Estudio teórico de las aplicaciones que tienen los principales motores eléctricos

3. Objetivos
4. Principios básicos
5. Aplicaciones y fallas de los motores eléctricos
6. Conclusión
7. Bibliografía

INTRODUCCION

En este informe se ha querido llevar a las personas por las sendas de los conceptos acerca de los diferentes tipos de motores, sus diferencias y sus usos originales. Nos recuerda las propiedades de cada uno y precisa la clase de servicio que pueden ofrecernos. Para finalizar clasificando los tipos de averías que pueden presentar y la forma como debemos identificarlas.

En ocasiones, la rutina no aleja del rigor técnico. Por eso, es necesario volver, de vez en cuando, al concepto teórico; fuente segura de conocimientos básicos para la manipulación de los equipos, cuyo mejor aprovechamiento debemos garantizar.

Hablemos pues de motores, desde el ABC. El motor mismo es el fundamento de toda industria y sus principios básicos nos acercan al origen de todo movimiento, fuerza y velocidad.

¿Desde cuando no repasa usted sus conocimientos básicos de motores?.

Es sorprendente, a veces encontramos en los textos más sencillos, las respuestas a nuestros más complicados problemas.

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

Estudiar teóricamente las aplicaciones que tienen los principales motores eléctricos y algunas de las fallas que en ellos se presentan.

OBJETIVOS ESPECIFICOS

-. Conocer los principales tipos de motores, así como los principios básicos de funcionamiento.

-. Analizar las aplicaciones que tienen los motores eléctricos.

-. Definir algunas de las fallas que se presentan en los motores eléctricos.

CAPITULO I

PRINCIPIOS BASICOS

1.1-. CAMPO MAGNÉTICO

Si a una red trifásica R-S-T, le conectamos un bobinado estatórico en triángulo y bobinamos todos los polos siguientes en el mismo sentido las polaridades serán distintas en cada par de polos diametralmente opuestos.

Esto es igualmente válido para una conexión en estrella. La intensidad del campo de cada una de las bobinas depende de la corriente que circula por ella y en consecuencia por la fase que le corresponde. El campo de cada bobina aumenta o disminuye siguiendo la fluctuación de la curva (Perfectamente senoidal) de la corriente que circula por su fase. Como sea que las corrientes de una red trifásica están desfasadas 120° entre sí, es natural que las bobinas actúen también con un desfasaje de 120°. La acción simultanea de las corrientes de cada fase al actuar sobre las bobinas producen un campo magnético giratorio y allí tenemos el principio de un motor de C.A.

La velocidad de giro del campo depende de la frecuencia de la C.A, la frecuencia empleada en Venezuela es de 60 Hz.

1.2-. MOTORES ELECTRICOS

Un electromotor transforma la energía eléctrica en energía mecánica, este es el concepto básico de los equipos que en este proyecto trataremos de desarrollar.

La primera gran división de motores obedece al tipo de corriente que los energiza.

• Motores de corriente continua C.C.
• Motores de corriente alterna C.A.

1.2.1-. MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA

Por las dificultades que presentan la distribución y manejo de la C.C, es poco el uso de este tipo de motores a pesar de que son muy útiles cuando es necesario variar la velocidad o cambiar el sentido de giro. Por su poco uso no haremos en estudio profundo de su funcionamiento y comportamiento, solo diremos que basa su funcionamiento en la reversibilidad de un generador de C.C. (Dinamo). El movimiento de un conductor o espira dentro de un campo magnético engendra en él una corriente inducida, cuyo sentido depende del que rija el movimiento de la espira. Esto se consigue haciendo girar mecánicamente un campo magnético. Si por el contrario aportamos una corriente continua a un conductor o espira inmerso en un campo magnético, nace en él un movimiento cuyo sentido depende también del sentido del campo y del sentido de la corriente que atraviesa el conductor.

De este principio básico se deduce que si a un generador de C.C, le aplicamos una fuerza mecánica (Rotatoria), obtendremos energía eléctrica. Si por el contrario la aplicamos al mismo generador una C.C, obtendremos energía mecánica.

1.2.2-. MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA

Por el fácil manejo de transmisión, distribución y transformación de la C.A, se ha constituido en la corriente con más uso en la sociedad moderna.

Es por ello que los motores de C.A, son los más normales y con el desarrollo tecnológico se ha conseguido un rendimiento altísimo que hace que más del 90 % de los motores instalados sea de C.A.

Los motores de C.A, se dividen por sus características en:

1.2.2.1-. Sincrónicos

• Trifásico con Colector.
• Trifásico con Anillos.
• Y Rotor Bobinado.

1.2.2.2-. Asincrónicos o de Inducción

• Trifásico Jaula de Ardilla.
• Monofásico: Condensador, Resistencia.
• Asincrónicos Sincronizados: Serie o Universal.
• Espira en corto circuito.
• Hiposincrónico.
• Repulsión.

1.3-. MOTOR SINCRÓNICO

Esta fundamentado en la reversibilidad de un alternador. El campo interior de una aguja se orienta de acuerdo a la polaridad que adopta en cada momento el campo giratorio en que se haya inmersa y siempre el polo S de la aguja se enfrenta al polo N cambiable de posición del campo giratorio, la aguja sigue cambiando con la misma velocidad con que lo hace el campo giratorio. Se produce un perfecto sincronismo entre la velocidad de giro del campo y la de la aguja.

Si tomamos un estator de doce ranuras y lo alimentamos con corriente trifásica, se creará un campo giratorio. Si al mismo tiempo a las bobinas del rotor le aplicamos una C.C, girará hasta llegar a sincronizarse con la velocidad del campo giratorio, de tal manera que se enfrentan simultáneamente polos de signos diferentes, este motor no puede girar a velocidades superiores a las de sincronismo, de tal forma que será un motor de velocidad constante. La velocidad del campo y la del rotor, dependerán del número de pares de polos magnéticos que tenga la corriente. Un motor de doce ranuras producirá un solo par de polos y a una frecuencia de 60 Hz, girará a 3600 R.P.M.

Como se verá el principal inconveniente que presenta los motores sincrónicos, es que necesitan una C.C. para la excitación de las bobinas del rotor, pero en grandes instalaciones (Siderúrgicas), el avance de corriente que produce el motor sincrónico compensa parcialmente el retraso que determinan los motores asincrónicos, mejorando con ello el factor de potencia general de la instalación, es decir, el motor produce sobre la red el mismo efecto que un banco de condensadores, el mismo aprovechamiento de esta propiedad, es la mayor ventaja del motor sincrónico.

1.4-. MOTORES ASINCRÓNICOS O DE INDUCCIÓN

Son los de mayor uso en la industria, por lo tanto son los que mayor análisis merecen.

Cuando aplicamos una corriente alterna a un estator, se produce un campo magnético giratorio, este campo de acuerdo a las leyes de inducción electromagnéticas, induce corriente en las bobinas del rotor y estas producen otro campo magnético opuesto según la ley de Lenz y que por lo mismo tiende a seguirlo en su rotación de tal forma que el rotor empieza a girar con tendencia a igualar la velocidad del campo magnético giratorio, sin que ello llegue a producirse. Si sucediera, dejaría de producirse la variación de flujo indispensable para la inducción de corriente en la bobina del inducido.

A medida que se vaya haciéndose mayor la diferencia entre la velocidad de giro del campo y la del rotor, las corrientes inducidas en él y por lo tanto su propio campo, irán en aumento gracias a la composición de ambos campos se consigue una velocidad estacionaria. En los motores asincrónicos nunca se alcanza la velocidad del sincronismo, los bobinados del rotor cortan siempre el flujo giratorio del campo inductor.

1.4.1-. MOTORES ASINCRÓNICOS, JAULA DE ARDILLA

Es sin duda el más común de todos los motores eléctricos, por su sencillez y forma constructiva. Elimina el devanado en el rotor o inducido. Las planchas magnéticas forman el núcleo del rotor, una vez ensambladas dejan unos espacios cilíndricos que sustituyen a las ranuras de los rotores bobinados, por estas ranuras pasan unas barras de cobre (o aluminio) que sobresalen ligeramente del núcleo, estas barras o conductores están unidos en ambos lados por unos anillos de cobre. Se denomina Jaula de Ardilla por la similitud que tiene con una jaula.

En los motores de jaula de pequeña potencia, las barras son reemplazadas por aluminio inyectado igual que los anillos de cierre, a los que se les agregan unas aletas que actúan a su vez en forma de ventilador.

Las ranuras o barras pueden tener diferentes formas y lo que se pretende con ello es mejorar el rendimiento del motor, especialmente reducir las corrientes elevada que producen los motores de jaula en el momento de arranque.

Cuando el inducido está parado y conectamos el estator tienen la misma frecuencia que la que podemos medir en la línea, por lo tanto, la autoinducción en el rotor será muy elevada, lo que motiva una reactancia inductiva que es mayor donde mayor es el campo. De la manipulación de las ranuras y en consecuencia las barras dependerán que las corrientes sean más o menos elevadas, lo que en definitiva es el mayor problema de los motores de jaula.

Si analizamos el siguiente cuadro, se podría pensar en un motor que abarca las dos alternativas. Este motor existe, es el motor asincrónico sincronizado, su construcción es muy parecida a la del motor asincrónico con el rotor bobinado con anillos rozantes, con la diferencia de que una de la tres fase está dividida en dos partes conectadas en paralelo.

¿Cuál es el inconveniente que presenta este motor por lo que sólo es utilizado en grandes instalaciones?, Que para pasar de asíncrono a síncrono, necesita una serie de equipos tales como: Resistencia para el arranque como motor asíncrono, conmutador que desconecta esta resistencia y conecta la C.C. a los anillos rozantes cuando trabaja como síncrono.

1.5-. COMO ESCOGER UN MOTOR

Como hemos visto, no todos los motores pueden ser utilizados para toda clase de trabajo y cada actividad requiere un tipo de motor. Para elegir un motor hay que tener en cuenta:

• La carga de trabajo (Potencia).
• La clase de servicio.
• El ciclo de trabajo.
• Los procesos de arranque, frenado e inversión.
• La regulación de velocidad.
• Las condiciones de la red de alimentación.
• La temperatura ambiente.

1.6-. LA POTENCIA DE ACCIONAMIENTO

Potencia en KW = 0,736 * Potencia en HP

Potencia en HP = 1,36 * Potencia en KW

La potencia esta definida en dos factores: La fuerza en Kg y la velocidad en metros por segundo.

Potencia = F * V = Kgm/Seg.

El par del motor es una magnitud decisiva hasta el punto de determinar las dimensiones de un motor. Motores de igual par tienen aproximadamente las mismas dimensiones aunque tengan diferentes velocidades. En el arranque de un motor, es decir, en el intervalo de tiempo que pasa de la velocidad 0 a la nominal, el par toma distintos valores independientemente de la carga. La potencia nominal debe ser lo más parecida posible a la potencia requerida por la máquina a accionar. Un motor de potencia excesiva da lugar a una mayor intensidad de corriente durante el arranque.

CAPITULO II

APLICACIONES Y FALLAS DE LOS MOTORES ELECTRICOS

2.1-. APLICACIONES INDUSTRIALES DE LOS MOTORES

El motor de inducción, en particular el de tipo de jaula de ardilla, es preferible al motor de corriente continua para trabajo con velocidad constante, porque el costo inicial es menor y la ausencia de conmutador reduce el mantenimiento. También hay menos peligro de incendio en muchas industrias, como aserraderos, molinos de granos, fabricas textiles y fabricas de pólvoras. El uso del motor de inducción en lugares como fabricas de cementos es ventajoso, pues, debido al polvo fino, es difícil el mantenimiento de los motores de corriente continua.

Para trabajo de velocidad variable, como es grúas, malacates, elevadores y para velocidades ajustables, las características del motor de corriente continua son superiores a las del motor de inducción. Incluso en este caso, puede convenir y ser deseable utilizar motores de inducción ya que sus características menos deseables quedan más que compensadas por su sencillez y por el hecho de que la corriente alterna es más accesible y para obtener corriente continua, suelen ser necesarios los convertidores. Cuando haya que alimentar alumbrados y motores con el mismo sistema de corriente alterna, se utiliza el sistema trifásico, de cuatro conductores de 208/120 V. Esto permite tener 208 V trifásico para los motores y 120 V de fase a neutro para las lámparas.

La velocidad a plena carga, el aumento de temperatura, la eficiencia y el factor de potencia, así como el aumento máximo de torsión y la torsión al arranque, han sido desde hace mucho tiempo los parámetros de interés en la aplicación y compra de motores. Otras consideraciones es el factor de servicio. El factor de servicio de un motor de corriente alterna es un multiplicador aplicable a la potencia nominal en caballos. Cuando se aplica en esa forma, el resultado es una carga permisible en caballos en las condiciones especificadas para el factor de servicio. Cuando se opera a la carga del factor de servicio, con un factor de servicio de 1,15 o mayor, el aumento permisible en la temperatura ocasionado por resistencia es el siguiente: aislamiento clase A, 70 °C; clase B, 90 °C; clase F, 115 °C.

Se requieren alojamientos, conexiones, sellos, sistemas de ventilación, diseño electromagnético, etc., especiales cuando el motor va a funcionar en condiciones inusitadas de servicio, como la exposición a:

• Polvos combustibles, explosivos, abrasivos o conductores.
• Condiciones de pelusa o mugre excesivas, en donde la acumulación de mugre y polvo podría entorpecer la ventilación.
• Vapores químicos o vapores y gases inflamables o explosivos.
• Radiación nuclear.
• Vapor, aire cargado de sal o vapores de aceite.
• Lugares húmedos o muy secos, calor radiante, infestación de plagas o atmósferas que favorezca el crecimiento de hongos.
• Choques, vibraciones o carga mecánica externa, anormales.
• Empuje axial o fuerzas laterales anormales sobre el eje del motor.
• Desviación excesiva de la intensidad de voltaje.
• Factores de desviación del voltaje de línea que excedan de 10 %.
• Desequilibrio mayor que el 1 % en el voltaje de línea.
• Situaciones en donde se requiere bajo nivel de ruido.
• Velocidades mayores que la velocidad máxima especificada.
• Funcionamiento en un cuarto mal ventilado, en fosas o con el motor inclinado.
• Cargas torsionales de impacto, sobrecarga anormales repetidas, funcionamiento en reserva o frenado eléctrico.
• Funcionamiento con la máquina impulsada parada con cualquier devanado excitado en forma constante.
• Operación con ruido muy bajo transportado por la estructura o en aire.

2.2-. PROPULSIONES ELECTRICAS

Grúas y malacates: El motor de corriente continua excitador en serie es el que mejor se adapta a grúas y malacates. Cuando la carga es pesada, el motor reduce su velocidad en forma automática y desarrolla un momento de torsión creciente, con el cual se reducen las cargas picos en el sistema eléctrico. Con cargas ligeras, la velocidad aumenta con rapidez, con el cual se logra una grúa que trabaja con más rapidez. El motor en serie también está bien adaptado para impulsar el puente de las grúas viajeras y también al carro que se mueva a lo largo del puente. Cuando solo se dispone de corriente alterna y no resulta económico convertirla, el motor de inducción del tipo de anillo deslizante, con control de resistencia externa, es el mejor tipo de motor de corriente alterna. También se utilizan motores de jaula de ardilla con anillos extremos de alta resistencia, para producir un elevado momento de torsión al arranque (Motores clase D).

Aplicaciones de los momentos de torsión constante. Las bombas de pistón, molinos, extrusores y batidoras pueden requerir un momento de torsión constante en toda su variedad de velocidad. Estas requieren un motor de inducción jaula de ardilla, diseño clase C o D que tienen un alto momento de torsión de arranque, para alcanzar su velocidad nominal. Cuando debe variarse la velocidad estando ya en movimiento el motor, puede usarse un motor de C.C de voltaje de armadura variable o un motor de inducción jaula de ardilla de frecuencia variable.

Bombas centrífugas. El bajo WK2 y el bajo momento de torsión de arranque hacen que los motores jaula de ardilla diseño B de propósito general sean los preferidos para esta aplicación. Cuando se requieren un flujo variable, el uso de una fuente de potencia de frecuencia variable para variar la velocidad del motor, será favorable desde el punto de vista de la energía respecto al cambio de flujo por cierre de la válvula de control con el fin de incrementar la carga.

Ventiladores centrífugos. Un WK2 alto requiere un motor de caja de ardilla diseño C o D de alto momento de torsión de arranque para que el ventilador adquiera su velocidad de trabajo en un periodo razonable de tiempo.

2.3-. MOTORES CONECTADOS A LA RED

Variaciones de la tensión V y de la frecuencia de la tensión f, en Hz, en la red de un motor trifásico de devanado normal:

a) Variaciones de la tensión a frecuencia constante, el par de arranque y el par motor máximo varía con el cuadrado de la tensión. La intensidad de arranque varía proporcionalmente con la tensión, con variaciones de ± 5 % se obtiene la potencia nominal.

b) Variaciones de la frecuencia con tensión constante, los valores absolutos de los pares de arranque y motor máximo varían en forma inversamente proporcional con el cuadrado de la frecuencia. La intensidad de arranque varia inversamente proporcional con la frecuencia, con variaciones de ± 5 %, se puede entregar la potencia nominal.

c) Variaciones de la tensión y la frecuencia, si varía la tensión y la frecuencia en el mismo sentido y proporción, varían las revoluciones y la potencia proporcionalmente con la frecuencia.

Pueden conectarse por lo tanto motores con arrollamiento normal, aun en redes cuyas características se apartan en ± 5 % de la placa de características.

2.4-. FALLAS DE LOS MOTORES ELECTRICOS

-. Servicio de corta duración

El motor alcanza el calentamiento límite durante el tiempo de funcionamiento prescrito (10-30-60 minutos), la pausa tras el tiempo de funcionamiento debe ser lo suficientemente larga para que el motor pueda enfriarse.

-. Servicio intermitente

Se caracteriza por periodos alternos de pausa y trabajo.

-. Protección contra averías

Si se daña un motor, deben tomarse en cuentas los siguientes factores:

• Clase de máquina accionada.
• Potencia efectiva que debe desarrollar, HP.
• Velocidad de la máquina movida, RPM.
• Clase de transmisión (Acoplamiento elástico o rígido), sobre bancada común o separada, correa plana o trapezoidal, engranajes, tornillos sin fin, etc.
• Tensión entre fase de la red.
• Frecuencia de la red y velocidad del motor.
• Rotor anillos rozantes o jaula de ardilla.
• Clase de arranques, directo, estrella triángulo, resistencias estatóricas, resistencias retóricas, auto transformador, etc.
• Forma constructiva.
• Protección mecánica.
• Regulación de velocidad.
• Tiempo de duración a velocidad mínima.
• Par resistente de la máquina accionada (MKG).
• Sentido de giro de la máquina accionada mirando desde el lado de acoplamiento derecha, izquierda o reversible.
• Frecuencia de arranque en intervalos menores de dos horas.
• Temperatura ambiente si sobrepasa los 40 °C.
• Indicar si el motor estará instalado en áreas peligrosas: Gas, Humedad, etc.

-. El motor funciona en forma irregular

• Avería en los rodamientos.
• La caja del motor está sometida a tensiones mecánicas.
• Acoplamiento mal equilibrado.

-. No arranca

• Tensión muy baja.
• Contacto del arrollamiento con la masa.
• Rodamiento totalmente dañado.
• Defecto en los dispositivos de arranques.

-. Arranca a golpes

• Espiras en contacto.

-. Motor trifásico arranca con dificultad y disminución de velocidad al ser cargado

• Tensión demasiado baja.
• Caída de tensión en la línea de alimentación.
• Estator mal conectado, cuando el arranque es estrella triángulo.
• Contacto entre espiras del estator.

-. Trifásico produce zumbido internamente y fluctuaciones de corriente en el estator

• Interrupción en el inducido.

-. Trifásico no arranca o lo hace con dificultad en la conexión estrella

• Demasiada carga.
• Tensión de la red.
• Dañado el dispositivo de arranque estrella.

-. Trifásico se calienta rápidamente

• Cortocircuito entre fases.
• Contacto entre muchas espiras.
• Contacto entre arrollamiento y masa.

-. Estator se calienta y aumenta la corriente

• Estator mal conectado.
• Cortocircuito entre fases.
• Contacto entre arrollamientos y masa.

-. Se calienta excesivamente pero en proceso lento

• Exceso de carga.
• Frecuencia de conexión y desconexión muy rápida.
• Tensión demasiado elevada.
• Tensión demasiado baja.
• Falla una fase.
• Interrupción en el devanado.
• Conexión equivocada.
• Contacto entre espiras.
• Cortocircuito entre fases.
• Poca ventilación.
• Inducido roza el estator.
• Cuerpos extraños en el entrehierro.
• La marcha no corresponde al régimen señalado por la placa.

2.5-. EFICIENCIA DE LOS MOTORES ELECTRICOS

Los métodos para determinar la eficiencia son: Por medición directa o por pérdidas segregadas. Estos métodos están expuestos en el Standard Test Procedure for Polyphase Induction Motors and Generators, Std 112-1978, ANSI/IEEE; en el Standard Test Code for DC Machines, Std 113-1973, IEEE; en el Test Procedure for Single-Phase Induction Motors, Std 114-1982, ANSI/IEEE y en el Test Procedure for Synchronous Machines, Std 115-1965, IEEE.

Las mediciones directas pueden hacerse usando motores, generadores o dinamómetros calibrados para la entrada a generadores y salida de motores y, motores eléctricos de precisión para la entrada a motores y salida de generadores.

Las pérdidas segregadas en los motores se clasifican como sigue:

• Pérdidas I2*R en el estator (Campo en derivación y en serie I2*R para corriente continua).
• Pérdidas I2*R en el rotor (I2*R en la armadura, para corriente continua).
• Pérdidas en el núcleo.
• Pérdidas por cargas parásitas.
• Pérdidas por fricción y acción del viento.
• Pérdidas en el contacto de las escobillas (Rotor devanado y corriente continua).
• Pérdidas en el excitador (Sincrónico y corriente directa).
• Pérdidas por ventilación (Corriente directa).

Las pérdidas se calculan en forma separadas y luego se totalizan.

Donde,

Pe: Potencia entregada.

P: Potencia absorbida.

R: Rendimiento.

q : Angulo del factor de potencia.

CONEXIÓN DE MOTORES DE ARROLLAMIENTO NORMAL DE REDES

CONCLUSION

Los motores eléctricos son de suma importancia en la actualidad, debido a las diferentes aplicaciones industriales a los que son sometidos, es por ellos, que se deben tomar en cuenta todas las fallas que se presentan para el correcto funcionamiento de los mismos.

Un motor cuando comienza a sobre trabajar, es decir, que trabaja por encima de sus valores nominales, va disminuyendo su periodo de vida; esto nos lleva a concluir que si no se realiza un buen plan de mantenimiento el motor no durará mucho. Un plan de mantenimiento debe realizarse tomando en cuentas las fallas que están ocurriendo en los motores.

El resultado de este informe es presentar las aplicaciones de los motores eléctricos y las fallas que en ellos existen, pero debemos tener en cuenta que son conceptos que están íntimamente relacionados; Si no se conocen las fallas que se presentan en los motores eléctricos no se puede aplicar ningún plan de mantenimiento, lo que implica el mal funcionamientos de los mismo y no tendrían ninguna aplicación útil.

BIBLIOGRAFIA

-. Syed A, Nasar. Maquinas eléctricas y electromecánicas. Editorial McGraw-Hill.

-. Charles S, Siskind. Electrical Machines. International Student Edition. Second Edition.

-. Francis W, Sears. Fundamentos de fisica II. Electricidad y magnetismo. Editorial Aguilar. Madrid 1958.

PROF. ROBERTO VELTRI

UNIVERSIDAD GRAN MARISCAL DE AYACUCHO

FACULTAD DE INGENIERIA

ESCUELA DE INGENIERIA DE MANTENIMIENTO

MENCION: INDUSTRIAL

ANACO, FEBRERO DE 2005