CAPITULO 2
MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA DE INDUCCION TRIFASICOS
Introducción Hoy la mayor parte de la corriente eléctrica producida es corriente alterna trifásica, los motores que se diseñan para esta corriente son muchos. Los motores de c.a. son ideales para trabajar a velocidad constante, porque en ellos la velocidad está determinada por la frecuencia de la c.a. aplicada a las terminales de los mismos. También se hacen motores de c.a. de velocidad variable pero dentro de ciertos límites. El motor de inducción trifásico es el más comúnmente empleado en corriente alterna debido a su sencillez, a su construcción sólida y a su bajo costo de mantenimiento. Estas características del motor de inducción se deben al hecho de que el rotor es independiente y no está conectado con la fuente externa de tensión. El motor de inducción se llama así por el hecho de que el campo magnético giratorio del estator induce corrientes alternas en el circuito del rotor. Un motor de inducción se distingue porque no necesita corriente de excitación de c.c. en el rotor para funcionar.
Leyes Fundamentales. Ley de Ampere. La ley de Ampere establece que la integral de línea de B•dS alrededor de cualquier trayectoria cerrada es igual a µ0I, donde I es la corriente estable total que pasa a través de cualquier superficie limitada por la trayectoria cerrada.
∫ B.∂s = µ
0
I
Donde µ0 es la permeabilidad del espacio libre y tiene un valor igual a 4Π x 10-7 Wb/A•m
Ley de Inducción de Faraday. La fem inducida en un circuito es directamente proporcional a la rapidez de cambio del flujo magnético a través del circuito. E = −N
∂φ ∂t
Construcción del Motor de Inducción Un motor de inducción tiene un estator igual al de una máquina sincrónica pero su rotor tiene una construcción diferente. Hay dos tipos diferentes de rotores para motores de inducción. Uno se conoce como rotor de jaula de ardilla o simplemente rotor de jaula y el otro como rotor devanado.
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Constitución del Motor de Inducción Trifásico
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Motor con Rotor Bobinado
Motor con Rotor Jaula de Ardilla
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Motor con Rotor en Doble Jaula de Ardilla El rotor en estos motores esta constituido por dos jaulas, una externa de menor sección y material de alta resistividad, y otra interna de sección mayor y material de baja resistividad. Ambas jaulas están separadas entre si en cada ranura por medio de una delgada rendija que aumenta el flujo de dispersión en la jaula inferior. De este modo se consigue una jaula exterior de alta resistencia y baja reactancia y una jaula interior de baja resistencia y baja reactancia. En el arranque (la reactancia predomina sobre la resistencia, pues f es grande) la corriente fluye en su mayor parte por la jaula exterior (menos reactancia). A la velocidad nominal (la resistencia predomina sobre la reactancia, f es muy pequeña) la corriente fluye en su mayor parte por la jaula interior (menor resistencia) Con todo esto se consigue que en el arranque la resistencia sea alta, lo que implica alto par de arranque y baja intensidad de corriente y a la velocidad nominal como la resistencia es baja se tiene un buen rendimiento.
Motor con Rotor de Ranuras Profundas Un efecto análogo al anterior se obtiene mediante un rotor de barras profundas, ocupadas por barras altas y profundas, donde debido al efecto auto inductivo y de focault, la corriente se distribuye de forma diferente en arranque y en el funcionamiento de trabajo
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El Campo Magnético Giratorio. Antes de aprender como el campo magnético rotatorio hace que el motor gire, primero se debe saber como se produce este campo. En el esquema aparece un estator trifásico al cual se le aplica una corriente alterna proveniente de una fuente trifásica. Los dos bobinados de cada fase están devanados en el mismo sentido. En todo instante el campo magnético producido por una de las fases en particular depende de la intensidad de corriente en esa fase. Si la intensidad es cero, el campo magnético también será cero. Si la intensidad es máxima, el campo magnético tendrá una fuerza máxima. Como las intensidades de los tres bobinados tienen una diferencia de fase de 120°. Los tres campos magnéticos existentes en un instante dado se combinan para producir un solo campo que acciona sobre el rotor. En la figura de abajo que se muestra a continuación se verá que de un instante al siguiente, los campos magnéticos se combinan para producir un campo magnético resultante cuya posición varía un cierto ángulo. Al completarse un ciclo de c.a. el campo magnético se habrá desplazado 360°, o sea una revolución.
V
VA
VB
VC
A
C
B
t CFE
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Voltaje Trifasico Balanceado A
B
C
A
B
C
A
B
1.2
1
0.8
0.6
0.4
Vm ax
0.2
0 0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
330
360
390
420
450
480
510
540
570
600
630
660
690
720
750
780
810
840
870
900
930
960
-0.2
-0.4
-0.6
-0.8
-1
-1.2
A
VA B´ 120°
120°
A A´ B B´ C C´ VC
C´
120°
VB
B
C A´
Sistema de voltajes trifásicos producido por C.F.E., devanado de motor trifásico y campo magnético Bnet producido por los conductores
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990
Rotación del campo magnético secuencia ABC A
A
A
B´
C´
B´
C´
B´
C´ B
B
C
C´
B´
A
A
A
B´
C´
C´
B´
C C
B
C A´
A´
A´ 90°
157.5°
225°
B
B
B C
C
A´
A´
292.5°
360°
A´ 427.5°
Rotación del campo magnético secuencia ACB A
A
A
C´ C´
B´
B
B A´ 90°
B A´ 157.5°
B´
C´
C
B
A
B´
B´ C´
C´
C C
A
A
B´
C´
B´
C A´ 225°
C
C
A´ 292.5°
B A´ 360°
B
A´ 427.5°
Con esto se llega a la conclusión de que, aplicando CA trifásica a tres bobinas distribuidas simétricamente en torno al estator, se produce un campo magnético giratorio.
El Concepto de Deslizamiento del Rotor El voltaje inducido en una barra del rotor de un motor de inducción depende de la velocidad relativa del rotor con respecto al campo magnético. Puesto que el comportamiento del motor de inducción depende de los voltajes y las corrientes del rotor, resulta más lógico hablar de esta velocidad relativa. Para definirla se utilizan comúnmente dos términos. Uno de ellos es la velocidad de deslizamiento, que se define como la diferencia entre la velocidad sincrónica y la velocidad del rotor:
ndes = ns − nR
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ndes = Velocidad de desplazamiento de la maquina ns= Velocidad del campo magnético (sincrónica) nR = Velocidad mecánica del rotor El otro término que se utiliza para describir el movimiento relativo es el deslizamiento, que corresponde a la velocidad relativa expresada en por unidad o en porcentaje. Es decir, el deslizamiento se define como:
s=
n des ( x100 % ) ns
n − nR s = s ns
( x100 % )
Frecuencia Eléctrica del Motor Un motor de inducción trabaja con base en voltajes inducidos en el rotor y por esta razón en algunas oportunidades se le ha llamado transformador giratorio. Lo mismo que un transformador, el primario (estator) induce un voltaje en el secundario (rotor), pero a diferencia del transformador, la frecuencia en el secundario no es necesariamente la misma frecuencia que hay en el primario. Si se bloquea el rotor del motor de tal manera que no se pueda mover, entonces su frecuencia será igual a la del estator, en otro caso, si el rotor gira a velocidad sincrónica, su frecuencia será cero. a n R = 0 rpm, la frecuencia del rotor es f R = f e, y el deslizamiento es s = 1. a n R = n s, la frecuencia es f R = 0 y el deslizamiento es s = 0. Para una velocidad intermedia entre estas dos.
f R = sfe fR =
ns − nR ns
( fe )
fR =
p 120
(n s
− nR
)
Existen diferentes formas de esta expresión, todas ellas utilizables.
Selección de velocidades nominales de motores de inducción de jaula de ardilla o de rotor devanado. Dado que el deslizamiento de la mayor parte de los motores comerciales de inducción de jaula de ardilla, a la velocidad nominal en general de alrededor de un 5%, no se pueden alcanzar velocidades mayores a 3600 r.p.m. A 60 Hz, las velocidades son muy múltiplos de los inversos del números de polos en el estator: 1800, 1200, 900, 720 r.p.m. Etc. En general, se prefieren los motores de alta velocidad a los de baja velocidad, de la misma potencia y voltaje, debido a que: 36
• • • • •
Son de tamaño menor y en consecuencia de menor peso Tienen mayor par de arranque Tienen mayores eficiencias A la carga nominal, tienen mayores factores de potencia Son menos costosos.
Por estas razones se suele dotar de cajas de engranes o embrague a los motores de inducción de jaula de ardilla para permitir velocidades de eje de cerca sobre 3600 r.p.m. y por debajo de 200 r.p.m. En muchos usos o aplicaciones comerciales particularmente en capacidades de menor potencia, la caja de engranes o de embrague va incorporada en la caja del motor, formando unidad integral con este.
Efecto de la variación de voltaje sobre la velocidad de un motor de inducido de jaula de ardilla o de rotor devanado. Si solo hacemos variar el voltaje del estator no se produce una variación correspondiente en el deslizamiento y la velocidad. Entonces si los demás factores permanecen constantes, el par del motor es directamente proporcional al cuadrado del voltaje. Esto significa que si se aumenta el voltaje en el estator, se produce un aumento mucho mayor en el par y, correspondientemente, una reducción en el desplazamiento, es decir el deslizamiento varía inversamente con el cuadrado del voltaje o en proporción al inverso del par. Para fines de cálculo, podemos resumir la relación entre par y voltaje de estator como sigue:
En el cual el subíndice "n" representa el nuevo valor, el subíndice "o" representa el valor original. El cálculo del deslizamiento con un cambio en el voltaje del estator (y del rotor) es un tanto más complejo, porque el deslizamiento varía también con la resistencia del rotor, el voltaje del estator y/o el par. La relación se puede resumir de la siguiente forma: para la cual se ha definido previamente los símbolos y subíndices.
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El siguiente ejemplo muestra que tanto resiste la velocidad de un motor comercial de inducción de jaula de ardilla a un cambio de voltaje en el estator. Como se muestra en la parte (d) de ese ejemplo, cuando se reduce 10 % el voltaje del estator, tan solo produce ¡una disminución de 1.23% en la velocidad! Ejemplo Un motor de jaula de ardilla trifásico, 10hp, cuatro polos, 220 V, produce un par de 30 lb pie a la velocidad nominal de 1710 r.p.m. a) Calcular el desplazamiento y velocidad nuevos a un voltaje aplicado en el Estator igual a 242 V, b) Repetir parte (a) a 198 V. c) El cambio porcentual en el deslizamiento y velocidad debido a un cambio de Voltaje en la parte (a) d) El cambio porcentual en el deslizamiento y velocidad debido a un cambio de Voltaje en la parte (b)
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Motores conectados a La red Eléctrica Variaciones de la tensión V y de la frecuencia de la tensión f, en Hz, en la red de un motor trifásico de devanado normal: Variaciones de la tensión a frecuencia constante, el par de arranque y el par motor máximo varía con el cuadrado de la tensión. La intensidad de arranque varía proporcionalmente con la tensión, con variaciones de ± 5 % se obtiene la potencia nominal. Variaciones de la frecuencia con tensión constante, los valores absolutos de los pares de arranque y motor máximo varían en forma inversamente proporcional con el cuadrado de la frecuencia. La intensidad de arranque varia inversamente proporcional con la frecuencia, con variaciones de ± 5 %, se puede entregar la potencia nominal. Variaciones de la tensión y la frecuencia, si varía la tensión y la frecuencia en el mismo sentido y proporción, varían las revoluciones y la potencia proporcionalmente con la frecuencia. Pueden conectarse por lo tanto motores con arrollamiento normal, aun en redes cuyas características se apartan en ± 5 % de la placa de características.
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Producción de Par en un Motor de Inducción Par es una fuerza de torsión o giro que causa que un objeto rote. Por ejemplo, una fuerza aplicada al final de una palanca causa un efecto de giro o par en el punto pivote. Par (τ) es el producto de la fuerza por el radio (distancia de la palanca). τ = Fuerza x Radio En el sistema inglès, el Par es medido en libras-pies (lb-pie) y en libras-pulgadas (lb-in). Por ejemplo si 10 libras de fuerza son aplicadas con una palanca de 1 pie
de largo, entonces habrá un Par de 10 lb-pie. Un incremento en la fuerza o radio daría como resultado un incremento correspondiente en Par. Si se incrementa el radio a 2 pies, por ejemplo, el resultado del Par sería 20 lb-ft.
Si a un motor de inducción de jaula de ardilla, se le aplica al estator un sistema trifásico de voltajes, por sus devanados circula un sistema trifásico de corrientes. Estas corrientes producen un campo magnético Bnet. La velocidad de rotación de este campo magnético está dada por
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Comentarios sobre la curva par velocidad del motor de inducción. • •
•
El par es producido por un motor de inducción a velocidad sincrónica es cero. La curva par-velocidad es prácticamente lineal entre vacio y plena carga. En este rango, la resistencia del motor es mucho mayor que su reactancia, y por lo tanto, la corriente del rotor y el par producido crecen linealmente al aumentar el deslizamiento. Existe un par máximo posible que el motor no puede sobrepasar. Este par se denomina par máximo desarrollado o par de desenganche y es de dos a tres veces el par nominal del motor.
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• •
El par de arranque del motor es ligeramente mayor que su par de plena carga, así el motor debe poder arrancar arrastrando cualquier carga, hasta la nominal. Para un deslizamiento dado, el par del motor varía con el cuadrado del voltaje aplicado. Este hecho es utilizado para controlar la velocidad del motor.
Trabajo Siempre que una fuerza de cualquier tipo de causas de movimiento, el trabajo es completado. Por ejemplo, el trabajo es completado cuando un objeto en una cinta transportadora es movido de un punto a otro.
Trabajo es generalmente expresado en pies-libras y esta definido por el producto de la fuerza neta (F) aplicada y la distancia (d) movida. Si el doble de la fuerza es aplicada, el doble del trabajo es hecho. Si un objeto se mueve le doble de distancia, el doble de trabajo es hecho. W=Fxd
Potencia La potencia es la taza del trabajo hecho, o trabajo dividido por el tiempo. Potencia = Fuerza x Distancia Tiempo Potencia = Trabajo Tiempo En otras palabras, la potencia es la cantidad de trabajo que toma para mover el paquete de un punto a otro punto, dividido por el tiempo.
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Caballaje La potencia pude ser expresada en libras-pie por segundo, pero frecuentemente se expresa en HP. Esta unidad fue definida en el siglo 18 por James Watt. Watt vendió la energía de vapor y fue cuestionado que con cuantos caballos podrían reemplazar la energía de vapor. El tenía caballos caminando alrededor de una rueda que levantaba un peso. Encontró que cada caballo promediaba alrededor de 550 libras-pie de trabajo por segundo. Un caballaje es equivalente a 550 librapie por segundo o 33,000 libra-pie por minuto.
La siguiente formula se puede usar para calcular los HP cuando conocemos el par en libras-pie y la velocidad en RPM. Un incremento en el par, o en la velocidad, o en ambas, causa un incremento en los HP.
HP = T x RPM 5250
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HP y kilowatts Los motores AC fabricados en Estados Unidos son generalmente expresados en HP. Los equipos fabricados en Europa generalmente están especificados en kilowatts (KW). Los HP pueden ser convertidos a kilowatts con la siguiente formula. KW = .746 x HP Por ejemplo, un motor de 25 HP es equivalente a 18.65 KW. 18.65 KW = .746 x 25 HP Kilowatts pueden ser convertidos a HP con la siguiente formula: HP = 1.341 x KW La formula de potencia para un sistema monofásico es KW = V x I x FP 1000 La formula de potencia para un sistema trifásico es: KW = 1.732 x V x I x FP 1000
El factor de Potencia Los motores de inducción por su simplicidad de construcción, su velocidad prácticamente constante, su robustez y su costo relativamente bajo, son los motores más utilizados en la industria. Sin embargo, tienen el inconveniente de que aún en óptimas condiciones, consumen potencia reactiva (kVAR) por lo que son una de las causas principales del bajo factor de potencia en las instalaciones industriales. El factor de potencia es indicativo de la eficiencia con que se está utilizando la energía eléctrica para producir un trabajo útil. Se puede definir como el porciento de la relación de la potencia activa (kW) y la potencia aparente o total (kVA).
Un bajo factor de potencia significa energía desperdiciada y afecta a la adecuada utilización del sistema eléctrico. Por esta razón en las tarifas eléctricas, se ofrece una reducción en las facturas de electricidad en instalaciones con un factor de potencia mayor del 90% y también se imponen cuotas a manera de multas si el factor de potencia es menor que la cifra señalada. Un usuario operando con un factor de potencia de 80%, valor que se encuentra con frecuencia en instalaciones industriales, tiene que pagar un recargo del 7.5% sobre el monto de su cuenta de electricidad, recargo que puede alcanzar la cantidad de 120%, en el caso extremo de tener un factor de potencia del 30%. 44
Ya que Ios motores de inducción son una de las causas principales del bajo factor de potencia se pueden tomar las siguientes medidas con respecto a éstos para corregirlo: • • • • • •
Selección justa del tipo, potencia y velocidad de los motores que se instalan Empleo de motores trifásicos en lugar de monofásicos Aumento de la carga de los motores a su potencia nominal (evitar sobredimensionamiento del motor) Evitar el trabajo prolongado en vacío de los motores Reparación correcta y de alta calidad de los motores Instalación de capacitores en los circuitos con mayor número de motores o en los motores de mayor capacidad
Corregir el bajo FP en una instalación es un buen negocio, no sólo porque se evitarán los cargos en la facturación que esto origina sino porque los equipos operan más eficientemente, reduciendo los costos por consumo de energía.
Circuito Equivalente de Parámetros En el circuito del motor de inducción se puede hacer algo similar a lo efectuado en el transformador: los voltajes corrientes e impedancias del lado del secundario se pueden referir al lado del primario por medio de la relación de espiras. De esta manera el modelo equivalente de un motor de inducción trifásico quedaría de la manera siguiente:
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Determinación de Parámetros del Motor de Inducción. Para calcular todos los parámetros del modelo del motor de inducción que se vio en la sección anterior se realizan dos tipos de pruebas: a) La prueba de vacío. b) La prueba de rotor bloqueado.
Prueba de vacío. Con esta prueba se obtienen los valores de RM y XM (rama de excitación), la prueba se realiza aplicando el voltaje nominal al rotor y estando en vacío (la flecha deberá estar liberada de toda carga mecánica). Se miden los valores de corriente en vacío y de potencia en vacío.
Prueba de rotor bloqueado. Para esta prueba existen dos modalidades. Una es la prueba de rotor bloqueado a tensión plena y la otra es la prueba de rotor bloqueado a tensión reducida.
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Prueba de rotor bloqueado a TENSIÓN PLENA. Esta prueba sirve para determinar las reactancias saturadas, es decir, el modelo de arranque del motor. Los datos a obtener son: la corriente y la potencia del motor cuando este está frenado y con la tensión de línea nominal.
Prueba de rotor bloqueado a TENSIÓN REDUCIDA. Esta prueba sirve para determinar las reactancias no saturadas, es decir, el modelo de marcha del motor. Las condiciones para esta prueba son: 1.- El rotor debe estar bloqueado. 2.- Hay que obligar al motor a que tome su corriente nominal. En ambas pruebas se determinan RE, RR’, XE y XR’, de cada uno de los modelos (arranque y marcha).
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Terminales y Devanados de Los Motores Trifásicos. Los motores trifásicos se pueden diferenciar por el número de terminales que tienen; obviamente este número debe ser una potencia de 3, La NEMA (Asociación Americana de Fabricantes de Equipo Eléctrico) clasifica a los motores según la cantidad de terminales y los más usuales son los de 3,6,9 y 12 terminales. Para dar la numeración al diagrama eléctrico del motor la NEMA dice que las terminales se enumeran a favor de las manecillas del reloj de afuera hacia adentro de las fases.
Motor de 3 terminales. Este tipo de motores tiene como característica principal que sólo funcionan a una tensión de servicio. A continuación se presentan los dos tipos de conexiones que pueden tener los motores trifásicos de tres terminales:
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Motor de 6 terminales. Este tipo de motores también opera con una sola tensión de servicio, pero ahora la ventaja es que se puede conectar ya sea en delta o en estrella, según las necesidades. La identificación de terminales es la siguiente:
Como se pudo observar en la figura, la numeración para las terminales se hace a favor de las manecillas del reloj, y partiendo de las terminales que están por la parte exterior hasta las que están en la parte interior; esta es una norma que se utiliza para estandarizar la identificación de terminales de los devanados. Las conexiones en la caja de terminales de cada una de las configuraciones (delta o estrella) quedarían de la siguiente manera:
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Motor de 9 terminales. Este tipo de motor se puede conectar ya sea como una estrella gigante o como dos estrellas en paralelo; la conexión en delta no se utiliza. Puede trabajar con dos tensiones de servicio: o Para 220 V se conecta como 2 Y en paralelo. o Para 440 V se conecta como una estrella gigante. La identificación de las terminales de sus devanados quedaría así:
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Las conexiones en la caja de terminales para trabajar con las distintas tensiones de servicio se presentan en la siguiente figura.
Motor de 12 terminales los cuales se pueden conectar ya sea en delta o en estrella, y pueden trabajar también con dos voltajes de servicio; sus cuatro modos de operación (Estrella 220 V, Delta 220 V, Estrella a 440 V y Delta a 440 V).
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Devanados trifásicos. En el embobinado tanto de motores como de generadores se pueden encontrar diversas formas de colocar las bobinas en las ranuras del estator; dichas formas son:
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Embobinado imbricado: Se utiliza en motores trifásicos.
Embobinado concéntrico: Se usa en motores monofásicos (Principalmente) y trifásicos.
Ondulado: Se utiliza en generadores.
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Cuando en una ranura del estator se localizan dos lados de la bobina al devanado se le llama devanado en doble capa. Existen ciertos parámetros que se consideran al embobinar un motor trifásico. Dichos parámetros se refieren al número de polos, numero de ranuras por polo, numero de bobinas por grupo y grados por ranura, a continuación explicamos cada uno de ellos. Ancho de la bobina (AB). Se refiere al número de ranuras que cubren los polos magnéticos de cada una de las fases del sistema de alimentación trifásico. La ecuación para determinarlo es:
AB = Donde:
Q P
Q = numero de ranuras P = numero de polos
Grados eléctricos por ranura (°/Ranura) Primeramente se debe especificar que estos grados eléctricos son los del sistema trifásico, así un ciclo completo de cualquiera de las fases A, B o C representa los 360° eléctricos. De esta manera, a cada ranura se le asigna una cierta cantidad de grados eléctricos y dependiendo del número de ranuras y del número de polos, pudiera ser que estos grados eléctricos no tengan una relación 1:1 con los grados mecánicos que estamos acostumbrados a manejar, es decir, que quizá para los 360° mecánicos que forman el estator, la sumatoria de todos los grados eléctricos de las ranuras, pudiera ser igual a 720. La manera de calcular los grados eléctricos por ranura es:
0
180 o xP E / Ranura = Q
Numero de grupos polo-fase (g) A cada fase del sistema de alimentación le corresponden uno o más polos magneticos norte y sur. El número de grupos polo-fase es el total de polos magnéticos de las tres fases con las que se alimenta el motor y esta dado por:
g = mxP Donde:
m = Numero de fases
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Numero de bobinas por grupo (q ) Como se puede deducir, esto se refiere a la cantidad de bobinas que componen cada uno de los grupos que acabamos de mencionar.
Q # bobinas/ grupo= g Ejemplo: Desarrollar un devanado trifásico imbricado doble capa para un motor de 4 polos y 12 ranuras, conectarlo como un motor de 9 terminales. DATOS m = 3 fases P = 4 polos Q = 12 ranuras 9 Terminales CALCULOS: AB = Q/P = 12 / 4 = 3 ranuras g = m x P = 3 x 4 = 12 grupos °/Ranura = (180 x P)/12 = (180 x 4) / 12= 60° # bobinas/gpo = Q / g = 12 / 12 = 1 bobina
El devanado quedaría de la siguiente forma: NA1
1
2
T1
NB1 SA1 NC1 SB1 NA2
3
4
T2
5
T4
6
T3 T5
7
8
T7
SC1 NB2 SA2 NC2 SB2
9
T6
10
T8
X
11 1
12
T9
1
X
SC2
2
3
4
5
X
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En el ejemplo anterior, para cada una de las fases existen 4 polos magnéticos (2 norte y 2 sur), por lo tanto el campo magnético en el estator tendría una forma más o menos así:
Características de funcionamiento normal del motor de inducción en marcha (desde vacío hasta plena carga). Caso sin carga y vacío: Sin carga, el deslizamiento es muy pequeño y la frecuencia, reactancia del rotor, y la FEM inducida en éste son muy pequeñas. Por lo tanto la corriente en el rotor es muy pequeña y solo la suficiente para producir el par sin carga y por lo tanto la corriente en el estator es la suma fasorial de su corriente de excitación Iexc y un componente de carga primario Io inducido en el rotor por acción del transformador. Caso de media carga Al aplicar la carga mecánica al rotor, la velocidad disminuye un poco. La pequeña disminución de velocidad causa un aumento en el deslizamiento y en la frecuencia y reactancia del rotor, y en la FEM inducida en éste.
El aumento en la corriente inducida (secundaria) IR´ en el rotor se refleja como un aumento de corriente primaria en el estator Ie
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Condición de plena carga El motor de inducción de jaula de ardilla girará un valor de deslizamiento que proporciona un equilibrio entre el par desarrollado y el par aplicado. De tal manera, conforme se aplica más carga, el deslizamiento aumenta porque el par aplicado excede al par desarrollado. Cuando se aplica el valor nominal al eje del motor de inducción, el componente de la corriente del estator primario en fase que toma el motor de inducción es grande en comparación con la corriente sin carga, y el ángulo del factor de potencia es bastante pequeño. El factor de potencia a plena carga varía entre 0.8 en motores pequeños (1 HP) y 0.9 o 0.95, en los grandes motores de inducción (150 HP y superiores). Sobrecarga (más allá de plena carga) Se supondrá que el factor de potencia se aproxima a la unidad a mayores aumentos en la carga pero esto no es así porque: Con mayor carga y deslizamiento, la frecuencia del rotor continúa aumentando y el aumento en la reactancia del rotor produce una disminución en el factor de potencia. Considerando al motor de inducción como si fueran un transformador, se puede decir que el secundario del transformador tiene una carga en retraso, lo cual hace que el factor de potencia del primario se retrase por lo tanto cuando las cargas son mayores que la plena carga, el factor de potencia se aproxima a un máximo, para disminuir después rápidamente. En la siguiente gráfica se resumen los comportamientos del motor desde el vació (sin carga) hasta más allá de plena carga. Se observa que después de la falla o punto crítico (par máximo) la corriente de línea aumenta, pero el par disminuye debido a que la rapidez de disminución del factor de potencia es mayor que la rapidez del aumento de corriente. A cargas livianas, las pérdidas fijas relativamente grandes en proporción con la salida pequeña, producen una eficiencia baja. Con cargas grandes, las pérdidas variables relativamente grandes más las pérdidas fijas producen de nuevo baja eficiencia, no obstante la salida es alta. La eficiencia máxima se da en cargas moderadas, en las cuales las pérdidas fijas y variables son iguales y la potencia es aproximadamente igual al valor nominal.
Obsérvese que el par máximo se presenta bastante más allá del doble de la potencia nominal, en donde el deslizamiento crítico o de falla es aquella frecuencia del rotor a la cual la reactancia variable del rotor es igual a la resistencia de este.
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Arranque del motor de inducción Trifásico. En la mayor parte de las zonas si se cuenta con un motor pequeño de inducción de jaula de ardilla de unos cuantos caballos de fuerza se pueden poner en marcha directamente desde la línea con una caída de voltaje que es de poca importancia en la fuente de voltaje, y con un retardo pequeño o sin retardo para acelerarse a su velocidad nominal. Igualmente, los motores grandes de inducción de jaula de ardilla hasta de varios miles de HP, se pueden arrancar conectándolos directamente a la línea sin daños ni cambios indeseados de voltaje, siempre que las tomas de voltaje tengan una capacidad bastante alta. Aunque hay algunas excepciones entre las diversas clasificaciones de motores comerciales de inducción de jaula de ardilla, que necesitan normalmente seis veces el valor de su corriente nominal para arrancar cuando se aplica el voltaje nominal a su estator. En el instante de arranque la corriente del rotor está determinada por la impedancia de rotor bloqueado (Rr + jXlr). Así, el voltaje del estator se reduce a la mitad de su valor nominal, la corriente de arranque se reduciría en esa proporción, es decir a unas tres veces la corriente nominal. Pero la ecuación: Ts = Kt' Vp2 indica que si el voltaje de línea en el estator se reduce a la mitad de su valor, el par se reduce a la cuarta parte de su valor original. Por lo tanto se ha alcanzado la reducción deseable en la corriente de línea al motor al costo de una reducción indeseable y a un mayor par de arranque. Si el motor se arranca bajo carga grande, esto tiene cierta importancia y hay la probabilidad de que el motor pueda arrancar con dificultad o no arranque. Por otro lado si el motor se arranca sin carga, la reducción en el par puede no ser importante para algunos casos, y es ventajosa la reducción de la corriente. Las fluctuaciones frecuentes de voltaje pueden también afectar al equipo electrónico y a la iluminación al grado de que se necesite algún método alterno 58
para arrancar el motor de inducción, para limitar la corriente de arranque. Si las líneas que alimentan al motor de inducción de jaula de ardilla, tienen impedancias diferentes; los voltajes del estator pueden desbalancearse, desbalanceando severamente las corrientes en las líneas y originando que el equipo de protección deje al descubierto al motor. De hecho un desbaleance de 1 o 2 % en los voltajes de la línea del estator pueden originar un desbalance del 20 % en las corrientes de línea, presentando calentamiento localizado del motor y fallas del devanado
Arranque a voltaje reducido con autotransformador Se pueden poner en marcha los motores trifásicos comerciales de inducción de jaula de ardilla a voltaje reducido empleando un autotransformador trifásico único o compensador, o bien con tres autotransformadores monofásicos, como se muestra en la figura:
Las salidas del transformador varían del 50 al 80% del voltaje nominal. Si el motor no puede acelerar la carga a voltaje mínimo, se puede probar con salidas de mayor voltaje hasta que se obtenga el par adecuado y deseado de arranque; el interruptor de tres polos doble tiro se lleva a la posición de arranque y se deja ahí hasta que el motor ha acelerado la carga casi hasta la velocidad nominal. A continuación se pasa rápidamente a la posición de marcha, en la cual queda conectado el motor en la línea directamente. El arrancador compensador solo se utiliza durante el periodo de arranque y su capacidad de corriente se basa en ese trabajo intermitente, y por lo tanto es algo menor que la de un transformador de capacidad equivalente que podría emplearse para suministrar un motor de inducción en forma continua desde una fuente de mayor voltaje. El auto transformador funciona de dos maneras: Para reducir la corriente de arranque del motor mediante una reducción de voltaje. Reduciendo la corriente de arranque mediante la relación de vuelta del transformador bajo la cual la corriente de línea es menor que la del secundario del motor. Dado que la relación de vueltas representa también la relación de voltaje, por lo tanto se reduce la corriente de arranque de la línea, por consiguiente en proporción al cuadrado de la relación de vueltas.
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Arranque a voltaje reducido con resistor o reactor primarios. Si se introduce un resistor en serie con cada una de las conexiones del estator o primarias de la línea, la gran corriente de arranque produce una reducción inmediata de voltaje aplicado a las terminales del estator, pero la corriente de línea se reduce solo en proporción a la reducción del voltaje de línea. el siguiente esquema muestra un circuito con ese fin. Enseguida se muestra la curva desplazamiento - par del motor a plena carga. Empleando una resistencia o reactancia en el primario la reducción en el voltaje estator aumenta debido a la reducción en el voltaje del estator al momento de arrancar se produce la reducción en el par de arranque que se indica. Si este voltaje y la corriente en el primario fueran constantes, la curva del par motor seguiría la línea de puntos que aparece en la figura. Sin embargo a medida que acelera el motor, el voltaje a través del estator aumenta debido a la reducción en la corriente de línea y el par aumenta de acuerdo con el cuadrado el aumento del voltaje. El arranque a voltaje reducido mediante una resistencia en serie con el estator mejora el factor de potencia al arranque, pero se producen pérdidas algo mayores; y el par máximo no es tan grande para la misma impedancia en serie con un factor equivalente.
Arranque en estrella - delta La mayor parte de los motores polifásicos se devanan con sus estatores conectados en delta. Existen fabricantes que ofrecen motores de inducción con el principio y el final de cada devanado de fase en forma saliente, con fines de conexión externa. En el caso de motores trifásicos se pueden conectar a la línea ya se a en estrella o en delta cuando se conectan en estrella, el voltaje que se imprime al devanado es 1/ √3, ( 57.8%) del voltaje de línea. Por tanto mediante la conmutación como la que se muestra en la figura:
Es posible arrancar un motor con poco más de la mitad de su voltaje nominal y a continuación hacerlo trabajar en delta, con el voltaje nominal de línea y fase aplicados. Como el par varia de acuerdo con el cuadrado del voltaje impreso al estator la reducción del voltaje cuando se conecta en estrella producirá aproximadamente la tercera parte del par de arranque a pleno voltaje. La conmutación de estrella a delta se debe hacer tan rápidamente como sea posible para eliminar grandes corrientes transitorias debidas a la pérdida momentánea de potencia. Por este motivo, se emplean interruptores de tres polos doble tiro con tensión de resorte y acción instantánea, en lugar de interruptores de cuchillas. 60
Arranque con parte del devanado Frecuentemente se diseñan los motores polifásicos comerciales de inducción de jaula de ardilla con devanados parciales, es decir, dos devanados de fase idénticos, cada uno de los cuales produce el mismo número de polos y el mismo campo magnético giratorio. La ventaja de esos devanados es que se pueden conectar en serie para sistemas de alto voltaje o en paralelo con sistemas de menor voltaje en la siguiente figura, la corriente de arranque que resulta es un 65% de la normal de arranque, con los devanados en paralelo, y el par de arranque es aproximadamente el 45 % del par normal de arranque. Por lo tanto, el motor se pone en marcha con la mitad de sus devanados y conectando en estrella; cuando el motor llega a determinada velocidad, el segundo devanado se conecta en paralelo. Debido a que se tiene una baja pronunciada en la curva de par - deslizamiento durante el arranque con devanado parcial se haga cuando el motor de arranque bajo condiciones de carga ligera o sin carga, como el en caso de ventiladores, sopladores o taladros de banco.
Arranque del motor de inducción de rotor devanado. El par de arranque de estos motores se puede ajustar mediante una resistencia externa al rotor para dar pares de arranque que puedan llegar hasta el par máximo del motor. Como limita la corriente en el circuito del rotor y como da un mayor factor de potencia y par en el instante de arrancar, se reduce considerablemente la corriente de línea del estator.
Eficiencia De Los Motores Eléctricos El constante incremento de los costos de la energía eléctrica y las restricciones establecidas sobre la conservación del medio ambiente hicieron que en los países industrializados como Estados Unidos y algunos países europeos se dictaran políticas y se aprobaran legislaciones respecto al uso de la energía. Considerando que de la energía total generada en el mundo, aproximadamente el 60% la consumen los motores eléctricos y que el motor eléctrico más usado es el asincrónico de jaula de ardilla, surgió entre las medidas más prometedoras para el ahorro de la energía, establecer el incremento obligatorio de la eficiencia de estos
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motores. Esta idea fue reforzada cuando un estudio realizado en 1990 por el Departamento de Energía de los Estados Unidos de América mostró que para el año 2010, la industria podría ahorrar 240 mil millones de Kwh anualmente reemplazando motores y accionamiento de eficiencia estándar, por otro que fueran solo de 2 a 6% más eficientes. En los países Subdesarrollados, los compradores se concentran con frecuencia en el bajo costo inicial. No se comprende suficientemente que los motores y acondicionamientos con mayor eficiencia, aunque son más caros inicialmente, gracias a los costos de operación más bajos, compensan la diferencia en un plazo normalmente apropiado. Otra razón es la poca información que tienen los ingenieros y técnicos respecto a los motores de alta eficiencia. Este desconocimiento da inseguridad en el momento de la aplicación y en algunos casos puede ocasionar inconvenientes en la operación de los motores. Es importante entonces conocer cuales son las características electromecánicas de los motores de alta eficiencia, sus ventajas y las limitaciones que pueden presentar en su aplicación. Enseguida daremos a conocer las características principales de los motores de alta eficiencia, mencionar las ventajas y limitaciones que presentan y mencionar las condiciones más comunes en que su aplicación es aconsejable. Puede decirse que la eficiencia de un motor eléctrico es la medida de la capacidad que tiene el motor de convertir la energía eléctrica en energía mecánica. La potencia eléctrica correspondiente medida en watts (w) entra por los terminales del motor y la potencia mecánica medida en watts o HP que sale por el eje. La eficiencia (ηm) del motor puede expresarse como: Se calcula la eficiencia ηm del motor a su potencia nominal utilizando la fórmula siguiente: Ps ηm = ⋅ 100 Pe [%] Donde: Pe Potencia de entrada a la potencia nominal medida en kW. Ps potencia de salida corregida a la potencia nominal, en kW. Y como: Potencia mecánica de salida = Potencia eléctrica de entrada – Pérdidas
Naturaleza De Las Pérdidas En Los Motores Eléctricos Se tiene por pérdidas la potencia eléctrica que se transforma y disipa en forma de calor en el proceso de conversión de la energía eléctrica en mecánica que ocurre en el motor. Las pérdidas por su naturaleza se pueden clasificar en 5 áreas: pérdidas en el cobre del estator, pérdidas en el cobre del rotor, pérdidas en el núcleo, pérdidas por fricción y ventilación y pérdidas adicionales.
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Lo anterior lo podemos expresar mediante la siguiente fórmula: Psalida = Pentrada - Pperdidas Psalida = Pentrada - Pcobre estator - Ph+f - Protor rotación -Pbarras rotor- Pf+v- Pparasitas Donde: Pcobre = mIe2Re
(Pérdidas por efecto Joule)
Protor = mIR2RR La potencia que se convierte en mecánica en un motor de inducción es igual a:
P conv = τ ind ω
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Pérdidas en los conductores 2
Las pérdidas en los conductores se dividen en dos zonas: estator (Ie Re 2 en las bobinas del estator) y rotor (Ir Rr´ en los bobinados del rotor). Estas pérdidas dependen del cuadrado de la corriente.
Pérdidas en los conductores del estator (Ie2Re) Estas pérdidas son una función de la corriente que fluye en el devanado del estator y la resistencia de ese devanado. Son mínimas en vacío y se incrementan al aumentar la carga. En función del factor de potencia (FP), la corriente de línea en el estator puede expresarse como:
Cuando se desea mejorar el comportamiento del motor, es importante reconocer la interdependencia entre la eficiencia (ηm) y el factor de potencia (FP). Si se despeja el factor de potencia la ecuación se reescribe:
Por lo tanto si se incrementa la eficiencia, el factor de potencia tendrá a decrecer. Para que el factor de potencia permanezca constante, la corriente del estator debe reducirse en proporción al aumento de la eficiencia. Si se pretende que el factor de potencia mejore, entonces la corriente debe disminuir más que lo que la eficiencia aumente.
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La expresión hace evidente que las pérdidas en el estator IL Re serán inversamente proporcionales al cuadrado de la eficiencia y del factor de potencia. Adicionalmente las pérdidas en los conductores del estator dependen de la resistencia del bobinado. Para un motor dado la resistencia del bobinado es inversamente proporcional al peso del bobinado del estator, es decir a mas material conductor en el estator menos pérdidas.
Pérdidas en los conductores del rotor (Ir2Rr´) Son directamente proporcionales a la resistencia del bobinado rotórico, dependen del cuadrado de la corriente que circula en el bobinado rotórico (barras y
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anillos) y dependen del flujo magnético que atraviesa el entrehierro. Son prácticamente cero en vacío y se incrementan con el cuadrado de la corriente en el rotor y también se incrementan con la temperatura. Las pérdidas en el rotor se pueden expresar en función del deslizamiento:
Pms. : Potencia Mecánica de Salida Pf+v: Fricción y Ventilación S : Deslizamiento
Pérdidas en el núcleo magnético. Estas pérdidas tienen dos componentes, las pérdidas por corrientes de Eddy y las pérdidas por el fenómeno de histéresis, incluyendo las perdidas superficiales en la estructura magnética del motor. Las perdidas en el núcleo del rotor debido al flujo magnético principal, son virtualmente cero.
Pérdidas por Histéresis. Son causadas debido a la propiedad de remanencia que tienen los materiales magnéticos al ser excitados por un flujo magnético en una dirección. Como el flujo de excitación esta cambiando de dirección en el núcleo magnético, la remanencia hace que se forme el ciclo de histéresis, cuya área esta relacionada por la energía gastada en magnetizar y desmagnetizar el núcleo continuamente. Estas pérdidas dependen del flujo máximo de excitación, de la frecuencia de variación del flujo y de la característica del material que determina el ancho del ciclo de histéresis.
Pérdidas por corrientes de Eddy. Son causadas por las corrientes inducidas o corrientes de Eddy que circulan en las laminas magnéticas del núcleo estatórico las que son inducidas por el flujo magnético giratorio estatórico. En efecto de acuerdo a la ley de Faraday el campo magnético variable en el tiempo crea campos eléctricos de trayectoria cerrada en el núcleo magnético y como el acero es un material conductor estos campos hacen circular corrientes (corrientes de Eddy) a través de su trayectoria cerrada, por esta razón el núcleo magnético se hace de láminas magnéticas. Por lo tanto estas pérdidas dependen del flujo magnético máximo, de la frecuencia de variación del flujo magnético y de la resistividad del acero magnético.
Pérdidas por fricción y ventilación. Las pérdidas por fricción y ventilación son debidas a la fricción en los rodamientos y a las pérdidas por resistencia del aire al giro del ventilador y de otros elementos rotativos del motor. La fricción en los rodamientos es una función de las dimensiones de este, de la velocidad, del tipo de rodamiento, de la carga y de la lubricación usada. Estas pérdidas quedan relativamente fijadas para un tipo de diseño, y debido a que constituyen un porcentaje pequeño de las pérdidas totales 65
del motor, los cambios que se pueden hacer en el diseño para reducirlas no afectan significativamente la eficiencia del motor.
Pérdidas adicionales en carga. Son pérdidas residuales difíciles de determinar por medio de mediciones directas o de cálculos. Estas pérdidas están relacionadas con la carga y general mente se suponen que varían con el cuadrado del momento de salida. La naturaleza de estas pérdidas es muy compleja. Están en función de muchos factores de diseño y de fabricación del motor. Algunos de los elementos que influyen en estas pérdidas son: el diseño del devanado, la relación entre la magnitud del entrehierro y la abertura de las ranuras; la relación entre el número de las ranuras del estator y del rotor, la inducción en el entrehierro; las condiciones en la superficie del rotor, el tipo de contacto superficial entre las barras y las laminaciones del rotor.
Distribución de las pérdidas. Dentro de un intervalo limitado de eficiencia, las distintas pérdidas analizadas son independientes unas de las otras. Sin embargo, cuando se procuran mejoras sustanciales en la eficiencia, se encuentra que las mismas están fuertemente entrelazadas. El diseño final de un motor es un balance entre las eficiencias pérdidas, con el objetivo de obtener una eficiencia elevada y aun poder satisfacer otros requerimientos operacionales como el momento de arranque, la corriente de arranque, el momento máximo y el factor de potencia. La forma en que se distribuye relativamente estas pérdidas depende del tipo y tamaño del motor y, para tener una idea general, en la Tabla 1 se muestra como se distribuyen las pérdidas en motores de diseño NEMA B de distinta potencia nominal. En esta tabla se puede evidenciar que a potencia nominal resulta relativamente amplio el intervalo que varia cada una de las pérdidas dependiendo de la potencia del motor. Distribución típica de pérdidas en los motores diseño NEMA B. Potencia en HP 5 50 Tipo de pérdidas % Pérdidas % Pérdidas Conductores Estator 40 38 Conductores Rotor 20 22 Núcleo Magnético 29 20 Fricción + Ventilación 4 8 Adicionales en carga 7 12 % Eficiencia 83 90.5
Potencia en HP Tipo de pérdidas Conductores Estator Conductores Rotor
100 % Pérdidas 28 18
200 % Pérdidas 30 16
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Núcleo Magnético Fricción + Ventilación Adicionales en carga % Eficiencia
13 14 27 91.5
15 10 29 93
Es importante para los diseñadores entender la forma en que se distribuyen las pérdidas con el objetivo de realizar cambios para aumentar la eficiencia del motor. Distribución de pérdidas promedio para los motores diseño NEMA B Componente de pérdidas % de en el motor pérdidas totales Pérdidas Conductores Estator 37 Perdidas Conductores Rotor 18 Pérdidas Núcleo Mágnetico 20 Perdidas Fricción + Ventilación 9 Perdidas adicionales en carga 16
Motores De Alta Eficiencia Aunque no existe una definición unificada mundialmente sobre lo que es un motor de alta eficiencia, una revisión histórica de su desarrollo nos permite tener una noción mas clara de este concepto.
Desarrollo de los Motores de Alta Eficiencia Hasta el año 1960 los diseñadores y fabricantes de motores de inducción siguieron la tendencia de diseñar los motores con el objetivo de conseguir una alta eficiencia, a pesar de que en ese entonces los materiales no tenían un gran desarrollo el diseño electromagnético centrado en la eficiencia consiguió que se fabriquen motores de eficiencias aceptables. El bajo costo de la energía eléctrica en aquella época hacia que la eficiencia no fuera un parámetro que incidiera en los costos de operación. Por eso durante el periodo de 1960 hasta 1975 los fabricantes cambiaron su tendencia y se centraron a diseñar motores para conseguir un costo mínimo, sobre todo en el rango de 1 a 250 HP. Con este objetivo se disminuyo la cantidad de material activo, y los materiales fueron seleccionados para cumplir mínimos requerimientos de eficiencia. En este contexto en 1977 NEMA recomendó marcar la placa de los motores trifásicos con una EFICIENCIA NOMINAL NEMA.
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Rangos de eficiencia para motores trifásicos de Diseño NEMA B HP 5 10 25 50 75 100 150 200 250
Rango de Eficiencia Nominal 78-85 81-88 85-90 88-92 89.5-92.5 90-93 91-93.5 91.5-94 91.5-94.5
Eficiencia Nominal Promedio 82 85 88 90 91 91.5 92.5 93 93.5
La crisis energética que ocurrió en la década del 70 hizo que los costos de la energía eléctrica empiecen a incrementarse a un ritmo de aproximadamente 12% anual. En este contexto los costos de operación de un motor por consumo de energía hicieron que la eficiencia sea un parámetro importante en la selección del motor. En este contexto en el año 1974 algunos fabricantes empezaron a usar métodos para diseñar motores con una eficiencia mayor que la exigida por la Norma NEMA. Así se diseño una línea de motores de alta eficiencia con perdidas 25% menores que el motor promedio diseño NEMA B, esto se llamo la primera generación de motores de alta eficiencia. Luego del desarrollo de esta primera generación de motores de alta eficiencia, muchos fabricantes entraron en la tendencia de diseñar motores con el objeto de obtener una alta eficiencia, usando un diseño, materiales y procesos de fabricación mejorados. En 1992 en USA se expidió el documento Energy Policy Act of 1992 (EPACT'92). En cuanto a los motores el EPACT cubre motores de inducción de jaula de ardilla de 1 a 200 HP, de 2,4 y 6 polos y de propósito general diseños nema A y B. cerrados (TEFC) o abiertos (ODP) En MÉXICO en Mayo de 1998 expidió la Norma Oficial Mexicana NOM-016ENER-1997 EFICIENCIA ENERGÉTICA DE MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA TRIFÁSICA, la cual da los limites de eficiencia, los métodos de prueba y marcado para motores de inducción tipo Jaula de ardilla de uso general entre 1 y 200 HP. Esta Norma entro en cumplimiento en junio de 1998. El ahorro de dinero al aplicar un motor de alta eficiencia se puede calcular usando la siguiente ecuación:
S : Ahorro en pesos por año HP : Potencia de placa en HP 68
L C T EA EB
:Porcentaje de carga del motor respecto a la potencia nominal. : Costo de la Energía en pesos por KWh : Tiempo de funcionamiento del motor en horas por año. : Eficiencia del motor estándar : Eficiencia del motor de alta eficiencia.
Administración de la demanda Las tarifas eléctricas para la industria, además del cargo por consumo de energía (kWh), hacen un cargo por demanda máxima (kW), que es importante en la facturación. La demanda es registrada por un medidor conforme a la potencia de todos los motores, lámparas y otros aparatos eléctricos, funcionando simultáneamente durante un lapso de 15 minutos. Evitar el arranque y la operación simultánea de los motores y otros equipos eléctricos sobre todo en el período de punta, lo que se traduce en ahorros significativos en monto de facturación. Por ejemplo considérese una instalación con una demanda de 700 kW que incluye la potencia de un grupo de motores de 50 CP que toman de la red 41 kW cada uno. Si este grupo de motores pudiera ser operado fuera del período de demanda máxima, el valor de la demanda se reduciría en casi 6%, lo cual representa una sensible reducción en el monto de facturación eléctrica. Otra opción es la de extender los turnos de trabajo, repartiendo la operación de los motores y otros equipos en más horas de labores, fuera del período de punta. Los cargos por consumo de energía eléctrica pueden ser prácticamente iguales pero por demanda máxima pueden reducirse de manera importante.
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Recomendaciones generales para el ahorro de energía en motores eléctricos 1. Elegir correctamente la potencia del motor. El rendimiento máximo se obtiene cuando éste opera entre el 75% y el 95% de su potencia nominal y cae bruscamente para cargas reducidas o cuando trabaja sobrecargado. Adicionalmente los motores de inducción a cargas bajas o en vacío tienen un factor de potencia muy bajo. 2. Seleccionar el motor de acuerdo con su ciclo de trabajo. Operar un motor para servicio continuo, en accionamientos de operación intermitente, con frecuentes arranques y paros, ocasiona una depreciación de sus características de operación y eficiencia. Además de que se puede dañar el aislamiento de los devanados por la elevación de la temperatura. 3. Seleccionar el armazón del motor, de acuerdo con el ambiente en que va a estar trabajando. Los motores abiertos son más sencillos y por lo tanto menos costosos, además de operar con mayor factor de potencia. Sin embargo, en condiciones adversas del medio, los motores cerrados serán los indicados. 4. Seleccionar correctamente la velocidad del motor. Si la carga lo permite prefiera motores de alta velocidad, son más eficientes y si se trata de motores de corriente alterna, trabajan con un mejor factor de potencia. 5. Utilizar motores de inducción trifásicos en Lugar de monofásicos. En motores de potencia equivalente, su eficiencia es de 3 a 5% mayor y su factor de potencia mejora notablemente. 6. Utilizar motores síncronos en lugar de motores de inducción. Cuando se requieren motores de gran potencia y baja velocidad la elección de un motor síncrono debe ser considerada. Compite en costo con uno de inducción de características similares, su eficiencia es de 1 al 3% mayor, su velocidad es constante y contribuye a mejorar el factor de potencia de la instalación. 7. Sustituir los motores antiguos o de uso intenso. Los costos de operación y mantenimiento de motores viejos o de motores que por su uso han depreciado sus características de operación, pueden justificar su sustitución por motores normalizados y de alta eficiencia. 8. Efectuar correctamente la instalación eléctrica y el montaje de los motores y su carga. Las Normas Técnicas de Instalaciones Eléctricas en su capítulo referente a motores, y las recomendaciones de los fabricantes son consulta obligada para asegurar el funcionamiento adecuado de los equipos. 9. Realizar en forma correcta la conexión a tierra de los motores. Una conexión defectuosa o la ausencia de ésta, puede poner en peligro la vida de los operarios si
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se presenta una falla a tierra. Además de ocasionar corrientes de fuga que no son liberadas por el equipo de protección con un dispendio de energía. 10. Evitar concentrar motores en locales reducidos o en lugares que puedan dificultar su ventilación. Un sobrecalentamiento del motor se traduce en una disminución de su eficiencia. 11. Corregir la caída de tensión en los alimentadores. Una tensión reducida en las terminales del motor, acarrea entre otros, un incremento de la corriente, sobrecalentamiento y disminución de su eficiencia. Las normas permiten una caída máxima del 3% (o del 5% en la combinación de alimentador y circuito derivado) pero es recomendable que no rebase el 1%. 12. Balancear la tensión de alimentación en los motores trifásicos de corriente alterna. El desequilibrio entre fases no debe excederse en ningún caso del 5%, pero mientras menor sea el desbalance, los motores operan con mayor eficiencia. 13. Compensar la energía reactiva demandada por los motores de corriente alterna más importantes o con mayor número de horas de funcionamiento, mejorando el factor de potencia de la instalación, con lo que se reducen las pérdidas de la potencia y de la tensión en los conductores. 14. Procurar que los motores síncronos funcionen con un factor de potencia cercano a la unidad, para mejorar el factor de potencia de la instalación. 15. Evitar hasta donde sea posible el arranque y la operación simultánea de motores, sobre todo los de mediana y gran capacidad, para disminuir el valor máximo de la demanda. 16. Utilizar arrancadores a tensión reducida, en aquellos motores que realicen un número elevado de arranques. Con esto se evita un calentamiento excesivo en los conductores y se logra disminuir las pérdidas durante la aceleración. 17. Utilizar arrancadores estrella-delta o de devanado partido, como alternativa de los arrancadores a tensión reducida cuando la carga impulsada no requiera de alto par de arranque. Son más económicos y eficientes en términos de energía, pero tienen el inconveniente de que el par de arranque se reduce notoriamente. 18. Sustituir en los motores de rotor devanado, los reguladores con resistencias para el control de la velocidad, por reguladores electrónicos más eficientes. En las resistencias se llega a consumir hasta un 20% de la potencia que el motor toma de la red. 19. Instalar arrancadores electrónicos en lugar de los reóstatos convencionales para el arranque de los motores de corriente directa. Permiten una mayor eficiencia en el arranque con el consiguiente ahorro de energía.
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20. Sustituir motores con engranes, poleas, bandas u otro tipo de transmisión, para reducir la velocidad del motor, por motores de velocidad ajustable con reguladores electrónicos. 21. Instalar motores de velocidad ajustable con reguladores aquellos accionamientos, en donde la carga sea variable y se ajustando la velocidad. Por ejemplo en sistemas de bombeo o deben suministrar caudales variables y que para hacerlo utilicen dispositivos de control. La eficiencia total del motor y su notablemente con ahorros importantes de energía.
electrónicos, en pueda controlar compresión que válvulas u otros carga se eleva
22. Evaluar la posibilidad de conectar la ventilación solamente durante las bajas velocidades, en aquellos motores de velocidad ajustable y ventilación separada provista por equipos auxiliares. Con esto se puede reducir el consumo de energía en el sistema de ventilación. 23. Preferir el acoplamiento individual, en accionamientos con un grupo de, motores, así se consigue mejor que cada motor trabaje lo más cerca posible de su máxima carga. 24. Acoplar directamente el motor a la carga siempre que el accionamiento lo permita. Con esto se evitan pérdidas en el mecanismo de transmisión. 25. Instalar acoplamientos flexibles en aquellos motores sometidos a un número elevado de arranques súbitos. Con esto se pueden atenuar los efectos de una alineación defectuosa, reducir los esfuerzos de torsión en la flecha del motor y disminuir las pérdidas por fricción. 26. Instalar equipos de control de la temperatura del aceite de lubricación de cojinetes de motores de gran capacidad a fin de minimizar las pérdidas por fricción y elevar la eficiencia. 27. Mantener en buen estado y correctamente ajustados los equipos de protección contra sobrecalentamientos o sobrecargas en los motores. Los protegen de daños mayores y evitan que operen con baja eficiencia. 28. Revisar periódicamente las conexiones del motor, junto con las de su arrancador y demás accesorios. Conexiones flojas o mal realizadas con frecuencia originan un mal funcionamiento del motor y ocasionan pérdidas por disipación de calor. 29. Mantener en buen estado los portaescobillas, escobillas, conmutadores y anillos colectores en motores de corriente directa, síncronos y de rotor devanado. Un asentamiento incorrecto de las escobillas sobre el conmutador en los anillos colectores, provoca sobrecalentamientos y pérdidas de energía. 30. Mantener bien ajustado y en óptimas condiciones el interruptor de arranque de los motores monofásicos de fase partida. El mal funcionamiento de este 72
accesorio que se emplea para desconectar el devanado de arranque (y el condensador en los motores de arranque por condensador) provoca un sobrecalentamiento en los conductores con una pérdida de energía y en caso extremo la falla del motor. 31. Mantener en óptimas condiciones los sistemas de ventilación y enfriamiento de los motores, para evitar sobrecalentamientos que puedan aumentar las pérdidas en los conductores del motor y dañar los aislamientos. 32. Verificar periódicamente la alineación del motor con la carga impulsada. Una alineación defectuosa puede incrementar las pérdidas por rozamiento y en caso extremo ocasionar daños mayores en el motor y en la carga. 33. Reparar o cambiar los ejes del motor y de la transmisión, si se han doblado por sobrecarga o por mal uso. Un eje en mal estado incrementa las pérdidas por fricción y puede ocasionar daños severos sobre todo en los cojinetes del motor. 34. Mantener en buen estado los medios de transmisión entre el motor y la carga, tales como: poleas, engranes, bandas y cadenas. Si estos no se encuentran en condiciones apropiadas o su instalación es incorrecta, pueden ocasionar daños importantes, además de representar una carga inútil para el motor. 35. Mantener en óptimas condiciones los cojinetes del motor. Una cantidad considerable de energía se pierde en cojinetes en mal estado o si su lubricación es inadecuada (insuficiente o excesiva). Repárelos o sustitúyalos si tienen algún desperfecto y siga las instrucciones del fabricante para lograr una correcta lubricación. 36. Realizar la inspección periódica del motor, incluyendo lecturas de corriente, potencia (kW), velocidad (rpm), resistencia de aislamiento, etc., con objeto de verificar si se mantienen en condiciones apropiadas de funcionamiento y eficiencia, y poder tomar acciones correctivas, cuando se requieran. 37. Efectuar rutinariamente la limpieza del motor, con el propósito de eliminar la suciedad, el polvo y objetos extraños, que impidan su óptimo funcionamiento. La regularidad con que ésta se realice dependerá de las condiciones en las que el motor este trabajando, pero es recomendable desmontarlo al menos una vez al año para realizar la limpieza completa de todos sus componentes. 38. Mantener actualizados los manuales de operación incorporando en éstos las modificaciones que tengan lugar.
de
los
motores,
39. Colocar carteles con instrucciones concretas para los operarios, con la finalidad de que los motores operen con la mayor seguridad y eficiencia.
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Como seleccionar un Motor Eléctrico Como hemos visto, no todos los motores pueden ser utilizados para toda clase de trabajo y cada actividad requiere un tipo de motor. Para elegir un motor hay que tener en cuenta:
La carga de trabajo (Potencia). La clase de servicio. El ciclo de trabajo. Los procesos de arranque, frenado e inversión. La regulación de velocidad. Las condiciones de la red de alimentación. La temperatura ambiente.
Fallas mas comunes de Los Motores Eléctricos Servicio de corta duración El motor alcanza el calentamiento límite durante el tiempo de funcionamiento prescrito (10-30-60 minutos), la pausa tras el tiempo de funcionamiento debe ser lo suficientemente larga para que el motor pueda enfriarse. Servicio intermitente Se caracteriza por periodos alternos de pausa y trabajo. Protección contra averías Si se daña un motor, deben tomarse en cuentas los siguientes factores: Clase de máquina accionada. Potencia efectiva que debe desarrollar, HP. Velocidad de la máquina movida, rpm. Clase de transmisión (Acoplamiento elástico o rígido), sobre bancada común o separada, correa plana o trapezoidal, engranajes, tornillos sin fin, etc. Tensión entre fase de la red. Frecuencia de la red y velocidad del motor. Rotor anillos rozantes o jaula de ardilla. Clase de arranques, directo, estrella triángulo, resistencias estatóricas, resistencias retóricas, auto transformador, etc. Forma constructiva. Protección mecánica. Regulación de velocidad. Tiempo de duración a velocidad mínima. Par resistente de la máquina accionada Sentido de giro de la máquina accionada mirando desde el lado de acoplamiento derecha, izquierda o reversible. Frecuencia de arranque en intervalos menores de dos horas. Temperatura ambiente si sobrepasa los 40 °C. Indicar si el motor estará instalado en áreas peligrosas: Gas, Humedad, etc.
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El motor funciona en forma irregular Avería en los rodamientos. La caja del motor está sometida a tensiones mecánicas. Acoplamiento mal equilibrado. No arranca Tensión muy baja. Contacto del arrollamiento con la masa. Rodamiento totalmente dañado. Defecto en los dispositivos de arranques. Arranca a golpes Espiras en contacto. Motor trifásico arranca con dificultad y disminución de velocidad al ser cargado Tensión demasiado baja. Caída de tensión en la línea de alimentación. Estator mal conectado, cuando el arranque es estrella triángulo. Contacto entre espiras del estator. Trifásico produce zumbido internamente y fluctuaciones de corriente en el estator Interrupción en el inducido. Trifásico no arranca o lo hace con dificultad en la conexión estrella Demasiada carga. Tensión de la red. Dañado el dispositivo de arranque estrella. Trifásico se calienta rápidamente Cortocircuito entre fases. Contacto entre muchas espiras. Contacto entre arrollamiento y masa. Estator se calienta y aumenta la corriente Estator mal conectado. Cortocircuito entre fases. Contacto entre arrollamientos y masa. Se calienta excesivamente pero en proceso lento Exceso de carga. Frecuencia de conexión y desconexión muy rápida. Tensión demasiado elevada. Tensión demasiado baja. Falla una fase. Interrupción en el devanado. Conexión equivocada. 75
Contacto entre espiras. Cortocircuito entre fases. Poca ventilación. Inducido roza el estator. Cuerpos extraños en el entrehierro. La marcha no corresponde al régimen señalado por la placa. Se requieren alojamientos, conexiones, sellos, sistemas de ventilación, diseño electromagnético, etc., especiales cuando el motor va a funcionar en condiciones inusitadas de servicio, como la exposición a: • • • • • • • • • • • • • • • • •
Polvos combustibles, explosivos, abrasivos o conductores. Condiciones de pelusa o mugre excesivas, en donde la acumulación de mugre y polvo podría entorpecer la ventilación. Vapores químicos o vapores y gases inflamables o explosivos. Radiación nuclear. Vapor, aire cargado de sal o vapores de aceite. Lugares húmedos o muy secos, calor radiante, infestación de plagas o atmósferas que favorezca el crecimiento de hongos. Choques, vibraciones o carga mecánica externa, anormales. Empuje axial o fuerzas laterales anormales sobre el eje del motor. Desviación excesiva de la intensidad de voltaje. Factores de desviación del voltaje de línea que excedan de 10 %. Desequilibrio mayor que el 1 % en el voltaje de línea. Situaciones en donde se requiere bajo nivel de ruido. Velocidades mayores que la velocidad máxima especificada. Funcionamiento en un cuarto mal ventilado, en fosas o con el motor inclinado. Cargas torsionales de impacto, sobrecarga anormales repetidas, funcionamiento en reserva o frenado eléctrico. Funcionamiento con la máquina impulsada parada con cualquier devanado excitado en forma constante. Operación con ruido muy bajo transportado por la estructura o en aire.
Cuidado con las reparaciones La reparación inadecuada de un motor puede ocasionar un incremento en las pérdidas y adicionalmente en los motores de corriente alterna, la reducción del factor de potencia. Todo esto conduce a una disminución de su eficiencia. Por ejemplo un motor que sufrió un desperfecto en su devanado y que por ello hay que rebobinarlo, puede disminuir su eficiencia considerablemente, si durante el proceso de reparación se presenta: • • • •
Calentamiento desmedido del hierro al quitar el devanado Daños en las ranuras al quitar el devanado dañado y montar el nuevo Diferente calidad y calibre del alambre Diferente número de vueltas
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• •
Daños a los cojinetes y mal alineamiento. Mayor tiempo de secado final.
Por esto es importante que cuando un motor sea reparado, los trabajos los efectúe personal calificado para garantizar que la compostura sea realizada correctamente y que los materiales empleados sean de calidad igualo superior a los originales. La misma atención se debe prestar a las partes eléctricas del motor, como a los componentes mecánicos, tales como los cojinetes, el eje y el sistema de ventilación o enfriamiento. Con frecuencia los daños que sufren los devanados tienen su origen en desperfectos mecánicos. Un motor mal reparado al ser instalado nuevamente, gastará mas energía que antes. Cuando los daños sean mayores puede resultar más económico sustituir un motor que componerlo. Evalúe técnica y económicamente la posibilidad de hacerlo y si lo decide, utilice motores de alta eficiencia.
Conclusión Los motores eléctricos son de suma importancia en la actualidad, debido a las diferentes aplicaciones industriales a los que son sometidos, es por ellos, que se deben tomar en cuenta todas las fallas que se presentan para el correcto funcionamiento de los mismos. Un motor cuando comienza a sobre trabajar, es decir, que trabaja por encima de sus valores nominales, va disminuyendo su periodo de vida; esto nos lleva a concluir que si no se realiza un buen plan de mantenimiento el motor no durará mucho. Un plan de mantenimiento debe realizarse tomando en cuentas las fallas que están ocurriendo en los motores. El resultado de este informe es presentar las aplicaciones de los motores eléctricos y las fallas que en ellos existen, pero debemos tener en cuenta que son conceptos que están íntimamente relacionados; Si no se conocen las fallas que se presentan en los motores eléctricos no se puede aplicar ningún plan de mantenimiento, lo que implica el mal funcionamientos de los mismo y no tendrían ninguna aplicación útil.
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Anexo 1 PLACA DE DATOS
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Los organismos que establecen la información que debe de contener una placa de datos en un motor eléctrico de inducción son: NEC ( National Electric Code) es un estándar para la instalación segura de cableado y de equipo eléctrico. NEMA (National Electrical Manufacturers Association) Estados Unidos La Asociación Nacional de Manufacturas Eléctricas es la asociación de comercio más grande en los Estados Unidos la cual representa los intereses de los fabricantes de la industria eléctrica. Fue fundada en 1926 y sus oficinas principales se encuentran cerca de Washington, D.C.. Los miembros son compañías fabricantes de productos eléctricos, utilizados en la transmisión, generación, distribución, control y utilización final de la energía eléctrica IEC (Internacional Electrical Comisión) Europa El campo de la normalización internacional se inició en el área electrotécnica en 1906, año en el que fue creada la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC), cuya sede se encuentra en Ginebra, Suiza. Fundada como resultado del Congreso Eléctrico Internacional que se llevó a cabo en la ciudad de St. Luis, USA en 1904. Durante el mismo fue tomada una resolución que señaló la necesidad de crear una comisión mundial que desarrollara y publicara normas para el sector eléctrico, electrónico y las tecnologías relacionadas con los mismos. A la fecha la IEC cuenta con 57 miembros, cada uno de ellos representando a un país, y que en conjunto constituyen el 95% de la energía eléctrica del mundo. Este organismo normaliza la amplia esfera de la electrotécnica, desde el área de potencia eléctrica hasta las áreas de electrónica, comunicaciones, conversión de la energía nuclear y la transformación de la energía solar en energía eléctrica. En los cuales la información principal es la siguiente: o o o o o o o o o o o
Voltaje nominal Corriente nominal para cada valor de voltaje Frecuencia Fases Velocidad a plena carga Clase de aislamiento Temperatura ambiente máxima HP Tiempo de operación Letra de código Fabricante
Además como Información complementaria: o Armazón 79
o o o o
Diseño Factor de servicio Eficiencia Factor de potencia
Amperes a factor de servicio cuando el FS excede 1.15 Para motores equipados con protectores térmicos deben de aparecer las palabras “thermally protected” Para motores arriba de 1 HP equipados con protectores de calentamiento deben de aparecer las siguientes palabras “OVER TEMP PROT” A continuación se describirá cada parámetro mostrado en la PLACA DE DATOS: VOLTS La NEMA establece lo siguiente: a) Motores universales – 115 y 230 Volts b) Motores monofásicos 60 Hz – 115,200 y 230 Volts 50 Hz – 110 y 220 Volts c) Motores polifásicos 60 Hz – 115*, 200, 230, 460, 575, 2300, 4,000, 4,600 y 6600 Volts Trifásicos, 50 Hertz- 220 y 380 Volts * Aplica sólo en motores menores de 15 Hp FRECUENCIA a) 50 Hertz b) 60 Hertz Los motores son diseñados con un +/- 5% de tolerancia permitiendo un buen funcionamiento del mismo FASES •
MONOFÁSICO (Hasta 20 HP en motores de doble capacitor)
•
TRIFÁSICO (1 a 4000 HP)
AMPERES
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Corriente que consume el motor en condiciones nominales de frecuencia, voltaje, velocidad y carga. FACTOR DE POTENCIA También representado como el cos θ, es la relación de watts con carga dividido entre los Volt-Amp a plena carga. El factor de potencia cambia, con la carga, es mínimo en vació y se incrementa al aplicar carga al motor. Lo podemos calcular a partir de la placa de datos de la siguiente manera. F.P.= (431*HP)/ (V*I*Eff) Donde: HP V I Eff
Caballos de Fuerza Voltaje Corriente Eficiencia
AMPERES A FACTOR DE SERVICIO Son los amperes que el motor consume, al factor de servicio, dado en la placa de datos. Por ejemplo: SF Amp.= Amp. Nom x F.S. Datos: Amp. Nom= 225.00 Amp. F.S= 1.15 225.00 x 1.15= 259.00 SF Amp.= 259.00
RPM Es la velocidad del rotor a la cual el motor debe operar bajo condiciones de plena carga cuando se aplica el voltaje y frecuencia nominales. CLASE DE AISLAMIENTO NEMA define a un SISTEMA DE AISLAMIENTO como un ensamble de materiales aislantes asociados con los conductores y las partes estructurales de soporte.
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Antes de que un motor arranque, su devanado esta a la temperatura de el ambiente, NEMA ha estandarizado una temperatura ambiente de 40° C o 104° F dentro de un rango de altitud definida para todas las clases de motores generalmente 1000 msnm CLASIFICACION DE LOS SISTEMAS DE AISLAMIENTO Se dividen en clases de acuerdo con la resistencia térmica del sistema para propósitos de la asignación de temperatura. Se utilizan cuatro clases de sistemas de aislamiento en motores y generadores, llamadas Clase A, B, F y H. Estas clases se establecen de acuerdo con el IEEE Std 1. o
CLASE
C ( 20,000 Hrs. Vida )
A
105
B
130
F
155
H
180
La clase F es la más comúnmente utilizada.
Cada clase de aislamiento tiene una elevación de temperatura permitida La temperatura ambiente juega un papel importante en la capacidad y selección del tamaño de armazón para un motor, parte importante del motivo es que la temperatura ambiente influye en la elevación permisible de temperatura por sobre los 40º C normales. Por ejemplo si un motor que trabaje a una temperatura ambiente de 75º C empleando aislamiento clase B tiene un aumento permisible de temperatura de tan solo 55º C. Si trabajara a su temperatura ambiente normal de 40 º C se podría permitir un aumento de temperatura de 90º C, sin dañar su aislamiento.
Temperatura del devanado del motor = Temperatura ambiente +elevación de la temperatura permitida
Por ejemplo un motor con aislamiento clase A tiene una elevación de temperatura máxima de 105 ° C cuando opera a un factor de servicio de 1.0 Entonces la temperatura máxima del devanado seria 145 °C (40 °C de la temperatura ambiente más 105 °C de la temperatura de elevación permitida).
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La temperatura de operación de un motor es importante para una operación eficiente y una larga vida. Si se opera un motor arriba de los límites de la clase de aislamiento se reduce la vida del motor. Un incremento de 10° c en la temperatura de operación puede decrecer la vida del aislamiento del motor tanto como un 50 %. TIEMPO DE SERVICIO Es el tiempo de operación del motor, el propósito general de los motores de inducción debe de ser para un servicio continuo. Los tiempos de operación estándar son de 5 min, 15 min, 30 min, 60 min y uso continuo. HP Es la potencia mecánica de salida nominal del motor cuando esta cargado con el par nominal y a la velocidad nominal. HP= (T * rpm)/ 5252 T es el par motor en Lb-Ft RPM es la velocidad del motor 5252 es una constante NEMA ha establecido el rango de HP. Rangos de Potencia desde 1 H.P. Hasta 4000 H.P. 1 1.5 2 3 5 7.5 10 15 20 25
30 40 50 60 75 100 125 150 200 250
300 350 400 450 500 600 700 800 900 1000
1250 1500 1750 2000 2250 2500 3000 3500 4000
LETRA DE CODIGO
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Cuando los motores de inducción son arrancados a voltaje pleno demandan una corriente mayor comparada con la de plena carga, por ejemplo en un motor estándar consumiría de 6 a 7 veces su corriente nominal al momento del arranque. La magnitud de esta corriente de arranque es función de los HP y las características de diseño del motor. Para poder determinar este valor de corriente NEMA a designado una Letra de Código para los KVA a rotor bloqueado por HP medidos a voltaje y frecuencia nominal. Con esta información podremos escoger adecuadamente el tamaño del arrancador que usaremos en nuestra instalación. Enseguida se mostrara la tabla con las designaciones de Letra de Código:
LETRA DE CODIGO A B C D E F G H J K L M N P R
KVA / HP 0.00 3.15 3.55 4.00 4.50 5.00 5.60 6.30 7.10 8.00 9.00 10.00 11.20 12.50 14.00
- 3.14 - 3.54 - 3.99 - 4.49 - 4.99 - 5.59 - 6.29 - 7.09 - 7.99 - 8.99 - 9.99 - 11.99 - 12.49 - 13.99 - 15.99
VALOR MEDIO 1.6 3.3 3.8 4.3 4.7 5.3 5.9 6.7 7.5 8.5 9.5 10.6 11.8 13.2 15.0
Con las siguientes formulas simplificadas podremos obtener resultados muy aproximados : LRA a 200 volts = Valor medio de la letra de Código * HP * 2.9 LRA a 230 volts = Valor medio de la letra de Código * HP * 2.5 LRA a 460 volts = Valor medio de la letra de Código * HP * 1.25 Ejemplo: Motor de Inducción Jaula de Ardilla de 100 HP 4 polos, 460 volts con Letra de Código F ¿calcular la corriente de arranque? 84
Como el motor tiene una alimentación de 460 volts : LRA a 460 volts = Valor medio de la letra de Código * HP * 1.25 De tabla, obtenemos los KVA / HP para una letra de código F : Valor medio para una letra de código F : 5.3 KVA / HP Sustituyendo: LRA a 460 volts = ( 5.3 KVA/HP ) * ( 100 HP ) * 1.25 LRA a 460 volts = 662.5 Amperes
ENCLAUSTRAMIENTO El enclaustramiento de un motor debe de proteger al embobinado, a los baleros y otras partes mecánicas de la humedad, de químicos y de daños mecánicos. También se hace notar que la hermeticidad del motor afecta a su capacidad. Un motor con una armazón totalmente abierta con un ventilador interno en su eje, permite un fácil paso de aire succionado y arrojado. Esta caja origina una temperatura final de trabajo en los devanados, menor en comparación que la de un motor totalmente cerrado que evita el intercambio de aire con el exterior. Esto da como resultado que existe una clasificación de los motores por el tipo de carcaza. Los tipos de enclaustramiento más comunes son los siguientes: •
Motores Abiertos
•
Motores Totalmente Cerrados
•
Motores a prueba de Explosión.
Sin embargo la NEMA reconoce los siguientes: •
•
carcaza a prueba de agua. Envolvente totalmente cerrada para impedir que entre agua aplicada en forma de un chorro o manguera, al recipiente de aceite y con medios de drenar agua al interior. El medio para esto último puede ser una válvula de retención o un agujero machuelado en la parte más inferior del armazón, para conectar un tipo de drenado. carcaza a prueba de ignición de polvos. Envolvente totalmente cerrada diseñada y fabricada para evitar que entren cantidades de polvo que puedan encender o afectar desempeño o capacidad.
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•
• •
•
•
•
•
carcaza a prueba de explosión. Envolvente totalmente cerrada diseñada y construida para resistir una explosión de un determinado gas o vapor que pueda estar dentro de un motor, y también para evitar la ignición de determinado gas o vapor que lo rodee, debido a chispas o llamaradas en su interior. carcaza totalmente cerrada envolvente que evita el intercambio de aire entre el interior y el exterior de ella pero que no es lo suficiente mente cerrada para poderla considerar hermética al aire. carcaza protegida al temporal. Envolvente abierta cuyos conductos de ventilación están diseñados para reducir al mínimo la entrada de lluvia o nieve y partículas suspendidas en el aire, y el acceso de estas en las partes eléctricas. carcaza protegida. Envolvente abierta en la cual todas las aberturas conducen directamente a partes vivas o giratorias, exceptuando los ejes lisos del motor, tienen tamaño limitado mediante el diseño de partes estructurales o parrillas coladeras o metal desplegado etc. Para evitar el contacto accidental con las parte vivas Carcaza a prueba de salpicaduras. Envolvente abierta en la que las aberturas de ventilación están fabricadas de tal modo que si caen partículas de sólidos o gotas de líquidos a cualquier ángulo no mayor de 100º con la vertical no puedan entrar en forma directa o por choque de flujo por una superficie horizontal o inclinada hacia adentro. Carcaza a prueba de goteo envolvente abierta en que las aberturas de ventilación se construye de tal modo que si caen partículas sólidas o gotas de líquido a cualquier ángulo no mayor de 15º con la vertical no pueda entrar ya sea en forma directa o por choque y flujo por una superficie horizontal o inclinada hacia adentro. Carcaza abierta envolvente que tiene agujeros de ventilación que permiten el flujo de aire externo de enfriamiento sobre y alrededor de los devanados de la máquina.
El costo y el tamaño de los motores totalmente cerrados es mayor que el de los motores abiertos, de la misma potencia y ciclo de trabajo y elevación sobre la temperatura ambiente.
FACTOR DE SERVICIO NEMA define al factor de servicio como un multiplicador, indicando los HP permisibles donde el motor seguirá trabajando en condiciones estables. Los Factores de Servicio Estándares son: • • •
1.0 1.15 1.25
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NEMA nos agrega las siguientes precauciones que se deben de tener en cuenta al usar el F.S. El funcionamiento a factor de servicio usualmente reduce la velocidad del motor, la vida y la eficiencia del mismo. El factor de servicio es establecido para funcionamiento a voltaje y frecuencia nominales, a una determinada temperatura máxima y a una altitud determinada sobre el nivel del mar ( por lo general 3300 pies ).
EFICIENCIA •
La eficiencia de los motores AC se expresa como un porcentaje.
•
Es una medida de que tanta potencia eléctrica de entrada (al devanado del estator) es convertida a potencia mecánica de salida (en la flecha).
•
un ahorro significativo en el costo de energía, una temperatura de operación baja, una vida larga, y niveles de ruido bajos son beneficios típicos de motores de alta eficiencia.
EFICIENCIA NOMINAL Y MINIMA GARANTIZADA La eficiencia es definida como el cociente de la potencia de salida entre la potencia de entrada. Eff= Potencia salida / Potencia de entrada Psalida = Pentrada - Pperdidas •
Las perdidas en los motores se manifiestan en forma de calor
•
NEMA establece los valores de eficiencia nominales y nos proporciona la eficiencia mínima asociada del motor.
Nosotros podemos obtener este parámetro consultando la tabla del NEMA conociendo la potencia nominal ( HP ) y el numero de polos o bien en la misma placa de datos del motor.
•
La eficiencia del motor no debe ser menor a la eficiencia mínima asociada cuando opera a valores nominales. Lo anterior lo podemos expresar mediante la siguiente fórmula: Psalida = Pentrada – Pperdidas
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Psalida = Pentrada - Pcobre - Ph+f - Protor - Ppar - Pf+v TAMAÑO DE ARMAZON •
Las dimensiones de los motores han sido estandarizadas con una numeración llamada tamaño de armazón.
•
Este sistema fue desarrollado por NEMA y especificalos tamaños de armazón que han sido asignadas a los motores estándar basados en el enclaustramiento HP y velocidad.
•
Actualmente las armazones estandarizadas paramotores de inducción son de la 143T a la 445T. Estos estándar cubren motores de 1 HP a 200 HP
•
Los primeros dos dígitos del numero de la armazónson iguales a cuatro veces la altura de la flecha en pulgadas, cuando el producto no es un numero entero, los primeros dos dígitos de la armazón deberán de ser el siguiente numero entero mayor.el tercer digito se obtiene de una tabla que la NEMA proporciona en sus estándares y se entra con la distancia que hay entre los agujeros de las bases.
LETRAS EN LA ARMAZON Deben de seguir al número de la armazón para denotar las variaciones de la siguiente manera: T
Dimensiones normales (uso general)
TS Flecha corta normal para conexión directa. TC Frente de montaje tipo C sobre el extremo de la transmisión. JM y JP Motores de bomba de acoplamiento inmediato con montaje tipo C. VP Motores Verticales de flecha sólida con brida de montaje tipo P. DISEÑO Los cambios en el diseño en el embobinado y el rotor alterara el funcionamiento de las características de los motores de inducción. Los motores son diseñados con ciertas características de par – velocidad para cumplir con lo requerimientos de la carga. Para obtener alguna uniformidad en la aplicación, NEMA ha creado diseños específicos de propósito general basados con las características de par de arranque, par máximo, deslizamiento y corriente de arranque
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Curva par velocidad Características de los motores comerciales de inducción de jaula de ardilla de acuerdo con la clasificación en letras NEMA. Par De Clase arranque Corriente Regulación NEMA (# de veces de de el Arranque Velocidad nominal) (%) A 1.5-1.75 5-7 2-4
Nombre de clase del motor
Normal
B
1.4-1.6
4.5-5
3.5
De propósito general
C
2-2.5
3.5-5
4-5
De doble jaula alto par
D
2.5-3.0
3-8
(5-8) - (8-13)
De alto par alta resistencia
F
1.25
2-4
mayor de 5
De doble jaula, bajo par y baja corriente de arranque.
DISEÑO CLASE A •
El motor clase A es un motor de jaula de ardilla normal o estándar fabricado para uso a velocidad constante.
•
Tiene grandes áreas de ranuras para una muy buena disipación de calor, y barras con ranuras ondas en el motor.
•
se tiene un par de arranque entre 1.5 y 1.75 veces el nominal (a plena carga).
•
El par de arranque es relativamente alto y la baja resistencia del rotor, producen una aceleración bastante rápida hacia la velocidad nominal.
•
Tiene la mejor regulación de velocidad pero su corriente de arranque varía entre 5 y 7 veces la corriente nominal normal, haciéndolo menos deseable para arranque con línea, en especial en los tamaños grandes de corriente que sean indeseables.
•
Tienen un deslizamiento a plena carga menor del 5%.
•
Algunas aplicaciones típicas de estos motores son: impulso de ventiladores, bombas, tornos y otras maquinas herramientas.
89
DISEÑO CLASE B •
los motores de clase B se les llama motores de propósito general es muy parecido al de la clase A debido al comportamiento de su deslizamiento-par.
•
Las ranuras de su motor están embebidas algo más profundamente que en los motores de clase A y esta mayor profundidad tiende a aumentar la reactancia de arranque y la marcha del rotor. Este aumento reduce un poco el par y la corriente de arranque.
•
Las corrientes de arranque varían entre 4 y 5 veces la corriente nominal en los tamaños mayores de 5 HP se sigue usando arranque a voltaje reducido.
•
los motores de clase B se prefieren sobre los de la clase A para tamaños mayores
•
tienen un deslizamiento plena carga menor del 5%.
•
Las aplicaciones típicas comprenden las bombas centrífugas de impulsión, las máquinas herramientas y los sopladores. DISEÑO CLASE C •
Estos motores tienen un rotor de doble jaula de ardilla, el cual desarrolla un alto par de arranque ( 225 % del ppc) y una menor corriente de arranque.
•
Debido a su alto par de arranque, acelera rápidamente, sin embargo cuando se emplea en grandes cargas, se limita la disipación térmica del motor por que la mayor parte de la corriente se concentra en el devanado superior.
•
En condiciones de arranque frecuente, el rotor tiene tendencia a sobre calentarse
•
se adecua mejor a grandes cargas repentinas pero de tipo de baja inercia.
•
Las aplicaciones de estos motores de clase C se limitan a condiciones en las que es difícil el arranque como en bombas y compresores de pistón
•
tienen un deslizamiento a plena carga menor del 5%.
DISEÑO CLASE D •
Los motores comerciales de inducción de jaula de ardilla clase D se conocen también como de alto par y alta resistencia.
•
Las barras del rotor se fabrican en aleación de alta resistencia y se colocan en ranuras cercanas a la superficie o están embebidas en ranuras de pequeño diámetro.
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•
La relación de resistencia a reactancia del rotor de arranque es mayor que en lo motores de las clases anteriores.
•
El motor está diseñado para servicio pesado de arranque, encuentra su mayor aplicación con cargas como cizallas o troqueles, que necesitan el alto par con aplicación a carga repentina
•
La regulación de velocidad en esta clase de motores es la peor.
• Tienen alto deslizamiento plena carga del 5% o más. DISEÑO CLASE F •
También conocidos como motores de doble jaula y bajo par.
•
Están diseñados principalmente como motores de baja corriente, porque necesita la menor corriente de arranque de todas las clases.
•
Tiene una alta resistencia del rotor tanto en su devanado de arranque como en el de marcha y tiende a aumentar la impedancia de arranque y de marcha, y a reducir la corriente de marcha y de arranque.
•
El rotor de clase F se diseño para remplazar al motor de clase B. El motor de clase F produce pares de arranque aproximadamente 1.25 veces el par nominal y bajas
•
Corrientes de arranque de 2 a 4 veces la nominal.
•
Los motores de esta clase se fabrican de la capacidad de 25 hp para servicio directo de la línea.
•
Debido a la resistencia del rotor relativamente alta de arranque y de marcha, estos motores tienen menos regulación de voltaje de los de clase B, bajan capacidad de sobrecarga y en general de baja eficiencia de funcionamiento. Sin embargo, cuando se arrancan con grandes cargas, las bajas de corrientes de arranque eliminan la necesidad de equipo para voltaje reducido, aún en los tamaños grandes.
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TIPO Este parámetro es proporcionado por el fabricante dependiendo de las características de construcción o nivel de eficiencia, por citar algunas: el tipo de material de la armazón, si cuenta con base de montaje o si opera en forma vertical, y/o por el nivel de eficiencia que maneja (si es una eficiencia estándar, eficiencia Premium). BALANCE Es el valor máximo permisible de vibración impuesto por el fabricante, por lo general se expresa pulgadas por segundo. Los valores estándar que manejan los fabricantes serían: Balance estándar 0.08 IPS Balance de precisión 0.05 IPS BALEROS Se proporciona el número de los baleros del motor del: Lado de carga Lado contrario a la carga Esta información nos sirve para poder conseguir el repuesto de que exista alguna falla. PESO
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Es el peso neto del motor generalmente expresado en libras. MODELO Y CATÁLOGO Esta es información proporcionada por el fabricante, ya que por estos el fabricante identificará el tipo de motor y sus características principales, además, para proporcionar si se cuenta con stock. IDENTIFICACION DEL MOTOR La identificación del motor esta constituido por: Año Mes Modelo Planta
J 05 Bk07 M
AÑO LETRA
AÑO
D
2000
E
2001
F
2002
G
2003
H
2004
I
2005
J
2006
K
2007
L
2008
M
2009
N
2010
O
2011
MES CLAVE
MES
01
ENERO
02
FEBRERO
03
MARZO
93
04
ABRIL
05
MAYO
06
JUNIO
07
JULIO
08
AGOSTO
09
SEPTIEMBRE
10
OCTUBRE
11
NOVIEMBRE
12
DICIEMBRE
UBICACIÓN DE LA PLANTA M
MONTERREY
94
