INSTALA Y MANTIENE MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS EN LÍNEA
1 INSTALA Y MANTIENE MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS EN LÍNEA Propiedad de INADET – CENALTEC. Prohibida la reproducción parcial o total. INDICE (Títulos en arial 14)
2 INSTALA Y MANTIENE MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS EN LÍNEA Propiedad de INADET – CENALTEC. Prohibida la reproducción parcial o total. INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA Pero, ¿cómo funcionan las máquinas rotativas? ¿En qué principios se basan estas máquinas? estos dispositivos funcionan gracias a la inducción electromagnética. En los fenómenos de inducción electromagnética se producen fuerzas que, en último extremo son las responsables de los movimientos producidos en este tipo de máquinas. La inducción electromagnética explica cómo un campo magnético cambiante puede producir una corriente eléctrica y, a la inversa, cómo una corriente eléctrica genera un campo magnético a su alrededor. La aplicación más común de la inducción electromagnética es la generación de electricidad, cuando una bobina de material conductor, generalmente de cobre, se mueve en presencia de un campo magnético producido por ejemplo por un imán. Las líneas del campo magnético del imán hacen que fluyan los electrones en el cable de la bobina. El responsable de este descubrimiento científico fue Michael Faraday. Efectivamente, el flujo magnético que atraviesa al anillo de cobre varía según va girando la espira, pasando de un flujo máximo en la situación de la figura a un flujo mínimo en caso de que la espira gire 90°. Esta variación del flujo magnético es lo que produce la aparición de una tensión eléctrica inducida en la espira y por tanto la circulación de una corriente eléctrica si se conecta un receptor entre sus bornes. Así, la Ley de Faraday establece que la tensión eléctrica inducida en un circuito eléctrico es proporcional a la variación del flujo magnético que lo atraviesa.
3 INSTALA Y MANTIENE MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS EN LÍNEA Propiedad de INADET – CENALTEC. Prohibida la reproducción parcial o total. La inducción electromagnética es entonces pues la producción de corrientes eléctricas por campos magnéticos variables con el tiempo. La inducción electromagnética es el fenómeno que origina la producción de una fuerza electromotriz (f.e.m. o voltaje) en un medio o cuerpo expuesto a un campo magnético variable, o bien en un medio móvil respecto a un campo magnético estático. Es así que, cuando dicho cuerpo es un conductor, se produce una corriente inducida.
4 INSTALA Y MANTIENE MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS EN LÍNEA Propiedad de INADET – CENALTEC. Prohibida la reproducción parcial o total. El experimento de Faraday En uno de sus experimentos, en 1831, Faraday enrolló un cable conectado a una pila alrededor de un anillo de hierro y enrolló un segundo cable en el otro lado del anillo, un cable sin pila. La idea era simple: si una corriente eléctrica generaba un campo magnético, tal vez un campo magnético generaría una corriente eléctrica. De modo que Faraday puso un detector en el segundo cable, el que no tenía pila alguna, y encendió el primer circuito conectado a la pila. Sin embargo, no sucedió lo que podría parecer evidente: cuando la pila estaba encendida y por tanto había un campo magnético, el segundo cable no mostraba corriente alguna. La situación era exactamente igual con la pila encendida que con la pila apagada. Pero, ¡ah!, algo inesperado sí sucedía: justo en el momento de encender el primer circuito o apagarlo, aparecía una corriente eléctrica en el segundo circuito. Lo extraño era que no era la existencia de un campo magnético lo que inducía una corriente en el circuito sin pila: era la variación del campo magnético la que generaba corriente. Además, y esto era también curioso, cuando se encendía el circuito, la corriente en el segundo circuito iba en un sentido, pero al apagarlo, la corriente iba en sentido contrario. En ambos casos se detectaba corriente durante un tiempo muy corto: el que duraba la transición apagado-encendido y viceversa. Eran los cambios, y no la mera existencia de campo magnético, los que causaban la aparición de corriente.
5 INSTALA Y MANTIENE MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS EN LÍNEA Propiedad de INADET – CENALTEC. Prohibida la reproducción parcial o total. MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS El fundamento teórico en el que se basa el funcionamiento de los convertidores electromecánicos se encuentra en los tres principios fundamentales de la inducción electromagnética, que podemos resumirlos en: Una corriente eléctrica que circula por un conductor arrollado a un núcleo metálico de hierro o acero hace que éste se comporte como un imán. Las corrientes eléctricas ejercen entre sí fuerzas a distancia. Cuando se mueve un conductor en el seno de un campo magnético, se produce (induce) sobre él una corriente eléctrica.
6 INSTALA Y MANTIENE MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS EN LÍNEA Propiedad de INADET – CENALTEC. Prohibida la reproducción parcial o total. Podemos realizar otra clasificación de las máquinas eléctricas teniendo en cuenta el tipo de corriente eléctrica que utilizan, el número de fases, etc., tal como se muestra en la Tabla siguiente.
7 INSTALA Y MANTIENE MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS EN LÍNEA Propiedad de INADET – CENALTEC. Prohibida la reproducción parcial o total. Clasificación de las máquinas rotativas Constitución de las máquinas rotativas La constitución de toda máquina eléctrica rotativa (tanto de c.c. como de c.a.) es muy similar. Si sacrificamos un excesivo rigor científico por brevedad y sencillez, describiremos a continuación las partes más relevantes de toda máquina eléctrica rotativa, lo cual nos permitirá conocer tanto sus limitaciones como sus aplicaciones más adecuadas. Toda máquina eléctrica rotativa consta de los siguientes elementos básicos
8 INSTALA Y MANTIENE MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS EN LÍNEA Propiedad de INADET – CENALTEC. Prohibida la reproducción parcial o total. Inductor. Inducido Escobillas. Culata o carcasa. Entrehierro. Cojinetes. Inductor Es una de las dos partes fundamentales que forman una máquina eléctrica, se encarga de producir y de conducir el flujo magnético. Se le llama también estator por ser la parte fija de la máquina. El inductor, a su vez, consta de los siguientes elementos: la pieza polar, el núcleo, el devanado inductor y la expansión polar. La pieza polar, sujeta a la culata de la máquina, incluye al núcleo propiamente dicho y a su expansión. El núcleo forma parte del circuito magnético de la máquina junto
9 INSTALA Y MANTIENE MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS EN LÍNEA Propiedad de INADET – CENALTEC. Prohibida la reproducción parcial o total. con los polos, las expansiones polares, el entrehierro, inducido y la culata, y en él se encuentran los devanados inductores. El devanado inductor está formado por el conjunto de espiras que, en número prefijado para cada tipo de máquina producirá el flujo magnético cuando circule la corriente eléctrica. Inducido El inducido constituye el otro elemento fundamental de la máquina. Se denomina también rotor por ser la parte giratoria de la misma. Consta, a su vez, de núcleo del inducido, devanado inducido y colector. El núcleo del inducido está formado por un cilindro de chapas magnéticas que están construidas, generalmente, de acero laminado con un 2 % de silicio para mejorar las pérdidas en el circuito magnético. Este cilindro se fija al eje dela máquina, el cual descansa sobre unos cojinetes de apoyo. Las chapas que forman el inducido o rotor de la más quina disponen de ranuras en las que se alojan los hilos de cobre del devanado inducido. Escobillas
10 INSTALA Y MANTIENE MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS EN LÍNEA Propiedad de INADET – CENALTEC. Prohibida la reproducción parcial o total. Generalmente, se fabrican de carbón o de grafito, se hallan alojadas en un portaescobillas desde donde se deslizan sobre las delgas del colector y, mediante un conductor flexible, se unen a los bornes del inducido. Culata La culata es la envoltura de la máquina eléctrica y está hecha de material ferromagnético. Su misión es conducir el flujo creado por el devanado inductor. También se unen a ella los polos de la máquina. Entrehierro Se denomina entrehierro al espacio existente entre la parte fija y la parte móvil de la máquina, es decir, entre el rotor y el estator, evitándose de esta manera el rozamiento entre ambos. Cojinetes Sirven de apoyo al eje del rotor de la máquina. EL GENERADOR ELÉCTRICO Principio de funcionamiento de un generador eléctrico:
11 INSTALA Y MANTIENE MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS EN LÍNEA Propiedad de INADET – CENALTEC. Prohibida la reproducción parcial o total. Ley de Faraday La Ley de Faraday está basada en los experimentos que Michael Faraday, físico británico, realizó en 1830. Establece que el voltaje inducido en un circuito es directamente proporcional al cambio del flujo magnético en un conductor o espira. Esto significa que, si tenemos un campo magnético generando un flujo magnético, necesitamos una espira por donde circule una corriente para conseguir que se genere la fuerza electromotriz (f.e.m.). Faraday también ideó el primer generador electromagnético: el disco de Faraday. ¿En qué consistía? Era un disco de cobre que giraba impulsado por una manivela situada entre los extremos de un imán con forma de herradura. El disco de Faraday demostró que se podía generar electricidad usando magnetismo. Además, abrió la puerta a los conmutadores, dinamos de corriente continua y alternadores de corriente. Los dos principios fundamentales en los que se basa cualquier máquina que transforma la energía mecánica en energía eléctrica (generador electromagnético) son los siguientes:
12 INSTALA Y MANTIENE MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS EN LÍNEA Propiedad de INADET – CENALTEC. Prohibida la reproducción parcial o total. Cuando un conductor que se encuentra situado en el interior de un campo magnético se mueve de tal forma que corta líneas de flujo magnético, se genera en él una fuerza electromotriz (fem). Al circular una corriente eléctrica a través de un conductor situado dentro de un campo magnético, se produce una fuerza mecánica que tiende a mover al con Ductor en dirección perpendicular a la corriente y al campo magnético En las máquinas rotativas, los conductores se montan paralelos al eje de rotación y sobre el inducido, como se representa en la figura, se pueden ver las Líneas de flujo magnético y fem inducida en una máquina eléctrica rotativa. Cuando gira el inducido, los conductores (C) cortan las líneas de campo magnético, de este modo se genera en ellos una fem. Los puntos y las cruces representados en las secciones de los conductores (C) de la anterior indican el sentido de la fem generada cuando el inducido gira en sentido contrario a las agujas del reloj. Para poder extraer la corriente generada, hay que conectar los conductores del inducido a un circuito de carga exterior por medio de las escobillas A+ y A–, En los generadores de c.c. (dinamos) el campo magnético permanece en reposo, mientras que el inducido es el órgano móvil de la máquina
13 INSTALA Y MANTIENE MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS EN LÍNEA Propiedad de INADET – CENALTEC. Prohibida la reproducción parcial o total. Por el contrario, en los generadores de c.a. el inducido, generalmente, permanece estático y el campo magnético gira. El Generador de corriente alterna: alternador Por tanto, si se coloca una espira dentro de un campo magnético, como se representa en la figura, ésta cortará en su giro las líneas de fuerza del campo magnético creado por los polos norte y sur, conectando de este modo sus extremos a los anillos sobre los cuales se apoyan las escobillas que están conectadas al circuito exterior a través de una resistencia. El aparato de medida registrará el paso de corriente eléctrica. Se muestra un generador en su forma elemental.
14 INSTALA Y MANTIENE MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS EN LÍNEA Propiedad de INADET – CENALTEC. Prohibida la reproducción parcial o total. La forma de esta corriente eléctrica es una onda sinusoidal como lo es también la fem inducida. Por tanto, durante el giro de la espira de 0° a 360°, que se a través de las posiciones A (0°), B (0° a 90°), C (90° a 180°) y D (180° a 270°), para pasar de nuevo a la posición A inicial. Para obtener una corriente continua, bastará con sustituir los anillos por dos semicilindros que giren al unísono con la espira, como se indica en la figura de tal forma que cuando cambie el sentido de la fem inducida en la espira, también cambien los semicilindros de la escobilla, dando como resultado una corriente eléctrica que siempre irá dirigida en el mismo sentido.
15 INSTALA Y MANTIENE MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS EN LÍNEA Propiedad de INADET – CENALTEC. Prohibida la reproducción parcial o total. Los alternadores, también llamados generadores de corriente alterna, son máquinas que transforman la energía mecánica en energía eléctrica. La mayoría son de corriente alterna síncrona, lo que significa que giran a la velocidad de sincronismo, que está relacionada con el número de polos que tiene la máquina y la frecuencia de la fuerza electromotriz. Esta relación hace que el motor gire a la misma velocidad que le impone el estátor a través del campo magnético. Esta relación viene dada por la expresión: n = 60. f / P f es la frecuencia a la cual está conectada la máquina y P es el número de pares de polos. Al ser máquinas síncronas que se conectan a la red, los alternadores han de trabajar a una frecuencia determinada. En el caso de Europa y algunas zonas de Latinoamérica se trabaja a 50 Hz, mientras que en los Estados Unidos usan 60 Hz. En aplicaciones especiales como en el caso de la aeronáutica, se utilizan frecuencias más elevadas, del orden de los 400 Hz. Los alternadores están acoplados a una máquina motriz que les genera la energía mecánica en forma de rotación. Según la máquina motriz tenemos tres tipos:
16 INSTALA Y MANTIENE MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS EN LÍNEA Propiedad de INADET – CENALTEC. Prohibida la reproducción parcial o total. 1. Máquinas de vapor. Se acopla directamente al alternador. Generan una velocidad de giro baja y necesitan un volante de inercia para generar una rotación uniforme. 2. Motores de combustión interna. Se acoplan directamente y las características son similares al caso anterior. 3. Turbinas hidráulicas. La velocidad de funcionamiento tiene un rango muy amplio. Están diseñados para funcionar bien hasta el doble de su velocidad de régimen. El Generador de corriente continua: la dinamo El generador de corriente continua, también llamado dinamo, es una máquina eléctrica rotativa a la cual le suministramos energía mecánica y la transforma en energía eléctrica en corriente continua. En la actualidad se utilizan muy poco, ya que la producción y transporte de energía eléctrica es en forma de corriente alterna. Una de las características de las dinamos es que son máquinas reversibles: se pueden utilizar tanto como generador o como motor. El motor es la principal aplicación industrial de la dinamo, ya que tiene facilidad a la hora de regular su velocidad de giro en el rotor. La conmutación es la operación de transformación de una señal alterna a una señal continua, también se conoce como rectificación de señal. Las dinamos hacen esta conmutación porque tienen que suministrar corriente continua. Esta conmutación en las dinamos se realiza a través del colector de delgas. Los anillos del colector están cortados debido a que por fuera de la espira la corriente siempre tiene que ir en el mismo sentido. A la hora de realizar esta conmutación existen diferentes problemas. Cuando el generador funciona con una carga conectada en sus bornes, nos encontramos con una caída de tensión interna y una reacción en el inducido.
17 INSTALA Y MANTIENE MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS EN LÍNEA Propiedad de INADET – CENALTEC. Prohibida la reproducción parcial o total. El inducido creará un flujo magnético que se opone al generado por el imán. A este efecto se le da el nombre de fuerza contraelectromotriz, que desplazará el plano neutro. Para solucionar este problema se pueden realizar diversas mejoras como: desplazar las escobillas, usar bobinas de compensación o polos de conmutación o auxiliares. EL MOTOR DE CORRIENTE DIRECTA Los motores de Corriente Directa o motor DC (correspondiente a las iniciales en inglés “direct current”) es también conocidos como motor de Corriente Continua o motor CC, son muy utilizados en diseños de ingeniería debido a las características torque-velocidad que poseen con diferentes configuraciones eléctricas o mecánicas. Una gran ventaja de los motores de CD se debe a que es posible controlarlos con suavidad y en la mayoría de los casos son reversibles, responden rápidamente gracias a que cuentan con una gran razón de torque a la inercia del rotor. Otra ventaja es la implementación del frenado dinámico, donde la energía generada por el motor se alimenta a un resistor disipador, y el frenado regenerativo donde la
18 INSTALA Y MANTIENE MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS EN LÍNEA Propiedad de INADET – CENALTEC. Prohibida la reproducción parcial o total. energía generada por el motor retroalimenta al suministro de potencia CD, esto es muy utilizado en aplicaciones donde se deseen frenados rápidos y de gran eficiencia. Curva torque - velocidad La siguiente gráfica es una representación de los torques que un motor puede proporcionar a diferentes velocidades a los voltajes nominales. Para un dado torque proporcionado por el motor, se puede utilizar la curva corrientetorque para determinar la corriente requerida cuando se le aplica el voltaje nominal al motor. Como regla general, los motores generan grandes torques a baja velocidad, y grandes torques implican una demanda mayor de corriente por parte del motor. El torque de arranque o torque crítico (Ts): Es el torque máximo que puede proporcionar un motor a velocidad cero, asociado con el arranque o sobrecarga del motor. La velocidad de no carga (WMáx): Es la máxima velocidad sostenida que puede lograr el motor. Esta velocidad sólo se puede lograr cuando no se aplica carga o torque al motor.
19 INSTALA Y MANTIENE MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS EN LÍNEA Propiedad de INADET – CENALTEC. Prohibida la reproducción parcial o total. Clasificación de los motores de cd Motores de imán permanente (PM) En este tipo de motores, los campos del estator son generados mediante imanes permanentes que no requieren fuente de alimentación externa y por lo tanto no producen un calentamiento. Los motores PM son más ligeros y pequeños en comparación con otros motores de CD con algunas características equivalentes ya que la intensidad del campo del imán permanente es alta. También resulta sencillo invertir el sentido de giro al conmutar la dirección del voltaje aplicado, ya que la corriente y el campo cambian de dirección sólo en el rotor. El motor de imán permanente es ideal en aplicaciones de control por computadora debido a su linealidad torque-velocidad, aunque únicamente se utilizan en aplicaciones de baja potencia. Los motores CD de imán permanente pueden ser motores con escobillas, sin escobillas o de pasos. Motor shunt Conformados por una armadura y devanados de campo conectados en paralelo que son activados mediante la misma fuente. Los motores shunt presentan velocidad casi constante sobre un gran rango de carga, cuentan con un torque de arranque de aproximadamente 1.5 veces el torque operativo nominal, tienen torque de arranque más bajo que cualquiera de los motores de CD y se puede convertir económicamente para permitir una velocidad ajustable al colocar un potenciómetro
20 INSTALA Y MANTIENE MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS EN LÍNEA Propiedad de INADET – CENALTEC. Prohibida la reproducción parcial o total. en serie con los devanados de campo. La corriente de carga total es la suma de las corrientes de armadura y campo. Motor serie Cuentan con devanados de armadura y campo conectados en serie, de modo que las corrientes de armadura y campo son iguales. Los motores en serie generan torques de arranque muy altos, velocidad extremadamente variable dependiendo de la carga, y gran velocidad cuando la carga es pequeña. Los motores en serie grandes pueden fallar catastróficamente cuando se descargan súbitamente debido a la fuerza dinámica a altas velocidades, a esto se le llama sin control. La curva torque-velocidad para un motor en serie tiene forma hiperbólica, lo que implica una relación inversa entre el torque y la velocidad, con una potencia casi constante. Motor compuesto Estos motores incluyen tanto devanados de campo en derivación como en serie, lo que resulta en características combinadas de motores en derivación y en serie.
21 INSTALA Y MANTIENE MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS EN LÍNEA Propiedad de INADET – CENALTEC. Prohibida la reproducción parcial o total. Parte de la corriente de carga pasa a través de los devanados de armadura y serie, la corriente de carga restante pasa sólo a través de los devanados en derivación. La velocidad máxima de un motor compuesto es limitada, su regulación de velocidad no es tan buena como la de un motor en derivación. El torque producido por los motores compuestos es un poco menor que el de los motores en serie de similar tamaño. Nota: A diferencia del motor de imán permanente, cuando cambia la polaridad de la alimentación para un motor CD en derivación, en serie o compuesto, el sentido de rotación no cambia (lo que significa que dichos motores no son reversibles). La razón de esto es la polaridad del estator y el rotor cambia debido a que los devanados de campo y armadura son excitados por la misma fuente. Atendiendo al tipo de corriente utilizada para su alimentación, se clasifican en: 1. Motores de corriente continua De excitación independiente. De excitación serie. De excitación (shunt) o derivación. De excitación compuesta (compund). 2. Motores de corriente alterna Motores síncronos. Motores asíncronos:
22 INSTALA Y MANTIENE MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS EN LÍNEA Propiedad de INADET – CENALTEC. Prohibida la reproducción parcial o total. Monofásicos. De bobinado auxiliar. De espira en cortocircuito. Universal. 3. Trifásicos. De rotor bobinado. De rotor en cortocircuito (jaula de ardilla). EL MOTOR DE CORRIENTE ALTERNA Todos los motores de corriente continua, así como los síncronos de corriente alterna incluidos en la clasificación anterior tienen una utilización y unas aplicaciones muy específicas. Los motores de corriente alterna asíncronos, tanto monofásicos como trifásicos, son los que tienen una aplicación más generalizada gracias a su facilidad de utilización, poco mantenimiento y bajo coste de fabricación. Por ello, en la siguiente nos centraremos en la constitución, el funcionamiento y la puesta en marcha de los motores asíncronos de inducción. La velocidad de sincronismo de los motores eléctricos de corriente alterna viene definida por la expresión: Se da el nombre de motor asíncrono al motor de corriente alterna cuya parte móvil gira a una velocidad distinta a la de sincronismo. Aunque a frecuencia industrial la velocidad es fija para un determinado motor, hoy día se recurre a variadores de frecuencia para regular la velocidad de estos motores.
23 INSTALA Y MANTIENE MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS EN LÍNEA Propiedad de INADET – CENALTEC. Prohibida la reproducción parcial o total. Campo magnético giratorio El campo magnético creado por un bobinado trifásico alimentado por corriente alterna es de valor constante pero giratorio y a la velocidad de sincronismo. Este fenómeno se puede comprobar con el estudio de las posiciones que va ocupando la resultante del flujo atendiendo a los sentidos de corriente que van tomando los conductores en el bobinado. La relación para la velocidad de giro del campo magnético rotatorio, conocida como Velocidad Sincrónica, incluye la cantidad de polos (Norte-Sur) producidos en el estator y la frecuencia de la red eléctrica La fórmula es la siguiente:
24 INSTALA Y MANTIENE MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS EN LÍNEA Propiedad de INADET – CENALTEC. Prohibida la reproducción parcial o total. NOTA: La constante 120 tiene que ver con el desfase de 120º. Por ejemplo: Motor 2 Polos, 60 Hz, tendrá = 3600 RPM. Principio de funcionamiento El funcionamiento del motor asíncrono de inducción se basa en la acción del flujo giratorio generado en el circuito estatórico sobre las corrientes inducidas por dicho flujo en el circuito del rotor. El flujo giratorio creado por el bobinado estatórico corta los conductores del rotor, por lo que se generan fuerzas electromotrices inducidas. Suponiendo cerrado el bobinado rotórico, es de entender que sus conductores serán recorridos por corrientes eléctricas. La acción mutua del flujo giratorio y las corrientes existentes en los conductores del rotor originan fuerzas electrodinámicas sobre los propios conductores que arrastran al rotor haciéndolo girar (Ley de Lenz). La velocidad de rotación del rotor en los motores asíncronos de inducción es siempre inferior a la velocidad de sincronismo (velocidad del flujo giratorio). Para que se genere una fuerza electromotriz en los conductores del rotor ha de existir un movimiento relativo entre los conductores y el flujo giratorio. A la diferencia entre la velocidad del flujo giratorio y del rotor se le llama deslizamiento. Como se explica al inicio de la unidad, la velocidad de estos motores, según el principio de funcionamiento y la frecuencia industrial, tiene que ser una velocidad fija, algo menor que la de sincronismo. Gracias a los avances en la electrónica de potencia, actualmente se fabrican arrancadores estáticos que pueden regular la velocidad de estos motores actuando sobre la frecuencia de la alimentación del
25 INSTALA Y MANTIENE MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS EN LÍNEA Propiedad de INADET – CENALTEC. Prohibida la reproducción parcial o total. motor, es decir, convierten la frecuencia industrial de la red en una distinta que se aplica al motor. De ahí que reciban el nombre de convertidores de frecuencia, pudiendo regular la velocidad, amortiguar el arranque e incluso frenarlo. MOTORES TRIFÁSICOS La constitución y el principio de funcionamiento se han expuesto en los párrafos anteriores. Son motores en los que el bobinado inductor colocado en el estátor está formado por tres bobinados independientes desplazados 120º eléctricos entre sí y alimentados por un sistema trifásico de corriente alterna. Los podemos encontrar de dos tipos: • Rotor en cortocircuito (jaula de ardilla). • Rotor bobinado. Tensiones e intensidades en el estátor de los motores trifásicos Todo bobinado trifásico se puede conectar en estrella (todos los finales conectados en un punto común, alimentando el sistema por los otros extremos libres) o bien en triángulo (conectando el final de cada fase al principio de la fase siguiente, alimentando el sistema por los puntos de unión), como se puede apreciar en la figura. En la conexión estrella, la intensidad que recorre cada fase coincide con la intensidad de línea, mientras que la tensión que se aplica a cada fase es 3 menor que la tensión de línea. En la conexión triángulo la intensidad que recorre cada fase es 3 menor que la intensidad de línea, mientras que la tensión a la que queda sometida cada fase coincide con la tensión de línea.
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27 INSTALA Y MANTIENE MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS EN LÍNEA Propiedad de INADET – CENALTEC. Prohibida la reproducción parcial o total. En estas condiciones, el motor se puede considerar como bitensión, ya que las tensiones normalizadas son de 230 o 400 V. Si un motor está diseñado para aplicarle 230 V a cada fase, lo podremos conectar a la red de 230 V en triángulo y a la red de 400 V en estrella. En ambos casos, la tensión que se le aplica a cada fase es 230 V. En una y otra conexión, permanecen invariables los parámetros de potencia, par motor y velocidad. La conexión estrella o triángulo se realiza sobre la placa de bornes mediante puentes como se puede apreciar en la Figura Motor de jaula de ardilla En el momento del arranque este motor acoplado directamente a la red presenta un momento de rotación de 1,8 a 2 veces el de régimen, pero la intensidad absorbida en el arranque toma valores de 5 a 7 veces la nominal. Su puesta en marcha se realiza de una forma simple y sencilla mediante un interruptor manual tripolar. Estos interruptores han de estar diseñados para la intensidad del motor. El Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión en su instrucción ITC-BT-47 regula la relación que debe existir entre las intensidades de arranque y plena carga de los motores alimentados desde una red pública de alimentación en función de su potencia. De dicha relación de proporcionalidad se desprende que los motores de
28 INSTALA Y MANTIENE MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS EN LÍNEA Propiedad de INADET – CENALTEC. Prohibida la reproducción parcial o total. potencias superiores a 0,75 kW que no cumplan la relación de intensidades expuesta en la tabla, han de disponer de un sistema de arranque que disminuya esa relación. La intensidad en el momento del arranque de motores que no cumpla esta relación puede hacer que salten las protecciones o bien perjudicar las líneas que los alimentan. Para evitar estos inconvenientes se disminuye la tensión en el periodo de arranque y con ello la intensidad, y una vez alcanzada la velocidad de régimen se conecta el motor a su tensión nominal, con lo que se logra amortiguar la intensidad de arranque. Para conseguir esto se utilizan los siguientes procedimientos: • Arranque estrella triángulo. • Arranque mediante autotransformador. • Arranque mediante resistencias en serie con el bobinado estatórico. Arranque estrella triángulo (λ – Δ)
29 INSTALA Y MANTIENE MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS EN LÍNEA Propiedad de INADET – CENALTEC. Prohibida la reproducción parcial o total. El procedimiento más empleado para el arranque de motores trifásicos de rotor en cortocircuito con relaciones superiores a la expuesta en la tabla anterior consiste en conectar el motor en estrella durante el periodo de arranque y, una vez lanzado, conectarlo en triángulo para que quede conectado a la tensión nominal. Este conmutador posee tres posiciones: la inicial de desconexión, la siguiente que conecta los bobinados del motor en estrella y la tercera que conecta los bobinados en triángulo. La parada se hace de forma inversa. En el mercado podemos encontrar distintos modelos de conmutadores y para distintas intensidades. vemos un arrancador estrella triángulo denominado de paquete. Para poder utilizar este método, es necesario que el motor pueda funcionar en conexión triángulo a la tensión de la red. En consecuencia, cuando en el arranque lo conectamos en estrella, cada fase queda sometida a una tensión √3 menor que la de línea y, por lo tanto, la intensidad que circula por ella es también √3 menor que si estuviese conectado en triángulo. Teniendo en cuenta que si lo conectásemos en triángulo la intensidad en la línea es √3 mayor que la de fase, mientras que en estrella son iguales, resulta que el mismo motor arrancado en estrella consume una intensidad √3 ⋅ √3 = 3 veces menor que si lo conectamos en triángulo. Por esta misma razón, el momento de rotación también se reduce en un tercio.
30 INSTALA Y MANTIENE MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS EN LÍNEA Propiedad de INADET – CENALTEC. Prohibida la reproducción parcial o total. Sentido de giro de los motores trifásicos Para comprobar el campo magnético giratorio, se tenía en cuenta el sentido de circulación de la corriente por las tres fases del bobinado. En él se ve que la resultante del flujo tiene el sentido de giro de las agujas del reloj (sentido horario), por lo que el rotor es arrastrado en el mismo sentido de giro. Cuando necesitamos que el giro sea al contrario (sentido anti-horario), basta con permutar dos fases de alimentación del motor, con lo que el motor gira en sentido opuesto. Hay que tener cuidado de no permutar las tres fases pues en ese caso el motor sigue girando en el mismo sentido. Cuando una máquina ha de girar en ambos sentidos, necesitamos un conmutador (inversor) que realice la permuta de la alimentación sin tener que manipular las conexiones. Estos conmutadores han de estar dimensionados para la intensidad del motor y poseen tres posiciones, con el cero en el medio para conseguir que la inversión no se realice a contramarcha.
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32 INSTALA Y MANTIENE MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS EN LÍNEA Propiedad de INADET – CENALTEC. Prohibida la reproducción parcial o total. Conexiones de motores trifásicos Los motores eléctricos trifásicos asíncronos, fabricados bajo la norma Estadunidenses de la Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos NEMA (National Electrical Manufacturers Association), pueden tener en algunos casos 12 terminales. En los EE.UU., se diseñan para dos tensiones con una relación de 2 a 1. Ejemplo 230/ 460 voltios. Y dos tipos de conexiones; “Conexiones Tipo Delta “o “Conexiones Tipo ESTRELLA”, cada tipo puede ser conectado en paralelo (para bajo voltaje) y en serie (para voltaje alto). En potencias bajas (hasta 40 HP) las conexiones más utilizadas son Estrella, en potencias más altas las conexiones utilizadas son Delta Se puede recurrir a un sistema de identificación de terminales para realizar los diagramas de conexiones cuando no tengamos a la mano los diagramas.
33 INSTALA Y MANTIENE MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS EN LÍNEA Propiedad de INADET – CENALTEC. Prohibida la reproducción parcial o total. Identificación de terminales El sistema utilizado como medio para determinar la secuencia de los números de las terminales de un motor trifásico, consiste en dibujar una conexión “Y” invertida con 12 terminales, después numerar dichas terminales comenzando en exterior con la terminal T1 en la parte superior y siguiendo una espiral hacia la derecha, terminando en el interior. MOTOR 6 PUNTAS
34 INSTALA Y MANTIENE MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS EN LÍNEA Propiedad de INADET – CENALTEC. Prohibida la reproducción parcial o total. MOTOR 9 PUNTAS
35 INSTALA Y MANTIENE MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS EN LÍNEA Propiedad de INADET – CENALTEC. Prohibida la reproducción parcial o total.
36 INSTALA Y MANTIENE MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS EN LÍNEA Propiedad de INADET – CENALTEC. Prohibida la reproducción parcial o total. MOTOR DE 12 PUNTAS
37 INSTALA Y MANTIENE MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS EN LÍNEA Propiedad de INADET – CENALTEC. Prohibida la reproducción parcial o total. PLACA DE CARACTERÍSTICAS Cada motor debe contar con una placa de características, fácilmente visible y firmemente sujeta al motor con remaches del mismo material que las placas. Deben ser de acero inoxidable, la siguiente información son los mínimos que debe llevar la placa de datos y placas auxiliares, de cualquier motor de corriente alterna monofásico o trifásico.
38 INSTALA Y MANTIENE MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS EN LÍNEA Propiedad de INADET – CENALTEC. Prohibida la reproducción parcial o total. 1. Nombre del fabricante. 2. Tamaño, forma de construcción. 3. Clase de corriente. 4. Clase de máquina; motor, generador, etc. 5. Número de fabricación. 6. Identificación del tipo de conexión del arrollamiento. 7. Tensión nominal. 8. Intensidad nominal. 9. Potencia nominal. Indicación en kW para motores y generadores de corriente continua e inducción. Potencia aparente en kVA en generadores síncronos. 10.Unidad de potencia, por ejemplo, kW. 11.Régimen de funcionamiento nominal. 12.Factor de potencia. 13.Sentido de giro. 14.Velocidad nominal en revoluciones por minuto revol/min. 15.Frecuencia nominal. 16.“Err” excitación en máquinas de corriente continua y máquinas síncronas. “Lfr” inducido para máquinas asíncronas. 17.forma de conexión del arrollamiento inducido.
39 INSTALA Y MANTIENE MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS EN LÍNEA Propiedad de INADET – CENALTEC. Prohibida la reproducción parcial o total. 18.Máquinas de cc y síncronas: tensión nominal de excitación. Motores de inducido de anillos rozantes: tensión de parada del inducido (régimen nominal). 19.Máquinas de cc y síncronas: corriente nominal de excitación. Motores de inducido de anillos rozantes: intensidad nominal del motor. 20.Clase de aislamiento. 21.Clase de protección. 22.Peso en Kg o T. 23.Número y año de edición de la disposición VDE tomada como base. Leyendo los datos podemos observar: 3 ~, representa que es trifásico de corriente alterna. Mot. 1LA, motor y 1LA nos indica que es de jaula de ardilla este dato solamente lo sabemos a través del catálogo. IP 55, protección mecánica, clase de protección al polvo y al agua. IM B5, es la forma constructiva. IEC/EN, es la norma europea (Internacional Electrotecnical Comisión / Europeam Norm)
40 INSTALA Y MANTIENE MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS EN LÍNEA Propiedad de INADET – CENALTEC. Prohibida la reproducción parcial o total. TH.CI. F, es el tipo de aislamiento. 50 Hz, como es lógico indica la frecuencia o ciclos por segundo. 230/400 V, la primera cifra indica que se debe conectar en triángulo en redes de 230 v y la segunda cifra indica la conexión en estrella del motor en redes de 400 v. 1.5 Kw, señala la potencia mecánica o útil desarrollada en el eje. 5,9/3.4 A, amperaje absorbido (es decir la intensidad de la potencia útil más la intensidad de la potencia perdida en la máquina) por el motor en triángulo la primera cifra y en estrella la segunda. Cos φ 0,81, coseno de fi de la máquina. 1420/min, son las revoluciones por minuto, es decir, la velocidad a la que gira el eje del motor. 220-240/380-420 v, las primeras cifras es la conexión en triángulo y las segundas cifras la conexión en estrella. 6.1-6.1/3.5-3.5 A, son los amperajes consumidos con respecto a las conexiones anteriores, las primeras cifras en conexión triángulo y las segundas cifras el consumo en la conexión estrella.
41 INSTALA Y MANTIENE MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS EN LÍNEA Propiedad de INADET – CENALTEC. Prohibida la reproducción parcial o total. BIBLIOGRAFÍA COPAROMAN. (JUNIO 2014). MOTORES ELECTRICOS TRIFÁSICOS. 17 SEPTIEMBRE 2014, de COPAROMAN Sitio web: https://coparoman.blogspot.com/2014/09/motores-electricos-trifasicos-de-9-y-12.html FUNDACION ENDESA (AGOSTO 2019). EL GENERADOR ELECTRICO. 27/12/20, de Fundación Endesa Sitio web: https://www.fundacionendesa.org/es/recursos/a201908- generador-electrico MECATRONICALATAM. (NO INFO). MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA O DIRECTA. 22/12/20. Sitio Web: https://www.mecatronicalatam.com/es/tutoriales/motor/motoreselectricos/motor-de-corriente-continua/ MHEDUCATION. (NO INFO) MAQUINAS ELECTRICAS ROTATIVAS. 25/12/20 Sitio Web:https://www.mheducation.es/bcv/guide/capitulo/8448127641.pdf MHEDUCATION. (NO INFO) MOTORES ELECTRICOS 22/12/20 Sitio Web: https://www.mheducation.es/bcv/guide/capitulo/8448173104.pdf
42 INSTALA Y MANTIENE MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS EN LÍNEA Propiedad de INADET – CENALTEC. Prohibida la reproducción parcial o total. CUADRO DE REVISIONES Fecha Responsable: Revisión / Motivo de la revisión 27/12/2020 Ing.Anthar Carranza Quezada Creación de manual Máquinas Eléctricas Rotativas 11/02/2022 LSCA. Adriana Murillo Díaz Actualización de formato.