da en ca ballos, capaz de interr um pir la máxima corr iente de so br ecar ga en oper ación de un motor del mismo caballaje que dicho dis positivo, al volta je nominal. En la excepción 4 de la secció n 430-109 se pe r mite el em pleo de inter ru ptor es clasificados o designados en amperes para motor es de más de 100 hp nominales. Debido a que la selección de los fusi bles se ha bía hecho par a la  protección contr a cortocircuitos en el circuito derivado, el primer paso encaminado a seleccionar el interru p tor  para la desconexión general f ue determinar su capacidad conf orm e a las r eglas citadas:

177

2 200 A

X

1.15

=

2 530 A

Por tanto, sería adecuado un inter ru ptor  de 3 CXXl A con f usibles de la misma ca pacidad.  No obstante, los ingenier os seleccionaron un interru ptor  de 4 CXXl A,  porque los cálculos descritos se realizaron mientr as se construía el motor , y todos ellos se hicier on sobre la base de los datos de diseño del fa bricante del motor . Sin em bar go, pr evier on que en caso de un cambio de diseño o en condiciones imprevistas en el sitio de instalación podría ocurrir que la corriente real de arr anque, la de marcha, o ambas, f uer an más intensas que las del valor de diseño. Como se sa bía que el tamaño del fusi ble seleccionado era el más

Selección de motores y equipos  pequeño posi ble par a dar máxima pr otección (se eligió un fusi ble de 3 000 A, con base en su designación máxima permisi ble de 3 850 A), tam  bién era conocido que posiblemente el f u sible de 3 000 A no podría so port ar las cor rientes tomadas por el motor durante el f uncionamiento r eal (fig. 2-27 ).

de conductores fuer an lo  más cortos posi ble  y con o b jeto de minimizar las  pér didas l2R en el cobr e y las caídas de voltaje, todo el equi po se instaló lo más cerca posi ble entr e sí y a una en trada de servicio. Los motocompresores y con tr olador es se instalar on en una sala de máquinas del sótano del edificio. Los desconectador es ge-

Flg, -2-27 . Desconectador del tipo de pr esión, de 4 OCIO A,  pr ov isto de f us ibles limitador cs de corriente, con demor a o r etardo y de 3 OCIO A, em pleado como desconectador gener al del m otor .  Tal desconcctador de aJta capacidad y  par a interru pci ón  con carga  puede accionane dir ectamente o eléctrico  por control r emoto desde otro sitio.

Si se instala ba un interruptor  de 3 000 A, ha bría sido imposible instalar f usi bles de mayor ta· mano; por ello, se es pecificó un interruptor  de 4 000 A a fin de poder instalar f u sibles de ca pacidad más alta en caso necesario. Par a cum plir  los requisitos de ca pacidad de interru pción, se es pecificó un inter ru ptor  del t ipo de pr esión (   pr essure sw it c   h ) com o el que se ilustr a en la figur a 2-27.

2,li,11 Ubicación del desconectado r general La localización del equi po  para el sistema era de máxima im portancia a fin de obtener una instalación segura y económica. Para que los tr amos

nerales se instalaron en el piso inmediato superior . Esto f ue una inf racción a las secciones 440-14 y 430-102 del  NEC de 1975,  porque el desconectador general no quedó a la vista ni f ácilmente accesible desde el equi po, per o las autoridades competentes de Nueva York lo a pr o baron porque en esa época se permitfa tal clase de instalación, siempre y cuando los interruptores se  pudier an fi jar segur am ente en posición de abierto. Anteriormente también er a  pennitido  por el  NEC. De haberse a plicado el código  NEC vigente hubiera sido necesario µn interru ptor extr a en cada contr olador , con el consecuente aumento en el cos to. La em presa Are Electrical Construction, Co., Inc., de  Nueva York, fue el contratista eléctr ico.

17 8

C APÍTULO 3

Aplicaciones diver sas

3.1 Motores especiales de corriente alterna (CA) y su apUcaclón 3.1.1 Motor de inducción lineal (LIM) 3.1.1 .1 T ipos de LIM 3.1.1.2 Características y contr ol 3.1.1.3 A plicaciones 3.1.2 Motor con modulación de am plitud en  polos (PAM) 3.1.2.1 Construcc ión 3.1.2.2 Teorf a del funcionamiento 3.1.2.3 Arranque y conm utación 3.1.2.4 A plicaciones 3.1.3 Motor de giro escalonado o a pasos 3.1.3.1 Funcionamiento 3.1.3.2 Aplicaciones 3.1.4 Motores de  bombas sumer g ibles de  pozos de  petr óleo 3.1.4.1 Diseño del motor  3.1.4.2 Sistema de distri bución eléctrica

3.1.4.3 Equipo y controles par a el

arranque 3.1.4.4 A plicaciones 3.2 Aplicación de motores de corriente directa (CD) 3.2.1 Consideraciones gener ales 3.2.2 Proceso de selección

3.2.3 3.2.4 3.2.5 3.2.6

3.2.2.1 Consider ación del  par  3.2.2.2 Consider ación de la ve loci da d Alimentación eléctrica Condiciones am bientales Efectos .de las var iaciones de volta je Conclusiones

3.3 Motores de lnducclón ailmentados por energía de plantas genera dor as con motor de combustión Interna 3.3.1 Condiciones de ar ranque y mar cha

Motores especiales de corriente alterna (C A) y su aplicación 3.1 MOTORES ESPECIALES DE línea , en vez de convertir la en movimiento r otatorio. Los motores LIM se utilizan por e jem plo CORRIENTE ALTERNA (CA) Y SU en mecanismos  para abrir y cerrar  puertas, en· APLICACIÓN grapadoras eléctricas, alimentadores de hojas de Los motores sumergibles para bombas de  pozo s metal, vehículos de tr ans porte y mecanismos de de  petr óleo, los motores de tipo linea l (no r o- equipos de proceso. Su númer o es aún escaso y tatorios, LIM), los de modulación de am plitud resultan  poco conocidos, en com paración con sus viejos « primos» los motor es r otator ios. en polos (PAM)  y los de giro escalonado o a p asos son variantes notables de la tecnología de los Conviene hacer un repaso rápido de los prin motores de inducción de tipo estándar (de CA) cipios básicos de un motor de  jaula de ar dilla. que se encuentran en todas las instala ciones de La corriente que circula en el devanado del es· servicios e industriales. Cada tipo se creó p ar a tator magnetiza la armazón de acero de éste y satisf acer -una necesidad para la cual no son a de-  produce polos magnéticos. El flu jo magn ético cuados los motores de inducción normales de ar · que va desde el  polo nor te al polo sur com pleta mazón To  U. La teoría de su f uncion amiento, el cir cuito a tr avés del en tr ehierr o y del acero o la forma en que se controlan y lo s trabajos en los hierro magnético del rotor. Para ha cer girar este cuales se utilizan pueden sugerir nuevas a plica- campo magnético, se varí an la intensidad y el ciones industriales y de se rvicios. sentido de la cor riente en las  bobinas del devanado del estator. Faraday descubrió que cuando un conductor que forma parte de un circuito ce· 3.1.1 Motor  de inducción linea] (LIM) rrado se mueve a través de un cam po magnético, se indu ce una corriente en el conductor y su cir La diferencia entre un motor de inducción de cuito. Por tanto, el campo rotatorio que corta las tipo lineal (no rotatorio o LIM, de linear ind uc -  barras de la  jaula de ardilla  produce ahí una co-

Flg. J.. l. El secundario (o inducido) de un motor lineal (LIM) se construye con material conductor y,  por lo gener a!, con un so porte o armadur a magnética de acero. Su forma es determinada por la aplicación es pecífica.

tion motor) y un motor de indu cción de  jaula de ardilla es que el primero convierte la ener gía eléctrica en un desplazamiento a Jo lar go de u na 18 1

rriente indu cida. El campo magnético  pr od ucido  por el flujo de corriente en el rotor también establece polos norte y sur . Un polo norte de un

campo tiende a alinearse  por atracción con un lámina metálica delgada (ho ja), etc. Las corrien polo sur del otr o campo. Debido a que el cam po tes inducidas en el secundario  pr oducen un cammagnético del estator está en r otación, el cam po  po magnético. La inter acción de los dos cam pos del rotor tiende a seguir lo  y ello  produce el gir o origina la fuerza de acción lineal requerida. Cabe del rotor . Cuando la aplicación del  par de r ota- mencionar  que en un motor de  jaula de ar dilla, ción a una car ga mecánica o bstruye esa alinea- el  par gener ado en el estator actúa por igual en ción  y giro, ocurre la conver sión e lectr omecánica el rotor y el estator. El  par r eactivo del estator de la energía. El  par  producido es  pr o por cional se tr ansmite, a través de la armazón del motor , al ángulo de desviación entre los cam pos. En el el cimiento, y así sólo gir a el r otor . En un LIM motor de inducción de  jaula de ar dilla, el desli- uno u otro de los elementos  puede estar l ibr e zamiento o dif er encia entre la velocidad del cam-  para moverse,  y el otro se mantiene fi jo. Esto  po r otator io del éstator  y la velocidad pr o pia del incr ementa la flexi bilidad en las aplicaciones de rotor constituye el medio por el que las lineas de los LIM. fuerza del flu jo cortan en forma continua  y tr ansversal las  barr as de la  jaula de ardilla, e inducen 3.1.1.1 Tipos de LIM Hay tres configuraciones  básicas (f ig. 3-3): la fuerzas electr omotrices en ellas.

El disco de aluminio con so porte de acero se utiliza en un LIM  plano de cara descubierta; en los del t ipo de  barr a se emplea una varilla de acero cobrizada. F ig. 3-2.

En el motor lineal (LIM), el «estator » está  partido  y los devanados se hallan desarrollados y extendidos a lo lar go de su eje, por lo cual que· dan en un plano. El campo magnético, en vez de gir ar , sólo se desplaza en la dirección del «esta· tor» r ectilíneo, denominado  primar io , el ement  inductor o motor del LIM; el equivalente del r o tor es el  secundario o el emento inducido (figs. 3·1 y 3 2). Este último es un sistema de mater ial

 plana con car a descubierta, la  plana con dos car as útiles y la de barra o varilla. El LIM  plano de cara descu bierta tiene la configur ación descrita,  y  por lo general se suministr a una armadur a magnética (soporte) como parte del secundario, la cual sirve  para darle rigidez estructur al. Em pero, su función más im portante es a por tar una trayectoria de r etorno par a el flujo magnético del pr imario Sin el soporte (armadura mag-

Motores especiales de corr iente alterna (C A) y au apllcaclón dos LIM de car a descubierta colocados uno fren-  produce un LIM de barra o de varilla, im agínese te al otro. Una venta ja de esta dis posición es que que el secundario de uno plano de car a descuel hierr o de las  bobinas opuestas actúa como tr a-  bierta se arrolla segú n su longitud, con o b jeto de yectoria para el flu jo, lo que hace innecesar io el formar un cilindr o. Secundano

i(mat&nal cond l.lClor )

Trayectorla del

" ""'""""

LIM PLANO DE CARA DE SCUBIERT A

LIM PU.NO DE DOS CARAS CONTRAPUUT AS Bobl�

LIM DE B ARRA O V ARILLA

Fig. 3-3. Partiendo el estator y los devanados de un motor de inducci ón de jaula de ardilla a lo lar go de su e je, y desarr ollándolos y extendiéndolos, se o btiene un motor lineal. El campo magnético se des plaza Ion· gitudinalm ente en vez de gir ar , y  pr oduce movimiento lineal en vez de ro tatori o. Este princi pio se a plica en los motores lineales (LIM) de car a descubierta, en los de dos car as y en tos de barra,

empleo de la armadur a magnética par a el secun·

darlo. Para obtener una idea de la f orma en que se 183

Un tubo de acero dulce cobrizado constituiría el secundario. (Esto puede observarse en la  par te de figura 3-3). inf erior la

3.1.1.2  Características y contro l

aplicado, se logr a el control de la fuerza y el LlM se mantiene a una velocidad constante.

El espacio li br e o entrehierr o es el factor clave  para el f uncionamiento de un LIM. Cuanto más  pequeño sea el entrehier r o, mayor será la eficiencia. Es más f ácil mantener un entrehierro pequeño y unif onne en un LIM plano de car a descubierta que entre dos car as opuestas y el secundario, o entre una bar r a o varilla r edonda y las  bobinas cir cundantes. Por ello, el LlM  plano de car a descubierta no sólo es el más sencillo, sino también el más eficiente. Los LIM son reversibles por acción eléctrica, y  pr o por cionan potencia en uno u otro sentido. Par a aplicar una acción de frenado puede hacer se uso del ef ecto de inversión del motor . Igual que en cualquier dispositivo electro magnético, las limitaciones de un LIM son im puestas  por la cantidad de calor que gener a y la ca pacidad de disipar ese calor . El hierro que separa las  bo binas del  primario sirve  también  para dis ip ar el calor; sin embargo, en ciertas a plicaciones se necesitan disi pador es de calor o enfriador es extra. Otr a forma de reducir al mínimo la gener ación de calor consiste en interru m pir la corriente siempr e que sea posible,  por e jemplo al final de una carr er a o movimiento, al deslizarse l ibr emente sólo con el im pulso adquirido, etcétera; con ello se reduce el ciclo de trabajo del

LIM. La velocidad de un LIM es determinada  por  el « b alance» entre la fuerza linea l aplicada y las car acterísticas de la car ga. Este motor se aceler a con ra pidez a fin de alcanzar  su velocidad de sincr onismo teórica (406 cm/s, o 160  pulg/s en los trifásicos). Cuando está  ba jo carga puede alcanzar una velocidad  hasta de 228 cm/s (90 pulg/s). En muchas aplicaciones este valor es demasiado elevado y de be utilizarse algún contr ol de velocidad. El método recomendado para tal contr ol es el uso de una señal de retroalimentación de velocida d  para modular la  potencia de entrada al motor. En aplicaciones de ba ja velocidad se utiliza un tacómetr o r otatorio como f uente de retroalimentación; en las a plicaciones para alta velocidad se em plea un a par ato que f unciona con las corrientes  parásitas. La señal contr ola el ángulo de disparo de un r ectificador controlado de silicio (SCR), con lo cual se determina el valor eficaz (rcm) del voltaje a plicado al motor . Dado que la acción de f uerza lineal  producida es  pr o por cional a la  potencia y al cuadrado del volta je

3.1.1.3 A plica ciones Quizá el uso más inter esante del LIM  plano de cara descu bier ta es como unidad motriz para vehículos de transporte. Es muy f ácil entender la inter cam bia bilidad de funciones para el  primario y el secundario. Las  bobinas  primarias  pueden estar encajadas entre los rieles de una vía. El es paciamiento entr e bo binas hace que el vehículo se des place por el impulso adquirido desde una  bobina hasta la siguiente. Las bo binas tam bién  pueden estar montadas entre el vehículo, y la vía o pista puede ser de material conductor con r es paldo de material f érr eo. El entr ehierr o entr e  primario y secundario no tiene que depender de que haya ruedas sobre un riel; un co jín de aire o un sistema de r e pulsión magnética son igualmente eficaces (fig. 3-4). En el centro de diversiones Disney World, en Orlando, Florida, se utilizan distintos  pr o pulsores LIM en equi pos de tr ansporte, por e jem plo en los vehículos par a la Montaña Es pacial y par a el tr aslado de personas dentro del parque. En estas instalaciones, las  bo binas  primarias están colocadas entr e los rieles. Tales elementos son encapsulados en plástico y miden 25 cm (10 pulg) de anchura, 38 cm (15 pulg) de longitud y 6.4 cm (2.5 pulg) de es pesor . El LIM plano de doble cara se utiliza para accionar puertas en esta blecimientos industriales y comerciales. En esta aplicación el primario es fi jo o estacionario y la puerta corredera está unida al secundario con forma de riel; con ello se eliminan  por com pleto los reductores de engr anajes, embr agues y otr os aparatos mecánicos. Dado que la velocidad puede controlarse en uno u otr o sentido por se parado, las velocidades de apertura y de cierre pueden graduarse a dif er entes valores. Otra aplicación de este tipo de LIM se da en los alimentador es de ho ja o lámina delgada de metal; ésta, comúnmente de aluminio, actúa como el secundario. En una aplicación típica, la hoja se intr oduce en prensas par a formar moldes, bandejas para pasteles, etc. El LIM del tipo de barra puede emplearse en casos en que un eje de be ejecutar una acción completa par a mover o restringir el movimiento de un o bjeto; pueden logr arse des plaza mientos

184

o carreras hasta de 3 o 3.6 m (10 a 12  pies). La  barr a  puede estar libr e  para actuar como unid ad motriz, o bien la carga puede conectarse al motor. Estos LIM se están em pleando  para alimentar prensas, para pr oducir movimiento de elevación en la tr ansf er en'ci.a a tr ans po rta do r es,

de más de 4 cm o lo que es lo  mismo: 1.5 pulg. Una modificación de un LIM del tipo de  barra da por resultado el UM de avance escalon ado, que el controlador hace funcionar  por pulsos. Es  posi ble logr ar una posición muy exacta del elemento móvil.

Prtmario (Inductor  o mo\of )

Col&e10
Secundano (mducido o armadur a no magnética) de matenal cond uctor  Ref uerzo de matenal térreo (armadur a magnética)

v. Secundar io (inducido) de matenal conductor 

Primario (inductor )

E ntr ehlerro

Conexión para entrada de energla eléctrica

Fig. 3-4. El LIM plano de car a descubierta suele utilizarse en vehículos de tr an s porte. El  pnmario y el secundario son intercambiables; las bo binas pueden montarse en el vehículo o encajarse entre las vías. Es  pos ible utilizar  un co jín de aire o  bien  p r o pulsión ma gn ética en vez de rieles y ruedas par a mantener el entr ehierro. como topes amortiguadores ( o poniéndose al  peso de los objetos en movimiento, con una f uer za determi n ada ), y en vez de solenoides en a plicaciones en las   que se requier e un movim iento, 185

3.1.2 Motor  con modulación de amplitud en  polos(P AM) Hay diversas formas de logr ar  flu jos o gastos va-

l

riables en ve riables venntilador es es y  bomba  bombass. Pue uedde estr angul ularse arse la ent ntr  r ada ada o la salida de del sist stema ema,, o  bien contr  co ntr ola larse rse la velocida locidad. d. Con Con la estr angulación se redu reduce ce el r endimient ndimiento, o, debid debidoo a la c  caíd aídaa extr a de pres presión en el apar ato utili utilizzad adoo  p  para ara re regula gularr el gastto. Con el contr ol gas ol  por vel veloc ociidad se r educen el fluj flujoo y la  pr esión esión a trav ravés és del ca cam m b  biio de la velloc ve ociida dadd del impu lsor .

control en la admisión, la  pot control  poteencia absorbida requeerid qu ridaa se red reduc uciiría al al 30 %. Con el control por vel eloc ociidad, la  potenc  potenciia co connsu sumi mida da requerida dis disminuirla has hasta ta ser sólo un 3 % de la nominal. Aunqu unquee el cont r ol  por ve velloc ocidad idad conlleva posibi ibillid idades ades de ahorro de ener gí siempr  r e es gía, no siemp via b  blle en el aspecto económ económico. ico. Sin emb ar go, cuand cua ndoo el interv alo de fl fluu j jos os es muy amplio amplio,, o

Loss motores motores PAM se fabrican conn los mismos componentes que fabrican co Flg. 3-5 3-5 . Lo moto tor  r es es est estándar de inducci ón. Só lo un unaa persona ex pe  peri los mo rimentada puede detectar  que  qu e la f onna de cone con exi xión ón de los devanad  devanadoos de dell estato estatorr es dif er en ente de la usual.

Entr e los mé méttod odoos dis poni ble  bless  par a va varia riarr el flujo, fluj o, el de contr ol  por veloc velocidad idad es el má máss efieficiente. Por Por ej ejemplo emplo,, para reducir un gasto del del 100 a 130 % de dell normal, normal, la es estran trangul gulaación en en la descarga co connsumiría el 50 % de la  potencia nomin inaal consumid onsumidaa  por el moto r . Si se utilizar a el

cuand uandoo la im p  pul ulssión debe tr a ba jar  un   un tiempo tiempo lar go con flujo  ba j joo, es necesar io es estudi tudiaar la  pos  posii billid  bi idad ad del del con conttrol por vel veloc ocidad. idad. Cuand ndoo se uti utiliza como máq má quin inaa motr iz iz un motor de CA, hay dive ver  r sas sas f ormas ormas de logr ar  el conntr ol co ol por veloci velocidad. Este pu puede o bt  bteeners rsee con 18 6

•

corrien rriente te alterna alterna (C A) y su aplicación Motores eepec lales de co

devvan anaados se par ado s, un motor que tenga dos de con un motor de polos consecue consecuenntes  provisto de

motor tor de cuatr o polos Por tanto polos tendrá una tanto,, un mo velocidad de de 1 800 rpm a una fr ecuencia ecuencia de

una relación de devanados de 2:1, co conn un motor común de jaul jaula de ardilla do dotado de un mec mecaanismo intermedio  para ajust velocidad idad,, con ajustee de veloc

60 Hz. posible co conmutar nmutar lo s de devvanad anados os a fin de Si es posibl hacer el cam b  biio del númer o de  polos ef ectivo s, tambiién se modificar á la veloci dad. tamb devvanad anados os de los PAM, igual que en los Los de motoores normales de polos mot polo s con conssecuent ecuentees, están e n pa conectados en serie para una veloc idad, y en motor tor se con raleloo  para la otra. Si el mo ralel consstru truyye con conectadas de la f orm a las bobinas del estator conectadas correspondieente, el  patr ón de flujo de correspondi d e un gr u po de polos pue pu ede supe rpo n e rse al  patr ón original de flujo ma maggnético. El resultado es una moducancela en f orma efecti fectiva va el ef ecto lación   que canc

un equipo impulsor de frecuen cia va vari riaa bl  ble, e, o

 bien con un motor PAM (de pole am pl itude mod ul ation ). 3.1.2.1  Construcción evannado y Los motor es es PAM son de un solo solo deva dos velocidades velocidades.. Sin embar go, go, no están están limitados a las relaciones es esttándar de ve velocidad locidad de 2: 1; di-

chas relaciones pueden ser amplia mpliass, de 10 :2, o

muy estrechas, estrechas, como 6:8.

P, - 8 polos

Fig. 3-6. 3-6. La modul modulaación de am plitud en  polos (PAM) im plica la su perpo sición oduulación )  de un patrón de flu jo (P1) sobr e otr o (P1) en el entre (mod rehi hierr o de un motor de indu cción.  Como resultado se producen dos dos valor e s: (P1 - P2) y (P1 + P1). La forma de conexión conexión adecuada de los  devanados de de est estaator dur ante la f a bncaci resultan sultantes tes y o bten er   permi rmite te cancel cancelar uno de los p  paar es es de va valores re  bncación ón  pe de este modo un moto otorr de dos vel elocidades ocidades..

Los PAM se fabrican co com mo motores de ind ucción de tipo est ex pe  pert rtoo  podría deestáándar . Sólo un ex tectar que la  conexión de d e las bob obin inas as del estator es distinta que en el mot motor or de vel veloc ociidad única (fig fig.. 3-5); seis conductor es ntra radda van a la es de ent caja de conexiones del motor . 3.1.2.2

Teorladel f un cionami ento está decualquierr motor de CA est La velocidad de cualquie terminada  por la f órm ula: Veloc Vel ocidad idad (rpm) "" =

frecuen ciaa (Hz ) 120 x frecuenci  Númer   N úmer o de  polos

(3-1)

magn ma gnéti ético co de algun al gunos os pol polos y ha hacce va vari riar ar la ve ve-locidad (fig. 3-6). método do utilizad ilizadoo  p transmitir ir señ El méto  par  ar a transmit señal ales es de r adio de AM vien ienee a se serr simil milar ar a la modu lación en un PAM. La frecuenci frecuenciaa de la voz ( P 1) se su su- perpon  per ponee (modu odula la)) a una frecuencia frecuenci a  por tado r a aloor más alto to,, lo que pr od (P2) de val oduce dos fr ecuenciass más: (P - P2) y (P + P2); am b cuencia  bas as son consigui siguieent ntee  pued  puedeen tr ansmitirse a altas alt as y  por con grandees di grand dista stanncias. Se tr ansmit ecu en cia mitee la fr ec modulada de la  port  portad adoor a, a, y en el recept receptoor se rtaa do r a, de modo que elimina por po r filtrado la  port sóloo qu sól queedan "las fr ecu ecuencia s de voz. Los Los valo r es  pr  r oduce odu cenn al Su pe r (P¡¡ - P2) y (P1 + P2) que se  p (P  poneer los  pa  pon fluu jo en el PAM son los  patrones trones de fl

18 7

que se empl emplean  p  paar a logr ar la seg seguunda ve locidad. de co connexión de de los dev La forma de devan anados ados  perm rmiit e eliminar (P1 - P2) o  bi  bien en (P1 + P2), co conn lo cual se obtie obtiennen dos ve loc idades con cua ualq lquuier r ela- ción desea da. 3.1.2.3 Arranque y conmutaci 3.1. cióón Estos efectos  p  pueden ueden logr arse media mediant ntee un auxili iliar ar de arrancador están está ndar  y un contacto contactorr aux cinco polo poloss. Muchas veces se obtien obtienen en con el em  pleo de un arr ancado conn un an cadorr en com binación co motorizado.. Cuando se camb ambian ian las interr u ptor motorizado arrancador or se a b ve loc ida de s, el arrancad  bre re par a dese ne r omenttán áneea. De s pué s gizar el motor en f onna onna momen de una breve demora, se ha hace ce el tr  tr asl aslado de  porru p  ptor  y siciión del sic del inte rru   y se energiza el ar r  r an cado r . 3.1.2.4 A plica ciones Se acostumbra a hacer f unc unciona onarr los ventilador es es de tiro forzado y de tir o induc nduciido (as pirad  pirado) o) a menos de su capacidad máxi áxim ma dur ant ante  peri rio odos  per  gos. Los motor es es de do doss ve vellocida ocidaddes  pe la r gos. r miten funncionamie cionamiennto  po ese fu  porr cic cicllos, y si sirven par a el caso en que que la capacidad te tenga nga qu que inc incr  r ernenernentarse en el futur o. La r e tr oada pta ción de dell equipo exist existente a fin de lograr la máxima ef ic ienc ia en térm inos de la cons nsider  ider aci ación cada ve energíaa es una co energí vez más im portantte. Es posi  portan ar ener gí ndoo posi bl  ble ahorr ar gía hacie nd coincidir tanto como sea posi posi ble  ble la  ne  nece cessida dadd co conn la velocidad. equiere  p En aplicaciones en las que se r equiere  para ara el el motor una corri corrien entte de en enttra rada da en el arr anq nque ue inf eri rior  or  a la normal, puede emp empllearse un P AM. devana nado do de ba ja ve loci dad Si se arranca con con el deva devannado de alta se o btiene y lue go se  pasa al al deva corri rrien ente te de arr anq an que. Esto una reducci reducción en la co méttodo alt alterna ernati tivo vo de los método s constiituye un mé const volltaje r edu cid o. de arranque a vo esttán dispo Los PAM es sponi ni bl  bles en tipos de dos devanados  y cuat cuatr  r o ve vellocidades, y en la s tres categorías de apli aplicaciones par  par a ve velloc ociida dade dess múlticonsttante y pot  poten enccia cons ples: par variable, por cons t a nte . 3.1.3

Motor  de   de giro escalonado o a pasos

El motor de gi gir  r o escalona escalonado ( st e p motor) con vierte señale s eléctricas digitales en impulsos de movim movi miento fijo sucesivos. sucesivos. A diferencia de los

continu nuaa al motor es motor  es usuales, que giran en f orma orma conti escallona nado do se gizados, el motor serr ener gizad se motor de gir o esca mueve mu eve en en incremen incremento toss angulares fi jo  jos cada vez excitta. Dur  D ur ant an te la co que se le exci connstrucci struccióón del motor se esta ble nguloo de paso o  blece ce y det eterm ermin inaa el ángul escallón. En los mot esca otoor es es de es  po dis poni b este te ti po  ble s, los áng án gulo loss de  paso varía aríann desde O. 72° (500  pasos  por re revol voluución) hasta 45º (oc (ochho pasos por r ev evolución ). 3.1.3.1 Funcionamiento mo-Para casi casi toda odass la s ap apli licaciones caciones se emplean mo tor  to r es es del ti po  po de imán  pe  permanente. rmanente. En  pocas paas, estos moto esla br as,  pr  r ovistos ovistos de un esmotor  r es es están  p tat atoor con di dientes entes que se magn gneetizan  para f orm ar  pollos nort  po nortee y sur cuand cuandoo se aplica corriente di di-r ect ecta (CD) al devanado correspondiente del esestator,  y tienen un r otor de dos partes, se par a das otor también está  porr un imá n  perm  po  permane anent ntee. El r otor dent ntado, ado, pero los dientes de  polari  polaridad dad sur están desp espllaza azaddos r especto especto a los dientes de  polari dad nort no rte, e, de modo que cuando un polo S de r otor es atr  atr aído aído hacia un polo N de estator, al mismo tiem po un polo N de r otor otor es atraído hacia un Mediiante la aplicación selec  pollo S de estator . Med  po tiva de vol volta j jee de CD a los devan devanaados de de esta tor  ible hacer que gi es  pos b giren sus polos N y S. El r oto torr ava avanz nzaa hasta que los  N y S del rotor se ali ali·· nean con los S y N más cercanos del estator. Par a o b  bttener los escalones bien definidos se utiliza un núm úmer  er o desig desiguual de dientes en estator y r otor . Porr ejemplo, si hay cuatro  polos de estator, se Po empl mplearían earían cinco dientes en el rotor. De este modo sól sólo un grupo de dientes  puede alinea rse cadaa vez. El cad El número exacto de dientes dete rm ina el ángu gullo de escalón o paso (fig. 3-7). El con contr  tr ol de un motor de giro escalonado in· cluye cl uye la conmutación secuencial de la CD a los dev evaana naddos de esta tor . Dependiendo del titi po  po de contr  con tr ola laddor utitilizado suministtrar los im pu llizado para suminis sos, pu pueden obtenerse ritmos de 10 000 escalones o pasos completos (o 20 000 medios escalo segundo.. El controlador típico es esttá vin nes))  po nes  porr segundo vin-cul ulado ado con un controlador o una com pu tador a precisaa de los comdigitales  para la colocación precis  ponentes  pone ntes de una má quina -herramienta . Podría surgir en este  punto la  pregun  pregunta: ta: ¿Por qué se incluye la descripción de los motores de gir o escalonado de CD en un estud estudio sobre motores de CA? La respuesta es que los motores de  permane anente, nte, comeneste tipo, tipo, de CD con imán  perm

188

Motores especi especiales de corrien corriente altern alterna a (CA (CA)) y su apll apllcaclón

zaron a fabricarse como motor es de inducción zaron sínncronos de baja velocidad, sí velocidad , de CA, de dell tipo de induuctor. Un ind Un mo mottor de CD de imán  permanente conn los de co  devvanados apropiados con co nectad tadoo a un suminiistro de CA monofási min monofás ica de 120 V  p  puued edee ha-

tor de tres posiciones para obtener el c ontr ol ol de avance ,  paro y reversa ( mar  mar cha atrás). atrás). Las características de arranqu arranque y paro casi instantáneos hacen de de la versión del motor de CA la ideal por que permiten un con co ntrol preciso. Por lo gener al

1

1 Hz

Flujo del imán permanente

Imán pe r manente

.....¡',"' 1

Fase B

s,@N,

Fas, A® Fas, A

Devanado de estator 

Sz �

@

Fase B

..

!"-

....

SW2 •(-l

®

SWI (+}

©

®Nz SW2 (+) •

@

SWl {-1

•

N,�:

2

Entrehierro

4•

5

•

+ T

' �

(+) Fase  A

+

Fase 8

EscaIón

Giro a la derecha (G.D.) Giro a la izqu,erd a (G.I.J SW I

SW 2

SWI

SW2

1

 Abiert rtoo

(-)

 Abierto

(-)

2

(+)

 Abierto

(-)

(+

3

 Abie  Abi erto

(+)

 Abierto

""'(+')"°

SW2 (-)

4

(-)

 Abierto

( +)

 Abbierto  A

1

""'"'°

(- )

 Abbiert  A rtoo

(-)

SW I

1-

selectivo ivo de los  interruptores ( .s.swit che.s , 3-7. Mediante el cie cierre select aplicación de CD al de , SW) 1 y 2 y la  aplicaci vanado del es estator de un mo motor tor de giro escalonado es  pos b ar el  polo norte. Con ello se atrae atrae el  ible  hacer gir ar  poloo sur  más cer cano del rotor y ést  pol éstee se alinea en la dirección deseada. Fig.

cerse funcion funcionar como motor síncro síncrono no de CA de velloc ve ociidad constante (fig. 3-8). To Todo do lo que se ne  ne-cesita es es agrega agregarr una red de RC (res (resiistor y ca ca- pacitar )  para el despl desplaz azamiento amiento de fase, fase, que no sería necesaria si la  alimentació alimentación fuera con coi t rriente bifásica; se empl empl a asimi

el moto motor arrancará dentro de 1.5  ciclos y se dedetendr  tend r á dentro de una distancia angul angu lar de cinco cinco gr ados mec mecánicos ánicos.. La velo veloci cidad dad sínc síncrona tot total se alc lcaanz nzaa dentr o de 5 a 25 ms (mi (milisegundos). No se requie requier  r e un i de frenado para l di i d

A plicac io nes dive rsa s gizar el frenado reducid reducida; a; sólo hay que dese ner gi motor . La corr iente cir cula po porr los dev evaanados del es es-tado,,  per o no ha y tator cu cuando el motor está excitado r iente en el r o tor . co r r  Porr tanto, arr a nque y mar cha con C A so Po sonn cas casii  pue uess no hay ele elevadas vadas cor rie riente ntess de idé nticos,  p r an irrup ción (ar r  anque).  pr  r odu od ucido  por el motor es dir ectame nte El par  p  pr opo  plica caddo; as asimi imissmo, la opo r cional al volta j jee a pli r eec tame ament ntee  pr o por cio nal a la f r  velloc ve ociidad es dir ect cuencia apli aplicada. cada. Por lo tanto, es posi posi bl  ble a j  ju ustar 

3.1.3 1.3..2 A plicaciones versióón sincr ónica de CA del motor de gir o La versi escalonaado de CD se uti escalon utilliza más en industrias en necessita un con tr ol  preciso de dell movilas que se nece miento. Las separa separaccione ioness en tr e los rodillos utiesttimiento en líneas de  pro  pro-liza do s  para el r eves ceso de alta vel veloc ocidad idad deben ajust ajustarse con f r  r ecuenc ia, a fin de a plicar el espeso espesorr correcto del revvestimiento a los materiale re materiales. s. Se ha em plead o el motor sincr óni nico co de imán  perm  permanen anente te  pa r a nteener es cambiar y mant esaas se p ar aciones (ñg. 3-9). utiliz izan an en controles de guía de borTambi mbiéén se util Conductor r oj ojo

G.D.

I

-� --------- �.,8f iert rtoo

1

G.II. G.

2

e

1

Línea Lí nea de C A

1

R

1

Conductor negr o

1

-í- - - : L1  _ l

Conductor blan co

--1--+eT.J

Sumlnrsno de CD

'

\

:

��evado,

Fig. 3-8 3-8.. Un mo moto torr de gir o escalon onaado de CD de imán permanen permanente con los devanados a pr o piados, al ser conect ctado ado a una fu fueente de CA CA monof ásica ca de  de 120 V, se convi convierte erte en un motor sincr ónico de velocidad consta constannte. Debe utilizarse utilizarse una red R C  para el des plazamiento de fase a fin de convertir queerida rida.. Puede convertir la excitación monof ásica en la  bif ásica r equ unaa fuente fuente de CD  p  par  ar a exci cuandoo se p  para ara el motor , con lo cual excittar un dev devanad anadoo cuand agregar  agrega r se se un se incr ementa el par de sujeción o r etención.

el par y la vel veloocid idad ad dentr o de cierto ciertos límites. desexcita ita el mo mottor , el r o tor  Despuués de que se desexc Desp de im án  perm  permaanente sum inistr a un  p  par ar r es esid ual ecesit itaa má de sujeci sujeción o r ete tennción. Si se neces máss  par de Su jeción ,  p  puede uede apli aplicarse CD a uno o am bos deva evana naddos del estator . evannados se ele Así el par de su jec  jeciión de los deva vará en el 120 y el 150 % más que el  p  par ar r esidual nomi mina nall del moto r . 190

de y como co contr  ntr oles oles r emotos para interruptor es es y r eóstato s. 3.1.4 3. 1.4

Motores para bo  ibles de  bom m bas sumer g b  pozos  po zos de petr óleo

El públ público en gener al sue uelle ima ginar  los  pozo s  petr olero s co como mo se les ve en las pel pelíículas cine -

ri ente alter na (C A) y su aplicación especiales iales de cor r  M otores espec rnatográficas: rnato gráficas: torrentes de aceit aceite que salen con de 14 cm de DE- y una longitud de hasta 36 36 m violencia de la tier r  r a en el momen momento en que se (120  p  piies es). ). Po Porr supue upuessto, ta tall motor no no puede ser Ocgga al ya Oc yacimiento cimiento.. Ese chorro bañ baña el equ po i po uno de los qu quee hemos tr atado do,, de inducc cciión de  perforación ración,, al  perso  personnal y tod odos os los alr ede-  jaula de ardilla, de  perfo ardilla, en un unaa ar mazón mazón normalizada dores do res con con el «or o negro negro», », has astta que se pone pone el  por la  NEMA .

cierr e a la  boca del pozo. En rea cierr  realidad lidad,,  p  pocas ocas ve veces la  p  presió resiónn subsu perfi rficcial es suf iciente  par a quee el petróle qu petróleoo de un pozo pozo en  pro  producción ducción afluya  basta la superficie. Un Unoo de los métod odoos que se utilizann para logr ar  la elevación ar tificia utiliza ficiall co connsist istee en el empleo de un sistema eléctr ico de bom bom beo centrí cen trífugo fugo sumergid sumergidoo en el aguje agujer  r o del pozo p ozo (f ig. :l-10).

Diseño del motor  Los motor es es util iliiza zado doss en bombas bombas sumer g bl i bles  par   pa r a po pozos zos de de  petr óleo suelen ser de indu cción tr if  if ásicos ásicos de 3 500 rpm rpm.. Sus po  pote tenncias nominal nominales es son de de hast hastaa 275 hp para tubo uboss de adem ademe con 14 cm de DE, DE, y de has h asta ta 550 hp par a adem demes es de 22 cm cm de DE. Los Los motores es están tán llenos de aceite 3.1.4.1

enudo udo los motor es de CA de mducción sínFig. 3-9. En la industr ia se utili utiliza zann a men separ  ar aci ac ión en od illos los utilizados  par a enttre los r odil cr onos nos,, par a ajustar de mane maner  r a pr ecisa la sep revestimientos.

¿Cómo se  puede hacer desce cender nder una bom bom ba y su moto motor  r , qu quiizá a miles de de metros  bajo la su perficie  perfi cie,, si el tubo de ade ademe (o r evestimie nto) dell pozo ti de tiene a pena  penass 14, 18 o 22 centímetr os (5Y2. 7 u 85/s  pul  pulgg) de di diám ámeetro extern xternoo (D E)? espuesta es está en hacer hacer que to toddo el co La r espuesta conn ju nto de la motobo motobomb mbaa ten tenga ga solamen solamente 12 cm  pulg)) de di d iáme ámettro - par a u  unn tu bo de ademe (44/s  pulg 19 1

y se enfrían por tr ansf er encia de calor al petr óleo del pozo que que  p  paasa r ode odeando al al mo mottor  y  penetr a en la  b  bomba omba,, la cual en la confi configu gur  r ació ciónn tí pi  pica queda co colloc ocaada  po  porr encima del del motor . actor impo rtante en las La temper atu tura ra es un f actor  pr ofundid ades a las que se utilizan utilizan las  bom bas cuannto ma mayo yorr sea la  pr of undidad, sumer gi gi bl  bles; cua máss alta se má ser  r á la te tem m pe  per  r atura. atura. De este modo, modo,

aunque se consider a que la tem pe r atur a am biente debe ser de 40 ºC para la a p lica ción de motores de indu cción de jaula de ar dilla, los motor es sumer g ible s para bombas de pozo se es pecifican para producir su plena potencia en un ambiente de 120 ºC. Además, se han desarr ollado sistemas de aislamiento cuya capacidad es su per ior a la de los de clase H.

 par a soportar el rotor. Un filtro In tegr al  par a el aceite depura éste en forma continua, a fin de contar con un suministro constante de aceite lim pio para los cojinetes. Por lo demás, rotor y estator son de construcción estándar de jaula de ar dilla. Los conductores terminales del motor salen  por un ter minado r hermético (mufa) a fin de que

Flg. 3-10. Las motobombas sumer g ibles para pozos de petr óleo constan de motor, compensador y  bom ba. En una instalación ti pica esta unidad se suspende en el tubo de  pr oducción;  par a ello se enr osca dnectamente el tubo de  pr oducción en el cabezal de descarga de la bomba. El sentido de rotación es tal que las  uniones roscadas se aprietan durante el funcionamiento. El motor se conecta con el tablero de d istri bución median te un cable es pecial.

El motor de 275 h p utilizado en ademes de 14 cm (5 1/2 pulg) puede medir 9 m (30  pies) de longitud, de los cuales 8.5 m comprenden el hierro del estator. Los cojinetes se instalan a in ter den

haya un buen sellamiento alrededor del cable y evitar la contaminación del aceite del motor  por el  petróleo del pozo. Como una  pr otección extr a contra la entrada de este líquido al motor , se insdo compensado

Motores especiales de corr iente alter na  {CA} y su aplicación

entre el motor y la  bomba, el cual actúa como barrera al paso de líquido a lo lar go del árbol (flecha) que conecta la  bom ba con el motor . También permite la l ibr e dilatación y contracción del aceite del motor sin riesgo de contaminación. :er   )

3.1 .4.2

Sistema de distribución eléctr ica

Si la configuración del motor para bombas sumer g ibles en pozos de  petróleo es algo fuera de lo común, considér ense las tensiones nominales. Los voltajes estándar  par a estos motor es son de 440 y 762 V; en algunos casos pueden em p lea rse otr os más altos, hasta de 2 300 V. Par a un cali br e de conductores y caída de voltaje determinados, la carga puede u bicarse tr es veces más le jos cuando la  alimentación es a 762 V que cuando es a 440 V. En las a plicaciones en que la distancia a lo lar go del pozo  puede ser de miles de metr os, salta a la vista la venta ja del volta je más elevado. La regla empírica  para establecer los límites de profundidad consiste en no consid er ar  el empleo de un motor de 762 V si la potencia (en h p) multiplicada por la  pr of undidad en metr os excede de 61 000 (en pies, de 200 000). Para pr ofundidades mayor es de ben emplearse volta jes más altos. ¿Por qué se seleccionó una magnitud de voltaje de 762 V como norma para los motores de  bom bas sumergi bles? La respuesta es que hay diversas formas de o btener ese volta je en una instalación  que ya f uncio na con 440 V. La  pr imer a es el empleo de autotr ansf or mador es conectados al sistema existente de 440 V. La segunda consiste en utilizar tr es transformadores de ti po estándar monof ásicos de 440 V; conectando sus secundarios en estrella se o btienen 762 V de fase a fase. Entre el equipo de arranque y el motor suele utilizarse cable es pecial de 3 kV, que  puede ser  plano o redondo, y  blindado o sin blindar . La ca pacidad de este ca ble varía respecto de las nor mas del NEC debido a las temper aturas a las que debe funcionar . Los limites máximos de amperaje tienen ciert a flexibilidad por que la tem per atura de los pozos puede tener variaciones consider a bles. En un pozo «frío» ésta  puede ser de 24 a 52 ºC (75 a 125 ºF); en los pozos «calientes»  puede ser mayor de 121 ºC (250 ºF). La caída de voltaje es una consideración im portante  par a la selección del cali bre del ca ble. 19 3

De bido a las gr andes profundidades que suele alcanzar el agujer o de un pozo, dicha caida  puede ser  el f actor limitante,  per o si se emplea un cable de mayor calibre, ésta puede r educirse; aunque, la  falta de es pacio en el tubo de ademe limita esta opción; otra es incr ementar  el volta je de entrada en la su perficie. Par a ello suele a pr ovecharse la ventaja de las derivaciones de los transf ormador es. En un sistema de 762 V, dos derivaciones del 2.5 %  per miten incr ementar el vol· ta je hasta 800 V. 3 ,1.4.3  Equipo y contr oles para el arr anque

Para alo jar el equipo de arranque, así como los a par atos de vigilancia y contr ol, se utilizan cuadros de distr  ibución;  por lo general son  NEMA 3 a prueba de intem per ie.  Los arrancador es son los que normalmente se utilizan para el arr anque dir ecto de motor es estándar de indu cción de  jaula de ardilla. Contienen un desconectador , contactar, relevador de so brecarga y tr ansf or mador de control de 440-110 V. En el gabinete del ta blero suelen montarse un amper ímetr o r egistr a-

Flg. 3-11. El cuadr o de distribución de una moto bom ba sumer g ible para pozo de pe tr óleo incluye n des· conectador , contactar , relevador de sobrecarga y eqw po de control y vigilancia. Los voltajes nominales estándar son 440, 880, 1 500 y 2 500 V.

dor, r elevador es de paro por baja corr iente y apartarrayos ( parar rayos) (f ig. 3-11 ). Lo que constituye la difer encia entre los cuadros de distri bución para motor es sumer g ible s y el equi po de arranque empleado en casi todas las in stalaciones de servicio e industr ia bles, son los valor es nominales; los estándar son 440, 880, 1 500   y 2 500 V. Re pr esentan los máximos que es  pos ible encontr ar en los diversos sistemas de distr  ibución de ener gía eléctr ica.

3.1.4.4 Aplicaciones Además de utilizarse en los pozos de  petr ó leo, estas  bom bas su mer g ible s tienen muchas otr as a plicaciones. Se em plean en  plataformas de  per f oración en el mar como bombas de sumider o,  para suministro de agua dulce de pozos p r o f un dos, en sistemas de enfr iamiento, en sistemas de  protección contr a ince ndio y par a trasiego de petr óleo crudo. Se utilizan asimismo par a eva cuación de caver nas de almacenamiento y de galerías de minas. Tam bién  pueden funcionar a la vez como  bom bas par a  p r od ucción e inyección. Si se incluye elevación al in yec tar  un líquido en un depósito a determinadas  presiones, es  pos ible  prescindir de las  bom bas e instalaciones para in yección en la su perfi cie.

3.2 APLICACIÓN DE MOTORES DE CORRIENTE DIRECTA (CD)

3.2.1 Consideraciones gener ales El epitafio de los motores de CD ha sido escr ito en muchas ocasiones. La primera f ue cuando se introdu jo el motor de indu cción y se entabló una enconada lu cha entre los que  propugna ban el uso de la corriente dir ecta y los que def end ían las ventajas inn ega b les de la corriente alterna. El asunto llegó a tal extremo que se tildó a la corr iente alterna de «mortalme nte  peligr osa»  por ha be r sido utilizada par a alimentar la silla eléc trica . Tal vez el embate más reciente contra los motor es CD ocur rió cuando el rá pido desarr ollo de la electr ónica facilitó el uso de controles de ve loc idad par a motor es de indu cción de CA, con lo cual se pensó que el motor de CD no tenía ya 19 4

más por qué existir . Sin em bar go, ha sido el pr o  pio avance de la electrónica el que ha abierto nuevas f ormas de a plica ción de los motores de CD, a tal grado que el númer o de unidades que se f abr ican anualmente ha aumentado en vez de dism inu ir . ¿ Qué es lo  que inclina a un usuar io a utiliza r  un motor de CD a pesar del costo extra y la necesidad de mayor mantenimiento,  por mencio nar sólo dos de las desventajas derivadas de tal elección? La r espuesta a la inter ro  gante anter ior  sería que el u suar io requiere un ajuste de velocidad en la a plicación es pecífica, que no  puede o b teiier con ningún otro ti po de motor . En muchas máquina s-he rr a mie nta de control numérico, los f a.  bricantes han encontr ado que es venta joso sustituir un motor de indu cción por otr o de CD, lo cual  permite un em pleo integ r al del contr ol co m putado riza do. Ca be mencionar   asimismo que el motor de CD es más ef iciente que el de inducción cuando el ciclo de tr a ba jo requiere la aceler ación f r ecuente de cargas con alto momento de iner cia ( ef ecto de volante).

3.2.2 Proceso de selección Mucho de lo que se dijo en la se cción 2.1 (Selección de motores de induc ción) es a p lica b le también a la selección de motor es de CD, un a ve z d ef inido que uno de éstos sería el ti po más conveniente. En  pocas  palabras, deben conocerse las car acterísticas de par y veloc idad de la máquina im pulsada y el ciclo de trabajo  pr eciso que el motor debe desarr o llar . Es im po rtante conocer , a ser  posible, la curva  par-velocidad de la máqu ina, que definirá si es una car ga de potencia con stan te,  par constante o tendr á una combinación de ambas car acterística s.

3.2.2.1 Consider aci ón del par  En general, pueden considerarse aquí dos t ipos de car gas: a.

Aquellas en las que interviene un ca m bio en el tamaño o la forma físicos de la pieza que se tr a ba ja, como ocurr e en una máquina-her r amienta.

 Aplicaclón de motor es de cor r iente directa (CD)

 b.

Aquellas en las que hay des plazamie nto, como sucede en el caso de grúas y tr ans portador es.

Existen,  por supuesto,  pr ocesos en lo s que se combinan los dos tipos de cargas mencionados. Una vez definido el ciclo de tr a ba jo, debe verificarse que el motor  posea suficiente  par  par a arrancar la car ga y aceler ar la  hasta la velocidad de o per ación. Una vez alcanzada ésta, el motor debe vence r   el par r esistente de la car ga, y esta Motor  de inouce,()o

Generador  do CD

c.

Máquinas que desar rollan ciclos de tra bajo en lo s que hay frenado o inversión del sentido de r otación, como elevador es. malacates, grúas, etc. d. Máquinas que requieren ajustes en su velocidad de operación, como algunas máquinas-herr amientas,  pr ensas de off set. etc. Lo más importante  aquí es, como ya se d ijo. v er ifi car  el modo cómo cambia el par cuando

de CD ""

Fig. 3- 12. Esquema del sist ema  de control de velocidad War d-Leon ar d.

combinación de valor es de par y velocidad define generalmente la  potencia nominal del motor . Es importante, sin embar go, no per der de vista las  posibles sobrecargas a que  puede estar su jeto el motor , que podrían, en algunos casos, llevar lo a una región de o per ació n inesta ble. 3.2.2.2 Consideración de la velocidad Con base en la velocidad, las cargas comúnmente encontr adas en el ámbito industrial  pueden clasificarse como sigue: Cargas de oper ación continua y esta ble, como sería el caso de un tr ans portad or , un compresor , etc.  b. Cargas que o per an en forma unif orm e  pero con intermitencia,  por e jemplo un molino de lamina do (laminador ) unidireccional. a.

19 5

ocurre un ajuste de velocidad en el  proceso. 3.2.3 Alimentación eléctrica Una vez definidos los aspectos de potencia.  par y velocidad, debe examinarse la alimentación eléctrica que se posee. En la mayor  parte de las instalaciones industri ales no se cuenta con una fuente de alimentación de CD con ca pacidad dis pon ib le,  por lo cual ha br á  que considerar como  parte del  pr oyecto el equipo de conversión necesario. Antiguamente er a usual que el equi po de conversión fuera un gr u po motor -generador incluso algunos fabricantes de máquínes - berramienta dotadas de motores de CD incluían como  parte de la máquina un equi po de conve rsoe rotatorio, que permite una gr an amplnud en d contr ol de la  velocidad. Este método se conocr 

como  sistema W ar d -Leonar d  para control de velocidad (fig. 3-12). En la actualidad, excepto en raras exce pciones, se utilizan convertidores estáticos o r ectificador es, que en ocasiones también f orman  parte del « paquete» ofrecido por el fabricante de la máquina. 3.2.4 Condiciones am bientales En el caso de un motor de CD, el entorno o am biente en que opera se vuelve más crítico de bid o a que la humedad,  polvo metálico y otros con· taminantes pueden af ectar la conmut ación e incluso dañar el conmutador mientr as que las im pur ezas que se depositan en el devanado de la armadura, además de obstruir la ventilación,  pueden ocasionar el arqueo o un cortocircuito a tierra. Por esas razones es necesario especificar con todo cuidado el tipo de envolvente o  pr otección mecánica del motor .

2.

S emicer rad as

 b. A p¡ueba de goteadur as c. A prueba de sal picadur as

3. C err ad as d. Sin ventilación

e, Con ventilación exterior  r . Con enfriamiento f orzado g. Con inter cam biador  de calor  h. Para uso en ambientes peligro sos

Los motores con envolvente totalmente cerr ada y enfriamiento forzado tienen la ventaja de que, además de que quedan protegidos contr a el medio externo, el volumen de aire de enfriamiento es independiente de la velocidad del motor ,  por lo cual es posible operar éste a baja velocidad sin que ocurra sobrecalentamiento. Este tipo de o per ación se r equiere,  por ejemplo, en los tomos automáticos de rechazado, en los que algunas o per aciones, como el corte del material sobrante en piezas de gran tamaño, r equier en la operación a baja velocidad y con par elevado.

Ta bla 3-1. Ef ectos de las variaciones en el voltaje de alimentación sobre los motores de CD V aria ció n

d e vol taje (% d,I nominal  )

Vel ocidad de operación (% de la nomina l  )

 P ar  de

arranque (% del nomina l  )

Capacidad  E l evación d e t em per atu r a de  sobrecarga Corriente d e ( %d ela  plena carg a  Devanad o  Devanado d, (% de fa C onmut ad or carga de campo  ) arma d ur a nomina l  nor ma l  )

 ) Motores de tipo derivación ( Sh lllll 

-10%

95

+10 %

105 11 0

+20%

84 115 130

84 115

111

130

83

92

Aumenta Aumenta Aumenta

Aumenta Aumenta Disminuye Disminuye Disminuye Disminuye

Motores de tipo compuesto (C ompound) -10% +10 % +20%

94 106 11 2

84 115 130

84 115 130

Los ti pos de envolventes empleados en los motores de CD son básicamente los mismos que en los motores de inducción; es decir , las envolventes pueden ser :

l.  Abier t as a. Abiertas o descu biert as

111

92 83

Disminuye Aumenta Aumenta

Aumenta Disminuye Disminuye

Aumenta Disminuye Disminuye

Por otra parte, este sistema de ventilación es relativamente económico. Cuando se tr ata de un solo motor se instala un sistema individual, en el que un pequeño motor de inducción im pulsa un ventilador para enfriar el motor de CD. Cuando se tienen varios motores en el mismo local, es más conveniente instalar  un sistema  central de

 Aplicación de motores de corriente directa (CD) ve nti lac ión con duetos hacia cada motor. En algunos casos es necesario que el sistema de ven·

tilación tome aire fresco y lim pio del exterior , o  bien a través de un filtr o que elimin e, hasta don · de sea posible, lo s contaminantes.

del ti po compuesto ( c om pound  ), que son los de uso más común en el medio indu str ial, r ea ccio nan en forma un tan to distinta a las variacio ne s en el volta je de alimentación. Los límites que generalmente se consideran aceptables son un

Lanea de potencia

constante

"""'""' Unaa de  par  oonstante

""" "+------------+ m,nl m

F1g. J.13.

Contr ol combinado de cam po y armadur a.

En lo que respecta a motores de CD a prue ba de explosión, normalmente sólo se f a brican en  potencias hasta de 150  bp y una velocidad  base de 1 750 rpm, que es aproximadamente el límite en que este tipo de construcción resulta económico . 3.2.S Ef ectos de las  variaciones de voltaj e Los motores de CD también resultan af ect ados en sus características de o pe r ación   cuando varia el voltaje de alimentación, lo cual en la ma yor  parte de los casos es una consecuencia de la r e· gulación del voltaje de alimentación de la sub es· tación rectificadora a la que está conectado el mo to r . Los motor es del tipo derivación (  shunt  ) y los 19 7

10 % por de bajo y hasta un 20 % por encima del valor nominal, y las características más af ectad as  por esta variación son la velocidad de funcio na· miento, corriente de plena carga, par de arranque, ca pacidad inher ente de so br ecarga, y elevación de la temper atura en lo s devanados d e campo y de armadura, y en el con mu tador . En la  tabla 3-1 se descri ben en f orma cualitativa y cuantitativa la forma en que las variacion es de volta je afectan al funcionamiento de lo s dos tipos de motores de CD men cion ado s. 3.2.6

Conclusiones

En la sección 1.2 se descri bier on lo s dif er en tes ti pos de motores de CD y sus car acterística s. En las aplicaciones indu striales, el motor con exci-

··-------, tación en derivación (shunt  ) es el más utiliz ado ,  par constante, no  podr á ser usado con car gas de aun cuando en realidad el cir cuito de campo y el  potencia constante. de armadura suelen alimentar se en f onna inde pendiente. Como se mencionó también en la sección 1.2, el contr ol de velo cidad puede r e alizar se a través del cir cuito de cam po, a justando el vol- 3.3 MOTORES DE I NDU CCIÓ N ta je de la arma du r a, o  bien combinando am bos ALIMENTADOS POR ENERGÍA DE PLANTAS GENERADORAS CON métodos  para o btener el intervalo más amplio de MOTOR DE COMBUSTIÓN I NTERNA contr ol. Como  puede verse en la curva  par -velocid ad de la figur a 3-13, cuando se utiliza el control de Los motor es que funcionan con corr iente que armadur a, el  par que se obtiene del motor es  pr oviene de un gru po gener ador -moto r de comconstante, desde la veloc idad mínima a la que  bustión interna deben seleccionarse e instalarse  puede oper ar el motor, hasta su veloc idad  ba se. . en forma  peculiar par a asegur ar  la r ga dur ación A part ir de este momento el contr ol de be tr ans- y f un ciona mie nto confiable. Por su puesto, la f er irse al campo, y el par del motor variar á de  planta gener adora debe elegirse con cuidado, modo que la  potencia pemanezca constante has-  porque son ind is pe nsa bles el voltaje y la ca pa· ta la máxima velocidad a la que  pueda operar el cidad de ar ranque adecuados  par a que el motor func ion e de maner a eficiente y conf ia ble. motor . El intervalo normal de contr ol de veloc id ad que puede o btenerse em pleando tanto el contr ol 3.3.1 Condiciones de arranque y marcha de campo como el de armadur a es del or den de 40:1. Los motores de indu cción toman en el arra nque Al final de la  página, en forma de tabla, se una corriente varias veces mayor que la nom ina l ind ica n algunas de las cargas tí picas que o pe r an a plena carga. Por ello, el volta je de salida de l con par constante o con  potencia consta nte. grupo gener ador decrece hasta que el motor lle ga a su velocida d de funcionamiento normal. La magnitud de la caída depende de la pr ecarga y C ar  g as d e Cargas de pot encia de la ca pacidad del gen er ador . La caída  permi par constante const ant e si b le de volta je de pende tam bién de la a plica · ción. Es posi ble to le r ar  caídas de hasta el 30 % T r an s po rt ado r es Tor nos cuando arran91 un motor sin carga; no de be n Malacates Estir adores de ala m br e  permitirse caídas mayores de esa cif r a,  por que Grú a s Enr ollado r as los contactar es magnéticos del cir cuito  pue den Escaleras eléc tr icas Taladr os abrirse si el voltaje cae a menos del 70 % del Líneas de  pr oce so valor no minal. Cuando las cargas de alumb r ado o algunos equi pos sensibles com parten la ca pacidad del ge ner ado r  con algunos motores, son in· Existen además cargas de par var ia ble,  que ya deseables las caídas grandes o r e petidas en el se mencionar on , y un ti po más en el que la vev olta je. loc idad no tiene efecto sobr e el  par, el cual de· Los equi pos generadores  bien igualado s o pe pende por completo de la posición de la car ga. rando en  par a lelo, com partir án en forma ace pUn ejemplo de lo anter ior  son los equipos de vol· table los kVA para el arranque del motor . Inteo  para vagones-tolva de f er ro  carr il.  Hay ta mcluso con unidades de dif er ente tamaño pero del  bién cargas que varía n en el tiempo, como ocur re  mismo f a bricante que tengan com ponentes si· en algunos equipos para me zclado . milares, como por e jemplo el ti po de gener ador , regulador de velocidad, r egulador de volta je, Si se tiene una com b inac ión de motor y con tr ol que  permita oper ar a  potencia constante,  pu ede etc.,  dividir án en forma  proporcional la ca r ga conforme a sus  potencias nominales r es pe cti vas. i o  de carga. Si, por el utilizarse con cualquier t p contrario, el equi po es capaz de pr opo r cionar  Se acostum bra a em plear una regla em p írica, 19 8

'

Motores de Inducción alimentados por energfa de plantas generadoras...

consistente en incr e me ntar en-u n 10 % los kVA  para arr anque , a f in de compensar la s d if er encia s en ajustes, tolerancias de  pr odu cción y corr ientes cir culante s (fig. 3-14).

tándar y se encue ntr a en la placa de datos o de ide ntif ic ación   del motor . El cálculo se efectúa como sigue en la pá gina siguiente :

(a )

(b)

Fig. 3-14. Dos motores de inducción de 75 h p (a) mstatados en el cuarto de calder as de un labor atorio de inv estigación tienen que funcionar  con la comente  pr oducida por unos grupos gener ador es de com bustión in tem a (b) cuando se inter rum pe la corriente del siste ma normal. Otros motores seme ja ntes y las car gas críticas del la bor atorio cuenta n con la alimen tación alternativa de grupos gen er ador es. Cuando se inter rum pe la aliment ación nor ma l, empieza a funcionar dicho equipo gener ador y se vuelven a poner en mar cha sucesivamente tas cargas y motor es indis pensa bles en f o rma  adecuada, para evitar la sob recarga de  puesta en marcha del gener ado r .

La aptitud para pr edecir la división de los kVA al arranque entre grupos o equipos gene rador es de diferentes fabricantes de pe nd e ,  bá sicamente, de la ex periencia; es aconse jable consultar a los  proveedores de los equ i pos . En el arranque de motores gr andes se a plica al gener ado r   una fuerte demanda momentá nea de kVA. Dado que se tr a ta de  potencia a pa r ente y no de potencia real, el motor de com bu stión interna no es af ectado en f orma conside r a ble . Para el arranque de motores es indis pe nsa ble que el generador tenga la ca pacidad para suministr ar estos kV A momentáneos sin una excesiva caída de volta je. Los kVA en el arranque de un motor se calculan con facilidad  por cualquier a de estos dos métodos. En una ta bla de letr a s de códigos de motores de NEM A se ind ica n los kVA al ar r anque por hp utilizando la s letr as como se mue str a en la  tabla 3-2. El segundo método consiste en emplear la corriente nominal a r otor  bloqu ea do y calcular la demanda de kV A. Este valor es es199

Tabla 3-2. Letr as de código  para motor es de CA  Letra de cód i g o kVA al ar r anque   N E M A

 A

B

e o E F

G H J K L M N p R

s

T

u

V

•

 por h p

0.003.153.554.004.505.005.60-

3.14 3.54 3.99

4.49 4.99 5.59 6.29

6.30- 7.0C) 7.10- 7.99 8.00- 8.99 9.00- 9.99 10 .00-11.19 11.20-12 .4 9 12.50-13.99 14 .00-15.99 16 .00-17 .99 18.00- 19.99 20 .00-22 .39 22 .40-

Las letr as de código sólo se utilizan en motor es hasta de 200 h p. •