Montaje y mantenimiento de los sistemas eléctrico y electrónico. I.E.S. JUAN MARTÍN “EL EMPECINADO”.
MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTÁTIVAS MOTORES DE INDUCCIÓN O ASÍNCRONOS La conversión electromecánica. Principio general de funcionamiento y disposición constructiva de las máquinas eléctricas. Todas las máquinas eléctricas funcionan aprovechando las leyes de Biot y Savart, la ley de la inducción electromagnética de Faraday (
e=−
∆φ ∆t ) y la de la la fuer fuerza za magnética magnética de Laplace (
F = β ⋅ l ⋅ I ). En cualquier máquina eléctrica aparecerán unas tensiones inducidas y unas fuerzas
sobre los bobinados de la máquina. Cuando un conductor está inmerso en el seno de un campo magnético y por el hacernos circular una corrie corriente nte eléct eléctric rica, a, aparec aparecen en unas unas fuerza fuerzass de carác carácter ter electroma electromagnéti gnético co que tienden tienden a desplazarlo.
El campo magnético s e crea mediante bobinas alojadas en el estator est ator de la máquina. En el rotor rotor se sitúan los conductores en los que se va a desarrollar la fuerza cuando sean recorridos por una corriente eléctrica. Los motores de corriente alterna más utilizados son los asíncronos o de inducción. Los motores asíncronos se deben a Deprez (1883), a Ferraris, que descubrió las corrientes polif polifási ásicas cas para produc producir ir campos campos giratori giratorios os (1885 (1885), ), a Tesla (1888) y, finalmente, finalmente, a DolivoDolivoDobrowolosky, que en 1889 logró construir un motor utilizable y dos años después se fabricaban motores trifásicos de 100 CV. De toda la energía eléctrica consumida, el 75 %, aproximadamente, se convierte en energía mecánica cánica destin destinada ada a la produc producció ción n de fuerza fuerza motriz motriz mediante mediante motores eléctricos. El resto se transforma principal principalmente mente en luz y calor. La mayo mayorr parte parte de los los motor motores es eléc eléctri trico coss son son asíncronos de inducción trifásicos y dentro de éstos, el 80 % tienen potencias inferiores a 4 kW.
El acoplamiento electromagnético Para que se produzcan fuerzas electromotrices inducidas (generadores) y fuerzas o par de giro sobre las bobinas o inducidos (motores), se necesitan dos circuitos eléctricos (uno fijo en el estator y otro móvil en el rotor) que estén en el seno de un campo magnético. El acoplador electromagnético transforma la energía eléctrica en magnética, para que ésta se transforme en mecánica, y viceversa.
Acoplamiento Acoplamiento electromagnético como generador y como motor
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Montaje y mantenimiento de los sistemas eléctrico y electrónico. I.E.S. JUAN MARTÍN “EL EMPECINADO”. Partes de las que puede constar un motor eléctrico asíncrono conductores res se alojan alojan en ranuras ranuras practicada practicadass en un núcleo núcleo Rotor: Es la parte que gira. Los conducto formado formado por chapas magnéticas magnéticas (para evitar pérdidas pérdidas en el hierro) y de f orma cilíndrica. El rotor posee un tamaño muy similar al hueco dejado por el estator con el fin de que el entrehierro sea lo más pequeño posible. De esta forma, se facilita la conducción de las líneas de campo magnético desde el estator hacia el rotor y se evitan al máximo los flujos dispersos. Por esta razón, al montar las diferentes partes de un motor eléctrico, es muy importante realizar una correcta alineación del rotor, apoyándolo correctamente en sus cojinetes. Además, conviene comprobar si el rotor está perfectamente equilibrado, ya que un reparto no uniforme de las masas del devanado o del núcleo puede producir oscilaciones.
Inducidos: (b) de motor de inducción, rotor devanado, (c) de motor de inducción, rotor de jaula o en cortocircuito.
Estator: Es la parte que permanece sin movimiento. Las bobinas, encargadas de producir el campo campo magnético magnético inductor, inductor, se alojan alojan en ranuras ranuras practicad practicadas as en un núcle núcleo o formad formado, o, por por lo general general,, por paquetes paquetes de chapa chapa magnétic magnética. a. De esta forma forma se consigue consigue que los conductor conductores es ocupen menos espacio.
Carcasa: Es la cubierta metálica que protege al motor de las acciones exteriores. Dependiendo de la aplicación a que se vaya a dedicar el motor, existen diferentes grados de protección contra contactos, contra la acción de cuerpos extraños y contra el agua, que vienen definidos en las normas internacionales (sistema de codificación IP IK). Ventilación: Los motores producen una serie de pérdidas en los devanados (pérdidas en el cobre) y en los núcleos magnéticos (pérdidas en el hierro) a los que se les suma las pérdidas producidas por los rozamientos mecánicos en los puntos de apoyo del rotor. Estas pérdidas se convierten en calor, que si no es evacuado de una forma adecuada, puede elevar la temperatura de la máquina y perjudicar a los aislamientos de los devanados. Para evitarlo se suele acoplar un ventilador al rotor que impulsa el aire por el interior de la máquina y elimina con eficacia el exceso de calor. Caja de bornes: Sirve para alojar los diferentes terminales de los devanados para poder ser
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Rendimiento electromecánico En toda máquina eléctrica la suma de las pérdidas caloríficas en el cobre, las pérdidas en el hierro y el incremento de energía acumulada, es una energía perdida que no se transforma en energía energía útil. En la práctica, práctica, a los instalad instaladores ores les resulta resulta difícil difícil calcular todas estas pérdidas y lo lo que se hace es trabajar con el rendimiento que dan los fabricantes de motores. Por rendimiento electromecánico entendemos la relación entre la energía que da una máquina y la energía total que absorbe. Expresado en términos de potencia para un motor eléctrico: η =
P u P ab
η % =
P u P ab
⋅100
La Pu es la potencia potencia nominal (en kW o CV que aparece en la placa de características), características), que junto con el rendimiento en tanto por ciento ( η%), la suelen proporcionar los fabricantes. Al instalador le corresponde calcular la potencia eléctrica absorbida de la red (P ab) para obtener la int ensidad de línea y poder dimensio dimensionar nar conductor conductores es y equipos equipos del circuito circuito de fuerza. EJEMPLO En el catálogo de un fabricante de motores trifásicos de inducción para un motor de 20 CV nos da un rendimiento del 88,5 por 100. Calcula: (a) potencia eléctrica que absorbe de la red, (b) potencia perdida. Solución: P ab
=
a) b)
P p
P u
η
20 736
14720
⋅
=
0,885
=
0,885
=
16.632,76W
= P ab − P u = 16.632,76 − 20 ⋅ 736 = 16632,76 − 14720 = 1.912.76W
Par nominal Sea un motor, por ejemplo, de inducción, que gira a una velocidad n (rpm), cuya potencia nominal es de P N (vatios), el valor del par nominal (T N) se deduce como sigue: T N
= 9.554 ⋅
T N
= 974 ⋅
P N ( kW )
( N ⋅ m)
T N
= 7.024 ⋅
(kgf ⋅ m)
T N
= 716 ⋅
n(rpm) P N ( kW ) n(rpm)
P N (CV )
n(rpm) P N (CV ) n(rpm)
( N ⋅ m)
(kgf ⋅ m)
EJEMPLO Un motor asíncrono trifásico de 100 CV gira con una velocidad de 1.490 rpm. Calcula : a) Par nominal en N·m. b) Par nominal en kgf·m.
a)
T N
= 7.024 ⋅
P N (CV ) n(rpm)
= 7.024 ⋅
100 = 471,40 N ⋅ m 1.490 3/27
Montaje y mantenimiento de los sistemas eléctrico y electrónico. I.E.S. JUAN MARTÍN “EL EMPECINADO”. T N
= 716 ⋅
P N (CV )
n(rpm) b) Par de arranque
= 716 ⋅
100 = 48,05kgf ⋅ m 1.490
Para que el motor pueda arrancar, es preciso que venza la resistencia que le ofrecen los rozamientos y la inercia de las partes móviles de la carga mecánica acoplada a su eje. En este momento, momen to, el par desarrollado recibe el nombre nom bre de par par de de arra arranq nque ue.. Par − motor = C = K ⋅ φ ⋅ I 2
I2: corriente por el rotor El par de arranque arran que lo dan los fabr icantes icant es de moto motore ress en fun funci ción ón del del tip tipo o cons constr truc uctitivo vo y sue suele le ser, superior a 1.6 veces el par nominal, pudiendo llegar a ser hasta 3 veces mayor.
Velocidad de sincronismo La velocidad mecánica de sincronismo o velocidad de sincronismo n S, tiene por expresión: n S f p
=
60 ⋅ f p
(rpm)
frecuencia pares de polos
La fórmula nos indica que la velocidad del motor sólo depende de la frecuencia de la red y del número de polos del estator. Si la frecuencia es de 50 Hz y el número de pares de polos es 1, la velocidad de sincronía es 3000 rpm (máxima velocidad de sincronía).
Tiempo de arranque y par de aceleración Desde que el motor empieza a moverse hasta que alcanza su velocidad nominal, transcurre un tiempo que se s e llama llam a tiempo t iempo de ar arranq ranqu ue, y es del orden orden de milisegundos m ilisegundos e incluso varios segundos. Durant Durante e este tiemp tiempo o de arranq arranque ue existe existe un par par de aceleración que vence el par resistente resistent e de la carga y es muy variable dependiendo del tipo de motor, de su construcción y tipo de carga.
Clases de servicio de los motores eléctricos corresponde nde a motores motores con funcionam funcionamiento iento continuo continuo y con carga constante constante (servi (servicio cio S1: le correspo permanente: el motor de una depuradora). S2: el motor funciona sólo durante un pequeño instante a su potencia nominal y después se para un tiempo suficiente como para que alcance la temperatura del medio ambiente (el motor de la puerta de un garaje). S3, S4, S5 y S6: el motor funciona de una forma intermitente. El tiempo de parada no es suficiente para que el motor se enfríe hasta la temperatura ambiente. S7: el motor funciona intermitentemente a plena carga y en vacío.
MOTORES DE INDUCCIÓN. MOTOR ASÍNCRONO TRIFÁSICO El motor asíncrono trifásico es una máquina eléctrica que funciona gracias a los fenómenos de inducción electromagnética. Son los más utilizados en la industria por su sencillez, robustez, buen rendimiento y fácil mantenimiento. Consiguen mantener su velocidad bastante estable para diferent diferentes es regímenes regímenes de carga carga y poseen poseen un buen buen par de arranque arranque.. Como Como su velo veloci cida dad d depend depende e de la frecuenc frecuencia ia que se le aplica aplica,, una de las formas formas más utiliza utilizada da de regular regular la velocidad de giro consiste en alimentarlos a t ravés de variadores electrónicos de frecuencia. frecuencia. No
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Montaje y mantenimiento de los sistemas eléctrico y electrónico. I.E.S. JUAN MARTÍN “EL EMPECINADO”. suelen necesitar de contactos deslizantes para su funcionamiento. Dependiendo del tipo de rotor que utilicen, existen dos tipos fundamentales: motores de rotor en cortocircuito o jaula de ardilla y de rotor bobinado.
Principio de funcionamiento Los motores de inducción inducción asíncronos asíncronos trifásicos trifásicos basan basan su funcionamie funcionamiento nto en la generación de un campo giratorio en el estator que corta a los conductores del rotor y lo hace girar. ¿Por qué gira el disco si es de un material no magnético?. Error: Reference source not found El imán, en su giro, giro, hace que las líneas de campo magnético magnético que atraviesan atraviesan el disco disco sean variables (movimiento relativo del campo magnético frente a un conductor eléctrico fijo), por lo que según el principio de inducción electromagnética (ley de Faraday), en el disco se induce una f.e.m. que, al estar en cortocircuito, hace que aparezcan unas corrientes eléctricas por el mismo. Al estar estas corrientes eléctricas inmersas en el campo magnético del imán, se originan en el disco un par de fuerzas que ponen el disco en movimiento, siguiendo al campo magnético. El disco nunca puede alcanzar la misma velocidad de giro que el imán, ya que si ocurriese esto, el movimiento relativo de ambos se anularía y el campo magnético dejaría de ser variable, por lo que desaparecería la f.e.m. inducida y con ella la corriente y el par de fuerzas. Si se consigue crear un campo giratorio aprovechando las variaciones de corriente de un sistema de C.A. trifásica, podremos hacer girar al rotor de un motor asíncrono. En el estator se alojan tres bobinas desfasadas entre sí 120°. Cada una de estas bobinas se conect conecta a a cada cada una de las fases fases de un sistema sistema trifási trifásico, co, por lo que por cada cada una de ellas ellas circularán las corrientes instantáneas i 1, i2 e i 3, creando un campo giratorio.
a
b
c
d
e
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Representación de los 3 devanados de un estator de 24 ranuras y con un par de polos
Deslizamiento Debido al principio de funcionamiento de las máquinas asíncronas, el campo magnético giratorio del inducido trata de acoplarse al campo magnético síncrono del estator, pero no llega a alcanzar la velocidad síncrona. La diferencia entre la velocidad síncrona (n S) del del campo gir atorio y la velocidad en marcha de la máquina (n) es lo que llamamos deslizamiento (s) y se expresa en tanto por ciento: s=
n S − n nS
⋅100(%)
Cuando el motor trabaja en vacío, el deslizamiento es mínimo (del orden de un 0.1%). Al arrastrar la carga nominal, el motor tiende a frenarse y el deslizamiento aumenta un poco (4-5 %). El par de fuerz fuerzas as que se desarro desarrolla lla en el rotor rotor depend depende e de la corrie corriente nte que por éste circul circule e y ésta depende, a su vez, de la f.e.m. inducida en los conductores del mismo. Por eso cuanto mayor sea el esfuerzo a realizar por el motor, el rotor tenderá a frenarse (aumento del deslizamiento y del movimiento relativo del campo magnético respecto a los conductores del rotor) para conseguir una mayor f.e.m. inducida y, por tanto, una mayor corriente rotórica y, en definitiva, un mayor par de fuerzas.
Motor asíncrono de rotor en cortocircuito El rotor rotor está está formad formado o por por conduc conductore toress de alumin aluminio io alojad alojados os en las ranuras ranuras del del núcl núcleo eo y cortocircuitados por sus extremos mediante unos anillos. A este rotor también se le da el nombre de jaula de ardilla por la semejanza a ese objeto. En motores de pequeña potencia, el rotor se construye fundiendo en un bloque integral unas varillas de aluminio junto con los anillos.
Conexión de un motor asíncrono trifásico El devanado devanado trifásico trifásico del estator estator de un motor asíncrono se puede puede conectar conectar en estrell estrella a o en
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Montaje y mantenimiento de los sistemas eléctrico y electrónico. I.E.S. JUAN MARTÍN “EL EMPECINADO”. triángulo, dependiendo de la tensión de la red y la que se indique en la placa de características del motor. motor. Los motores trifásicos pueden funcionar a dos tensiones. En un moto motorr que que en su su plac placa a de caracterís ticas aparezca n las tensiones: tensiones: 380/220 380/220 V, nos indic a que se puede cone cta r en est rel la a la tensió tensión n mayor mayor (380 (380 V) V) y en tri triángulo a la menor (220 V), de tal form forma, a, que que en cada cada bobi bobina na siemp siempre re queda queda someti sometida da a la tensión menor. Lo importante es recordar que el motor desarrolla su potencia nominal, siempre que a cada uno de sus arrollamientos de fase (U-X), (V-Y) y (W-Z) se le someta a su tensión nominal. La tensión nominal de cada arrollamiento de fase es el valor más bajo que figura en la placa de características.
En la caja de bornes de los motores aparecen los seis terminales correspondientes a los tres devanados del motor, más el terminal de conexión a tierra. La disposición de los terminales siempre se hace de la misma forma, siguiendo las normas internacionales. Para conseguir la conexión en estrella, basta con unir con unos puentes los finales Z-X-Y. La conexión en triángulo se consigue realizar con facilidad al unir con unos puentes puentes los terminales terminales (U-Z), (V-X), (W-Y).
Sentido de giro La denominación denominación normalizada de los bornes de cone conexi xión ón U, V, y W corres correspo pond nde e con la
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Montaje y mantenimiento de los sistemas eléctrico y electrónico. I.E.S. JUAN MARTÍN “EL EMPECINADO”. sucesión temporal de los bornes de red L 1, L 2, y L 3, respectivamente, para un sentido de giro hacia la derecha visto desde el lado del accionamiento. Para invertir el sentido de giro basta con permutar dos fases o dos bornes de la red.
Placa de características de un motor La placa de características ha de contener la siguiente información:
• • • • • • • • • •
Identificación del fabricante Tipo de motor, con tamaño y forma Número de fabricación Clase de protección contra entrada de polvo y agua (IP) Potencia del motor, expresada en KW o CV (es la potencia útil en el eje P U) Tensión de alimentación, expresa en V o KV Frecuencia, expresada en Hz Intensidad de corriente absorbida a plena carga, en A Velocidad del motor, expresada en revoluciones por minuto Factor de potencia del motor (Coseno de ϕ )
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Montaje y mantenimiento de los sistemas eléctrico y electrónico. I.E.S. JUAN MARTÍN “EL EMPECINADO”. Intensidad de línea y de fase El valor valor de la intens intensida idad d absor absorbid bida a de la red o inten intensi sida dad d de línea línea (I L) se calcula mediante la ecuación: I L
=
P u
3 ⋅η ⋅U L ⋅ cos ϕ
( A)
EJEMPLOS En el motor de la placa de características anterior calcula la potencia absorbida y el rendimiento ( η), si se conecta en estrella a una red de alimentación de 380 V alternos y 50 Hz y en triángulo a una red de 220 V alternos y 50 Hz. En estrella
P ab
= 3 ⋅U L ⋅ I L cosϕ = 3 ⋅ 380 ⋅ 4,70 ⋅ 0,85 = 2629,43W
En triángulo
P ab
= 3 ⋅U L ⋅ I L cosϕ = 3 ⋅ 220 ⋅ 8,10 ⋅ 0,85 = 2623,54W η =
El rendimiento del motor será
P u P ab
⋅100 =
2200 = 0,84% 2629,43
Como se puede observar, la potencia en trángulo y en estrella es prácticamente la misma Un motor trifásico de 22 kW 220/380 V, tiene un rendimiento ( η) del 91,7 por 100 y un factor de potencia (cos ϕ ) de 0,89. Calcula: (a) Intensidad de línea si se conecta en directo a una red trifásica de 220 V-50 Hz. (b) Idem si la red es de 380 V-50 Hz. Solución: (a) Se conecta directamente en conexión triángulo I L
=
22 ⋅1000 = 70,74 A 3 ⋅ 0,917 ⋅ 220 ⋅ 0,89
(b) En este caso se conecta directamente en estrella I L
=
22 ⋅1000 = 40,95 A 3 ⋅ 0,917 ⋅ 380 ⋅ 0,89
Como vemos, en ambos casos se mantienen la potencia, el rendimiento y el factor de potencia; y para la tensión de red mayor que corresponde a la conexión estrella, intensidad disminuye en veces.
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Funcionamiento en servicio del motor de rotor en cortocircuito Arranque Al conectar las bobinas bobinas del estator de un motor trifásico, trifásico, permaneciendo permaneciendo el rotor sin movimiento, m ovimiento, en un principio, el campo giratorio corta los conductores del rotor, induciendo en los mismos una f.e.m. elevada (de la misma frecuencia que la del estator), que, a su vez, producirá una fuerte fuerte corriente corriente.. Estas corrientes corrientes,, al interactua interactuarr con el campo campo magnéti magnético, co, produce producen n elevada elevadass fuerzas mecánicas mecánicas que, al actuar sobre el rotor, le proporciona un fuerte par de arranque.
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Montaje y mantenimiento de los sistemas eléctrico y electrónico. I.E.S. JUAN MARTÍN “EL EMPECINADO”. La fuerte corriente del rotor genera, a su vez, un campo magnético que que intenta modificar modificar el flujo común. Como éste sólo depende de la tensión aplicada aplicada al estator, estator, aparece un incremento de corriente en el mismo que intenta compensar la f.m.m producida por el rotor. De esta forma, cuando aumenta la intensidad rotórica también lo hace la corriente estatórica, que corresponde a la corriente tomada de la red por el motor. En el arranque se produce, por tanto, una elevación de la corriente absorbida por el motor de la red, que a veces conviene suavizar.
Aceleración y carga Tan pronto como empieza a circular corriente por el rotor parado, éste empieza a girar con un movimiento acelerado y en el mismo sentido que el campo giratorio, por lo que que el movim movimie iento nto relativo entre el campo y el rotor disminuye y con él la f.e.m inducida y la corriente. Si el motor está en vacío, rápidamente se alcanza una velocidad muy próxima a la de sincronismo. Si se aplica una carga mecánica resistente al eje del motor, el rotor tenderá a perder velocidad hasta alcanzar un equilibrio entre el par motor creado por él mismo y el par resistente ofrecido por la carga. Si se apli aplica ca una carga carga mecá mecánic nica a resis resisten tente te que que sobrep sobrepase ase el par par máximo máximo que que pued puede e proporcionar el motor, éste tiende a pararse. Esto siempre debe de evitarse, ya que al estar el rotor rotor bloque bloqueado ado,, tanto tanto las corrien corrientes tes rotórica rotóricass como las estatóri estatóricas cas se elevan elevan muchísim muchísimo, o, pudiendo provocar la destrucción del motor si no se le desconecta rápidamente. Se puede decir que el motor intenta desarrollar un par motriz exactamente igual al par opuesto por el resistente de la carga.
Característica par-velocidad El par que desarrolla un motor de inducción está íntimamente relacionado con la velocidad del rotor. Dado que su relación matemática resulta un poco complicada, por lo general, esta relación se expresa gráficamente mediante una curva característica de par-velocidad. En la curva de la figura se ha representado la relación par(C)-velocidad(n) de un motor asíncrono trifásico con rotor en cortocircuito. En el eje de abcisas se escriben los valores relativos del par referidos al par nominal Cn n y en el de coordenadas el de la velocidad relativa del rotor expresada en %. Cuando el motor arranca (n = 0), se obtiene un par de arranque (C n = 1,5 Cn ) que es 1,5 veces el par a plena carga. Si hacemos que el motor arrastre una carga que origine un par resistente C i el motor desarrollará un par resistente a plena carga igual a C i. Esto se consigue a la velocidad n. Si aplicásemos un par resistente mayor, la velocidad disminuiría hasta que se alcance el equilibrio entre el par motor y el par resistente. En el caso de que el par resistente fuese mayor que el par máximo que puede desarrollar el motor (Cmax = 2,5 Cn) el motor se pararía. Este caso ocurriría cuando la velocidad se reduce por debajo del 80 %.
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Formas constructivas constructivas Los Los moto motores res pequ pequeñ eños os,, medi median anos os y gran grande dess (exce (excepto pto los de poten potencia ciass muy elevad elevadas) as),, pueden ir montados en posición horizontal y vertical sin necesidad de modificaciones (se debe consultar cada caso a los fabricantes). De esta manera, la forma constructiva básica IM B 3 puede pue de prest pre star ar servic ser vicio io en las posicion posiciones es de monta montaje je IM B 6, IM B 7, 7, IM B 8, IM IM V5 e IM IM V6. Los Los motores se suministran, tanto en la forma constructiva básica IM B3, como en las restantes. Las ejecuciones posibles para cada tipo de motor se tomarán en las "Formas constructivas" de las tablas de selección.
Equivalencia Equivalencia entre las denominaciones correspondientes correspondientes a las formas constructivas
Potencias normalizadas En la tabla de la figura se dan las potencias normalizadas en kW y CV. En la actualidad, predominan las unidades del SI, y por ello, se suelen dar en los catálogos técnicos los valores de las potencias sólo en kW, como se indica en la tabla de la figura.
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Mejora del factor de potencia Se puede reducir el consumo de energía reactiva mediante la instalación de condensadores en paralelo con la red de alimentación o en bornes del motor. Si la mejora del factor de potencia no está controlada con reguladores automáticos para toda la instalación, el sistema más corriente y sencillo es el indicado en la figura. El valor de la capacidad trifásica se calcula por la ecuación en función de la potencia activa trifásica del motor y de la tensión de línea, es decir: C =
P N ⋅ (tg ϕ − tg ϕ ′) U 2 L ⋅ ω
Este valor coincide con el valor de la capacidad por fase, si los condensadores se conectan en U L
3 . El valor de la capacidad trifásica se divide por 3 para calcular estrella ya que su tensión es la capacidad de cada fase si los condensadores están conectados en triángulo.
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Instalación de condensadores para la mejora del factor de potencia de un motor trifásico de inducción EJEMPLO Calcula la capacidad de los condensadores a instalar para mejorar el factor a cos ϕ ’=0,92 para un motor trifásico de las siguientes características: P=11 kW. Tensión 220/380 V, cos ϕ = 0,85, red de 380 V-50 Hz. Solución cosϕ = 0,85; cosϕ ’ = 0,92;
ϕ =31,78º; tgϕ = 0,6197 ϕ ’ =23,07º; tgϕ ’ = 0,4259 P ⋅ (tg ϕ − tg ϕ ′) 11.000 ⋅ ( 0,6197 − 0,4259 ) = = 47,02µ F C = N U 2 L ⋅ ω 380 2 ⋅ 314
Si conectamos los condensadores en triángulo, cada condensador ha de ser de 16 μF-380 V, y potencia: Qc1
= U L 2 ⋅ ω ⋅ C = 380 2 ⋅ 314 ⋅16 ⋅10 −16 = 725VAr
Este valor coincide con el de la potencia reactiva trifásica dividido por 3
11.000( 0,6197 − 0,4259) : 3 = 710,6VAr Si conectamos los condensadores en estrella, cada condensador ha de ser de 48 μF-220V, y potencia Qc1
= U L 2 ⋅ ω ⋅ C = 220 2 ⋅ 314 ⋅ 48 ⋅10 −16 = 725VAr
La potencia trifásica y por fase de los condensadores condensadores es la misma, tanto si se conectan en estrella como si se conectan en triángulo. Mientras la capacidad por fase en triángulo es 3 veces más pequeña que la capacidad por fase en estrella. En el caso mejorar el factor de potencia en el origen de la instalación, se realiza mediante un regulador automático que conecta los escalones 1, 2, 3, 4, 5 de la batería de condensadores,
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Montaje y mantenimiento de los sistemas eléctrico y electrónico. I.E.S. JUAN MARTÍN “EL EMPECINADO”. según la demanda de energía reactiva y en función del cos ϕ ’ fijado en el regulador.
Batería de condensadores con regulador automático del factor de potencia
Motor asíncrono de rotor bobinado o de anillos rozantes En estos motores, el estator posee las mismas características que el del motor de rotor en cortocircuito, pero el rotor se construye insertando un devanado trifásico en las ranuras de un núcleo cilíndrico de chapas magnéticas. Este devanado se conecta normalmente en estrella y los tres terminales terminales restantes se conectan a tres anillos rozantes. rozantes. Unas escobillas escobillas frotan estos anillo anilloss y permite permiten n conecta conectarr unas unas resisten resistencia ciass externas externas en serie serie con el fin de poder poder limitar limitar la corriente rotórica. En la placa de características de estos motores aparecen tres nuevos terminales correspondientes al bobinado del rotor, que para no confundirlos con los del estator se indican con las letras minúsculas u, v, w. El principio de funcionamiento es exactamente igual que el del rotor en cortocircuito, pero ahora es posible la regulación directa de la corriente rotórica y con ella, la propia corriente del estator. Este sistema tiene la ventaja de que no es necesario disminuir la tensión en el estator para disminuir el flujo y, con él, la corriente rotórica, que siempre trae consigo una reducción del par motor. El gran inconveniente inconveniente que presentan estos motores frente a los de jaula de rotor en cortocircuito es que resultan bastante más caros y necesitan de un mayor mantenimiento. En la actualidad el control electrónico de los motores asíncronos de rotor en cortocircuito ha desplazado en casi todas las aplicaciones al motor de rotor bobinado, quedando éste último para casos especiales donde se requiera un par de arranque muy elevado (grúas, instalaciones de media tensión, etc).
Sistemas de arranque de los motores asíncronos trifásicos de rotor en cortocircuito Cuando se conecta el motor directamente a la red, éste absorbe una intensidad muy fuerte de la línea en el momento del arranque, lo que puede afectar no sólo a la duración de los aparatos de conexión, sino a las líneas que suministran energía eléctrica. Estas fuertes corrientes sobrecargan las líneas de distribución, pudiendo producir caídas de tensión y calentamiento en los los cond conduc ucto tore ress de las las mism mismas as.. Por Por esta esta razón razón,, las las compa compañía ñíass de energ energía ía prescr prescrib iben en reglamen reglamentacio taciones nes para reducir reducir dichas dichas corrie corriente ntess de arran arranque que a unos unos valore valoress que sean sean aceptables. El arranque directo esta permitido para motores que posean una potencia inferior a 5,5 KW. Arranque directo o a plena tensión consiste en someter a cada arrollamiento de fase a su tensión nominal y acelerarlo sin interrupción hasta que alcanza su velocidad nominal. Sirve lo mismo para motores de rotor de jaula como para motores de rotor bobinado, ambos de
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Montaje y mantenimiento de los sistemas eléctrico y electrónico. I.E.S. JUAN MARTÍN “EL EMPECINADO”. una, dos o tres velocidades. Una forma de reducir la corriente de arranque es reducir la tensión aplicada al motor. Con ello también se disminuye el par efectivo de arranque, ya que al disminuir la tensión, el flujo del estator también disminuye y con él la f.e.m. inducida en el rotor y la intensidad rotórica. El par de arranque disminuye con el cuadrado de la tensión. Existen diferentes métodos para reducir la corriente de arranque disminuyendo la tensión: arranque arranque estrella-t estrella-trián riángulo gulo,, arranque arranque con resistenci resistencias as estatóricas estatóricas,, arranque arranque por autotransformador.
Arranque estrella-triángulo Es uno de los métodos más conocidos conocidos con el que se pueden arrancar arrancar motores motores de hasta has ta 11 KW de potencia. Consiste en conectar el motor primero en estrella para, una vez arrancado, conmutar a la conexión en triángulo. Para que esto se pueda llevar a cabo, se debe utilizar un motor que esté preparado para funcionar a la tensión inferior conectado en triángulo. Así, por ejemplo, un motor de 220/380 podrá ser arrancado en una red de 220 V. Si a un motor de las características indicadas se le conecta primero en estrella, cada una de las bobinas del mismo quedará sometida sometida a una tensión 3 inferior que si hubiese conectado en triángulo. Con ello se consigue que la intensidad en el arranque quede disminuida a la tercera parte respecto al arranque directo en conexión en triángulo. El par también queda reducido a la tercera parte, lo que conviene tenerlo en cuenta si el motor arranca con toda la carga. Por esta razón, conviene que el motor arranque en vacío o con poca carga.
Arranque por autotransformador autotransformador Consi ste en conec tar un autot rans for mador en l a a limentaci limentación ón del motor motor.. De esta esta for forma ma se se consigue reducir la tensión y con ella la corriente de arranque. El par de arranque queda reducido en este caso en la misma proporción que la corriente, es decir, al cuadrado de la tensión reducida. Este sistema proporciona una buena característica de arranque, aunque posee el inconveniente de su alto precio. Este arranque se emplea para motores de gran potencia, a los que se les somete sucesivamente al 60, 70, 80, 90 y 100 por 100 de la tensión nominal a
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Montaje y mantenimiento de los sistemas eléctrico y electrónico. I.E.S. JUAN MARTÍN “EL EMPECINADO”. través de las sucesivas tomas del autotransformador. En la figura con sólo dos tomas, se arranca con una tensión tensión del 50 por 100 100 de la red y la intensidad y el par se reducen a la cuarta parte.
Arranque por resistencias estatóricas Consiste en reducir la tensión que producen unas resistencias conectadas en serie con el estator. Este sistema tiene el inconveniente de que se consigue disminuir la corriente en función lineal de la caída de tensión producida. Sin embargo, el par queda disminuido con el cuadrado de la caída ca ída de tensión, por lo que su aplicación se ve limi limitad tada a a moto motores res en los los que que el momento de arranque arranque resistente sea bajo.
Arrancadores progresivos de motores asíncronos trifásicos Son dispositivos dispositivos electrónicos electrónicos que permiten el arranque arranque de los motores asíncronos asíncronos de jaula, de forma controlada, reduciendo el par y la corriente en el momento de arranque. Básicamen Básicamente te un arrancado arrancadorr progresivo progresivo está formado por un circui circuito to de potenci potencia a y un circui circuito to de
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Montaje y mantenimiento de los sistemas eléctrico y electrónico. I.E.S. JUAN MARTÍN “EL EMPECINADO”. cont contro roll. El circu circuito ito de poten potenci cia a es un conve converti rtido dorr de corri corrien ente te alter alterna na a corriente alterna variable de menor valor; está compuesto por tres grupos de dos tiristores montados en oposición dos a dos en cada fase de la red.
Constitución interna de un arrancador electrónico Este circuito permite suministrar una tensión variable en el motor, aumentándola progresivamente hasta su valor nominal, dependiendo del instante y del ángulo de encendido de los tiristores.
Regulación de velocidad de los motores asíncronos La velocidad de un motor asíncrono depende fundamentalmente del número de polos con que está construido y de la frecuencia, por lo que si conseguimos modificar una de estas dos variables habremos conseguido controlar la velocidad. Los motores de inducción (como productores de fuerza motriz) se utilizan principalmente a velocidad constante, conectados directamente a la red de acuerdo con sus propias características par-velocidad, número de polos, y en condiciones de funcionamiento determinadas, para la carga de la máquina operadora. De esta forma, se construyen motores de una sola velocidad de 2, 4, 6, 8 polos, que corresponde a 3.000, 1.500, 1.000 y 750 rpm, respectivamente, con deslizamientos de 0,008 (motores grandes) hasta 0,085 (motores pequeños).
Motores de dos y tres velocidades Existe un control discreto de la velocidad si los devanados del estator se disponen de tal forma que se pueda exteriormente, mediante las conexiones accesibles, modificar el número de polos. La velocidad de sincronismo de un motor de inducción es n s = 60 · f / p (f=frecuencia y p=pares de polos. Si variamos el número de polos 2p al doble o a la mitad, obtenemos una velocidad mitad o doble, respectivamente. Este es el principio por el cual se obtienen motores de dos velocidades mediante arrollami arrollamien ento toss sepa separa rado dos. s. Para Pa ra dos dos velocid velocidade adess se suelen construir hasta 120 120 kW y de 1.000/1.500 rpm (6/4 polos), 750/ 1.500 rpm (8/4 polos), 1.500/3.000 rpm (4/2 polos).
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Esquemas de conexión del estator con dos devanados separados para motor de dos velocidades. (a) Lenta. (b) Rápida. (c) Circuito de fuerza con contactores.
Regulación de velocidad con variadores de frecuencia Debido Debid o a los inconvenientes de las máquinas de cc (impedimento (impedimento del uso de colector y escobillas en ambientes agresivos o peligrosos, temperatura, velocidad periférica del colector, etc.) frente a algunas ventajas de los motores de inducción (sencillez, robustez, ausencia de colector, tamaño más reducido, etc.) y a que los precios de los componentes de estado sólido han disminuido mucho, en la actualidad, ha tomado mucha importancia la regulación de la velocidad de los motores de inducción. inducción. Al ser el motor asíncrono una máquina donde la velocidad depende de la frecuencia, al modificar ésta se consigue variar la velocidad. Los sistemas electrónicos que transforman la frecuencia de la red en otra frecuencia variable en el motor, se denominan sistemas inversores. En la figura se representa el esquema de un sistema inversor que está formado por:
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Variador de velocidad, diagrama de bloques - Un rectificador que transforma la corriente alterna en corriente continua. Un filtro formado por bobinas y condensadores, que tienen como finalidad proporcionar a la entrada del inversor una tensión prácticamente continua, sin rizado. - Un inversor que transforma tensión de c.c obtenida a la salida del bloque rectificador en tensión alterna, de frecuencia diferente a la de la red. Los sistemas inversores más utilizados son los de modulación de anchura de impulsos (PWM). Es una técnica que consiste en modificar la duración duración del ancho de los pulsos pulsos de una secuencia secuencia de impulsos, como se muestra en la figura.
Tensión de fase formada por impulsos modulados en amplitud La duración del ancho de los impulsos o tiempo de conducción de los tiristores o transi transisto stores res de potencia, varía en proporción directa al valor de la tensión de control utilizada. Si la tensión de control es senoidal, con este sistema, se puede obtened una tensión a la salida del inversor, cuyo valor medio varía de forma senoidal, con una frecuencia igual a la de la tensión de control. En el inversor trifásico, los dispositivos que actúan como interruptores, pueden ser tiristores o transistores de potencia. La misión de este circuito es dar forma a las tensiones trifásicas en el motor, controlando su magnitud y frecuencia, a partir de una tensión continua en la entrada del inversor. Para obtener las tensiones trifásicas en el motor se utilizan tres tensiones de control senoida senoidales les desfasad desfasadas as 120º, que que son comparad comparadas as con una tensió tensión n de refere referenci ncia a de form forma a triangular. Los encuentros de estas tensiones determinan los instantes de conducción de cada tiristor, y la duración del ancho de cada impulso obtenido. En la figura anterior se representa gráficamente el procedimiento para obtener la tensión entre dos fases del motor. Como puede observarse el valor medio de la tensión de salida varía de forma senoidal senoidal con una frecuencia igual a la de las tensiones de control.
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El circuito de control es un circuito electrónico que se encarga de generar las tensiones de control y de referencia y, en función de éstas, abrir y cerrar los tiristores al ritmo que impone la frecuencia de la tensión de referencia. Este sistema permite obtener una amplia gama de frecuencias y niveles de tensión en el motor, y por tanto diferentes velocidades.
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JUSTIFICACIÓN DEL MOTOR TRIFÁSICO La potencia activa, es la que nos produce la potencia útil en el eje del motor. Por contra, la potencia reactiva no nos produce energía mecánica en el eje del motor.
Potencia activa activa que absorbe de la red un motor monofásico y uno trifásico En el caso de un u n motor monofásico monof ásico que es una carga Z=R+jX vemos vemos que que además además de tomar tomar el valor cero cuatro veces en un período, llega incluso a ser negativa o bombeada a la red por el efecto ya conocido de la reactancia. reactancia. Esto Esto hace que que en el eje del del motor no se obten obtenga ga una potencia potencia constante constante y funcione funcione a impulsos, impulsos, que debido a la inercia del sistema, no se aprecian a simple vista, pero el motor tiene que soportar esfuerzos intermitentes. En motores grandes, esto
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Montaje y mantenimiento de los sistemas eléctrico y electrónico. I.E.S. JUAN MARTÍN “EL EMPECINADO”. es prohibitivo desde el punto de vista mecánico y energético. Estos inconvenientes de obtener en el eje del motor, en algunos instantes, una potencia pulsatoria cero o negativa, se evitan si el circuito es trifásico. De esta forma, la potencia resultante que suministra la red es siempre positiva y, por consiguiente, la potencia mecánica en el eje del motor es siempre mayor de cero.
Motor monofásico de inducción de rotor en cortocircuito Debido a la sencillez, robustez, bajo precio y a la ausencia de chispas, los motores de campo giratorio se construyen también para corriente alterna monofásica. Se utilizan en aquellas instalacio instalaciones nes donde donde no se dispone dispone de suministro suministro trifásico, trifásico, como como por ejemplo ejemplo,, aplica aplicacio cione ness domésticas. Al igual que los trifásicos, están constituidos por un rotor de jaula de ardilla y un estator donde se alojarán los devanados inductores.
Motor de fase partida partida Si en el estator estator situamo situamoss un bobinado bobinado monofási monofásico co y le somete sometemos mos a una tensión tensión alterna senoidal, se obtiene un campo magnético alternativo y fijo que no es capaz de provocar un par de arranque efectivo en el rotor. Si en estas condiciones empujamos el rotor manualmente en uno de los sentidos, conseguiremos desplazar el eje del campo magnético del rotor y el motor comenzará a girar hasta alcanzar su velocidad velocidad nominal. nominal. El sentido de giro del motor motor depende depende de hacia donde donde se haya iniciado el giro y su velocidad del número de pares de polos del devanado.
Rotor parado
Rotor girando
Para conseguir conseguir que el motor arranque automáticamente automáticamente se inserta en las ranuras del estator un segundo bobinado auxiliar que ocupe 1/3 de las mismas. Como la impedancia de las dos bobinas es diferente, se producirá un pequeño ángulo de desfase en la corriente absorbida por el bobinado auxiliar respecto a la del principal. Este ángulo suele ser de adelanto debido a que el bobinado auxiliar es de menor sección y, por lo tanto, más resistivo. El flujo que produce dicha bobina queda también adelantado al principal, lo que hace que se forme un campo giratorio suficiente para impulsar a moverse al rotor. Dado que el ángulo de desfase entre ambos flujos resulta muy pequeño, el par de arranque también lo es. T a
= K ⋅ I P ⋅ I a ⋅ senα
Ta = Par de arranque Ip = Intensidad del devanado principal la = Intensidad del devanado auxiliar a= Ángulo de desfase desf ase entre ent re Ip I p e la K = Coeficiente (Por ello el par es máximo cuando el desfase que se logra es de 90°).
Motor con condensador de arranque Para aumentar el par de arranque de estos motores se añade un condensador en serie con el bobinado auxiliar, de tal forma que el ángulo de desfase entre los flujos producidos por ambas bobinas se acerque a 90°.
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Montaje y mantenimiento de los sistemas eléctrico y electrónico. I.E.S. JUAN MARTÍN “EL EMPECINADO”. El par de arranque conseguido será mayor, cuanto mayor sea la capacidad del condensador. Sin embargo, una capacidad excesivamente elevada puede reducir la impedancia total del devanado auxiliar a valores muy pequeños, lo que trae consigo un aumento de la corriente absorbida por el bobinado auxiliar. Si este devanado no se desconecta una vez arrancado el motor, el calor producido por la fuerte corriente puede llegar a destruirlo. Para que esto no ocurra, una vez que el motor haya alcanzado unas ciertas revoluciones, se procede a la desconexión desconexión del conjunto formado por el c ondensador ondensador y el devanado auxiliar. Dicha desconexión se puede realizar mediante un interruptor centrífugo (interruptor que está acop acopla lado do al eje del motor motor y que que abre sus contactos contactos cuando cuando se alcanzan alcanzan unas ciert ciertas as revoluciones) o manualmente.
En algunos motores el condensador se desee dejar continuamente conectado. Los motores con condensador poseen un buen factor de potencia y un rendimiento aceptable (es inferi inferior or al de los motore motoress trifás trifásico icos) s) y se aplica aplican, n, por ejempl ejemplo; o; para para electro electrodom domést éstico icos, s, máquinas herramientas, bombas, etc.
Inversión de giro de un motor monofásico Para invertir el giro de estos motores es suficiente con invertir la conexión de una de las dos bobinas.
Motores monofásicos con espira en cortocircuito Este motor es de muy sencilla sencilla construcció construcción n y se aplica aplica para motores de pequeñas potencias potencias (hasta 100 ó 200 W). El rotor de estos motores es de jaula de ardilla. El estator es de polos salientes, en el cual se arrolla la bobina principal. En la parte extrema de cada polo se coloca una espira de cobre en cortocircuito. El devanado principal produce un campo magnético alternativo que atraviesa el rotor y las dos espiras en cortocircuito. En estas espiras se induce una pequeña corriente y un pequeño flujo que queda retrasado respecto al flujo principal, lo que es suficiente para provocar un pequeño par de arranque en el motor.
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El sentido de giro de estos motores depende de la disposición relativa de las espiras de cortocircuito y de los polos principales. A pesar de que el par de arranque, el rendimiento y el factor de potencia de estos motores no es muy bueno, la gran sencillez de este motor le hace idea ideall para para apli aplica caci cion ones es de poca poca pote potenc ncia ia y en los los que que el par par de arra arranq nque ue no sea sea muy muy importante.
TRANSFORMACIÓN TRANSFORMACIÓN DE UN MONOFÁSICO
MOTOR TRIFÁSICO TRIFÁSICO PARA QUE FUNCIONE COMO
Para poder utilizar motores trifásicos con una red de dos hilos y que funcionen como si fueran monofásicos, hay que efectuar efectuar una peque pequeña ña transf transform ormaci ación ón mediante mediante la conexión conexión de un condensador. Esta conexión sólo es aconsejable en casos especiales en los que la potencia del motor es igual o inferior a 2 kW, y en los que la potencia potencia solicita solicitada da por la máquina operadora no supere el 70-80 por 100 de las potencia del motor. El par de arranque solicitado debe ser inferior al 40 por 100 del par nominal. El condensador a instalar debe ser de una tensión 1,15 veces la tensión de la red monofásica (mínimo 250 V), y el valor de su capacidad es el que se deduce de la siguiente ecuación: 2
220 50 C = 50 ⋅ P ⋅ ⋅ f ( µ F ) U L C = Capacidad del condensador en μF U L = Tensión de la red monofásica
P = Potencia del motor trifásico en kW f = Frecuencia en hercios
Para un motor trifásico de inducción de 220 V/ 380 V de 1,1 kW – 50 Hz: 2
220 ⋅ 50 ( µ F ) = 55µ F C = 50 ⋅ P ⋅ 220 50
Instalaríamos un condensador de 55 μF.
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Montaje y mantenimiento de los sistemas eléctrico y electrónico. I.E.S. JUAN MARTÍN “EL EMPECINADO”. EXTRACTO DEL REGLAMENTO ELECTROTÉCNICO DE BAJA TENSIÓN. ITC-BT-47 3. CONDUCTORES DE CONEXIÓN Las secciones mínimas que deben tener los conductores de conexión con objeto de que no se produzca en ellos un calentamiento excesivo, deben ser las siguientes: 3.1 Un solo solo moto motor r Los conductores de conexión que alimentan a un solo motor deben estar dimensionados para una intensidad del 125 % de la intensidad a plena carga del motor. En los motores de rotor devanado, los conductores que conectan el rotor con el dispositivo de arranque -conductores secundarios- deben estar dimensionales, asimis asimismo, mo, para el 125 125 % de la inten intensi sidad dad a plen plena a carga carga del rotor. rotor. Si el motor motor es para servicio servicio intermite intermitente, nte, los condu conducto ctores res secun secunda dario rioss pueden pueden ser de menor menor secció sección n según según el tiempo tiempo de funcionamiento continuado, pero en ningún caso tendrán una sección inferior a la que corresponde al 85 % de la intensidad a plena carga en el rotor 3.2 Vari Varios os moto motore ress Los conductores conduct ores de conexión que alimentan alimentan a vanos motores, deben estar dimens mensio iona nado doss para para una una intensidad no inferior a la suma del 125 % de la intensidad a plena carga del motor de mayor potencia, más la intensidad a plena carga de todos los demás. 3.3 Carg Carga a comb combin inad ada a Los conductores de conexión que alimentan a motores y otros receptores, deben estar previstos para la intensidad total requerida por los receptores, más la requerida por los motores, calculada como antes se ha indicado 4. PROTECCIÓN CONTRA SOBREINTENSIDADES Los motores deben estar protegidos contra cortocircuitos y contra sobrecargas en todas sus fases, debiendo esta última protección ser de tal naturaleza que cubra, en los motores trifásicos el riesgo de la falta de tensión en una de sus fases. En el caso de motores con arrancador estrella-triángulo, se asegurara la protección, tanto para la conexión en estrella como en triángulo. Las característ caract erísticas icas de los disp dispos osititiv ivos os de de prot protec ecci ción ón deb deben en estar de acuerdo con las de los motores a proteger y con las condiciones de servicio previstas para estas, debiendo seguirse las indicaciones dadas por el fabricante de los mismos. 6. SOBREINTENSIDAD DE ARRANQUE Los Los motor motores es deben deben tener tener limitad limitada a la intensi intensidad dad absorb absorbid ida a en el arranque cuando se pudieran producir efectos que perjudicasen a la instalación u ocasionasen perturbaciones inaceptables al funcionamiento de otros receptores o instalaciones. Cuando los motores vayan a ser alimentados por una red de distribución pública, se necesitara la conformidad de la Empresa distribuidora respecto a la utilización de los mismos, cuan cuando do se trate trate de - Motore Motoress de gran gran inerci inercia. a. - Motores de arranque lento en carga. - Motores de arranque o aumentos de carga repetida o frecuente - Motores para frenado. - Motores con inversión de marcha. En general los motores de potencia superior a 0,75 kilovatios deben estar provistos de reóstatos de arranque o dispositivos dispositivos equivalentes equivalentes que no permitan que la re relación de de corriente entre el período de arranque y el de marcha normal que corresponda a su plena carga, se según la las características del motor que debe indicar su placa sea superior a la señalada en el cuadro siguiente: Tabla 1 Motores de corriente alterna Constante máxima de Potencia nominal proporcionalidad entre la del motor intensidad de la corriente de arranque y de la de plena carga De 0,75kW a 1.5kW 4.5 De 1 .5 k W a 5 .0 kW 3.0 De 5.0KW 5.0KW a 15.0kW 15.0kW 2.0 De m á s d e 1 5 . 0 k W 1.5
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