10 Motores Electricos

CURSO MOTORES ELÉCTRICOS
MOTORES ELÉCTRICOS
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TABLA DE CONTENIDO
1 DESCRIPCIÓN GENERAL
3
2 CLASIFICACIÓN:
3
2.1
2.2
MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA
MOTORES ASÍNCRONOS:
4
5
2.2.1
2.2.2
2.3
2.3.1
CLASIFICACIÓN DE LOS MOTORES ASÍNCRONOS
CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN DE LOS MOTORES ASÍNCRONOS:
MOTORES SÍNCRONOS
CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN DE LOS MOTORES SÍNCRONOS
5
6
8
8
3 PARÁMETROS DE SELECCIÓN EN MOTORES
3.1
3.2
3.3
ANÁLISIS DEL RENDIMIENTO
DETERMINACIÓN ÓPTIMA DE LA POTENCIA DE MOTORES.
CONVENIENCIA DE LA INSTALACION DE MOTORES TRIFÁSICOS EN LUGAR DE MONOFÁSICOS
9
9
10
11
4 FALLAS FRECUENTES EN MOTORES
12
4.1
4.2
4.3
12
13
13
FALLAS EN LOS SISTEMAS DE PROTECCIÓN Y CONTROL:
FALLAS ORIGINADAS EN LA OPERACIÓN:
FALLAS DEBIDAS A LA NO CALIDAD DE LA POTENCIA
5 PROTECCIONES ELÉCTRICAS
17
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
17
17
18
18
18
FUSIBLE:
INTERRUPTOR AUTOMÁTICO:
RELÉ TÉRMICO:
INTERRUPTOR DIFERENCIAL:
SISTEMA DE PUESTA A TIERRA:
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1
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6 NORMAS DE DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE MOTORES
19
7 MANTENIMIENTO DE MOTORES:
20
1.1.
1.2.
1.3.
1.4.
1.5.
21
21
21
22
22
CADA SEMANA
CADA SEIS MESES
CADA AÑO
CADA DOS AÑOS
RECOMENDACIONES GENERALES
8 NUEVAS TECNOLOGÍAS
22
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1 TIPOS DE MOTORES DE CORRIENTE DIRECTA (CD) ..................................................... 4
FIGURA 2 ALGUNAS CARACTERÍSTICAS TÍPICAS DE MOTORES ASÍNCRONOS .................................... 7
FIGURA 3 CURVAS DE OPERACIÓN Y ARRANQUES ESTÁNDARES.................................................... 7
FIGURA 4 VARIADORES DE VELOCIDAD ................................................................................. 8
FIGURA 5 EFICIENCIA DE MOTORES ..................................................................................... 9
FIGURA 6 NATURALEZA DE LAS PÉRDIDAS EN MOTORES .......................................................... 10
FIGURA 7 SELECCIÓN DE MOTORES EN FUNCIÓN DE SU POTENCIA Y VELOCIDAD............................ 11
FIGURA 8 MOTOR MONOFÁSICO ........................................................................................ 12
FIGURA 9 PERTURBACIONES FRECUENTES QUE AFECTAN LA CALIDAD DE LA POTENCIA ELÉCTRICA...... 14
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2
CURSO MOTORES ELÉCTRICOS
MOTORES ELÉCTRICOS
1
DESCRIPCIÓN GENERAL
Se llama motor eléctrico al dispositivo capaz de transformar la energía eléctrica en energía
mecánica, es decir, puede producir movimiento al convertir en trabajo la energía eléctrica
proveniente de la red o almacenada en un banco de baterías.
Básicamente, un motor está constituido por dos partes, una fija denominada Estator, y
otra móvil respecto a esta última denominada Rotor. Ambas están fabricadas en material
ferromagnético (chapas magnéticas apiladas), y disponen de una serie de ranuras en las
que se alojan los hilos conductores de cobre que forman el devanado eléctrico.
En todo motor eléctrico existen dos tipos de devanados: el inductor, que origina el campo
magnético para inducir las tensiones correspondientes en el segundo devanado, que se
denomina inducido, puesto que en él aparecen las corrientes eléctricas que producen el
par de funcionamiento deseado (torque).
El espacio entre el rotor y el estator es constante y se denomina entrehierro. Por efecto de
las intensidades que atraviesan el rotor y el estator; se crean campos magnéticos en el
entrehierro. La interacción de estos campos magnéticos con las intensidades que
atraviesan los conductores del rotor produce unas fuerzas tangenciales que hacen girar el
rotor produciéndose de este modo la energía mecánica.
Desde su invención hasta nuestros días, el uso de los motores eléctricos ha sido creciente
debido a:
Gran versatilidad de utilización y potencias que hacen posible su uso en el hogar, la
industria, el transporte, etc.
Altos rendimientos: un motor diesel 18.5 HP a 1500 rpm tiene una eficiencia del orden
del 36%, mientras que uno eléctrico de la misma potencia a 440 V tiene una eficiencia
del 87%.
Larga duración: Con buena utilización y mantenimiento su vida útil es superior a 20
años.
2
CLASIFICACIÓN:
Los motores eléctricos, desde el punto de vista de su utilización industrial, suelen
clasificarse en :
Corriente continua:
a) Derivación.
b) Independiente.
c) Serie.
d) Compound (Compuesto).
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3
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Corriente alterna
a) Asíncronos.
• Rotor en corto circuito.
• Rotor bobinado.
b) Síncronos.
2.1 Motores de corriente continua
Son de gran facilidad para la regulación de velocidad, cambios o inversiones rápidas de la
marcha, y sin necesidad de equipos costosos es posible efectuar control automático de
torques y velocidades.
Por las ventajas descritas anteriormente se utilizan primordialmente en industrias
Papeleras, Textileras, Químicas, Siderúrgicas y Metalúrgicas. En estos motores, el estator
está formado por polos principales y auxiliares excitados por corriente continua, así mismo
el rotor se alimenta con corriente continua mediante el colector de delgas y las escobillas.
Tipos: Dependiendo de la forma en que se alimentan los devanados del estator se
clasifican:
•
•
•
•
En derivación: El estator se alimenta con la misma tensión que el inducido.
Independiente: El estator y el inducido se alimentan con fuentes separadas o
independientes.
En serie: El estator y el inducido se conectan de modo tal que por ellos circule la
misma corriente.
Compound: Es una combinación de las conexiones en serie y en derivación.
Una representación gráfica de la anterior clasificación se ilustra en la figura 1.
+
Inducido
+
Estator
Derivación
Compound
Serie
Independiente
-
Figura 1 Tipos de motores de corriente directa (CD)
Ref. (IET)
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4
CURSO MOTORES ELÉCTRICOS
En los motores en derivación, el flujo por polo es prácticamente constante, y considerando
que el par del motor es proporcional a la corriente y que la velocidad disminuye
linealmente al aumentar esta, se tiene un motor en el que la velocidad varia muy poco
cuando varía el par, por lo cual se utilizan en casos donde la velocidad debe ser lo más
independiente posible de la carga.
Los motores con excitación independiente son prácticamente iguales a los anteriores.
En los motores serie, la corriente del inducido atraviesa los polos y como el flujo producido
en un polo depende de la corriente, el flujo será variable. El comportamiento típico de este
motor es el siguiente:
•
El par del motor crece al principio en forma cuadrática, más adelante, crece en forma
lineal.
•
La velocidad disminuye más que proporcionalmente al crecer la intensidad.
Por lo cual, se tiene un par muy elevado a velocidades pequeñas (arranque) y velocidades
muy grandes con pares muy pequeños.
Este tipo de motores no puede funcionar en vacío puesto que en estas condiciones el flujo
es muy pequeño y según la velocidad aumenta produciéndose un embalamiento. No
pueden usarse en aplicaciones donde la carga pueda faltar ocasionalmente. Suelen
utilizarse para tracción eléctrica, grúas, etc.
Los Compuestos tienen características intermedias a los dos anteriores. Presentan
elevados pares de arranque y no tienen velocidades tan altas a bajas cargas.
2.2 Motores Asíncronos:
Los motores asíncronos basan su funcionamiento en la creación de un campo magnético
giratorio en el entre hierro, debido a la circulación de corriente alterna trifásica en el
estator.
2.2.1
Clasificación de los motores asíncronos
Los motores asíncronos se clasifican de acuerdo a la forma constructiva del rotor. Dicha
clasificación es la siguiente:
•
Jaula de ardilla: El rotor está compuesto por un conjunto de barras conductoras de
cobre unidas en sus extremos por anillos.
•
Rotor bobinado: El rotor está compuesto por un arrollamiento (devanado) introducido
en ranuras similares a las del estator. Los extremos de cada fase se conectan a unos
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5
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anillos colectores montados sobre el eje, aislados eléctricamente de él. Lo anterior,
permite conectar al devanado rotórico resistencias adicionales externas para reducir la
corriente de arranque. Una vez finalizado el periodo de arranque se corto circuitan los
anillos y se levantan las escobillas.
El motor asíncrono suministra cualquier potencia hasta los límites de su capacidad de
sobrecarga.
2.2.2
Características de operación de los motores asíncronos:
Entre las características de operación que se deben tener en cuenta en un motor
asincrónico se encuentran:
•
Tensión: En funcionamiento normal, se permiten fluctuaciones del orden de ± 5% la
tensión nominal, de tal forma que:
V↓: Mayor corriente en el rotor y el estator; Pérdidas ↑, Rendimiento ↓
V↑: Las corrientes reactivas (IR) ↑, pérdidas ↑, y el factor de potencia ↓
•
Factor de potencia (fp): Los motores asíncronos presentan consumos de energía
reactiva altos, por lo tanto presentan fp bajos. El fp tiende a mejorar a medida que
aumenta la potencia y la velocidad del motor. Un ejemplo de esta tendencia se
presenta en la tabla 1.
Tabla 1 Factores de potencia típicos en motores asíncronos
Potencia [kW]
1,1
3,0
11
30
55
3000
0,85
0,86
0,86
0,87
0,89
Velocidad [r.p.m.]
1500
0,81
0,83
0,86
0,87
0,87
1000
0,75
0,75
0,78
0,85
0,87
En la figura 2 se presenta un caso ilustrativo del comportamiento de algunas variables,
entre ellas el factor de potencia, en función del índice de carga del motor (P/Pn).
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6
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n
η
Cos φ
Ι
P /P n
Figura 2 Algunas características típicas de motores asíncronos
Ref. (IET)
•
Par motor: Para seleccionar el motor, se debe determinar el tipo de carga:
A: Par constante: Ascensores, bombas, compresores de pistón, maquinaria
herramientas.
B: Par proporcional a la velocidad: calandrias.
C: Proporcional al cuadrado de la velocidad: Bombas centrífugas, ventiladores,
compresores rotativos, etc.
D: Par resistente a la velocidad : procesos de regulación o tornos.
Las curvas de operación del motor, así como los tipos de arranques más usuales se
ilustran en la figura 3.
T ip os d e ca r g a
O p e ra ción n or m a l d e l m otor
M
M
A
B
Me
MN
D
C
nN
I/I N
A r r a n q ue c on te n sión
r e g u la d a
M /nN
2 .5
1
A r r a n q ue e str ella - de lta
M∆
MΥ
..
B
A
B
A
nN
nN
Figura 3 Curvas de operación y arranques estándares
Ref. (IET)
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7
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•
Variación de velocidad: Los motores asincrónicos son esencialmente de velocidad
constante, sin embargo y dependiendo de la aplicación, en ocasiones es conveniente
que sea variable. Las formas más usuales para variar la velocidad en este tipo de
motor son las siguientes:
1. Intercalando resistencias en el rotor, es decir, variando el deslizamiento (figura 4).
Potencia
A
R2
R2 R1
Potencia
De pérdidas
n2
n1
Potencia
Útil
n3
NS
Figura 4 Variadores de velocidad
Ref. (IET)
En estos casos, la potencia absorbida de la red es prácticamente invariable,
mientras que la potencia útil es proporcional a la velocidad→ aplicaciones
especiales de poca duración.
2. Por variación de polos del estator.
3. Por variación de frecuencia de alimentación.
2.3 Motores Síncronos
Los motores sincrónicos son de menor uso a nivel industrial y sólo sustituyen a los
asíncronos en algunas aplicaciones específicas. Su principal característica es que giran a
velocidad constante e igual a la velocidad sincrónica.
2.3.1
Características de operación de los motores síncronos
Además de girar a velocidad constante, los motores sincrónicos presentan las siguientes
características de operación:
•
•
•
El rotor debe alimentarse con corriente directa.
Su par de arranque es nulo, por lo que debe arrancar como si fuese asíncrono.
Son más costosos y requieren de un mayor mantenimiento.
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8
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•
•
3
Su factor de potencia puede llegar a 1 e incluso puede hacerse capacitivo (de ahí que
es uno de los métodos para corregir el factor de potencia en una instalación eléctrica).
En general, pueden ser más ventajosos que los asíncronos en casos de bajas
velocidades, grandes tamaños y en mejorar el factor de potencia.
PARÁMETROS DE SELECCIÓN EN MOTORES
3.1 Análisis del rendimiento
En la transformación de energía eléctrica en mecánica (que tiene lugar en un motor), una
parte de la energía eléctrica tomada de la red se convierte en calor, constituyendo lo que
son las pérdidas de un motor (ver figura 5).
Pe
η=
Pu
Pu
Pu
=
Pe Pu + PP
Pp
Figura 5 Eficiencia de motores
Ref. (IET)
Las pérdidas que se originan en todos los motores eléctricos son fundamentalmente de
tres tipos:
•
•
•
Pérdidas eléctricas en devanados y otras partes de la maquinaria (Pcu). Éstas
corresponden a las pérdidas por efecto Joule (I2.R) y las pérdidas producidas en las
escobillas (motores de C.C.).
Pérdidas producidas en los circuitos magnéticos, o pérdidas en el hierro (Pfe).
Pérdidas mecánicas debidas a rozamientos y ventilación (Pmec). También se incluye en
este grupo aquellas originadas por el roce en los cojinetes, del aire y de las escobillas,
así como la potencia absorbida por el ventilador.
En la figura 6 se representa, mediante un diagrama de Sankey, las pérdidas que se
originan en un motor convencional.
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9
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Pu
Pe
Motor
P. M ec.
Pfe
Pcu
Figura 6 Naturaleza de las pérdidas en motores
Ref. (IET)
El cálculo exacto de las pérdidas no es fácil de determinar, dada la gran variedad de
formas constructivas y de los tipos de ventilación, sin embargo, actualmente existe un
sinnúmero de tablas y programas que permiten, por comparación con motores similares,
determinarlas con excelentes resultados. Es importante aclarar, que para un motor
determinado, las pérdidas aumentan a medida que crece la velocidad de rotación del
motor.
3.2 Determinación óptima de la potencia de motores.
Para una aplicación determinada, la elección de un motor eléctrico óptimo resulta bastante
complejo (debido a los muchos factores que deben tenerse en cuenta), es decir, no existe
una regla exacta y precisa que se aplique en todos los casos. En tal sentido, se pretende
dar algunas orientaciones que permitan elegir el camino más indicado en cuanto a la
elección del motor se refiere.
Se puede resumir los factores más importantes a tenerse en cuenta en la elección de un
motor en los siguientes tres bloques:
- Tensión de
alimentación
- Condicione
ambientale
Condiciones ambientales
- Potencia Nominal
- Arranque
- Tipo deservicio
- Velocidad
Exigencias de acondicionamiento
- Tipos
- Precios
Tipos y precios y de instalación
Finalmente y teniendo en cuenta la carga requerida y la velocidad de operación, se
presenta en la figura 7 un esquema ilustrativo que permite elegir la conveniencia entre
motores síncronos y asíncronos (siendo estos últimos, los más utilizados a nivel industrial
por su menor costo, presentan un mejor arranque, mayor control de la velocidad, menos
mantenimiento, menos robustos, etc.).
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V elo cida d
2500
A si n c
1000
S in c .
O
A si n c
S in c .
400
200 400 600
800
1000
2000
3000
P o t e n c ia C V
Figura 7 Selección de motores en función de su potencia y velocidad
Ref. (IET)
3.3 Conveniencia de la instalación de Motores trifásicos en lugar de
monofásicos
Para ciertas aplicaciones, en donde la potencia requerida es pequeña, son de mucha
utilidad los motores monofásicos. Las aplicaciones más comunes son:
•
•
•
•
Electrodomésticos: Aspiradoras, frigoríficos, ventiladores, batidoras, etc.
Equipos de oficina.
Industria y comercio: Máquinas y herramientas portátiles, pequeños accionamientos,
etc.
Agricultura.
Y en general, en todos aquellos casos en donde son requeridos equipos pequeños y para
control.
A pesar de lo anterior, la utilización de estos motores es bastante desfavorable frente a los
trifásicos debido a los siguientes factores:
•
•
•
•
La caída de velocidad al aumentar el par resistente es mayor.
La eficiencia es menor.
El factor de potencia es menor.
Su par de arranque es nulo, no puede arrancar por si mismo.
En este último caso, se recomienda que en un motor monofásico el arranque sea de la
siguiente manera (figura 8 ):
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11
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1φ
Devanado
principal
Condensador
Devanado
secundario
Interruptor
centrifugo
Rotor
Figura 8 Motor monofásico
Ref. (IET)
4
FALLAS FRECUENTES EN MOTORES
Se ha definido falla eléctrica como "cualquier evento que impide la normal operación
(disponibilidad) de algún equipo, esquema o componente de control y protección". Esta
amplia definición permite el registro de eventos, aún cuando el equipo afectado no se
encuentre plenamente inoperativo, situación muy frecuente en el campo del control y
protección de Sistemas Eléctricos. Por otra parte, se define Atención Correctiva como “un
procedimiento preestablecido y destinado a retornar a su estado normal de operación
(definido o provisorio) al objeto afectado por la falla”.
Existen diferentes enfoques para analizar y evaluar el impacto de las fallas sobre los
equipos del sistema eléctrico de las Industrias, en general basadas en la evaluación de la
potencia o energía perdida con ocasión de cada falla. En este sentido las fallas en un
motor eléctrico pueden ser originadas por:
•
•
•
Fallas en los Sistemas de Protección y Control.
Fallas originadas en la operación
Fallas debidas a la no Calidad de la Potencia
4.1 Fallas en los Sistemas de Protección y Control:
Aunque existan fallas relacionadas con la operación de los equipos y la no calidad de la
energía, es el sistema de protección y control quién finalmente realiza una acción
determinada. La particular naturaleza de los trabajos del área responsable de los Sistema
de Protección y Control, hacen que el enfoque relacionado con la pérdida de potencia no
sea adecuado por cuanto muchas de las fallas que afectan a tales equipos no llegan a
producir interrupción.
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12
CURSO MOTORES ELÉCTRICOS
4.2 Fallas originadas en la operación:
A este grupo corresponde las fallas asociadas a los incrementos de temperatura en
equipos, y problemas de vibración mecánica. En el primer caso, la sobrecarga de los
motores y conductores son consecuentes a la circulación de corrientes elevadas que
originan, a su ves, pérdidas de energía, ineficiencias en los procesos, extra costos en la
operación y mantenimiento, calentamiento excesivo de las partes, e incluso, hasta la
misma destrucción del equipo si los sistemas de control y protección no son los adecuados.
En este caso, la calidad de la energía se ve seriamente afectada puesto que las
sobrecorrientes originan caídas de tensión considerables.
Para contrarrestar las fallas eléctricas por incrementos de temperatura es indispensable
realizar, entre otros, una limpieza periódica de las partes del motor y los conductores,
chequeos a los sistemas de protección, y pruebas termográficas en barrajes, conductores,
carcasas, puntos de conexión y aislamientos térmicos.
Con respecto a las vibraciones mecánicas, son el resultado de fuerzas magnéticas
desiguales que actúan sobre el rotor o sobre el estator. dichas fuerzas desiguales pueden
ser debidas a:
•
•
•
•
•
•
•
Rotor que no es redondo.
Chumaceras del inducido que son excéntricas.
Falta de alineamiento entre el rotor y el estator.
Entrehierro no uniforme.
Perforación elíptica del estator.
Devanados abiertos o en corto circuito.
Hierro del rotor en corto circuito.
Las vibraciones ocasionadas por los problemas eléctricos responden generalmente a la
cantidad de carga colocada en el motor. A medida que se modifica la carga, la amplitud
y/o las lecturas de fase pueden indicar cambios significativos. Esto explica por qué los
motores eléctricos que han sido probados y balanceados en condiciones sin carga
muestran cambios drásticos de los niveles de vibración cuando vuelven a ser puestos en
servicio.
Un caso particular de vibraciones mecánicas lo constituyen las poleas desgastadas y
bandas destempladas en accionamientos mecánicos, cuyo efecto en motores es la
presencia de desbalances de corriente, que a su vez, originan desbalances de tensión
(pérdida de la calidad de la potencia).
4.3 Fallas debidas a la no Calidad de la Potencia
Los problemas relacionados con la calidad de potencia están muy ligados a una amplia
gama de fenómenos. Aproximadamente en dos tercios de los casos se trata de fenómenos
naturales, como los rayos. Otras causas de la pérdida de la calidad de energía la
constituyen la operación de equipos de gran potencia en la industria o en la red misma
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13
CURSO MOTORES ELÉCTRICOS
(por ejemplo, la conexión de condensadores) y, en general, una variedad de fenómenos
que pueden llegar a producir caídas súbitas de tensión a nivel del consumidor y que hacen
muy compleja la evaluación de la calidad de potencia.
las perturbaciones que generalmente afectan la calidad de la potencia se clasifican en las
siguientes categorías:
•
•
•
•
•
Fluctuaciones de voltaje.
Variaciones momentáneas de alto y bajo voltaje.
Interrupción permanente en equipos y/o en procesos.
Armónicos.
Transitorios (Transientes).
En la figura 9 se presenta la forma de onda con las principales perturbaciones que atentan
contra la calidad de la potencia eléctrica.
Figura 9 Perturbaciones frecuentes que afectan la calidad de la potencia eléctrica
Ref. (Manual técnico de la ABB)
Con base en lo expuesto anteriormente, en la tabla 2 se presentan las causas y efectos de
las fallas más frecuentes en un motor eléctrico.
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Tabla 2 Causas y efectos de las fallas más frecuentes en un motor eléctrico
Perturbación
subgénero
Aumento de la
temperatura
Vibraciones
Mecánicas
SAGS
Variaciones
momentáneas de bajo
y alto voltaje
•
•
•
•
•
•
Causa de la perturbación
Suciedad de las partes del motor.
Aislamientos térmicos defectuosos.
Cuchillas gastadas en molinos.
Sobrecarga de barrajes, cables y motores.
Sistemas de control desconfigurados.
Operación inadecuada de protecciones.
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Rotor que no es redondo.
Chumaceras del inducido que son excéntricas.
Falta de alineamiento entre el rotor y el estator.
Entrehierro no uniforme.
Perforación elíptica del estator.
Devanados abiertos o en corto circuito.
Hierro del rotor en corto circuito.
Bandas destempladas.
Poleas desgastadas en Accionamientos.
•
•
•
•
Corto circuito en un alimentador de alta potencia.
Arranque de motores de potencia alta
•
•
incremento temporal del voltaje durante un desbalance
de fases en una falla sólida a tierra.
Falla de un sistema no aterrizado y de impedancia de
secuencia cero infinita.
Fallas localizadas en sistemas de alimentación de 4
hilos y múltiple aterrizaje.
•
•
•
•
SWEELS
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
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Efecto de la perturbación (falla)
Calentamiento excesivo.
Destrucción de equipos.
Conatos de incendio.
Pérdidas de energía.
Paros indebidos.
Sobrecorrientes.
Caídas de tensión
Ineficiencia en el proceso.
Extracostos en operación y mantenimiento.
Calentamiento excesivo.
Desgaste y destrucción del equipo (disminución
considerable de la vida útil).
Pérdidas de energía.
Paros indebidos.
Sobrecorrientes.
Desbalances de corriente.
Desbalances de voltaje.
Ineficiencia en el proceso.
Extracostos en operación y mantenimiento.
Apertura indebida en contactores y dispositivos de
protección.
Arranque no exitoso del motor que genera la
perturbación.
Incremento temporal del voltaje.
Sobrevoltajes línea-tierra.
Operación inadecuada de dispositivos de control y
protección.
Problemas de hardware por calentamiento en equipos de
cómputo.
Destrucción de componentes electrónicos.
Daños en discos duros o en cabezales de diferentes
dispositivos.
15
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Perturbación
Variaciones
momentáneas de bajo
y alto voltaje (Cont.)
subgénero
Interrupciones
(momentáneas,
temporales y
permanentes).
•
•
•
Sobretensiones
•
Subtensiones
•
•
•
•
•
•
•
•
Apagado de equipos de gran consumo. Por •
ejemplo, aires acondicionados de gran potencia
y máquinas industriales.
•
Efecto de la perturbación (falla)
Paros indebidos en los equipos del proceso.
Ineficiencia en el proceso.
Extracostos en operación y mantenimiento.
Disminución de la vida útil de los equipos.
Se generan voltajes SAG (durante el intervalo el tiempo
comprendido entre el inicio de la falla y el tiempo de operación
del sistema de protección).
Pérdida de información y daños permanentes en discos duros.
Deterioro paulatino de los componentes de las computadoras y
otros equipos.
Ocasionan en las computadoras pérdida de información,
errores en la grabación de datos o daños permanentes.
Se originan cuando se encienden equipos de alto •
consumo de energía, como ascensores, motores
y compresores.
•
Caídas de voltaje en las centrales de generación •
por excesiva demanda de potencia.
•
Esfuerzo adicional para el funcionamiento de las fuentes de
poder de las computadoras y equipo de control.
Errores en los archivos de datos.
Fallos o daños en los componentes eléctricos de los equipos de
cómputo.
Algunos equipos no logran energizarse completamente.
•
Se originan por la operación de cargas no
lineales y dispositivos que requieren de
electrónica de potencia (convertidores, grandes
motores de corriente directa y variadores de
velocidad).
•
•
•
•
•
•
•
Paros indebidos en equipos sensibles.
Pérdidas de energía.
Sobrecargas en los equipos.
Operación inadecuada de fusibles y equipos de protección.
Calentamientos excesivos.
Resonancias electromagnéticas.
Errores de medición (adelanto y retraso de los contadores de
energía), etc.
•
Maniobras de interruptores asociados a grandes
motores.
Conexión y desconexión de capacitores
(corrección del factor de potencia en grandes
motores).
Desconexión
de
motores
eléctricos
en
elevadores, equipos de aire acondicionado,
refrigeradores, etc.
•
•
•
•
Esfuerzos excesivos al aislamiento de ciertos equipos.
Daños a componentes electrónicos sensibles.
Interrupción de programas de control en procesos.
Pérdida de la información almacenada en memoria de
computadoras.
Daño de los elementos mismos del equipo de cómputo
(Hardware).
Armónicos e
Interarmónicos.
Transitorios
Causa de la perturbación
Fallas en el sistema de potencia.
Fallas en motores de gran consumo.
Mala operación de controles.
•
•
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•
16
CURSO MOTORES ELÉCTRICOS
5
PROTECCIONES ELÉCTRICAS
De acuerdo con lo que establece el REBT (Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión), en
la instrucción IMIE BT 020, todo circuito (y/o equipo) debe estar protegido contra los
efectos de las sobrecorrientes que puedan presentarse en el mismo.
Se entiende por sobrecorriente toda corriente superior a la nominal. Una sobrecorriente
puede producirse por un cortocircuito o por una sobrecarga.
Para proteger un circuito contra los efectos de las sobrecorrientes (sobrecargas y
cortocircuitos), normalmente se utiliza alguna de estas opciones:
• Fusibles: protegen contra sobrecargas de muy larga duración y contra cortocircuitos.
• Fusibles y relé térmico: El fusible protege contra cortocircuitos y sobrecargas
intensas, y el relé térmico contra sobrecargas no intensas. Esta opción se utiliza
fundamentalmente en la protección de motores.
• Interruptores automáticos magnetotérmicos: Protegen contra sobrecargas y
cortocircuitos. El sistema de protección térmico protege contra sobrecargas y el
magnético contra cortocircuitos.
A continuación se hará extensible la definición de los elementos que conforman el sistema
de protección de un motor.
5.1 Fusible:
Estos dispositivos interrumpen un circuito eléctrico cada vez que una sobrecorriente
quema por fusión un conductor ubicado en el interior, por lo que deben ser reemplazados
después de cada actuación para poder restablecer el circuito. Básicamente existen tres
tipos de fusibles normalizados: Cuchilla, Cilíndricos y Tipo D.
Para la adquisición de un fusible es de importante tener en cuenta las siguientes
características:
•
•
•
•
La corriente nominal.
La tensión nominal.
El poder de corte nominal.
La característica tiempo/corriente de respuesta.
5.2 Interruptor automático:
Dispositivo mecánico de conexión capaz de establecer, soportar e interrumpir corrientes
bajo condiciones normales de operación. De igual forma pueden soportar sobrecargas
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durante un tiempo determinado e interrumpir corrientes abruptas, como las de
cortocircuito.
En un interruptor, el dispositivo disparador de sobrecorriente cuenta con un sistema
magnético de respuesta rápida ante sobrecorrientes abruptas (cortocircuitos), y una
protección térmica basada en un bimetal que desconecta ante sobrecorrientes de
ocurrencia más lenta (sobrecargas).
5.3 Relé Térmico:
En motores industriales de potencia nominal superior a 0,75 kW, y todos aquellos situados
en locales con riesgo de incendio o explosión, la protección contra sobrecargas se
encomienda a un dispositivo llamado relé térmico. Este dispositivo debe ir asociado a un
contactor, que es el encargado de abrir y cerrar el circuito de alimentación al motor.
5.4 Interruptor Diferencial:
El interruptor diferencial es un dispositivo destinado a la protección contra los contactos
indirectos, el cual se instala en el tablero eléctrico después del interruptor general del
empalme. Si ocurre un cortocircuito en algún equipo, se crea un desequilibrio entre la
corriente que entra y sale del mismo. Lo mismo ocurre si una persona toca una parte
energizada de la instalación eléctrica. En ambos casos, los interruptores diferenciales
intervienen abriendo el circuito.
5.5 Sistema de Puesta a Tierra:
Por puesta a tierra de protección se entiende la conexión de determinados elementos de
una instalación eléctrica con el potencial de tierra, asegurando la actuación de los
elementos de protección y evitando tensiones de contacto peligrosas para las personas. La
instalación de la puesta a tierra se logra, entre otras alternativas, mediante el empleo de
electrodos enterrados cuyas características dependen de aspectos como la calidad del
suelo, parámetros eléctricos del sistema y la superficie de terreno disponible. Es
importante mencionar que para la protección mediante un sistema de puesta a tierra NO
DEBEN UTILIZARSE LOS DUCTOS O LAS CAÑERÍAS DE COBRE DE UNA
INSTALACIÓN.
Es por eso que normalmente se cuenta con tres conductores al momento de arreglar un
enchufe o instalar un nuevo equipo, dos de los cuales corresponden a fase (energizada) y
neutro, y el tercer conductor es el de la puesta a tierra de protección. Si por ejemplo en la
instalación de un motor no se hubiese instalado este tercer conductor, o si la puesta a
tierra estuviese mal hecha, entonces en caso que ocurre una falla al interior de la máquina
puede que un conductor energizado haga contacto con la carcaza metálica del motor
dejándolo a una tensión peligrosa, sin que una persona lo note. Sin embargo, al contar
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18
CURSO MOTORES ELÉCTRICOS
con una adecuada instalación de puesta a tierra de protección, la carcaza estará puesta al
potencial de tierra, por lo que en el momento de contacto del conductor energizado con la
carcaza se produciría un cortocircuito y actuarán las protecciones correspondientes.
6
NORMAS DE DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE MOTORES
El diseño de una instalación, de conformidad con lo establecido por los códigos, minimiza
los riesgos de incendio y de accidentes, pero no garantiza la operación satisfactoria o
eficiente del sistema. En este sentido, se debe recurrir a normas de diseño adicionales
para equipos específicos, por ejemplo de un reactor, para logras estos últimos fines.
A escala regional la Norma Técnica Colombiana NTC 2050 o código Eléctrico Nacional, ha
normalizado todas las instalaciones eléctricas interiores, buscando la seguridad de las
personas y los equipos, y elevando a la categoría de obligatorio cumplimiento criterios de
reconocido valor técnico.
Para instalar cualquier equipo eléctrico, en este caso un motor, se inicia por investigar si
existen reglas locales de instalación en forma de reglamento, si no existen, se debe
cumplir con los requisitos del Código Eléctrico Nacional (ICONTEC) e incluso con las
normas técnicas internacionales, de las cuales sobresalen:
•
•
•
•
•
•
IEC: International Electrothecnical Commision. Comisión Electrotécnica Internacional.
NEC: National Electric Code. Código Eléctrico Americano.
ANSI: American National Standart Institute. Instituto Americano de Normalización.
NEMA: National Electrical Manufactures Association. Asociación Americana de
Fabricantes de Productos Eléctricos.
CIE: Comission Internationale de L´Eclairage. Comisión Internacional de Iluminación.
UNE: Una Norma Española.
En la tabla 3 se presenta, a manera de resumen, la definición y el objeto de las normas
generales para el diseño de motores, y que son vigentes para instalaciones eléctricas
Nacionales.
Con respecto al diseño de motores de alta eficiencia, diversos fabricantes han realizado
acciones tendientes a reducir las pérdidas y mejorar la eficiencia energética, entre las
cuales sobresalen:
•
•
•
•
•
•
Utilización de acero con mejores propiedades magnéticas.
Reducción del entrehierro.
Reducción del espesor de la laminación.
Incremento en el calibre de los conductores.
Utilización de ventiladores y sistemas de enfriamiento más eficientes.
Utilización de materiales aislantes mejores.
En virtud a estos diseños, los motores eficientes generan menos calor residual y requieren,
por lo tanto, menor energía para enfriamiento (es suficiente con un ventilador más
pequeño). Como resultado se obtiene motores con pérdidas de hasta un 45% menores
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que la de los motores estándar y garantizan una operación más silenciosa (es sabido que
motores estándares de gran tamaño originan contaminación auditiva).
Tabla 3 Normas generales para el diseño e instalación de equipos, regidos para el
Sistema Eléctrico Colombiano.
EQUIPO
NORMA
OBJETO
NTC 1099
Conductores
unipolares
aislados
con
material
termoplástico PVC.
Alambres conductores y cables para usos eléctricos.
Terminología y definiciones.
Cables concéntricos de cobre duro. semiduro y blando
para usos eléctricos.
Tubos de policloruro de vinilo rígido para alojar y proteger
conductores eléctricos
Tubos de policloruro de vinilo rígido para redes eléctricas
subterráneas.
Establece una identificación de color normalizada par el
conductor de tierra en cables para cuerdas flexibles.
NTC 911
CONDUCTORES
motores)
(para
la
instalación
de
NTC 307
NTC 979
NTC 1630
NTC 188
CONTACTORES ELECTROMECÁNICOS Y ARRANCADORES DE MOTOR.
NTC 2466
NTC 1337
INTERRUPTORES
NTC 2116
ACEITES AISLANTES
DERIVADOS DEL
PETRÓLEO
SOMETIDOS
A
IMPULSOS
ELÉCTRICOS.
NTC 3225
UNE 21.103 -91
CORTACIRCUITOS FUSIBLES
MÁQUINAS ROTATATORIAS
7
NEMA C50
(U. S. A.)
Esta norma se aplica a los contactores cuyos contactos
principales están diseñados para ser conectados a
circuitos que no exceden la tensión nominal de 1000V CA
ó 1500V CD.
Interruptores para instalaciones eléctricas de alumbrado.
Interruptores para protección contra sobrecorriente en
instalaciones que operan a 50Hz ó 60Hz, tensión no
superior a 440V y una corriente nominal que no exceda a
125 A.
Comprende el método de ensayo para determinar la
tensión de ruptura dieléctrica de los aceites aislantes
sometidos a impulsos eléctricos.
Reglas generales y suplementarias para los fusibles de
baja tensión destinados a ser utilizados por personal
autorizadas o personal no calificado.
Cubre temas como construcción, características de
operación, rendimiento, tamaños de armazón, calidad,
clasificaciones del par y bases para establecer la
capacidad nominal.
MANTENIMIENTO DE MOTORES:
Las inspecciones, las lubricaciones y la limpieza periódica y sistemática
hacen parte de un necesario programa de mantenimiento preventivo de las
máquinas eléctricas, todo ello con el fin de evitar daños y paradas innecesarias en el
trabajo.
La ubicación de las máquinas eléctricas va desde lugares en donde no hay
polvo, suciedad ni humedad, hasta sitios donde se encuentra toda clase de
suciedad. Por eso el periodo de las operaciones de las inspecciones varía
según el caso, desde cada semana, hasta casa año, condicionando eso, no
solamente por el medio donde trabaja el motor, sino también por el tiempo
de trabajo y de la naturaleza del servicio que desempeña. En línea general,
se deben observar las siguientes reglas:
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CURSO MOTORES ELÉCTRICOS
7.1 Cada semana
•
•
•
•
•
Verificar el nivel de aceite de los cojinetes y de los anillos engrasadores.
Verificar las conexiones de la caja de bornes (cables pelados, tuercas
no apretadas).
Examen de los fusibles y de los aparatos de control.
Verificación del alcance de la velocidad de plena carga en un tiempo
normal.
Verificar la tensión en los bornes del motor.
7.2 Cada seis meses
•
•
•
•
•
•
•
Verificar la grasa o el estado del aceite de los cojinetes (excesiva
grasa puede producir recalentamiento).
Examinar las escobillas y portaescobillas (verificar la presión, la correcta
posición y el desgaste. Las escobillas que están desgastadas a más de la
mitad deben ser sustituidas).
Escuchar el motor a plena velocidad de carga y observar eventuales ruidos
mecánicos, luego desde parado, mover el eje para averiguar eventuales desgastes de
los cojinetes.
Verificar pernos que sujetan la base del motor, los tornillos que sujetan
la placa, los escudos, las tapas de los cojinetes y las tapas de protección.
Inspeccionar el estado de los aparatos de control (arreglar los contactos
estropeados y apretar bien las conexiones, verificar el estado de los resortes
de los contactos).
Verificar si por algún fusible quemado, el motor no está trabajando con
todas las tres fases.
Limpiar la suciedad del motor usando aspiradores (los compresores echarían
la suciedad en los enrrollamientos).
7.3 Cada año
•
•
•
•
Limpiar los cojinetes de casquillos y renovar el aceite o grasa (esto
es condicionado al ambiente de trabajo del motor).
Verificar el grado de aislamiento del motor. Si la lectura es inferior
a un megahomio (1 MΩ) y se presume que el motor esté muy húmedo, entonces hay
que secarlo con una estufa hasta que la lectura sea satisfactoria.
Verificar la corriente absorbida por el motor a plena carga, compararla
con la que indica la placa de características y concluir si el motor está
sobrecargado o subcargado.
Verificar la holgura del entrehierro con un calibrador de láminas (no
se debe admitir una reducción de esta holgura superior al 20% del entrehierro
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CURSO MOTORES ELÉCTRICOS
normal).
7.4 Cada dos años
•
•
Desmontar el motor y limpiarlo con tetracloruro de carbono.
Secado y rebarnizado del motor (operación condicionadas al tipo de trabajo
del motor y al medio circundante).
7.5 Recomendaciones generales
Se dan los siguientes lineamientos generales:
•
•
•
•
•
•
•
•
8
El polvo con limadura de hierro es abrasivo, produce desgaste y es un
buen conductor.
En ambientes muy salinos (como las cercanías del mar), los portaescobillas
de las máquinas eléctricas es preferible levantarlos del colector si la
máquina se queda mucho tiempo sin trabajar. Se evitarán manchas y corrosiones
en el colector.
El recalentamiento de un motor puede ser producido por la obstrucción
de los canales de ventilación. Hay que chequearlos y limpiarlos con frecuencia.
Los cojinetes nuevos hay que guardarlos bien envueltos en sitios limpios.
No hay que dejarlos mezclados con la herramienta, ni cerca de limaduras
o suciedades.
Si en un cojinetes hay un escape, no hay que seguir poniendo aceite o
grasa. Es necesario un chequeo y arreglar la causa de la pérdida.
En un sistema de tracción, bandas y poleas desajustadas ocasionan sobrecargas en el
motor, ineficiencias y pérdidas de energía.
Las altas temperaturas en el motor son síntoma de sobrecarga y fallas de aislamiento
eléctrico, por lo cual se recomienda realizar periódicamente medidas de termografía en
los devanados.
Finalmente y para el caso de arrancadores de motores, se debe realizar
periódicamente inspección visual (resecamiento de la bobina, arco en los contactos,
suciedad en el núcleo magnético y decoloración de los contactos), auditiva (vibración
excesiva del núcleo magnético) y de tacto (verificación de terminales flojos,
desuniformidad de presión en los contactos y temperaturas anormales) .
NUEVAS TECNOLOGÍAS
Aunque los motores modernos tienen eficiencias altas, los nuevos diseños de eficiencia
energética (también llamados motores de alta eficiencia) prestan suma importancia al
ahorro de energía y a la reducción de los costos por consumo de electricidad. Los motores
eficientes incorporan los últimos desarrollos en diseño y tecnología de materiales, y
aunque presentan un costo inicial mayor que los motores estándares, el costo adicional es
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CURSO MOTORES ELÉCTRICOS
recuperado rápidamente por los ahorros de energía eléctrica (los períodos de recuperación
suelen ser de unos cuantos meses), dependiendo por supuesto, del costo de la energía y
el número de horas semanales de uso.
Los motores de alta eficiencia están diseñados para minimizar las pérdidas en la coraza y
en el embobinado. Esto significa que se pierde menos calor, de tal manera que se requiere
menos energía para enfriar el motor y se puede emplear un ventilador más pequeño.
En la actualidad los fabricantes y consumidores están poniendo atención a los motores de
alta eficiencia a consecuencia de una gran campaña en favor de la protección del medio
ambiente, es por eso que muchos motores eléctricos han sido rediseñados tomando en
cuenta la eficiencia en el aprovechamiento y el uso eficiente de la energía eléctrica.
En la tabla 4 se presenta un comparativo de la eficiencia nominal entre motores estándar y
motores de alta eficiencia de 4 polos. Cabe anotar, que en la sustitución de un motor
estándar por uno de alto rendimiento, un aumento considerable en la eficiencia se ve
reflejado en una disminución de las pérdidas y un ahorro de energía eléctrica.
Tabla 4 Eficiencias nominales para motores estándares y de alta eficiencia
(4 polos)
Potencia Nominal
(kW)
1,119
1,492
2,238
3,730
5,595
7,460
11,19
14,92
18,65
22,38
29,84
37,30
44,76
55,95
74,60
93,25
111,9
149,2
Eficiencia nominal
Abiertos
Cerrados
Estándar
Eficiente
Estándar
Eficiente
74,0
84,0
80,0
84,0
75,5
84,0
81,5
84,0
81,5
86,5
81,5
87,5
81,5
87,5
84,0
87,5
82,5
88,5
86,5
89,5
82,5
89,5
86,5
89,5
84,0
91,0
87,5
91,0
84,0
91,0
87,5
91,0
86,5
91,7
89,5
92,4
88,5
92,4
90,2
92,4
89,5
93,0
90,2
93,0
89,5
93,0
91,0
93,0
90,2
93,6
91,7
93,6
90,2
94,1
91,7
94,1
91,0
94,1
92,4
94,5
92,4
94,5
92,4
94,5
92,4
95,0
92,4
95,0
93,0
95,0
93,0
95,0
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