, noviembre 2021
Departamento de Electroenergética
Título: Predicción del comportamiento de motores eléctricos a partir de informaciones estadísticas.
Autor: Ernesto Esquirol Benavides.
Tutor: Dr. Carlos A. de León Benítez.
, november 2021
Title: Prediction of the behavior of electrical motors from statistical information.
Author: Ernesto Esquirol Benavides.
Thesis Director: Dr. Carlos A. León Benítez
Electroenergetic Departament
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i
Pensamiento
“…Si un día nuestro trabajo nos pareciera bueno, debemos luchar por hacerlo mejor, y si nos pareciera mejor, debemos luchar por hacerlo perfecto…”
Fidel Castro Ruz
ii
Dedicatoria
A mi razón existencial, mi mayor y mejor tesoro. Niurka Benavides, madre, amiga, fuente inagotable de bien y amor, mi única debilidad y mi gran fortaleza.
A mi padre por enseñarme que los valores de los hombres se fortalecen a medida que crece su espíritu de sacrificio.
A mis abuelos quienes con sus ejemplos me enseñaron que la vida tiene senderos escabrosos, pero tomados de las manos siempre juntos llegamos al final, por creer siempre en mí.
A mis sobrinos por estar siempre presentes y hacer que sus ingenuas sonrisas hagan más fáciles los más tortuosos trayectos.
A mi tía Caridad Esquirol por estar siempre presente y apoyarme en
todas mis empresas.
iii
Agradecimientos
A mi tutor, Carlos A de León Benítez, por su apoyo, su tiempo, su dedicación, su disposición a atender mis consultas y dudas y por estar siempre que lo necesité.
A mis padres, por ser luz faro y guía a través de mi vida y estar siempre para mí cuando más los necesito, sin ellos este trabajo no hubiese sido posible.
A mis amigos y compañeros por brindarme su ayuda en todo momento.
iv
TAREA TÉCNICA
Para alcanzar el objetivo de este trabajo resulta imprescindible realizar las siguientes tareas técnicas:
1. Revisión de la bibliográfica técnico-especializada para la construcción del marco teórico de referencia general de la investigación.
2. Estudiar las fallas más comunes en los motores eléctricos de inducción.
3. Analizar los métodos de detección de fallas en los motores eléctricos de inducción.
4. Desarrollar una metodología para la predicción del comportamiento de los Motores Eléctricos en el proceso productivo mediante la medición de su eficiencia.
__________________ _______________________
Firma del Autor Firma del Tutor
v
RESUMEN
Los motores eléctricos son piezas fundamentales en todo proceso productivo y por lo tanto requieren de un excelente mantenimiento y unas condiciones aceptables de operación para poder cumplir efectivamente con los objetivos globales de una planta.
Estos son un pilar importante en el mundo de la industria, pero como cualquier otro mecanismo rotatorio electromecánico son susceptibles a muchos tipos de fallas en distintas áreas de aplicación. En las últimas décadas, el diagnóstico y monitoreo de fallas en maquinarias ha sido un tópico de investigación desafiante en la comunidad científica.
El objetivo de esta investigación es desarrollar un método estadístico para diagnosticar si el motor opera satisfactoriamente. Se tiene presente que la medición de la eficiencia es la única forma en la cual se puede realizar la predicción de su comportamiento ya que permite evaluar las condiciones de operación del mismo y de ser necesaria su sustitución.
Para alcanzar los resultados, se analizaron varios métodos para determinar la eficiencia de los motores de inducción que operan en régimen continuo con carga variable, a partir de métodos ya existentes para motores con carga constante.
vi
TABLA DE CONTENIDO
Pensamiento... i
Dedicatoria ... ii
Agradecimientos ... iii
TAREA TÉCNICA ... iv
RESUMEN ... v
TABLA DE CONTENIDO ... vi
INTRODUCCIÓN ... 1
CAPÍTULO I: MOTOR DE INDUCCIÓN ... 5
1.1 Introducción. ... 5
1.2 La de Faraday. ... 5
1.3 Generalidades sobre el Motor de inducción o asincrónico. ... 6
1.3.1EL PAR DEL MOTOR. ... 7
1.3.2FACTOR DE SERVICIO. ... 8
1.3.3FACTOR DE CARGA... 9
1.3.4FACTOR DE POTENCIA. ... 9
1.4 Motores Eficientes ... 10
1.5 Eficiencia del motor de inducción. ... 12
1.6 Las pérdidas en el motor. ... 12
1.6.1LAS PÉRDIDAS EN EL MOTOR POR VARIACIÓN EN EL VOLTAJE. ... 13
1.6.2LAS PÉRDIDAS EN EL MOTOR POR DESBALANCE EN EL VOLTAJE. ... 14
1.6.3PÉRDIDA DE EFICIENCIA EN LA REPARACIÓN DE MOTORES. ... 16
1.6.4EFECTOS DE LAS ARMÓNICAS EN LOS MOTORES DE INDUCCIÓN. ... 17
1.7 Tolerancia de las variaciones de la Tensión. ... 18
1.8 Tolerancia de variación de la frecuencia... 19
CAPÍTULO II: FALLAS MÁS COMUNES Y MÉTODOS DE DETECCIÓN EN MOTORES DE INDUCCIÓN ... 21
2.1 Introducción. ... 21
2.2 Fallas más comunes en los motores de inducción. ... 21
2.2.1CAUSAS DE FALLAS EN EL ESTATOR. ... 21
2.2.2CAUSAS DE FALLAS EN EL ROTOR. ... 24
2.3 Generalidades. ... 26
2.4 Técnicas para analizar el comportamiento del motor durante su operación. ... 26
vii
2.5 Métodos de detección de fallas en los motores de inducción. ... 30
2.5.1 DIAGNÓSTICO DE FALLOS EN MOTORES ELÉCTRICOS UTILIZANDO EL ANÁLISIS ESPECTRAL DE LA CORRIENTE DEL MOTOR (MCSA). ... 30
2.5.2 DIAGNÓSTICO DE FALLAS EN MOTORES ELÉCTRICOS UTILIZANDO EL ANÁLISIS ESPECTRAL DE FRECUENCIA DE BANDAS LATERALES. ... 31
2.5.3 DIAGNÓSTICO DE FALLAS EN MOTORES ELÉCTRICOS POR MEDIO DE LA CORRIENTE DE SECUENCIA NEGATIVA. ... 32
2.5.4 DETECCIÓN DE FALLAS EN MOTORES ELÉCTRICOS BASADA EN ALGORITMOS DE SERIE DE TRANSFORMADA RÁPIDA DE FOURIER Y TRANSFORMADA WAVELET. ... 33
2.5.5 DIAGNÓSTICO DE FALLAS EN MOTORES ELÉCTRICOS UTILIZANDO REDES NEURONALES ARTIFICIALES (RNA). ... 34
2.6 Consideraciones generales. ... 34
CAPITULO III: METODOLOGÍA PARA PREDECIR EL COMPORTAMIENTO DEL MOTOR A PARTIR DE INFORMACIONES ESTADISTÍCAS, MEDIANTE LA MEDICIÓN DE SU EFICIENCIA ... 36
3.1 Introducción. ... 36
3.2 Procedimiento para la medición de la eficiencia. ... 37
3.2.1MEDICIONES ELÉCTRICAS. ... 37
3.2.2MÉTODO PARA MEDIR LA VELOCIDAD DEL MOTOR. ... 38
3.3 Métodos para el cálculo de la eficiencia en motores asincrónicos. ... 39
3.3.1MÉTODO DE LOS DATOS DE CHAPA. ... 39
3.3.2MÉTODO DEL DESLIZAMIENTO. ... 39
3.3.3MÉTODO DE LA CORRIENTE. ... 40
3.3.4MÉTODO DEL FACTOR DE CARGA. ... 41
3.3.5MÉTODO DE LA POTENCIA. ... 42
3.3.6MÉTODO DEL CIRCUITO EQUIVALENTE... 42
3.3.7MÉTODOS ESTADÍSTICOS. ... 43
3.3.8MÉTODO DE INTERPOLACIÓN.(MÉTODO SELECCIONADO). ... 43
3.4 Consideraciones generales. ... 48
3.5 Pruebas Realizadas. ... 48
CONCLUSIONES ... 53
RECOMENDACIONES ... 54
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 55
1
INTRODUCCIÓN
Los motores de inducción son ampliamente usados en la industria, siendo una de las máquinas eléctricas más confiables. En nuestro país el mayor gasto de energía eléctrica a nivel industrial, recae en los motores o bien en equipos que son accionados con motores, de éstos un alto porcentaje son motores de inducción.
Por consiguiente, se vuelve imperativo el tener una mayor atención en la mejora de la eficiencia de los motores de inducción.
Típicamente los motores con grandes ciclos de carga de la industria y el comercio tienen una esperanza de vida de 15 a 20 años. El costo de funcionamiento de los motores en general excede su precio de compra, siendo cada vez más importante una mejor eficiencia en los motores.
Debido a la elevada efectividad económica que representa el mejoramiento de la eficiencia de los motores eléctricos, es necesario que los ingenieros que desarrollan su actividad en la industria, estén relacionados con los diferentes métodos de evaluación de la eficiencia y conozcan el grado de complejidad y precisión de cada uno de ellos, y sobre todo, que puedan seleccionar o establecer un procedimiento acorde con situaciones específicas.
El objetivo de la evaluación está en determinar el estado de carga y la eficiencia del motor en servicio con vistas a identificar el potencial de ahorro y aplicar las herramientas necesarias para elevar la competitividad.
La manera en la cual se propone evaluar la eficiencia está basada en los principios de operación del motor de inducción. Las características de los motores de inducción son datos proporcionados por el fabricante como; rango de velocidad, potencia, voltaje, corriente y eficiencia.
Los valores de la eficiencia proporcionados por el fabricante son medidos y calculados de acuerdo a ciertos estándares:
A lo ancho del mundo existen varios estándares para probar las máquinas eléctricas como los motores de inducción, los tres estándares más importantes son:
• IEEE Estándar 112-1996
• IEC 34-2 y IEC 34-2ª
• JEC
Para determinar el estado de operación de un motor es necesario realizar su estudio energético estimando sus variables de comportamiento y con tal finalidad se pueden utilizar los datos que se utilizan en tiempo real para la detección de fallas, con los mismos se logra el análisis del comportamiento del motor y nos permiten realizar mediciones de la eficiencia del motor, su comportamiento energético.
2 La medición de la eficiencia es la única forma en la cual se puede evaluar y diagnosticar un motor de inducción, esto ayudará a evaluar las condiciones de operación del mismo y de ser necesaria su sustitución.
Situación problémica.
La empresa mecánica de Santa Clara “Ángel Villarreal Bravo”, muy conocida por el nombre de su producto líder (las bicicletas eléctricas) como “Ciclos Minerva” posee 600 motores todos de inducción, por estudios energéticos realizados se ha comprobado que contribuyen al 85% del consumo de la industria y sin embargo no existe un análisis energético de los mismos durante su operación que permita evaluar su comportamiento en los diferentes estados de carga.
Cuando existe la parada de una máquina el personal de mantenimiento trata darle solución a la situación creada, la cual en ocasiones requiere sacar el motor de servicio, acarreando paros de la producción, incrementándose los costos de producción, en otras afectando la calidad de los productos.
Para determinar con exactitud el comportamiento energético de un motor es preciso contar con un conjunto de instrumentos y facilidades de medición que son difíciles de encontrar en la industria. El hecho de que estos receptores operan generalmente fuera de su estado de carga nominal e incluso con régimen de operación variable en el tiempo, complican extraordinariamente la solución de este problema.
Debido a esto, es necesario constar con una herramienta que estime con una buena exactitud las variables energéticas en un motor en servicio.
Planteamiento del problema científico.
Por su parte, el motor eléctrico desde sus inicios, con sus infinitas posibilidades en la conversión de la energía eléctrica en mecánica abría el camino a una nueva revolución industrial, en este caso a la automatización de los procesos industriales y con ello el incremento, tanto cuantitativo como cualitativo, de la producción industrial. por lo tanto, en la actualidad se requiere de una alta eficiencia en su funcionamiento lo cual se logra con la predicción de su comportamiento provocando un excelente mantenimiento y unas condiciones aceptables de operación para poder cumplir efectivamente con los objetivos globales de la industria.
En las últimas décadas, el diagnóstico y monitoreo de fallas en maquinarias ha sido un tópico de investigación desafiante en la comunidad científica. Específicamente, mucho esfuerzo ha sido dedicado al diagnóstico de fallas en motores de inducción debido a las posibles consecuencias tanto económicas como técnicas que pueden presentarse si los problemas no son atendidos a tiempo, así como su análisis energético en servicio para alcanzar la eficiencia requerida en los procesos industriales.
El objetivo de esta investigación es medir y desarrollar un método para determinar la eficiencia de los motores de inducción de una manera práctica, sencilla y con el respaldo de fundamentos teóricos. El diagnosticar la eficiencia y desempeño de los motores de
3 inducción ayudará a determinar si es necesaria su sustitución por motores más eficientes, la idea primordial es reducir los costos de operación de la industria.
Objetivos específicos.
• Realizar una revisión bibliográfica de temas relacionados con el marco de la investigación.
• Investigar, tipos de falla identificadas nacional o internacionalmente en los motores eléctricos y métodos utilizados en su detección.
• Analizar los métodos más utilizados en la predicción del comportamiento de los motores a partir de la medición de su eficiencia.
• Desarrollar una metodología para la predicción del comportamiento de los Motores Eléctricos en el proceso productivo mediante la medición de su eficiencia, de una manera práctica, sencilla y con el respaldo de fundamentos teóricos, fácil de llevar a cabo por el personal de mantenimiento.
Preguntas de investigación.
¿Cuáles son las fallas más comunes de los motores eléctricos?
¿Cuáles son las causas que provocan fallas en los motores eléctricos?
¿Qué métodos existe para detectar fallas en los motores eléctricos?
¿Cómo se puede lograr la predicción del comportamiento del motor de inducción?
¿Cuáles son los métodos utilizados para calcular la eficiencia en los motores eléctricos?
¿Qué método se puede aplicar para poder ser ejecutado por el personal de mantenimiento?
¿Cuáles son los principios presentes para realizar análisis estadístico de los datos que deben ser recopilados?
¿Qué metodología se debe aplicar en la medición de los parámetros necesarios para realizar el análisis?
Los resultados esperados en este trabajo son:
Este trabajo ha demostrado que la empresa, solo presta atención a estos equipos en el momento que se presenta la falla y como consecuencia una parada de producción. Esto se debe a que no se hace énfasis en un mantenimiento, predictivo y preventivo, sino al correctivo, lo que conlleva a que las mismas pierdan cantidad de tiempo y dinero como consecuencia de este problema.
Se comienza una campaña de registros de información de datos de todos los motores de inducción en toda la empresa.
La recolección de la información se realiza a través de dos instrumentos diseñados y aplicados los cuales son:
Planilla (1) para la recolección de datos nominales de los motores.
4 Planilla (2) para la recolección de datos obtenidos de las mediciones realizadas en los motores que serán analizados.
El trabajo desarrollado es actual y novedoso porque contribuye a cumplir con los requerimientos actuales, y puede ser utilizado como herramienta para contribuir a reducir los costos de producción de la empresa.
Se selecciona el método estadístico de interpolación:
El método propuesto está diseñado para medir la eficiencia en condiciones específicas, pero la eficiencia puede variar cuando el factor de carga cambia. Considerando lo anterior, se realizó un cálculo para determinar la eficiencia a diferentes factores de carga que se pueden presentar en el motor en un determinado momento.
Toda la investigación aquí presentada fue útil para desarrollar un método alternativo del método estadístico, este método está basado en ecuaciones de primero y segundo grado debido principalmente a que las pérdidas del motor tienen un comportamiento similar al de una parábola, Analizando el primer cuadrante de los ejes (x, y) se desarrollaron las ecuaciones necesarias a diferentes factores de carga del motor, tan solo se requiere conocer la eficiencia del motor a los valores nominales (25,50, 75 y 100%) de carga, este método calcula las pérdidas y eficiencias del motor a cualquier factor de carga, como la eficiencia varía en función de la carga, se utiliza el polinomio de Lagrange de segundo orden para determinar la eficiencia a cualquier valor no predeterminado por las ecuaciones de segundo grado.
Este método no mide en forma directa la eficiencia del motor más bien calcula la eficiencia de operación del motor con un método matemático, la finalidad de este cálculo es poder analizar la eficiencia de operación del motor y determinar el desempeño del mismo, así como tener un criterio más amplio para la toma de decisiones en la sustitución de un motor. Al ser sencillo y practico puede ser ejecutado por el personal de mantenimiento.
5
CAPÍTULO I: MOTOR DE INDUCCIÓN
1.1 Introducción.
Los motores eléctricos son parte importante del equipamiento de una empresa. Se usan con fines industriales, comerciales y residenciales, y permiten el funcionamiento de trenes, automóviles, compresores, sistemas de bombeo, entre otros.
En este capítulo, se establecen las bases de la inducción y el papel que juegan los campos magnéticos en los equipos que operan bajo el principio de inducción electromagnética.
El principio básico de un motor eléctrico consiste en ser una máquina rotativa compuesta por un estator y un rotor que, mediante la acción de campos magnéticos generados en sus bobinas, convierten la energía eléctrica en mecánica.
Los motores de inducción o conocidos también como motores asíncronos; reciben este nombre debido a que nunca operarán a su velocidad síncrona, en esta investigación se analiza el comportamiento de los motores de inducción del tipo trifásico, por ser los motores más utilizados en la industria, también se presentarán las bases de la operación de los motores de inducción su clasificación de acuerdo a sus características de diseño, y se define mediante fórmulas matemáticas los diferentes factores que inciden en su comportamiento.
El par mecánico del motor es un tema de interés en particular por ser la fuerza que hace girar al rotor, los motores de inducción debido a sus características de construcción son de tipo jaula de ardilla, o rotor devanado.
A pesar de la gran variedad que existe entre los motores de inducción, solo se consideran los motores trifásicos ya que son éstos los que más energía consumen en la industria.
1.2 La de Faraday.
Si un alambre conductor se mueve dentro de un campo magnético de manera que el conductor corte las líneas de dicho campo, se origina una fuerza electromotriz, producida en el conductor. Induciendo la fuerza electromotriz, mediante un movimiento relativo entre el conductor y un campo magnético, se presenta lo que se conoce como la inducción electromagnética.
En la primera parte del siglo XIX, el científico inglés Michael Faraday, hizo uno de los más importantes descubrimientos en electromagnetismo que en la actualidad se conoce como La Ley de Inducción Electromagnética de Faraday que relaciona fundamentalmente el voltaje y el flujo en el circuito, esta ley se puede definir de la siguiente forma:
Si se tiene un flujo magnético que eslabona a una espira y además varía con el tiempo, se induce un voltaje en sus terminales.
El valor del voltaje inducido es proporcional al índice de cambio de flujo.
6 Cuando el flujo de una espira varía en 1 weber por segundo, se induce un voltaje de 1 volt entre sus terminales, en consecuencia, si un flujo varía dentro de una bobina de N espiras, el voltaje inducido se da por la siguiente expresión:
𝐸 = 𝑁 ∗∆𝛷
∆ 𝑡 (E.C-1.1) Donde:
E = Voltaje inducido en volts.
N= Número de espiras en la bobina.
∆Φ = Cambio del flujo dentro de la espira o bobina (Weber).
∆ t = Intervalo de tiempo durante el cual el flujo cambia (S).
Otra ley conocida como la Ley de Lenz, permite determinar el sentido de la corriente inducida en el circuito. Este sentido es tal que genera un campo magnético que se opone a toda variación del campo magnético principal que lo origina.
1.3 Generalidades sobre el Motor de inducción o asincrónico.
El motor de inducción fue inventado por Nikola Tesla en 1888 y su principio de operación no requería conexiones a la parte rotatoria, la transferencia de energía de la parte estacionaria a la parte rotatoria es por medio de inducción electromagnética. Un campo magnético rotatorio producido por el devanado estacionario (estator) induce una fuerza electromotriz y una corriente en el rotor.
Figura 1.1. Partes principales del motor de AC trifásico de inducción
El estator contiene tres devanados desfasados 120 grados eléctricos, de tal manera que al alimentar los devanados con corriente alterna trifásica genera un campo magnético interno rotatorio. Esta variación de campo magnético induce una corriente en las barras
7 del rotor la cual a su vez genera un campo magnético que al interactuar con el campo giratorio del estator genera una fuerza electromotriz que hace girar al rotor.
𝑁𝑆 =60∗𝑓
P =120∗f
p (E.C-1.2) Donde:
NS: Velocidad de rotación del campo magnético.
f: Frecuencia del sistema en Hz.
P: Número de pares de polos de la máquina.
p: Número de polos que posee la máquina.
Sin embargo, en la práctica el rotor tendrá alguna inercia y pérdidas y consecuentemente debe de recibir energía para vencer a ésta y aquellas. La energía puede transferirse al rotor de la fuente del voltaje conectada al estator solo si la velocidad angular del rotor es menor a la velocidad angular síncrona.
Si 𝑁𝑆 es la velocidad síncrona del campo magnético rotatorio y 𝑁𝑟 es la velocidad a la que gira el rotor, la diferencia entre las dos se define como el deslizamiento, éste es frecuentemente expresado como una fracción de la velocidad síncrona, mediante la letra S y la expresión:
𝑆 =𝑁𝑆−𝑁𝑟
𝑁𝑆 (E.C-1.3) Donde:
𝑆: Deslizamiento.
NS: Velocidad síncrona.
Nr: Velocidad del rotor.
Como se puede apreciar la velocidad del rotor depende del deslizamiento. Cuanto menor sea el deslizamiento, más cerca estará el rotor trabajando a la velocidad síncrona del campo magnético rotatorio, por consiguiente, la carga de trabajo del motor será menor o bien si el rotor tiene un alto deslizamiento esto es indicativo que el motor está sobrecargado, y la velocidad del rotor será menor a su velocidad nominal, es recomendable que el motor nunca opere por debajo de su velocidad de rotación nominal.
La velocidad de rotación nominal es la velocidad del rotor a la cual está diseñado para entregar su máximo rendimiento. El deslizamiento máximo permisible es del 15%. Las características de los motores de inducción son datos proporcionados por el fabricante como; rango de velocidad, potencia, voltaje, corriente y eficiencia.
1.3.1 El par del motor.
La potencia de salida del motor se define como PS, esta potencia mecánica se mide tanto en ℎ𝑝 como en watts, de esta forma se puede cuantificar la cantidad de trabajo que un motor es capaz de desarrollar en un periodo de tiempo. Los factores que determinan la potencia mecánica de salida 𝑃𝑆 son:
8 Nr: La velocidad del rotor, T: El par del motor.
Por lo tanto, podemos decir que:
El par es la fuerza que tiende a producir la rotación, esta fuerza se mide en libras-pie o Newton-metro. La velocidad del motor se establece comúnmente en rpm. La relación de la potencia, par y velocidad es de acuerdo a la ecuación 𝑃𝑆= 𝑇 ∗ 𝑁𝑟. Como sabemos que un hp (746 Watts) es equivalente a 33 000 ft-lb por min., y que el par que se tiene, en una revolución de 360° es de 2πT ft-lb por lo tanto la ecuación de la relación potencia, par y velocidad se expresa de la siguiente forma:
𝑃𝑆(ℎ𝑝) =2𝜋∗𝑁𝑟∗𝑇
33 000 =5,252𝑁𝑟∗𝑇 (E.C-1.4) Si la potencia de salida 𝑃𝑆 fuera expresada en Kilowatts su ecuación será la siguiente:
𝑃𝑆(𝑘𝑊) = 𝑁𝑟∗𝑇
7,040 (E.C-1.5) Si despeja 𝑇:
𝑇 = 7,040 ∗𝑃𝑁𝑆
𝑟 (E.C-1.6) De acuerdo a las curvas características de Par - Velocidad, los motores jaula de ardilla se diseñan en los tipos A, B, C y D. El diseño tipo B es el más común y cubre la mayoría de las aplicaciones de los motores. En las curvas típicas de los motores jaula de ardilla se puede apreciar que la velocidad está expresada en porciento siendo el 100% la velocidad nominal de motor. El par vale cero cuando la velocidad del motor de inducción tiende a ser una velocidad síncrona.
La mayoría de los motores son ineficientes cuando operan por arriba de su potencia nominal, la mayoría de los motores tienen su máxima eficiencia a 75% de carga, los factores de carga altos reducen la eficiencia. Aun cuando los motores no fallan en forma inmediata cuando operan a su velocidad de plena carga y su factor de servicio nominal, tendrán una vida de operación más corta.
Los problemas con la calidad de la energía eléctrica, tales como bajos voltajes, armónicas o desbalance de voltajes, provocarán en el motor un alto factor de servicio, por lo cual reducirá la eficiencia en los motores y su vida de operación.
Por estas razones no se recomienda que un motor opere a una capacidad mayor que la de su operación nominal, es posible que el motor por su factor de carga en determinados periodos opere más allá de su capacidad nominal.
1.3.2 Factor de servicio.
El factor de servicio de un motor indica que tanto, sobre la capacidad en su potencia, puede operar el motor, sin que falle en forma inmediata.
La mayoría de los motores nuevos tienen un factor de servicio de 1.15, debido al alta calidad de los materiales aislantes que pueden soportar temperaturas más elevadas. Sin embargo, antes de sobrecargar los motores para tomar ventaja de estos factores de servicios altos, hay algunos puntos que se deben de considerar:
9
• La mayoría de los motores son ineficientes cuando operan por arriba de su potencia nominal.
• La mayoría de los motores tienen su máxima eficiencia a 75 % de carga.
• Los factores de carga altos reducen la eficiencia.
Aun cuando los motores no fallan en forma inmediata cuando operan entre su velocidad de plena carga y su factor de servicio nominal, tendrán una vida de operación más corta.
Los problemas con la calidad de la energía eléctrica, tales como bajos voltajes, armónicas o desbalance de voltajes, provocarán en el motor un alto factor de servicio, por lo cual reducirá la eficiencia en los motores y su vida de operación. Por estas razones no se recomienda que un motor opere a una capacidad mayor que la de su operación nominal, es posible que el motor por su factor de carga en determinados periodos opere más allá de su capacidad nominal, pero esta condición en algunos casos se interpreta como si ese motor se pudiera sobrecargar sin que haya deterioro en el motor.
El Factor de servicio en un motor indica a qué capacidad es posible operar ese motor, pero es recomendable que sea en periodos de tiempo cortos "picos de carga."
1.3.3 Factor de Carga.
Como ya es conocido la carga se define como la salida mecánica de un motor. Esta carga se mide en hp o watts, la potencia nominal en hp indica la potencia máxima de salida que normalmente debe producirse, el factor de carga es un indicador de la capacidad a la cual está trabajando el motor.
Es importante determinar el factor de carga de los motores para estar seguros que están dimensionados en forma apropiada para sus aplicaciones y para ayudar a identificar problemas potenciales, como los mencionados con anterioridad cuando los motores están sobrecargados.
La fórmula para determinar el factor de carga en un motor es:
%𝐹𝐶 = 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑛𝑜𝑚
𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑁𝑜𝑚
⁄ ∗ 100 (E.C-1.7) Los motores de inducción operan a una mayor eficiencia cuando trabajan cerca de su potencia nominal, sobrecargarlos no solo representa mayores pérdidas sino el deterioro acelerado de su aislamiento y si no se toman provisiones el motor puede fallar. Sin embargo, en las instalaciones industriales es más frecuente encontrar motores que operan con baja carga que, sobrecargados, esto es sobredimensionados, las razones van desde una selección inadecuada de origen de la potencia del motor, hasta la sustitución de un motor averiado, por otro de mayor potencia que se dispone en ese momento y que, desafortunadamente se deja conectado de manera permanente.
1.3.4 Factor de potencia.
El factor de potencia o el porciento del factor de potencia, mide la relación de cuanta potencia aparente es transformada a potencia real. La forma en como la energía eléctrica se consume se conoce como carga y ésta se divide en tres tipos; resistiva, inductiva y
10 capacitiva. Estás cargas determinarán el tipo de potencia que se consume: Kw, Kva, Kvar(i) y Kvar(c). Cada una de las potencias mencionadas equivale a una suma vectorial, Las potencias reactivas guardan un ángulo de 180° entre sí, de modo que su suma vectorial equivale a una resta escalar, la potencia reactiva total y la potencia activa se suman vectorialmente (entre ellas habrá siempre un ángulo de 90°).
El factor de potencia en un motor de inducción es un indicador de cuanta potencia aparente se está transformando en potencia activa. El motor se considera una carga inductiva. El factor de potencia en un motor varía conforme al factor de carga, esto es debido a que, en condiciones de vacío, el motor tiene un consumo de potencia reactiva mayor que el consumo de la potencia activa, haciendo que el factor de potencia disminuya considerablemente.
En la medida que el motor empieza a tomar carga su potencia reactiva disminuye la potencia activa se incrementará, por consiguiente, el factor de potencia tenderá a mejorar.
por esta razón, para determinar el factor de carga del motor se necesita un vatímetro, ya que, de utilizar un amperímetro, la medición no sería válida, por debajo del 60% de la carga del motor, debido a la porción grande de corriente reactiva que está demandando.
Tampoco es válido calcular la potencia de entrada de un motor utilizando un amperímetro, a pesar de que es una práctica muy común.
Analizando el funcionamiento del motor podemos plantear: la potencia de salida se incrementa, en la medida en que la velocidad del rotor aumenta, y cuando la velocidad del rotor es igual o cercana a la velocidad síncrona, la potencia de salida disminuye hasta un valor cercano a cero.
La eficiencia varía ya que la velocidad está en función de la carga del motor lo destacable es que, el motor obtiene su mejor eficiencia cerca de su velocidad nominal o a 3/4 de carga la corriente se incrementa a medida que la carga del motor aumenta, en condiciones de rotor bloqueado la corriente puede alcanzar hasta 5 veces su valor nominal, también durante el arranque de un motor, la fem. es cero y se requiere una gran cantidad de corriente para romper la inercia y aumentar la velocidad.
1.4 Motores Eficientes
Se estima que los motores eléctricos representan un 70% de la energía consumida por una industria. De estos consumos, un alto porcentaje corresponde a los motores tipo jaula de ardilla. Como se sabe los motores de inducción convierten la energía eléctrica a energía mecánica, este proceso de conversión nunca es perfecto, por consiguiente, existen las pérdidas en los motores, estas pérdidas representan un costo de energía que se está desperdiciando.
Debido a estas pérdidas los fabricantes de motores, se dieron a la tarea de mejorar sus diseños, creando el concepto de los motores de alta eficiencia, el resultado ha sido disponer de motores con pérdidas menores de hasta un 45% que las de los motores estándar, la manufactura y el uso de mejores materiales se traduce en un costo mayor, los motores de alta eficiencia tienen un precio entre 15 y 30 % mayor que los motores
11 convencionales, pero estos sobreprecios pueden ser recuperados en un periodo razonable, con los ahorros que se obtengan al reducir su consumo de energía eléctrica.
12 1.5 Eficiencia del motor de inducción.
En el caso de los motores eléctricos no es exactamente correcto decir que consumen energía eléctrica, más bien convierten la energía eléctrica a potencia mecánica. Este proceso de conversión nunca es perfecto, ya que una porción de la energía de entrada se convierte en calor.
La relación de energía mecánica de salida dividida entre la energía eléctrica de entrada, se le llama Eficiencia, un incremento en la eficiencia de un motor se manifiesta cuando una cantidad dada de potencia eléctrica de entrada disminuye, y la potencia mecánica de salida no cambia, la siguiente ecuación muestra la forma en cómo se determina la eficiencia de los motores.
𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 = 𝑃𝑆𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎
𝑃𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎=𝑃𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎−𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠
𝑃𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = 𝑃𝑆𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎
𝑃𝑆𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎+𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 (E.C-1.8) La eficiencia sirve para conocer cuanta de la energía eléctrica se convierte en energía mecánica y también conocer cuanta energía eléctrica se desperdicia en forma de calor. A medida que los motores tienen una mayor eficiencia sus pérdidas serán menores, reflejándose en un menor consumo. La eficiencia de los motores no tiene un comportamiento constante ya que ésta varía conforme al factor de carga del motor.
1.6 Las pérdidas en el motor.
Las pérdidas en los motores son básicamente de dos tipos: fijas y variables. Las fijas no cambian en función de la carga del motor. Las pérdidas variables son las de carácter eléctrico y dependen de la carga aplicada al motor; se manifiestan en los conductores del estator y rotor y varían en proporción al cuadrado de la corriente, con resistencia esencialmente constante (𝑅 ∗ 𝐼2), aunque las pérdidas consumen sólo una fracción de la potencia de entrada son un factor determinante en la eficiencia del motor, y en la justificación del cambio de un motor convencional por uno de alta eficiencia.
Las pérdidas pueden dividirse en cinco clases:
Pérdidas del estator: un 40% calentamiento debido al flujo de corriente (I) a través de la resistencia (R) del devanado del estator. También se conoce como 𝑅 ∗ 𝐼2.
Pérdidas del rotor: un 25% calentamiento debido a las pérdidas 𝑅 ∗ 𝐼2 en la barra del rotor.
Pérdidas de núcleo: un 20% energía requerida para magnetizar el núcleo.
Pérdidas por fricción y ventilación: un 5% pérdidas debidas a la fricción de las chumaceras y a la resistencia del aire, las cuales se producen en primer lugar por el ventilador.
Pérdidas dispersas: un 10% flujo disperso inducido por las corrientes de cargas y otras corrientes menores.
En condiciones normales de tensión y frecuencia las pérdidas de fricción, ventilación y núcleo se mantienen casi constantes, independiente de la carga impulsada, no así las pérdidas eléctricas y dispersas que varían con la potencia exigida en la flecha del motor,
13 la máxima eficiencia se obtiene cuando las pérdidas constantes son similares a las pérdidas variables.
1.6.1 Las pérdidas en el motor por variación en el voltaje.
La variación del voltaje existe cuando hay diferencia entre el voltaje de operación del motor y el voltaje nominal del mismo.
La variación del voltaje ocasiona que las características de operación de los motores cambien, provocando mayores pérdidas.
Como resultado de los bajos voltajes el motor no desarrolla la potencia nominal. El deslizamiento del motor también aumenta con el cuadrado de la caída del voltaje debido a esto el motor gira más lentamente con una potencia de salida menor.
La corriente del motor se incrementa debido a los bajos voltajes, las pérdidas en el motor están influenciadas por la 𝑅 ∗ 𝐼2 y estas se verán incrementadas, y la potencia de salida se verá ligeramente disminuida por la caída del voltaje, ya que el par del motor es proporcional al cuadrado del voltaje y el deslizamiento es inversamente proporcional al par, por lo cual el motor sufrirá cambios en su velocidad por el incremento o la disminución del voltaje, todo esto se puede apreciar en las siguientes ecuaciones:
𝑇𝑛= 𝑇𝑂∗ (𝑉𝑛
𝑉𝑂)2 (E.C-1.9) Donde:
Tn: el nuevo par por la variación de voltaje.
TO: el par original a voltaje nominal.
Vn: el voltaje de variación.
VO: el voltaje nominal.
Ahora bien, el deslizamiento se comporta de la siguiente forma:
𝑆𝑛= 𝑆𝑂∗ (𝑇𝑂
𝑇𝑛) ∗ (𝑅𝑛
𝑅𝑂) (E.C-1.10) Donde:
Tn: el nuevo par por la variación de voltaje.
TO: el par original a voltaje nominal.
Sn: el nuevo deslizamiento por la variación de voltaje.
SO: el deslizamiento original a voltaje nominal.
Rn: la nueva resistencia del rotor.
RO: la resistencia original del rotor.
Normalmente es verdad que los motores tiendan a operar más fríos a voltajes nominales, con un 10% de sobrevoltaje el motor estará sobrecargado en aproximadamente un 10%,
14 la pérdida medular será de 20% a 30% más alta que la normal y esto podrá causar que la máquina se sobrecaliente.
El voltaje de alimentación del motor debe mantenerse tan cerca como sea posible del valor de chapa, con una desviación máxima del 5%. Los motores se diseñan para trabajar con una desviación de hasta un 10%. Grandes variaciones del voltaje reducen significativamente la eficiencia, factor de potencia y vida útil de los mismos. La variación porcentual de voltaje es la relación entre el voltaje nominal con respecto al voltaje promedio de operación y se obtiene mediante la siguiente ecuación:
ΔV= (𝑉𝐿𝑃𝑅𝑂𝑀
𝑉𝑛 − 1) ∗ 100 (E.C-1.11) Donde: %ΔV: Porciento de variación del voltaje (%).
Una vez obtenido este valor, se determina el porcentaje de cambio en la eficiencia, factor de potencia y corriente. Estos factores son aproximados, pues se demuestra que dependen del tipo de motor. Todos los motores no se comportan igual y ni la eficiencia. La industria cuenta con motores trifásicos de diferentes voltajes desde 220/440-460V etc., por lo que se debe tener el cuidado de elegir un voltaje adecuado. Es muy común encontrar en la industria motores que requieren 460V y el transformador que suministra el voltaje a ese motor se encuentra en el Tap de 440V y si a esto se le agrega un bajo 𝑓𝑃 más la caída del voltaje en la línea por la 𝑅 ∗ 𝐼2 se tendrá un motor con un voltaje de alimentación menor al cual fue diseñado, por consiguiente, la eficiencia de los motores se verá disminuida a pesar de que se cuenten con motores de alta eficiencia.
1.6.2 Las pérdidas en el motor por desbalance en el voltaje.
Un indicador del desbalance de voltaje entre las fases se puede obtener evaluando la máxima desviación del voltaje de línea al voltaje promedio de un sistema trifásico, dividido entre el voltaje promedio. El desbalance de voltaje provoca un mal funcionamiento en los motores, sin embargo, no siempre se presta la atención debida a este problema, lo cual produce pérdidas y gastos más allá de lo necesario, y otros problemas relacionados con la demanda, el calentamiento, las protecciones, etc.
Las normas internacionales han establecido límites en la explotación de las máquinas, y procedimientos para determinar el grado de desbalance de un sistema. La norma ANSI C50.41.4.2 establece que un desbalance superior a un 1% es una condición inusual que debe eliminarse. La norma IEC 34.1.12.2.1 plantea que los motores deben ser capaces de operar por un largo período de tiempo con un desbalance de un 1% o por un corto período de tiempo que no exceda varios minutos con un desbalance de 1.5%. Además, durante las pruebas de elevación de temperatura, el voltaje de secuencia negativa debe ser inferior a un 0.5 % del voltaje de secuencia positivo sin componentes de secuencia cero.
El desbalance del voltaje generalmente es provocado por la mala distribución de las cargas monofásicas, un mal funcionamiento en los capacitores, circuitos abiertos en el lado primario (aunque estos son muy esporádicamente).
Los voltajes desbalanceados producirán corrientes de secuencia negativa, y provocan un calentamiento excesivo del bobinado del estator y en las barras del rotor, pero no
15 producirán potencia de salida útil, es necesaria la disminución de la carga del motor cuando el desbalanceo de voltaje exceda el 1%.
Entre los principales efectos del desbalance sobre las máquinas asincrónicas se encuentran:
1. Aumento del calentamiento y reducción de la eficiencia.
2. Reducción del momento de arranque y el momento máximo.
3. Aumento del deslizamiento.
4. Asimetría en las corrientes y aumento de los kVA necesarios para el arranque.
5. Aumento del ruido y las vibraciones principalmente con 120 Hz de frecuencia.
Es conocido que la vida del aislamiento se reduce aproximadamente a la mitad por cada 10C0 de incremento de temperatura de operación y que pueden provocar fallas prematuras en la máquina Si los voltajes están desbalanceados, la eficiencia del motor disminuye y la misma debe ser corregida. La norma NEMA MG1 14.35 establece una depreciación de los motores en función del desbalance y define el porciento de desbalance como:
%𝐷𝑒𝑠𝑏𝐿Í𝑁𝐸𝐴=𝑀𝑎𝑥[|𝑉𝐴𝐵−𝑉𝐿𝑃𝑅𝑂𝑀|:|𝑉𝐵𝐶−𝑉𝐿𝑃𝑅𝑂𝑀|:|𝑉𝐶𝐴−𝑉𝐿𝑃𝑅𝑂𝑀|]
𝑉𝐿𝑃𝑅𝑂𝑀 ∗ 100 (E.C-1.12)
Donde:
%DesbLINEA : Porciento de desbalance de voltaje calculado a partir de los voltajes de línea (%).
VAB, VBC, VCA : Voltajes de línea (V).
VLPROM: Voltaje de línea promedio de las tres fases (V).
La norma IEEE Std 141 en términos de fase establece:
%𝐷𝑒𝑠𝑏𝐹𝐴𝑆𝐸 =𝑀𝑎𝑥[|𝑉𝐴−𝑉𝐹𝑃𝑅𝑂𝑀|:|𝑉𝐵−𝑉𝐹𝑃𝑅𝑂𝑀|:|𝑉𝐶−𝑉𝐹𝑃𝑅𝑂𝑀|]
𝑉𝐹𝑃𝑅𝑂𝑀 ∗ 100 (E.C-1.13) Donde:
%DesbFASE: Por ciento de desbalance de voltaje calculado a partir de los voltajes de fase (%).
VA, VB, VC : Voltajes de fase (V).
𝑉𝐹𝑃𝑅𝑂𝑀: Voltaje de fase promedio (V).
En las normas rusas, el desbalance de los sistemas trifásicos de voltaje se caracteriza por la magnitud del voltaje de secuencia negativa expresada en porciento del voltaje nominal de fase y debe ser inferior al 2 %.
También se define el factor de desbalance de voltaje en términos de los componentes de voltaje de fase de secuencia positiva y negativa; FDV como:
𝐹𝐷𝑉 =𝑉𝐹𝐴𝑆𝐸(−)
𝑉𝐹𝐴𝑆𝐸(+)∗ 100% (E.C-1.14)
16 De estos factores el más empleado en la práctica es el desbalance de línea. En el caso del desbalance se ha demostrado que el factor de ajuste varía en dependencia del tipo de desbalance que esté presente en el voltaje de alimentación del motor, cuestión que es estudiada en la actualidad por laboratorios especializados.
En el desbalance de voltaje se presenta una situación similar como en la variación del voltaje, la eficiencia disminuirá conforme se incrementen las pérdidas R ∗ I2, la potencia de entrada se incrementará, y el factor de carga cambia provocando disminución en la eficiencia, a un valor menor que la nominal. En los casos de la variación y desbalanceo en el voltaje se tendrá un mayor factor de carga en el motor. Como se aprecia la calidad de la energía juega un papel fundamental para el buen desempeño de los motores. La idea primordial de mencionar las pérdidas de eficiencia por desbalance está enfocada, en que se reconozca las consecuencias que provoca el tener este problema en los voltajes.
Otra situación por la cual no se tiene un mayor cuidado en la calidad de la energía es que las pérdidas provocadas por este tipo de problemas son difíciles de cuantificar. En términos generales el desbalance de voltaje no es relevante cuando no supera el 1.0% de su magnitud, sin embargo, al detectarse algún problema por desbalance de voltajes mayor al 1.0%, se debe de corregir inmediatamente.
1.6.3 Pérdida de eficiencia en la reparación de motores.
Las fallas en los motores tienen con frecuencia su origen en los desperfectos mecánicos, muchas veces acompañadas por daños severos en el aislamiento de los devanados, por lo que es necesario su rebobinado o su sustitución.
Si bien es técnicamente posible reparar un motor para que mantenga sus condiciones generales de desempeño, en la práctica se ha demostrado que la eficiencia se reduce en un promedio del 1 al 2 %, cada vez que un motor se rebobina en talleres especializados, y porcentajes bastantes mayores en lugares donde no se cuenta con el equipo adecuado ni personal calificado para realizar las composturas.
Cuando un motor sufre un desperfecto en su devanado y que por ello hay que rebobinarlo, puede disminuir su eficiencia considerablemente si durante el proceso de reparación se presentan las siguientes condiciones:
• Calentamiento desmedido del hierro al quitar el devanado.
• Daños en las ranuras al quitar el devanado dañado y montar el nuevo.
• Diferente calidad y calibre en el alambre.
• Diferente número de vueltas.
• Daños a los cojinetes y mal alineamiento.
• Mayor tiempo de secado final.
Por esto es importante que cuando un motor sea reparado los trabajos los efectúe personal calificado para garantizar que la compostura sea realizada correctamente y que los materiales empleados sean de calidad igual o superior a los originales. Un motor rebobinado al ser instalado nuevamente, gastará más energía que antes, por esta razón puede ser más económico sustituir un motor que mandarlo a rebobinar.
17 1.6.4 Efectos de las armónicas en los motores de inducción.
Fundamentalmente las armónicas producen en los motores de inducción efectos de pérdidas y la disminución en el par generado.
Si el voltaje que se alimenta a un motor de inducción contiene componentes armónicas, entonces se incrementan sus pérdidas de 𝑅 ∗ 𝐼2 en el rotor y el estator, pérdidas en el núcleo y las pérdidas adicionales, en tanto que las pérdidas de fricción y ventilación no son afectadas por los armónicos.
En forma más detallada se presenta el siguiente análisis de las pérdidas:
• Pérdidas 𝑅 ∗ 𝐼2 en el estator: al operar estas máquinas de inducción con voltajes de contenido armónico no solo aumentan estas pérdidas por el efecto piel que incrementa el valor de la resistencia efectiva, sino que también aumenta el valor de la corriente de magnetización, incrementándose aún más las pérdidas 𝑅 ∗ 𝐼2.
• Pérdidas 𝑅 ∗ 𝐼2 en el rotor: estas aumentan de maneras más significativa que las anteriores, por el diseño de la jaula en los motores de inducción que se basa en el aprovechamiento del efecto piel para el arranque. Esta resistencia aumenta en forma proporcional a la raíz cuadrada de la frecuencia y por ende las pérdidas.
• Pérdidas del núcleo: estas pérdidas son en función de la densidad de flujo en la máquina. Estas aumentan con excitación de voltaje no senoidal puesto que se tienen densidades de flujo picos más elevadas, sin embargo, su aumento es menor que las pérdidas mencionadas anteriormente e incluso son más difíciles de cuantificar.
• Pérdidas adicionales: son muy difíciles de cuantificar aún bajo condiciones de voltaje senoidal. Al aplicar voltajes no senoidales, estas aumentan en forma particular para cada máquina.
Referente al par en el motor de Inducción. Las armónicas de secuencia positiva producen en el motor de inducción un par en el mismo sentido de la dirección de rotación, en tanto que las de la secuencia negativa tienen el efecto opuesto.
En caso de que se tenga conectado el neutro, el par producido por las armónicas múltiplo de tres es igual a cero; dependiendo del contenido armónico del voltaje aplicado, el par promedio de operación puede verse disminuido considerablemente sin embargo en la mayoría de los casos el efecto producido por las armónicas de secuencia negativa se cancela con el efecto de la secuencia positiva por lo que su efecto neto en el par promedio puede despreciarse.
En la interacción de las corrientes armónicas del rotor con el flujo de entrehierro de otra armónica se producen pares (T) pulsantes en los motores, lo que puede afectar a la calidad del producto donde las cargas de los motores son sensibles a este tipo de variaciones. Estos pares (T) pulsantes también pueden excitar una frecuencia de resonancia mecánica lo que resultaría en oscilaciones que pueden causar fatiga en la flecha y otras partes mecánicas conectadas.
18 En algunos casos la magnitud de estos pares es generalmente pequeña y su valor promedio tiende a cero.
Aun que se han multiplicado los esfuerzos por lograr una armonización internacional de las normas relacionadas con los armónicos. Especialmente, ha sido el Comité Internacional de Máquinas Eléctricas (EMC) de la IEEE, el que ha resaltado esta necesidad. Con este objetivo, se han comparado las normas pertenecientes a la IEC, IEEE, ANSI y NEMA para las nueve categorías de máquinas eléctricas establecidas en New York en 1994, durante un encuentro efectuado por la EMC de la IEEE.
Particularmente, cuando se discuten las normas relacionadas con los armónicos para los motores asincrónicos, además de un grupo de similitudes, existen cuestiones que se exponen en unas normas y en otras no. Por ejemplo:
La ANSI no se proyecta en el contenido de armónicos de voltaje. La IEC-34.1, especifica que el factor de voltaje armónico debe ser inferior a 0.02 y durante las pruebas de elevación de temperatura, este contenido no debe ser superior a 0.015. Tampoco se ha especificado los rangos en el factor de servicio para los motores que se usan con accionamiento de velocidad variable de seis y doce pulsos; aunque es práctico usar motores con un factor de servicio superior a la unidad, para dar un margen al calentamiento causado por los armónicos generados por estos dispositivos.
Para eliminar estas diferencias, la IEC y la IEEE han recomendado varias acciones. En particular se estudian los métodos para determinar las pérdidas y la eficiencia de los motores asincrónicos cuando son alimentados desde convertidores y las guías para la aplicación de las máquinas de jaula en estas condiciones. También se trabaja en la armonización con la IEC de la norma IEEE-112, “Procedimientos de Pruebas para Motores y Generadores de Inducción Polifásicos”. Internacionalmente se perfila la IEEE- 112, como el documento fundamental sobre la materia.
La IEEE Estándar 519 define el factor de distorsión de voltaje como:
𝐹𝐷𝑉 = [√∑(𝑉𝑎𝑟)2
(𝑉𝑓)2 ] (E.C-1.15) Donde:
FDV: Factor de distorsión de voltaje debido a los armónicos.
Var: Amplitud de todos los armónicos de voltaje.
Vf: Amplitud de voltaje del armónico fundamental.
En sistemas de potencia industriales se establece como límite de distorsión de voltaje un
%, sin embargo, este no especifica el contenido de los armónicos individuales.
1.7 Tolerancia de las variaciones de la Tensión.
La idea primordial de mencionar este epígrafe es aclarar lo que establece las normas al respecto ya que anteriormente se analizó el efecto de las variaciones indeseadas de voltaje.
19 Según la norma IEC 34-1 el motor electico de inducción debe ser capaz de funcionar de manera satisfactoria cuando se alimenta con tensiones hasta un 10% por encima o debajo de su tensión nominal, siempre q la frecuencia sea la nominal. Si hubiera simultáneamente variación en la frecuencia, la variación de la tensión se reduciría de manera que la suma de las dos variaciones (tensión y frecuencia) no pase de 10%. El efecto aproximado de la variación de la tensión sobre las características del motor se muestra en la tabla siguiente.
Tabla No.1.1. Efecto de la variación de la tensión sobre las características del motor Desempeño del
motor
Tensión 20% por encima de la nominal
Tensión 10% por encima de la nominal
Tensión 10% por debajo de la nominal Par de arranque y
par máximo
Aumenta 44% Aumenta 21% Disminuye 19%
Corriente de arranque
Aumenta 25% Disminuye 10-12% Disminuye 10-12%
Corriente a plena carga
Disminuye 11% Disminuye 7% Aumenta 11%
Deslizamiento Disminuye 30% Disminuye 17% Aumenta 23%
Velocidad Aumenta 1.5% Aumenta 1% Disminuye 1.5%
Rendimiento Aumento pequeño Aumenta 1% Disminuye 2%
Factor de potencia Disminuye de 5- 15%
Disminuye 3% Aumenta 1%
Temperatura Disminuye 50C Disminuye 30C Disminuye 60C Ruido magnético
sin carga
Aumento perceptible
Aumento ligero Disminución ligera
1.8 Tolerancia de variación de la frecuencia.
Según la norma IEC 34-1 el motor eléctrico de inducción debe ser capaz de funcionar satisfactoriamente con frecuencias hasta 5% por encima o debajo de su frecuencia nominal. Si al mismo tiempo hubiera variación de tensión, debe ser tal que la suma de las dos variaciones (frecuencia y tensión) no pase de 10%. El efecto aproximado de la variación de la frecuencia sobre las características del motor se muestra en la tabla siguiente.
20 Tabla No.1.2. El efecto de la variación de la frecuencia sobre las características del motor Motor
bobinado para 50𝐻𝑍
Conectado en 60𝐻𝑍
Velocidad nominal
Potencia nominal
Par nominal
Corriente nominal
Par de arranque
par máximo
Corriente de arranque Todos los valores en tantas veces el nominal
V V Factor de transformación para funcionamiento a 60𝐻𝑍
220 220 1.20 1.00 0.83 1.00 0.83 0.83 0.83
380 380 1.20 1.00 0.83 1.00 0.83 0.83 0.83
380 440 1.20 1.15 0.96 1.00 0.96 0.96 0.96
440 440 1.20 1.00 0.83 1.00 0.83 0.83 0.83
500 500 1.20 1.00 0.83 1.00 0.83 0.83 0.83
500 550 1.20 1.10 0.91 1.00 0.91 0.91 0.91
660 660 1.20 1.00 0.83 1.00 0.83 0.83 0.83
Para conexiones en otras frecuencias consultar al fabricante.
Conexión en frecuencias diferentes.
Los motores trifásicos bobinados para 50𝐻𝑍 podrán ser conectados también en redes de 60𝐻𝑍. con la misma tensión en 60𝐻𝑍, podremos aumentar la potencia en un 15% para polos y 20% para 4, 6, 8 polos.
La potencia del motor será la misma; La corriente nominal será la misma;
La corriente en el arranque disminuye un 17%; El par de arranque disminuye 17%;
El par máximo disminuye 17%; La velocidad nominal aumenta 20%.
NOTA: se deberá tener en cuenta los valores de potencia de arranque para motores que mueven equipos que poseen par resistente variable con la velocidad.
Si se altera la tensión en proporción a la frecuencia:
Aumenta la potencia del motor 20%; La corriente nominal es la misma; La corriente de arranque será aproximadamente la misma; El par de arranque será aproximadamente el mismo; El par máximo será aproximadamente el mismo; La velocidad de rotación nominal aumenta 20%.
Se debe mantener la razón Voltaje/Frecuencia (V/Hz) constante entre los valores mínimo máximos de la frecuencia de operación, con la finalidad de evitar la saturación del núcleo del motor y además porque el hecho de operar el motor a un voltaje constante por encima de una frecuencia dada (reduciendo la relación V/Hz) disminuye el par del motor y la capacidad del mismo para proporcionar potencia constante de salida.
de inducción
21
CAPÍTULO II: FALLAS MÁS COMUNES Y MÉTODOS DE DETECCIÓN EN MOTORES DE INDUCCIÓN
2.1 Introducción.
Los motores de inducción son un pilar importante en el mundo de la industria, pero como cualquier otro mecanismo rotatorio electromecánico son susceptibles a muchos tipos de fallas en distintas áreas de aplicación.
En las últimas décadas, el diagnóstico y monitoreo de fallas en maquinarias ha sido un tópico de investigación desafiante en la comunidad científica. Específicamente, mucho esfuerzo ha sido dedicado al diagnóstico de fallas en motores de inducción debido a las posibles consecuencias tanto económicas como técnicas que pueden presentarse si los problemas no son atendidos a tiempo.
Los motores de inducción del tipo "Jaula de ardilla" son por mucho la maquinaria rotaria más utilizada en la industria, representando aproximadamente el 85% del consumo de energía en plantas industriales.
En este capítulo se recoge primero una breve descripción de los distintos tipos de fallos susceptibles de ocurrencia en motores eléctricos de inducción. Posteriormente se procederá a la presentación de la técnica utilizada para el análisis del comportamiento del mismo durante su operación y métodos para la detección de fallas.
2.2 Fallas más comunes en los motores de inducción.
La mayoría de las fallas en motores eléctricos pueden ser clasificadas en dos grupos:
fallas de aislamiento y fallas mecánicas.
Las fallas de aislamiento son caracterizadas por dañar las espiras del estator, conocidas como cortocircuito en el enrollamiento del estator.
Las fallas mecánicas, en su mayoría están asociadas a daños en el rotor o componentes relacionados al mismo. Dentro de las principales fallas mecánicas se pueden destacar las siguientes: daños en rodamientos, quiebre de barras y anillos del rotor, irregularidades en el entrehierro (excentricidades estáticas y dinámicas) y desbalanceo.
2.2.1 Causas de Fallas en el Estator.
Térmicas:
En general los usuarios y fabricantes de motores tienen buen conocimiento de los daños que pueden ocurrir debido al sobrecalentamiento de los sistemas de aislamiento. El bloqueo del ventilador en un motor puede causar sobrecalentamiento, así como también las sobrecargas a las que se vea afectado el motor. Este último punto es el motivo causante de buena parte de los daños de la parte eléctrica en motores de inducción.
de inducción
22 Para controlar este problema, en máquinas de medio y gran porte, pueden ser instalados sensores de temperatura en posiciones estratégicas del estator, y así poder monitorear temperatura, y de esta forma poder evitar el sobrecalentamiento.
Quiebra de barras y ralladura de los anillos del rotor también son responsables por el sobrecalentamiento de la máquina, con una consecuente reducción de par y aumento del nivel de vibraciones.
Este problema puede ser detectado de varias formas, como análisis de vibración, análisis de corriente, o por simple inspección visual si el rotor es separado del estator.
Variación de tensión:
Variaciones de tensión afectan la performance del motor y la temperatura de los bobinados. A la hora de diseñar motores, se suele utilizar un criterio que permita la operación satisfactoria del mismo con ±10% de variaciones de tensión.
Tensión de fase desbalanceada:
Un pequeño desbalanceo de fase causará un aumento de temperatura en los bobinados del estator. Se ha constatado que cada 3.5% de desbalanceo por fase, la temperatura del bobinado aumenta en un 25% en la fase de mayor corriente. Por ello se deben mantener las 3 fases lo mejor balanceadas posibles, con el fin de evitar la ocurrencia de este problema.
Arranques cíclicos:
Si el motor es sometido a sucesivos arranques en un corto período de tiempo, la temperatura de los bobinados aumentará rápidamente debido a las altas corrientes de arranque.
Otra consecuencia de los arranques cíclicos es la contracción y expansión del aislante de las bobinas, tornándolo frágil y susceptible a quebraduras con el pasar del tiempo.
Sobrecarga:
Muchos motores de inducción son fabricados con una cierta holgura en la carga máxima de operación en régimen continuo, caracterizado como factor de servicio (no debe ser confundido con la sobrecarga momentánea del motor, la cual vale para cortos períodos de tiempo). La utilización del factor de servicio implica una vida útil del motor menor a aquella en que el motor se encuentre operando con carga nominal.
Eléctricas:
Dieléctrico:
Existe una relación entre la vida del aislante del bobinado y la sobretensión aplicada.
Cada material aislante posee sus particularidades, teniendo algunos mayor capacidad de tolerancia a la tensión que otros. Esta sobretensión puede causar cortocircuitos en el bobinado de 3 formas:
1. Fase-fase
