TECSUPC7

TECSUP-PFR Electricidad

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UNIDAD VII

MMÁÁQQUUIINNAASS EELLÉÉCCTTRRIICCAASS

Cuando se comenzó a utilizar la energía eléctrica a gran escala, se hizo en forma de corriente continua, pero con grandes desventajas en la distribución a baja tensión debido a una pobre regulación y eficiencia y a la imposibilidad de transformar las tensiones a valores más altos. Existía un deseo común de pasar a trabajar con corriente alterna, se conocían los alternadores y transformadores, pero faltaba un motor eficiente. Finalmente, en 1888 Tesla inventó el motor de inducción polifásico, el cual en la actualidad con su simplicidad de construcción, su robustez, su confiabilidad y un costo comparativamente bajo lo han convertido en el principal motor industrial. 1. MOTORES DC

1.1. DEFINICIÓN

Las máquinas de corriente continua (Figura 7.1) suelen tener un estator de polos salientes. Los extremos de las bobinas de los devanados del rotor están soldados a los segmentos de cobre del colector, llamadas delgas.

Figura 7.1 Motor de corriente continua. El funcionamiento de un motor de corriente continua puede explicarse con ayuda del modelo de máquina (Figura 7.2).

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Se aplica una tensión a las escobillas, con lo que circulará una corriente por la bobina. Si existe un campo excitador actuará una fuerza sobre la bobina recorrida por la corriente. La fuerza está aplicada a una distancia r del eje de rotación, con lo que también aparecerá un par. Según la regla de la mano izquierda la bobina girará en el sentido indicado en la figura. En la posición horizontal no circula corriente por la bobina pues las escobillas se encuentran situadas sobre el aislante. Sin embargo, la espira conductora continuará girando por inercia. A continuación el colector invertirá el sentido de la corriente que circula por la espira. Por tanto, las corrientes que circulan por los conductores situados bajo los polos tendrán los mismos sentidos que antes, con lo que el par actuará siempre en el mismo sentido. Estos fenómenos se van repitiendo mientras exista una tensión aplicada a las escobillas.

Figura 7.2 Esquema simplificado de un motor de corriente continua.

Los motores DC son importantes en el control industrial porque son más adaptables que los motores AC de campo giratorio a los sistemas de velocidad ajustable.

1.2. TIPOS DE MOTOR DC Los motores DC, son de tres tipos: • Con excitación en serie. • Con excitación en paralelo (shunt). • Compuesto (compound).

1.2.1. MOTOR DC CON EXCITACIÓN EN DERIVACIÓN

En el motor con excitación en derivación, también llamado motor shunt, el devanado del inducido y el de excitación se encuentran conectados en paralelo (Figura 7.3). Por tanto, el devanado del inductor, o sea, el de excitación, está sometido directamente a la tensión de la red, con lo que su campo


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magnético es prácticamente independiente de la frecuencia de giro y de la carga.

Figura 7.3 Circuito de un motor DC con excitación en paralelo. El comportamiento de un motor con excitación en derivación se caracteriza por una ligera reducción de la frecuencia de giro n cuando aumenta la carga. El motor shunt se utiliza en todos aquellos casos en que sea precisa una frecuencia de giro uniforme, por ejemplo, para accionar máquinas/herramientas.

1.2.2. MOTOR DC CON EXCITACIÓN EN SERIE En el motor con excitación en serie, o simplemente motor serie, todos los devanados están conectados en serie, por lo que la corriente que circula por todos ellos es la misma.


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Figura 7.4 Circuito de un motor serie. Cuando se reduce la carga aumenta fuertemente la frecuencia de giro. En vacío la velocidad crece excesivamente, el motor se embala. Por consiguiente, los motores con excitación en serie no deberán funcionar sin estar cargados. El motor con excitación en serie presenta un gran par de arranque MA. Un motor serie se caracteriza por presentar un gran par de arranque MA y por tener una frecuencia de giro n que depende mucho de la carga. Los motores con excitación en serie deben ponerse en marcha a través de un reóstato de arranque para limitar la intensidad de su corriente de arranque. El motor serie se emplea para accionar grandes cargas, por ejemplo, vehículos, ascensores, motores de arranque para coches, etc., gracias a su gran par de arranque MA.


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2. MOTORES DE INDUCCIÓN

2.1. DEFINICIÓN

Figura 7.5 Motores trifásicos de inducción de alta tensión. (Cortesía de WEG S..A.)

jgfjg

…¡Parece complicado!… Estudiémoslo con calma…

Figura 7.6 Motor trifásico de inducción. Primero, una máquina eléctrica es un dispositivo o equipo dónde se lleva a cabo la conversión electromecánica de energía: los generadores convierten la energía mecánica en energía eléctrica, mientras que los motores convierten la energía eléctrica que se les entrega en energía mecánica para accionar otras máquinas o dispositivos.

La máquina de inducción es un tipo de máquina eléctrica, en la que tanto en el estator como en el rotor, circulan corrientes alternas. “Teoría y análisis de las máquina eléctricas” – Kingsley, Kusko &


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Figura 7.7 Motores de inducción en la industria 2.2. PARTES DE UN MOTOR AC

La parte fija de un motor recibe el nombre de estator, que consiste en una serie de bobinas arrolladas y conectadas entre sí, dejando puntos de conexión hacia el exterior para la conexión de la energía eléctrica de entrada. La parte móvil de la máquina, el rotor, gira en el campo magnético creado por la corriente que circula por el estator, induciéndose corriente, como en un transformador. En la siguiente figura, se muestra las dos partes principales de un motor: estator y rotor, así como sus accesorios.


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Figura 7.8 Partes de un motor de inducción. (Cortesía SIEMENS AG)

ROTOR tipo jaula de ardilla

ESTATOR (bobinados)


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2.3. CLASIFICACIÓN DE LOS MOTORES DE INDUCCIÓN

MOTOR DE ROTOR BOBINADO MOTOR JAULA DE ARDILLA

MOTOR TRIFÁSICO MOTOR MONOFÁSICO

MOTOR DE INDUCCIÓN

La mayoría de las aplicaciones industriales utilizan estos motores, particularmente, el motor de inducción trifásico jaula de ardilla.

Figura 7.9 Motores trifásicos de inducción de baja tensión. (Cortesía de Leroy Somer)

2.4. DATOS DE PLACA DE UN MOTOR AC La placa con los datos característicos nos da toda la información correspondiente al motor. La figura 7.6 muestra dos placas típicas de motores. Utilizando los datos correspondientes a 60 Hz de la primera placa mostrada, indicaremos los parámetros siguientes PARÁMETROS ELÉCTRICOS

• Tipo de motor 3 ∼ (Trifásico) • Potencia 0,14 kW • Tensión nominal 440 V • Tipo de conexión Estrella o Y • Corriente nominal 0,34 A • Frecuencia nominal 60 Hz • Factor de potencia (cosφ) 0,81


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PARÁMETROS ELÉCTRICOS Los parámetros eléctricos permiten diseñar y especificar el calibre de los conductores, dispositivos de maniobra y protección para el motor.

PARÁMETROS MECÁNICOS O CONSTRUCTIVOS • Velocidad nominal 3 310 / min • Factor de servicio (SF) 1,15 • Tipo de aislamiento (Th.Cl.) F • Tamaño del marco IEC56 • Grado de protección IP54 • Tipo costructivo IM B3 El medio ambiente y las exigencias mecánicas de montaje permiten definir los parámetros mecánicos del motor.

Figura 7.10a Placa característica de motor de inducción.

Figura 7.10b Placa característica de motor de inducción.


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2.5. TEORÍA DE MOTORES

Ley de Ohm

R×I=U (1) U Tensión o diferencia de potencial en voltios (V) I Intensidad de corriente en amperios (A) R Resistencia en ohmios (Ω) Potencia en circuitos trifásicos

φcos×LI×LU×3=P (2) P Potencia activa en vatios (W) UL Tensión de línea en voltios (V) IL Corriente de línea en amperios (A) Cos φ Factor de potencia Para los motores UL se refiere a la tensión en bornes del motor (tensión de línea) e IL a la corriente consumida en un instante determinado (corriente de línea). Ejemplo 7.1. Se realizan las lecturas de tensión, corriente y factor de potencia para un motor en operación obteniéndose las siguientes lecturas: Tensión 440 V Corriente 115 A cosφ 0,84 Reemplazando en la fórmula (2) tenemos:

kW 73,62= W616,93 73=84,0×115×440×3=P


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Ejemplo 7.2 Veamos qué sucede si reemplazamos los datos de un motor que tiene los siguientes datos de placa: Potencia 8,6 kW Tensión 460 V Corriente 14,7 A Cos φ 0,83

kW 72,9= W972,08=83,0×7,14×460×3=P …¿qué pasó?... Según la placa, la potencia debería ser 8,6 kW

Ocurre que cuando empleamos los datos de placa o nominales de un motor, debemos incluir un factor más llamado eficiencia. La eficiencia, por decirlo de una manera simple, es una medida de la capacidad que tiene el motor para convertir toda la energía eléctrica que le suministran en energía mecánica. La conversión completa no es posible ya que existen pérdidas en el proceso (vea la Unidad 3, páginas 71 al 74). La eficiencia depende de muchos factores como por ejemplo, la calidad de los materiales empleados en la fabricación del motor, el diseño del motor, las condiciones ambientales, el tiempo de uso del motor, entre otros. Para introducir la eficiencia debemos modificar ligeramente la fórmula (2) de la siguiente manera:

ηφ×cos×I×U×3=P (2a) Donde: η Eficiencia Para el dimensionamiento o selección de los conductores, dispositivos de maniobra y protección, los datos de tensión y potencia del motor se conocen en la mayoría de los casos.


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Con estos datos… ¿Cómo calculo la corriente para dimensionar los conductores, equipos de maniobra y protección? Primero obtengamos la fórmula de corriente, despejándola de la expresión (2a), la potencia estará expresada en kW o HP, que son los casos más usuales.

ηφ×cos×U×3kWP×1000

=I (3)

ηφ×cos×U×3HPP×746

=I (3a)

Los datos desconocidos son el factor de potencia y la eficiencia. Típicamente podemos considerar los siguientes valores: Factor de potencia: varían desde 0,8 hasta incluso 0,93 a plena carga. Un valor recomendable para cálculos es 0,85. Eficiencia: aquí el valor a considerar dependerá principalmente del tipo y tamaño de motor. A mayor potencia aumenta también la eficiencia de un motor.

Ejemplo 7.3 Calculemos la corriente para un motor de inducción trifásico nuevo de 120 HP que trabajará a 220 V. Reemplazando los valores en la fórmula (3a) asumiendo un factor de potencia de 0,85 y una eficiencia de 95% tenemos:

A2919508502203

120746=

×××

×=

,,I .

Con esta corriente ya podemos diseñar nuestros conductores, dispositivos de maniobra y protección.


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Ejemplo 7.4 Nos encontramos en una mina a 4 000 msnm y nos han encargado la instalación de un motor de inducción trifásico para un ventilador con los siguientes datos de placa: Tensión: 440 V Potencia: 500 kW Factor de potencia: 0,88 Eficiencia: 96,8% Lamentablemente el dato de corriente en la placa es ilegible. Aparentemente el problema se reduce a reemplazar los datos en la fórmula (3); sin embargo, estamos olvidando un factor muy importante. ¿Tienen las personas el mismo desempeño físico a nivel del mar que a 4 200 msnm? La respuesta es obvia: no. De igual manera, un motor a nivel del mar se comportará de una manera diferente que en altura. Será necesario introducir un factor de corrección a la potencia para tener la verdadera corriente nominal en estas condiciones. La tabla 7.1 muestra los diferentes factores a aplicar para diferentes alturas y para diferentes temperaturas del medio refrigerante.

Temperatura del medio refrigerante en ºC Altitud sobre el nivel del

mar en (m) <30 30 - 40 45 50 55 60

1 000 1,07 1,00 0,96 0,92 0,87 0,82

1 500 1,04 0,97 0,93 0,89 0,84 0,79

2 000 1,00 0,94 0,90 0,86 0,82 0,77

2 500 0,96 0,90 0,86 0,83 0,78 0,74

3 000 0,92 0,86 0,82 0,79 0,75 0,70

3 500 0,88 0,82 0,79 0,75 0,71 0,67

4 000 0,82 0,77 0,74 0,71 0,67 0,63

Tabla 7.1 Factores de corrección para montaje de motores en alturas superiores

a 1 000 msnm.

La fórmula (3) modificada para nuestro caso será:


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HkW K

cosVP

I ×η×φ××

×=

31000

(4)

Donde KH es el factor de corrección por altura y que para nuestro caso es 0,77. Reemplazando en la fórmula los datos tenemos:

A59377096808804403

5001000=×

××××

= ,,,

I

Ahora si, ésta es la corriente que consumirá el motor; sin embargo, como veremos mas adelante. Los elementos de maniobra y protección se ven afectados por un factor para que puedan trabajar en la altura. De la tabla 7.1 también podemos ver que la temperatura ambiente influye en el valor nominal de la potencia, ya que en la mayoría de los casos el refrigerante es el aire. Podemos decir entonces que la fórmula completa es:

THkW KK

cosVP

I ××η×φ××

×=

31000 (5)

Donde: KT es el factor de corrección por temperatura. ….mucho cuidado

En la tabla el factor que aparece ya es el producto de KH KT


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3. GLOSARIO

Conexión Dahlander Forma de conexión del bobinado de un motor en la cual cada fase está dividida en dos partes iguales con una toma intermedia. Nos permite tener dos velocidades de giro.

Corriente nominal Corriente asignada al motor para operación en régimen permanente. Su valor viene indicado en la placa característica del motor.

Estator Parte fija de un motor que consiste en una serie de bobinas arrolladas y conectadas entre sí dejando puntos de conexión hacia el exterior para la conexión de la energía eléctrica de entrada.

Factor de servicio Indica, con respecto a SF = 1, hasta qué valor pueden aumentarse la potencia y la corriente del motor cuando se admite una vida útil reducida. Un motor con SF = 1,15 puede producir 15% mayor torque que un motor con SF = 7.

Factor de potencia Es la relación entre la potencia activa (kW) a la potencia aparente (kVA).

Generadores Los generadores convierten la energía mecánica en energía eléctrica.

Máquinas eléctricas Son máquinas dónde se lleva a cabo la conversión electromecánica de energía.

Motores Máquinas que convierten la energía eléctrica en energía mecánica para accionar otras máquinas o dispositivos.

Motor de inducción Máquina eléctrica en la cual la corriente que circula en el bobinado secundario es inducida, quiere decir que no hay conexión eléctrica física entre el bobinado primario y el secundario.

Motor trifásico Motor eléctrico que recibe la energía eléctrica de una red trifásica (L1-L2-L3).

Motor monofásico Motor eléctrico que recibe la energía eléctrica de una red monofásica (L1-N).


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Motor de rotor bobinado

Motor de inducción en el que el devanado secundario es similar al del estator y con el mismo número de polos; los terminales del bobinado del rotor se conectan a anillos rozantes aislados, montados sobre el eje, en los que se apoyan escobillas de carbón.

Motor de jaula de ardilla

Motor de inducción en el que el devanado del rotor está formado por varillas conductoras alojadas en ranuras practicadas en el hierro del propio rotor, y cortocircuitadas en ambos extremos mediante dos platos conductores dispuestos en cada extremo del rotor.

Potencia Trabajo entregado en el eje de un motor por unidad de tiempo.

Rotor Parte móvil de la máquina, que gira en el campo magnético creado por la corriente que circula por el estator induciéndose corriente, como en un transformador.

SI Sistema Internacional de Unidades.

Torque Fuerza rotacional aplicada a un eje que causa su rotación.

Velocidad síncrona Velocidad del campo magnético rotatorio determinada por la frecuencia aplicada al motor y el número de polos presente en cada uno de las fases del bobinado del estator.

Voltaje nominal Voltaje asignado al motor con el cual se le puede alimentar desde la fuente de energía.

Velocidad nominal Velocidad a la girará el rotor del motor bajo condiciones de carga nominales. Su valor es inferior a la velocidad síncrona por el efecto de deslizamiento.

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