Motores eléctricos
Luis Torres García Curso de experto universitario en mantenimiento predictivo y diagnosis de fallos. 11ª promoción
ÍNDICE Introducción Tipos de motores Motores de corriente continúa Motores de corriente alterna polifásica Clasificación de los motores ce corriente continua Clasificación de los motores de corriente alterna Mantenimiento de los motores El mantenimiento preventivo y su alcance Fallos posibles en su instalación Lubricación Clasificación del mantenimiento preventivo Objetivo del mantenimiento preventivo de un motor Planteamiento Registros Inspección Aislamientos Vibraciones
INTRODUCCIÓN Los Motores y generadores eléctricos, son un grupo de máquinas que se utilizan para convertir la energía mecánica en eléctrica, o a la inversa, con medios electromagnéticos. A una máquina que convierte la energía mecánica en eléctrica se le denomina generador, alternador o dínamo, y a una máquina que convierte la energía eléctrica en mecánica se le denomina motor. Dos principios físicos relacionados entre sí, sirven de base al funcionamiento de los generadores y de los motores. El primero es el principio de la inducción, descubierto por el científico e inventor británico Michael Faraday en 1831. Si un conductor se mueve a través de un campo magnético, o si está situado en las proximidades de un circuito de conducción fijo cuya intensidad puede variar, se establece o se induce una corriente en el conductor. El principio opuesto a éste fue observado en 1820 por el físico francés André Marie Ampère. Si una corriente pasaba a través de un conductor dentro de un campo magnético, éste ejercía una fuerza mecánica sobre el conductor. La máquina dinamoeléctrica más sencilla es la dinamo de disco desarrollada por Faraday, que consiste en un disco de cobre que se monta de tal forma que la parte del disco que se encuentra entre el centro y el borde quede situada entre los polos de un imán de herradura. Cuando el disco gira, se induce una corriente entre el centro del disco y su borde debido a la acción del campo del imán. El disco puede fabricarse para funcionar como un motor mediante la aplicación de un voltaje entre el borde y el centro del disco, lo que hace que el disco gire gracias a la fuerza producida por la reacción magnética. El campo magnético de un imán permanente es lo suficientemente fuerte como para hacer funcionar una sola dinamo pequeña o motor. Por ello, los electroimanes se emplean en máquinas grandes. Tanto los motores como los generadores tienen dos unidades básicas: el campo magnético, que es el electroimán con sus bobinas, y la armadura, que es la estructura que sostiene los conductores que cortan el campo magnético y transporta la corriente inducida en un generador, o la corriente de excitación en el caso del motor. La armadura es por lo general un núcleo de hierro dulce laminado, alrededor del cual se enrollan en bobinas los cables conductores.
CLASIFICACIÓN DE LOS MOTORES La primera de las clasificaciones que podemos hacer es en función del tipo de alimentación, así tenemos los motores de corriente continua y los de alterna. Veamos una breve explicación de estas dos grandes familias de motores.
MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA Si una armadura gira entre dos polos de campo fijos, la corriente en la armadura se mueve en una dirección durante la mitad de cada revolución, y en la otra dirección durante la otra mitad. Para producir un flujo constante de corriente en una dirección, o continua, en un aparato determinado, es necesario disponer de un medio para invertir el flujo de corriente fuera del generador una vez durante cada revolución. En las máquinas antiguas esta inversión se llevaba a cabo mediante un conmutador, un anillo de metal partido montado sobre el eje de una armadura. Las dos mitades del anillo se aislaban entre sí y servían como bornes de la bobina. Las escobillas fijas de metal o de carbón se mantenían en contra del conmutador, que al girar conectaba eléctricamente la bobina a los cables externos. Cuando la armadura giraba, cada escobilla estaba en contacto de forma alternativa con las mitades del conmutador, cambiando la posición en el momento en el que la corriente invertía su dirección dentro de la bobina de la armadura. Así se producía un flujo de corriente de una dirección en el circuito exterior al que el generador estaba conectado. Los generadores de corriente continua funcionan normalmente a voltajes bastante bajos para evitar las chispas que se producen entre las escobillas y el conmutador a
voltajes altos. El potencial más alto desarrollado para este tipo de generadores suele ser de 1.500 V. En algunas máquinas más modernas esta inversión se realiza usando aparatos de potencia electrónica, como por ejemplo rectificadores de diodo. Los generadores modernos de corriente continua utilizan armaduras de tambor, que suelen estar formadas por un gran número de bobinas agrupadas en hendiduras longitudinales dentro del núcleo de la armadura y conectadas a los segmentos adecuados de un conmutador múltiple. Si una armadura tiene un solo circuito de cable, la corriente que se produce aumentará y disminuirá dependiendo de la parte del campo magnético a través del cual se esté moviendo el circuito. Un conmutador de varios segmentos usado con una armadura de tambor conecta siempre el circuito externo a uno de cable que se mueve a través de un área de alta intensidad del campo, y como resultado la corriente que suministran las bobinas de la armadura es prácticamente constante. Los campos de los generadores modernos se equipan con cuatro o más polos electromagnéticos que aumentan el tamaño y la resistencia del campo magnético. En algunos casos, se añaden interpolos más pequeños para compensar las distorsiones que causa el efecto magnético de la armadura en el flujo eléctrico del campo. En general, los motores de corriente continua son similares en su construcción a los generadores. De hecho podrían describirse como generadores que funcionan al revés. Cuando la corriente pasa a través de la armadura de un motor de corriente continua, se genera un par de fuerzas por la reacción magnética, y la armadura gira. La acción del conmutador y de las conexiones de las bobinas del campo de los motores son exactamente las mismas que usan los generadores. La revolución de la armadura induce un voltaje en las bobinas de ésta. Este voltaje es opuesto en la dirección al voltaje exterior que se aplica a la armadura, y de ahí que se conozca como voltaje inducido o fuerza contraelectromotriz. Cuando el motor gira más rápido, el voltaje inducido aumenta hasta que es casi igual al aplicado. La corriente entonces es pequeña, y la velocidad del motor permanecerá constante siempre que el motor no esté bajo carga y tenga que realizar otro trabajo mecánico que no sea el requerido para mover la armadura. Bajo carga, la armadura gira más lentamente, reduciendo el voltaje inducido y permitiendo que fluya una corriente mayor en la armadura. El motor puede así recibir más potencia eléctrica de la fuente, suministrándola y haciendo más trabajo mecánico. Debido a que la velocidad de rotación controla el flujo de la corriente en la armadura, deben usarse aparatos especiales para arrancar los motores de corriente continua. Cuando la armadura está parada, ésta no tiene realmente resistencia, y si se aplica el voltaje de funcionamiento normal, se producirá una gran corriente, que podría dañar el conmutador y las bobinas de la armadura. El medio normal de prevenir estos daños es el uso de una resistencia de encendido conectada en serie a la armadura, para disminuir la corriente antes de que el motor consiga desarrollar el voltaje inducido adecuado. Cuando el motor acelera, la resistencia se reduce gradualmente, tanto de forma manual como automática. La velocidad a la que funciona un motor depende de la intensidad del campo magnético que actúa sobre la armadura, así como de la corriente de ésta. Cuanto más fuerte es el campo, más bajo es el grado de rotación necesario para generar un voltaje inducido lo bastante grande como para contrarrestar el voltaje aplicado. Por esta razón, la velocidad de los motores de corriente continua puede controlarse mediante la variación de la corriente del campo.
MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA POLIFÁSICA Se diseñan dos tipos básicos de motores para funcionar con corriente alterna polifásica: los motores síncronos y los motores de inducción. El motor síncrono es en esencia un alternador trifásico que funciona a la inversa. Los imanes del campo se montan sobre un rotor y se excitan mediante corriente continua, y las bobinas de la armadura están divididas en tres partes y alimentadas con corriente alterna trifásica. La variación de las tres ondas de corriente en la armadura provoca una reacción magnética
variable con los polos de los imanes del campo, y hace que el campo gire a una velocidad constante, que se determina por la frecuencia de la corriente en la l ínea de potencia de corriente alterna. La velocidad constante de un motor síncrono es ventajosa en ciertos aparatos. Sin embargo, no pueden utilizarse este tipo de motores en aplicaciones en las que la carga mecánica sobre el motor llega a ser muy grande, ya que si el motor reduce su velocidad cuando está bajo carga puede quedar fuera de fase con la frecuencia de la corriente y llegar a pararse. Los motores síncronos pueden funcionar con una fuente de potencia monofásica mediante la inclusión de los elementos de circuito adecuados para conseguir un campo magnético rotatorio. El más simple de todos los tipos de motores eléctricos es el motor de inducción de jaula de ardilla que se usa con alimentación trifásica. La armadura de este tipo de motor consiste en tres bobinas fijas y es similar a la del motor síncrono. El elemento rotatorio consiste en un núcleo, en el que se incluyen una serie de conductores de gran capacidad colocados en círculo alrededor del árbol y paralelos a él. Cuando no tienen núcleo, los conductores del rotor se parecen en su forma a las jaulas cilíndricas que se usaban para las ardillas. El flujo de la corriente trifásica dentro de las bobinas de la armadura fija genera un campo magnético rotatorio, y éste induce una corriente en los conductores de la jaula. La reacción magnética entre el campo rotatorio y los conductores del rotor que transportan la corriente hace que éste gire. Si el rotor da vueltas exactamente a la misma velocidad que el campo magnético, no habrá en él corrientes inducidas, y, por tanto, el rotor no debería girar a una velocidad síncrona. En funcionamiento, la velocidad de rotación del rotor y la del c ampo difieren entre sí de un 2 a un 5%. Esta diferencia de velocidad se conoce como caída. Los motores con rotores del tipo jaula de ardilla se pueden usar con corriente alterna monofásica utilizando varios dispositivos de inductancia y capacitancia, que alteren las características del voltaje monofásico y lo hagan parecido al trifásico. Este tipo de motores se denominan motores multifásicos o motores de condensador (o de capacidad), según los dispositivos que usen. Los motores de jaula de ardilla monofásicos no tienen un par de arranque grande, y se utilizan motores de repulsión-inducción para las aplicaciones en las que se requiere el par. Este tipo de motores pueden ser multifásicos o de condensador, pero disponen de un interruptor manual o automático que permite que fluya la corriente entre las escobillas del conmutador cuando se arranca el motor, y los circuitos cortos de todos los segmentos del conmutador, después de que el motor alcance una velocidad crítica. Los motores de repulsión-inducción se denominan así debido a que su par de arranque depende de la repulsión entre el rotor y el estátor, y su par, mientras está en funcionamiento, depende de la inducción. Los motores de baterías en serie con conmutadores, que funcionan tanto con corriente continua como con corriente alterna, se denominan motores universales. Éstos se fabrican en tamaños pequeños y se utilizan en aparatos domésticos.
CLASIFICACIÓN MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA
MOTORES DE CORRIENTE CONTINÚA DE IMÁN PERMANENTE: Existen motores de imán permanente (PM, permanent magnet), en tamaños de fracciones de caballo y de números pequeños enteros de caballos. Tienen varias ventajas respecto a los del tipo de campo devanado. No se necesitan las alimentaciones de energía eléctrica para excitación ni el devanado asociado. Se mejora la confiabilidad, ya que no existen bobinas excitadoras del campo que fallen y no hay probabilidad de que se presente una sobrevelocidad debida a pérdida del campo. Se mejoran la eficiencia y el enfriamiento por la eliminación de pérdida de potencia en un campo excitador. Así mismo, la
característica par contra corriente se aproxima más a lo lineal. Un motor de imán permanente (PM) se puede usar en donde se requiere un motor por completo encerrado para un ciclo de servicio de excitación continua. EXCITACIÓN INDEPENDIENTE: Los motores de excitación independiente tienen como aplicaciones industriales el torneado y taladrado de materiales, extrusión de materiales plásticos y goma, ventilación de horno, retroceso rápido en vacío de ganchos de grúas, desenrollado de bobinas y retroceso de útiles para serrar. El motor de excitación independiente es el más adecuado para cualquier tipo de regulación, por la independencia entre el control por el inductor y el control por el inducido. El sistema de excitación más fácil de entender es el que supone una fuente exterior de alimentación para el arrollamiento inductor. En la siguiente figura, se representa el inducido por un círculo; la flecha recta interior representa el sentido de la corriente principal y la flecha curva, el sentido de giro del inducido; el arrollamiento inductor o de excitación, se representa esquemáticamente, y el sentido de la corriente de excitación, por medio de una flecha similar. MOTORES DE CORRIENTE CONTINÚA AUTOEXCITACIÓN: El sistema de excitación independiente, solamente se emplea en la práctica en casos especiales debido, sobre todo, al inconveniente de necesitar una fuente independiente de energía eléctrica. Este inconveniente puede eliminarse con el denominado principio dinamoeléctrico o principio de autoexcitación, que ha hecho posible el gran desarrollo alcanzado por las máquinas eléctricas de corriente continua en el presente siglo.
EXCITACIÓN SERIE: Es el motor cuya velocidad disminuye sensiblemente cuando el par aumenta y cuya velocidad en vacío no tiene límite teóricamente. Los motores con excitación en serie son aquellos en los que el inductor esta conectado en serie con el inducido. El inductor tiene un número relativamente pequeño de espiras de hilo, que debe ser de sección suficiente para que se pase por él la corriente de régimen que requiere el inducido. En los motores serie, el flujo depende totalmente de la intensidad de la corriente del inducido. Si el hierro del motor se mantiene a saturación moderada, el flujo será casi directamente proporcional a dicha intensidad.
EXCITACIÓN EN PARALELO (SHUNT): El generador con excitación shunt suministra energía eléctrica a una tensión aproximadamente constante, cualquiera que sea la carga, aunque no tan constante como en el caso del generador con excitación independiente. Cuando el circuito exterior está abierto, la máquina tiene excitación máxima porque toda la corriente producida se destina a la alimentación del circuito de excitación; por lo tanto, la tensión en bornes es máxima. Cuando el circuito exterior está cortocircuitado, casi toda la corriente producida pasa por el circuito del inducido y la excitación es mínima, la tensión disminuye rápidamente y la carga se anula. Por lo tanto, un cortocircuito en la línea no compromete la máquina, que se desexcita automáticamente, dejando de producir corriente. Esto es una ventaja sobre el generador de excitación independiente en donde un cortocircuito en línea puede producir graves averías en la máquina al no existir éste efecto de desexcitación automática. COMPUESTA: Es el motor cuya velocidad disminuye cuando el par aumenta y cuya velocidad en vacío es limitada. Las características del motor Compuesta están comprendidas entre las del motor de derivación y las del motor en serie. Los tipos de motor Compuesta son los mismos que para los generadores, resumiéndose el aditivo y el diferencial. El motor en Compuesta es un término medio entre los motores devanados en serie y los de en derivación. En virtud de la existencia del devanado en serie, que ayuda al devanado en derivación, el flujo magnético por polo aumenta con la carga, de modo que el par se incrementa con mayor rapidez y la velocidad disminuye más rápidamente que si no estuviera conectado el devanado en serie; pero el motor no se puede desbocar con cargas ligeras, por la presencia de la excitación en derivación.
CLASIFICACIÓN MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA
MOTORES DE INDUCCIÓN (ASÍNCRONOS) Una vez conocidos los motores de CC, se van a describir seguidamente los principios básicos y formas de operación de uno de los modelos que cuenta con un elevado número de aplicaciones, se trata del tipo asíncrono excitado por una corriente alterna, también conocido como motor de inducción. El principio de funcionamiento de estos motores esta basado en los experimentos de Ferraris en el año 1885, el cual coloco un imán de herradura, con un eje vertical, que le permitía girar libremente en las proximidades de un disco metálico que también puede girar alrededor del mismo eje. Al hacer girar el imán, observo que, aunque no había contacto, el disco metálico también giraba en el mismo sentido. Este fenómeno se debe a que la girar el imán se crea un campo magnético giratorio y aparecen sobre el disco unas corriente eléctricas inducidas las cuales recordando la ley de Lenz, tenderan a crear a su vez otro campo magnético que se oponga la inicial; el efecto resultanto es el giro del disco, ya que de esta forma, los extremos del imán estaran simpre frente a las mismas zonas de aquel y la situacion volvera a ser similar a la incial,ya que al girar ambos con la misma velocidad el efecto es el mismo que si estuvieran parados. Sin embargo, en el instante en el que disco alcanza una velocidad exactamente igual que la del imán deasapareceran las corrientes inducidas sobre el mismo, con lo que se retrasará, lo que obligará a que aparezcan de nuevo dichas corrientes.De todo ello se obtiene el resultado de que el disco va siempre algo retrasado con respecto al imán; esto es, su velocidad es algo menor que la de aquel. Debido a ello a este sistema de le denomina asíncrono, que significa que no existe igualdad de velocidad o sincronismo.
El experimento descrito no se puede convertir directamente en un motor ya que no transforma una energía eléctrica y mecánica sino que unicamente efectúa un acoplamiento electromagnético por ser necesario tener que mover el imán para hacer girar el disco. El método empleado para obtener un campo giratorio sin necesidad de tener que mover un imán consiste en emplear dos electroimanes formando un ángulo recto a los que se aplica dos corrientes alternas de la misma frecuencia pero con una frecuencia de fase entre ellas de 90°. Al emplear una CA sinusoidal, se obtendrá un campo que varía de la misma forma, que al combinarse con el otro similar a el pero con una magnitud diferente, debida a la diferencia de fase y con otra diferenciación creada por la misma situación, se produce el efecto deseado. Este conjunto de dos bobinados constituye el inductor o estator y provoca sobre el rotor, una velocidad de giro N = F, siendo F la frecuencia de la CA. Rotor El rotor de un motor suele contruirse en base a dos sistemas, aunque el principio de operación sea el mismo, que consiste en disponer de un sistema de espiras en cortocircuito devanadas o no sobre un nucleo de material ferromagnético. El objetivo de las espiras es hacer circular a traves de ellas las corrientes inducidas, para crear el campo de sentido contrario al producido por el estator. El primer tipo de rotor que se va a considerar consiste en un cilindro formado por discos paralelos contiguos y aislados, provisto de ranuras situadas a lo largo de su superficie exterior sobre los que se encuentran las espiras. El segundo tipo de rotor está contituido por dos coronas conductoras unidas por barras también conductoras formando un cilindro hueco muy parecido a una jaula de animales, de donde toma su denominación, Jaula de ardilla, y es uno de los modelos más utilizados en la práctica, sobre todo en las aplicaciones de baja potencia. El principio descrito antes para la generación de un campo giratorio por el estator, unicamente es aplicable en los casos en los que se disponga de las dos corrientes desfasadas 90° mencionadas. esto no sucede en las aplicaciones habituales en las que los motores se han de conectar a la red normal, que es monofásica, con lo que no existe campo magnético giratorio. El efecto sería entonces que el motor no arrancaría, aunque por un sistema mecánico externo se le obliga al rotor a iniciar el giro, se observará como, despues de eliminar la fuerza exterior, se mantendra la rotación, aumentando la velocidad hasta que alcanze la correspondiente a su régimen normal de funcionamiento. Esto se debe al que el campo monofásico aplicado se descompone en dos campos giratorios de la misma intensidad pero de sentido contrario cuyo efecto resultante se anula; sin embargo, basta con producir un desequilibrio entre ellos para que se acentúe uno y se atenue el otro, dando lugar a un campo giratorio dominante que será capaz de hacer girar al inducido. Arranque Con objeto de evitar el sistema mecánico de arranque se suele incluir sobre el estator un segundo devanado llamado devanado de arranque, situado en una posición de angulo recto con el devanado principal. Al hacer pasar por este arrollamiento auxiliar una corriente con una diferencia de fase proxima a 90° respecto a la que circula por el principal, se comportara el motor como difasico, produciendose un campo magnéticogiratorio poniendose en marcha el rotor, en cuyo momernto se puede suprimir dicha corriente auxiliar. La forma de obtener la corriente de arranque con la diferencia de base mencionada es utilizando una reactancia (bobina o condensador) en serie con el arrollamiento auxiliar, produciendose una corriente que aunque no esta desfasada exactamente a los 90° necesarios, resulta suficiente para el objetivo deseado. Otro sistema empleado para el arranque de los motores asíncronos es el de situar dos grupos de espiras en cortocircuito arrolladas sobre el estator en una zona próxima al rotor. De esta forma, se obiene un desquilibrio de fase del campo magnético que actúa sobre el inducido, que es suficiente para que el motor arranque y se mantenga en rotación.
Par y velocidad Las características de par y velocidad en un motor asíncrono están bastante relacionadas y normalmente se representan mediante una curva en la que se puede elegir el punto de funcionamiento más adecuado. Esto es lógico ya que cuando arranca el motor en ausencia de carga la velocidad del rotor tiende a ser igual a la del campo giratorio del estator, ya que basta con una pequeña diferencia entre ambas para que se creen en el inducido las corrientes necesarias para mantenerlo en rotación y por lo tanto el par desarrollado será muy debil debido a que unicamente será necesario vencer la resistencia de rozamiento del eje. Sin embargo, en el momento en que se acople una determinada carga mecánica al rotor, será necesario que el par aumente y se iguale al que se precisa para mover dicha carga. Como consecuencia la velocidad disminuirá porque sobre el rotor aumentan las corrientes inducidas y estas son proporcionales a la diferencia de velocidad entre los campos del inductor y del inducido. A esta diferencia se la denomina dezlizamiento. Debido a las características que presenta el motor en el momento del arranque, el par obtenido no es elevado y es siempre bastante inferior al par máximo que puede desarrollar el motor, por esto en los dispositivos empleados para la puesta en rotación se tiene en cuenta esta circunstancia con objeto de que el motor supere siempre esta fase inicial. Otro de los parametros que también debe ser tenido en cuenta, sobre todo en los motores de potencia medias o elevadas es el denominado "factor de potencia" que expresa la cifra de "potencia reactiva" que el motor emplea durante su funcionamiento. Se expresa como la relación entre la potencia real absorbida por el motor en watts y la potencia aparente que se define mediante el producto de la tensión aplicada por la corriente absorbida. Es decir, que el factor de potencia es igual a W real / potencia aparente. A este factor tambien se le denomina cos φ
MOTORES SÍNCRONOS Los motores síncronos constituyen otro de los modelos más destacados del grupo de los de CA. Como su nombre indica, su característica más destacada es la del sincronismo, es decir, que su velocidad de rotación será constante y uniforme y estará regulada por la frecuencia de la corriente de alimentación. Normalmente este tipo de motores está formado por un inductor movil o rotor y un inducido fijo o estator, intercambiandose sus funciones con respecto al resto de modelos en los que la parte movil corresponde casi siempre al inducido. Principio de funcionamiento El principio de funcionamiento es bastante simple y consiste en los efectos combinados del campo magnético constante del inductor, creado por el electroimán alimentado por CC o bien por un imán permanente y del inducido que contiene una serie de bobinados a los que se les aplica una CA. Supongamos una estructura elemental, constituida por dos pares de devanados sobre núcleos magnéticos, representados por 1 y 2 y un imán permanente situado sobre un eje giratorio que se encuentra en el centro geométrico de los elementos citados anteriormente en una dirección perpendicular al plano formado por éstos. Al aplicar una CA a la pareja de bobinas 1 se creará en ellas un campo magnético que variara de intensidad y de sentido según las alternancias de la corriente. En un determinado instante el campo será máximo entre ambas, creándose un polo norte en la zona superior de la bobina superior un sur en la zona inferior, otro norte en la cara superior de la bobina inferior y otro sur en la cara inferior; en este momento el imán será fuertemente atraído por ellas orientándose en sentido vertical. Si al mismo tiempo se aplica una segunda CA a la pareja de bobinas 2 cuya fase esté retrasada 90° con respecto a la anterior, el campo será nulo en el instante considerado debido a que la corriente pasa por el valor 0 y no ejercerá ninguna influencia. Sin embargo, comenzará a crecer seguidamente y a decrecer el producido por la bobina 1, haciendo que el imán gire hasta situarse en posición horizontal, alineado con los bobinados 2; el proceso continúa al disminuir este segundo campo y comenzar a crecer el primero pero en sentido contrario al
inicial, ya que la alternancia de la corriente ahora es negativa, con lo que se invertirán entre si los polos magnético señalados al comienzo. Ello hace que el imán continúe girando hasta ponerse otra vez vertical, pero con el norte hacia abajo y el sur hacia arriba. El paso siguiente corresponde a las bobinas 2 que también han invertido su campo, atrayendo otra vez al imán y manteniendo el giro. Esta secuencia se repetirá sucesivamente y el resultado obtenido será, como puede deducirse la transformación de una energía eléctrica en otra mecánica de rotación, propiedad fundamental de un motor Velocidad En nuestro caso el imán permanente o rotor dará una revolución por cada ciclo de la corriente, por lo tanto la velocidad de giro coincidirá con la frecuencia, ya que si esta es de, por ejemplo 50 Hz, producirá 50 giros completos en un segundo y como consecuencia el rotor dará 50 vueltas en el mismo tiempo, o lo que es equivalente a 50 rps. Si en lugar de emplear un imán para el rotor se emplearan dos en ángulo recto y unidos solidariamente al mismo eje y en vez de dos pares de bobinas desfadas empleáramos cuatro, el efecto resultante también sería una rotación, pero la velocidad de giro resultante sería la mitad de a anterior. Por lo tanto, puede definirse la velocidad de rotación de un motor síncrono por la fórmula siguiente: N=f/P donde N representa dicha velocidad en rps, f es la frecuencia de la CA y P el número de pares de polos que posee el inductor; así en el caso anterior, como el imán tiene dos pares de polos, la velocidad resultante será de 25 rps Inductor e inducido Algunos modelos de motores síncronos contienen el inducido en el interior del inductor, con lo que la parte móvil será la exterior, siendo el principio de funcionamiento es similar al descrito anterior mente. En ocasiones se sustituyen los imanes permanentes del estator por unos electroimanes, en este caso, es necesario aplicar una CC de excitación, con objeto de poder crear todos los pares de polos magnéticos que se precisan. Además y dado que estos electroimanes constituyen el rotor, siendo por lo tanto móviles, se requiere contar con un dispositivo capaz de producir los contactos eléctricos para el paso de dicha corriente durante la rotación como en el caso de los motores de CC. Para ello se emplean dos anillos conectores que resbalan sobre sendas escobillas de forma que el polo positivo permanezca siempre aplicado a uno de ellos y el negativo al otro. Para las dos fases que se necesitan para el arranque y funcionamiento del motor se suele utilizar un condensador situado en serie con uno de los dos grupos de devanados. De esta forma la corriente se retrasara 90° aproximadamente al circular por este y alcanzara a las bobinas en las condiciones requeridas. si en lugar de situar el condensador en los bobinados mencionados y se cambiara a los otros, el efecto sería el de invertirse el sentido de rotación, manteniéndose el resto de las características sin ninguna variación.
MANTENIMIENTO DE LOS MOTORES
MANTENIMIENTO PREVENTIVO Y SUS ALCANCES El mantenimiento preventivo abarca todos los planes y acciones necesarias para determinar y corregir las condiciones de operación que puedan afectar a un sistema, maquinaria o equipo, antes de que lleguen al grado de mantenimiento correctivo, considerando la selección, la instalación y la misma operación. El mantenimiento preventivo bien aplicado disminuye los costos de producción, aumenta la productividad, así como la vida útil de la maquinaria y equipo, obteniendo como resultado la disminución de paro de maquinas. Las actividades principales del mantenimiento preventivo son: a) Inspección periódica con el fin de encontrar las causas que provocarían paros imprevistos. b) Conservar la planta, anulando y reparando aspectos dañinos cuando apenas comienzan. Para llevar un control de los resultados, se utiliza un registro de equipo, además de que auxilia de un programa de mantenimiento preventivo.
FALLOS POSIBLES EN SU INSTALACIÓN Una carga excesiva puede llevar rápidamente a un fallo en el motor. Es posible que se seleccione correctamente el motor para su carga inicial; sin embargo, un cambio en su carga o en el acoplamiento de accionamiento, se manifestará como una sobrecarga en el motor. Los rodamientos o baleros comenzarán a fallar, los engranes están expuestos a presentar follas en los dientes, o bien se presentará algún otro tipo de fricción que se manifieste como sobrecarga. Cuando se presenta una sobrecarga, el motor demanda más corriente, lo cual incrementa la temperatura del mismo, reduciendo la vida del aislamiento. Los problemas en baleros y rodamientos son una de las causas más comunes de fallos en los motores, también la alineación errónea de éstos y la carga, malos acoplamientos por poleas y correas, o bien errores en la aplicación de engranes o piñones, son causas de fallos mecánicos. Por otro lado, se debe hacer un correcto equilibrado dinámico para evitar problemas de vibración. Así mismo, una incorrecta alimentación de voltaje al motor, puede reducir la vida o causar un fallo rápido si la desviación del voltaje es excesiva. Un voltaje bajo soporta una corriente mayor de lo normal. Si el voltaje decrece en una forma brusca, se presenta una corriente excesiva que sobrecalienta al motor. Un voltaje alto en la línea de alimentación a un motor reduce las pérdidas, pero produce un incremento en el flujo magnético, con un consecuente incremento de las pérdidas en el entrehierro.
LUBRICACIÓN Para la buena lubricación se debe utilizar el aceite o grasa recomendado, en la cantidad correcta. Los distribuidores de lubricantes pueden ayudar si hay un problema con el grado de lubricante, y, en especial, para los cojinetes que requieren grasa para alta temperatura. Hay que quitar o expulsar toda la grasa vieja antes o durante la aplicación de la grasa nueva. El espacio total para grasa se debe llenar al 50% de su capacidadpara evitar sobrecalentamiento por el batido excesivo. Para los cojinetes lubricados con aceite, suele ser suficiente un aceite para máquinas de buena calidad. Hay que comprobar el nivel y la libre rotación de los anillos después de poner en marcha el motor. En los motores antiguos, a veces se desprenden los dispositivos para inspección del nivel de aceite al cambiarlos de lugar. Si se instalan conexiones de repuesto, hay que determinar que el nivel no esté muy alto ni muy bajo. Si está muy alto, el exceso de aceite se escapará y habrá acumulación de polvo y mugre, y puede mojar el aislamiento de los devanados. El manejo brusco o descuidado de un motor puede producir grietas en el depósito de aceite, y al poco tiempo ocurrirán fugas, las cuales se notan por el goteo de aceite de los cojinetes cuando el motor está parado. Para localizar las grietas, hay que limpiar el exterior de la cubierta de cojinete con un disolvente y secarlo bien con trapos. Después de que el motor ha estado parado algunas horas, será fácil localizar las posibles grietas.
El exceso de aceite ocasiona otros problemas en los motores de corriente alterna fraccionarios con interruptores internos para arranque, el aceite que se escurre llega a los contactos y, en un momento dado, puede ocasionar un mal contacto. La quemadura total de los contactos puede impedir que se cierre el devanado auxiliar o de arranque, o que los contactos se suelden entre sí. Cuando el interruptor de arranque se queda abierto, el motor no puede arrancar y, si no tiene protección adecuada, se puede quemar el devanado principal; en el segundo caso, se puede quemar el devanado auxiliar o de arranque. Si el motor es del tipo de arranque con capacitor, éste se puede fundir antes de que sequeme el devanado de arranque. En muchos casos, los capacitores tienen fusible de seguridad que se puede sustituir. Precaución para el manejo de lubricantes Debido al riesgo de que entren pequeñas partículas de suciedad en los rodamientos, debe de considerase que: • La grasa o aceite deben de almacenarse en contenedores cerrados, con el fin de que se mantengan limpios. • Las grasas y aceiteras deben limpiarse antes de ponerles lubricante, para evitar que contaminen a los rodamientos. • Debe evitase una lubricación excesiva de los rodamientos de bolas y rodillos, ya que puede resultar en altas temperaturas de operación, en un rápido deterioro de material lubricante, y un fallo prematura de los rodamientos.
CLASIFICACIÓN DEL MANTENIMIENTO PREVENTIVO El mantenimiento preventivo consiste en una serie de trabajos que es necesario desarrollar para evitar que maquinaria pueda interrumpir el servicio que proporciona, básicamente, se divide en tres elementos Fundamentales: 1. Selección 2. Instalación 3. Montaje SELECCIÓN El mantenimiento empieza en la selección del motor. El grado de selección y aplicación incorrecta de un motor puede variar ampliamente, por lo que es necesario, que se seleccione correctamente el tamaño apropiado del motor de acuerdo a la carga. Los ciclos de trabajo son los que más dañan a los motores. Cuando no son seleccionados en forma apropiada, los arranques, los paros y frenados bruscos, así como los períodos de aceleración largos, conducen a fallas en el motor. La consideración de la altitud sobre el nivel del mar del sitio de instalación del motor, es un factor que con frecuencia no es considerado. Como se sabe, a grandes alturas la densidad del aire es más baja y se reduce la efectividad de enfriamiento. Esta reducción significa en forma aproximada que la temperatura de operación se incrementa un 5% por cada 300 m. de elevación sobre el nivel del mar. INSTALACIÓN Los errores en la instalación de los motores pueden ser una de las causas de fallo. Algunas ocasiones, el tamaño de los tomillos o anclas de montaje y sujeción no es el apropiado, o bien se tienen problemas de alineación; lo que conduce a problemas de vibraciones con posibles fallas en las rodamientos o hasta en el eje del rotor. El montaje y la cimentación resultan de fundamental importancia para evitar problemas mecánicos y eventualmente eléctricos.
MONTAJE Es posible que se seleccione correctamente al motor para su carga inicial, y que su instalación haya sido adecuada, sin embargo, un cambio en su carga o en el acoplamiento de accionamiento, se manifestará como una sobrecarga en el motor. Las rodamientos o baleros comenzarán a fallar, los engranes están expuestos a presentar fallas en los dientes, o bien se presentará algún otro tipo de fricción que se manifieste como sobrecarga. Cuando se presenta una sobrecarga, el motor demanda más corriente, lo cual incrementa la temperatura del mismo, reduciendo la vida del aislamiento. Los problemas en baleros y rodamientos son una de las causas más comunes de fallas en los motores, también la alineación errónea de éstos y la carga, malos acoplamientos por poleas y bandas, o bien errores en la aplicación de engranes o piñones, son causas de fallas mecánicas. Por otro lado, se debe hacer un correcto balanceo dinámico para evitar problemas de vibración. Una carga excesiva puede llevar rápidamente a una falla en el motor.
OBJETIVO DEL MANTENIMIENTO PREVENTIVO A UN MOTOR El principal objetivo del mantenimiento, es garantizar que el equipo se encuentre en óptimas condiciones de operación, y aumentar su vida útil. El mantenimiento empieza en la selección del motor. Frecuentemente se hace la selección sin considerar las implicaciones en el servicio y mantenimiento del motor, de lo que resultan consecuencias económicas desfavorables.
PLANTEAMIENTO Antes de poder hacer una planificación eficaz, es necesario conocer el sistema operativo y el grado de responsabilidad y de autoridad asignado por la administración o el gerente, a un nivel dado de supervisión, así como la asignación de costos y presupuestos. Se debe mencionar que la autoridad no siempre es conmensurada con la responsabilidad, y que los presupuestos no siempre van de acuerdo con la responsabilidad o la autoridad. El sistema que suele ser más eficaz es hacer que producción, mantenimiento preventivo y sus respectivos presupuestos pertenezcan al mismo grado de autoridad. Así, un supervisor puede ponderar todas las probabilidades y tomar una decisión. Los datos de antes y después se pueden obtener con facilidad y rápidamente se pueden deslindar responsabilidades. Este grado igual de autoridad quizá no sea eficaz en plantas de alta producción, en donde un solo supervisor de mantenimiento preventivo puede tener muchos supervisores de producción de su misma categoría de autoridad, y no es fácil concertar una reunión con ellos. El resultado es que el supervisor de mantenimiento preventivo tiene una carga de trabajo excesiva. Un sistema que ha dado buenos resultados es el de la asignación de los costos de los desperfectos. Si el departamento de mantenimiento preventivo solicita el paro de una máquina, pero el departamento de producción se rehúsa a hacerlo, entonces, cualquier tiempo perdido y sus costos asociados son cargables a producción. Por el contrario, si el departamento de mantenimiento preventivo no previó la falla, se le cargan los costos de pérdida de producción y de reparación. Sin embargo, este sistema puede producir serios problemas si el programa no se aplica en forma equitativa. El mantenimiento preventivo es importante en cualquier instalación, pero es solo función, y no debe interferir con la función de línea de producción. La interferencia con la producción debe ser mínima, y es obligatoria la cooperación de mantenimiento preventivo. Con una planeación cuidadosa, gran parte del trabajo de mantenimiento preventivo se puede hacer mientras las máquinas están en plena producción, pues es cuando mejor se puede observar la conmutación, vibraciones, calentamiento y temperaturas. Sin embargo, se debe dar más importancia a la seguridad cuando se examinan las máquinas y motores en funcionamiento. En general, el ingeniero de seguridad de la planta debe estar informado de todos los programas de mantenimiento, pues sus conocimientos pueden ser muy valiosos.
Otro punto importante es que mantenimiento preventivo debe conocer por anticipado los programas de las máquinas y motores, y planear las inspecciones cuando los requisitos de producción son menos estrictos.
REGISTROS Cualquier programa de mantenimiento preventivo requiere llevar registros y mediciones en ciertas condiciones. El hecho de que un motor hoy tenga una resistencia de 20 megaóhms en el aislamiento, significa muy poco, salvo que se sepa lo que ha ocurrido en el pasado. Este método de investigar es muy útil para el mantenimiento preventivo, siempre y cuando se lleven registros. Algunas empresas, tienen disponibles tarjetas de muestreo de mantenimiento preventivo, aunque no suelen servir para todos los departamentos de mantenimiento preventivo sin algunas modificaciones. Se debe tener suficiente información en la tarjeta para que resulte útil, a veces se utilizan libros para registrar. Las políticas de la empresa determinarán si la tarjeta debe incluir información como el número de serie del fabricante, o un número de control de la empresa. Se deben mencionar las piezas de repuesto disponibles, en particular para motores iguales, a fin de di sminuir el inventario de piezas. En las plantas grandes, se debe señalar la posición de la máquina o del motor para que los empleados nuevos la encuentren con facilidad, y quizá para control de inventario. En la tarjeta del motor deben estar las capacidades de carga o las especificaciones originales. Esa información es indispensable para un programa eficaz de mantenimiento preventivo. Los programas de inspección varían mucho de una máquina a otra. Si se comparan los resultados de una inspección con alguna anterior, se puede acortar o alargar los programas. En un número creciente de plantas se utilizan los sistemas de tarjetas para los programas de mantenimiento preventivo, y pueden producir listados que señalen: • Nombre de la empresa. • Número de la empresa. • Ubicación de la máquina. • Inspecciones a efectuar en el siguiente periodo. • Especificar si las inspecciones se harán durante el tiempo de paro o con carga. • Calcular tiempo de paro para la inspección. • Tempo total de paro de una máquina determinada. • Costo de tiempo de paro o de mantenimiento para la máquina determinada. • Empleado que efectuó el trabajo.
INSPECCIÓN La mayoría de los problemas comunes que presentan los motores eléctricos se pueden detectar por una simple inspección, o bien efectuando algunas pruebas. Este tipo de pruebas se les conoce como pruebas de diagnóstico o de verificación, se inician con la localización de fallas con las pruebas más simples, y, el orden en que se desarrollan normalmente tiene que ver con el supuesto problema. La forma de identificar los problemas tiene relación con el tamaño del motor y su tipo, especialmente cuando se trata de motores monofásicos en donde hay mayor variedad constructiva.
AISLAMIENTOS Para los motores es primordial e insustituible el uso de aislantes, puesto que en sus propiedades se sabe que no son conductores de la electricidad, por lo que es de suma importancia su aplicación, ya que es necesario que el motor solo tenga contacto magnético y no eléctrico en algunas partes como entre los mismos devanados, es decir cada espira esta aislada eléctricamente de las otras.
VIBRACIONES Hay tendencia a asociar la vibración del motor al equilibrio de sus partes giratorias. Aunque es verdad que un desequilibrio del rotor propicia la vibración del motor, un motor equilibrado puede vibrar por diversas razones. En máquinas de corriente alterna, una causa de las vibraciones puede ser el desequilibrio magnético. Las fuerzas que actúan en el entrehierro entre el estator y el rotor tienden a aproximarlos y producen vibraciones con el doble de frecuencia de alimentación. Aunque en esas condiciones una pequeña vibración sea normal, una asimetría en el entrehierro puede reforzar esa vibración e incluso producir el ruido. Tal asimetría puede originarse por una ovalización de la superficie interna del estator o por deflexiones en el eje. Una transmisión por poleas y correas excesivamente tensada puede causar esa situación. El mismo efecto ocurre cuando hay una asimetría en el arrollamiento estatórico: una región del entrehierro ejerce mayor fuerza de atracción.
