CRITERIOS DE INGENIERIA APLICABLES EN LA SELECCION OPTIMA DE MOTORES TRIFASICOS DE INDUCCION TIPO JAULA DE ARDILLA

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(1)

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y

ELÉCTRICA

UNIDAD ZACATENCO

“CRITERIOS DE INGENIERÍA APLICABLES EN LA SELECCIÓN

OPTIMA DE MOTORES TRIFÁSICOS DE INDUCCIÓN TIPO JAULA DE

ARDILLA”

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE

INGENIERO ELECTRICISTA

P R E S E N T A:

MARIO CALTENCO ROSALES.

(2)
(3)

Gracias a dios por darme el ser, gracias porque siempre has guiado mi camino en la dirección correcta y Por darme la familia que tengo, procurare ejercer mi profesión con profesionalismo, honradez y honestidad.

Para ellos, esta dedicada esta tesis, gracias por darme la vida y por su amor, sin ellos jamás habría logrado lo que soy ahora. Gracias a mi madre Judith Rosales Muñoz por su enorme amor y paciencia, que me ha tenido desde niño, por su apoyo, por sus preocupaciones y sus desvelos siempre desinteresados. A mi padre Manuel Caltenco Cacique por su apoyo y comprensión, por ser un ejemplo de honradez y honestidad, doy gracias a los dos por darme los valores más importantes de la vida y procurarme un mejor futuro a través del estudio.

Gracias tía por tu amor, apoyo y comprensión.

Gracias A mis hermanos: José Manuel, Miguel Ángel, Juan Carlos, y sobre todo a mis Hermanas Ana María y Judith, de las cuales he recibido un apoyo incondicional, gracias a todos ellos por su apoyo e interés, les dedico esta tesis porque de alguna u otra manera este logro también es de ellos. También le dedico esta tesis a mi sobrinita Marianita. Gracias a Anabel por su apoyo y cariño.

A Juan de Jesús Neri Escutia Gómez, por impulsarme a conseguir esta meta, porque que me ha tenido confianza no solo como tesista si no como un verdadero Amigo. A Raúl Cruz Carrillo por la larga amistad que tenemos, en la cual hemos convivido siempre con respeto y estimación. También dedico este trabajo a mi primo Saúl Villegas Muñoz por que antes que nada lo considero un verdadero amigo.

(4)

4

Gracias a la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, por darme el privilegio de haber estudiado en sus aulas, gracias por forjarme como profesionista, gracias porque aquí he pasado muchas experiencias de mi vida como estudiante y como persona.

Al M.C. Juan de Jesús Neri Escutia Gómez y al M.C. Rubén Ortiz Yañez, por aceptarme como tesista, por el tiempo invertido en mi persona y a esta tesis.

Gracias por su apoyo, procurare nunca defraudarlos.

(5)

. ... 4

... 6

... 6

1.1 PRINCIPIO BÁSICO DE FUNCIONAMIENTO ... 6

1.1.1 La regla de la mano izquierda para el movimiento motor ...10

1.1.2 Ley de la fuerza sobre un conductor ...10

1.1.3 Campo magnético rotatorio...11

1.1.4 Par inducido en una espira que porta corriente...16

1.2 DESCRIPCIÓN Y PARTES DEL MOTOR DE INDUCCIÓN JAULA DE ARDILLA. ...19

1.3 PARÁMETROS Y CARACTERÍSTICAS DE LOS MOTORES DE INDUCCIÓN. ...21

1.3.1 Deslizamiento. ...21

1.3.2 Frecuencia en el rotor. ...22

1.3.3 Voltaje en el rotor...24

1.3.4 Corriente en el rotor. ...26

1.3.5 Par en el motor de inducción. ...27

1.4 DEVANADOS Y CONEXIONES DEL ESTATOR EN EL MOTOR TRIFÁSICO DE INDUCCIÓN. ...28

...34

2.1 CLASIFICACIÓN DE LOS MOTORES DE INDUCCIÓN. ...34

2.2 CRITERIOS PARA LA SELECCIÓN DE MOTORES DE INDUCCION...36

2.2.1 Potencia de salida...38

2.2.2 Características de la carga por accionar. ...38

2.2.3 Velocidad nominal...38

2.2.4 Tamaño de la carcasa...38

2.2.5 Clasificación por velocidad. ...39

2.2.6 Efecto del ciclo de trabajo. ...39

2.2.7 Temperatura ambiente. ...39

2.2.8 Voltaje y corriente nominal. ...39

2.2.9 Tipo de carcasa. ...39

2.2.10 Por el lugar de operación. ...40

2.2.11 Por su montaje...40

2.2.12 Por la infraestructura del lugar...41

2.3 LOS MATERIALES AISLANTES EN LA SELECCIÓN DE MOTORES. ...41

2.3.1 Propiedades de los materiales aislantes...42

2.3.2 La temperatura ...42

2.3.3 Clasificación de los materiales aislantes...43

2.4 SELECCIÓN DEL TIPO DE ARRANQUE ...44

2.4.1 Arranque a tensión plena. ...45

2.4.2 Arranque a tensión reducida...46

2.4.3 Arranque con resistencias primarias. ...47

2.4.4 Arranque con reactancias...48

(6)

2.4.7 Arranque con devanado partido. ...53

2.5 TRANSMISIONES MECANICAS...55

2.5.1 Transmisiones directas...55

2.5.2 Transmisiones no directas. ...55

2.5.3 Transmisiones por poleas y bandas. ...56

2.5.4 Transmisiones por ruedas dentadas y cadena. ...58

2.5.5 Transmisiones por engranes. ...59

...61

. ...61

3.1 MEDICION DE LA RESISTENCIA OHMICA DE LOS DEVANADOS. ...62

3.1.1 Medición de la resistencia óhmica por el método de la caída de voltaje (VóltmetroJ Ampérmetro)...62

3.1.2 Medición de la resistencia óhmica por medio del puente de Wheatstone. ...64

3.1.3 Medición de resistencia usando el doble puente de Thomson...67

3.2 PRUEBA DE VACIO EN LOS MOTORES DE INDUCCION. ...68

3.3 PRUEBA DE CORTO CIRCUITO O ROTOR BLOQUEADO EN MOTORES DE INDUCCIÓN. ...71

3.4 PRUEBA PARA LA DETERMINACION DEL RENDIMIENTO EFECTIVO. ...75

3.5 PRUEBA DE TEMPERATURA O CALENTAMIENTO. ...83

3.6 METODOS PARA LA DETERMINACION DE LA TEMPERATURA...84

...92

. ...92

4.1 CLASIFICACION DE LAS FALLAS EN LOS MOTORES TRIFASICOS DE INDUCCION ...92

4.1.1 Fallas mecánicas. ...95

4.1.2 Inadecuada lubricación. ...95

4.1.3 Fallas eléctricas. ...98

4.1.4 Fallas debidas a efectos ambientales y de mantenimiento...99

4.1.5 Mantenimiento inadecuado. ...100

4.1.6 Instalación inadecuada...100

4.1.7 Otros factores de falla. ...101

4.2 DETERMINACIÓN DE LAS FALLAS EN LOS MOTORES DE INDUCCIÓN...101

4.3 PROBLEMAS DE ORIGEN MECÁNICO EN LOS MOTORES ELÉCTRICOS DE INDUCCIÓN. ...103

4.3.1 Cojinetes desgastados. ...103

4.3.2 Tapas mal montadas. ...103

4.3.3 Cojinetes o chumaceras excesivamente apretados. ...104

4.3.4 Eje torcido...104

4.4 FALLAS ELÉCTRICAS COMUNES EN LOS MOTORES TRIFASICOS DE INDUCCION. 104 4.4.1 Desbalance de tensión...104

4.4.2 Efecto de la pérdida de una fase. ...105

4.4.3 Efectos de la sobrecarga. ...106

(7)

4.5.1 Pruebas eléctricas al motor de inducción trifásico. ...112

4.5.2 El método de la lámpara de prueba...113

4.5.3 Localización de fallas de fase a tierra por medio de un voltampérmetro de gancho. ...114

4.5.4 Determinación de devanados abiertos con voltampermetro de gancho. ...115

4.5.5 Prueba de rotores jaula de ardilla por medio del Glowler. ...115

4.6 PRUEBAS DE AISLAMIENTO A LOS MOTORES DE INDUCCIÓN...116

4.6.1 Prueba de aislamiento de corta duración. ...117

4.7 PRUEBA DE AISLAMIENTO EN SITIO ...121

4.8 PRUEBA DE AISLAMIENTO DE PASO DE VOLTAJE. ...122

...124

...124

5.1 SELECCIÓN DE UN MOTOR DE INDUCCION JAULA DE ARDILLA...124

A PARTIR DE LOS DATOS DE PLACA...124

5.2 SELECCIÓN DE UN MOTOR DE INDUCCION JAULA DE ARDILLA APARTIR DE LA CARGA...126

5.3 EJEMPLO DE SELECCIÓN DE UN MOTOR TRIFASICO DE INDUCCION TIPO JAULA DE ARDILLA. ...127

5.4 ARRANQUE DEL MOTOR...140

5.5 RESUMEN DE CARACTERISTICAS DEL MOTOR SELECCIONADO. ...140

5.6 SELECCIÓN DEL MOTOR A UTILIZAR. ...142

5.7 MOTORES DEALTAEFICIENCIA. ...142

. ...144

6.1 CONSECUENCIAS DE UNA MALA SELECCIÓN DEL MOTOR...144

6.2 DEGRADACION DE LA VIDA UTIL DE UN MOTOR DE INDUCCION. ...145

6.3 ANÁLISIS DECOSTOS. ...148

...153

! "...155

(8)

El creciente aumento en la demanda de energía eléctrica en México y a nivel mundial hace necesario un mayor crecimiento de la infraestructura eléctrica, esto implica irremediablemente el uso de mayores recursos tanto naturales como económicos que impactan directamente en la economía del país.

La urbanización del territorio nacional da lugar a un mayor número de demandantes no solo a nivel domestico, si no también industrial que requieren grandes cantidades de energía para transformar sus materias primas y ofrecer sus productos a la población.

Dentro de los procesos de transformación de las industrias existe una gran variedad de máquinas destinadas a realizar diversos trabajos, que en su mayoría utilizan un motor eléctrico y dentro de estos, el motor trifásico de inducción con rotor en jaula de ardilla es el más usado en la industria por diversos factores como lo son: su sencilla construcción, la ausencia de colector en el rotor, hacen que no se necesite de equipos adicionales para su puesta en marcha y por ende se tiene un costo de operación y mantenimiento reducido; por otra parte sus características eléctricas y mecánicas los hacen aptos para un gran número de aplicaciones industriales. Por ello es que los motores trifásicos de inducción han extendido su aplicación en México y el Mundo.

(9)

Por otro lado la selección adecuada de motores eléctricos de inducción favorece en un mayor cuidado al medio ambienté, al asegurar una larga vida de los motores; estos no necesitaran cambios de refacciones de manera continua, la lubricación será periódica, ni tampoco tendrán que ser sustituidos rápidamente.

Otro aspecto fundamental es el ahorro de energía que se logra al seleccionar un motor de manera correcta con lo cual se evitará el uso de motores con capacidades inadecuadas, y en consecuencia pérdidas de energía eléctrica.

El presente trabajo presenta los criterios más importantes que se deben considerar al seleccionar un motor de inducción tipo jaula de ardilla. Aunque los criterios son aplicados de manera general para todos los motores, este trabajo se enfoca a los motores trifásicos de inducción tipo jaula de ardilla; no se pretende dar una guía completa de selección de motores ya que cada caso debe ser estudiado de manera particular.

En el presente trabajo se hace mención del principio de funcionamiento del motor de inducción, clasificación, selección, pruebas, diagnóstico de fallas más comunes y por último se incluye un ejemplo práctico de selección acompañado de un estudio económico.

(10)

#

$%&'()%*+, *)-./0+, &) 1+, (+*+.), &) %&$00/-%

Los motores eléctricos en general basan su funcionamiento en la inducción electromagnética, dado este hecho es necesario revisar algunos conceptos fundamentales acerca de los fenómenos magnéticos así como los efectos que causan, a continuación se hace mención de algunas leyes y reglas.

En el año de 1831 Michael Faraday descubrió que cuando un conductor que forma un circuito cerrado y se mueve por algún medio mecánico, en un campo magnético, un voltaje se produce de alguna manera y éste produce una circulación de corriente. Asociado al descubrimiento de Faraday se supo también el hecho de que el magnetismo se puede generar por una corriente eléctrica que pasa a través de una bobina y que los polos iguales de un imán se repelen, en tanto los polos diferentes se atraen, estos fenómenos asociados a ciertas reglas y leyes eléctricas, constituyen la base del estudio de los generadores y motores eléctricos.

' 1)2 &) 3'.'&'2se puede enunciar como:

(figura 1)

En caso de un inductor con N vueltas de alambre, la fórmula es la siguiente:

dt d N e=− φ

Donde:

(11)

dt dφ

Es la tasa de variación temporal del flujo magnético Ф.

S N

Dirección del Movimiento

Dirección del Voltaje y Corriente

Generados

+

J

Conductor en Movimiento

Líneas de Flujo Magnético

Figura 1 Conductor en un campo magnético.

En electricidad existen reglas como la de y otras de

porque hay algunas formas convenientes de recordar las interrelaciones entre polaridad, direcciones y entre voltaje, campo magnético y movimiento. Una de estas reglas fue establecida por 31)(/%4 y relaciona la ley de faraday de la siguiente manera:

! " # "

#

(12)

S N

Movimiento

Campo

Volta je

Movimiento

Campo

Volta je Volta

je

Figura 1.1. Ley de la mano derecha de Fleming.

Basándose en el trabajo de Faraday, )%.205/ )%6, estableció en el año de

1833, solo dos años después del descubrimiento de Faraday, una relación que resulta básica en la transformación de la energía electromecánica.

$

$ #

(13)

S N

Movimiento

Voltaje y Corriente

Flujo

F V.I

M

Si la dirección de voltaje inducido y su corriente resultante son como se mustra, se siguen la ley de Faraday y regla de Fleming.

S N

I F

+

J

Campo Magnético Proporcional a la corriente inducida de acuerdo a la ley de Ampere.

+

S N

J

I Flujo

Fuerza

Movimiento Resultante de la combinación de dos Campos Magnéticos.

(14)

' .)41' &) 1' ('%+ /67$/).&' 8'.' )1 (+9/(/)%*+ (+*+.

La regla de la mano derecha de Flemig, relaciona la dirección del flujo magnético, la dirección del movimiento y la dirección del voltaje inducido resultante. Existe también una relación similar mutuamente ortogonal (perpendicular entre si) entre la dirección del campo magnético o flujo, la dirección del voltaje aplicado y la corriente, así como la dirección de la fuerza magnética resultante o acción del motor.

La mano izquierda establece esta relación, si se coloca el dedo índice en la dirección del flujo norte a sur y se fija la posición del dedo medio en la dirección del voltaje aplicado y de la corriente resultante. En estas condiciones si el dedo pulgar apunta en la dirección de la fuerza que está desarrollada por la ley de Biot Savart. (Figura 1.3)

Flujo

Corri ente

S N

Fuerza

Flujo

Corri ente

Fuerza

Figura 1.3 Ley de mano izquierda de Fleming.

)2 &) 1' 3$).6' ,+:.) $% 0+%&$0*+.

(15)

Esta ley relaciona el campo magnético por una unidad de área (B), la longitud del conductor que se encuentra dentro del campo magnético (L) y la corriente (I), la cual produce en conjunto una fuerza y que se expresa como:

Dinas L

I B F

10 ) )( )( (

=

Donde:

F = Fuerza ejercida sobre un conductor.

B = Densidad de flujo Magnético (Número de Líneas/cm2).

I = Corriente en el conductor (amperes).

L = Longitud del conductor en el campo, expresada en cm.

'(8+ ('4%;*/0+ .+*'*+./+

Si existe una forma de lograr que el campo magnético del estator rote, efectuara una “persecución” circular constante del campo magnético del estator debido al par inducido en el rotor. Esto en breves palabras, es el principio básico de operación de todo motor de c.a

¿Qué se puede hacer para que rote el campo magnético del estator?

El principio fundamental de la operación de una máquina alterna es que si un grupo de corrientes trifásicas, cada una de igual magnitud y desfasadas 120°, fluye en un devanado trifásico, se producirá un campo magnético rotacional de magnitud constante. El devanado trifásico consiste en tres devanados separados, espaciados 120° eléctricos alrededor de la superficie de la máquina.

(16)

A

B C

+ HM

J HM

1 2 3 4 5

Por la notable relación que existe entre la intensidad del campo magnético (H) y la corriente (I) se puede decir que también la intensidad del campo magnético producido de cada devanado sencillo, sigue las leyes de variabilidad indicadas en la figura 1.4 (b).

Figura 1.4 (a) Figura 1.4 (b)

De la figura 1.4 (b), se puede construir la tabla 1, donde se determina las variaciones de la intensidad del campo magnético producido por cada una de las fases, en diferentes etapas del ciclo.

FASE

Valores de la intensidad del campo magnético en los instantes considerados

1 2 3 4 5

A O +1 0 J1.0 0

B J0.866 J0.5 +0.866 +0.5 J0.866

C +0.866 J0.5 J0.866 +0.5 +0.866

Tabla 1. Variaciones de la intensidad de campo magnético en cada fase. a

c' b'

a'

(17)

De la tabla anterior; si se considera el instante 1, en la fase A la corriente es cero y también el campo magnético es cero. En las fases B y C las corrientes y los campos tienen respectivamente los siguientes valores con relación a los valores máximos del campo magnético.

Fase B = J0.866 HM Fase C = + 0.866 HM Donde:

HM = Valor máximo del campo magnético.

'.' )1 /%,*'%*) los valores de campo magnético en cada fase son los siguientes:

Fase A = +1 HM

Fase B = J0.5 HM

Fase C = J0.5 HM

(18)

+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + IN S T A N T E C O N S ID E R A D O VALOR DEL CAMPO MAGNETICO H POSICION DEL CAMPO GIRATORIO IN S T A N T E C O N S ID E R A D O VALOR DEL CAMPO MAGNETICO POSICION DEL CAMPO GIRATORIO 1

A = 0

B = J 0,866JHM

C = +0,866JHM

4

A = JHM

B = +0,5JHM

C = +0,5JHM

2

A = +HM

B = JO,5JHM

C = J0,5JHM

5

A = 0

B = JO,866J HM

C = +0,866J HM

3

A = 0

B = +0866JHM

C = J0,866HM

+ + + + + DONDE:

A J B J C = FASES DEL SISTEMA

HM = VALOR MAXIMO DEL CAMPO

MAGNETICO

SENTIDO DE ROTACION DEL CAMPO MAGNETICO.

(19)

El campo magnético giratorio induce en los conductores del rotor una “Fuerza electromotriz” inducida, de acuerdo a las leyes de inducción electromagnética. Esta fuerza electromotriz da lugar a la circulación de corriente (debido a que el rotor es un circuito cerrado) estas corrientes interactúan con el campo giratorio dando lugar a fuerzas que tienden a hacer girar el rotor siguiendo el campo, es decir por la ley de Lenz debe oponerse a la causa que los produce, debido a que las variaciones del flujo están producidas por la rotación del campo respecto a los conductores mismos, inicialmente sin movimiento.

La acción por lo tanto, tenderá a poner en movimiento los conductores y por lo tanto al rotor de manera que siguiendo la rotación del campo no se sujete a las variaciones del flujo. La rotación se presenta realmente si el par resultante de esta acción entre el campo del estator y la corriente del rotor supera al par resistente aplicado a la flecha de la máquina.

Por lo tanto se puede tener en cuenta lo siguiente:

a) El motor trifásico de inducción “Autoarranca”, es decir a diferencia de otros tipos de motores se arranca o pone en marcha por si mismo, sin necesidad de ser llevado a su velocidad por medios auxiliares, esta es una de las características importantes de este tipo de motores.

(20)

'. /%&$0/&+ )% $%' ),8/.' 7$) 8+.*' 0+../)%*)

Supongamos que una espira se encuentra en algún ángulo arbitrario “θ” con respecto al campo magnético, y que la corriente (I) fluye en la espira como se muestra en la figura 1.5, si fluye corriente en la espira, se inducirá un par en los alambres de la misma. Para determinar la magnitud del par, analizaremos la figura.

r

r c

d

a b a

b c

d

r

l

i

B

Figura 1.5 Espira dentro de un campo magnético.

La fuerza ejercida sobre cada segmento de la espira está dada por la ecuación siguiente:

F = I(L )(B) Donde:

F = Fuerza ejercida sobre un conductor. I = Magnitud de la corriente en el segmento.

L = Longitud del segmento, con su dirección definida como la del flujo de la corriente.

(21)

1 8'. )% $% ,)4()%*+ &) 1' ),8/.' ),*< &'&+ 8+.=

τ = rF sen θ

Donde:

τ = El par ejercido sobre el conductor. F = La fuerza ejercida sobre el conductor.

r = Es la distancia perpendicular al centro de la espira. θ = Es el ángulo comprendido entre el vector r y el vector F.

La dirección del par sigue el sentido de las manecillas del reloj si tiende a causar rotación en este sentido, y en sentido contrario a las manecillas del reloj se presenta esta tendencia.

Por ejemplo. Para el segmento aJb, en base a la regla de la mano izquierda (tema 1.1.1), la dirección de la corriente es hacia dentro en tanto que el campo magnético B apunta hacia la derecha, la cantidad I x B apunta hacia abajo. Entonces, la fuerza inducida en este segmento de espira es:

F = I(L )( B) = ILB

y el par resultante es:

τab =(F) (r sen θab)

Donde:

(22)

Para el segmento bJc, La dirección de la corriente es paralela al campo magnético, mientras que éste apunta hacia la derecha, la cantidad I x B apunta hacia adentro, entonces la fuerza inducida en este segmento del alambre es:

F = ILB

Para este segmento, el par resultante es 0 puesto que los vectores r y L son paralelos al flujo, y el ángulo es 0.

τbc = (F) (r sen θbc) = 0

Donde:

τbc = El par producido en el segmentó bJc.

De esta misma forma se puede analizar el par inducido para los otros segmentos de la espira descrita, en todos los casos el principio es el mismo.

De lo descrito anteriormente podemos sintetizar que el funcionamiento del motor de inducción es:

Cuando se conectan los devanados del estator a una fuente trifásica de c.a. se crea un campo magnético giratorio, cuya velocidad depende de la frecuencia y el número de polos (esta velocidad es conocida como síncrona)1. Al moverse el

campo corta los devanados del rotor (en este caso barras), induciendo corrientes que conjuntándose con el campo magnético de rotación, desarrollan un par, que hace que el rotor gire siguiendo el campo magnético.

1Síncrona proviene del griego “sin” que significa con y “cronos” que quiere decir tiempo. Es

(23)

>

Un motor de inducción jaula de ardilla está básicamente constituido por dos partes una fija denominada ,*'*+.? que está formado por tres devanados desfasados entre si 120° , en la parte interna, también comprende la estructura mecánica de soporte, y una parte móvil llamada +*+. o parte giratoria de los motores de inducción jaula de ardilla. Este forma un circuito eléctrico cerrado, por medio de un grupo de laminaciones en forma cilíndrica, en cuya periferia se disponen conductores conectados entre si por dos anillos frontales. En la figura 1.6 (a) se muestra el aspecto físico de un motor de inducción típico y 1.6 (b) un corte longitudinal mostrando su rotor jaula de ardilla.

Figura 1.6

a) Vista de un motor de inducción. b) vista en corte longitudinal de un motor de inducción.

En la figura 1.7 se muestra un Rotor en Jaula de Ardilla

Los elementos de soporte se dan por medio de las tapas que contienen los baleros y chumaceras (rodamientos).

(24)

Figura 1.7 Rotor Jaula de Ardilla.

Figura 1.8 Diagrama de explosión de un motor jaula de ardilla.

Carcasa

Rotor jaula de ardilla

Ventilator

Balero y cojinete

Caja de conexiones.

Tapa frontal

Tapa posterior.

Devanado del

estartor Eje del

motor

(25)

#

),1/6'(/)%*+

Es conveniente observar de inmediato que la velocidad del rotor en un motor de inducción, no podría alcanzar jamás la velocidad síncrona, es decir la velocidad del campo giratorio en el estator. El rotor gira siempre a una velocidad próxima a la síncrona, pero no la alcanzará nunca.

La diferencia entre la velocidad síncrona nsinc y la velocidad efectiva de rotación

del rotor nm se define como “& ' Este deslizamiento (S) se expresa

como un porcentaje de la velocidad síncrona o bien como una fracción de la misma.

El deslizamiento porcentual es:

100 %

sin

sin

x n

n n S

c

m c

=

Donde:

%S = Deslizamiento porcentual

nm = Velocidad mecánica o efectiva del rotor.

nsinc= Velocidad síncrona del motor

El deslizamiento como una fracción de la velocidad síncrona es:

c

n n n

S c m

sin

sin −

(26)

Es posible expresar la velocidad mecánica del eje del rotor, en términos de la velocidad síncrona y deslizamiento. Resolviendo para nmse tiene:

(

1

)

sinc.

m S n

n = −

El deslizamiento aumenta al aumentar la carga del motor, es decir, con el aumento del par resistente aplicado al motor. En vació, el deslizamiento es mínimo, casi despreciable y a la potencia nominal, dependiendo de la potencia del motor, varia entre el 2% y el 7% de hecho la velocidad del rotor no es rigurosamente constante con la carga y como no puede alcanzar a la velocidad de sincronismo, se le denomina también a estos motores “asíncronos”. Debido a la poca variación de velocidad, para ciertas aplicaciones prácticas, se considera como constante.

La velocidad síncrona se obtiene de:

P f nsinc =120 e

Donde:

fe = La frecuencia de la fuente del estator (o de la fuente de alimentación).

P = Número de polos en el estator.

.)0$)%0/' )% )1 .+*+.

(27)

Si el rotor de un motor está bloqueado, de tal modo que no se puede mover, entonces éste y el estator tendrán la misma frecuencia.

Para nm= 0 r.p.m, ⇒ fr= fe, y S = 1.

Donde:

r.p.m = Velocidad en revoluciones por minuto. fr = Frecuencia del rotor.

fe =Frecuencia del estator.

En cambio, si el rotor gira a velocidad síncrona, la frecuencia del rotor será cero.

Para nm = nsinc, la frecuencia del rotor fr = 0 y S =0.

Para cualquier velocidad intermedia, la frecuencia del rotor es directamente proporcional a la diferencia entre la velocidad del campo magnético nsinc y la

velocidad del rotor nm. Puesto que el deslizamiento del rotor se define como:

c m c n

n n S

sin

sin −

=

La frecuencia del rotor puede expresarse como:

e r Sf f =

Donde:

fr = Frecuencia del rotor.

S = Deslizamiento.

(28)

Existe otra forma alternativa de esta expresión, que en ocasiones son útiles. Una de las expresiones más comunes se deduce sustituyendo la ecuación para el deslizamiento, en la ecuación del la frecuencia del rotor y queda como:

e c

m c

r f

n n n f

sin sin −

=

y recordando que nsinc= 120 fe/ P, se obtiene finalmente la expresión siguiente:

) (

120 sinc m

r n n

P

f = −

@+1*'A) )% )1 .+*+.

En un motor de inducción, cuando se aplica la tensión en los devanados del estator, se induce una tensión en las bobinas del rotor de la máquina, (en este caso barras) en general. ( #

" " # $

El mayor movimiento relativo se da cuando el rotor se encuentra en estado estacionario, condición conocida como de rotor frenado o de rotor bloqueado2, por lo cual la tensión que se induce en el rotor es máxima cuando

alcanza dicha condición. La menor tensión (Cero Volts) se alcanza cuando el rotor se mueve a la misma velocidad del campo magnético del estator; Condición jamás alcanzada por los motores de inducción. La tensión inducida en el rotor a cualquier velocidad entre estos extremos de una bobina es directamente proporcional al deslizamiento del rotor, por tanto, si la tensión inducida en condición de rotor bloqueado se llama Ero.

2Es una prueba a los motores de inducción llamada de rotor bloqueado en el capitulo 3 se

(29)

La tensión inducida en el rotor en cualquier deslizamiento se encontrará por medio de la ecuación:

o

r SEr

E =

Donde:

Er= Tensión Inducida en el Rotor.

S = Deslizamiento de motor.

Ero= Tensión inducida en condición de Rotor bloqueado.

La fuerza electromotriz inducida es proporcional a la frecuencia y al número de espiras. En el caso específico del rotor, la tensión inducida en el rotor se obtiene de la expresión:

Nr f Er =4.44φ r

Donde:

Er = Tensión inducida en el rotor.

fr = La frecuencia del rotor.

Nr= El número de espiras del rotor.

O bien si en lugar de usar el número de espiras en el rotor, se usa el número de conductores: NC = Nr/2, la tensión inducida en el rotor se puede expresar

como:

Nc f Er =4.44φ r

Como se sabe que la frecuencia en el rotor es: fr =Sfe se observa que la tensión

inducida en el rotor es también proporcional al deslizamiento, cuando el rotor esta parado S =1.

(30)

Esto implica que la tensión inducida es máxima cuando el rotor está parado y disminuye al aumentar la velocidad, hasta llegar a ser muy pequeña ya en funcionamiento normal.

+../)%*) )% )1 +*+.

Si se designa por Rr la resistencia por fase del rotor y Lr la inductancia del

mismo, siendo Erla tensión inducida en el rotor cuando no está en movimiento.

La reactancia por fase del rotor en función de la frecuencia de alimentación del motor es:

r

r f L

X =2π

Donde:

Xr = Reactancia por fase del Rotor.

f = Frecuencia de alimentación. Lr = Inductancia por fase del Rotor.

Entonces la impedancia por fase del rotor es:

2 2

r r

r R X

Z = +

La corriente por fase del rotor es entonces:

2 2

0 0

r r

r

r r r

X R

E Z

E I

+ =

(31)

'. )% )1 (+*+. &) /%&$00/-%

El par desarrollado en un motor de inducción se debe a la interacción de los campos del rotor y el estator, y por lo tanto depende de la intensidad de los mismos y las relaciones de fase entre ellos. De hecho el par es proporcional al flujo y la corriente en el rotor, esto se puede expresar matemáticamente como:

r I

Tαφ r cosθ

Donde: T = Par.

Ir = Corriente por fase en el rotor. φ = Flujo rotatorio en el estator. cos φr = Factor de potencia del rotor.

a = Indica proporcional.

Por otra parte, debido a que la fuerza electromotriz inducida en el rotor por fase es proporcional al flujo, cuando está parado, es decir EROα φ, entonces:

r I

E

Tα RO r cosφ

También:

r I

E K

T = RO r cosφ ……….1

K es la constante para establecer la igualdad en la expresión matemática. La corriente en el rotor se obtiene de la expresión siguiente:

2 2 2 r r r r X S R R S I + = ………..2

Por otra parte:

(32)

Sustituyendo las ecuaciones 2 y 3 en la ecuación 1, el par será: ) )( ( 2 2 2 2 2 2 r r r r r RO RO X S R R X S R E S KE T + + =

Y reduciendo la ecuación anterior se obtiene la ecuación del par siguiente:

2 2 2 2 r r RO r X S R E R S K T + = Donde:

S = Deslizamiento.

Rr = Resistencia del Rotor.

Ero = Tensión inducida en condición de rotor bloqueado.

Xr =Reactancia del Rotor.

Si se desea obtener el par de arranque es necesario considerar que en el momento del arranque, el rotor no tiene movimiento alguno, por lo tanto el deslizamiento es máximo S=1, sustituyendo en la expresión anterior del par, se obtiene el llamado par de arranque.

2 2 2 r r RO r X R E R K Tarr + = @ !

(33)

Los devanados del estator de un motor trifásico de inducción, sea tipo jaula de ardilla o de rotor devanado, se pueden conectar ya sea en delta o en estrella: los conectados en delta son cerrados y forman una configuración de triangulo, los conectados en estrella forman una configuración en Y. Los devanados de un motor se pueden diseñar en 6 o 9 terminales para ser conectados a la línea de alimentación trifásica.

Cada devanado de un motor de inducción trifásico tiene sus terminales marcadas con un número para su fácil conexión. En la figura 1.9 se tiene un motor con 6 terminales, con los devanados internos identificados para conectar el motor para operación en delta. Las terminales de los devanados se conectan de modo que A y B cierran el otro extremo, para formar la delta cerrada de los devanados del motor.

Figura 1.9 Conexión Delta con 6 terminales.

A B

C

L1 L2 L3

L1

L2

L3 A

C

B

A C

B

1

2

3

4 5

(34)

Los motores de inducción de jaula de ardilla están disponibles con 9 terminales para conectar los devanados internos para operación en delta. Se conectan 6 devanados internos para formar una delta cerrada.

Tres devanados están marcados como 1J4J9, 2J5J7 y 3J6J8. los devanados se pueden bobinar para operar a uno o dos voltajes. Figura 1.10

1

2 5

8 3

6

9 4

7

L3 L2 L1

L3 L2 L1 1

4

7

2 5

8 3

6 9

Figura 1.10 Conexión Delta de 9 Terminales.

(35)

L1 L2 L3 A

B

C

B

C

A B C A

L2 L3 L1

Figura 1.11. Conexión Estrella de 6 Terminales.

Un motor conectado en estrella con 9 terminales, tiene tres puntas de sus devanados conectadas para formar una estrella con las tres terminales restantes (7J8J9). Los tres devanados restantes son los números 1J4, 2J5 y 3J6. Figura 1.12

(36)

L2 L3 L1 1

4 7

9

6 3

8

5 2

L2

L3 L1 3

6

9 7 1

4

8

5 2

Figura 1.12 Conexión Estrella de 9 terminales.

(37)

L1 L2 L3

L1 L2 L3

T1 T2 T3

T6 T5 T4

T3 T2 T1

T4 T5 T6 Baja Velocidad.

Alta Velocidad.

T5 T8

T3

T6 T9

T7 T4 T1

T2 T3

T7 T4 T9

T6

T8

T5 T2

T1

Figura 1.13 (a) Figura 1.13 (b) Figura 1.13 (c)

+*+.), +%)0*'&+, )% ),*.)11' Los extremos de cada una de las fases individuales se unen en un punto común. Figura 1.14

Figura 1.14 Conexión Estrella.

+*+.), 0+%)0*'&+, )% )1*' Los extremos de cada fase se conectan al principio de la fase siguiente. Figura 2.15

L1 L2 L3 L1 L2 L3

T1 T2 T3

T6 T5 T4 T3

T2 T1

T4 T5 T6

(38)

#

El presente capítulo describe de manera general criterios que se deben considerar al seleccionar un motor trifásico de inducción, aunque hay que destacar que los criterios son generalizados para todos los motores. No se pretende dar una guía completa de selección ya que esta debe ser estudiada para cada caso en particular.

De acuerdo a sus características de par, intensidad y velocidad, la National Electrical Manufacturers Association (NEMA), ha clasificado a los motores de inducción en diferentes clases.

( ) )

Este es un motor diseñado con un par de arranque normal, alrededor de 150% del de régimen. Su corriente de arranque va de 5 a 7 veces la nominal. Su deslizamiento a plena carga es menor del 5% y en los motores de gran tamaño, aproximadamente del 2%.

Tiene un solo devanado de jaula de ardilla de baja resistencia, que se instala en ranuras profundas, lo cual se traduce en un arranque rápido. Para motores de 10 HP o mayores, las corrientes de arranque suelen ser muy elevadas, lo que implica la utilización de arranque a tensión reducida. Sus aplicaciones son generales: Bombas centrífugas, ventiladores, grupo motor generador y equipos que requieren un par de arranque bajo.

( ) %

(39)

rotor especial del tipo de doble jaula de ardilla o de barras profundas, como en los de clase A. Como los anteriores a ciertas potencias no se presentan para el arranque a la tensión plena de la red. Este diseño es el más común para uso general en tamaños que van de los 5 a los 200 HP, cuando los requerimientos del par de arranque no son muy severos.

( ) (

Motor con un diseño de par de arranque elevado y baja corriente de arranque, su rotor es de doble jaula de ardilla, que si bien proporciona las características mencionadas, limita su capacidad de disipación térmica. Por esto, no son recomendados para cargas de alta inercia que impidan su rápida aceleración. Su corriente de arranque es de 4.5 a 5 veces la nominal, su par de arranque del orden de 250% del de régimen y su deslizamiento a plena carga es de 5% o menos. Entre sus aplicaciones se tienen: transportadores, compresores, máquinas trituradoras y toda clase de cargas de naturaleza estática y con requerimientos de alto par de arranque. Se fabrican de capacidades de 3 HP o mayores.

( ) &

Son motores con ranuras en el estator reducidas y a poca distancia de la superficie. Esto trae consigo alta resistencia, desarrollándose elevados pares de arranque, hasta 300% del nominal, pero con rendimientos bajos. Además, tienden a sobrecalentarse con cargas de alta inercia. Se usa con cargas intermitentes, con frecuentes inversiones de giro que requieren aceleraciones rápidas. Los motores con deslizamientos mayores, tales como los que se usan en los servicios de los elevadores, tienen deslizamientos entre 15 y 25%.

( ) * +

(40)

a la clase E, pero requiere menos corriente de arranque y presta un deslizamiento mayor.

En la figura 2.1 se muestra la relación entre el momento de torsión a plena carga y la velocidad síncrona para cada clase de motor trifásico de inducción.

clase D clase A

clase C

clase B

0 20 40 60 80 100

0 50 100 150 200 250 300 350

p

or

cen

ta

je

d

e

m

om

en

to

d

e

to

rci

ón

a

p

len

a

ca

rg

a

porcentaje de velocidad sincróna

Figura 2.1 Relación momento torsor/velocidad síncrona.

La selección adecuada de los motores eléctricos en general juega un papel fundamental, ya que de esto depende en gran medida el correcto funcionamiento y durabilidad de los mismos, al ser utilizados correctamente se reducen los tiempos de mantenimiento y por lo tanto se asegura su funcionamiento con periodos de interrupción mínimos.

La mayoría del equipo para desarrollo de potencia mecánica tiene incorporado un motor eléctrico, por ejemplo: un compresor de aire, un taladro, una fresadora etc., el motor eléctrico se encuentra instalado como parte del equipo;

(41)

cuando por alguna razón es necesario reemplazar el motor de un equipo se reemplaza por uno de las mismas características; para esto basta con verificar la placa de características del motor a sustituir, en estos casos no es necesario conocer mucho de motores ni de su selección. Pero la mayoría de los problemas que se presentan en la práctica no son tan simples como esto.

Cualquier máquina eléctrica rotatoria tiene como aspecto importante su tamaño expresado en términos de su potencia, la velocidad a que debe operar, el ciclo de trabajo que debe desarrollar, el tipo de montaje de la base y algunos otros factores que en ocasiones no se relacionan con la selección de motores. Los fabricantes de equipos motorizados especifican los tipos de motores que utilizan. Estos motores por lo general los seleccionan los ingenieros de aplicación de la compañía fabricante.

Existen varios criterios para la selección adecuada de los motores, en general se tienen los siguientes:

• Potencia en la entrada o la salida, expresada en HP o kilowatts

• Características de la carga por accionar.

• Velocidad nominal en RPM

• Tamaño de la carcasa.

• Clasificación por velocidad.

• Efecto del ciclo de trabajo.

• Temperatura ambiente.

• Elevación de temperatura en la máquina.

• Voltaje nominal.

• Tipo de carcasa y condiciones ambientales.

• Requerimientos de mantenimiento y accesibilidad.

• Frecuencia del sistema del cual se va a alimentar.

• Número de fases.

(42)

+*)%0/' &) ,'1/&'

Es el primer criterio a considerar, dentro de la selección de un motor, aquí se determinará en base a cálculos que potencia se necesita para mover una carga, pudiendo ser un líquido, o un gas. Este factor se complica por el hecho de que un motor debe soportar por periodos breves sobrecargas.

Por ejemplo se puede tener el caso de que un motor con potencia nominal de 10 HP a 1750 RPM con un ciclo de operación continuo a 50◦ C de elevación de

temperatura, debe producir o entregar 15 HP a 1650 RPM, pero no en forma continua, esto quiere decir que su devanado debe admitir un calentamiento de 10 a 15 minutos sin daño alguno, por lo que se selecciona para el valor de potencia que debe entregar a corto tiempo.

'.'0*).B,*/0', &) 1' 0'.4' 8+. '00/+%'.

Existe una amplia gama de motores eléctricos para distintas aplicaciones, por ejemplo un ventilador no requiere de un gran par, pero en cambio hay cargas que si lo requieren, entonces dependiendo de la magnitud de la carga se pueden utilizar motores monofásicos, o trifásicos de inducción (tema principal de este trabajo).

@)1+0/&'& %+(/%'1

La velocidad de placa de un motor en RPM está dada para sus condiciones normales de operación, ya que el motor eléctrico se le puede requerir para operar a cualquier velocidad desde el reposo hasta su velocidad nominal, o bien operar periódicamente con velocidades que varíen dentro de ciertos rangos.

'('C+ &) 1' 0'.0','

(43)

materiales más resistentes a estas condiciones, los de la clase A y B son totalmente cerrados y enfriados por ventilador.3

1',/3/0'0/-% 8+. 9)1+0/&'&

, - ( Para el caso concreto de los motores de

inducción se tiene una variación máxima del 20% de vació a plena carga dentro de esta categoría se encuentran la mayoría de los motores de inducción.

3)0*+ &)1 0/01+ &) *.':'A+

En ciclo de trabajo afecta en forma considerable al ciclo de operación de los motores, ya que puede ser continuo o alternativo, con carga directa al eje del motor o a través de mecanismos como poleas o engranes.

D )(8).'*$.' '(:/)%*)

Los motores de inducción pueden ser usados en ambientes poco comunes, por ejemplo cerca de un horno, o de equipos que operan a altas temperaturas o bien sumergidos como es el caso de los motores de bomba de pozo profundo, en ambos casos la temperatura es distinta y por lo tanto se requiere distinto tipo de motor.

E @+1*'A) 2 0+../)%*) %+(/%'1

Dependiendo del voltaje y la corriente nominal, que van en función a la potencia del motor, se requieren distintas características de alimentación.

F /8+ &) 0'.0','

El tipo de carcasa se seleccionará según las condiciones de operación del motor, pudiendo ser en atmósferas corrosivas, con polvo, humedad o goteos e inclusive en ambientes peligrosos o con peligro de explosión.

Existen otros puntos a tomar en consideración y que en muchas ocasiones se llegan a omitir en la selección de motores, que son:

• Por el lugar de operación.

• Por su montaje.

• Por la infraestructura eléctrica del lugar.

3

(44)

G +. )1 1$4'. &) +8).'0/-%

Se determina donde va a funcionar el motor. Por ejemplo la consideración de la altitud sobre el nivel del mar, sitio de la 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.

También se consideran especiales las siguientes condiciones de trabajo:

ambiente húmedo, a prueba de goteos, polvo, o a prueba de explosión para atmósferas peligrosas; será necesario seleccionar adecuadamente la carcasa a utilizar dependiendo de la situación, ya que un motor que opera a temperatura ambiente libre de humedad tiene una constitución diferente a aquel que trabajará en un lugar húmedo o de goteos constantes.

Es de suma importancia destacar que en muchas ocasiones esta es la causa por la cual muchos motores fallan aun cuando sean relativamente nuevos, recordemos que el estado físico de los aislamientos en las máquinas eléctricas en general determinará su vida útil.

+. ,$ (+%*'A)= un motor puede trabajar de forma horizontal como vertical (ver figura 2.2), o en diferentes ángulos dependiendo de los requerimientos.

(45)

+. 1' /%3.'),*.$0*$.' &)1 1$4'.

Se determina la tensión y capacidad que se tiene en la red de suministro eléctrico o en la instalación eléctrica de la planta, en ocasiones será más conveniente utilizar motores a 220V que a 440V debido a que en esta ùltima se hace necesario la ayuda de un trasformador y por ende un mayor costo de operación y mantenimiento.

De forma general podemos establecer dos puntos:

• Los motores monofásicos se fabrican de 127V y 220V.

• Los motores trifásicos son para: 220V, 440V, 575V, 2300V, 4000V, 4600V.

Existen otros aspectos que consideran los tipos de accionamiento o acoplamientos del motor, que son requerimientos más específicos para cada tipo de motor seleccionado y depende directamente de la carga.

(46)

.+8/)&'&), &) 1+, ('*)./'1), '/,1'%*),

Las principales propiedades que determinan la factibilidad de uso de un material aislante son:

• La resistividad o resistencia específica.

• La tensión disruptiva.

• La permitividad y la histéresis dieléctrica.

En adición a las propiedades mecánicas y su capacidad para soportar la acción de agentes químicos, el calor y otros elementos presentes durante su operación.

' *)(8).'*$.'

Uno de los factores que más afectan la vida de los aislamientos, es la temperatura de operación de las máquinas eléctricas, esta temperatura es originada principalmente por las pérdidas durante su operación dichas pérdidas se localizan principalmente en el estator y el rotor que constituyen el circuito magnético, aquí las pérdidas son producidas por el efecto de histéresis y las corrientes circulantes en las laminaciones, son dependientes de la inducción, es decir que influye el voltaje de operación.

Con el propósito de mantener en forma confiable y satisfactoria la operación de las máquinas eléctricas, el calentamiento de cada una de sus partes, se debe de controlar dentro de ciertos rangos previamente definidos. Las pérdidas en una máquina son importantes no solo por el lado de la ineficiencia, si no que son proveedoras de incrementos en la temperatura para los devanados, esta elevación de temperatura puede causar ciertos efectos sobre los aislamientos de los propios devanados o bien en los aislamientos entre devanados y estator o rotor.

(47)

máquina dentro de sus limites de carga establecidos, de aquí surge nuevamente la importancia de una correcta selección de motor.

1',/3/0'0/-% &) 1+, ('*)./'1), '/,1'%*),

La clasificación de materiales aislantes para máquinas eléctricas incluyendo los motores, con relación a su estabilidad térmica cubre básicamente siete clases de materiales aislantes que se usan por lo general y que son las siguientes:

( *

Este aislamiento consiste en materiales o combinaciones de materiales, tales como algodón, seda y papel sin impregnar.

( )

Este aislamiento consiste de materiales o combinaciones de materiales, tales como el algodón, seda, papel con alguna impregnación o recubrimiento o cuando se sumergen en dieléctricos líquidos tales como aceite. Otros materiales o combinaciones de materiales que caigan dentro de estos límites de temperatura pueden caer dentro de esta categoría.

(

Este aislamiento consiste en materiales o combinaciones de materiales que por experiencia o por pruebas pueden operar a temperaturas hasta de 15° C sobre la temperatura de los aislamientos clase A.

( %

Este aislamiento consiste en materiales o combinaciones de materiales tales como la mica, fibra de vidrio, asbestos, etc. Con algunas substancias aglutinantes, puede haber otros materiales inorgánicos.

( +

(48)

( .

Este aislamiento consiste en materiales, tales como el silicón, elastómeros y combinaciones de materiales tales como la mica, la fibra de vidrio, asbestos, etc. Con sustancias aglutinantes como lo son las resinas y silicones apropiados.

( (

Este aislamiento consiste en materiales o combinaciones de materiales tales como la mica, la porcelana, vidrio, cuarzo con o sin aglutinantes.

A continuación se muestra la tabla 2.1; con las temperaturas permisibles para cada clase de aislamiento.

1',) )(8).'*$.'

Y 90° C A 105 °C E 120° C B 130° C F 155° C H 180° C

C Mayor a 180° c

Tabla 2.1. Clasificación de los materiales aislantes y su temperatura permisible.

H

Un aspecto importante cuando se habla de selección de motores, es el de la elección del método de arranque adecuado, esta selección está restringida sobre todo por el valor del par que se desea obtener del motor al arranque, dichos métodos se explicarán de forma general a continuación.

(49)

destruir sus devanados. Sin embargo, la corriente demandada si bien no perjudica al motor, si ocasiona perturbaciones en la red de alimentación, tanto por su intensidad como por el bajo factor de potencia con que es absorbida; sobre todo en máquinas con capacidades de 10 Hp y mayores.

Esta situación y el hecho de que el par pueda tener efectos no deseados en la carga accionada, trae como consecuencia, el empleo de métodos de arranque, en los cuales la conexión del motor ya no se hace de manera directa a la red. Dichos métodos se explican a continuación.

..'%7$) ' *)%,/-% 81)%'

El método más sencillo de arranque para el motor polifásico de inducción en jaula de ardilla, es conectándolo directamente a la línea. Para esto se pueden emplear dispositivos de arranque manuales o magnéticos.

$

"

En la figura 2.3 se muestra un diagrama lineal de control de un arrancador electromagnético a tensión plena, de un motor trifásico en jaula de ardilla.

(50)

..'%7$) ' )%,/-% )&$0/&'

Esta manera de arrancar los motores obedece a alguna de las siguientes razones: se desea disminuir la corriente de arranque demandada por el motor, o bien, acelerar suavemente la carga, esto es disminuir el par.

Existen varias formas o métodos para lograr el arranque a tensión reducida. Entre los principales se tienen:

a) Resistencias primarias. b) Reactancias.

c) Autotransformador. d) EstrellaJDelta. e) Devanado Partido.

Nota: en el último método mencionado, la disminución de la corriente y del par, no se logra reduciendo la tensión al arranque en los devanados del motor, pero es costumbre incluirlo en los de arranque a tensión reducida, porque los resultados que se obtienen satisfacen los requerimientos.

En cualquiera de los métodos de arranque a tensión reducida, la corriente en las puntas del motor, se reduce en proporción directa con la reducción de la tensión, en tanto que el par lo hace con el cuadrado de esa tensión. De esta manera:

. min

min

arranque de al no al no reducido

reducida xI

V V

I =

. min

2 min

)

( no aldearranque

al no reducido

reducido xT

V V

T =

Se debe tomar en cuenta, que cuando se trata de reducir la corriente, aparece una reducción del par que la máquina puede entregar. Independientemente de cual sea la magnitud a regular, la otra siempre estará presente.

(51)

corriente, por restricciones de la compañía suministradora, puede suceder que la disminución del par, ocasione problemas al impulsar la carga.

..'%7$) 0+% .),/,*)%0/', 8./('./',

En este método de arranque el motor se conecta a la línea, a través de un grupo o banco de resistencias, produciendo una caída de tensión en ellas. Esta caída disminuye la tensión aplicada a las terminales del motor, reduciendo la corriente y el par durante el arranque. Una vez que el motor alcanza cierta velocidad (superior al 70% de la nominal), se desconectan las resistencias, dejando al motor funcionando con la tensión plena de alimentación.

En la figura 2.4 se muestra un diagrama lineal de control de un arrancador electromagnético con resistencias primarias para un motor trifásico en jaula de ardilla.

MOTOR.

L1 L2 L3

R1 R1 R1

M1 M2 M3

SC SC

BP SC

M

M4 4 R

(52)

..'%7$) 0+% )'0*'%0/',

Este método de arranque consiste en conectar el motor a la línea a través de reactancias colocadas en cada una de las fases. Resultado de utilizar este tipo de arrancador, el par en el arranque es muy bajo; además, el empleo de reactancias disminuye aun más el factor de potencia durante la aceleración. Estas características y su mayor costo, hacen que el tipo de resistencias que acabamos de mencionar, sea preferido en lugar de éste en la mayoría de los casos. En la figura 2.5 se muestra un diagrama lineal de control de un arrancador electromagnético con resistencias primarias para un motor trifásico en jaula de ardilla.

BA

CR BP

CR

SC

R L3

L2 L1

R

90% 65% 50%

SC

SC R

R

M M M

TRANSFORMADOR.

T

M M CR

T

MOTOR.

(53)

..'%7$) 0+% $*+*.'%,3+.('&+.

El arranque con autotransformador conocido como compensador, tiene los mismos propósitos que los arrancadores con resistencias o reactancias y a pesar de ser más costoso, posee ciertas cualidades que lo hacen preferido en la mayoría de las aplicaciones.

En los arrancadores con resistencias o reactancias, la disminución de la corriente es proporcional a la disminución de la tensión, mientras que el par disminuye con el cuadrado de esta. Así si en un arrancador se tiene una caída de tensión en los bancos limitadores de un 20%, la corriente absorbida por el motor durante el arranque, será el 80% de su valor si se arrancara a tensión plena de la red, en tanto que el par se reduce a un 64%.

Supóngase que el mismo motor se conecta a un autotransformador durante el arranque, como se muestra en la figura. 2.6. Si la tensión en los bornes se reduce a un 80% respecto a la de red, la corriente absorbida por la máquina disminuye en la misma proporción. Sin embargo, por la acción transformadora, la corriente de la red que está dada por la relación siguiente:

% 64 % 80 % 100

%

80 =

=

= I x

V V

I M

L M L

Donde:

VM = Voltaje del motor.

VL= Voltaje de línea.

IL= Corriente de línea.

IM= Corriente del motor.

Resulta ser el 64% de la corriente, que absorbería el motor si se conectará directamente a la línea.

(54)

!"!#

$ % $

Figura 2.6 conexión del motor durante el arranque con autotransformador.

Los rangos máximos a que se fabrican estos arrancadores, son de 125 Hp a 220V y 250 Hp a 440V.

..'%7$) ,*.)11' I )1*'

Este método de arranque desarrollado hace ya muchos años en Europa, consiste en conectar los devanados del motor en estrella durante el arranque y luego pasarlos a conexión delta al terminar la aceleración.

! $

Cuando el motor se conecta en estrella, la tensión en cada una de las fases será

1/ 3 del valor de la tensión de la línea, que se aplica a cada fase si se

conectara en delta. Por otro lado siendo la corriente de la línea en la conexión

estrella 1/ 3 de la corriente de la línea en conexión delta, la corriente

absorbida por el motor durante el arranque en estrella, será 1/3 del valor que tomaría si se conectara en delta. El par de arranque también disminuye 1/3 de su valor en conexión delta, puesto que su reducción es proporcional al

cuadrado de la tensión aplicada y siendo esta 1/ 3, su cuadrado da el valor

mencionado.

(55)

esto último sucede, se pasa rápidamente la palanca a la posición delta, dejando al motor funcionando en condiciones normales de tensión, corriente y potencia.

& '

Figura 2.7 Diagrama de Arranque manual estrella delta.

Nótese que durante el cambio de estrella a delta, el motor se desconecta momentáneamente de la red, por lo que estos montajes son de transición abierta.

La figura 2.8, muestra el diagrama de arranque electromagnético a tensión reducida Estrella – Delta, el cual puede mandarse por pulsadores o por dispositivos de mando conectados a dos hilos.

( ( )

(56)

Al pulsarse el botón de arranque, se excitan las bobinas de los contactores M y E se cierran, el motor se conecta a la línea con sus devanados estatóricos en estrella. El tiempo de relé T actúa unos segundos después, ya que el motor se haya acelerado, desconectando la bobina del contactor E y conectando la del contactor D, que al cerrar sus contactos deja trabajando al motor en delta. El circuito de la figura anterior corresponde a un arrancador con transición abierta, ya que en la operación de apertura de los contactos E y el cierre de los contactos D, el motor queda desconectado de la línea por un instante. Para evitar la posibilidad que en el instante de la transición, el motor demande una corriente elevada, se utiliza un controlador similar al anterior, pero que realiza la transferencia de Estrella a Delta sin desconectar el motor de la línea. Los arrancadores con estas características se llaman de transición cerrada. Ver figura 2.9

( ( )

(57)

D ..'%7$) 0+% &)9'%'&+ 8'.*/&+

Frecuentemente los motores trifásicos jaula de ardilla, son construidos para operar a dos tensiones; por ejemplo, 220 y 440 Volts. Esto se logra embobinando el estator en dos secciones idénticas. Cuando estas secciones son dos estrellas ver figura 2.10 y se conectan en paralelo durante la operación normal del motor, el arranque por devanado partido puede ser empleado para limitar la corriente y el par al arranque.

*

+

' &

,

*

,

+

Figura 2.10 Conexión doble estrella de los devanados estatóricos.

Inicialmente se conecta a la alimentación una mitad del devanado estatórico y luego, cuando el motor marcha cerca de su velocidad nominal, se conecta la segunda mitad en paralelo con la sección ya excitada.

Generalmente se utiliza para motores conectados en estrella, pero puede realizarse en motores con conexión delta, siempre y cuando ninguna de las terminales de la conexión se abra durante la operación.

(58)

contactos operan, excitándose la bobina 2M del contactor que conecta el segundo devanado.

La secuencia descrita corresponde al arrancador denominado de dos pasos. Una secuencia de tres pasos se realiza cuando se usan resistencias que se conectan en serie con el devanado sencillo; este es el primer paso. El segundo deja fuera las resistencias conectando a la red solamente el devanado y el tercer paso conecta el segundo devanado en paralelo con el primero. Este método es usado cuando la capacidad térmica del motor limita la aceleración; entonces el tercer paso, si bien disminuye aun más el par inicial, reduce el efecto del calentamiento permitiendo una aceleración más uniforme.

!"!#

* +

,

(59)

La transmisión mecánica consiste en el elemento o conjunto de elementos que constituyen la interfaz entre el eje del motor y el eje de la carga, responsables de la transferencia de la potencia mecánica útil a la carga accionada.

Cualquier transmisión, con respecto al motor, representa un órgano que reimpone esfuerzos mecánicos externos. Por este motivo se debe asegurar que el motor y la transmisión sean compatibles.

Los motores normalizados por los fabricantes suelen ser adecuados a los tipos más frecuentes de transmisiones; en aplicaciones donde los esfuerzos originados en la transmisión exceden los límites admitidos por el motor, haciendo que éste tenga funcionamiento precario o funcione con márgenes de seguridad inaceptables, se ve la necesidad de una adecuación del proyecto o incluso un nuevo proyecto.

En cuanto a la naturaleza de los esfuerzos externos sobre el motor, se pueden clasificar las transmisiones en dos grupos básicos: directas y no directas.

.'%,(/,/+%), /.)0*',

Son aquellas en que la punta del eje del motor solo recibe un esfuerzo de torsión (par motor puro), además de una carga que corresponde al peso del elemento de transmisión montado sobre el propio eje; El valor del peso de este elemento es mucho menos significativo que el momento “torsor” para la caracterización de los esfuerzos. En esta situación están incluidos: los acoplamientos elásticos, los embragues en general, los acoplamientos hidráulicos y los accionamientos hechos a través de un cojinete suplementario.

.'%,(/,/+%), %+ /.)0*',

(60)

El análisis del comportamiento mecánico de una transmisión exige el conocimiento de los parámetros siguientes (en caso de consultar al fabricante del motor sobre la viabilidad o no de una transmisión, los mismos datos son necesarios):

• Identificación del motor en cuestión (tipo, categoría, potencia, régimen, rotación, forma constructiva).

• Informaciones sobre eventuales vibraciones transmitidas al motor.

• Peso del elemento montado sobre el eje del motor.

• Valor y sentido de la carga axial sobre el motor.

• Valor, sentido y posición de la carga radial externa actuante sobre el eje del motor.

La aplicación será más crítica cuanto mayor sean los valores de las cargas actuantes y cuanto más lejos del motor este el punto de aplicación de la carga radial. Los valores excesivos pueden provocar fatiga precoz en el eje, deformaciones anormales o hasta una brusca reducción en la vida útil de los baleros.

.'%,(/,/+%), 8+. 8+1)', 2 '%&',

Este es uno de los más usados para distintos tipos de aplicaciones, y dependiendo de éstas, existen básicamente tres modalidades de convertidores que son:

• Con poleas para bandas en V.

• Con poleas para multibandas en V.

• Con poleas para bandas planas.

• Combinación de poleas para bandas plana y en V.

(61)

-Figura 3.12 Transmisión por poleas y correas.

Para la operación con carga se puede calcular la fuerza radial externa FR por la

resultante vectorial entre las fuerzas de tracción actuantes en las correas en los lados tenso y flojo. Así:

FR =T1 + T2

El tensado de las correas regularmente se obtiene desplazando el motor sobre rieles o por dispositivos tensores. El valor de la fuerza de estirado debe ser tal que no permita el deslizamiento continuo de las correas sobre la polea motriz en condiciones nominales de funcionamiento, aun cuando ocurra un “patinaje” durante el arranque.

El análisis de una transmisión por poleas exige el conocimiento de los siguientes datos:

• Identificación del motor.

• Procedencia, tipo, perfil y cantidad de correas.

• Diámetro primitivo de la polea motriz.

(62)

• Diámetro primitivo de la polea movida o relación de transmisión.

• Anchura de las poleas y su posición longitudinal sobre la punta del eje.

• Distancia entre los centros de las poleas.

• Posición del eje movido en relación al eje motor (para motores horizontales).

• Peso de la polea motriz.

.'%,(/,/+%), 8+. .$)&', &)%*'&', 2 0'&)%'

Mientras que una transmisión por poleas y correas funciona exclusivamente por fricción, en las transmisiones por cadenas la posibilidad de deslizamiento no existe. Por este motivo la cadena no necesita un sentido significativo como en el caso de las correas.

La aplicación directa de las transmisiones por cadena en los motores es bastante restringida pues, a pesar de su alta capacidad de carga, la cadena solo puede trabajar en velocidades bastantes limitadas. Esta situación se esquematiza en la figura 2.13

Figura 2.13 Transmisión por ruedas dentadas y cadena.

Se puede considerar que el lado flojo de la cadena trabaja prácticamente sin tensión, y en estas condiciones la fuerza radial FR transferida del eje del motor

(63)

d M x F

F t

T

R = =2

Donde:

FR= La fuerza radial.

FT =La fuerza tangencial.

d = Diámetro de la rueda dentada en el motor.

La fuerza total efectiva o fuerza resultante aplicada sobre el eje de motores horizontales será la suma vectorial de FRy GA (Donde GAes el peso del piñon).

Para un análisis de una transmisión por cadena son necesarios los siguientes datos:

• Identificación del motor.

• Diámetro primitivo del piñón.

• Diámetro primitivo de la corona o relación de transmisión.

• Posición longitudinal del piñón sobre el eje.

• Posición del eje movido en relación al motor.

• Peso del piñón.

.'%,(/,/+%), 8+. )%4.'%),

Como en las transmisiones por cadenas, los engranes también funcionan sin deslizamiento.

(64)

Figura 2.14 Transmisión por engranes.

Siendo β el ángulo de presión, característico del particular perfil utilizado, se obtiene:

T

R F

F

β cos

1

=

Donde:

FR= Fuerza Resultante.

FT = Fuerza Total.

β = El ángulo entre la Fuerza Resultante y la Fuerza total.

No obstante, las transmisiones por engranes helicoidales, o cónicos, o del tipo sin fin, generan también elevadas fuerzas axiales descargadas directamente sobre el eje del motor.

En las transmisiones por engranajes se necesitan los datos que siguen para su análisis:

• Identificación del motor.

• Tipo de engranaje.

• Diámetro primitivo del piñón.

• Características del perfil utilizado para los dientes (β).

• Posición longitudinal del piñón sobre el eje.

• Posición del eje conducido en relación al motor.

(65)

#

En el campo de la ingeniería eléctrica las pruebas forman parte fundamental, cuando se habla de mantenimiento a las máquinas eléctricas. El presente capítulo presenta de forma general la descripción de las pruebas, mencionando los aspectos fundamentales de las mismas. Se debe tomar en cuenta la norma mexicana al respecto por lo tanto la información aquí presentada puede ser ampliada o complementada de otras fuentes.

Cuando se habla de pruebas a motores eléctricos se debe distinguirse entre las que se efectúan en campo y las que se efectúan en la planta del fabricante antes de que el motor salga al mercado, ambas tienen objetivos concretos, las pruebas de campo o de mantenimiento preventivo sirven para dar un diagnóstico rápido sobre el estado mecánico y eléctrico que guardan las máquinas, y en caso de ser necesario se corrigen las fallas.

Las pruebas en los motores de corriente alterna, como en otras máquinas tienen dos propósitos generales:

1. Verificar que las máquinas cumplan con las condiciones a que estarán sometidas durante su operación, es decir de calentamiento, de voltaje, mecánicas etc (pruebas básicas descritas en el capitulo IV).

Son conocidas como pruebas de mantenimiento preventivo.

2. Verificar las características de diseño de las máquinas indicadas normalmente en la placa de características, estas pruebas pueden subdividirse en:

(66)

• Pruebas de aceptación (para verificar que cumplan las especificaciones hechas en una compra o pedido).

• Pruebas especiales.

Las pruebas específicas a desarrollar en los motores de inducción trifásicos son las siguientes:

• Medición de la resistencia óhmica de los devanados.

• Prueba de vacío.

• Prueba de corto circuito o a rotor bloqueado.

• Prueba con carga para la determinación de la eficiencia, el factor de potencia y del deslizamiento.

• Pruebas de aislamiento y de calentamiento.

@

La medición de la resistencia de los devanados del estator en los motores jaula de ardilla se efectúa por lo general por el método de caída de voltaje (vóltmetroJ ampermetro), en forma excepcional, cuando se tienen resistencias elevadas se usa el puente de Wheatstone y para devanados de muy baja resistencia se usa el doble puente de Thomson.

)&/0/-% &) 1' .),/,*)%0/' -5(/0' 8+. )1 (;*+&+ &) 1' 0'B&' &) 9+1*'A) J@-1*()*.+ K (8;.()*.+L

Existen dos casos específicos:

• La opción 1 se usa para medir resistencia que se espera tengan valor pequeño (del orden de décimas de ohm).

Figure

Figura�3.9�Curva�característica�de�corto�circuito�a�rotor�bloqueado.�
Figura�3.9�Curva�característica�de�corto�circuito�a�rotor�bloqueado.� p.78
Figura�3.12�Gráfica�de�los�resultados�de�la�prueba�de�rendimiento�efectivo.�
Figura�3.12�Gráfica�de�los�resultados�de�la�prueba�de�rendimiento�efectivo.� p.86
Tabla�3.6�Métodos�de�prueba�para�la�medición�de�temperatura�para�máquinas�eléctricas.�
Tabla�3.6�Métodos�de�prueba�para�la�medición�de�temperatura�para�máquinas�eléctricas.� p.89
Figura�3.15�Disposición�de�los�termómetros�en�la�prueba�de�temperatura.�
Figura�3.15�Disposición�de�los�termómetros�en�la�prueba�de�temperatura.� p.93
Tabla�3.7�Datos�obtenidos�de�una��prueba�de�temperatura.�
Tabla�3.7�Datos�obtenidos�de�una��prueba�de�temperatura.� p.93
Tabla�4.2�(a).�Porcentaje�de�fallas�eléctricas.�
Tabla�4.2�(a).�Porcentaje�de�fallas�eléctricas.� p.98
Tabla�4.5(b).�Fallas�y�efectos�ocasionados�en�el�sistema�de�distribución�de�una�planta.�
Tabla�4.5(b).�Fallas�y�efectos�ocasionados�en�el�sistema�de�distribución�de�una�planta.� p.112
Tabla�4.5(c).�Fallas�y�efectos�ocasionados�en��la�red�de�alimentación.�
Tabla�4.5(c).�Fallas�y�efectos�ocasionados�en��la�red�de�alimentación.� p.112
Tabla�4.5(d)�Fallas�y�efectos�ocasionados�en�el��sistema�de�distribución.�
Tabla�4.5(d)�Fallas�y�efectos�ocasionados�en�el��sistema�de�distribución.� p.113
Tabla�4.5(e).�Fallas�y�efectos�del�tipo�eléctrico.�
Tabla�4.5(e).�Fallas�y�efectos�del�tipo�eléctrico.� p.113
Tabla�4.5(f).�Fallas�y�efectos�del�tipo�mecánico.�
Tabla�4.5(f).�Fallas�y�efectos�del�tipo�mecánico.� p.114
Figura�4.2�Prueba�de�una�línea�de�alimentación�con�un�vóltmetro.���
Figura�4.2�Prueba�de�una�línea�de�alimentación�con�un�vóltmetro.��� p.115
Figura�4.3�Prueba�de�un�fusible�
Figura�4.3�Prueba�de�un�fusible� p.115
Figura.�4.4��Método�de�la�lámpara�de�prueba�para�localizar�fallas�a�tierra.�
Figura.�4.4��Método�de�la�lámpara�de�prueba�para�localizar�fallas�a�tierra.� p.117
Figura.�4.5��Localización�de�fallas�de�fase�a�tierra,�por�medio�de�un�voltampérmetro�de�gancho.��
Figura.�4.5��Localización�de�fallas�de�fase�a�tierra,�por�medio�de�un�voltampérmetro�de�gancho.�� p.118
Figura.�4.6��Localización�de�Devanados�abiertos��por�medio�de�un�voltampérmetro�de�gancho.���
Figura.�4.6��Localización�de�Devanados�abiertos��por�medio�de�un�voltampérmetro�de�gancho.��� p.119
Figura�4.7�Prueba�de�Rotores�con�Glowler.��
Figura�4.7�Prueba�de�Rotores�con�Glowler.�� p.120
Figura�4.8�Esquema�Para�Efectuar�La�Prueba�de�Aislamiento�de�Corta�Duración.�
Figura�4.8�Esquema�Para�Efectuar�La�Prueba�de�Aislamiento�de�Corta�Duración.� p.123
Figura�4.9.�Prueba�de�aislamiento�en�sitio�a�motores.�
Figura�4.9.�Prueba�de�aislamiento�en�sitio�a�motores.� p.126
Figura�4.10�Prueba�de�aislamiento�de�paso�de�voltaje.
Figura�4.10�Prueba�de�aislamiento�de�paso�de�voltaje. p.127
Tabla�5.1�factor�de�servicio�típicos�para�aplicaciones�industriales.�
Tabla�5.1�factor�de�servicio�típicos�para�aplicaciones�industriales.� p.135
Tabla�5.2�Clasificación�de�diseños�y�aplicaciones�de�los�motores�de�inducción.�
Tabla�5.2�Clasificación�de�diseños�y�aplicaciones�de�los�motores�de�inducción.� p.137
Figura�5.1�Dimensiones�de�las�carcasas�en�los�motores�eléctricos�según�la�NEMA.�
Figura�5.1�Dimensiones�de�las�carcasas�en�los�motores�eléctricos�según�la�NEMA.� p.143
Tabla� 5.6� Resumen� de� características� requeridas� para� selección� del� un� motor� trifásico� de�inducción�tipo�jaula�de�ardilla�que�operara�un�accionamiento�elevador�de�carga.�
Tabla� 5.6� Resumen� de� características� requeridas� para� selección� del� un� motor� trifásico� de�inducción�tipo�jaula�de�ardilla�que�operara�un�accionamiento�elevador�de�carga.� p.145
Figura�A1�Dimensiones�de�carcasas�para�motores�eléctricos.�
Figura�A1�Dimensiones�de�carcasas�para�motores�eléctricos.� p.159
Tabla�A1.�Dimensiones�de�las�carcasas�de�los�motores�eléctricos.�
Tabla�A1.�Dimensiones�de�las�carcasas�de�los�motores�eléctricos.� p.161
Tabla�A1.�(Continuación).�Dimensiones�de�las�carcasas�de�los�motores�eléctricos.�
Tabla�A1.�(Continuación).�Dimensiones�de�las�carcasas�de�los�motores�eléctricos.� p.162
Tabla�A1.�(Continuación).�Dimensiones�de�las�carcasas�de�los�motores�eléctricos.�
Tabla�A1.�(Continuación).�Dimensiones�de�las�carcasas�de�los�motores�eléctricos.� p.163
Tabla�A2.�(Continuación).�Número�de�carcasa�de�motores�eléctricos.�
Tabla�A2.�(Continuación).�Número�de�carcasa�de�motores�eléctricos.� p.164
Tabla�B5.�Unidades�mecánicas�utilizadas�en�el�presente�trabajo.�
Tabla�B5.�Unidades�mecánicas�utilizadas�en�el�presente�trabajo.� p.167

Referencias

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