Mantenimiento de Motores de Corriente Continua

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Unidad IV

MANTENIMIENTO DE MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA

1.

FUNDAMENTOS MECÁNICOS DE LOS MOTORES En la sociedad moderna, altamente industrializada, se precisan máquinas motrices de propiedades muy variadas. Deben funcionar produciendo un mínimo ruido y contaminar mínimamente el medio ambiente. Por otro lado, es conveniente que su construcción sea compacta y su manejo fácil. Además de que su precio de adquisición no sea excesivo deben trabajar económicamente y con un mínimo de mantenimiento. Según su campo de aplicación se precisa potencias que van desde algunos watt hasta varios megawatt. Por otra parte, la gama de frecuencias de giro es también muy amplia. Otro factor importante es la variación de la frecuencia de giro cuando varía la carga; a veces es incluso necesario poder regular la frecuencia de giro. Los motores eléctricos reúnen toda una serie de requisitos, por lo que actualmente son las máquinas de impulsión de mayor importancia. La alimentación con energía eléctrica de los motores y en general de todos los aparatos eléctricos, se realiza principalmente mediante redes de distribución. Los vehículos a tracción eléctrica se alimentan también con fuentes de tensión electroquímicas (acumuladores, etcétera). Los generadores alimentan las redes de distribución Transforman energía mecánica de otros portadores de carbón, gas natural, petróleo, uranio, agua, etc. En generadores también pueden alimentar con energía independientes de la red.

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con energía eléctrica. energía, tales como el energía eléctrica. Los eléctrica instalaciones

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Figura 4.1 Medida de la frecuencia de giro con un tacómetro de mano

Para emplear máquinas eléctricas, a parte de sus propiedades eléctricas, son de especial interés sus magnitudes mecánicas, tales como la frecuencia de giro, el par y la potencia mecánica. Vamos a describir a continuación dispositivos para medir estas magnitudes, pues su cálculo no es sencillo. 1.1.

MEDIDA DE LA FRECUENCIA DE GIRO La frecuencia de giro de una máquina es igual al número de revoluciones del rotor en un determinado tiempo y se miden en 1/min (r.p.m.), o bien, en 1/s. En las máquinas eléctricas se suele indicar la frecuencia de giro en r.p.m. En las aplicaciones técnicas se emplean diversos dispositivos para medir la frecuencia de giro. El más sencillo es el tacómetro de mano (Fig. 4.1), con el que puede medirse directamente la frecuencia de giro aplicando simplemente el instrumento al eje de la máquina. La rotación se transmite mediante un embrague de goma o una ruedecilla.

Figura 4.2 Máquina con generador tacométrico incorporado

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El generador tacométrico se aplica directamente a la máquina cuya frecuencia quiere medirse (figura 4.2). Según el tipo proporciona o bien una tensión continua cuyo valor depende de la frecuencia de giro o bien una tensión alterna cuya frecuencia depende de la rotación. En el primer caso se mide la frecuencia en r.p.m; en el segundo se mide la frecuencia de la tensión, aunque el instrumento también está graduado en r.p.m. En lugar de generadores tacométricos, para obtener la tensión alterna dependiente de la frecuencia de giro pueden emplearse barreras ópticas (células fotoeléctricas) en combinación con discos perforados o bien sondas de Hall junto con imanes insertados en un embrague (Figura 4.9). Para medir la frecuencia de giro se suelen emplear tacómetros de mano o bien dispositivos de medida basados en generadores tacométricos, barreras ópticas o sondas de Hall. 1.2.

MEDIDA DEL PAR El producto de la fuerza F por la longitud s del brazo de palanca se denomina par M de la fuerza (Fig. 4.3). Par: Símbolo M

M = F. s [M] = N m Cuando los pares de giro a la derecha y los de giro a la izquierda son iguales la palanca se encuentra en equilibrio, o sea, en reposo. Si los dos pares son diferentes la palanca girará en el sentido del par mayor. En las máquinas eléctricas rotatorias también se presentan pares (Fig. 4.4). En el estator se origina un campo magnético de flujo Φ. El rotor se compone de un tambor de hierro dulce magnético con muescas o ranuras en las que se insertan los conductores. Según la regla del motor, todo conductor recorrido por una corriente se encuentra sometido a una fuerza de valor.

F= B.I.l

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Figura 4.3 Ley de la palanca

Esta fuerza se encuentra aplicada al conductor a una distancia s del eje del rotor. Cuando tengamos z conductores recorridos por corriente en el campo magnético aparecerá un par M de valor

M=F.s M=B.I.l.z.s

Figura 4.4 Sección del modelo simplificado de un motor eléctrico

Se obtendrá una frecuencia de giro constante cuando este par sea igual al necesario para que gire el rotor, el cual opone un par resistente.

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En las máquinas eléctricas giratorias el par se mide con ayuda de frenos o de máquinas reversibles.

Figura 2.5 Curva de par M en función de la frecuencia de giro n de un motor

En un motor eléctrico están relacionados, el par M y la frecuencia de giro n, pues ésta disminuye cuando aumenta el par. Cuando el motor arranca la frecuencia de giro n es nula, y el par que actúa en este instante sobre el eje se denomina par de arranque MA (Fig. 4.5).

Figura 2.6 Balanza electrodinámica

Para medir el par se utiliza el principio de la balanza electrodinámica (Figura 4.6). Cuando el eje de una máquina transmite un determinado par, para que la máquina permanezca en reposo es preciso que su sujeción ofrezca un par resistente de igual intensidad.

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Si la carcasa está montada de modo que pueda girar, como en el freno descrito anteriormente, sobre el brazo de palanca s unido a la carcasa actuará una fuerza F, que podrá medirse mediante una báscula decimal, un dinamómetro o una caja manométrica (Figura 4.7).

Figura 4.7 Freno por corriente de Foucault con dinamómetro

Si en la fabricación de la escala de medida se tiene en cuenta la distancia S, se podrá calibrar el instrumento de medida directamente con el par del motor, pues M = F. s. En los laboratorios técnicos se utilizan junto al freno por corrientes de Foucault el freno por polvo magnético y el freno hidráulico. Todos estos tipos de frenos se diferencian simplemente por el sistema de frenado. El par puede variarse lineal mente dentro de una gama muy amplia. Con los frenos por polvo magnético y los hidráulicos puede medirse el par de la máquina en cuestión desde el de arranque (en reposo) hasta valores muy elevados a grandes frecuencias de giro. Esto mismo puede conseguirse también con el freno por corrientes de Foucault añadiéndole un freno hidráulico adicional con aceite. En todos los frenos se transforma la energía de frenado en energía térmica, que debe extraerse de los frenos con grandes ventiladores.

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Para medir el par de un motor pueden emplearse frenos por corrientes de Foucault, frenos por polvo magnético y frenos hidráulicos. Para medir el par necesario para impulsar un generador se utiliza una máquina reversible (Fig. 4.8), que es una máquina de corriente continua que puede funcionar como motor y también como dínamo generador. Cuando se utiliza la máquina reversible como motor se transmite un par a la máquina acoplada que se ensaya, por ejemplo un generador. Cuando trabaja como generador cargado con resistores se le acopla el motor ensayado, que es el que transmite el par. Las medidas se efectúan según el principio de la balanza electrodinámica, o sea que la carcasa de la máquina reversible se sujeta de modo que pueda girar y se le acopla un brazo de palanca. El par se mide con una báscula decimal o con un dinamómetro sobre los que actúa el brazo de la palanca. Cuando la máquina reversible acciona otra máquina se mide el par resistente de ésta. Cuando es la otra máquina la que impulsa la máquina reversible, con ésta se mide el par motor de aquélla. Con las máquinas reversibles se puede medir el par de un motor y el par necesario para impulsar un generador.

Figura 4.8 Puesto de medida de máquinas con dinamotor y balanza decimal.

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1.3.

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RELACIÓN ENTRE LA FRECUENCIA DE GIRO, EL PAR Y LA POTENCIA El eje de una máquina que gira con una frecuencia de giro n transmite un par M. Con estas dos magnitudes podemos calcular la potencia mecánica de la máquina.

Para ello tenemos las siguientes fórmulas:

P=

W ; T

P=

F ⋅s ; t

W = F ⋅s

v=

s t

P = F ⋅v En las máquinas la fuerza actúa sobre un punto del contorno del eje. La velocidad de este punto depende de la frecuencia de giro n y del radio r del eje. La frecuencia de giro n nos indica cuántas revoluciones efectúa el punto alrededor del eje al cabo de la unidad de tiempo. El punto describe en cada vuelta una longitud s = 2 . r . π (perímetro del eje), con lo que podemos calcular la velocidad del punto, que será:

v = n ⋅ 2 ⋅ r ⋅π Si en la fórmula de la potencia calculada anteriormente sustituimos el valor de la velocidad que acabamos de hallar obtenemos:

P = 2 ⋅π ⋅ n ⋅ F ⋅ r El producto F . r (fuerza por radio del eje) es el par de la máquina. Por tanto, la potencia mecánica de la máquina vendrá dada por la fórmula:

P = 2 ⋅π ⋅ n ⋅ M De esta ecuación de magnitudes podemos deducir otra con valores numéricos de gran importancia técnica.

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La potencia vendrá indicada en N (m/min) cuando el par venga dado el en Nm y la frecuencia de giro en 1/min (r.p.m.). Si dividimos por 60 y por 1 000 obtenemos:

P=

2 ⋅π ⋅n⋅M 60 ⋅ 1000

Pues 1000

En kW,

Nm = 1 kW s

Por tanto, la ecuación con valores numéricos será:

P=

n⋅M en kW, con M en Nm y n en r.p.m. 9549

Las magnitudes mecánicas, frecuencia de giro, par y potencia no se calculan únicamente por separado, pues para poder valorar las propiedades de una máquina es de gran importancia conocer la interdependencia entre estas tres magnitudes. La figura 4.9 nos muestra un equipo de medida que refiere estos requisitos.

Figura 4.9 Puesto de medida para máquinas

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Figura 4.10 Máquina con colector

Figura 4.11 Esquema de un generador de continua

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Figura 4.12 Funcionamiento del colector

2.

MÁQUINA DE CORRIENTE CONTINUA Las máquinas de corriente continua (Figura 4.10) suelen tener un estator de polos salientes. Los extremos de las bobinas de los devanados del rotor están soldados a los segmentos de cobre del colector, llamadas delgas. En los generadores de corriente continua la energía eléctrica inducida en el devanado del rotor se saca al exterior a través de escobillas de carbón. En los motores de continua las escobillas sirven para suministrar al rotor la corriente eléctrica que provoca su rotación. 2.1.

FUNCIONAMIENTO DE LOS GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA La figura 4.11 nos muestra el modelo de un generador de corriente continua. Una bobina gira en un campo magnético. Y en ella se inducirá una tensión alterna. Esta tensión se rectifica en el colector y se lleva al exterior. Podemos explicar este proceso con ayuda de la figura 4.12, en la que podemos observar los sentidos de corrientes y tensiones en los instantes t1 a t6. En los instantes t1 y t2 el conductor 1 se encuentra situado bajo el polo norte, y el conductor 2 bajo el polo sur. Según la regla de la mano derecha se obtendrán los sentidos de corrientes y tensiones trazados en la figura. En el instante t3 la bobina se encuentra en la zona neutra del campo magnético, en la que no existen variaciones del flujo magnético, por lo que tampoco se inducirá tensión alguna. Si la bobina continúa girando se volverá a inducir una tensión en ella. No obstante, en los instantes t4 y t5 el conductor 1 se encuentra bajo el polo

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sur y el conductor 2 bajo el polo norte. Por tanto, variarán los sentidos de corrientes y tensiones en la bobina. Sin embargo, el sentido de la corriente y de la tensión en el circuito exterior es el mismo que en los instantes anteriores pues el colector ha girado junto con la bobina. En el instante t6 la bobina vuelve a encontrarse en la zona neutra del campo magnético y no se inducirá tensión. Estos fenómenos se van repitiendo mientras la bobina esté girando. Por el circuito exterior circulará entonces una corriente continua pulsátil (Figura 4.11). En los generadores de corriente continua el colector rectifica la corriente alterna inducida en el devanado del rotor.

Figura 4.13 Colector

En la práctica el devanado del rotor se compone de varias bobinas con gran número de espiras situadas en las ranuras del paquete de chapas del rotor. Los .terminales de las bobinas se sueldan a las delgas del colector (Figura 4.13). Las diferentes bobinas se pueden conectar en serie y en paralelo. Las escobillas se encuentran en la zona neutra del colector, pues aquí la tensión entre dos delgas colindantes es aproximadamente nula

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Figura 4.14 Dispositivo portaescobillas

Las escobillas de carbón tienen un tamaño tal que abarcan dos delgas (Figura 4.14), con lo que se evita una interrupción de la circulación de la corriente. Si entre dos del gas situadas en la zona neutra existe una tensión ésta quedará ponteada por las escobillas. En la parte cortocircuitada del devanado circulará creará un campo magnético. Cuando desaparece el desaparecerá el campo magnético y aparecerá autoinducción que originará una corriente. Ésta hará las escobillas.

una corriente que ponteado también una tensión de saltar chispas bajo

Para evitarlo se desplazan ligeramente las escobillas sobre el colector en el sentido de giro.

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Figura 4.15: Estator de una dínamo

El campo magnético se obtiene mediante el devanado principal del estator. En las máquinas usuales este devanado suele componerse de bobinas anulares arrolladas sobre los núcleos de los polos principales (Figura 4.15). El flujo magnético Φ entra o sale por las zapatas polares atornilladas sobre los núcleos polares. Tanto las zapatas polares como el núcleo del rotor y a veces también los núcleos polares suelen componerse de chapas por motivos constructivos, para reducir las pérdidas por corrientes de Foucault. En el estator el circuito magnético queda cerrado por la culata (Figura 4.16). Las máquinas de continua modernas ya no se fabrican con polos salientes para conseguir una unificación y normalización. Los devanados de los polos principales y auxiliares se encuentran alojados en las ranuras de un paquete de chapas de un estator trifásico normalizado (Figura 4.16).

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Figura 4.16 Sección a través de una máquina de corriente continua, arriba: tipo habitual; abajo: construcción moderna

2.2.

FUERZA ELECTROMOTRIZ - TENSIÓN EN CIRCUITO ABIERTO La tensión inducida en el devanado del rotor se denomina fuerza electromotriz (f.e.m.). No obstante, en la práctica se suele trabajar con la tensión en circuito abierto Uo que es la que puede medirse en los bornes del generador. Ambas son aproximadamente iguales. En las gráficas de las figuras 4.17 y 4.18 podemos ver que la tensión en circuito abierto Uo es directamente proporcional a la frecuencia de giro n. La gráfica se obtuvo moviendo el devanado del rotor con diferentes frecuencias de giro a través de un campo magnético constante.

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Figura 2.17 Gráfica de la tensión en circuito abierto Uo en función de la frecuencia de giro n

Figura 2.18 Gráfica de la tensión en circuito abierto Uo en función de la intensidad de excitación Ie

La tensión Uo inducida en el devanado del rotor puede calcularse con la fórmula.

U = B ⋅l ⋅v ⋅ z U: Tensión inducida en la bobina. l: Longitud efectiva del conductor. v: Velocidad del conductor. z: Número de espiras conectadas en serie en la bobina. Como en nuestro caso la velocidad del conductor v es directamente proporcional a la frecuencia de giro, la tensión inducida en el rotor en circuito abierto (tensión de inducido en circuito abierto) Uo también será directamente proporcional a la frecuencia de giro.

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Figura 2.19 Reacción del inducido (representación simplificada). a) Campo principal del generador sin carga. b) Campo transversal de inducido del generador cargado. c) Campo total en el generador cargado.

La inducción magnética B de la máquina depende de la intensidad de la corriente de excitación le y de la permeabilidad µ del hierro. Al ir aumentando la intensidad de excitación le disminuirá la permeabilidad, puesto que el hierro se irá saturando. Como podemos ver en la gráfica (Figura 4.18) la tensión en circuito abierto Uo irá aumentando cada vez menos cuando vaya creciendo la intensidad de excitación le. La curva presenta pues una fórmula análoga a la curva de imanación. La tensión en circuito abierto Uo de un generador de corriente continua depende de la intensidad de la corriente de excitación le y de la frecuencia de giro n. 2.3.

REACCIÓN DEL INDUCIDO Cuando se cargue el generador circulará una corriente la a través del devanado del rotor, con lo que en él, o sea, en el inducido, aparecerá un campo magnético perpendicular al campo principal (Figura 4.19). La intensidad de este campo transversal de inducido depende de la intensidad de la corriente de inducido la, o sea, también de la carga. Este campo se superpondrá al principal, debilitándolo en uno de los bordes de los polos y reforzándolo en el otro. Como las máquinas de corriente continua trabajan en la zona de saturación magnética no se manifestará esté reforzamiento, pero sí el

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debilitamiento. Por tanto, en resumidas cuentas el campo transversal del inducido debilitará al campo principal. La zona neutra del campo magnético y la del colector quedarán desplazadas un ángulo a como consecuencia de la reacción del inducido. Por tanto, las escobillas se encontrarán entonces en una zona en la que existen tensiones entre las delgas. Este hecho provocará un aumento de las chispas entre escobillas y delgas, que irán quemando y desgastando tanto las unas como las otras. Para evitar todo esto deben disponerse las escobillas desplazadas un ángulo a en el sentido de giro. Sin embargo, esto implicaría que la posición de las escobillas debería variarse para cada variación de la carga. Para eliminar la reacción del inducido y no tener que desplazar las escobillas deberá compensarse el campo transversal de inducido mediante campos magnéticos de igual intensidad pero de sentido opuesto. Para ello, se colocan en la zona eléctrica mente neutra de la máquina unos polos auxiliares, también llamados polos de conmutación o interpolos, y se montan sobre las zapatas polares unos devanados de compensación (Figura 4.20).

Figura 2.20 Sección de una dínamo con devanados de conmutación y de compensación

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Las corrientes que circulan por los devanados de conmutación y de compensación deben presentar un sentido tal que sus campos magnéticos compensen el campo transversal de inducido en la zona correspondiente. La intensidad de éste último campo depende de la intensidad de la corriente de inducido. Si se conectan el devanado auxiliar y el de compensación en serie con el devanado del inducido sus respectivos campos magnéticos dependerán también de la corriente en el inducido, con lo que se logra que al campo transversal se opongan siempre campos magnéticos con los valores deseados (Figura 4.21). De este modo se consigue eliminar casi totalmente las chispas entre escobillas y delgas. En la práctica suele ser suficiente montar solamente un devanado auxiliar de conmutación, sobre todo para potencias pequeñas, y prescindiendo del de compensación.

Figura 2.21 Conexión de los devanados de inducido, de conmutación y principal en una dínamo

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3.

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MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA Los motores de corriente continua tienen una estructura análoga a la de las dínamos. Todas las dínamos pueden trabajar como motor.

3.1.

FUNCIONAMIENTO DE LOS MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA El funcionamiento de un motor de continua puede explicarse con ayuda del modelo de máquina que ya conocemos (Figura 4.22). Se aplica una tensión a las escobillas, con lo que circulará una corriente por la bobina. Si existe un campo excitador actuará una fuerza sobre la bobina recorrida por la corriente. La fuerza está aplicada a una distancia r del eje de rotación, con lo que también aparecerá un par. Según la regla de la mano izquierda la bobina girará en el sentido indicado en la figura. En la posición horizontal no circula corriente por la bobina pues las escobillas se encuentran situadas sobre el aislante. Sin embargo, la espira conductora continuará girando por inercia. A continuación el colector invertirá el sentido de la corriente que circula por la espira. Por tanto, las corrientes que circulan por los conductores situados bajo los polos tendrán los mismos sentidos que antes, con lo que el par actuará siempre en el mismo sentido. Estos fenómenos se van repitiendo mientras exista una tensión aplicada a las escobillas.

Figura 4.22 Esquema simplificado de un motor de continua

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El par M depende de la fuerza que actúa sobre los conductores recorridos por corriente. La fuerza puede calcularse con la fórmula:

F = B ⋅l ⋅ I ⋅ z 3.2.

FUERZA CONTRAELECTROMOTRIZ. CORRIENTE DE INDUCIDO Cuando una bobina gira en un campo magnético aparecerá en ella una fuerza electromotriz, de valor aproximadamente igual al de la tensión en circuito abierto Uo. La f.e.m. depende de la inducción magnética B del campo y de la frecuencia de giro n. Esta fuerza electromotriz también se induce en el devanado de inducido del motor de corriente continua. Según la regla de la mano derecha tendrá un sentido opuesto al de la tensión Ua aplicada al inducido, por lo que también se la denomina fuerza contraelectromotriz (f.c.e.m.). De ella depende la intensidad de la corriente de inducido la. Tenemos pues:

Ia =

Ua −Uo Ra

Despejando podemos calcular la tensión en circuito abierto si conocemos la intensidad Ia de la corriente que circula por el inducido:

U o = U a − I a ⋅ Ra En el instante de conexión el rotar aún no gira, por lo que la fuerza contraelectromotriz será nula. Tenemos pues para la corriente de arranque. Para que el rendimiento sea grande deberá ser pequeña la resistencia Ra del devanado de inducido, con lo que la corriente de arranque lA será muy intensa. Por tanto, será preciso limitarla mediante un reóstato de arranque. Por otro lado, la gran intensidad de la corriente de arranque da lugar a un gran par de arranque MA con lo que la frecuencia de giro n crecerá muy rápidamente hasta alcanzar su valor de régimen.

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Cuando el motor se carga disminuye su velocidad y, por tanto, la fuerza contraelectromotriz. Por consiguiente, la intensidad de inducido crecerá. La frecuencia de giro se irá reduciendo hasta que el aumento de la intensidad de inducido del motor provoque un momento de valor igual al par resistente de la máquina a impulsar. 3.3.

SENTIDO Y FRECUENCIA DE GIRO Según la regla de la mano izquierda el sentido de la fuerza que actúa sobre un conductor recorrido por una corriente y situado en un campo magnético depende de los sentidos del campo y la corriente. Esto significa en el caso del motor de continua que su sentido de giro dependerá del sentido de la corriente le que circula por el devanado de excitación (inductor) y del de la corriente la por el devanado de inducido (Fig. 2.23). Cuando se desee invertir el sentido de giro deberá invertirse el sentido de una de estas dos corrientes. El sentido de giro de un motor de continua puede invertirse cambiando el sentido de la corriente que circula por el inducido o el de la que circula por el inductor. Cuando deba cambiarse frecuentemente el sentido de giro de un motor de corriente continua se invertirá el sentido de la corriente de inducido, con lo que se evitan las elevadas tensiones que aparecen por autoinducción cuando se conmuta el devanado de excitación. La frecuencia de giro de un motor de corriente continua puede gobernarse mediante la tensión Va del inducido y mediante la intensidad le de la corriente de excitación.

Figura 4.23 Sentido de giro de un motor de continua

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Cuando aumenta la tensión Ua aplicada al inducido también crecerá la intensidad de inducido Ia, con lo que también aumentará el par motor M y el rotar se moverá a mayor velocidad. Pero por otro lado también crecerá la fuerza contraelectromotriz Uo que hará disminuir la corriente de inducido la. La frecuencia de giro n crecerá hasta un valor tal que haga que la corriente de inducido la tenga la intensidad de partida. De este modo presentará el motor el mismo par M que antes de variar la tensión. Razonamientos análogos nos permiten sacar la conclusión de que la frecuencia de giro n disminuirá cuando se reduzca la tensión Ua aplicada al inducido.

Figura 4.24 Reacción de inducido en el motor de continua

Cuando se reduce la intensidad de excitación le disminuye también la fuerza contraelectromotriz Uo. Con ello crecerá la corriente de inducido la y el par M. Por tanto el rotor girará a mayor velocidad. No obstante, esto provocará que aumente la fuerza contraelectromotriz Uo y que se reduzca la intensidad de inducido la. Si suponemos que el par resistente es constante, la frecuencia de giro n del motor seguirá creciendo hasta que la corriente de inducido la haya alcanzado la intensidad que presentaba originariamente. Razonando análoga mente para un aumento de la intensidad de la corriente de excitación obtendríamos como resultado que la frecuencia de

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giro disminuiría. Es importante evitar el que la corriente de excitación se reduzca repentinamente en un salto de gran intensidad, pues en este caso la frecuencia de giro aumentaría excesivamente, o sea, que el motor se embalaría, con lo que podría estropearse.

3.4.

REACCIÓN DEL INDUCIDO La corriente que circula por el devanado de inducido da lugar a un campo transversal que afectará al campo principal. La zona neutra quedará desplazada un ángulo a en sentido contrario al de giro (Figura 4.24). Para evitar un aumento de las chispas en las escobillas deberán desplazarse éstas en el sentido de giro del motor a una distancia adecuada para la carga correspondiente. No obstante, de este modo no se logra evitar el debilitamiento del campo principal.

Figura 4.25 Estator de un motor de continua

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Para evitar los inconvenientes del desplazamiento de las escobillas pueden montarse polos auxiliares de conmutación, al igual que en las dínamos. Para grandes potencias y cuando los motores se carguen bruscamente se puede disponer además un devanado de compensación. Al igual que en las dínamos ambos tipos de devanado se conectan en serie con el del inducido para que al campo transversal se le opongan en todo momento campos magnéticos de igual valor y sentido opuesto. El sentido de la corriente en el devanado del polo de conmutación debe ser tal que a un polo principal en el estator de la máquina le siga en el sentido de giro uno auxiliar del mismo nombre. 3.5.

CONEXIONES – COMPORTAMIENTO DE RÉGIMEN El comportamiento de régimen de los motores de continua depende en gran manera del modo en que se conecten inductor e inducido. 3.5.1.

MOTOR CON EXCITACIÓN EN DERIVACIÓN En el motor con excitación en derivación, también llamado motor shunt, el devanado del inducido y el de excitación se encuentran conectados en paralelo (Figura 4.26). Por tanto, el devanado del inductor, o sea, el de excitación, está sometido directamente a la tensión de la red, con lo que su campo magnético es prácticamente independiente de la frecuencia de giro y de la carga.

Figura 4.26 Circuito de un motor shunt. (Hemos indicado también los instrumentos de medida empleados en el experimento 4-13)

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En la gráfica de la figura 4.27 podemos ver que la frecuencia de giro n se reduce ligeramente cuando aumenta la carga, es decir, el par resistente. En cambio la intensidad la de la corriente de inducido crece cuando se carga el motor en derivación. La caída de tensión en la resistencia Ra del devanado de inducido también aumenta, con lo que disminuye la fuerza contraelectromotriz y como consecuencia también la frecuencia de giro. El comportamiento de un motor con excitación en derivación se caracteriza por una ligera reducción de la frecuencia de giro n cuando aumenta la carga. El rendimiento es relativamente bajo para cargas pequeñas, pues las pérdidas de excitación, que son constantes e independientes de la carga, se ponen claramente de manifiesto. La corriente de arranque lA es intensa, pues las resistencias de los devanados de inducido, auxiliar y de compensación son pequeñas. Despreciando las resistencias de los devanados de compensación y de conmutación obtenemos la siguiente fórmula para la intensidad de la corriente de arranque:

Figura 4.27 Característica frecuencia de giro/par de un motor shunt

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Figura 4.28 Circuito de un motor de continua con excitación independiente

La corriente de excitación le suele despreciarse a causa de su pequeña intensidad. El motor se pone en marcha mediante un reóstato de arranque (Figura 4.24). La frecuencia de giro n puede gobernarse mediante la tensión Va aplicada al devanado del inducido o también variando la intensidad de la corriente de excitación le mediante el reóstato de campo (el superior en la Figura 4.24). La tensión aplicada al inducido puede variarse mediante el reóstato de arranque, siempre que éste esté proyectado para funcionamiento en régimen permanente. El motor shunt se utiliza en todos aquellos casos en que sea precisa una frecuencia de giro uniforme, por ejemplo, para accionar máquinas/herramientas.

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Figura 2.29 Grupo convertidor Leonard

3.5.2.

MOTOR DE INDEPENDIENTE

CONTINUA

CON

EXCITACIÓN

El devanado de excitación y el de inducido de un motor de continua con excitación independiente se alimentan mediante dos fuentes de tensión diferentes (Figura 4.28), cuyas tensiones suelen ser también de valores distintos. Los motores de corriente continua cuyo campo magnético se obtiene mediante imanes permanentes (por ejemplo, motores para limpiaparabrisas) deben considerarse también como motores con excitación independiente. Los motores con excitación independiente presentan un comportamiento de régimen análogo a los motores con excitación en derivación, o sea, que su frecuencia de giro es prácticamente constante e independiente de las variaciones de la carga. Su velocidad se puede gobernar mediante la tensión del devanado de inducido o también mediante la intensidad de la corriente de excitación. Los motores con excitación independiente se emplean cuando se desea poder gobernar la frecuencia de giro, para lo cual suele variarse la tensión del inducido. Ésta suele venir suministrada por generadores de continua (convertidor Leonard) o por rectificador es gobernados por tiristores.

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El grupo convertidor Leonard se compone de un total de hasta cuatro máquinas (Figura 4.29). Un motor M1, generalmente un motor asíncrono trifásico, acciona dos dínamos: una pequeña G1 y otra mayor G2. La dínamo G1 proporciona la potencia de excitación, la dínamo G2 alimenta el devanado de inducido del motor de continua con excitación independiente M2. Con el reostato de campo R1 se ajusta la intensidad de excitación de la excitatriz. De este modo puede ajustarse la tensión de la red de continua que sirve para excitar las demás máquinas. La intensidad y el sentido de la corriente de excitación de la dínamo G2 se ajustan con el reóstato inversor de campo R2. De este modo puede variarse el valor y el sentido de la tensión producida por este generador y aplicada al devanado de inducido del motor M2. La frecuencia de giro de este último puede entonces' gobernarse dentro de una gama muy amplia en ambos sentidos. En lugar de la excitatriz G1 también se utiliza frecuentemente un rectificador a semiconductores por ser mucho más barato. Los motores con excitación independiente se utilizan en aquellos casos en que haya de gobernarse la frecuencia de giro dentro de márgenes muy amplios y se precisen grandes potencias, por ejemplo, para accionar máquinas/herramientas, excavadoras, trenes laminadores, etcétera. 3.5.3.

MOTOR CON EXCITACIÓN EN SERIE En el motor con excitación en serie, o simplemente motor serie, todos los devanados están conectados en serie, por lo que la corriente que circula por todos ellos es la misma. El gráfico de la figura 4.31, que nos muestra que la frecuencia de giro n depende en gran manera de la carga. Cuando el motor se carga aumenta la intensidad de la corriente de inducido la y también la de la corriente de excitación le, pues en el motor serie l = la = le. Al aumentar la intensidad de excitación le disminuye la frecuencia de giro n. Cuando se reduce la carga aumenta fuertemente la frecuencia de giro. En vacío la velocidad crece excesivamente, el motor se embala.

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Por consiguiente, los motores con excitación en serie no deberán funcionar sin estar cargados.

Figura 4.30 Características de régimen de un motor serie

El par M es proporcional a la fuerza F aplicada al devanado de inducido, que a su vez depende de la inducción magnética B y de la intensidad la de la corriente que circula por el inducido, pues F = B . l . I . z. Por debajo de la saturación magnética la inducción B depende de la corriente le del devanado del inductor. Como estas corrientes son iguales a la consumida, el par del motor serie será directamente proporcional al cuadrado de la intensidad I de la corriente del motor. Las resistencias de los devanados son muy pequeñas para que el rendimiento η tome valores grandes. Por consiguiente la intensidad de arranque del motor lA será muy grande pues:

IA =

U Ri

El motor con excitación en serie presenta un gran par de arranque MA.

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Figura 4.31 Mando de la frecuencia de giro de un motor serie

Un motor serie se caracteriza por presentar un gran par de arranque MA y por tener una frecuencia de giro n que depende mucho de la carga. Los motores con excitación en serie deben ponerse en marcha a través de un reóstato de arranque para limitar la intensidad de su corriente de arranque (Figura 4.31). La frecuencia de giro n puede gobernarse mediante resistores en serie (dimensionados para el régimen permanente) o mediante rectificadores gobernados a tiristores. También puede variarse la frecuencia de giro con un reóstato de campo conectado en paralelo con el devanado de excitación (Figura 4.31). Deberá evitarse que el motor se embale. El motor serie se emplea para accionar grandes cargas, por ejemplo, vehículos, ascensores, motores de arranque para coches, etc., gracias a su gran par de arranque MA.

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Figura 2.32 Circuito de un motor compound

3.5.4.

MOTOR COMPOUND El motor compound reúne las propiedades de Los motores serie y shunt, pues posee un devanado en serie y otro en paralelo (Figura 4.32). El motor compound presenta comportamiento de régimen diferentes según cómo se haya proyectado (Figura 4.33). Un motor compound normal presenta un par de arranque MA ligeramente inferior al de un motor serie equivalente. Al cargarlo su frecuencia de giro n se reduce algo más que en un motor shunt; en vacío no se embala. Un motor proyectado como hipercompound presenta un comportamiento similar a un motor serie. En cambio un motor hipocompound se asemeja a un motor con excitación en derivación.

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Figura 4.33 Características de régimen de un motor compound

Por ser más flexible su relación frecuencia de giro/par, encuentra su aplicación en el accionamiento de masas pesadas, por ejemplo, para prensar, estampar, cizallar, etc.

4.

MANTENIMIENTO DE LAS MÁQUINAS Pocas son las partes de las máquinas eléctricas sometidas a un desgaste: los cojinetes, los cojinetes, el colector, los anillos rozantes y las escobillas. Los trabajos de mantenimiento no sólo consisten en controlar y, de ser necesario, cambiar estas piezas. También deberá añadirse grasa o aceite cuando se hayan gastado. Por otro lado, es necesario limpiar las máquinas a intervalos regulares y controlar sus características técnicas.

Figura 2.34 Equilibrado de un rotor

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Los trabajos de mantenimiento pueden realizarse durante las pausas de paro sistemáticas. Después de cada avería de importancia deberá realizarse una inspección y control a fondo. También forma parte del mantenimiento el control del funcionamiento de los dispositivos de protección. Los cojinetes deben funcionar perfectamente el mayor tiempo posible, por lo que el mantenimiento también consistirá en controlar su estado. Se limpiarán y engrasarán de nuevo. El desgaste de los cojinetes de fricción se controlará midiendo el juego que presenten. Los cojinetes averiados deberán cambiarse lo más rápidamente posible. Cuando el rotor esté desequilibrado deberá compensarse mediante pesos adicionales de equilibrio estático y dinámico (Figura 4.34). Los anillos rozantes deben limpiarse en cada inspección de mantenimiento. Los anillos rozantes ovalados o no planos deberán retornearse o rebajarse con una muela y a continuación bruñirse o pulirse. Los colectores también deberán limpiarse durante el mantenimiento. Se utilizará un paño empapado en gasolina para eliminar la capa de polvo y de grasa. Si el colector está deformado deberá también rectificarse, siendo preciso además a continuación rebajar el aislamiento entre las delgas y volver a ajustar la posición de los portaescobillas.

Figura 4.35 Lijado de un nuevo par de escobillas

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Las escobillas de carbón deberán inspeccionarse periódicamente y sustituirse por otras nuevas cuando estén desgastadas. Sólo debería emplearse el tipo de escobillas recomendado por el fabricante. Después de colocarlas deberán adaptarse las escobillas con papel de lija (Figura 4.35). Un mantenimiento regular a intervalos de tiempo razonables garantiza un máximo de seguridad de servicio y prolonga la vida de las máquinas. 4.1.

MANTENIMIENTO DE RUTINA El cuidado regular prolonga la vida de un motor: • Lubricación de los cojinetes: Todos los motores tienen cojinetes. Muchos necesitan ser relubricados periódicamente o ser verificados en cuanto a su nivel de aceite. 1.

2.

Cojinetes lubricados con aceite. Utilice el aceite especificado y no use aceite en exceso, porque el aceite saldrá a modo de fugas y acumulará suciedades (mugre). •

Depósito tipo colector. El nivel del colector debe ser verificado después de que un motor se haya detenido durante algún tiempo para que el aceite tenga una oportunidad de regresar al colector y enfriarse. El aceite se expande cuando está caliente. No ponga demasiado aceite.

•

Depósito del tipo mecha, empaque o buje poroso. Por lo general, los fabricantes especifican la frecuencia de la lubricación y la cantidad de aceite necesario para la saturación apropiada. Repetimos, no ponga demasiado aceite.

Cojinetes lubricados con grasa. Utilice la grasa especificada. Ponga la grasa con el motor caliente y operando, pero teniendo cuidado de no quemarse o lastimarse. • • • •

Antes de engrasar, limpie el accesorio de grasa y el extremo de la pistola de grasa. Cuando haya un tapón de respiradero o de alivio de presión, quítelo antes de engrasar. Agregue grasa hasta que la grasa nueva salga por el tapón del respiradero. No ponga el tapón, después de engrasar, sino hasta que la grasa fresca ya no salga cuando opere el motor.

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Si no hay un tapón de alivio de presión, tenga mucho cuidado de no seguir agregando grasa si, aparentemente, la presión se está acumulando dentro de la caja de cojinetes. La presión excesiva de la grasa puede estallar los sellos o las protecciones de cojinetes o hacer que la grasa pase más allá de los cojinetes y sea introducida en el motor. Después de engrasar, quite el accesorio de grasa y deje operar el motor hasta que la grasa fresca ya no salga. No deje el cojinete demasiado lleno de grasa. La grasa excesiva aumenta la fricción y calienta el cojinete, derritiendo y oxidando la grasa. Cuando hay demasiada grasa, ésta tiende a salir y a introducirse en el motor en donde acumula suciedades. •

1.

Limpieza del motor. Los motores duran más cuando se mantienen limpios. La mugre interfiere con el enfriamiento y puede dañar el aislamiento.

Periódicamente debe cepillarse o limpiarse la parte exterior de un motor. Deben aspirarse los respiraderos y los tamices (telas metálicas o “screens”) de los motores abiertos. No trate de soplar el polvo hacia fuera con una manguera de aire; el chorro de aire puede introducir el polvo entre las vueltas del devanado haciendo que falle el aislamiento. Es muy importante limpiar el exterior de los motores totalmente encerrados debido a que la superficie de estos motores debe disipar todo el calor generando en el interior. El polvo actúa como un aislamiento. En los motores totalmente encerrados y enfriados con ventilador, el aro de refuerzo está unido generalmente con unos cuantos tornillos. Quítelo para limpiar las ranuras o tamiz en donde el ventilador jala el aire hacia adentro, la superficie interior del aro de refuerzo y las cuchillas del ventilador. Asegúrese de que el ventilador esté apretado en el eje del motor y de que no esté dañado; el polvo abrasivo puede, en ocasiones, desgastar el metal de la cuchilla (aspa) del ventilador. 112

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2.

Algunos motores requieren del desensamble periódico y de la limpieza interna. Dependiendo del tipo de mugre, podría ser necesario utilizar vapor, agua caliente y detergente o solventes al limpiar los motores.

• No utilice agentes limpiadores que pudieran dañar el aislamiento. No conecte un motor húmedo al voltaje de línea. Si lo hace, se producirá el arqueamiento y ocurrirán daños en el aislamiento. Antes de aplicar energía, seque completamente el motor en un flujo de aire caliente si es posible. Comúnmente, es necesario desensamblar los motores abiertos para limpiarlos, debido a que un ventilador hace que pase el frío a través de ellos. Cuando los respiraderos de un motor abierto están demasiado cargados de suciedades, es casi seguro que el interior también requiera la limpieza. Hay posibilidades de que los motores con escobillas requieran de una mayor limpieza que los motores que no tienen escobillas. Las partículas de carbón y cobre, que son el resultado del desgaste, se adhieren a cualquier película de aceite o grasa y, en ocasiones, el aislamiento ligeramente pegajoso en los devanados. Las partículas son conductoras y podrían ocasionar el arqueamiento sobre la superficie del aislamiento. Bajo ciertas condiciones, aún los motores totalmente encerrados, sin escobillas, podrían requerir del desensamble para el secado y/o limpieza. Aunque, normalmente, el aire no circula a través de ellos, dichos motores sí respiran; el aire en el interior es empujado hacia fuera conforme el motor se calienta y el aire exterior, incluyendo la humedad y la mugre, son aspirados hacia el interior cuando el motor se enfría. Después de muchos ciclos de calentamiento y enfriamiento, los motores totalmente encerrados pueden llegar a acumular mucha agua lo cual reduce la resistencia del aislamiento y permite el arqueamiento. • Escobillas, colectores (conmutadores), anillos deslizantes o de fricción e interruptores internos.

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Los motores de C.D. y los motores C.A., con escobillas y colectores (conmutadores) o anillos de fricción requieren una atención rutinaria cada vez más frecuente. Los motores con interruptores (“switches”) centrífugos internos también requieren de, por lo menos, una verificación periódica rápida para asegurarse de que los interruptores están funcionando bien. 1.

Chispas de las escobillas En aquellos motores en los que se puedan ver las escobilas mientras el motor opera, se debe verificar si éstas hacen chispas bajo cargas normales y pesadas del motor. Las chispas ligeras podrían ser tolerables en los motores pequeños, de C. D. y de CACD para trabajo ligero. En los motores de C.D. para trabajo continuo no deben observarse chispas bajo condición de carga alguna. Las chispas abundantes o el arqueamiento pueden quemar, picar aflojar las barras del colector (conmutador) y producir cortos a través de la mica que hay entre ellos. El calor podría hacer que la soldadura que conecta los alambres de la armadura (inducido) a las barras del colector se derritiera y se esparciera alrededor del motor. El calor también puede dañar el aislamiento, los portaescobillas y los resortes de las escobillas. Un motor con escobillas que hacen chispas debe pararse tan pronto como sea posible. Las escobillas producirán chispas o se arquearán cuando hay algo malo en el contacto de la escobilla con el colector. Los problemas de escobilla/colector son el resultado de: •

Escobillas que se han acortado por el desgaste. Se supone que los portaescobillas colocan con precisión las escobillas, en tal forma que toda la superficie terminal de la escobilla entre en contacto con el colector (conmutador). Las escobillas cortas no pueden colocarse con precisión. La corriente se concentrará en aquella parte de la escobilla que hace contacto con el colector y, así, se producirá el

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sobrecalentamiento, las barras quemadas o picadas de los colectores y las chispas. Si una escobilla se desgasta al grado de que el cable flexible de conexión empotrado en ella, entre en contacto directo con el colector, este último se dañará. Conforme se desgastan las escobillas, los resortes de las escobillas se tensionan menos y no presionan la escobilla sobre el colector en forma suficiente. Algunos tipos de resorte de escobillas pueden ajustarse para compensar el desgaste; debe medirse la tensión y hacerse determinados ajustes siguiendo un plan regular.

Figura 4.36

•

Resortes débiles de escobillas Los resortes de escobillas pierden su tensión cuando se sobrecalientan - normalmente como resultado de escobillas arqueadas. Deben reponerse los resortes débiles de escobillas.

•

Escobillas mal colocadas En algunos motores, es ajustable la posición de las escobillas alrededor del colector. La posición debe ser ajustada para producir el menor número posible de chispas bajo una carga 115

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normal del motor. Un portaescobillas suelto no mantendrá las posiciones exactas de las escobillas. •

Devanados abiertos o con cortos Las vueltas con cortos o los cortos a tierra en la armadura o en los devanados de interpolos pueden producir chispas en las escobillas.

Figura 2.37

•

Mica Alta Las barras de cobre del colector en ocasiones se desgastan más rápidamente que la mica aislante entre ellas. Las escobillas brincarán a lo largo sobre la mica alta en vez de hacer buen contacto con las barras del colector.

•

Colector (conmutador) áspero Las escobillas no harán buen contacto con un colector ovalado, picado, quemado, áspero o dañado en alguna otra fuera. La corriente de parada excesiva puede dañar aquellas barras del colector que se encuentren bajo las escobillas durante la parada en tal forma que las escobillas vibrarán, se arquearán y desgastarán rápidamente conforme el motor opera.

•

Colector (conmutador) aceitoso o sucio La mugre en el colector acelerará el desgaste. El aceite y la grasa no sólo interfieren con el buen contacto sino que, en ocasiones, harán que las partículas conductoras de carbón o

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cobre se adhieran en las ranuras entre las barras del colector, produciendo cortos al unir las barras. Un colecto debe estar limpio, pero el cobre debe haber desarrollado un brillo café. Es posible que este brillo no se forme cuando el motor opere consistentemente bajo cargas ligeras o excesivas. Un color cobre brillantes indica que el colector se está desgastando. 2.

Mantenimiento e inspección de las escobillas En la mayoría de los motores grandes, es necesario remover las placas de inspección para ver las escobillas. En los motores pequeños, normalmente hay que remover las escobillas individuales para la inspección. Por lo general, cuando la longitud original de una escobilla se ha reducido más de la mitad y no está chispeando, puede dejarse en su lugar o devolverse para darle un mayor servicio. Asegúrese de reponer cada escobilla a su posición original. No vuelva a utilizar las escobillas que estén astilladas, rotas, torcidas por el desgaste o cuya longitud original se haya reducido más de una mitad. Si una escobilla está en un estado bastante peor que el resto, verifique con todo cuidado el portaescobillas y el resorte.

3.

Inspección del colector (conmutador) Antes de volver a colocar las escobillas, verifique todo el colector. Si observa ranuras o bordes, decoloración, quemado o picado de las barras, barras sueltas o mica alta entre las barras, será necesario desensamblar el motor para hacer la reparación correspondiente. Si el colector se ve bien, excepto por unas ranuras, picaduras o puntos quemados menores, puede limpiarse con una piedra para colector que se mantendrá contra el colector conforme el motor opera. Tenga cuidado de no tocar las escobillas, los portaescobillas, resortes o cables.

4.

Reemplazo de escobillas Seleccione las escobillas de reemplazo correctas. Hay escobillas de diferentes grados de dureza. Utilice el grado especificado por el

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fabricante. Reponga el juego completo aún cuando una sola escobilla esté mal. Las escobillas son frágiles y fácilmente se astillan o agrieta. No introduzca una escobilla en su lugar a la fuerza.

Figura 4.38

Asegúrese de instalar las escobillas en tal forma que el ángulo en el extremo de la escobilla corresponda a la curvatura del colector. Si las nuevas escobillas encajan bastante bien en el colector, pueden asentarse con una piedra para asentar escobillas y pulir, al mismo tiempo, el colector. Si deben remodelarse los extremos de las escobillas, para adaptarse al colector, asiente las escobillas con una lija fina. No utilice tela esmeril porque podría dejar partículas de arenilla conductora en el motor. Asegúrese de introducir la lija en forma suficiente alrededor del colector para evitar ovalar el extremo de la escobilla en la dirección equivocada.

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Figura 4.39

Los portaescobillas deben apretar las escobillas lo suficiente para evitar que vibren. Sin embargo, deben tener suficiente libertad para moverse hacia adentro y hacia fuera. Si una escobilla se pega en su portaescobillas no hará un buen contacto. Los portaescobillas deben colocarse suficientemente cerca del colector para soportar las escobillas, pero no tan cerca que los arcos brinquen entre el colector y el portaescobillas. Verifique las especificaciones del fabricante. Es posible que se requiera del ajuste si el colector está volteado.

Figura 3.40

También debe verificarse la tensión del resorte “spring”. demasiado alta en el caso de escobillas nuevas y más escobillas se desgastarán rápidamente. Es muy probable que que hayan estado en servicio durante largo tiempo hayan tensión. Reemplácelos si son demasiado débiles.

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Si ésta es largas, las los resortes perdido su

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Figura 3.41

Asegúrese que todo aislamiento en los cables flexibles hacia las escobillas esté en buenas condiciones y que los cables no estén puestos a tierra en algún lado. 4.2.

MANTENIMIENTO PREDICTIVO La mayoría de los programas completos de mantenimiento establecen la inspección periódica y las pruebas de los motores para detectar los problemas antes de que ocasionen paros costosos. En todos los casos son importantes los registros cuidadosos de las inspecciones y de las pruebas para indicar las tendencias. Algunos tipos comunes de inspecciones y pruebas incluyen: A. Observar y escuchar el motor cuando arranca y opera, acciona su carga normal y se para. Observe si hay: • Un aflojamiento obvio o vibración de alguna parte a cualquier velocidad. • Tiempo largo de arranque. Si un motor toma mucho más del tiempo normal para alcanzar su velocidad normal de operación que el que tomaba cuando estaba nuevo, hay algo mal. • Tiempo corto para parar. La mayoría de las cargas tienen inercia suficiente para que el motor se vaya deteniendo lentamente hasta pararse, a menos que se frene para que se pare rápidamente. Si

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un motor se detiene más rápidamente de cómo lo hacía cuando estaba nuevo, es posible que algo se esté arrastrando. • Destellos, arcos y escobillas con chispas. Es más fácil detectar esto en la obscuridad. Un destello brillante en un motor con un interruptor centrífugo puede ser un signo de problema en los contactos. Los arcos a través del aislamiento pueden ser visibles en los motores abiertos. Vea si escucha: • Ruidos semejantes a los que produce la acción de un resorte o resquebrajamiento dentro del motor, caja de empalmes o un controlador que indique arqueamiento que podría no ser visible. • Zumbido excesivo. Muchos motores zumban al arrancar y cuando están bajo carga pesada. Si zumban todo el tiempo podría haber una sobrecarga, devanados con cortos o laminaciones de núcleo sueltas. Un motor también podría zumbar si es bajo el voltaje o de alimentación o el voltaje en una fase. Los motores de C.D. zumbarán cuando su voltaje de alimentación tiene una fluctuación excesiva de corriente. • Ruidos especiales en los cojinetes o de un arrastre del rotor sobre el estator. El ruido circundante de la maquinaria podría disimular (enmascarar) los ruidos del motor. Para aislar y localizar los ruidos del motor podría ser útil un estetoscopio u otro dispositivo para escuchar. B. Verifique la temperatura Casi cualquier cosa anormal hará que un motor se caliente. La temperatura ambiente, la temperatura del bastidor o carcasa del motor y la temperatura de los cojinetes son lecturas básicas que deben tomarse cuando se instala por primera vez un motor y periódicamente de ahí en adelante. Los registros precisos de las tres temperaturas son importantes para hacer una comparación. 1.

La temperatura ambiente es la temperatura del aire que rodea un motor. La temperatura del bastidor o carcasa del motor y la

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temperatura de los cojinetes aumentará y disminuirá con la temperatura ambiente. Un motor se sobrecalentará a su salida de potencia nominal si la temperatura ambiente es superior a la temperatura indicada en la placa de fábrica. 2.

La temperatura del bastidor o carcasa es la temperatura de la carcasa de acero alrededor del estator. Cuando la temperatura del bastidor de un motor es superior a las temperaturas anteriores medidas a la misma temperatura ambiente, el motor está sobrecargado o tiene defectos.

3.

La temperatura de los cojinetes se mide directamente sobre la caja del cojinete. Una lectura superior a las lecturas anteriores, a la misma temperatura ambiente, es un signo de problemas con los cojinetes.

Siempre tome las lecturas de la temperatura después de que el motor haya estado operando lo suficiente para alcanzar la temperatura normal de operación. También, tome las lecturas bajo las mismas condiciones de operación – de preferencia, justo cuando el motor complete la parte más pesado de su trabajo. Utilice siempre el mismo instrumento para medir la temperatura y manténgalo calibrado. C. Verifique la corriente Al igual que las lecturas de temperatura, las lecturas de la corriente deben ser tomadas cuando el motor esté trabajando duro. Una lectura de corriente que es superior a la observada cuando el motor se puso por primera vez en servicio, significa que la carga del motor se ha incrementado un poco o que el motor tiene defectos. La corriente medida en cualquier línea hacia un motor monofásico de C.A. debe ser la misma sin importar que la línea esté a puesta, o no, a tierra. Si la corriente no es la misma en ambas líneas, hay un corto a tierra en el motor. La corriente medida en cada línea de energía hacia un motor de C.D. debe ser siempre la misma, a pesar de que la dirección de la corriente sea opuesta en las dos líneas.

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La corriente en las tres líneas de energía hacia un motor trifásico debe ser igual. La variación permisible depende de la aplicación, pero con frecuencia no es superior a un pequeño porcentaje. D. Verifique la condición de los cojinetes Muchos motores se descomponen debido a la falla de los cojinetes. Es posible que un cojinete empiece a estar mal antes de que se le observe excesivamente caliente. 1.

Partes sueltas o flojas. Enclave el motor y sacuda su eje hacia arriba y hacia abajo y longitudinalmente, midiendo el movimiento con un indicador de cuadrante. Prácticamente cualquier holgura observable en la mayoría de los cojinetes pequeños de elementos rodantes significará que los cojinetes deben ser repuestos. En el caso de otros tipos de cojinetes, verifique la especificación del fabricante en relación con el espacio libre permisible.

2.

Vibración. Los problemas con cojinetes pueden ser detectados en una etapa temprana con varios tipos de sensores de vibración. Estos sensores miden tanto la frecuencia de la vibración como la amplitud – la intensidad de las vibraciones. Los cojinetes con elementos rodantes producen frecuencias en la región de ultrasonido que pueden ser captadas por instrumentos especiales. Repetimos, otra vez, que las lecturas deben ser tomadas en la misma forma a intervalos regulares, de preferencia con los mismos instrumentos calibrados. Los resultados trazados pueden predecir la falla de los cojinetes bastante antes de que ocurra y pueden detectar problemas antes de que el cojinete se caliente en forma significativa.

E.

Verifique la resistencia del aislamiento de los devanados Muchos programas de mantenimiento predictivo prueban la resistencia a tierra de un motor como un medio de determinar la condición del aislamiento. El aislamiento que está sucio, húmedo, agrietado o dañado en forma alguna, permite el flujo de las corrientes de fuga y genera calor. El calor daña el aislamiento aún más e incrementa la corriente de fuga

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hasta que se desarrollan cortos verdaderos y el motor dispara sus dispositivos de protección contra sobrecarga o se quema. Cuando puede detectarse con anterioridad el aislamiento defectuoso se evitarán muchos paros no programados. Por lo general, las pruebas del aislamiento se hacen con un megóhmetro. Estos se debe a que la resistencia a tierra de cualquier motor debe ser muy alta – por lo menos de varios millones de ohms. Un ohmímetro (óhmetro) regular no puede medir con precisión las resistencias muy altas; el voltaje de su batería interna es demasiado bajo para producir corrientes conmensurables. Sin embargo, un megóhmetro aplica un voltaje de C.D. igual o superior al voltaje normal de la línea de energía; produce corrientes mayores, más fáciles de medir y, también permite la detección de puntos débiles en el aislamiento en donde los voltajes de operación producirán arcos. El voltaje de un megóhmetro produce una corriente que hace dos cosas: carga el aislamiento como lo hace un capacitor y se fuga a través del aislamiento o sobre su superficie. Mientras más alta es la corriente total más baja será la lectura de la resistencia. Los procedimientos de prueba recomendados con un megóhmetro varían dependiendo de la clase de medidor y del tamaño y voltaje de operación del motor. Normalmente, cuando se aplica el voltaje de un megóhmetro a los motores con un buen aislamiento, la lectura rápidamente llegará a un valor alto de, por lo menos, varios cientos de megohmios. Si la lectura no llega a un valor alto rápidamente, esto podría ser indicativo de que el aislamiento se ha empezado a deteriorar o de que el motor está húmedo o sucio. También podría significar que el aislamiento necesita tiempo para cargar totalmente. Para determinar qué es lo que sucede, deje el voltaje del megóhmetro aplicando durante, por lo menos, varios minutos para ver si la lectura se incrementa gradualmente. Con frecuencia, las lecturas se tomarán después de transcurrir 1 minuto y 10 minutos. Si el aislamiento es bueno, la lectura durante los 10 minutos. Si el aislamiento es bueno, la lectura durante los 10 minutos debe ser, por lo menos, del doble de la lectura de 1 minuto.

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Si la lectura se nivela rápidamente – dentro de 30 segundos o menos – a menos de un valor muy alto, será un signo de que está fluyendo la corriente de fuga uniforme y de que, bajo las condiciones de operación, hay posibilidades de que el aislamiento se deteriore aún más. El motor debe ser observado con todo cuidado en el futuro. Las lecturas deben tomarse frecuentemente y, si la resistencia del aislamiento continúa descendiendo, es posible que el motor falle pronto. El aislamiento malo en las líneas hacia un motor o en un arrancador de motor producirá la misma lectura que el aislamiento malo en un motor. Para probar el motor solamente, desconéctelo. El desconectar el motor es particularmente importante si hay componentes de estado sólido en el sistema que pudieran dañarse por el voltaje de prueba del megóhmetro. La temperatura y la humedad afectan la lectura. Las condiciones calientes y de humedad reducen la resistencia; las condiciones secas y frías la aumentan. Hay tablas para corregir las lecturas a las condiciones normales.

Figura 4.42

Las lecturas del megóhmetro son muy útiles cuando se toman a intervalos regulares a través de la vida de un motor y se trazan tal como se indica arriba. Una baja repentina de resistencia, tal como aquella entre 6-83 y 1-84 en la gráfica anterior, podría indicar que el motor está empezando a fallar.

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El motor debe verificarse muy pronto otra vez y si la lectura es aún más baja, deben programarse las reparaciones o el reemplazo. Por motivos de seguridad, debe permitirse la descarga del aislamiento cargado durante la prueba. Deje el medidor en el ajuste de “descarga” o conecte un corte entre los puntos de prueba durante, por lo menos, cuatro veces el voltaje de prueba aplicado justo antes de volver a conectar la energía. Como una alternativa a las pruebas con megóhmetro, un programa de mantenimiento predictivo puede incluir la prueba de aislamiento del motor con un voltaje de C.D. muy alto – característicamente de dos veces el voltaje nominal más 1000 voltios. Normalmente, el voltaje se aumenta en incrementos mientras se mide la corriente a través del aislamiento. La corriente aumentará con el voltaje en un principio y, después, debe nivelarse bastante antes de que se alcance el máximo voltaje de prueba. Si la lectura de la corriente continúa aumentando o se comporta en una forma errática, esto será indicativo de un aislamiento deficiente. La prueba debe descontinuarse para evitar daños en el motor. Si un motor no pasa la prueba y no es dañado durante la prueba y puede resistir un voltaje por lo menos algo más que el voltaje de línea normal, puede regresarse a servicio temporalmente mientras se hacen planes para limpiarlo, secarlo o reponerlo. 4.3.

OTRAS PRUEBAS Hay muchos otros tipos de pruebas que pueden hacerse en un motor. Las lecturas de resistencia en el caso de los devanados abiertos; de cortos entre devanados; de cortos entre las vueltas de un devanado y de capacitores o interruptores malos son frecuentemente necesarias. Sin embargo, normalmente forman parte de la detección de fallas o del diagnóstico de los problemas que un motor tiene después de que se han observado ciertos síntomas.

5.

REFERENCIAS Fuente: Mantenimiento de Instalaciones y Máquinas Eléctricas TECSUP.

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