Motores Electricos

CURSO MOTORES ELÉCTRICOS

MOTORES ELÉCTRICOS COPYRIGHT © 2002 COMPAÑÍA SURAMERICANA DE SEGUROS S.A. La Compañías  SURAMERICANA DE SEGUROS S.A  pone a su disposición este este Manual y la información información contenida en él, con el propósito de que la utilicen única y exclusivamente para su uso personal. Quedan reservados todos los derechos. Dicho Manual fue adquirido por la Compañía, por la compra que hizo al Instituto de Energía y Termodinámica de la  Universidad Pontificia Bolivariana Bolivariana del Primer Seminario de Equipos y Servicios dirigido a la Suscripción de Seguros Generales. Su contenido es de propiedad de la Compañía  SURAMERICANA DE SEGUROS S.A., según los artículos. 4 literal f) y 20 de  la ley 23 de 1982. Está prohibida su repr oducción total o parcial, su traducción, inclusión, inclusión, transmisión, transmisión, almacenamiento o  acceso a través de medios analógicos, digitales digitales o de cualquier otro sis t ema o tecnología creada o por crearse, sin  autorización previa y escrita de l a Suramericana. La utilización utilización de este este Manual se hace bajo la p ropia y única responsabilidad responsabilidad del USUAR I O. La Compañía  SURAMERICANA  funcionamiento de esta página est ará exento de errores de tipo técnico o de  DE SEGUROS S.A.,  no garantizan que el funcionamiento alguna otra clase; no se hacen responsables por posibles daños ocasionados al USUARIO o a terceros por el acceso o la  utilización de este Manual y la información contenida en el, o por la imposibilidad de acceso o utilización en determinado  momento o por un periodo de tiempo. Tampoco se hacen responsables por los posibles daños o perjuicios, directos o indirectos que, terceras personas puedan  ocasionarle al USUAR USUARI O por medio del uso uso de este manual .

TABLA DE CONTENIDO 1 DESCRIPCIÓN GENERAL

3

2 CLASIFICACIÓN:

3

2.1 2.2 2.2.1 2.2.2 2.3 2.3.1

4 5 5 6 8 8

MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA MOTORES ASÍNCRONOS : CLASIFICACIÓN DE LOS MOTORES ASÍNCRONOS C ARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN DE LOS MOTORES ASÍNCRONOS: MOTORES SÍNCRONOS C ARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN DE LOS MOTORES SÍNCRONOS

3 PARÁMETROS DE SELECCIÓN EN MOTORES 3.1 3.2 3.3

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ANÁLISIS DEL RENDIMIENTO 9 DETERMINACIÓN ÓPTIMA DE LA POTENCIA DE MOTORES . 10 CONVENIENCIA DE LA INSTALACION DE MOTORES TRIFÁSICOS EN LUGAR DE MONOFÁSICOS 11

4 FALLAS FRECUENTES EN MOTORES

12

4.1 4.2 4.3

12 13 13

F ALLAS EN LOS SISTEMAS DE PROTECCIÓN Y CONTROL: F ALLAS ORIGINADAS EN LA OPERACIÓN: F ALLAS DEBIDAS A LA NO C ALIDAD DE LA POTENCIA

5 PROTECCIONES ELÉCTRICAS

17

5.1 5.2 5.3 5.4 5.5

17 17 18 18 18

FUSIBLE: INTERRUPTOR AUTOMÁTICO: R ELÉ ELÉ TÉRMICO: INTERRUPTOR DIFERENCIAL : SISTEMA DE PUESTA A TIERRA:

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6 NORMAS DE DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE MOTORES

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7 MANTENIMIENTO DE MOTORES:

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1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5.

21 21 21 22 22

C ADA SEMANA C ADA SEIS MESES C ADA AÑO C ADA DOS AÑOS R ECOMENDACIONES ECOMENDACIONES GENERALES

8 NUEVAS TECNOLOGÍAS

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LISTA DE FIGURAS FIGURA 1 TIPOS DE MOTORES DE CORRIENTE DIRECTA (CD) ......... .................. ................... ................... .................. ................ ....... 4 FIGURA 2 ALGUNAS CARACTERÍSTICAS TÍPICAS DE MOTORES ASÍNCRONOS ......... .................. .................. .................. ......... 7 FIGURA 3 CURVAS DE OPERACIÓN Y ARRANQUES ESTÁNDARES......... .................. .................. .................. .................. ................ ....... 7 FIGURA 4 V ARIADORES DE VELOCIDAD ........ ................. ................... ................... .................. .................. .................. .................. .................. ......... 8 FIGURA 5 EFICIENCIA DE MOTORES ......... ................... ................... .................. .................. .................. .................. .................. .................. ............ ... 9 FIGURA 6 N ATURALEZA DE LAS PÉRDIDAS EN MOTORES .......... ................... .................. .................. .................. ................... .............. 10 FIGURA 7 SELECCIÓN DE MOTORES EN FUNCIÓN DE SU POTENCIA Y VELOCIDAD......... .................. ................... .......... 11 FIGURA 8 MOTOR MONOFÁSICO ......... .................. .................. .................. .................. ................... ................... .................. .................. ............... ...... 12 FIGURA 9 PERTURBACIONES .... .... .. 14 ERTURBACIONES FRECUENTES QUE AFECTAN LA CALIDAD DE LA POTENCIA ELÉCTRICA ..

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MOTORES ELÉCTRICOS DESCRIPCIÓN GENERAL Se llama motor eléctrico al dispositivo capaz de transformar la energía eléctrica en energía mecánica, es decir, puede producir movimiento al convertir en trabajo la energía eléctrica proveniente de la red o almacenada en un banco de baterías. 1

Básicamente, un motor está constituido por dos partes, una fija denominada Estator, y otra móvil respecto a esta última denominada Rotor. Ambas están fabricadas en material ferromagnético (chapas magnéticas apiladas), y disponen de una serie de ranuras en las que se alojan los hilos conductores de cobre que forman el devanado eléctrico. En todo motor eléctrico existen dos tipos de devanados: el inductor, que origina el campo magnético para inducir las tensiones correspondientes en el segundo devanado, que se denomina inducido, puesto que en él aparecen las corrientes eléctricas que producen el par de funcionamiento deseado (torque). El espacio entre el rotor y el estator es constante y se denomina entrehierro. Por efecto de las intensidades que atraviesan el rotor y el estator; se crean campos magnéticos en el entrehierro. La interacción de estos campos magnéticos con las intensidades que atraviesan los conductores del rotor produce unas fuerzas tangenciales que hacen girar el rotor produciéndose de este modo la energía mecánica. Desde su invención hasta nuestros días, el uso de los motores eléctricos ha sido creciente debido a: 





2

Gran versatilidad de utilización y potencias que hacen posible su uso en el hogar, la industria, el transporte, etc.  Altos rendimientos: un motor diesel 18.5 HP a 1500 rpm tiene una eficiencia del orden del 36%, mientras que uno eléctrico de la misma potencia a 440 V tiene una eficiencia del 87%. Larga duración: Con buena utilización y mantenimiento su vida útil es superior a 20 años. CLASIFICACIÓN:

Los motores eléctricos, desde el punto de vista de su utilización industrial, suelen clasificarse en : Corriente continua: a) Derivación. b) Independiente. c) Serie. d) Compound (Compuesto). INSTITUTO DE ENERGÍA Y TERMODINÁMICA - UPB

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Corriente alterna a) Asíncronos. • Rotor en corto circuito. • Rotor bobinado. b) Síncronos. 2.1 Motores de corriente continua

Son de gran facilidad para la regulación de velocidad, cambios o inversiones rápidas de la marcha, y sin necesidad de equipos costosos es posible efectuar control automático de torques y velocidades. Por las ventajas descritas anteriormente se utilizan primordialmente en industrias Papeleras, Textileras, Químicas, Siderúrgicas y Metalúrgicas. En estos motores, el estator está formado por polos principales y auxiliares excitados por corriente continua, así mismo el rotor se alimenta con corriente continua mediante el colector de delgas y las escobillas. Tipos: Dependiendo de la forma en que se alimentan los devanados del estator se clasifican: En derivación: El estator se alimenta con la misma tensión que el inducido. Independiente: El estator y el inducido se alimentan con fuentes separadas o independientes. • En serie: El estator y el inducido se conectan de modo tal que por ellos circule la misma corriente. • Compound: Es una combinación de las conexiones en serie y en derivación. • •

Una representación gráfica de la anterior clasificación se ilustra en la figura 1.

+ Inducido

+ Estator  Derivación

Compound

Serie

Independiente

-

Figura 1 Tipos de motores de corriente directa (CD)

Ref. (IET)

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En los motores en derivación , el flujo por polo es prácticamente constante, y considerando que el par del motor es proporcional a la corriente y que la velocidad disminuye linealmente al aumentar esta, se tiene un motor en el que la velocidad varia muy poco cuando varía el par, por lo cual se utilizan en casos donde la velocidad debe ser lo más independiente posible de la carga. Los motores con excitación independiente son prácticamente iguales a los anteriores. En los motores serie , la corriente del inducido atraviesa los polos y como el flujo producido en un polo depende de la corriente, el flujo será variable. El comportamiento típico de este motor es el siguiente: •

El par del motor crece al principio en forma cuadrática, más adelante, crece en forma lineal.

•

La velocidad disminuye más que proporcionalmente al crecer la intensidad.

Por lo cual, se tiene un par muy elevado a velocidades pequeñas (arranque) y velocidades muy grandes con pares muy pequeños. Este tipo de motores no puede funcionar en vacío puesto que en estas condiciones el flujo es muy pequeño y según la velocidad aumenta produciéndose un embalamiento. No pueden usarse en aplicaciones donde la carga pueda faltar ocasionalmente. Suelen utilizarse para tracción eléctrica, grúas, etc. Los Compuestos  tienen características intermedias a los dos anteriores. Presentan elevados pares de arranque y no tienen velocidades tan altas a bajas cargas. 2.2 Motores Asíncronos:

Los motores asíncronos basan su funcionamiento en la creación de un campo magnético giratorio en el entre hierro, debido a la circulación de corriente alterna trifásica en el estator. 2.2.1

Clasificación de los motores asíncronos

Los motores asíncronos se clasifican de acuerdo a la forma constructiva del rotor. Dicha clasificación es la siguiente: •

Jaula de ardilla: El rotor está compuesto por un conjunto de barras conductoras de cobre unidas en sus extremos por anillos.

•

Rotor bobinado: El rotor está compuesto por un arrollamiento (devanado) introducido en ranuras similares a las del estator. Los extremos de cada fase se conectan a unos

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anillos colectores montados sobre el eje, aislados eléctricamente de él. Lo anterior, permite conectar al devanado rotórico resistencias adicionales externas para reducir la corriente de arranque. Una vez finalizado el periodo de arranque se corto circuitan los anillos y se levantan las escobillas. El motor asíncrono suministra cualquier potencia hasta los límites de su capacidad de sobrecarga. 2.2.2

Características de operación de los motores asíncronos:

Entre las características de operación que se deben tener en cuenta en un motor asincrónico se encuentran: •

Tensión: En funcionamiento normal, se permiten fluctuaciones del orden de ± 5% la tensión nominal, de tal forma que:  V↓: Mayor corriente en el rotor y el estator; Pérdidas ↑, Rendimiento ↓  V↑: Las corrientes reactivas (IR ) ↑, pérdidas ↑, y el factor de potencia ↓

•

Factor de potencia (fp): Los motores asíncronos presentan consumos de energía reactiva altos, por lo tanto presentan fp  bajos. El fp  tiende a mejorar a medida que aumenta la potencia y la velocidad del motor. Un ejemplo de esta tendencia se presenta en la tabla 1. Tabla 1 Factores de potencia típicos en motores asíncronos Potencia [kW] 1,1 3,0 11 30 55

3000 0,85 0,86 0,86 0,87 0,89

 Velocidad [r.p.m.] 1500 0,81 0,83 0,86 0,87 0,87

1000 0,75 0,75 0,78 0,85 0,87

En la figura 2 se presenta un caso ilustrativo del comportamiento de algunas variables, entre ellas el factor de potencia, en función del índice de carga del motor (P/Pn).

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n η C os φ

Ι

P /P n

Figura 2 Algunas características típicas de motores asíncronos

Ref. (IET)

•

Par motor: Para seleccionar el motor, se debe determinar el tipo de carga:   A: Par constante: Ascensores, bombas, compresores de pistón, maquinaria herramientas. B: Par proporcional a la velocidad: calandrias. C: Proporcional al cuadrado de la velocidad: Bombas centrífugas, ventiladores, compresores rotativos, etc. D: Par resistente a la velocidad : procesos de regulación o tornos. Las curvas de operación del motor, así como los tipos de arranques más usuales se ilustran en la figura 3. Tipos de carga

Op eración normal del motor

M

M

A

B

Me

MN

D

C

n N

I/ I N

A r r a n q u e c o n t e n s i ón regulada

M /n N

2 .5

Arranque estrella - delta

M∆

. .B 1

MΥ

A

B A n N

n N

Figura 3 Curvas de operación y arranques estándares

Ref. (IET)

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•   Variación de velocidad: Los motores asincrónicos son esencialmente de velocidad

constante, sin embargo y dependiendo de la aplicación, en ocasiones es conveniente que sea variable. Las formas más usuales para variar la velocidad en este tipo de motor son las siguientes: 1. Intercalando resistencias en el rotor, es decir, variando el deslizamiento (figura 4). Potencia A R 2

R 2 R 1 Potencia De pérdidas n2 n1

Potencia Útil

n3

 NS

Figura 4 Variadores de velocidad

Ref. (IET)

En estos casos, la potencia absorbida de la red es prácticamente invariable, mientras que la potencia útil es proporcional a la velocidad→ aplicaciones especiales de poca duración. 2. Por variación de polos del estator. 3. Por variación de frecuencia de alimentación. 2.3 Motores Síncronos

Los motores sincrónicos son de menor uso a nivel industrial y sólo sustituyen a los asíncronos en algunas aplicaciones específicas. Su principal característica es que giran a velocidad constante e igual a la velocidad sincrónica. 2.3.1

Características de operación de los motores síncronos

  Además de girar a velocidad constante, los motores sincrónicos presentan las siguientes características de operación: • • •

El rotor debe alimentarse con corriente directa. Su par de arranque es nulo, por lo que debe arrancar como si fuese asíncrono. Son más costosos y requieren de un mayor mantenimiento.

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Su factor de potencia puede llegar a 1 e incluso puede hacerse capacitivo (de ahí que es uno de los métodos para corregir el factor de potencia en una instalación eléctrica). • En general, pueden ser más ventajosos que los asíncronos en casos de bajas velocidades, grandes tamaños y en mejorar el factor de potencia. •

3

PARÁMETROS DE SELECCIÓN EN MOTORES

3.1  Análisis del rendimiento

En la transformación de energía eléctrica en mecánica (que tiene lugar en un motor), una parte de la energía eléctrica tomada de la red se convierte en calor, constituyendo lo que son las pérdidas de un motor (ver figura 5). Pe

η 

Pu

=

 P u  P e

=

 P u  P u

+  P  P 

Pp

Figura 5 Eficiencia de motores

Ref. (IET) Las pérdidas que se originan en todos los motores eléctricos son fundamentalmente de tres tipos: Pérdidas eléctricas en devanados y otras partes de la maquinaria (P cu). Éstas corresponden a las pérdidas por efecto Joule (I 2.R) y las pérdidas producidas en las escobillas (motores de C.C.). • Pérdidas producidas en los circuitos magnéticos, o pérdidas en el hierro (Pfe). • Pérdidas mecánicas debidas a rozamientos y ventilación (Pmec). También se incluye en este grupo aquellas originadas por el roce en los cojinetes, del aire y de las escobillas, así como la potencia absorbida por el ventilador. •

En la figura 6 se representa, mediante un diagrama de Sankey, las pérdidas que se originan en un motor convencional.

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Pu Pe

Motor  P.Mec.

Pf e Pc u

Figura 6 Naturaleza de las pérdidas en motores

Ref. (IET)

El cálculo exacto de las pérdidas no es fácil de determinar, dada la gran variedad de formas constructivas y de los tipos de ventilación, sin embargo, actualmente existe un sinnúmero de tablas y programas que permiten, por comparación con motores similares, determinarlas con excelentes resultados. Es importante aclarar, que para un motor determinado, las pérdidas aumentan a medida que crece la velocidad de rotación del motor. 3.2 Determinación óptima de la potencia de motores.

Para una aplicación determinada, la elección de un motor eléctrico óptimo resulta bastante complejo (debido a los muchos factores que deben tenerse en cuenta), es decir, no existe una regla exacta y precisa que se aplique en todos los casos. En tal sentido, se pretende dar algunas orientaciones que permitan elegir el camino más indicado en cuanto a la elección del motor se refiere. Se puede resumir los factores más importantes a tenerse en cuenta en la elección de un motor en los siguientes tres bloques:

- Tensión de alimentación - Condicione ambientale Condiciones ambientales

- Potencia Nominal - Arranque - Tipo deservicio - Velocidad Exigencias de acondicionamiento

- Tipos

- Precios

Tipos y precios y de instalación

Finalmente y teniendo en cuenta la carga requerida y la velocidad de operación, se presenta en la figura 7 un esquema ilustrativo que permite elegir la conveniencia entre motores síncronos y asíncronos (siendo estos últimos, los más utilizados a nivel industrial por su menor costo, presentan un mejor arranque, mayor control de la velocidad, menos mantenimiento, menos robustos, etc.). INSTITUTO DE ENERGÍA Y TERMODINÁMICA - UPB

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V elocidad 2500

A sinc

1000 Sinc. O A sinc

Sinc.

400

2 00 4 00 6 00 8 0 0

1 00 0 2 0 00 3 00 0

Poten cia C V

Figura 7 Selección de motores en función de su potencia y velocidad

Ref. (IET)

3.3 Conveniencia de la instalación de Motores trifásicos en lugar de

monofásicos Para ciertas aplicaciones, en donde la potencia requerida es pequeña, son de mucha utilidad los motores monofásicos. Las aplicaciones más comunes son: Electrodomésticos: Aspiradoras, frigoríficos, ventiladores, batidoras, etc. Equipos de oficina. Industria y comercio: Máquinas y herramientas portátiles, pequeños accionamientos, etc. •  Agricultura. • • •

 Y en general, en todos aquellos casos en donde son requeridos equipos pequeños y para control.  A pesar de lo anterior, la utilización de estos motores es bastante desfavorable frente a los trifásicos debido a los siguientes factores: • • • •

La caída de velocidad al aumentar el par resistente es mayor. La eficiencia es menor. El factor de potencia es menor. Su par de arranque es nulo, no puede arrancar por si mismo.

En este último caso, se recomienda que en un motor monofásico el arranque sea de la siguiente manera (figura 8 ):

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1φ Devanado principal Condensador  Devanado secundario

Interruptor  centrifugo Rotor 

Figura 8 Motor monofásico

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Ref. (IET) FALLAS FRECUENTES EN MOTORES

Se ha definido falla eléctrica como "cualquier evento que impide la normal operación (disponibilidad) de algún equipo, esquema o componente de control y protección". Esta amplia definición permite el registro de eventos, aún cuando el equipo afectado no se encuentre plenamente inoperativo, situación muy frecuente en el campo del control y protección de Sistemas Eléctricos. Por otra parte, se define Atención Correctiva como “un procedimiento preestablecido y destinado a retornar a su estado normal de operación (definido o provisorio) al objeto afectado por la falla”. Existen diferentes enfoques para analizar y evaluar el impacto de las fallas sobre los equipos del sistema eléctrico de las Industrias, en general basadas en la evaluación de la potencia o energía perdida con ocasión de cada falla. En este sentido las fallas en un motor eléctrico pueden ser originadas por: • • •

Fallas en los Sistemas de Protección y Control. Fallas originadas en la operación Fallas debidas a la no Calidad de la Potencia

4.1 Fallas en los Sistemas de Protección y Control:

 Aunque existan fallas relacionadas con la operación de los equipos y la no calidad de la energía, es el sistema de protección y control quién finalmente realiza una acción determinada. La particular naturaleza de los trabajos del área responsable de los Sistema de Protección y Control, hacen que el enfoque relacionado con la pérdida de potencia no sea adecuado por cuanto muchas de las fallas que afectan a tales equipos no llegan a producir interrupción.

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4.2 Fallas originadas en la operación:

  A este grupo corresponde las fallas asociadas a los incrementos de temperatura en equipos, y problemas de vibración mecánica. En el primer caso, la sobrecarga de los motores y conductores son consecuentes a la circulación de corrientes elevadas que originan, a su ves, pérdidas de energía, ineficiencias en los procesos, extra costos en la operación y mantenimiento, calentamiento excesivo de las partes, e incluso, hasta la misma destrucción del equipo si los sistemas de control y protección no son los adecuados. En este caso, la calidad de la energía se ve seriamente afectada puesto que las sobrecorrientes originan caídas de tensión considerables. Para contrarrestar las fallas eléctricas por incrementos de temperatura es indispensable realizar, entre otros, una limpieza periódica de las partes del motor y los conductores, chequeos a los sistemas de protección, y pruebas termográficas en barrajes, conductores, carcasas, puntos de conexión y aislamientos térmicos. Con respecto a las vibraciones mecánicas, son el resultado de fuerzas magnéticas desiguales que actúan sobre el rotor o sobre el estator. dichas fuerzas desiguales pueden ser debidas a: • • • • • • •

Rotor que no es redondo. Chumaceras del inducido que son excéntricas. Falta de alineamiento entre el rotor y el estator. Entrehierro no uniforme. Perforación elíptica del estator. Devanados abiertos o en corto circuito. Hierro del rotor en corto circuito.

Las vibraciones ocasionadas por los problemas eléctricos responden generalmente a la cantidad de carga colocada en el motor. A medida que se modifica la carga, la amplitud y/o las lecturas de fase pueden indicar cambios significativos. Esto explica por qué los motores eléctricos que han sido probados y balanceados en condiciones sin carga muestran cambios drásticos de los niveles de vibración cuando vuelven a ser puestos en servicio. Un caso particular de vibraciones mecánicas lo constituyen las poleas desgastadas y bandas destempladas en accionamientos mecánicos, cuyo efecto en motores es la presencia de desbalances de corriente, que a su vez, originan desbalances de tensión (pérdida de la calidad de la potencia). 4.3 Fallas debidas a la no Calidad de la Potencia

Los problemas relacionados con la calidad de potencia están muy ligados a una amplia gama de fenómenos. Aproximadamente en dos tercios de los casos se trata de fenómenos naturales, como los rayos. Otras causas de la pérdida de la calidad de energía la constituyen la operación de equipos de gran potencia en la industria o en la red misma INSTITUTO DE ENERGÍA Y TERMODINÁMICA - UPB

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(por ejemplo, la conexión de condensadores) y, en general, una variedad de fenómenos que pueden llegar a producir caídas súbitas de tensión a nivel del consumidor y que hacen muy compleja la evaluación de la calidad de potencia. las perturbaciones que generalmente afectan la calidad de la potencia se clasifican en las siguientes categorías: • Fluctuaciones de voltaje. •  Variaciones momentáneas de alto y bajo voltaje. • Interrupción permanente en equipos y/o en procesos. •  Armónicos. • Transitorios (Transientes).

En la figura 9 se presenta la forma de onda con las principales perturbaciones que atentan contra la calidad de la potencia eléctrica.

Figura 9 Perturbaciones frecuentes que afectan la calidad de la potencia eléctrica

Ref. (Manual técnico de la ABB)

Con base en lo expuesto anteriormente, en la tabla 2 se presentan las causas y efectos de las fallas más frecuentes en un motor eléctrico.

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Tabla 2 Causas y efectos de las fallas más frecuentes en un motor eléctrico Perturbación

subgénero

 Aumento de la temperatura

 Vibraciones Mecánicas

SAGS

• • • • • •

Causa de la perturbación Suciedad de las partes del motor.  Aislamientos térmicos defectuosos. Cuchillas gastadas en molinos. Sobrecarga de barrajes, cables y motores. Sistemas de control desconfigurados. Operación inadecuada de protecciones.

• • • • • • • • •

Rotor que no es redondo. Chumaceras del inducido que son excéntricas. Falta de alineamiento entre el rotor y el estator. Entrehierro no uniforme. Perforación elíptica del estator. Devanados abiertos o en corto circuito. Hierro del rotor en corto circuito. Bandas destempladas. Poleas desgastadas en Accionamientos.

• •

• •

Corto circuito en un alimentador de alta potencia.  Arranque de motores de potencia alta

•

• • • • • • • • •

• • • • • • •

• •

 Variaciones momentáneas de bajo y alto voltaje

•

SWEELS

•

incremento temporal del voltaje durante un desbalance de fases en una falla sólida a tierra. Falla de un sistema no aterrizado y de impedancia de secuencia cero infinita. Fallas localizadas en sistemas de alimentación de 4 hilos y múltiple aterrizaje.

• • • • • •

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Efecto de la perturbación (falla) Calentamiento excesivo. Destrucción de equipos. Conatos de incendio. Pérdidas de energía. Paros indebidos. Sobrecorrientes. Caídas de tensión Ineficiencia en el proceso. Extracostos en operación y mantenimiento. Calentamiento excesivo. Desgaste y destrucción del equipo (disminución considerable de la vida útil). Pérdidas de energía. Paros indebidos. Sobrecorrientes. Desbalances de corriente. Desbalances de voltaje. Ineficiencia en el proceso. Extracostos en operación y mantenimiento.   Apertura indebida en contactores y dispositivos de protección.   Arranque no exitoso del motor que genera la perturbación. Incremento temporal del voltaje. Sobrevoltajes línea-tierra. Operación inadecuada de dispositivos de control y protección. Problemas de hardware por calentamiento en equipos de cómputo. Destrucción de componentes electrónicos. Daños en discos duros o en cabezales de diferentes dispositivos.

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PROTECCIONES ELÉCTRICAS

De acuerdo con lo que establece el REBT (Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión), en la instrucción IMIE BT 020, todo circuito (y/o equipo) debe estar protegido contra los efectos de las sobrecorrientes que puedan presentarse en el mismo. Se entiende por sobrecorriente toda corriente superior a la nominal. Una sobrecorriente puede producirse por un cortocircuito o por una sobrecarga. Para proteger un circuito contra los efectos de las sobrecorrientes (sobrecargas y cortocircuitos), normalmente se utiliza alguna de estas opciones: • Fusibles: protegen contra sobrecargas de muy larga duración y contra cortocircuitos. • Fusibles y relé térmico: El fusible protege contra cortocircuitos y sobrecargas

intensas, y el relé térmico contra sobrecargas no intensas. Esta opción se utiliza fundamentalmente en la protección de motores.

• Interruptores automáticos magnetotérmicos: Protegen contra sobrecargas y

cortocircuitos. El sistema de protección térmico protege contra sobrecargas y el magnético contra cortocircuitos.

 A continuación se hará extensible la definición de los elementos que conforman el sistema de protección de un motor. 5.1 Fusible:

Estos dispositivos interrumpen un circuito eléctrico cada vez que una sobrecorriente quema por fusión un conductor ubicado en el interior, por lo que deben ser reemplazados después de cada actuación para poder restablecer el circuito. Básicamente existen tres tipos de fusibles normalizados: Cuchilla, Cilíndricos y Tipo D. Para la adquisición de un fusible es de importante tener en cuenta las siguientes características: • • • •

La corriente nominal. La tensión nominal. El poder de corte nominal. La característica tiempo/corriente de respuesta.

5.2 Interruptor automático:

Dispositivo mecánico de conexión capaz de establecer, soportar e interrumpir corrientes bajo condiciones normales de operación. De igual forma pueden soportar sobrecargas INSTITUTO DE ENERGÍA Y TERMODINÁMICA - UPB

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durante un tiempo determinado e interrumpir corrientes abruptas, como las de cortocircuito. En un interruptor, el dispositivo disparador de sobrecorriente cuenta con un sistema magnético de respuesta rápida ante sobrecorrientes abruptas (cortocircuitos), y una protección térmica basada en un bimetal que desconecta ante sobrecorrientes de ocurrencia más lenta (sobrecargas). 5.3 Relé Térmico:

En motores industriales de potencia nominal superior a 0,75 kW, y todos aquellos situados en locales con riesgo de incendio o explosión, la protección contra sobrecargas se encomienda a un dispositivo llamado relé térmico. Este dispositivo debe ir asociado a un contactor, que es el encargado de abrir y cerrar el circuito de alimentación al motor. 5.4 Interruptor Diferencial:

El interruptor diferencial es un dispositivo destinado a la protección contra los contactos indirectos, el cual se instala en el tablero eléctrico después del interruptor general del empalme. Si ocurre un cortocircuito en algún equipo, se crea un desequilibrio entre la corriente que entra y sale del mismo. Lo mismo ocurre si una persona toca una parte energizada de la instalación eléctrica. En ambos casos, los interruptores diferenciales intervienen abriendo el circuito. 5.5 Sistema de Puesta a Tierra:

Por puesta a tierra de protección se entiende la conexión de determinados elementos de una instalación eléctrica con el potencial de tierra, asegurando la actuación de los elementos de protección y evitando tensiones de contacto peligrosas para las personas. La instalación de la puesta a tierra se logra, entre otras alternativas, mediante el empleo de electrodos enterrados cuyas características dependen de aspectos como la calidad del suelo, parámetros eléctricos del sistema y la superficie de terreno disponible. Es importante mencionar que para la protección mediante un sistema de puesta a tierra NO DEBEN UTILIZARSE LOS DUCTOS O LAS CAÑERÍAS DE COBRE DE UNA INSTALACIÓN. Es por eso que normalmente se cuenta con tres conductores al momento de arreglar un enchufe o instalar un nuevo equipo, dos de los cuales corresponden a fase (energizada) y neutro, y el tercer conductor es el de la puesta a tierra de protección. Si por ejemplo en la instalación de un motor no se hubiese instalado este tercer conductor, o si la puesta a tierra estuviese mal hecha, entonces en caso que ocurre una falla al interior de la máquina puede que un conductor energizado haga contacto con la carcaza metálica del motor dejándolo a una tensión peligrosa, sin que una persona lo note. Sin embargo, al contar INSTITUTO DE ENERGÍA Y TERMODINÁMICA - UPB

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con una adecuada instalación de puesta a tierra de protección, la carcaza estará puesta al potencial de tierra, por lo que en el momento de contacto del conductor energizado con la carcaza se produciría un cortocircuito y actuarán las protecciones correspondientes. 6

NORMAS DE DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE MOTORES

El diseño de una instalación, de conformidad con lo establecido por los códigos, minimiza los riesgos de incendio y de accidentes, pero no garantiza la operación satisfactoria o eficiente del sistema. En este sentido, se debe recurrir a normas de diseño adicionales para equipos específicos, por ejemplo de un reactor, para logras estos últimos fines.  A escala regional la Norma Técnica Colombiana NTC 2050 o código Eléctrico Nacional, ha normalizado todas las instalaciones eléctricas interiores, buscando la seguridad de las personas y los equipos, y elevando a la categoría de obligatorio cumplimiento criterios de reconocido valor técnico. Para instalar cualquier equipo eléctrico, en este caso un motor, se inicia por investigar si existen reglas locales de instalación en forma de reglamento, si no existen, se debe cumplir con los requisitos del Código Eléctrico Nacional (ICONTEC) e incluso con las normas técnicas internacionales, de las cuales sobresalen: • IEC: International Electrothecnical Commision. Comisión Electrotécnica Internacional. • NEC: National Electric Code. Código Eléctrico Americano. •  ANSI: American National Standart Institute. Instituto Americano de Normalización. • NEMA: National Electrical Manufactures Association. Asociación Americana de

Fabricantes de Productos Eléctricos. • CIE: Comission Internationale de L´Eclairage. Comisión Internacional de Iluminación. • UNE: Una Norma Española.

En la tabla 3 se presenta, a manera de resumen, la definición y el objeto de las normas generales para el diseño de motores, y que son vigentes para instalaciones eléctricas Nacionales. Con respecto al diseño de motores de alta eficiencia, diversos fabricantes han realizado acciones tendientes a reducir las pérdidas y mejorar la eficiencia energética, entre las cuales sobresalen: • • • • • •

Utilización de acero con mejores propiedades magnéticas. Reducción del entrehierro. Reducción del espesor de la laminación. Incremento en el calibre de los conductores. Utilización de ventiladores y sistemas de enfriamiento más eficientes. Utilización de materiales aislantes mejores.

En virtud a estos diseños, los motores eficientes generan menos calor residual y requieren, por lo tanto, menor energía para enfriamiento (es suficiente con un ventilador más pequeño). Como resultado se obtiene motores con pérdidas de hasta un 45% menores INSTITUTO DE ENERGÍA Y TERMODINÁMICA - UPB

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que la de los motores estándar y garantizan una operación más silenciosa (es sabido que motores estándares de gran tamaño originan contaminación auditiva). Tabla 3 Normas generales para el diseño e instalación de equipos, regidos para el Sistema Eléctrico Colombiano. EQUIPO

OBJETO Conductores unipolares aislados con material termoplástico PVC.   Alambres conductores y cables para usos eléctricos. NTC 911 Terminología y definiciones. CONDUCTORES (para la instalación de Cables concéntricos de cobre duro. semiduro y blando NTC 307 motores) para usos eléctricos. Tubos de policloruro de vinilo rígido para alojar y proteger NTC 979 conductores eléctricos Tubos de policloruro de vinilo rígido para redes eléctricas NTC 1630 subterráneas. Establece una identificación de color normalizada par el NTC 188 conductor de tierra en cables para cuerdas flexibles. Esta norma se aplica a los contactores cuyos contactos principales están diseñados para ser conectados a CONTACTORES ELECTROMECÁcircuitos que no exceden la tensión nominal de 1000V CA NICOS Y ARRANCADORES DE MOTOR. NTC 2466 ó 1500V CD. Interruptores para instalaciones eléctricas de alumbrado. NTC 1337 Interruptores para protección contra sobrecorriente en INTERRUPTORES instalaciones que operan a 50Hz ó 60Hz, tensión no superior a 440V y una corriente nominal que no exceda a NTC 2116 125 A.   ACEITES AISLANTES DERIVADOS DEL Comprende el método de ensayo para determinar la PETRÓLEO SOMETIDOS A IMPULSOS tensión de ruptura dieléctrica de los aceites aislantes NTC 3225 ELÉCTRICOS. sometidos a impulsos eléctricos. UNE 21.103 -91 Reglas generales y suplementarias para los fusibles de baja tensión destinados a ser utilizados por personal CORTACIRCUITOS FUSIBLES autorizadas o personal no calificado. Cubre temas como construcción, características de operación, rendimiento, tamaños de armazón, calidad, MÁQUINAS ROTATATORIAS NEMA C50 clasificaciones del par y bases para establecer la (U. S. A.) capacidad nominal.

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NORMA NTC 1099

MANTENIMIENTO DE MOTORES:

Las inspecciones, las lubricaciones y la limpieza periódica y sistemática hacen parte de un necesario programa de mantenimiento preventivo de las máquinas eléctricas, todo ello con el fin de evitar daños y paradas innecesarias en el trabajo. La ubicación de las máquinas eléctricas va desde lugares en donde no hay polvo, suciedad ni humedad, hasta sitios donde se encuentra toda clase de suciedad. Por eso el periodo de las operaciones de las inspecciones varía según el caso, desde cada semana, hasta casa año, condicionando eso, no solamente por el medio donde trabaja el motor, sino también por el tiempo de trabajo y de la naturaleza del servicio que desempeña. En línea general, se deben observar las siguientes reglas: INSTITUTO DE ENERGÍA Y TERMODINÁMICA - UPB

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7.1 Cada semana

•  Verificar el nivel de aceite de los cojinetes y de los anillos engrasadores. •   Verificar las conexiones de la caja de bornes (cables pelados, tuercas

no apretadas). • Examen de los fusibles y de los aparatos de control. •   Verificación del alcance de la velocidad de plena carga en un tiempo normal. •  Verificar la tensión en los bornes del motor. 7.2 Cada seis meses

•   Verificar • • • • • •

la grasa o el estado del aceite de los cojinetes (excesiva grasa puede producir recalentamiento). Examinar las escobillas y portaescobillas (verificar la presión, la correcta posición y el desgaste. Las escobillas que están desgastadas a más de la mitad deben ser sustituidas). Escuchar el motor a plena velocidad de carga y observar eventuales ruidos mecánicos, luego desde parado, mover el eje para averiguar eventuales desgastes de los cojinetes.   Verificar pernos que sujetan la base del motor, los tornillos que sujetan la placa, los escudos, las tapas de los cojinetes y las tapas de protección. Inspeccionar el estado de los aparatos de control (arreglar los contactos estropeados y apretar bien las conexiones, verificar el estado de los resortes de los contactos).   Verificar si por algún fusible quemado, el motor no está trabajando con todas las tres fases. Limpiar la suciedad del motor usando aspiradores (los compresores echarían la suciedad en los enrrollamientos).

7.3 Cada año

Limpiar los cojinetes de casquillos y renovar el aceite o grasa (esto es condicionado al ambiente de trabajo del motor). •   Verificar el grado de aislamiento del motor. Si la lectura es inferior a un megahomio (1 MΩ) y se presume que el motor esté muy húmedo, entonces hay que secarlo con una estufa hasta que la lectura sea satisfactoria. •   Verificar la corriente absorbida por el motor a plena carga, compararla con la que indica la placa de características y concluir si el motor está sobrecargado o subcargado. •   Verificar la holgura del entrehierro con un calibrador de láminas (no •

se debe admitir una reducción de esta holgura superior al 20% del entrehierro INSTITUTO DE ENERGÍA Y TERMODINÁMICA - UPB

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normal). 7.4 Cada dos años

• •

Desmontar el motor y limpiarlo con tetracloruro de carbono. Secado y rebarnizado del motor (operación condicionadas al tipo de trabajo del motor y al medio circundante).

7.5 Recomendaciones generales

Se dan los siguientes lineamientos generales: • •

• • • • • •

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El polvo con limadura de hierro es abrasivo, produce desgaste y es un buen conductor. En ambientes muy salinos (como las cercanías del mar), los portaescobillas de las máquinas eléctricas es preferible levantarlos del colector si la máquina se queda mucho tiempo sin trabajar. Se evitarán manchas y corrosiones en el colector. El recalentamiento de un motor puede ser producido por la obstrucción de los canales de ventilación. Hay que chequearlos y limpiarlos con frecuencia. Los cojinetes nuevos hay que guardarlos bien envueltos en sitios limpios. No hay que dejarlos mezclados con la herramienta, ni cerca de limaduras o suciedades. Si en un cojinetes hay un escape, no hay que seguir poniendo aceite o grasa. Es necesario un chequeo y arreglar la causa de la pérdida. En un sistema de tracción, bandas y poleas desajustadas ocasionan sobrecargas en el motor, ineficiencias y pérdidas de energía. Las altas temperaturas en el motor son síntoma de sobrecarga y fallas de aislamiento eléctrico, por lo cual se recomienda realizar periódicamente medidas de termografía en los devanados. Finalmente y para el caso de arrancadores de motores, se debe realizar periódicamente inspección visual (resecamiento de la bobina, arco en los contactos, suciedad en el núcleo magnético y decoloración de los contactos), auditiva (vibración excesiva del núcleo magnético) y de tacto (verificación de terminales flojos, desuniformidad de presión en los contactos y temperaturas anormales) . NUEVAS TECNOLOGÍAS

  Aunque los motores modernos tienen eficiencias altas, los nuevos diseños de eficiencia energética (también llamados motores de alta eficiencia) prestan suma importancia al ahorro de energía y a la reducción de los costos por consumo de electricidad. Los motores eficientes incorporan los últimos desarrollos en diseño y tecnología de materiales, y aunque presentan un costo inicial mayor que los motores estándares, el costo adicional es INSTITUTO DE ENERGÍA Y TERMODINÁMICA - UPB

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recuperado rápidamente por los ahorros de energía eléctrica (los períodos de recuperación suelen ser de unos cuantos meses), dependiendo por supuesto, del costo de la energía y el número de horas semanales de uso. Los motores de alta eficiencia están diseñados para minimizar las pérdidas en la coraza y en el embobinado. Esto significa que se pierde menos calor, de tal manera que se requiere menos energía para enfriar el motor y se puede emplear un ventilador más pequeño. En la actualidad los fabricantes y consumidores están poniendo atención a los motores de alta eficiencia a consecuencia de una gran campaña en favor de la protección del medio ambiente, es por eso que muchos motores eléctricos han sido rediseñados tomando en cuenta la eficiencia en el aprovechamiento y el uso eficiente de la energía eléctrica. En la tabla 4 se presenta un comparativo de la eficiencia nominal entre motores estándar y motores de alta eficiencia de 4 polos. Cabe anotar, que en la sustitución de un motor estándar por uno de alto rendimiento, un aumento considerable en la eficiencia se ve reflejado en una disminución de las pérdidas y un ahorro de energía eléctrica. Tabla 4 Eficiencias nominales para motores estándares y de alta eficiencia (4 polos) Potencia Nominal (kW) 1,119 1,492 2,238 3,730 5,595 7,460 11,19 14,92 18,65 22,38 29,84 37,30 44,76 55,95 74,60 93,25 111,9 149,2

Eficiencia nominal

Abiertos Estándar Eficiente 74,0 84,0 75,5 84,0 81,5 86,5 81,5 87,5 82,5 88,5 82,5 89,5 84,0 91,0 84,0 91,0 86,5 91,7 88,5 92,4 89,5 93,0 89,5 93,0 90,2 93,6 90,2 94,1 91,0 94,1 92,4 94,5 92,4 95,0 93,0 95,0

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Cerrados Estándar Eficiente 80,0 84,0 81,5 84,0 81,5 87,5 84,0 87,5 86,5 89,5 86,5 89,5 87,5 91,0 87,5 91,0 89,5 92,4 90,2 92,4 90,2 93,0 91,0 93,0 91,7 93,6 91,7 94,1 92,4 94,5 92,4 94,5 92,4 95,0 93,0 95,0

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