ACCIONAMIENTO ELÉCTRICO

CAPÍTUL CAPÍ TULO O 1 / ACCIONAM CCIONAMIENTOS IENTOS

ACCIONAMIENTO ELÉCTRICO J ORG ORGE E L. MEDINA ME DINA HA HANK NKE E

EDICIONES UNIVERSITARIAS DE VALPARAÍSO PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO

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ACCIONAM CCIONAMIENTO IENTO ELÉCTRICO / J ORGE L. MED MED INA HAN HANKE KE

Qu edan rig riguu rosam ente proh ibidas, sin la au tori torizaci zación ón escrita de los los titu titu lares del «Copyri Copyright» ght»,, ba jo las s an cio cionn es es ta bleci blecida da s en las leyes, leyes, la repr odu cci cción ón t otal o par ci cial al de esta obra p or cua lqu ie ierr m edio o procedim procedim iento, compr endidos la reprografía y el tratamiento informático y la distribución de ejemplares de ella ella median te alquiler alquiler o présta mo p ú bli blicos. cos.

© J org orgee L. L. Medina Medina Han ke, 200 3 Ins cri cripci pción ón Nº 13 2.303 ISBN 956-17-033 9-4 Tirad Ti rad a de 3 00 ejemplares Derechh os Re Derec Reservados servados Ediciones Universitarias de Valparaíso

Pontificiaa Unive Pontifici Univers rs idad Católi Católica ca de Valpa ra íso Calle 12 de Febrero 187, Valparaíso Fono (32) 273087 - Fax (32) 273429 E.m ail: euvsa @u cv cv.cl .cl www.euv.cl Diseño Gráfi Gráfico: co: Guido Olivares Olivares S. Diagram Di agram ació aciónn y Portad Portad a: Pau lo Soza Soza C. Corrección Correcci ón de Pru eba s: Os valdo Oliv Olivaa P. Im preso en Salesi Salesian an os S.A. S.A. HECHO EN CHILE

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ÍNDICE

Prólogo

..................................................... ........................ ......................................................... ............................ Pág. 9

Ca p í t u l o 1

Acci cciona ona m ien tos ..... ........... ........... ........... ........... .......... ........... ........... ........... ........... .......... ........... ........... ........... ...... 11 Ca p í t u l o 2

Cara cterí cterístic sticas as El Electro ectrom m ecán icas de Moto Motores res de Indu cci cción ón ... ..... ..... ..... .. 15 Ca p í t u l o 3

Elemen tos de Acoplo ..... ........... ............ ........... ........... ........... .......... ........... ........... ........... ........... .......... ........ ... 37 Ca p í t u l o 4

Torqu es o Mo Mom m en tos de Car ga ...... ............ ............ ............ ............ ........... ........... ............ ............ ...... 59 Ca p í t u l o 5

Dinn á m ica de u n Acci Di Accion on a m ien to ...... ............ ............ ............ ............ ............ ............ ............ .......... .... 67 Ca p í t u l o 6

Arr an qu e ..... ........... ........... ........... ............ ........... ........... ............ ........... ........... ........... .......... ........... ........... ........... ......... ... 75 Ca p í t u l o 7

En ergí ergíaa s Asociad Asociad a s al Arr a n qu e ...... ............ ............ ............ ............ ............ ............ ............ ......... ... 85 Ca p í t u l o 8

Fren a do ............................. ......................................................... ......................................................... ............................... .. 95 Ca p í t u l o 9

Est ab ilida d de u n Acci cciona ona m ien to ... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ..... .. 113

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Ca p í t u l o 1 0

Calent a m ien to ...... ........... ........... ........... .......... ........... ........... ........... ........... .......... ........... ........... ........ ... Pág. 119 Ca p í t u l o 1 1

Selecci Selec ción ón de Motores ..... ........... ........... .......... ........... ........... ........... ........... .......... ........... ........... ........... ........ 13 5 Ca p í t u l o 1 2

Opera ci ción ón d e Motores Motores de In I n du cci cción ón con Vel eloci ocida da d Var Var iab le .... ....... ..... 14 7 Ca p í t u l o 1 3

Motores de Alta Ef Efiici cien en ci ciaa ...... ............ ............ ............ ............ ............ ............ ............ ............ .......... .... 17 5 Apénd ice 1

Motores de In In du cci cción: ón: Cara cterísti cterísticas cas Elé Eléctricas ctricas y Cons tru ctiv ctivaa s d el Mo Motor tor ...... ........... .......... ........... ........... ........... ........... .......... ........... ........... ........... ........ 18 3 Apénd ice 2

Gu ía d e Selecc Selecciión d el Ti Tipo po de Motor Motor par a Di Differentes Cargas ... ..... .... 225 Apénd ice 3

Datos Car acter ístico sticoss de Motores Motores de In In du cci cción ón .... ....... ...... ...... ....... ....... ...... ...... ... 227 Apénd ice 4

Sistem Si stem a In tern acio acionn al de Un ida des , SI ... ...... ...... ....... ....... ...... ....... ....... ...... ...... ....... ....... ... 24 3 Apénd ice 5

Problema s ..... ........... ........... ........... ............ ........... ........... ........... .......... ........... ........... ........... ........... .......... ........... ...... 25 1 Bibliografía

....................................................... .......................... ..................................................... ........................ 27 5

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A m is p a d re s . .. .. d e d on d e v e n g o A m is hij hijos... os... lo lo que que s igue d e m í

Galileos ¿Por ¿P or qué os qu ed áis mirando el cielo?

H ECHOS 1-11 N a d ie q u e e n c ie ie n d e u n a v e la , la cubre con con u na va s ija, ni la la p one ba jo la la cam a, s in o e n u n c a n d e le le ro ro , pa ra qu e todos los qu e en tr tren en v e a n la la lu lu z .

LUCAS 8;16

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AGRADECIMIENTOS

De seo agradecer Deseo agradecer a las las d iferentes empresas y / o sus representan tes que a través d e literatu literatu ra técnic técnica, a, ca tálog tálogos, os, n otas de a pli plicaci cación, ón, cu rsos, libros libros y esta día en su s plan tas , han tenido la la gentilez gentilezaa de su m in i stra r in in forma ci ción, ón, datos y conoci c onocim m ientos, m u chos d e los l os cu ales se inclu inclu ye yenn como ma teri terial al de ap oy oyoo en el texto. texto. (En orden alf alfab ab ético ético)) • Ab b • R o s s - H i ll - An s a ld ld o • D e m a g Ma nn n n es es m a n • S ew • D o d ge • S ch c h n e id id er e r E le le c t ri r ic • E a t on • Te c h n od od r i v e • E u r ot h er m • Va c o n • F in t e c h • Vo i g t • La n z c o • We g • Le r oy oy - S o m m er er • We m • R e l ia n ce c e E le le c t ri r ic y otras otras empresas , que h an hecho posibl posi blee este trabajo. trabajo. Asimismo, deseo agradecer a mis alumnos de varias generaciones por sus vali aliosas osas observ observacio acionn es y críticas críticas al conten ido a l ser em ple plead ad o como m aterial de clas clas es. Tam bié biénn deseo agradecer a m i hij hi ja Begoñ Begoñ a p or su col colab ab oraci oración ón en l a elaboración ci ón y correcció correcciónn d e problema s; a m i h ijo J u li lián án , por su vali aliosa osa colabora ci ción ón en la com posici posición ón d el texto y gráf gráfic icos, os, as í como a la Sr a. María Elena por s u mecanografiado de originales y al personal de Ediciones Universitarias de Valpa ra íso por su labor de edición. edición. Mi esp eci ecial al reconocimiento a l Sr. Sr. Director Director d e la Es cu el elaa de Ingeniería EléctriEléctri ca y al Sr. Decano de la Facultad de Ingeniería por su apoyo y confianza en este trab ajo ajo.. J ORGE MED INA HAN HANKE KE Profesor Prof esor Ti Titu tu lar Escuela de Ingeniería Eléctrica Pontifici Pontif iciaa Unive Univers rs idad Católic Católicaa de Valpa Valpa raíso

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PRÓLOGO

H a c e p o c o m á s d e 1 1 0 a ñ o s q u e e l m o t or o r e lé lé c t r ic ic o h i zo zo s u a p a r i ci c ió n e n e l á m b it i t o in in d u s t r i a l y d e s d e e n t o n c e s h a e x t en e n d id i d o s u p r e s e n c ia ia a p r á c t ic ic a m e n t e t o d a a c t iv i v id a d d e l h o m b r e y d e s d e é p o ca c a s m á s r e c ie ie n t e s , e n m ayor gra gra do, gra gra ci cias as a inn ov ovacio acion n es de electrónica electrónica de poten ci cia. a.

El estu e stu di dioo de los l os m oto otores res eléctri elé ctricos cos form form a pa rte del su bs trato d e conocim ci m ien tos d e pr of ofesio esionn ales de ingen iería, sin em ba rgo rgo,, la la ap licació caciónn de motores moto res a situaciones situaci ones reales reales no se encuen tra tan di diffu nd ida, au nqu e por ser complem comple m enta ri riaa con el motor moto r debería tener u n a r el elev evan an ci ciaa s imilar. Es por lo l o an teri terior or y frent frent e a la escas a di disp sp oni onibil biliida d d e li literatu ra técn ica en cas tel telllan o sobre el tema y an te la la n ece ecesidad sidad d e disp disp oner de u n texto tex to qu q u e perm ita a nu estro estross estu di dian an tes acceder accede r en forma ex expedi pedita ta a los conocimientos sobre la materia, estructurados desde el punto de vista in ge genn ieril y qu qu e a s u vez sa tisf tisfaga aga los requ isitos de u n texto par a la asignatura de Accionamiento Eléctrico, que he tomado la decisión de dar forma f orma de li libro a u n co conjun njun to de apu ntes qu e ha n ev evol oluu ci cionado onado desde notas de clase, ejercicios y problemas de pruebas, así como datos técnicos de equipos, hasta apuntes más formales que se han estad o u ti tilliz an do en los lo s ú lti tim m os 6 a ñ os. Todo lo lo an terio terior, r, ju ju n to con m i experiencia experiencia com o in in ge genn iero y docente da n form a al presen te li libro, qu e tiene tiene como objeti obj etivvo ser u sa do com co m o texto guía en la l a a sig signn at u ra “A “Acci cciona ona m ien to Eléc Eléctrico trico””, comp lem en ta do con las referencias bibliográficas sugeridas por los alumnos de nuestra escuela y como material de apoyo para los estudiantes de otras car reras qu e in in cl cluu y an el tema , así co com m o u n a porte a profesi profesiona ona les d el ám bito lab lab oral. EL AUTOR

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Ca p í t u l o 1

ACCIONAMIENTOS

Desde los los primeros tiempos d e la la presen ci ciaa del h ombr e sobre la tierra tie rra , y ta n pr onto como ést e tu vo con con ci cien en ci ciaa d el esf esfuu erzo qu e sign sign ificab an las acci acciones ones por él desa rrol rrolllad as , tales tale s como lev le van tar pesos o a rra strar cargas, bu scó un su sti stitu tu to para qu e lo lo reemp reemp lazara como fu fu ente energética energéti ca en esa s faen faen as . La primera alterna ti tivva de s u stituci stitución ón energéti energética ca fu e el em e m ple pleoo de a n ima les, práctica práctic a qu e se utili utiliz a a ú n en la a ctu ali alida da d en m u cha s activi activida des, o el e l trab ajo de esclavo esclavos, s, cu an do se trata ba d e pu ebl eblos os gu gu erreros que s u by byuu g aba n a s u s en emi emigg os derrotados. derro tados. Poste P osteri riormen ormen te, se ap rov rovecha echa ron recu rsos energéti energético coss n atu ra les, como la la fu erz erzaa del vi viento o la energía de las caídas de agua, siendo esta energía la que se emplea ampliamente en la actualidad para su conversión en energía eléctrica. En el sigl sigloo XV XVIII, ju ju n to con la revol revoluu ci ción ón in du st rial, se h izo pr es en te la má qu in a de vapor com com o fu fu ente de energía, energía, pa ra m ov over er bomba s des ti ti-na das a achic achicar ar el agu ag u a en las m in as in g lesas de carbón. Posteri Posteriorormente, el uso del vapor como fuerza motriz se hizo extensivo a todo tipo ti po de procesos proceso s indu strial striales, es, ha sta la a pa ri rici ción ón de la m áqu in a elécelé ctrica. El emp leo de la la fuerza m otri otrizz en en lu g ar del trab ajo h u m an o o an im al, qu e eran los m ás u ti tilliz ad os en esa época, abr ió pas o a la rea liz ació aciónn de una serie de faenas, que en atención a la magnitud del esfuerzo n ece ecesa sa ri rioo para su ej ejecuci ecución, ón, eran im posi posibl bles es d e ll llev evar ar a cabo por el ser h u m an o solo, solo, en gru pos o con con el au xi xillio de an im ale ales. s.

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La disponibilidad de energía posibilitó el desarrollo y aplicación de ma quinaria para ef efect ectuu ar m u chas acti activvidad es productiv producti vas, n u ev evas as o de las las qu e ya ya s e ha cí cían an a m an o, en época d e la la incipi incipiente ente indu strial strialiización. A consecuencia del costo y de la compleja concepción de la máquina de vapor vapor,, era n orma l la p resenci resenciaa d e u na sol solaa d e ell ellas en u na ins tal talaación. ci ón. Esta má qu in a m ov ovíía, m edi edian an te un sistema de ejes, ejes, poleas poleas y u n bosqu e de correas correas , los los dif diferentes equ ipos u su ar ios de su energí energíaa m ecán ica, con toda la in ef efiici cien en ci ciaa y com com plej plejiida d qu e ta l sist sist em a sig signn ificaba. Cu an do, a fin es d el sig sigllo 19, fue p osi osible ble disp disp oner de en ergí ergíaa el eléctric éctricaa en forma masiva, el motor eléctrico, en primer término de corriente continua y posteriormente de corriente alterna, empezó a desplazar pau latinam ente a la má quina de vap vap or en en el su m inistro de fu fu erz erzaa m otri otrizz industrial. No obstante el cambio introducido por el empleo de motores eléctricos, en las instalaciones productivas se siguió manteniendo el concepto de u n s ol oloo gran gran m oto otorr im im pu lsor y u n sistema mecá n ico de disdi stribución de la energía, según el esquema de la instalación original. J u n to con con la d ifu sión del us o de la la electrici electricida da d como fu fu erza m otri otriz, z, se desa rrol rrollló la la in du stria m an u factu rera de m oto otores res el eléctri éctricos, cos, que ofreofrecióó en ci e n el mercado u na varie ariedad dad de má quinas co conn u na am pl pliia gama de poten ci cias as , vel veloci ocida da des y cara cterísti cterísticas cas de opera ci ción. ón. La a ccesibi ccesibillida d d e motores eléctricos eléctricos cu yas variab les m ecán icas (potencia y velocidad) eran compatibles con aquellas de la máquina a im pu lsa r o ada pta bles a ella, ella, per m itió el eliim in ar el primiti primitivvo sist sist em a d e poleas, ejes y correas en las instalaciones, dando paso al moderno sistema d e acciona acciona m iento mu lti tim m oto otor, r, en el qu e cad c ad a m áqu in a o parte de una máquina que requiere energía, cuenta con su propio motor impulsor, apropiado a sus necesidades. El emple empleoo de motores moto res ind i nd ividu ale aless en cada u na de las las má quinas de u n a ins ta la ci ción, ón, per m itió m ej ejorar orar el ren dimiento ener gé gétic ticoo de la m isma, así como flexibilizar las diferentes operaciones involucradas en u n proceso, m edi edian an te la la a propi propiad ad a m an ipu lació aciónn y co conn trol de las las variables d el motor. motor . En la m ism a m edida qu e el em pleo de m otores in in div diviidu ales simp lificó 12


el u so de la en erg ergíía en el ám bi bito to in in du strial strial,, tam bi bién én h iz o paten te la la n ecesi ecesida da d de s el elecci ecciona ona r el m otor de acu erdo a los lo s ra sgos esp ecí ecífficos de la la carg cargaa y de adap tar s u s caracterí característi sticas cas a los requerimie requerimientos ntos pa r ticu ti cu lar es de ell ella, da n do orige origenn a la técn ica d e los los accion accion am ien tos. U n acci accionam onam iento es u n co conjun njun to interactu interactu an te, consti constitu tu ido por po r u n a carga, u n m oto otorr im i m pu lsor, el elemen emen tos de a copl coploo y equipo de com com an do, todo in m erso dentr o del ám bi bito to genera genera l qu e es el sistema de su m in istro de en ergí ergía. a. El estudio de los accionamientos se enfoca al conocimiento, cálculo, diseñ o y aplicació aplicaciónn de: · · · ·

las cara cte cterí rísti sticas cas elec electromec tromecán án icas de los los dif diferentes tipos tipos de motores la c a r ga ga a s e r im im p u ls a d a y s u r e la la c ió ió n c on o n e l m o to tor lo s el e le m e n t os o s d e a c op o p lo lo en e n t r e e l m o t or or y la la c a r ga ga lo s el e le m e n t os o s y s is is t e m a s d e c on on t r o l y c om om a n d o n e c es e s a r io ios p a r a q u e el m oto otorr s atisf atisfaga aga los lo s r equerimi equerimientos entos de la carga según las especi especi-ficaciones de operación

Cua n do, com com o con con secu encia del estu e stu dio m encio encionn ad o, se eli elig en a propiad pi ad am ente los l os distintos distintos com co m ponen tes de u n a cci cciona ona m iento, se cons c ons ig u e u na ope operaci ración ón a rm óni ónica ca del co conjun njun to to,, sin sin que a lg u no de su s componen tes constitu ti tivvos resu lte sobrecargado o su bdimen sio sionn ad o, co conn el consiguiente beneficio económico como energético.

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ACCIONAMIENTO ELÉCTRICO

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