(Motores Electricos. Autor Ing. Pablo Alonzo)

7/25/2019 (Motores Electricos. Autor Ing. Pablo Alonzo)

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GENERALIDADES DE MOTORES ELECTRICOS

TRABAJO DE GRADUACIN

INGENIERO PABLO ALONZO

CAPTULO 1

EL MOTOR ELECTRICO

Los motores elctricos son maquinas elctricas rotativas que transforman la

energa elctrica en energa mecnica haciendo uso de campos

electromagnticos. Debido a su eficiencia, limpieza, comodidad, bajo costo,

construccin simple y facilidad de instalacin el motor elctrico es el ms utilizado

en las instalaciones industriales, comerciales y particulares. Son utilizados en

aplicaciones, como arrancar, acelerar, mover, frenar, sostener y detener una

carga. Se fabrican en una gran variedad de potencias las cuales van desde

algunos Watts hasta miles de caballos de fuerza (un caballo de fuerza o Hp por

sus siglas en ingles es equivalente a 746 Watts), adems de poderse contar con

una amplia gama de velocidades, que pueden ser fijas, ajustables o variables.

Un motor elctrico contiene un nmero mucho ms pequeo de piezas

mecnicas que un motor de combustin interna, por lo que su tamao es ms

reducido y es menos propenso a fallas. Los motores elctricos pueden pasar casi

instantneamente de la posicin de reposo a la de mximo funcionamiento por lo

que son los ms agiles y verstiles.

El funcionamiento de un motor elctrico est basado en el principio de

induccin de Faraday que indica, si un conductor se mueve a travs de un campo

magntico, o si est situado en las proximidades de otro conductor por el que

circula una corriente de intensidad variable, se establece o se induce una corriente

elctrica en el primer conductor y en el principio de Ampere, si una corriente

pasa a travs de un conductor situado en el interior de un campo magntico, ste

ejerce una fuerza mecnica sobre el conductor. Por lo tanto, si un conductor por

el que circula una corriente elctrica se encuentra dentro de la accin de un


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campo magntico, ste tiende a desplazarse perpendicularmente a las lneas de

accin del campo magntico. El conductor tiende a funcionar como un electroimn

debido a la corriente elctrica que circula por el mismo, adquiriendo de esta

manera propiedades magnticas, que provocan, debido a la interaccin con el

campo electromagntico, el movimiento circular que se observa en el eje del

motor.

En general, el funcionamiento de un motor elctrico se basa en las

propiedades electromagnticas de la corriente elctrica y la posibilidad de crear a

partir de ellas fuerzas de atraccin y repulsin encargadas de actuar sobre un eje

y generar un movimiento de rotacin.

Los motores elctricos se clasifican de la siguiente manera:


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CLASIFI

FUENTE: Elaborado por el autor 201

Motores electricos

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FIGURA 1

ACION DE LOS MOTORES ELECTRIC

0

Motores de corriente

alterna

Por su velocidad de

giro

S

A

Por el tipo de rotor

Jau

Anil

Por el numero de

fases de alimentacion

y forma de arranque

M

P

Motores de corriente

directa

Exitacion en serie

Exitacion en paralelo

Exitacion compuesta

Sin escobillasMotor universal

OS

incronos

sincronos

la de ardilla

los rozantes

nofcicos

Con arranque auxiliar

bobinado

Con arranque auxiliar

bobinado y

condensador

olifcicos


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1.1. Motores de corriente alterna

Un motor de corriente alterna como su nombre lo indica es aquel motor que

funciona con corriente alterna o A.C. por sus siglas en ingles (Alternating Current),

siendo esta aquella corriente en la que la magnitud y direccin varan cclicamente

dibujando una onda sinusoidal.

1.1.1. Partes fundamentales de un motor A.C.

FIGURA 2MOTOR A.C.


1.1.1.1. Estator

El estator es el elemento que opera como base, permitiendo que desde ese

punto se lleve a cabo la rotacin del motor. El estator no se mueve

mecnicamente, pero si magnticamente, ya que es este el encargado de generar

el campo magntico que deber interactuar con el rotor para generar su rotacin.

El estator es una parte fija del motor.

Flecha o eje

del rotor

Carcasa

Base

entilador

Estator y su

devanado

!apa

Co"inete#otor


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1.1.1.2. Rotor

El rotor es el elemento de transferencia mecnica, es este como su nombre

lo indica la parte giratoria de un motor elctrico, el rotor deber interactuar con el

campo magntico generado por el estator para transformar la energa elctrica en

energa mecnica.

1.1.1.3. Carcasa

La carcasa es la parte que protege y cubre al estator y al rotor, el material

empleado para su fabricacin depende del tipo de motor, de su diseo y su

aplicacin. La carcasa es la encargada de proteger al motor del ingreso decuerpos extraos, el grado de proteccin que la carcasa deber proporcionar

depender de la aplicacin y el lugar donde ser utilizado el motor como se ver

en un capitulo posterior, as mismo la carcasa deber permitir el enfriamiento del

motor. As pues, la carcasa puede ser:

a) Totalmente cerrada

b) Abierta

c) A prueba de goteo

d) A prueba de explosiones

e) De tipo sumergible

1.1.1.4. Base

La base es el elemento en donde se soporta toda la fuerza mecnica de

operacin del motor. Por medio de la base el motor es sujetado a la maquina o

sitio de operacin, sin embargo no todos los motores cuentan con base, como es

el caso de los pequeos motores de corriente continua que son sujetados

directamente desde la carcasa.

1.1.1.5. Caja de conexiones

Por lo general, en la mayora de los casos los motores elctricos cuentan

con caja de conexiones. La caja de conexiones es un elemento que protege a los


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conductores que alimentan al motor, resguardndolos de la operacin mecnica

del mismo, y contra cualquier elemento que pudiera daarlos.

1.1.1.6. Tapas

Son los elementos que van a sostener en la gran mayora de los casos a los

cojinetes o rodamientos que soportan la accin del rotor. Generalmente estas son

fabricadas de aluminio o hierro fundido, adems se encargan por medio de los

cojinetes de mantener perfectamente alineado al rotor y as evitar que este roce

con el estator, las tapas son fijadas por medio de pernos o esprragos con lo que

se logra mantenerlas perfectamente centradas.

1.1.1.7 Cojinetes

Tambin conocidos como rodamientos, contribuyen a la ptima operacin

de las partes giratorias del motor. Se utilizan para sostener y fijar ejes mecnicos,

y para reducir la friccin, lo que contribuye a lograr que se consuma menos

potencia.

Los rodamientos de los motores elctricos requieren un nivel de ruido de

funcionamiento sumamente bajo, larga vida til, capacidad de alta carga y

rentabilidad. A continuacin se proporciona una breve descripcin de los tipos de

rodamientos utilizados frecuentemente en motores elctricos:

Los rodamientos rgidos de bolas son los rodamientos ms sencillos aunque

los ms populares. Apropiados para velocidades de giro muy altas, apropiados

para cargas radiales y axiales medias-altas en una o ambas direcciones.

Los rodamientos de rodillos cilndricos pueden soportar pesadas cargas

radiales a altas velocidades esto debido a que los rodillos hacen contacto lineal

con las pistas de rodadura, siendo baja su capacidad de carga axial.

Los rodamientos de bolas con contacto angular en adicin a las cargas

radiales, pueden soportar grandes cargas axiales en un sentido; en consecuencia,


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se suelen disponer dos a dos en posicin simtrica para soportar cargas axiales

en los dos sentidos; tambin se pueden disponer en montaje apareado en serie

para cargas radiales y axiales elevadas en un solo sentido.

1.1.2. Tipos de motores de corriente alterna

1.1.2.1. Por su velocidad de giro

Algunos motores cuentan con un rotor que gira a la misma velocidad a la

cual lo hace el campo magntico del estator, estos motores son conocidos como

motores sncronos, mientras que la mayora de motores lo hace con cierto

deslizamiento respecto al campo magntico del estator, es decir, el campo

magntico y el rotor poseen velocidades diferentes, estos motores son conocidos

como motores asncronos.

1.1.2.1.1. Motores sncronos

Un motor se considera sncrono cuando la velocidad del campo magntico

del estator es igual a la velocidad de giro del rotor. Esta velocidad, llamada

velocidad de sincronismo depende nicamente de la frecuencia de la corriente de

alimentacin y del nmero de polos, siendo independiente de la carga que debavencer. Esta velocidad est dada por la relacin:

n=60f

p

Donde f es la frecuencia de la red y p el numero de pares de polos.

El campo alrededor de la bobina del rotor es alterno si este es alimentado

con corriente alterna, por lo que durante un semiciclo intentar moverse en una

direccin y durante el siguiente semiciclo en la direccin opuesta. El resultado es

que el motor permanece parado. El motor solamente se calentar y posiblemente

se quemar. Para generar el campo magntico del rotor, se suministra corriente

directa al devanado del rotor; esto se realiza frecuentemente por medio de una

excitatriz, la cual consta de un pequeo generador de corriente directa impulsado


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por el motor, conectado mecnicamente a l. Con lo que se logra mantener los

campos magnticos del rotor y del estator constantes el uno con relacin al otro y

as obtener la velocidad de sincronismo.

Estos motores son utilizados en situaciones donde se requiera una

velocidad absolutamente constante.

En las industrias de gran tamao la mayor ventaja que tiene la utilizacin de

estos motores es que mejoran grandemente el factor de potencia de toda la

instalacin, es decir estos motores producen el mismo efecto que un banco decondensadores.

Los motores sincrnicos pueden tambin actuar como generadores de

KVAR (Kilovolti-amperios reactivos). Su capacidad para generar KVAR es funcin

de su excitacin y de la carga conectada; cuando operan en baja excitacin no

genera los suficientes KVAR para suplir sus propias necesidades y en

consecuencia los toman de la red elctrica.

Cuando operan sobrexcitados (operacin normal) suplen sus requerimientos de

KVAR y pueden adems entregar KVAR a la red; en este caso son utilizados

como compensadores de bajo factor de potencia. Esta caracterstica de los

motores sncronos trae grandes ventas econmicas a la industria donde se est

utilizando el motor debido a que menos KVAR sern tomados de la planta

generadora de energa elctrica.

1.1.2.1.2. Motores asncronosUn motor se considera asncrono cuando la velocidad del campo magntico

generado por el estator supera a la velocidad de giro del rotor. La diferencia de

velocidades entre el campo magntico y el rotor se le llama deslizamiento y esta

dado por la siguiente relacin:

s =nn

n


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Donde es la velocidad del campo magntico y es la velocidad del

rotor.

Los motores asncronos se fabrican con rotor de jaula de ardilla o rotor

bobinado.

Los motores asncronos logran realizar la mayora de las tareas industriales,

entre ellas se utilizan para bombas, ventiladores, cintas transportadoras,

elevadores, etc.

1.1.2.2. Por el tipo de rotor

1.1.2.2.1. Motores con rotor jaula de ardilla

Estos motores contienen un rotor con forma de jaula de ardilla, este rotor es

un cilindro montado en un eje conteniendo barras conductoras longitudinales de

aluminio o de cobre con surcos y conectados juntos en ambos extremos poniendo

en cortocircuito los anillos que forman la jaula. El nmero de barras en la jaula de

ardilla se determina segn las corrientes inducidas en las bobinas del estator y por

lo tanto segn la corriente a travs de ellas. Las construcciones que ofrecen

menos problemas de regeneracin emplean nmeros primos de barras.

La base del rotor se construye de un contrachapado de hierro al silicio

(entre el 2.5 y 4% de silicio) en laminacin. Esta base de hierro al silicio sirve para

llevar el campo magntico a travs del motor. En estructura y material se disea

para reducir al mnimo las prdidas. Las lminas finas, separadas por el

aislamiento de barniz que reducen las corrientes parsitas. El contenido bajo de

carbono y el silicio agregado le hace un material magntico suave con prdida

bajas por histresis, esto significa que el material continua conservando sus

propiedades en ausencia o no del campo magntico.

Los motores jaula de ardilla se clasifican segn la norma NEMA de la

siguiente manera:


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Motores jaula de ardilla clase A: El motor clase A es un motor de jaula

de ardilla normal o estndar fabricado para uso a velocidad constante. Tiene

grandes reas de ranuras para una muy buena disipacin de calor, y barras con

ranuras ondas en el motor. El par de arranque es relativamente alto y la baja

resistencia del rotor producen una aceleracin bastante rpida hacia la velocidad

nominal.

Motores jaula de ardilla clase B:A los motores de clase B a veces se lesllama motores de propsito general; es muy parecido al de la clase A debido al

comportamiento de su deslizamiento-par. Las ranuras de este motor son ms

profundas que en los motores de clase A y esta mayor profundidad tiende a

aumentar la reactancia de arranque y la marcha del rotor. Este aumento reduce un

poco el par y la corriente de arranque.

Las corrientes de arranque varan entre 4 y 5 veces la corriente nominal,

los motores de clase B se prefieren sobre los de la clase A para tamaos mayores.

Se utilizan generalmente en bombas centrifugas, maquinas herramientas y

ventiladores.

Motores jaula de ardilla clase C: Estos motores tienen un rotor de doble

jaula de ardilla, el cual desarrolla un alto par de arranque y una menor corriente de

arranque.

Debido a su alto par de arranque, acelera rpidamente, la mayor desventaja

de estos motores es su deficiente disipacin trmica

Las aplicaciones de los motores de clase C se limitan a condiciones en las

que es difcil el arranque como en bombas y compresores de pistn.


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Motores jaula de ardilla clase D:Los motores comerciales de induccin

de jaula de ardilla clase D se conocen tambin como de alto par y alta resistencia.

Las barras del rotor se fabrican en aleacin de alta resistencia y se colocan

en ranuras cercanas a la superficie o estn ancladas en ranuras de pequeo

dimetro. La relacin de resistencia a reactancia del rotor de arranque es mayor

que en lo motores de las clases anteriores.

El motor est diseado para servicio pesado de arranque, encuentra su

mayor aplicacin con cargas como cizallas o troqueles, que necesitan el alto par

con aplicacin a carga repentina la regulacin de velocidad en esta clase de

motores es la peor.

Tambien existen las claces E y F, llamados motores de arraque suave o de

bajo par, que ahora se encuentran obsoletos.

FIGURA 3

ROTOR JAULA DE ARDILLA


1.1.2.2.2. Motores con anillos rozantes

En este tipo de motores, cuentan con un rotor bobinado. El bobinado del

rotor se conectar por medio de unas escobillas y anillos rozantes. Este tipo de

motores pueden tener resistencias exteriores colocadas en el circuito del rotor, lo

que permite reducir la corriente absorbida, reduciendo la saturacin magntica en

el hierro y permitiendo un incremento en el par de arranque. Conforme la


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velocidad del rotor aumenta el valor de las resistencias se reduce hasta llegar a

cero, lo que permite mantener un par alto.

FIGURA 4

ANILLOS ROZANTES

FUENTE: Tomado del sitio web www.electronica-basica.com/motores-electricos.html

Consultada el 18 de marzo de 2010

1.1.2.3. Por el nmero de faces de alimentacin.

1.1.2.3.1. Motores monofsicos

Fueron los primeros motores utilizados en la industria. Cuando este tipo de

motores est en operacin, desarrolla un campo magntico rotatorio, pero antes

de que inicie la rotacin, el estator produce un campo estacionario pulsante.

Para producir un campo rotatorio y un par de arranque, se debe tener un

devanado auxiliar desfasado 90con respecto al dev anado principal. Una vez que

el motor ha arrancado, el devanado auxiliar se desconecta del circuito.

Debido a que un motor de corriente alterna monofsico tiene dificultades

para arrancar, est constituido de dos grupos de devanados: El primer grupo se

conoce como el devanado principal o de trabajo, y el segundo, se le conoce como

Anillos #ozantes


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devanado auxiliar o de arranque. Los devanados difieren entre s, fsica y

elctricamente.

1.1.2.3.1.1. Motores con arranque auxiliar bobinado

En los motores monofsicos una de las mayores dificultades se presenta en

el arranque, su devanado produce un campo magntico alterno que es incapaz de

producir el movimiento giratorio que necesita el rotor para comenzar a girar, por lo

que en muchos casos se utiliza un devanado auxiliar que solo se conecta durante

el arranque, despus funciona nicamente con el devanado de trabajo tambin

conocido como devanado de servicio, as se logra conseguir un campomagntico giratorio, que es la suma de dos campos magnticos.

El devanado de arranque tiene menor nmero de vueltas y consiste de

alambre de cobre de menor dimetro que el del devanado de servicio. Por lo tanto

el devanado de arranque tiene alta resistencia y baja reactancia; y por el contrario

el devanado de de servicio tiene baja resistencia y alta reactancia; pero debido a

su impedancia total menor la corriente en el devanado de servicio es mayor que la

del devanado de arranque. El devanado de arranque trabaja nicamente hasta

que el motor alcanza aproximadamente un 75% de su velocidad nominal.

1.1.2.3.1.2. Motores con arranque auxiliar bobinado y con condensador

Los condensadores son utilizados en los motores monofsicos conectados

al devanado de arranque con la finalidad de incrementar este par aunque tambin

se pueden utilizar conectados al devanado de servicio cuando es necesario un

gran par de arranque.

El motor produce un par de arranque elevado si se utiliza un condensador

de arranque y un condensador de servicio. Mediante la capacidad de ambos

condensadores se puede incrementar el par de arranque hasta un valor que sea 2

a 3 veces superior al par nominal. Por este motivo el motor puede arrancar en

carga. Una vez que se haya acelerado, se desconecta el condensador de


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arranque quedando slo el condensador de servicio. Es necesario efectuar esta

desconexin ya que, debido a la elevada capacidad total del condensador de

arranque y del condensador de servicio, pasa gran intensidad a travs del

arrollamiento auxiliar. En rgimen permanente, esto dara lugar a

sobrecalentamiento.

Los condensadores para el motor de condensador tienen que estar

dimensionados para la mxima tensin que se pueda producir.

Los motores de condensador con potencia nominal hasta unos 2 kW seemplean para el accionamiento de mquinas electrodomsticas, mquinas

herramientas y mquinas para la construccin, por ejemplo para frigorficos y

lavadoras.

1.1.2.3.2. Motores polifsicos

Generalmente son motores trifsicos, estos son los ms utilizados en la

industria, ya que en el sistema trifsico se genera un campo magntico rotatorio

en tres fases lo que facilita su arranque y puesta en servicio, debido a esto un

motor trifsico no necesita devanado de arranque ni capacitor para iniciar la

rotacin en el, debido a esto un motor trifsico es ms barato que un monofsico

de la misma potencia; adems de que el sentido de la rotacin del campo en un

motor trifsico puede cambiarse invirtiendo dos puntas cualesquiera del estator, lo

cual desplaza las fases, de manera que el campo magntico gira en direccin

opuesta.

El sistema trifsico presenta una serie de ventajas como son la economa

de sus lneas de transporte de energa (hilos ms finos que en una lnea

monofsica equivalente) y de los transformadores utilizados, as como su elevado

rendimiento de los receptores, especialmente motores, a los que la lnea trifsica

alimenta con potencia constante y no pulsada, como en el caso de la lnea

monofsica.


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1.2. Motores de corriente directa

Un motor de corriente directa como su nombre lo indica es aquel motor que

funciona con corriente directa o D.C. por sus siglas en ingles (Direct Current),

siendo esta aquella corriente en la que las cargas elctricas circulan siempre en la

misma direccin (los terminales de mayor y de menor potencial son siempre los

mismos).

1.2.1. Partes fundamentales de un motor D.C.

FIGURA 5MOTOR C.C.


El motor de corriente directa est compuesto de 2 piezas fundamentales:

Rotor

Estator

1.21.1. Rotor

Constituye la parte mvil del motor, proporciona el torque para mover a la

carga.

Est formado por:

Flecha o eje

del rotor#otor y su

devanado Co"inete

Armazn

!apaColector

Escobillas y

portaescobillas


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Eje: Imparte la rotacin al ncleo, devanado y al colector; adems es el

elemento de transferencia mecnica entre el motor y la maquina u objeto a mover.

Ncleo: Se localiza sobre el eje. Fabricado con capas laminadas de hierro

al silicio (entre el 2.5 y 4% de silicio), su funcin es proporcionar un trayecto

magntico entre los polos para que el flujo magntico del devanado circule.

Devanado: Consta de bobinas aisladas entre s y entre el ncleo de la

armadura. Estas bobinas estn alojadas en las ranuras del ncleo, y estn

conectadas elctricamente con el colector, el cual debido a su movimientorotatorio, proporciona un camino de conduccin conmutado.

Colector: Denominado tambin conmutador, est constituido de lminas

de material conductor (delgas), separadas entre s y del centro del eje por un

material aislante, para evitar que se produzca un cortocircuito con dichos

elementos. El colector se encuentra sobre uno de los extremos del eje del rotor, de

modo que gira con ste y est en contacto con las escobillas. La funcin del

colector es recoger la tensin producida por el devanado inducido, transmitindola

al circuito por medio de las escobillas.

1.2.1.2. Estator

Constituye la parte fija de la mquina. Su funcin es suministrar el flujo

magntico que ser usado por el bobinado del rotor para realizar su movimiento

giratorio. Est formado por:


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FIGURA 6

ESTATOR MOTOR C.C.


Armazn: Denominado tambin yugo, tiene dos funciones primordiales:

servir como soporte y proporcionar una trayectoria de retorno al flujo magntico

del rotor y del imn permanente, para completar el circuito magntico.

Imn permanente o bobina del estator: Su funcin es proporcionar un

campo magntico uniforme al devanado del rotor o armadura, de modo que

interacte con el campo formado por el bobinado del rotor, y se origine el

movimiento del rotor como resultado de la interaccin de estos campos. Cuando

son motores pequeos generalmente se trata de un imn permanente compuesto

de material ferromagntico; mientras en el caso de motores medianos y grandes

generalmente se trata de un electroimn formado por bobinas encargadas de

producir el campo inductor al circular por ellas la corriente de excitacin.

Escobillas: Las escobillas estn fabricadas se carbn, y poseen una

dureza menor que la del colector, para evitar que ste se desgaste rpidamente.

Se encuentran albergadas por los portaescobillas. Ambos, escobillas y

portaescobillas, se encuentran en una de las tapas del estator.

La funcin de las escobillas es transmitir la tensin y corriente de la fuente de

alimentacin hacia el colector y, por consiguiente, al bobinado del rotor.

Armazn

Bobinado

del estator


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La funcin del portaescobillas es mantener a las escobillas en su posicin de

contacto firme con los segmentos del colector. Esta funcin la realiza por medio de

resortes, los cuales hacen una presin moderada sobre las escobillas contra el

colector. Esta presin debe mantenerse en un nivel intermedio pues, de ser

excesiva, la friccin desgastara tanto a las escobillas como al colector; por otro

lado, de ser mnima esta presin, se producira lo que se denomina "chisporroteo",

que es cuando aparecen chispas entre las superficies del colector y las escobillas,

debido a que no existe un buen contacto.

1.2.2. Tipos de motores de corriente directa

1.2.2.1. Motores de excitacin en serie

En los motores de excitacin en serie o motores serie los devanados del

inducido y el inductor estn colocados en serie y alimentados por una misma

fuente de tensin. En este tipo de motores existe dependencia entre el par y la

velocidad; son motores en los que, al aumentar la corriente de excitacin, se hace

disminuir la velocidad, con un aumento del par.

1.2.2.2. Motores de excitacin en paralelo

En los motores de excitacin en paralelo o motores shunt los devanados del

inducido e inductor estn conectados en paralelo o derivacin y alimentados por

una fuente comn. En este tipo de motores un aumento de la tensin en el

inducido hace aumentar la velocidad de la mquina.

1.2.2.3. Motores de excitacin compuesta

En los motores de excitacin compuesta o motores compound la excitacin

es originada por dos bobinados inductores independientes; uno dispuesto en serie

con el bobinado inducido y otro conectado en derivacin con el circuito formado

por los bobinados inducido, inductor serie e inductor auxiliar.


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Los motores compuestos tienen un campo serie sobre el tope del bobinado

del campo shunt. Este campo serie, el cual es producido por una bobina con

pocas vueltas de un alambre grueso, es conectado en serie con la armadura y

lleva la corriente de armadura.

El flujo del campo serie varia directamente a medida que la corriente de

armadura vara, y es directamente proporcional a la carga. El campo serie se

conecta de manera tal que su flujo se aade al flujo del campo principal shunt. Los

motores compound se conectan normalmente de esta manera y se denominan

como compound acumulativo.

Esto provee una caracterstica de velocidad intermedia entre los motores

serie y shunt. Los motores compound son algunas veces utilizados donde se

requiera una respuesta estable de par constante para un rango de velocidades

amplio.

1.2.2.4. Motores sin escobillas

Este es un tipo de motor que no utiliza escobillas para realizar el cambio de

polaridad en el rotor. Su mecanismo se basa en sustituir la conmutacin (cambio

de polaridad) mecnica por otra electrnica sin contacto. En este caso, la espira

slo es impulsada cuando el polo es el correcto, y cuando no lo es, el sistema

electrnico corta el suministro de corriente. Para detectar la posicin de la espira

del rotor se utiliza la deteccin de un campo magntico. Este sistema electrnico,

adems, puede informar de la velocidad de giro, o si est parado, e incluso cortar

la corriente si se detiene para que no se queme. Tienen la desventaja de que no

giran al revs al cambiarles la polaridad. Para hacer el cambio se deben cruzar

dos conductores del sistema electrnico.

Algunas aplicaciones de estos motores se pueden encontrar en lectores de

CD-ROM, ventiladores pequeos y juguetes de radiocontrol.


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Estos motores tambin reciben el nombre de motores brushless.

1.3. Motor universalLos motores universales pueden ser alimentados con corriente alterna o

con corriente directa. Sus caractersticas principales no varan significativamente

al ser alimentados de una forma u otra. Sus partes principales son:

1. Estator.

2. Rotor con colector.

Los bobinados del estator y del rotor estn conectados en serie a travs de

unas escobillas.

La velocidad cambia segn la carga. Cuando aumenta el par motor

disminuye la velocidad. Se suelen construir para velocidades de 3000 a 8000

r.p.m. Para poder variar la velocidad necesitamos variar la tensin de

alimentacin, normalmente se hace con un restato o resistencia variable.

El cambio de giro es controlable, solo tenemos que intercambiar una fase

en el estator o en el rotor, nunca en los dos.

Los motores universales se pueden encontrar en muchos electrodomsticos

ya que son fabricados en una gran variedad de potencias.


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CAPITULO 2

ESPECIFICACIONES DE LOS MOTORES ELECTRICOS

Es de suma importancia conocer tanto las caractersticas elctricas como

mecnicas de determinado motor, ya que as podremos saber si es utilizable para

determinada aplicacin. Estas caractersticas son proporcionadas por el fabricante

del motor ya sea por medio de catlogos o en la placa de caractersticas que

poseen la mayora de los motores.

La placa de caracterstica es aquella donde se especifica el tipo de carcasadel motor y sus caractersticas mecnicas, las caractersticas de entrada y salida,

y las condiciones bajo las cuales debe operar un motor.

2.1. Nmeros del fabricante

Algunos de estos nmeros aparecen en la mayora de las placas de fbrica.

Normalmente tienen cdigos que incluyen:

La fecha de fabricacin del motor

La planta o la lnea de ensamble

La serie de produccin

La serie y el diseo particular

2.2. Tipo de motor

Es posible que la placa de caractersticas especifique el tipo del motor, ya

sea como parte del nmero de modelo o como una categora independiente. Aqu

se indica si es un motor A.C., D.C. o un motor universal, adems de indicarse el

tipo de motor correspondiente a cada una de estas clasificaciones, por ejemplo en

el caso de los motores D.C. si es serie, paralelo o de excitacin compuesta.


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2.3. Potencia y trabajo

La potencia nominal o de placa de caracterstica es la potencia que un

motor puede suministrar sin sobrecalentarse. El rgimen de potencia de un motor

se relaciona con el tiempo y con el trabajo nominal:

La mayora de los motores tienen un rgimen para trabajo continuo. Ellos

pueden suministrar continuamente la potencia indicada en la placa de

caractersticas, sin sobrecalentarse.

Si un motor es especificado para un trabajo de 20 o 30 minutos en cadahora, se sobrecalentara si se espera que produzca la potencia especificada en la

placa de caractersticas durante ms de dicho tiempo sin dejarlo enfriar.

Los arranques demasiados frecuentes sobrecalentaran un motor aun

cuando este no est suministrando ms de su potencia nominal al operar. El freno

elctrico de un motor tambin hace que se sobrecaliente. El freno elctrico en un

motor es posible en algunos motores que cuentan con un accesorio llamado freno

elctrico, el cual mediante corriente directa, activa y desactiva una bobina toroidal

la cual activa y desactiva unos discos los cuales son los encargados de detener el

motor en forma rpida.

2.4. Velocidad

La velocidad descrita en la placa de caractersticas es:

La velocidad aproximada a la cual un motor produce su potencia nominal.

La velocidad normal de operacin de un motor sincrnico

La mayora de los motores reducirn su velocidad conforme aumenta su

carga. En algunos motores, la placa de caracterstica indicara la velocidad sin

carga aproximada. En ocasiones, se encontrara el rango de velocidad de


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operacin aceptable del motor. En muchos casos la velocidad mnima mencionada

depende de la capacidad de enfriamiento del motor. Ningn motor cuyo

enfriamiento dependa de un ventilador impulsado por el eje debe ser operado a

una velocidad demasiado baja.

Un factor determinante en la velocidad de un motor es el nmero de pares

de polos, estos comnmente son 1, 2, 3 o 4 pares, o sea 2, 4, 6 u 8 polos, como

se puede observar directamente en la formula:

n=60f

p

Donde f es la frecuencia de la red y p el numero de pares de polos.

Debe recordarse que es la velocidad de sincronismo en motores

sncronos y la velocidad del campo en motores asncronos.

Por ejemplo un motor que trabaje a 60Hz tendr una velocidad de 1800rpm

si este tiene dos pares de polos y lo har a 3600rpm si este tiene un par de polos.

En los motores D.C. la velocidad del motor es afectada por la variacin del

voltaje que a su vez afecta la potencia del motor, una tcnica muy utilizada para

variar la velocidad en un motor D.C. es la tcnica del control por ancho de pulso, la

cual varia el ancho de pulso de una seal cuadrada la que afecta la velocidad del

motor, afectando mnimamente su potencia.

2.5. Corriente de carga completa (FLA)

Los motores consumen corriente de carga completa cuando producen su

potencia nominal. A la corriente de carga completa se hace referencia, en la placa

de caractersticas, como FLA (full load amperage o amperaje de carga completa).

Bajo una carga ligera o sin carga los motores consumen menos del amperaje de


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carga completa y bajo condiciones de sobrecarga consumen ms de dicho

amperaje.

El amperaje de carga completa indicado en la placa de caractersticas de

los motores trifsicos es la corriente en cada conductor de fase. Para que el motor

opere en la forma apropiada, la lectura del amperaje en cada conductor de fase

debe ser igual, si acaso con una diferencia muy pequea.

2.6. Voltaje

El voltaje de alimentacin mencionado para los motores es el voltajecompleto que el motor necesita para producir su salida de potencia nominal.

Debido a las prdidas de transmisin de la lnea, es probable que el voltaje

real en cualquier motor sea algo inferior al voltaje nominal de alimentacin del

sistema.

Es por ello que el voltaje mencionado en la placa de fbrica es ligeramente

inferior a los voltajes nominales de alimentacin. Por ejemplo, es probable que el

rgimen que se asigne a un motor nuevo que se va a conectar a un suministro de

corriente alterna de 480V, sea de 460V. Adems la mayora de los motores vienen

diseados para funcionar con voltajes distintos, esto variando la conexin interna

de las bobinas, por ejemplo 120/240v o 240/480v.

2.7. Fuente de energa

La mayora del servicio industrial utiliza energa trifsica de AC de 50 o 60

Hertz. En Guatemala la frecuencia normalizada es de 60Hz.

La mayora de los motores de AC tienen un rgimen para 50 o 60Hz y,

normalmente, operaran con la otra frecuencia en una emergencia, pero no a la

velocidad normal. Un motor de 60Hz accionado con 50Hz operara a 5/6 de su

velocidad normal. Un motor de 50 Hz operara ms rpido de lo normal con 60Hz.


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En ambos casos, la salida de energa disponible ser inferior. Sin embargo

algunos motores son diseados para trabajar con ambas frecuencias ya sea 50 o

60Hz.

2.8. Factor de servicio

El factor de servicio provee una indicacin de la sobrecarga continua que un

motor puede tolerar sin daarse.

Un motor de 4HP con un factor de servicio de 1.25 puede realmente

producir 4x1.25=5 HP antes de que se sobrecaliente. Sin embargo, un motor conun rgimen de 5HP producir 5HP en forma ms eficiente y con un factor de

potencia ms alto. Sin embargo lo adecuado es utilizar motores cuya potencia

nominal solvente las necesidades a cubrir, adems antes de sobrecargar

determinado motor se debe estar seguro de su factor de servicio.

2.9. Factor de potencia

El factor de potencia de un motor AC, es un numero decimal entre 0 y 1, y

se define como la relacin entre la potencia activa, P, y la potencia aparente, S, si

las corrientes y tensiones son seales perfectamente sinusoidales.

. . = =

La potencia activa es la potencia que representa la capacidad de un circuito

para realizar un proceso de transformacin de la energa elctrica en trabajo,

como convertir energa elctrica en energa mecnica, lumnica, trmica, qumica,

etc.

La potencia aparente llamada tambin "potencia total", es el resultado de la

suma geomtrica de las potencias activa y reactiva. Esta potencia es la que

realmente suministra una planta elctrica cuando se encuentra funcionando al

vaco, es decir, sin ningn tipo de carga conectada.


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La potencia reactiva la consumen los circuitos de corriente alterna que

tienen conectadas cargas reactivas, como pueden ser motores, transformadores

de voltaje y cualquier otro dispositivo similar que posea bobinas o enrollados.

La potencia reactiva, Q, no proporciona ningn tipo de trabajo til, pero los

dispositivos que poseen bobinas, requieren este tipo de potencia para poder

producir el campo magntico con el cual funcionan. La unidad de medida de la

potencia reactiva es el volti-amperio reactivo (VAR).

FIGURA 7

TRIANGULO DE POTENCIAS.

FUENTE: Elaborado por el autor 2010.

El coseno del ngulo o factor de potencia es de suma importancia ya que

un motor que cuente con un factor de potencia demasiado bajo demandara mucha

ms corriente para generar determinada potencia que si contara con un factor de

potencia alto.

Si el factor de potencia es 1, el voltaje y la corriente estn totalmente en

fase. Toda la corriente multiplicada por el voltaje, producen watts que son

convertidos en calor o potencia mecnica en el motor.

Un factor de potencia de 0 significa que le voltaje y la corriente estn a 90

fuera de la fase y que la corriente multiplicada por el voltaje no producen watts,


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sino solo volti-amperios. Aun cuando un motor pueda estar consumiendo alta

corriente, no se le estarn suministrando watts si el factor de potencia es 0 y no

puede producir salida de potencia, ni siquiera, operar sin carga.

2.10. Eficiencia

La placa de caracterstica en muchos motores incluye un rgimen de

eficiencia a plena carga. Un motor que opera bajo una carga muy ligera o bajo

condiciones de sobrecarga ser menos eficiente de lo indicado.

La eficiencia de un motor elctrico es la medida con que este logra

transformar la energa elctrica en energa mecnica.

2.11. Temperatura ambiente

La mayora de las placas especifican la temperatura mxima del ambiente

alrededor del motor. Esta temperatura ambiente especificada es, con frecuencia,

de 40 Celsius, que corresponde a 104 grados Fahrenheit. A temperaturas

ambiente ms altas, el motor no podr liberarse del calor proveniente de sus

diferentes perdidas y se sobrecalentara. Si un motor debe operar en un ambiente

ms caliente, no debe ser operado a su capacidad de carga completa.

El calentamiento del motor se produce, principalmente, por las prdidas en

el hierro de las chapas magnticas y del ncleo, lo que es conocido como perdidas

por histresis; la histresis es la tendencia de un material a conservar una de sus

propiedades, en este caso la propiedad magntica; y por las prdidas en el cobre

del devanado, esto debido a la resistencia que el cobre ofrece al paso de lacorriente. Estas ltimas calientan tambin el aislamiento de cada conductor.

Muchas veces un aumento de la temperatura en el ambiente viene

acompaado de un aumento de humedad, cuando los motores estn operando, la

humedad del ambiente generalmente no es daina, pero cuando se apagan y se

enfran, si los motores no cuentan con una proteccin adecuada, se producir la


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condensacin en el interior de los mismos, lo que si resulta ser daino para ellos,

produciendo daos en los devanados y los rodamientos de los mismos.


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CAPITULO 3

SELECCIN DE MOTORES ELECTRICOS

Es importante hacer una buena seleccin de un motor elctrico, ya que de

ello depender la oportunidad de obtener la mayor vida til del equipo, y una

mxima eficiencia, lo que se reflejar directamente en un bajo nmero de fallas.

Adems de ello es de gran importancia realizar un estudio econmico, sobre los

gastos necesarios en la compra de repuestos, mantenimiento del motor, y

consumo de energa elctrica.

Toda seleccin de un motor elctrico depende fundamentalmente de tres

aspectos: instalacin, operacin y mantenimiento. De lo cual se derivan los

siguientes cuestionamientos:

Es una instalacin nueva o existente?

Cules son las condiciones de la red elctrica?

Cul es la carga que el motor va a accionar?

Cules son las condiciones medioambientales?

Cul va a ser el tiempo de recuperacin de la inversin?

Qu tipo de normas debe cumplir el motor?

Cmo va a ser hecho el arranque del motor?

Cules son las caractersticas de potencia y velocidad requeridas del

motor?

3.1. Las normasExisten dos normas bajo las cuales se fabrican los motores:

IEC Comisin Electrotcnica Internacional que es utilizada por la gran

mayora de pases y especialmente por los europeos.


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NEMA Asociacin Nacional de Fabricantes de Equipos Elctricos. Es una

norma nacional de Estados Unidos, pero es comn en muchos pases.

Hay varias diferencias en la construccin dependiendo de la norma, pero lo

ms significativo es que mientras las dimensiones segn IEC son en milmetros,

segn NEMA son en pulgadas.

3.2. La red de alimentacin

Las principales caractersticas que identifican una red elctrica son latensin (voltaje) y frecuencia. En Guatemala la frecuencia normalizada es 60 Hz,

aunque en muchos pases en especial los europeos es de 50Hz. Dada la

diversidad de tamaos de industrias, no hay una nica tensin, por lo que es usual

que los motores tengan doble tensin, por ejemplo 220/440 V. De esta forma,

muchos motores cuentan con varios cables de conexin. Esta caracterstica les

hace aptos para funcionar prcticamente en cualquier red, pero es importante

tener bastante precaucin en las conexiones, pues con mayor cantidad de uniones

a realizar, se puede presentar mayor cantidad de errores. Esto debe evitarse

durante la etapa de instalacin.

3.3. La carga

La carga es la que define la potencia y velocidad del motor por lo que es

conveniente hacer un estudio detallado sobre esta, principalmente en el caso de

instalaciones nuevas. Estos puntos nos ayudan a definir cmo ser el

comportamiento dinmico del motor con su mquina de trabajo y cules sern los

tiempos de arranque. Mquinas como bombas y ventiladores tienen un

comportamiento diferente de molinos, trituradoras y diferente de bandas

transportadoras o de mquinas herramientas o elevadores. En todas estas

mquinas, los torques de arranque son diferentes y con toda seguridad, los ciclos

de trabajo varan de una instalacin a otra.


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Generalmente para un motor en servicio continuo se utiliza un par mximo

igual a 1.6 veces su par medio, mientras que para servicio intermitente se utiliza

un par mximo igual a 2 veces su par medio.

3.4. Las condiciones de instalacin

Otro tema a considerar son las condiciones propias del ambiente:

contaminacin, presencia de agentes qumicos, utilizacin en lugares abiertos o

cerrados.

Para garantizar una adecuada seleccin del motor, es importante conocer elsignificado de grado de proteccin IP, definido segn normas internacionales,

como la IEC y la NEMA, IP significa INTERNAL PROTECTION y determina el

grado de proteccin que proporciona la cubierta del motor. Viene seguido de dos

cifras caractersticas; la primera de ellas indica la proteccin contra el ingreso de

cuerpos slidos y la segunda indica la proteccin contra el ingreso de lquidos.

Los siguientes son los ms comunes:

IP21: Protegido contra contacto con los dedos, contra ingreso de cuerpos

slidos mayores que 12 mm y contra gotas verticales de agua.

IP22: Protegido contra contacto con los dedos, contra ingreso de cuerpos

slidos mayores que12 mm y contra gotas de agua hasta una inclinacin de 15

con la vertical.

IP55: Protegido completamente contra contacto, contra acumulacin de

polvos nocivos y contra chorros de agua en todas las direcciones.

En caso de ambientes agresivos, es necesario prestar especial atencin,

pues en ocasiones los motores estarn expuestos a vapores cidos, lcalis y

solventes.


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Es tambin importante considerar si el motor ser instalado en un rea

clasificada (lugares donde se almacenen productos inflamables), pues en estos

casos se requieren cuidados especiales que garanticen el mantenimiento de los

equipos y especialmente, no pongan en riesgo la vida humana.

3.5. El arranque

Uno de los momentos ms crticos para el motor, la red y la carga es el

arranque. En este momento el motor consume varias veces su corriente nominal

(el motor jaula de ardilla consume durante el arranque una corriente que puedeoscilar entre 5 y 8 veces la corriente nominal). El arranque es el periodo en el que

el motor hace la transicin desde su estado de reposo hasta su velocidad de

rgimen.

Para la red, la mejor condicin de arranque es aquella en que este tiempo

de transicin es el mnimo posible y la corriente consumida es la mnima posible.

Para el motor, la mejor condicin de arranque es la que garantiza el menor

calentamiento. Para la carga, la mejor condicin es aquella que garantiza los

menores desgastes mecnicos. En general, el tipo de arranque de cada aplicacin

debe ser analizado adecuadamente para lograr el mejor equilibrio entre las tres

partes mencionadas previamente.

Existen los siguientes tipos de arranque:

1. Directo. El motor tendr una corriente de arranque normal (hasta ocho

veces la corriente nominal) y un par de arranque normal.

2. Estrella-Tringulo. La corriente y el torque se reducen a la tercera parte

(hasta tres veces la corriente nominal).


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3. Por Autotransformador. El autotransformador es fabricado para entregar

al motor una tensin menor de la nominal. Esta tensin puede estar entre el 30% y

el 70% dependiendo de la aplicacin. La corriente y el torque variarn en

proporcin cuadrtica a la tensin de alimentacin.

4. Arranque electrnico suave. En este mtodo, el arrancador alimenta el

motor con una tensin reducida y gradualmente aumenta la tensin hasta la

tensin de rgimen. El comportamiento inicial de la corriente y el torque ser

idntico al mtodo por autotransformador, pero el comportamiento durante todo el

periodo de transicin depender de la manera como el arrancador suave seacontrolado.

5. Variador de velocidad (o variador de frecuencia). Mediante este mtodo,

se logra limitar la corriente de arranque a valores de hasta dos veces la corriente

nominal, mientras se obtiene un torque de arranque adecuado para cualquier

aplicacin. Adems, la transicin ser la ms suave posible de todos los mtodos.

Mecnicamente, es la mejor forma de hacer la operacin, adems de que permite

realizar control de velocidad preciso.

En los primeros tres mtodos se da una transicin brusca desde el reposo

hasta su velocidad de rgimen. En los mtodos 2 y 3, adicionalmente se da una

transicin desde el estado de tensin reducida a tensin plena. En el mtodo 4, se

logra una transicin menos brusca, pero an con algunos saltos, pues lo que se

est controlando es la tensin de alimentacin. En el mtodo 5, se logra una

transicin mucho ms suave, pues se est controlando efectivamente la velocidad

del motor y de la carga.

3.6. Potencia y velocidad

Es importante prever la potencia de un motor con amplitud para eliminar

averas por calentamiento exagerado, pero tambin hay que tener en cuenta que

el precio del motor resulta mayor cuanto mayor sea la potencia y que las


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dificultades de regulacin tambin aumentan al aumentar la potencia. Por todo

esto la determinacin de la potencia deber ser lo ms exacta posible.

No escogeremos el motor en funcin de la potencia mxima a desarrollar

sino de acuerdo con el trmino medio del valor de la carga. La carga mxima solo

la utilizaremos como comprobacin de que el motor escogido tiene un par motor

suficiente para los casos en que la carga pueda alcanzar su valor mximo.

Para la eleccin del motordeber tambin tenerse en cuenta el nmero de

revoluciones, habr que elegir velocidades normales de serie, las velocidadesanormales encarecen la instalacin y dificultan posteriormente las sustituciones.

Para la eleccin del tamaode los motores deber tenerse en cuenta el tipo

de servicio que van a realizar, se distinguen las tres formas de trabajo siguientes:

1. Servicio permanente o continuo: El motor est funcionando

constantemente o por lo menos durante algunas horas con plena carga,

alcanzando as su temperatura final. Esta temperatura no debe sobrepasar el

lmite fijado de diseo del motor.

2. Servicio de corta duracin:La carga acta con toda intensidad durante

un corto tiempo, a este estado le sigue una marcha en vaco o la desconexin, que

da tiempo al enfriamiento del motor. La potencia nominal en este tipo de servicio

ser aquella que puede suministrar el motor durante el tiempo convenido sin

calentamiento excesivo (Por ejemplo 50 Kw en 15 minutos).

3. Servicio intermitente:Alternan el tiempo de funcionamiento y el tiempo

de reposo, el tiempo de ciclo ser la suma de ambos. El tiempo del ciclo no debe

sobrepasar al tiempo requerido para que el motor se enfri completamente. De

esta forma la temperatura va aumentando escalonadamente hasta el valor final

que tardar mas tiempo en alcanzarse que en el rgimen continuo.


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La potencia de un motor es consecuencia del torque que este deber

proporcionar y de la velocidad a la que lo har, como regla general la potencia de

un motor es ms grande mientras mayor sea el nmero de revoluciones, y

mientras mayor sea el torque a proporcionar.

La capacidad de sobrecarga del motor ser un factor a considerar, pues el

ciclo de carga puede exigir al motor que en ciertos momentos suministre mayor

potencia de su potencia nominal. Esta capacidad es determinada por el factor de

servicio.

(Motores Electricos. Autor Ing. Pablo Alonzo)

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