Encuadernado[1]

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OBJETIVO Conocer los distintos tipos de motores eléctricos,

parámetros para su selección y sus distintas aplicaciones.

Identificar los criterios para la selección de

variadores de velocidad

ALCANCE Seleccionar motores eléctricos y variadores de velocidad a partir de catálogos de proveedores.

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INTRODUCCIÓN

La vida moderna sería impensable sin la

existencia de los motores, éstos se encuentran en todas partes: en la industria, el transporte, el hogar, etc. En nuestra vida diaria estamos acostumbrados a un tipo particular de motor: los motores eléctricos, pues existen en muchos de los aparatos que ocupamos en nuestro hogar —refrigerador, lavadora, licuadora, relojes de pared, etc. Debido a la importancia que tienen en nuestra vida cotidiana, consideramos importante que se conozcan cómo son los motores y los principios físicos involucrados en su funcionamiento. Una máquina eléctrica es un dispositivo que puede convertir energía mecánica en energía eléctrica o energía eléctrica en energía mecánica. Cuando este dispositivo se utiliza para convertir energía mecánica en energía eléctrica se denomina generador, cuando convierte energía eléctrica en energía mecánica se llama motor. Puesto que puede convertir energía eléctrica en mecánica o viceversa, una máquina eléctrica se puede utilizar como generador o como motor.

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El transformador es otro aparato relacionado con los motores y generadores. Un transformador es un dispositivo que convierte energía eléctrica de corriente alterna de cierto nivel de voltaje en energía eléctrica de corriente alterna con otro nivel de voltaje. Puesto que los transformadores operan con base en los mismos principios que los generadores y los motores, se estudian junto con éstos.

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Capitulo 1

MOTORES ELÉCTRICOS

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1.1 GENERALIDADES

1.1.1 Tipos de motores eléctricos

Figura 1 Clasificación de los motores eléctricos.1

Los motores eléctricos suministran potencia motriz

a una amplia variedad de maquinaria domestica e industrial. Ninguna otra forma de impulsión puede igualar su adaptabilidad, confiabilidad y economía La aplicación con éxito de los motores depende de la selección de un tipo de motor que satisfaga las necesidades cinéticas de

1 S. Lobosco, O., & P.D. Díaz, j. L. Selección y aplicación

de motores eléctricos. Alameda Marcombo (Siemens).

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arranque, funcionamiento y detención de la maquinaria accionada. Existen varios métodos para clasificar los motores eléctricos En primer lugar, con basa en la alimentación de energía eléctrica, los motores se clasifican como de cd y de ca.

Las clasificaciones que se basan en el tamaño y aplicación son micromotores, así como motores de fracción de caballo de potencia, de un numero entero de caballos de potencia, con engranaje reductor, de par, servomotores y paso a paso, tanto en diseño de eficiencia estándar como de calidad superior

La National Electric Manufacturers Association (NEMA) de EU ha estandarizado diversos tipos de carcasas. A continuación se dan los tipos de carcasas y sus características, las cuales se mencionan en las tablas siguientes:

Para motores abiertos:

Tabla1 Tipos de carcasa para motores abiertos.2

Tipos Características

A prueba de goteo Operan con líquidos que gotean hasta 15º respecto

a la vertical.

A prueba de salpicaduras Operan con líquidos que salpican hasta 100º

respecto de la vertical.

Protegidos Protegidos por medio de aberturas de tamaño



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limitado (menos de ¾ in)

Semiprotegidos Solo esta protegida la mitad superior del motor.

A prueba de goteo, completamente protegidos

Motor a prueba de goteo con aberturas de tamaño

limitado.

Externamente ventilados Ventilados con soplador separado, impulsado por motor; pueden tener otros

tipos de protección

Ventilados por tubería Aberturas que admiten ductos o tubería de entrada para enfriamiento por aire.

Protegidos contra intemperie, tipo 1

Pasos de ventilación que minimizan la entrada de la lluvia, nieve y partículas

arrastradas por el aire. Los pasos tienen un diámetro

de menos de ¾ in.

Protegidos contra intemperie, tipo 2

Los motores tienen, además de lo del tipo 1, pasos para descargar

partículas a alta velocidad sopladas hacia el motor.

Para los motores totalmente encerrados:

Tabla 2 Tipos de carcasa para motores cerrados.3

Tipos Características

No ventilados (TENV) No equipados para



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enfriamiento externo.

Enfriados con ventilados (TEFC)

Enfriados por ventilador externo integral.

A prueba de explosiones Soporta explosión de gas interior. Evita el encendido

de gas exterior

A prueba de encendido de polvos

Excluye cantidades de polvo que se puedan encender, así como

cantidades que podrían perjudicar el rendimiento.

A prueba de agua Excluye la filtración, excepto alrededor de la

flecha.

Ventilados por tubería Aberturas que admiten ductos o tubería de entrada para enfriamiento por aire.

Enfriados por agua Enfriados por agua en circulación.

Enfriados por agua y aire Enfriados por aire enfriado por agua.

Enfriados por aire a aire Enfriados por aire enfriado por aire.

TEFC protegidos Enfriados por ventilados y protegidos por aberturas de tamaño limitado.

Encapsulados Tienen devanados rellenos con resina para condiciones severas de operación.

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La clasificación NEMA de acuerdo con la variabilidad de la velocidad incluye los motores de velocidad constante, como los motores síncronos de ca, los motores de inducción con bajo, mediano y alto deslizamiento y los motores de cd de devanados corto; los motores de velocidad variable con los motores devanados en serie de cd o los de repulsión, de cd en derivación, devanados en serie y con devanado compound.

1.1.2 Normas para motores y generadores eléctricos

Se exige que los motores y generadores cumplan con diversas normas industriales y nacionales y, en algunos casos, reglamentos específicos locales y especificaciones de los clientes. Las más importantes de estas normas se pueden describir brevemente como sigue: a) Las normas NEMA son normas voluntarias de la National Electrical Manufacturers Association y representan la práctica general dentro de la industria en EU. En ellas se definen un producto, proceso o procedimiento con referencia a la composición de la nomenclatura, construcción, dimensiones tolerancias, características de operación, rendimiento, calidad, capacidad nominal y pruebas. Específicamente cubren temas como tamaño de armazón, clasificaciones del par y bases para establecer la capacidad nominal. b) Nomas IEEE (AIEE). Las normas de la IEEE tratan de aspectos fundamentales, como las normas básicas para la elevación de la temperatura, los métodos para determinar la capacidad nominal, la clasificación de los materiales aislantes y los códigos de pruebas. c) Las normas USA son normas nacionales de EU establecidas por el United States of America Standard Institute, el cual representa a fabricantes, distribuidores, consumidores y otras partes interesadas. Las normas

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pueden cubrir una amplia variedad de temas, como dimensiones, especificaciones de los materiales, métodos de prueba, rendimiento y definición de términos Estas normas con frecuencia son aquellas que son adoptadas con anterioridad por NEMA, IEEE, etc. Y son responsabilidad de las mismas. d) El National Electrical Code es una norma de EU que tiene el fin de salvaguardar a las personas y edificios contra riesgos eléctricos que surjan del uso de la electricidad para alumbrado, calefacción, potencia y otros fines. Cubre los métodos y materiales para cableado, la protección de los circuitos ramales, motores y control, puesta a tierra y recomendaciones, referente al equipo adecuado para cada clasificación. e) En otros países se han establecido normas semejantes a las NEMA. Las más significativas son:

1. Norma 72-1, parte 1, de la IEC (Internacional Electrochemical Comission, Comisión Internacional sobre Electroquímica).

2. Norma alemana DIN 42673. 3. Norma británica BSI-2960, parte 2.

En estas normas se especifican dimensiones, clases de aislamiento y, en algunos casos, capacidades nominales en caballos de potencia.

1.2 MOTORES DE CORRIENTE DIRECTA

Los motores de corriente directa se usan en una amplia variedad de aplicaciones industriales en virtud de la facilidad con la que se puede controlar la velocidad. La característica velocidad-par se puede hacer variar para casi cualquier forma útil Es posible la operación continua sobre un rango de velocidades de 8:1. En tanto que los motores de ca tienden a pararse, los motores de cd pueden entregar más de cinco veces el par nominal (si lo permite la alimentación de energía eléctrica). Se puede realizar la operación en reversa sin conmutar la energía eléctrica Existen motores de imán permanente en

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capacidades nominales de fracciones de caballo de potencia, en tanto que los motores de cd de campo devanado se clasifican como:

1. Motor en derivación, en el que el devanado del campo está conectado en paralelo con la armadura.

2. Motor devanado en serie, en el que el devanado de campo está conectado en serie con la armadura.

3. Motor en compound, en el que se tiene un devanado de campo en serie y otro en paralelo.

El motor en derivación se utiliza en aplicaciones de velocidad constante, como en los accionamientos para los generadores de cd en los grupos motogeneradores de cd. El motor devanado en serie se usa en aplicaciones en las que se requiere un alto par de arranque, como en la tracción eléctrica, grúas, malacates, etcétera En los motores en compound, la caída de la característica velocidad-par se puede ajustar para que se adecue a la carga. 1.2.1 Construcción de los motores de cd con campo devanado Esta es prácticamente idéntica a la de los generadores de cd con un pequeño ajuste, la misma máquina de cd se puede operar como generador o como motor de cd. Los motores de cd de imán permanente tienen campos alimentados por imanes permanentes que crean dos o más polos en la armadura, al pasar flujo magnético a través de ella. El flujo magnético hace que se cree un par en la armadura que conduce corriente. Este flujo permanece básicamente constante a todas las velocidades del motor: las curvas velocidad-par y

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corriente-par son lineales.

Figura 2 Motor de cd con devanado de campo.4

1.2.2 Motores en derivación

Los motores de cd en derivación son adecuados para aplicaciones en donde se necesita velocidad constante a cualquier ajuste del control o en los casos en que es necesario un rango apreciable de velocidades (por medio del control de campo). En estos motores, el par efectivo es menor que el generado por el par requerido para la fricción del viento y la de los cojinetes y las escobillas. La caída en la velocidad desde la condición en vacío hasta la de plena carga rara vez sobrepasa el 5%; de hecho, el flujo magnético por polo, disminuye al aumentar la carga, debido a la reacción de la armadura, es posible que la velocidad permanezca constante aproximadamente constante hasta la plena carga.



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Figura 3 Conexión del motor en derivación.5 1.2.3 Motores serie Velocidad y par de los motores devanados en serie. Si la carga en un motor devanado en serie se hace pequeña, la velocidad aumenta mucho, de modo que un motor de este tipo siempre debe conectarse a la carga a través de un engranaje reductor o directamente. Si se conectara mediante banda y esta se rompiera, la velocidad del motor se dispararía y el motor probablemente estallaría. Para una carga dada, y por lo tanto, para una corriente dada, la velocidad de un motor devanado en serie se puede incrementar al poner en derivación el devanado en serie, o bien, al poner en cortocircuito algunas de las vueltas en serie, de modo que se reduzca el flujo magnético La velocidad se puede reducir al introducir una resistencia en serie con la armadura.



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Figura 4 Conexión del motor en serie.6

1.2.4 Motor compound El motor en compound es un término medio entre los motores devanados en serie y los de en derivación. En virtud de la existencia del devanado en serie, que ayuda al devanado en derivación, el flujo magnético por polo aumenta con la carga, de modo que el par se incrementa con mayor rapidez y la velocidad disminuye más rápidamente que si no estuviera conectado el devanado en serie; pero el motor no se puede desbocar con cargas ligeras, por la presencia de la excitación en derivación. La velocidad de un motor en compound se puede ajustar por medio de reóstatos en la armadura y el campo, como en el caso de la máquina en derivación. Las compound indirectas se usan en algunos motores de cd. En este caso, el campo en serie con devanado de cinta gruesa se reemplaza con un campo con devanado de alambre, similar a un campo pequeño



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en derivación. Este campo se excita por medio de un excitador de cd no saturado, por lo general accionado por separado a velocidad constante. Este excitador, a su vez, es excitado por la corriente de línea del motor, por la cual se alimenta la excitación en serie. El voltaje de salida y la corriente del excitador son proporcionales a la corriente principal del motor; de modo que existe una proporcionalidad dada entre la corriente de carga del motor y la intensidad de su campo en serie con el devanado de alambre. El uso de un conmutador de polos y un reóstato en el circuito de la armadura del excitador en serie permite hacer variar la intensidad e incluso la polaridad del campo en serie. Esto da lugar a un método fácil para cambiar la condición de composición del motor, para diversas velocidades. Si se desea, se puede conectar mecánicamente el reóstato del excitador en serie con el reóstato del campo en derivación, para realizar en forma automática lo anterior.

Figura 5 Conexión del motor compound.7

1.2.5 Motores de cd de imán permanente Existen motores de imán permanente en tamaños de fracciones de caballo y de números enteros de caballos. Tienen varias ventajas respecto a los del tipo de



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campo devanado. No se necesitan alimentaciones de energía eléctrica para excitación ni el devanado asociado. Se mejoran la eficiencia y el enfriamiento por la eliminación de pérdida de potencia en un campo excitado. Asimismo, la característica par contra corriente se aproxima más a lo lineal. Por último, un motor de imán permanente se puede usar en donde se requiere un motor por completo encerrado para un ciclo de servicio de excitación continua. Sus desventajas son la falta de control del campo y de características especiales velocidad-par. Las sobrecargas pueden causar desmagnetización parcial que cambia las características de velocidad y de par del motor, hasta que se restablece por completo la magnetización. En general, un motor de imán permanente de número entero de caballos es un poco más grande y más caro que un motor equivalente con devanados en derivación, pero el costo total del sistema puede ser menor. Un motor de imán permanente es un término medio entre los motores de devanado compound y los devanados en serie. Tiene mejor par de arranque, pero alrededor de la mitad de la velocidad en vacío de un motor devanado en serie. En aplicaciones en las que tradicionalmente se emplean motores compound, podría considerarse el motor de imán permanente en los casos en los que se necesita una eficiencia mal alta y una mayor capacidad de sobrecarga.

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Figura 6 Motor de cd con imán permanente.8 1.2.6 Motores de cd sin escobillas Los motores de cd sin escobillas tienen una armadura estacionaria y una estructura rotatoria de campo, exactamente en forma opuesta a como están dispuestos esos elementos en los motores convencionales de cd. Esta construcción aumenta la rapidez de disipación del calor y reduce la inercia del rotor. Imanes permanentes suministran el flujo magnético para el capo. La corriente directa hacia la armadura se conmuta con transistores, en vez de las escobillas y las delgas del colector de los motores convencionales. Los transistores que controlan cada devanado de un motor sin escobillas de cd se activan y desactivan a ángulos específicos del rotor. Los transistores suministran



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pulsos de corriente a los devanados de la armadura, los cuales son semejantes a los que suministra un conmutador. La secuencia de conmutación se dispones para producir un flujo magnético rotatorio de entre hierro, que permanece formando un ángulo fijo con el flujo magnético producido por los imanes permanentes del rotor.

Figura 7 Motor de cd sin escobillas.9 1.2.7 Motores de tracción de cd Estos son motores de cd devanados en serie cuyas capacidades nominales por lo general son de 140 hp, 310 V, 2500 r/min. Se usan cuatro motores en cada vehículo de transporte, dos en cada eje. La alimentación de energía eléctrica es de 600 a 1000 V de cd, desde el tercer riel, el cual se energiza por medio de grupos rectificadores de 2500 a 5000 kW que se encuentran en



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las subestaciones rectificadoras ubicadas a lo largo de la vía El arranque y el control de la velocidad se realizan por medio de un controlador de leva o de un controlador de disco perforado que se encuentra a bordo del vehículo

Figura 8 Motor de tracción de cd.10 1.2.8 Servomotores de cd Estos dispositivos son motores controlados por lazo cerrado de respuesta rápida capaces de proporcionar una función programada de aceleración o velocidad, un control de posición y de mantener una posición fija contra una carga.

Lazo cerrado significa que los sensores (por lo general codificadores de flecha) en el motor o en el dispositivo de salida que es movido retroalimenta información sobre su posición y velocidad.

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S. Guru, B., & R. Hiziroglu, H. Máquinas eléctricas y

transformadores (3ª ed.). Alfaomega.

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Los circuitos en el controlados del motor responden a la información retroalimentada al reducir o incrementar (o invertir) el flujo de corriente (y/o su frecuencia) hacia el motor. El posicionamiento preciso del dispositivo de salida es entonces posible, como lo es el control de la velocidad y forma de la respuesta del motor a los cambios de carga u órdenes de entrada. Estos son dispositivos relativamente costosos que por lo general se utilizan en aplicaciones tales como mover las superficies de control de vuelo en aviones y en misiles dirigidos, en centros de maquinado numéricamente controlados, en maquinaria automática de fabricación y en el control de robots. Los servomotores se fabrican tanto en configuraciones ca como cd. Para el caso de los servomotores de ca, la velocidad de estos motores es controlada por un controlador que genera una corriente de frecuencia variable con la cual sincroniza el motor de ca sincrónico. El controlador primero rectifica la corriente de línea ca en cd y luego la ―recorta‖ a la frecuencia deseada. Para el caso de los servomotores de c.c., estos son motores de c.c. alimentados por corriente suministrada por amplificadores electrónicos de c.c. o por amplificadores de c.a. con demoduladores colocados interna o externamente, o por rectificadores controlados de silicio. Los servomotores de c.c. tienen potencias comprendidas entre 0,05 y 1000 hp. Las características fundamentales a cumplir por cualquier servomotor (de c.c. o c.a.) son:

1. El par de salida del motor es proporcional a la tensión de control que se le aplica.

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2. El sentido del par viene determinado por la polaridad (instantánea) de la tensión de control.

Se utilizan tres tipos de servomotor de c.c., los cuales son:

1. El motor derivación (con excitación o inducido controlado).

2. El motor serie 3. El motor derivación de imán permanente

(excitación fija). Para el caso de los servomotores de c.a. se tienen que el tipo constructivo que se utiliza con mayor frecuencia es el servomotor de polos sombreados, en su forma constructiva simple, siendo que la única diferencia entre los motores de polos sombreados comunes y los servomotores con las mismas características es el hecho de que en los servomotores se tiene un control de lazo cerrado que retroalimenta al sistema una señal de error.

Figura 9 Servomotor de cd.11

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1.2.9 Alimentaciones de energía eléctrica Las fuentes de energía eléctrica para los motores de cd pueden ser baterías, un generador de cd o rectificadores. Los motores de imán permanente y los miniatura usan baterías como fuente de energía eléctrica Los grandes motores de cd, de números enteros de caballos de potencia, como los motores para laminadoras, emplean generadores de cd como fuentes. La mayor parte de los motores de cd, de fracciones de caballo y de un número entero de caballos, operan con fuentes de energía eléctrica rectificadoras. Algunos de los tipos de alimentaciones rectificadoras de energía eléctrica son las siguientes:

1. Monofásico, de media onda 2. Rectificador inverso, monofásico, de media onda 3. Monofásico, de media onda, controlado por el

voltaje de corriente alterna 4. Monofásico, de onda completa, controlado por el

ángulo de disparo 5. Rectificador inverso, monofásico, de onda

completa, controlado por el ángulo de disparo 6. Trifásico, de media onda, controlado por el voltaje 7. Trifásico, de media onda, controlado por el ángulo

de disparo Las designaciones NEMA estándar por letras de las alimentaciones de prueba de energía eléctrica para motores de cd son las siguientes:

Alimentación A: generador de cd.

Alimentación C: rectificador controlado trifásico de seis pulsos (230 V L-L, 60 Hz)

Alimentación D: Rectificador controlado trifásico de seis pulsos (con tres tiristores y tres diodos) con diodo de marcha libre (230/460 V L-L. 60 Hz)

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Alimentación E: Rectificador controlado trifásico de tres pulsos (460 V L-L, 60 Hz)

Alimentación K: Rectificador controlado monofásico de onda completa con diodo de marcha libre (230/115 V, 60 Hz)

Cuando se hace funcionar un motor de numero entero de caballos, de corriente directa, con una alimentación de corriente alterna rectificada, su rendimiento puede diferir materialmente del que se obtiene con el mismo motor, cuando se hace funcionar con una fuente de alimentación de corriente directa de reducida componente alterna residual, como lo es un generador o una batería. El voltaje pulsante y las formas de onda de la corriente pueden incrementar el aumento de la temperatura y el ruido y afectar en forma adversa la conmutación y le eficiencia. Debido a estos efectos, los motores de corriente directa se deben diseñar o seleccionar en especial para operar con el tipo particular de alimentación rectificada que se va a usar.

1.3 MOTORES SÍNCRONOS

1.3.1 Definición Un motor síncrono es una máquina que transforma la energía eléctrica en energía mecánica; en donde la velocidad promedio de operación normal es exactamente proporcional a la frecuencia del sistema al cual está conectado. A menos que se diga otra cosa, en general se sobreentiende que un motor síncrono tiene polos de campo excitados con corriente directa. Una armadura de motor síncrono no solo necesita y recibe corriente alterna de la barra de distribución, sino también, como cualquier dínamo de ca (con excitación doble) necesita una excitación de cd para su campo. En

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los motores síncronos grandes, el excitador, que es un generador derivación de cd, se coloca en el mismo eje que el motor y se necesita una pequeña parte del par del motor para general la cd necesaria para la excitación de su campo. Debido a la posibilidad de variación de la excitación de campo, el motor síncrono de ca posee una características que ningún otro motor de ca tiene: que el factor de potencia al cual funciona se puede hacer variar a voluntad. Una segunda característica de los motores polifásicos y monofásicos síncronos es que, al igual que algunos motores monofásicos, no tienen arranque propio inherente. Como el alternador de ca, se los debe acelerar hasta su velocidad mediante algún otro método auxiliar y conectar entonces a la línea. Otra peculiaridad de los motores síncronos es su susceptibilidad a la fluctuación de péndulo u oscilación, en especial cuando las cargas están sujetas a cambios repentinos o nos uniformes en un ciclo de giro, como es el caso de prensas de troquelado, cizallas, compresoras o bombas reciprocantes. El empleo de devanados amortiguadores en la fabricación de los rotores ha puesto término a este problema y, al mismo tiempo, ha hecho posible que el motor síncrono tenga arranque propio como un motor de inducción, durante el periodo de arranque. En algunos tamaños de potencia y límites de velocidad, el motor síncrono se vende más que el motor polifásico de inducción. Los motores polifásicos síncronos tienen las siguientes ventajas específicas sobre los polifásicos de inducción:

1. Los motores síncronos se pueden emplear para corrección del factor de potencia, además de suministrar el par necesario para impulsar sus cargas.

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2. Son más eficientes, cuando se trabajan a factor de potencia unidad, que los motores de inducción de potencia y voltajes nominales correspondientes.

3. Los rotores de polos de campo de los motores síncronos pueden permitir el empleo de entrehierros más anchos que los diseños de jaula de ardilla que se usan en los motores de inducción y, por lo tanto, necesitan tolerancias menos estrechas en sus cojinetes, y permiten un uso más prolongado de ellos.

4. Pueden ser más baratos para la misma potencia, velocidad y voltajes nominales.

1.3.2 Tipos El motor síncrono se construye con un conjunto de devanados polifásicos distribuidos de ca, designados como la armadura, que suele estar en el estator y que se consigna al sistema de alimentación de ca. La configuración del miembro opuesto, por lo general el rotor, determina el tipo de motor síncrono Algunos de los tipos de motores síncronos son los siguientes:

Los motores con devanados del campo excitados con cd sobre rotores de polos salientes o redondos, con capacidades nominales de 200 a 100 000 hp y mayores, constituyen el tipo industrial dominante.

En el motor síncrono sin escobillas, la excitación (corriente de campo) se alimenta a través de rectificadores montados en la flecha, desde un circuito de ca.

En el motor síncrono de anillos colectores, la excitación se alimenta desde un excitador montado en la flecha o desde una fuente separa de energía eléctrica de cd.

Los motores síncronos de menos de 1 hp suelen

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emplear un tipo de motor de imán permanente. Por lo común, estos motores son accionados por un inversor sin transistores, desde una fuente de cd; se les menciona como motores de cd sin escobillas.

1.3.2.1 Motores de histéresis El motor de histéresis se lleva al sincronismo y trabaja dependiendo del par de histéresis. Las laminaciones del tipo de histéresis se fabrican en general de acero endurecido de alta retentividad en lugar de acero comercial de dínamo de baja retentividad. Un acero de alta retentividad produce grandes pérdidas de histéresis y se consume un arte importante de la energía del campo rotatorio para invertir la dirección de la corriente del rotor. Al mismo tiempo, el campo magnético del rotor que establecen las corrientes parásitas hace que gire el rotor. Se produce un alto par de arranque como resultado de la gran resistencia del rotor, que es proporcional a las pérdidas por histéresis. A medida que el rotor se acerca a la velocidad síncrona, la frecuencia de la inversión de corriente en las barras de cruce disminuye y el rotor se magnetiza permanentemente en una dirección como resultado de la alta retentividad del acero. El motor trabaja como motor de histéresis empleando el par de histéresis debido a que el motor está magnetizado en forma permanente. El par de histéresis es extremadamente estable, tanto en amplitud como en fase, a pesar de las fluctuaciones del voltaje de suministro, y por ello es que se usa mucho para impulsar tocacintas de alta calidad, tocadiscos compactos, tocadiscos normales, etc.

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A causa de su baja inercia, los motores monofásicos pequeños de histeres se aceleran a una velocidad síncrona en pocos ciclos de corriente de entrada. Estos motores encuentran gran aplicación en los mecanismos de regulación y relojes.

Figura 10 Motor de histéresis.12

1.3.3 Aplicaciones de los motores síncronos

1.3.3.1 Corrección del factor de potencia Los motores síncronos se utilizaron en primer lugar porque eran capaces de elevar el factor de potencia de los sistemas que tienen grandes cargas de motores de inducción. En la actualidad también se usan porque pueden mantener el voltaje en las terminales en un sistema débil (impedancia alta de la fuente), son más eficientes que los motores correspondientes de inducción, en particular los motores de baja velocidad. Los motores síncronos se construyen para operación con fp = 1.0 o fp = 0.8. La selección de un motor síncrono para corregir un factor existente es simplemente un asunto de contabilidad de la potencia activa y reactiva. Se puede

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seleccionar el motor síncrono para corregir el factor de potencia, hasta elevarlo a un valor dado, en cuyo caso también debe ser bastante grande como para llevar a cabo sus funciones como motor; o bien, se puede seleccionar para realizar su función como motor y requerirse para proporcionar la cocción máxima que pueda al operar con un factor de potencia en adelanto. 1.3.3.2 Empleo de un motor síncrono como cambiador de frecuencia Debido a su característica de velocidad constante, el motor síncrono se puede emplear para impulsar un generador derivación de cd y mantener un voltaje de cd relativamente constante desde sin carga hasta plena carga. Debido a esa característica de velocidad constante, también se puede emplear para impulsar un alternador de ca, ya sea monofásico o polifásico, de diversas frecuencias, manteniendo un voltaje constante de ca y una frecuencia constante del alternador.

Hay ventajas específicas inherentes en el uso de equipo con mayor frecuencia aunque las pérdidas tienden a aumentar a medida que lo hace la frecuencia. Para la misma capacidad de kVa o de hp, un transformador o una dínamo de mayor frecuencia puede ser de menor tamaño y necesitar menos hierro para obtener el mismo grado de saturación magnética. Además. A 60 HZ la velocidad máxima que se puede obtener en un motor síncrono bipolar es de 3600 rpm (S = 120f/P). Para obtener mayores velocidades con las dínamos es necesario emplear un cambiador de frecuencia. A un conjunto motogenerador de ca a ca en el que se tenga cambio de frecuencia se le llama cambiador de frecuencia.

1.4 MOTORES DE INDUCCIÓN

Un motor de inducción es sencillamente un

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transformador eléctrico cuyo circuito magnético estas separado por un entrehierro en dos porciones con movimiento relativo, una que lleva el devanado primario y la otra, el secundario. La corriente alterna que se alimenta al devanado primario desde un sistema de energía eléctrica induce una corriente en oposición en el devanado secundario, cuando este último se pone en cortocircuito o se cierra a través de una impedancia externa. El movimiento relativo entre estructuras primaria y secundaria se produce por las fuerzas electromagnéticas correspondientes a la energía transferida de esta manera a través del entrehierro por la inducción. La característica esencial que distingue a la máquina de inducción de los otros tipos de motores eléctricos es que las corrientes secundarias se crean únicamente por la inducción, como en un transformador, en lugar de ser alimentadas por un excitador de cd o alguna otra fuente externa de energía, como en las máquinas síncronas y de cd. Los motores de inducción se clasifican como de jaula de ardilla y de rotor devanado. Los devanados secundarios de los rotores en los motores de jaula de ardilla se arman a partir de barras conductoras puestas en cortocircuito por medio de anillos en sus extremos o se funden en su lugar como una aleación conductora. Los devanados secundarios de los motores de rotor devanado se bobinan con conductores discretos, con el mismo número de polos que el devanado primario del estator. Los devanados del rotor se terminan en anillos colectores que se encuentran en la flecha del motor. Los devanados se pueden poner en cortocircuito mediante escobillas que se apoyan sobre los anillos colectores o se pueden conectar a resistores o a convertidores de estado sólido, para el arranque y el control de la velocidad.

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1.4.1 Características de los motores polifásicos de inducción Para ayudar a la industria a seleccionar los motores apropiados para las diferentes aplicaciones en la gama completa de caballos de fuerza, la NEMA en Estados Unidos y la International Electrotechnical Commission (IEC) en Europa han definido una serie de diseños estándar con diferentes curvas de par – velocidad. A estos diseños se les llama clases de diseño y a un motor individual se le puede llamar motor de diseño clase X. Éstas son clases de diseño NEMA e IEC. A continuación se describen las características distintivas de cada clase estándar de diseño. Clase A. Estos motores son de diseño estándar, con un par de arranque normal y bajo deslizamiento. El par máximo es 200 o 300% el par a plena carga y se presenta a un bajo deslizamiento. Los flujos de corriente en el arranque son por lo general de 500 a 800% de la corriente nominal. En el pasado, los motores de esta clase eran el diseño estándar para la mayoría de las aplicaciones por debajo de 7.5 hp y por arriba de 200 hp, pero en su mayoría han sido reemplazados por motores de diseño clase B en los últimos años. Los motores de clase A se utilizan por lo regular en ventiladores, sopladores, bombas, tornos y en otras máquinas herramientas Clase B. Tienen un par de arranque normal, una corriente de arranque más baja y un bajo deslizamiento. El par máximo es mayor o igual a 200% de su par de carga nominal, pero menor al de diseño clase A por el incremento en la reactancia del rotor. Los motores diseño clase B han reemplazado ampliamente los motores de diseño clase A en las instalaciones nuevas. Clase C. Tienen un par de arranque alto con corrientes

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de arranque bajas y deslizamiento bajo a plena carga. Esos motores se construyen con rotores de doble jaula, por lo que son más caros que los motores de clases anteriores. Se utilizan para cargas con alto par de arranque, tales como bombas, compresores y bandas transportadoras. Clase D. Tienen un par de arranque muy alto (275% o más del par nominal) y una baja corriente de arranque, pero también tienen un alto deslizamiento a plena carga. Estos motores se utilizan en aplicaciones que requieren la aceleración de cargas con inercias muy altas, en especial grandes volantes utilizados en troqueladoras o en cortadoras.

Figura 11 Curva par – velocidad típica para las diferentes clases de motores.13

13

J. Chapman, O. S. Máquinas eléctricas (4ª ed.). Mc

Graw Hill.

32

1.4.1.1 Motor de jaula de ardilla Por lo general el rotor de jaula de ardilla se usa cuando la carga requiere un par de arranque reducido. Para motores pequeños, un devanado así se moldea forzando un material conductor fundido (con frecuencia, aluminio) dentro de las ranuras mediante el proceso de fundición a presión. En ambos lados del conjunto de láminas también se forman anillos circulares, llamados anillos terminales, que colocan en cortocircuito las barras en ambos extremos del rotor. Para motores grandes, el devanado de jaula de ardilla se forma insertando barras conductoras pesadas (generalmente de cobre, aluminio o alguna de sus aleaciones) en las ranuras y después soldándolas o atornillándolas a los anillos terminales.

Figura 12 Rotor jaula de ardilla.14

Todas las categorías de diseño de motores de inducción con número entero de caballos de potencia

. 14


transformadores (3ª ed.). Alfaomega

33

soportan los esfuerzos magnéticos y los pares con rotor bloqueado del arranque a pleno voltaje de línea. Los motores de diseño B se usan más; estos tienen características de par de arranque y de corriente de arranque de línea adecuados para la mayor parte de los sistemas de potencia. Los motores de los diseños C y D tienen un par más alto que los de clase B. Para los motores de todos los diseños, los porcentajes de los pares tienden a decaer al aumentar la capacidad nominal en hp. Los motores de diseño A están diseñados para los mismo pares con rotor bloqueado y deslizamientos que los diseño B, pero tienen pares de falla y corrientes con rotor bloqueado más alto. Estos motores resulta adecuados para cargas con par de arranque del 40 al 70%, par de aceleración del 20 al 50% y par pico del 130 al 175% del par nominal, en donde los arranques y detenciones son frecuentes. Es posible que se requiera arranque a voltaje reducido debido a la elevada corriente con rotor bloqueado. Los motores del diseño B suelen arrancarse en línea a pleno voltaje. Estos motores se pueden acelerar hasta llevarlos a plena velocidad, con cualquier carga que puedan arrancar. Estos motores son adecuados para cargas con par de arranque menor del 50%, par de aceleración menor del 50% y par pico menor del 125%. El bajo deslizamiento excluye las cargas de pulsación del par. El motor es adecuado para operación de carga estable continua, con arranque y detenciones no frecuentes. Los motores de diseño D están diseñados para arrancar a pleno voltaje y desarrollar pares con rotor bloqueado del 275% del par nominal. Las corrientes con rotor bloqueado son las mismas que para el diseño B. Estos motores tienen más del 5% de deslizamiento con el

34

par nominal y están diseñados para cargas que se aplican y eliminan con frecuencia. Estos motores se dividen en grupos del 5 al 8% de deslizamiento, del 8 al 13% de deslizamiento y de más del 13% de deslizamiento.

1.4.1.2 Aplicación de los motores de inducción Un motor de inducción se debe seleccionar para satisfacer las necesidades de arranque y operación de la carga, las restricciones de las condiciones del medio ambiente y de la línea de alimentación y el ciclo de trabajo, con el tamaño, capacidad nominal en caballos y costo mínimos. Siempre se pueden seleccionar motores con un tamaño mayor que el necesario, pero a expensar de la corriente de arranque, el factor de potencia en operación y el costo. En la tabla siguiente se muestran las características básicas de las diferentes clases de motores y algunas aplicaciones de los mismos:

Tabla 3 Selección de motores eléctricos trifásicos15

Para este tipo de equipo

Que requieren estos pares

Con estas característica

s de carga

Tipo y descripción

De arranque

Max. de marcha

-Bombas para suministro de

agua -Bombas

Operación continua, velocidad

De rendimiento energético: diseño B

15

G. Fink, D., & H. Wayne, B. Manual de ingeniería

eléctrica . Mc Graw Hill.

35

industriales y químicas -Torres de

enfriamiento -Equipo para

manejo de aire -Compresoras

-Transportadores Maquinaria para

procesos petroleros y

químicos

100 a 150% del

par a plena carga

200 a 250% del par a plena carga

constante, alta velocidad (por

encima de 720 r/min),

fácil arranque, sujetos a

sobrecargas de corta duración;

buena regulación de la velocidad

NEMA, pares normales, corriente

normal de arranque; se pueden usar

con inversores de frecuencia variable/voltaje variable; de

eficiencia mayor que la

de los motores estándar diseño B.

-Bombas centrífugas

-Sopladores y ventiladores

-Taladradoras -Tornos

-Compresoras -

Transportadores

100 a

150% del par a plena carga


Condiciones variables de

carga, velocidad constante sujetos a

sobrecargas de corta duración;

buena regulación de la velocidad

Diseño B NEMA: pares

normales; corriente

normal de arranque; se pueden usar

con inversores de frecuencia variable/voltaj

e variable

-Bombas reciprocantes

-Alimentadores -Compresoras -Trituradoras -Molinos de bolas y de

cabillas

200 a 300% del

par a plena carga

No más del par a plena carga

Alto par de arranque

debido a alta inercia,

contrapresión, fricción en la

parada o condiciones mecánicas

semejantes; las

necesidades

Diseño C NEMA: Alto

par; corriente normal de

arranque; no se

recomienda su uso con

inversores de

36

de par decrecen durante la

aceleración, hasta el par a plena carga; no sujetos a sobrecargas

severas; buena

regulación de la velocidad.

frecuencia variable

-Prensas punzonadores

-Grúas -Malacates

-Frenos para prensas

-Cizalladoras -Bombas para

pozos petroleros

-Centrifugas

Hasta el 300% del

par a plena carga

200 a 300% del par a plena carga;

se requiere pérdida

de velocida

d durante

las cargas

pico

Cargas intermitentes;

pueden requerir

arranques, detenciones y

ciclos de contramarcha frecuentes; en la máquina se

emplea un volante para soportar las cargas pico;

mala regulación de velocidad para

suavizar las cargas pico;

pueden requerir

aceleración de carga de alta

inercia

Diseño D NEMA: Par

alto, alto deslizamiento;

los tipos estándar tiene características

de deslizamiento de 5 al 8% o del 8 al 13%

Se desea selección de la velocidad y bastan dos, tres o cuatro

De velocidades

multiples: Par general

normal en

37

-Sopladores -Ventiladores

-Maquinas herramienta

-Mezcladoras -

Transportadores -Bombas

Algunos requieren bajo par,

otros requieren

varias veces el

par a plena carga

200% del par a plena carga

en cada velocida

d

velocidades fijas; el par de

arranque puede ser bajo en los sopladores

hasta alto en los

transportadores; las

maquinas para cortar

metales suelen ser de hp constantes; las cargas de

fricción (transportadores) suelen ser

de par constante; las

cargas de fluidos o aire (sopladores) son de par

variable

devanado o velocidad

dominantes; devanados

consecuentes de los polos o

devanados separados para cada

velocidad; con base en los requisitos de

carga , pueden ser de

caballos de potencia

constantes, de par constante,

de par variable

-Trituradoras -

Transportadores -Rodillos

dobladores -Molinos de bolas y de

cabillas -Sopladores centrífugos -Bombas

Pueden proporcio

nar un par hasta

el par máximo

en parada


Cargas que requieren muy

alto par de arranque con baja corriente de arranque; se requiere ajuste de la velocidad

dentro de un rango limitado

De rotor devanado: Se

necesita sistema de control del

rotor para dar lugar a las

características deseadas; el control puede

ser de resistores, reactores o

inversores de frecuencia fija,

38

-Prensas impresoras

-Grúas y malacates

-Centrifugas

(2 a 1); control del par

durante la aceleración o aceleración controlada

en el circuito secundario (rotor); la

velocidad real de la carga

depende del ajuste del control de

rotor.

1.4.2 Motores monofásicos Fueron los primeros motores utilizados en la industria. Cuando este tipo de motores está en operación, desarrolla un campo magnético rotatorio, pero antes de que inicie la rotación, el estator produce un campo estacionario pulsante. Hay muchas instalaciones, tanto industriales como residenciales, a las que la compañía eléctrica solo suministrar un servicio de ca monofásico. Además, en todo lugar siempre hay necesidad de motores pequeños que trabajen con suministro monofásico para impulsar diversos artefactos electrodomésticos tales como máquinas de coser, taladros, aspiradoras, acondicionadores de aire, etc. Los requisitos de carga y trabajo para los motores monofásicos son posiblemente tan severos como los de la maquinaria polifásica o quizás más, debido a que en las aplicaciones domésticas o residenciales no se tienen procedimientos de mantenimiento rutinario. Este tipo de motores no tiene par de arranque, es decir no arranca por él mismo debe proveérsele algún medio externo para que lo haga. Para producir un campo rotatorio y un par de

39

arranque, se debe tener un devanado auxiliar desfasado 90° con respecto al devanado principal. Una vez que el motor ha arrancado, el devanado auxiliar se desconecta del circuito Los motores serie monofásicos de ca están diseñados para uso extremadamente rudo en grúas, rampas y servicio de tracción, como locomotoras eléctricas, y su tamaño puede variar según sea de pocos caballos o de algunos miles. Los alternadores y los motores síncronos monofásicos se usan con bastante frecuencia en servicio de ferrocarriles. En general, las máquinas de tamaño grande son en realidad dínamos trifásicas síncronas conectadas en estrellas, desbalanceadas con una fase abierta y, como tales, se usan en tamaños hasta de varios miles de hp en los conjuntos motogeneradores de las locomotoras. 1.4.2.1 Construcción del motor monofásico de inducción El rotor de cualquier motor monofásico de inducción es intercambiable con el de uno polifásico de inducción de jaula de ardilla, clase A o B. No hay conexión física entre el rotor y el estator, y hay un entrehierro uniforme entre ellos. Las ranuras del estator estás distribuidas de modo uniforme y, en general, se emplea un devanado ―paso fraccionario‖, imbrica de dos capas. Un devanado ―simple‖ monofásico no produciría campo magnético ni par de arranque. Por lo tanto, es necesario modificar o dividir al devanado de estator en dos partes, cada una desplazada en el espacio y en el tiempo. Así, hay dos devanados en paralelo y ambos están conectados con el suministro monofásico de ca. A uno de estos devanados del estator, que en

40

general es de alta reactancia para reducir las pérdidas al mínimo, se le llama devanado de marcha o principal. Está distribuido en ranuras espaciadas uniformemente alrededor del estator. El otro devanado, que está en paralelo con el principal, es el devanado auxiliar o de arranque, que también está distribuido uniformemente alrededor del estator, pero alojado en ranuras con orientación desplazada 90º en el espacio eléctrico con respecto a las del devanado principal. La impedancia ajustada y la corriente del devanado auxiliar, con respecto al voltaje de línea como referencia, se diseña en general para que la corriente en este devanado (de arranque) preceda a la del devanado principal, no necesariamente 90º, pero lo suficiente para producir desplazamiento en el tiempo, al igual que en el espacio.

1.4.2.2 Motor de inducción de fase partida y arranque por resistencia Este motor tiene en su estator dos devanados en paralelo, desplazados 90º en el espacio eléctrico y algo menos de 90º en el tiempo. El devanado de arranque tiene menos vueltas y consiste en alambre de cobre de menor diámetro que el devanado de marcha. El devanado de arranque tiene alta resistencia y baja reactancia. A la inversa el devanado de marcha, con más vueltas de alambre más grueso, tiene baja resistencia y alta reactancia.

41

Figura 13 Acomodo de los devanados en un motor de fase partida.16 Al momento del arranque, la corriente en el devanado de arranque está retrasada unos 15º con respecto al voltaje de suministro, mientras que la corriente mayor en el devanado de marcha está atrasada unos 40º con respecto al voltaje monofásico. Con esto se asegura que durante el periodo de arranque se produzca un campo magnético virtual bifásico giratorio y se garantiza un buen par de arranque. Estos motores tienen un interruptor centrífugo normalmente cerrado que se abre cuando el motor acelera hasta aproximadamente un 25 por ciento de deslizamiento; por tanto, el devanado de arranque en este caso está diseñado para servicio intermitente porque solo se usa unos cuantos segundos durante el periodo de arranque.

1.4.2.3 Motor de inducción de fase partida y arranque por capacitor

16

J. Chapman, O. S. Máquinas eléctricas (4ª ed.). Mc

Graw Hill.

42

Como medio de mejorar el par relativamente bajo del motor de fase partida, se agrega un capacitor al devanado auxiliar para producir una relación casi real de 90º entre las corrientes de los devanados de arranque y de marcha, en lugar de aproximadamente 25% (en pruebas de laboratorio se ha comprobado que el desplazamiento es de 82º). A diferencia del motor de arranque por resistencia, cuyas corrientes principal y auxiliar tienen un ligero desplazamientos, el motor de arranque por capacitor tiene un par igual al par de arranque multiplicado por el seno de 82º, es decir, es 0.9903 del par a 90º. O sea, aproximadamente igual al par normal de arranque. Por lo tanto, en el motor de arranque por capacitor, el par de ―campo bipartido‖ o ―bifásico‖ es mayor que el par de la FEM de velocidad monofásica producida por el campo transversal del rotor. En virtud de su mayor par de arranque, los motores de fase partida y arranque por capacitor se emplean para bombas, compresores, unidades de refrigeración, acondicionadores de aire y lavadoras grandes, en los que se necesita un motor monofásico que desarrolla alto par de arranque bajo carga y cuando se requiere un motor reversible.

43

Figura 14 Partes de un motor de arranque por capacitor.17

Figura 15 Circuito equivalente del estator del motor de arranque por capacitor.18

17

J. Chapman, O. S. Máquinas eléctricas (4ª ed.). Mc Graw

Hill. 18

J. Chapman, O. S. Máquinas eléctricas (4ª ed.). Mc Graw Hill.

44

1.4.2.4 Motor de capacitor de un valor y fase partida permanente Este tipo de motor tiene dos devanados permanentes que se arrollan con alambre del mismo diámetro y el mismo número de vueltas; es decir, los devanados son idénticos. Este tipo de motor no requiere interruptor centrífugo. Los motores de este tipo arrancan y trabajan en virtud de la descomposición de la fase de cuadratura que producen los dos devanados idénticos desplazados en tiempo y espacio. En consecuencia, no tiene el alto par de marcha normal que producen los motores ya sea de arranque por capacitor o de arranque por resistencia. El valor del capacitor se basa más en su característica de marcha óptima que en la de arranque. Al instante del arranque, la corriente en la rama capacitiva es muy baja. El resultado es que estos motores tienen par de arranque muy deficiente, de entre 50 a 100 por ciento del par nominal, dependiendo de la resistencia del motor. Aunque este comportamiento parezca desventajoso, no lo es, ya que este bajo par de marcha hace al motor de capacitor de un valor y fase partida permanente más sensible a las variaciones de voltaje. El motor de fase partida y capacitor único es uno de los poco motores monofásico de inducción cuya velocidad se puede controlar con facilidad mediante variaciones de voltaje en el suministro.

45

Figura 16 Circuito que representa los devanados del estator del motor de arranque por capacitor permanente.19 Se usan diversos métodos para ajustar el voltaje aplicado al estator y producir el control deseado de velocidad, como transformadores con varias salidas, variacs, potenciómetros y resistencias o reactores con varias salidas. Debido a 1) su respuesta instantánea como motor invertible, 2) su funcionamiento uniforme y 3) la posibilidad de controlar su velocidad, el motor de fase partida y capacitor unido se usa en ventiladores de toma y descarga en máquinas de oficina y en unidades de calefacción o en los acondicionadores de aire.

1.4.2.5 Motor de capacitor de dos valores

19 J. Chapman, O. S. Máquinas eléctricas (4ª ed.). Mc Graw Hill.

46

El motor de capacitor de dos valores combina las ventajas de funcionamiento casi sin ruido y de control limitado de velocidad del capacitor de valor único con el alto par de arranque del motor de arranque por capacitor. Se emplean dos capacitores durante el periodo de arranque. Uno de ellos, el capacitor electrolítico de arranque, semejante al que se usa para el trabajo intermitente del motor de arranque por capacitor, tiene capacidad bastante alta, de 10 a 15 veces el valor del capacitor de marcha y se saca del circuito mediante un interruptor centrífugo cuando el deslizamiento alcanza un valor aproximado al 25 por ciento. La ventaja principal del motor de capacitor de dos valores es su alto par de arranque, aunado a trabajo poco ruidoso y al buen par de funcionamiento. Se sigue clasificando como motor invertible porque, cuando las terminales de la línea de un devanado se invierten, se pone a trabajar en reversa del modo acostumbrado. Cuando la velocidad baja a menos del 25 por ciento de deslizamiento durante la inversión, cierra el interruptor centrífugo y se produce par máximo cuando el motor se desacelera e invierte su dirección. Los contactos centrífugos abren de nuevo cuando el motor llega al 75 por ciento de la velocidad síncrona en la dirección inversa. Por lo tanto, las inversiones frecuentes reducirán la vida del interruptor centrífugo. Por este motivo, cuando se tienen inversiones frecuentes, es preferible un motor de fase partida y capacitor único que no use interruptor centrífugo. El motor con capacitor de dos valores ha encontrado aplicaciones en las unidades domésticas de acondicionamiento de aire, en las que se emplea en el compresor y que trabajan con una corriente de ramal igual a 15 A.

47

1.4.2.6 Motor de inducción de polos sombreados El motor de polo sombreado es, en general, un motor pequeño de potencia fraccionaria que no es mayor de 1/10 hp, aunque se han producido motores hasta de ¼ hp. La gran ventaja de este motor estriba en su extrema simplicidad: un devanado monofásico de rotor, rotor con jaula de ardilla vaciada y piezas polares especiales. No tiene interruptores centrífugos, capacitores, devanados especiales de arranque ni conmutadores. Tiene, sin embargo un medio auxiliar para producir el efecto de un campo magnético rotatorio con el suministro monofásico y solo un devanado del estator. Este motor cuenta con piezas polares especiales, fabricadas con laminaciones u una bobina de sombreado en cortocircuito, o bien un anillo de cobre macizo de una sola vuelta, alrededor del segmento más pequeño de la piezas polar. La bobina de sombreado está separada del devanado principal de ca, y sirve para proveer una división de fase del flujo principal del campo, demorando el cambio de flujo en el segmento menor.

48

Figura 17 Motor con polos sombreados.20 Cuando tiende a aumentar el flujo en las piezas polares, se induce una corriente de cortocircuito en la bobina de sombreado, que de acuerdo con la ley de Lenz se opone a la fuerza y al flujo que lo produce. Así, a medida que aumenta el flujo en cada polo de campo, hay una concentración de él en el segmento principal de cada polo, mientras que en el segmento sombreado se opone al flujo en campo principal. Cuando el flujo magnético cambia a su valor máximo, la rapidez de cambio del flujo y la corriente es cero y no se induce voltaje en la bobina de sombreado. En consecuencia, el flujo está distribuido uniformemente a través de los polos. Cuando el flujo disminuye, la corriente se invierte en la bobina sombreada para mantener al flujo en la misma dirección. El resultado es que ahora el flujo se concentra en el segmento sombreado del polo.

El efecto neto de la distribución de flujo en el polo es producir un movimiento de barrido de flujo a través de la cara polar que representa una rotación en el sentido de las manecillas del reloj. El flujo en el segmento del polo sombreado siempre está en retraso al correspondiente en el segmento principal, tanto en tiempo como en espacio físico, aunque no existe entre ellos una verdadera relación de 90º. El resultado es que se produce un campo

20

J. Chapman, O. S. Máquinas eléctricas (4ª ed.). Mc Graw Hill.

49

magnético rotatorio, suficiente para originar un pequeño desbalanceo en los pares del rotor (teoría del doble campo revolvente) tal que el par en el sentido de las manecillas del reloj es mayor que el contrario, o viceversa, y el rotor siempre gira en la dirección del campo rotatorio.

En el motor de polos sombreados, el par de arranque es muy pequeño, nominalmente de un 25 por ciento del par a plena carga. El par nominal, dependiendo de la potencia, se presenta entre un 10 y 25 por ciento de deslizamiento. El par máximo de falla es ligeramente mayor que el nominal y se presenta en deslizamientos del 30 a 40 por ciento. Las eficiencias varían entre 5 y 35 por ciento.

El motor de polos sombreados es robusto, barato, pequeño y necesita de poco mantenimiento. Cu corriente de rotor bloqueado solo es ligeramente mayor que su corriente nominal normal, y por lo tanto hasta puede permanecer detenido durante cortos periodos sin sufrir daños. Desafortunadamente tiene bajo par de arranque, baja eficiencia y bajo factor de potencia. Tratándose de un motor pequeño, las últimas dos consideraciones no son serias. Su bajo par de arranque limita su aplicación a motores económicos de tornamesas, proyectores de cine, asadores eléctricos, ventiladores y fuelles pequeños, máquinas expendedoras, tornamesas de exhibición en escaparates, sintonizadores de TV de control remoto y otras cargas relativamente ligeras de servomecanismos. 1.4.2.7 Motor universal

Siempre ha existido la demanda de un motor que pueda emplearse en aplicaciones portátiles pequeñas y que pueda trabajar a cualquier frecuencia, con cualquiera de las fuentes de potencia de las que se dispone en los diversos países. Además un aparato dotado se tal motor

50

se podría vender en forma internacional. Se podrían eliminar las diferencias en los voltajes de varios países empleando un transformador o resistencia con salidas en conjunción con un motor de mayor capacidad de voltaje.

El motor universal se diseña para frecuencias comerciales desde 60 Hz hasta cd (frecuencia cero), y voltajes de 250 V hasta 1.5 V. Un motor universal comercial puede tener un campo serie algo más débil y más conductores en la armadura que un motor serie de cd de igual potencia. Se fabrica en capacidades hasta de ¾ de hp, en especial para aspiradoras y máquina de coser industriales. En los tamaños menores, de ¼ hp o menos, se emplea en taladoras de mano, lijadoras, abrelatas, licuadoras y herramientas portátiles de pilas, como aspiradoras.

Al igual que en todos los motores serie, la velocidad sin carga de motor universal es extremadamente alta. Con frecuencia, se tienen engranajes de reducción en la caja del motor de algunos de estos motores para dar par extremadamente alto a bajas velocidades y también para limitar la gran velocidad en vacío, porque con ello se algo e carga debida a la resistencia de los engranajes. En los motores muy pequeños, de 1/20 hp o menos, la velocidad a plena carga puede ser hasta de 10 000 y la velocidad en vacío mucho mayor. Cuando se usan estos motores en electrodomésticos comerciales, como rasuradoras eléctricas, máquinas de coser, de oficina y pequeños secadores de pelo o aspiradoras, siempre se conectan directamente a su carga y hay poco peligro de desbocamiento del motor. La siguiente tabla muestra algunos datos característicos de los motores monofásicos:

51

Tabla 4 Tabla de características de los motores monofásicos21

Tipo de motor

Par de arranque

(% del nominal)

Factor de

potencia

Eficiencia Rango

(hp)

Aplicación

Propósito

general, fase

partida

90-200 medio normal

55-65

62-67

1/20 a 3/4

Ventiladores, fuelles,

máquinas de oficina,

maquinaria de

preparación de alimentos.

Par de arranque

bajo o medio, baja inercia, cargas de

funcionamiento continuo.

Fase partida (alto par)

200-275 alto

50-62

46-61

1/6 a 1/3

Lavadoras, bombas de

sentina, talleres

caseros, quemadores

de aceite. Cargas de arranque medias a

altas.

Fase partida

60-75 bajo

80-95

55-65

1/20 a 3/4

Ventiladores, fuelles y bombas

centrífugas

21

G. Fink, D., & H. Wayne, B. Manual de ingeniería eléctrica . Mc Graw Hill.

52

permanente, con

capacitor (bajo par)

de acoplamiento directo. Bajo

par de arranque. No

para transmisione

s por bandas.

Fase partida perman

ente, con

capacitor (alto par)

Hasta 200 normal

80-95

55-65

1/6 a 3/4

Ventiladores y fuelles con transmisión de bandas o

directa, bombas

centrifugas, quemadores de petróleo. Cargas de

par moderado de

arranque.

Propósit

o general, arranqu

e por capacito

r

Hasta 435 muy alto

80-95

55-65

1/8 a 3/4

Voltaje dual. Compresores

, alimentadore

s de combustibles sólidos para

caldera, transportadores, bombas. Cargas de transmisión por bandas

con alta fricción estática

Arranqu

e por capacito

380 alto

80-95

55-65

1/8 a 3/4

Compresores,

alimentadores de

53

r, marcha

con capacito

r

combustibles sólidos para

caldera, transportadores, bombas. Cargas con alto par. Alto

factor de potencia

Polos sombre

ados

50 muy bajo

40-50

30-40

1/300 a 1/3

Ventiladores, juguetes,

secadoras de pelo,

unidades calefactoras,

fuelles. Cargas de bajo par de arranque.

Universal

400-500 muy alto

85-95

40-60

1/150 a 1

Alta velocidad (300 a 11 000 rpm).

Aspiradoras, quitanieves, centrífugas, batidoras.

1.5 INSTALACIÓN DE MOTORES ELÉCTRICOS 1.5.1 Fijación del motor

La dimensión y distribución de los agujeros en la

fijación o en los pies, así como el diámetro de los tornillos correspondientes están establecidas en las normas dimensionales.

Los motores con pies de pequeñas prestaciones

54

suelen fijarse con raíles puestos en una posición ortogonal el eje. Este sistema permite el desplazamiento transversal del motor, sea para posibilitar la alineación con la máquina activada, sea para el tensado de las correas.

Figura 18 Fijación de un motor horizontal con pies sobre

rieles.22

1.5.2 Alineación Incluso cuando se trata de transmisiones directas

es fundamental que el motor esté rigurosamente alineado con la máquina accionada. Una alineación deficiente puede causar excesos de carga en el eje, deformaciones incompatibles y una brusca reducción de la vida de los cojinetes.

Para los motores acoplados coaxialmente con la

maquina accionada, se obtiene la alineación a través del propio acoplamiento. Las dos mitades del acoplamiento deberán estar centradas y alineadas entre sí, lo que se puede comprobar con la ayuda de una regla, como se ve:

22

S. Lobosco, O., & P.D. Díaz, j. L. Selección y aplicación


55

Figura 19 Comprobación de la alineación del acoplamiento con la ayuda de una regla.23

La manera más correcta y precisa de comprobar la alineación es a través de dos relojes compradores, colocados de modo que detecten simultáneamente los desvíos de concentricidad y de perpendicularidad entre las dos mitades del acoplamiento.

Las correcciones necesarias deben obtenerse a

través de la colocación adecuada entre las máquinas, utilizando, si es necesario, algunos calzos debajo de los pies del motor.

Se recomienda, principalmente para motores

grandes, que se monten después de la alineación, por lo menos, dos pasadores cónicos en pies diagonalmente opuestos para asegurar la colocación correcta del motor después de un eventual futuro desmontaje del conjunto.

En el caso de acoplamientos no coaxiales, como

23



56

en el caso de las transmisiones por poleas y correas o engranajes, la alineación es igualmente importante. Eventuales desvíos entre poleas o entre piñón y corona introducen sobrecargas mecánicas en el motor, reducen la eficiencia y la vida útil de la transmisión y, en general, aumentan el ruido en la operación. La siguiente figura presenta situaciones correctas e incorrectas de alineación en una transmisión por poleas y correas.

Figura 20 Situaciones correcta e incorrectas de alineación de una transmisión por poleas y correas.24

1.5.3 Cuidados adicionales

El local de instalación debe ser plano, limpio y

exento de vibraciones. Las vibraciones excesivas sacrifican los cojinetes durante los periodos de parada.

24



57

La disposición relativa del motor y de la maquina

activada debe ser tal que permita un acceso fácil para inspecciones periódicas, controles locales en eventuales instrumentos y posibilitar la lubricación de los cojinetes.

Las entradas y salidas del aire de ventilación

deben de estar siempre libres. Se debe tomar especial cuidado en la instalación a fin de que la toma de aire de ventilación quede cerca de las paredes, de otros motores o de fuentes de aire caliente. 1.6 REPRESENTACIÓN GRÁFICA DE LAS MÁQUINAS GIRATORIAS (SIMBOLOGÍA) Los símbolos gráficos y las referencias identificativas, cuyo uso se recomienda, están en conformidad con las publicaciones más recientes. La norma IEC 1082-1 define y fomenta los símbolos gráficos y las reglas numéricas o alfanuméricas que deben utilizarse para identificar los aparatos, diseñar los esquemas y realizar los equipos eléctricos. El uso de las normas internacionales elimina todo riesgo de confusión y facilita el estudio, la puesta en servicio y el mantenimiento de las instalaciones. La siguiente figura muestra los símbolos utilizados internacionalmente en máquinas eléctricas giratorias:

60

Figura 21 Simbología de algunos tipos de máquinas rotativas.25

1.7 SELECCIÓN DE MOTORES ELÉCTRICOS

1.7.1 Condiciones generales de servicio de la máquina por accionar

La fuerza motriz eléctrica constituye el sistema

más práctico y sencillo para el accionamiento de toda planta industrial, debido a ello la industria eléctrica se ha esforzado cada vez más para satisfacer la creciente demanda de fuerza motriz eléctrica, tratando de dar solución a los numerosos problemas técnicos de tipos y características muy variados y distintos, a fin de suministrar en cada caso especial el motor más

25

(s.f.). Recuperado el Marzo de 2010, de

http://www.xtec.cat/~jjordan/tecno/6credit/automat/electri/simbols.pdf

61

adecuado. De ahí que en la actualidad para la buena

elección de un motor eléctrico es necesario, ante todo, estudiar las condiciones de servicio general de la maquina por accionar.

Sin embargo, a pesar de los numerosos tipos de

motores especiales que la industria eléctrica ha creado, se puede considerar en conclusión que los motores eléctricos deben accionar por lo común a maquinas cuyas exigencias de fuerza motriz están contempladas en los cuatro casos que se describen a continuación.

1.- Maquinas con par resistente de arranque bajo y velocidad constante.

Tales como ventiladores, extractores, bombas

centrifugas, maquinas de imprenta, maquinas para labrar metales y maderas, cintas transportadoras livianas, ejes de transmisión y en general, maquinas que arrancan en vacio o que no exigen el suministro de una potencia elevada durante el arranque.

Para este caso se emplean especialmente los

motores con rotor en corto circuito común. Estos motores tienen un par de arranque que en

término medio varía entre 1.5 a 2 veces al normal y su intensidad de arranque puede variar de 6 a 7 veces normal.

Los motores de este tipo se construyen en

potencias desde 1/6 de CP hasta 200 CP, mayores con velocidades sincrónicas desde 300 hasta 3600 r.p.m.

2.- Maquinas con par resistente de arranque ligeramente elevado y velocidad constante

62

Tales como, compresoras, demoledoras,

transportadoras, clasificadoras, elevadoras, calandrias, sierras de trozar, etc. En términos generales, maquinas que deben efectuar arranques frecuentes o que deben arrancar accionando desde un principio masas de relativa pequeña consideración, pero que al empezar a girar producen una acentuada reacción al movimiento.

Para este caso se adaptan especialmente los

motores del tipo con rotor en corto circuito, de alto par de arranque, llamados también rotor de doble jaula.

Estos motores producen un par de arranque que

varía entre 2 o 3 veces el normal y una intensidad de arranque que varía entre 4 a 6 veces la normal.

Las diferentes potencias y velocidades son

semejantes al primer caso. 3.- Maquinas con par resistente elevado y velocidad variable dentro de cierto margen.

Tales como bombas de émbolo, molinos a bolas,

prensas, maquinas para estampar y cortar, chancadoras de piedras o trituradoras de minerales, etc. En términos generales, maquinas de potencia más o menos grande que arrancan a plena carga, donde se requiere producir un arranque lento y libre de golpes bruscos. En el presente caso se debe incluir también cualquiera de las maquinas clasificadas en los apartados anteriores, únicamente cuando ésas exijan un control limitado de velocidad durante su funcionamiento.

Para estos casos se emplea los motores de rotor

devanado o los variadores de velocidad, con motores de doble jaula.

63

4.- Maquinas con par resistente de arranque bajo y velocidad variable dentro de amplio margen.

Tales como laminadoras, rolas, hileras, grúas,

ascensores, maquinas para la industria textil, maquinas para la industria del papel, caucho, etc. En términos generales maquinas de potencia pequeña, o mediana que arrancan en vacío o que no exigen el suministro de una potencia elevada durante el arranque, pero que en cambio deben trabajar con velocidad variable dentro de un amplio margen.

Para estos casos se emplean los motores de

colector (son alimentados simultáneamente por el rotor y el estator) o los variadores de velocidad.

1.7.2 Potencia

La potencia es lo primero que se debe de tener en

cuenta a la hora de seleccionar un motor. Es necesario recordar que en cada motor se debe considerar el ―par de arranque‖ y el ―par de marcha‖.

Un torque de arranque excesivo se traduce en

una baja eficiencia, bajo factor de potencia y pobre regulación de velocidad.

Si el par de arranque es demasiado bajo, resulta

imposible el arranque del motor con su carga. Un torque de marcha muy alto trae consigo

también un factor de potencia bajo, con elevadas corrientes de arranque. Mientras que si el torque de marcha es demasiado bajo, el motor se puede plantar al presentarse una carga normal. Un motor detenido calienta el aislamiento de sus bobinados llegándose a producir el deterioro del motor.

64

1.7.3 Calculo de la potencia

1.7.3.1 Cálculo de la potencia de un ciclo de carga constante.

Para calcular la potencia adecuada que debe

suministrar un motor para accionar una maquina determinada, se puede seguir uno de los siguientes métodos.

1.- Por mediciones eléctricas

Cargue la maquina a fin de imitar las condiciones

normales de funcionamiento. Los Watts consumidos por el motor se pueden

medir con un analizador industrial o un vatímetro apropiado, convenientemente conectado en el circuito eléctrico de alimentación del motor. Empleándose las relaciones conocidas, obteniéndose los CP consumidos en esas condiciones. 2.- Por comparaciones cuidadosas

Comparase la potencia necesaria para la potencia

de la maquina estudiada, con la potencia necesaria para accionar una maquina similar. Este método debe usarse solamente cuando las mediciones eléctricas no dan resultados prácticos. 3.- Por cálculos específicos

Dedúzcanse los factores de exigencia de fuerza

motriz en CP, o fracción, necesarios para operaciones específicas.

65

Por ejemplo, CP necesarios por pulgada cúbica en una máquina para cortar determinados materiales en un tiempo conocido. Extiéndase entonces el cálculo al volumen del material y tiempo necesario. 4.- Por informaciones en la placa de la maquina

En la placa de algunas fábricas el fabricante de la misma suele indicar los CP que necesita para su correcto funcionamiento. 5.- Por cálculos mecánicos

Considérense los esfuerzos necesarios a

desarrollar en kilos o en libras para accionar la maquina, así como las velocidades de régimen y aplíquese la formula que relaciona el torque y las r.p.m., con los CP, en el sistema de unidades escogidas.

La potencia mecánica queque absorbe una

máquina se manifiesta por la exigencia de una fuerza de tracción y velocidad en la circunferencia de su polea. Esta potencia se expone en CP y representa el producto del par motor por el número de revoluciones por minuto, dividido por las constantes que derivan de las unidades del sistema escogido para éstos cálculos. En el sistema inglés:

CP=

En el sistema métrico:

CP=

66

Las fórmulas anteriores permitirán calcular la

potencia que debe desarrollar el motor eléctrico para accionar una maquina que gira a una determinada velocidad, pero como generalmente ocurre que dicha velocidad es diferente de la normal desarrollada por los motores eléctricos comerciales, será entonces necesario emplear un sistema intermedio de transmisión ya sea por, medio de poleas y correas o por medio de engranes, a fin de conseguir la relación de velocidad adecuada. Todo ello desde luego sin que se altere la potencia mecánica calculada.

En algunos casos deberá de considerarse la

potencia extra que se pierde por fricción o por rozamiento de ejes, chumaceras, poleas y correas, engranajes, etc., potencia que generalmente es despreciable.

67

1.7.3.2 Cálculo de la potencia de un ciclo de carga variable El valor eficaz (r.m.s.) de la potencia se calcula como:

Donde: Pef = potencia en Kw o CP t = tiempo tr = tiempo de reposo o fuera de servicio 1.7.3.3 Ejemplo del cálculo de la potencia A continuación se enuncia un problema práctico en el cuál tenemos que encontrar la potencia del motor para que después lo podamos encontrar en algún catálogo de los fabricantes de estos elementos. El ejemplo nos dice lo siguiente: Para determinar la capacidad de un motor a un ciclo de carga variable, se probó por un periodo de 1 hora, haciéndolo operar con 8.21 kw (11 CP) durante 4 minutos, 0.933 kw (1.25 CP) por 6 minutos, 4.55 kw (6.1 CP) por 11 minutos y estuvo fuera de servicio durante 9 minutos. El ciclo se repitió. Se requiere una velocidad de 1800 r.p.m. y 230V de alimentación, totalmente cerrado. Su montaje será horizontal. Calcular la potencia requerida por la maquina.

- Solución

68

Sustituyendo los valores en CP se tiene:

CP = 6.133 De acuerdo al catalogo siemens se usará un motor diseño nema clase B con las siguientes características: Potencia en CP = 7.5 Factor de servicio = 1.5 Voltaje de alimentación = 208-230/460 V Velocidad 1800 r.p.m. ( 2 polos) 33 °C temp. Ambiente a una altitud de 2300msnm 40 °C temp. Ambiente a una altitud de 1000msnm

A continuación se muestra un diagrama de flujo donde se resumen los pasos a seguir para la selección de un motor eléctrico.

69

Figura 22 diagrama de flujo para la selección de motores eléctricos.

Inicio

Requerimiento de un Motor eléctrico

¿Motor de corriente alterna?

Si

¿Motor trifásico?

Revisar tabla de selección

Cálculo de la potencia

Modo de montaje

Si

Motor monofásico

No



Modo de montaje

No Motor cd



Modo de montaje

Revisar catálogo de fabricante

Fin

70

Capitulo 2

VARIADORES DE VELOCIDAD

71

2.1 GENERALIDADES

Los variadores de velocidad son dispositivos

electrónicos que permiten variar la velocidad y el par torsor de los motores asincrónicos trifásicos, convirtiendo las magnitudes fijas de frecuencia y tensión de red en magnitudes variables.

Se utilizan estos equipos cuando las necesidades de la aplicación sean: Dominio de par y la velocidad Regulación sin golpes mecánicos Movimientos complejos Mecánica delicada

Los variadores de velocidad están preparados

para trabajar con motores trifásicos asincrónicos de rotor jaula. La tensión de alimentación del motor no podrá ser mayor que la tensión de red.

A tensión y frecuencia de placa del motor se comporta de acuerdo al gráfico siguiente:

72

Figura 23 Curva de velocidad – corriente del variador de velocidad26.

El dimensionamiento del motor debe ser tal que la el par resistente de la carga no supere el par nominal del motor, y que la diferencia entre una y otra provea la par acelerante y desacelerante suficiente para cumplir los tiempos de arranque y parada.

2.2 CONVERTIDOR DE FRECUENCIA

Se denominan así a los variadores de velocidad

que rectifican la tensión alterna de red (monofásica o trifásica), y por medio de seis transistores trabajando en modulación de ancho de pulso generan una corriente

26


http://www.schneiderelectric.es/documents/local/

73

trifásica de frecuencia y tensión variable. Un transistor más, llamado de frenado, permite direccionar la energía que devuelve el motor (durante el frenado regenerativo) hacia una resistencia exterior.

La estrategia de disparo de los transistores del

ondulador es realizada por un microprocesador que, para lograr el máximo desempeño del motor dentro de todo el rango de velocidad, utiliza un algoritmo de control vectorial de flujo.

Este algoritmo por medio del conocimiento de los parámetros del motor y las variables de funcionamiento (tensión, corriente, frecuencia, etc.), realiza un control preciso del flujo magnético en el motor manteniéndolo constante independientemente de la frecuencia de trabajo. Al ser el flujo constante, el par provisto por el motor también lo será.

En el gráfico se observa que desde 1Hz hasta los 50 Hz el par nominal del motor

Figura 24 Curva velocidad – par del variador de velocidad.27

27



74

Está disponible para uso permanente, el 170% del

par nominal está disponible durante 60 segundos y el 200% del par nominal está disponible durante 0.2 seg.

2.2.1 Velocidad como una forma de controlar un proceso

Entre las diversas ventajas en el control del

proceso proporcionadas por el empleo de variadores de velocidad destacan:

Operaciones más suaves. Control de la aceleración. Distintas velocidades de operación para

cada fase del proceso. Compensación de variables en procesos

variables. Permitir operaciones lentas para fines de

ajuste o prueba. Ajuste de la tasa de producción. Permitir el posicionamiento de alta

precisión. Control del Par motor (torque).

2.3 TIPOS DE VARIADORES DE VELOCIDAD

En términos generales, puede decirse que existen

tres tipos básicos de variadores de velocidad:

Mecánicos Hidráulicos Eléctrico-electrónicos

75

Figura 25 variador de velocidad.28

2.4 VENTAJAS DE LOS VARIADORES DE VELOCIDAD

COMO ARRANCADORES DE MOTORES

Algunos textos o fuentes de información catalogan

el variador de frecuencia como un método más de arranque de motores. Esto es correcto: es un buen método de arranque, pero su uso no debe ser indiscriminado.

Frente a métodos de arranque convencionales

como el arranque directo, el arranque estrella-delta y el arranque por auto-transformador, tiene ventajas inobjetables, como son la disminución de la corriente de arranque y la mejora del factor de potencia; aspectos conducentes a aumentar la estabilidad de las redes. Esto sumado a que el motor puede desarrollar torques de arranque altos, indicaría que es la mejor selección.

2.5 COMPOSICIÓN DE UN VARIADOR DE FRECUENCIA

Los variadores de frecuencia están compuestos por las siguientes partes principales:

28

Allen Bradley. (2005). Manual de usuario del variador de velocidad 160 SSC

76

Etapa Rectificadora. Convierte la tensión alterna

en continua mediante rectificadores de diodos, tiristores, etc.

Etapa intermedia. Filtro para suavizar la tensión rectificada y reducir la emisión de armónicos.

Etapa de control. Esta etapa controla los IGBT para generar los pulsos variables de tensión y frecuencia. Y además controla los parámetros externos en general, etc.

Inversor o "Inverter". Convierte la tensión continua en otra de tensión y frecuencia variable mediante la generación de pulsos. Actualmente se emplean IGBT´s (Isolated Gate Bipolar Transistors) para generar los pulsos controlados de tensión. Los equipos más modernos utilizan IGBT´s inteligentes que incorporan un microprocesador con todas las protecciones por sobre corriente, sobretensión, baja tensión, cortocircuitos, puesta a tierra del motor, sobre temperaturas, etc.

2.6 APLICACIONES DE LOS VARIADORES DE FRECUENCIA

Los variadores de frecuencia tienen sus

principales aplicaciones en los siguientes tipos de máquinas:

Transportadoras. Controlan y sincronizan la

velocidad de producción de acuerdo al tipo de producto que se transporta, para dosificar, para evitar ruidos y golpes en transporte de botellas y envases, para arrancar suavemente y evitar la caída del producto que se transporta, etc.

77

Bombas y ventiladores centrífugos. Controlan el caudal, uso en sistemas de presión constante y volumen variable. En este caso se obtiene un gran ahorro de energía porque el consumo varía con el cubo de la velocidad, o sea que para la mitad de la velocidad, el consumo es la octava parte de la nominal.

Centrífugas. Se consigue un arranque suave evitando picos de corriente y velocidades de resonancia.

Prensas mecánicas y balancines. Se consiguen

arranques suaves y mediante velocidades bajas en el inicio de la tarea, se evitan los desperdicios de materiales.

Pozos petroleros. Se usan para bombas de

extracción con velocidades de acuerdo a las necesidades del pozo.

Compresores de aire. Se obtienen arranques

suaves con máxima cupla y menor consumo de energía en el arranque.

Bombas de desplazamiento positivo. Control de

caudal y dosificación con precisión, controlando la velocidad. Por ejemplo en bombas de tornillo, bombas de engranajes.

Para transporte de pulpa de fruta, pasta, concentrados mineros, aditivos químicos, chocolates, miel, barro, etc.

Ascensores y elevadores. Para arranque y

parada suaves manteniendo el torque del motor constante, y diferentes velocidades para aplicaciones distintas.

Extrusoras. Se obtiene una gran variación de

velocidades y control total de de la cupla del motor.

78

2.6.1 Industrias donde se utilizan los variadores de frecuencia

Alimenticias: Panificadoras, galletitas, pastas

secas, pastas frescas, chocolates, golosinas, lácteos, azúcar, margarinas, frigoríficos, faenas, quesos, grasas animales, molinos harineros, mantecas, criaderos de pollos, aceiteras, frutícolas, jugueras, aguas minerales, bodegas vitivinícolas, cerveceras, productos balanceados, etc.

Construcción: Edificios, autopistas, cementeras,

tejas, azulejos, pisos, ladrillos, bloques, fibrocemento, pretensados, aberturas, sanitarios, membranas asfálticas, caleras, arenas especiales, etc.

Metalúrgicas: Caños, chapas y laminados,

perfiles de hierro, aluminio, cables, tornerías, electrodomésticos, revestimiento de caños, fundiciones, fresadoras, electrodos.

2.7 SELECCIÓN DE UN VARIADOR DE VELOCIDAD

Para definir el equipo más adecuado para resolver

una aplicación de variación de velocidad, deben tenerse en cuenta los siguientes aspectos:

Tipo de carga: Par constante, par variable, potencia constante, cargas por impulsos.

Tipo de motor: De inducción rotor jaula de ardilla o bobinado, corriente y potencia nominal, factor de servicio, rango de voltaje.

Rangos de funcionamiento: Velocidades máximas y mínimas. Verificar necesidad de ventilación

79

forzada del motor.

Par en el arranque: Verificar que no supere los permitidos por el variador. Si supera el 170% del par nominal es conveniente sobredimensionar al variador.

Frenado regenerativo: Cargas de gran inercia, ciclos rápidos y movimientos verticales requieren de resistencia de frenado exterior.

Condiciones ambientales: Temperatura ambiente, humedad, altura, tipo de gabinete y ventilación.

Aplicación multimotor: Prever protección térmica individual para cada motor. La suma de las potencias de todos los motores será la nominal del variador.

Consideraciones de la red: Micro interrupciones, fluctuaciones de tensión, armónicas, factor de potencia, corriente de línea disponible, transformadores de aislación.

Consideraciones de la aplicación: Protección del motor por sobre temperatura y/o sobrecarga, contactor de aislación, bypass, re arranque automático, control automático de la velocidad.

Aplicaciones especiales: Compatibilidad electromagnética, ruido audible del motor, bombeo, ventiladores y sopladores, izaje, motores en paralelo, etc.

80

Tabla 5 Selección de variadores de velocidad (Cortesía catálogo Schneider).

Para seleccionar un variador de velocidad de solo se requiere conocer la potencia del motor a accionar y se va directamente a la tabla para encontrar el variador adecuado al tipo de motor a usar.

2.8 INSTALACIÓN Y CONEXIONES DE LOS VARIADORES DE VELOCIDAD

2.8.1 Precauciones al instalar un variador de frecuencia

Las condiciones de altura sobre el nivel del mar y temperatura ambiente afectarán positiva o negativamente la refrigeración del variador. Usualmente deberá hacerse una disminución de potencia efectiva del equipo si se sobrepasan las condiciones de norma.

81

También tenemos otros aspectos asociados como

son las características propias del ambiente. Dentro de estas podemos mencionar: Polvo magnético Polvo conductivo Humedad Área clasificada

En la gran mayoría de los casos, los variadores de

velocidad deberán ser instalados dentro de tableros o gabinetes que deberán cumplir unas características mínimas. 2.8.2 Circuito recomendado

El circuito para utilizar un variador debe constar con algunos de los siguientes elementos: Interruptor automático

La corriente de línea corresponde a la corriente absorbida por el variador a la potencia nominal de utilización, en una red impedante que limite la corriente de cortocircuito a:

22kA para una tensión de alimentación de 400v-50Hz.

65kA para una tensión de alimentación de 460v-60Hz.

Contactor de línea: Este elemento garantiza un

seccionamiento automático del circuito en caso de una emergencia o en paradas por fallas. Su uso junto con el interruptor automático garantiza la coordinación tipo 2 de la salida y facilita las tareas de puesta en marcha, explotación y mantenimiento.

82

La selección es en función de la potencia nominal

y de la corriente nominal del motor. Inductancia de línea: Estas inductancias

permiten garantizar una mejor protección contra las sobretensiones de red, y reducir el índice de armónicos de corriente que produce el variador, mejorando a la vez la distorsión de la tensión en el punto de conexión.

Esta reducción de armónicos determina una disminución del valor rms de corriente tomado de la fuente de alimentación, y una reducción del valor rms de corriente tomado por los componentes de la etapa de entrada del inversor (rectificador, contactor de precarga, capacitores).

La utilización de inductancias de línea está especialmente recomendada en los siguientes casos:

Red muy perturbada por otros receptores

(parásitos ,sobretensiones ) Red de alimentación con desequilibrio de tensión

entre fases >1,8% de la tensión nominal. Variador alimentado por una línea muy poco

impedante (cerca de transformadores de potencia superior a 10 veces el calibre del variador). La inductancia de línea mínima corresponde a una corriente de cortocircuito ICC de 22000 A

Instalación de un número elevado de

convertidores de frecuencia en la misma línea. Reducción de la sobrecarga de los

condensadores de mejora del cos ϕ, si la

83

instalación incluye una batería de compensación de factor de potencia.

La selección es de acuerdo a la corriente nominal

del variador y su frecuencia de conmutación. Existen inductancias estándar para cada tipo de variador.

Filtro de radio perturbaciones: estos filtros

permiten limitar la propagación de los parásitos que generan los variadores por conducción, y que podrían perturbar a determinados receptores situados en las proximidades del aparato (radio, televisión, sistemas de audio, etc.).

Estos filtros sólo pueden utilizarse en redes de tipo TN (Puesta al neutro) y TT (neutro a tierra).

Existen filtros estándar para cada tipo de variador. Algunos variadores los traen incorporados de origen.

Resistencia de frenado: Su función es disipar la energía de frenado, permitiendo el uso del variador en los cuadrantes 2 y 4 del diagrama par-velocidad. De este modo se logra el máximo aprovechamiento del par del motor, durante el momento de frenado y se conoce como frenado dinámico.

Normalmente es un opcional ya que sólo es necesaria en aplicaciones donde se necesitan altos pares de frenado.

La instalación de esta resistencia es muy sencilla: se debe ubicar fuera del gabinete para permitir su correcta disipación, y el variador posee una bornera donde se conecta directamente. De acuerdo al factor de marcha del motor se determina la potencia que deberá disipar la resistencia. Existen tablas para realizar esta

84

selección. El valor óhmico de la resistencia es característico del variador y no debe ser modificado.

2.9 INSTALACIÓN DEL CONVERTIDOR DE FRECUENCIA

Figura 26 Diagrama de instalación de un variador de velocidad.29

29

www.schneiderelectric.es

85

2.10 CONEXIÓN DEL VARIADOR DE VELOCIDAD

Figura 27 Conexiones del variador de velocidad hacia el motor.30 A continuación se muestra un diagrama de flujo para la selección de variadores de velocidad.

30

Allen Bradley. (2005). Manual de usuario del variador de velocidad 160 SSC.

86

Figura 28 Diagrama de flujo para la selección de un variador de velocidad.

Inicio

Requerimiento de un variador de velocidad

Identificación de la potencia del motor

Aplicaciones

Revisar los catálogos de fabricante

Seleccionar variador de velocidad

Fin

87

Bibliografía

Allen Bradley. (2005). Manual de usuario del variador de

velocidad 160 SSC.

G. Fink, D., & H. Wayne, B. Manual de ingeniería

eléctrica . Mc Graw Hill.

J. Chapman, O. S. Máquinas eléctricas (4ª ed.). Mc Graw

Hill.

L. Kosow, I. Máquinas eléctricas y transformadores

(Segunda ed.). Pearson.





Sitios web (s.f.). Recuperado el Marzo de 2010, de WEG:

www.weg.net




http://www.xtec.cat/~jjordan/tecno/6credit/automat/electri/

simbols.pdf

Encuadernado[1]

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