MOTORES TRIFASICOS

Motores trifásicos Características, cá1lculos y aplicaciones José Roldán Viloria

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MOTORES TRIFÁSICOS CARACTERÍSTICAS, CÁLCULOS Y APLICACIONES

MOTORES TRIFÁSICOS CARACTERÍSTICAS, CÁLCULOS Y APLICACIONES

JOSÉ ROLDÁN VILORIA

CONTENIDO . . IX

3 . lntroducci6n a la mecánica del movimiento .

1. Matemáticas aplicadas. Magnitudes y unidades .. 1

3.1. Breve reseña histórica . . 3.2. Jntroduoción a los motores eléctricos. 3.3. Principales tipos de motores eléctricos . 3.4. Principio d e funcionamiento de los motores eJéctricos 3.5. Energfas y sus formas. . 3.5.1. Energía potencial. 3.5.2. Bnergfa cinética. . 3.5.3. Energia contenida en la materia. . 3.5.4. Principio de conservación d e la energía . . . 3.6. Tmpor tan da del movimiento. . 3.7. Dispositivos y máquinas que generan movimiento . . . . . 3.8. Dis:positivmcomplementarioa utilizados en el movimiento . .

l'relado .. .

L1. ~,fúltiplos y submú ltiplos de unidades . . . . . 2 L2. Sistema mébico de u nidades . . ... 2 1.2.L Unidades fundamentales de.l SI . . . . • 2 1.2 .2. Principales unidades de medida del ST ... ... 3 1.:3. Otras magnitudes y u n idades (sistema inglés) . . . ... 4 1.8.l. Unidades de medida de peso .. . 4 1.3.2 . Unidades de medida de longitud . . . . 5 1.a.a.Unidades de medid a de s uperficie.. .. . 5 1.3.4. Unidades de medida de volu men. .. .. . 6 1.3.5. Unidadesdemedidadepresió n. ... 6 L-l. Otras medidas que interesan en esta materia . . . .. . 6 1.4.l. Escalas d e temperatura .. . 7 1.4.2. Cantidad d e calor . . ... 8 1.4.3. ?\,fedida de los ángulOE1 . . ... 9 1.4.4.. ?v1edida del tiempo .. . 9 1.4.S. la circunfere ncia . . . . . 10 1.4.6. l'tigono metria .. ti 1.4.7. Empleo de la calculadora para efectua.r cJ !culos . . . . 12 1.4.8. Cálculo de figuras geométricas .. 12 L5. Magnitudes y u nidades de electricidad. . . 15 1.5.l. Tabla con lac; principales magnitud es y unidades eléctricas . . . . 15 1.5.2. Unidades de medida de potencia. . . 16 1.5.3. Factores d e conversión. . . 16 L6. Aparatos de medida mecánica. . . 16 1.6.l. Calibre de medida.. . . 17 L 7. Aparatos de medida eléctrica. . . . 19 2. Física generaJ aplicada

.. 2l

2.1. Magnitudes y unidades del ST . . . 22 2.2. Principale.c; magnitude.c; y unidades utilizadas. . . . 23 2.3. De6niciones de las principales magnitudes y unidades . . . . 24 2.4. Fórmulas de cálculo aplicables a transmisiones mecánicas.. .. . . . 24 2.4.L Principales fórm u las aplicadas a la transmisión mecánica. . . . 25 2.4.2. Cálculo de la potencia absorbida y útil para motore.e; eléctrico.e; . . . . . 'l1 2.5. Curva caracterfstica de par d e giro y revoluciones . . . . . 28 2.5.1. Concep tos de par eléctricos. . . 28 2.5.2. Otras fórmula d e par . . . . . 30 2.6. Fórmulas d e fuer.za . . . . 81 2.7. Fórmulas d epot.encia.. . .. . . . 81. 2.8. Fórmu las eléctricas aplic'.adas .. 32 2.8.t Cálculo de la potencia.. . . . 32 2.8.2 C'.ák ulo de la enei:gfa . .. . . 34 2.8.3 Cálculo de la energia consumida en u n circuito trifác;ico de corriente alterna . . 35 2.8.4 Cákulo de la cantidad d e calor gener ado porenergia eléctrica . . . .. 37

4. Motores eléctricos trifásicos .

39 40

41 . . 41 41 . . 43 . 43 . . 43 . 44

. 44 . . 44 . . 45 . . 46 . . 49

4.1. J...fotores trif..ásicos con rotor en cor tocircuito 50 4.l.L Principio de funcionamiento. Creación de un e.ampo de giro . . . . . 50 4.l.2. Elementos principales de u n mo tor

trifásico con rotor en cortocircuito . . .. 51 . 52 4.1.4. Carncteristicas eléctricas principales de lo.e; motores trifásicos. . . 52 4.1.5 Representación del bobinado estatórico de un motor trifásico . . . 53 . . 54 4.l.6. Carncteristicas principales . . 4.1.7. Conexión de los motores trifásicos en función de su tensión. . .. 55 4.1.8. Tipos de motores . . 57 4.l.9. Aplicación de los motores .. 57 4.2. P laca de características . . 58 . . 6() 4.2.L Potencia . . .. . . 6() 4.2.2 Rendimiento del motOT .. . 4.2.3. Tens iones .. . .. 62 4.2.4. lntensidad o intensidades . 63 4.2.S. Precuencia.. . 63 4.2.6. Velocidad de giro del eje del motor. 63 4.2.7. "Factor de potencia (coa t¡J). . 65 4.2.8. Protección (CP) . .. 68 (IJ 4.2.9. Protección Bx . (IJ 4.2.10. C lases de servicio 4.2.11. Forma constructiva . . 70 4.2.12. Aislamiento térmico del bobinado deunmotOT. . . 72 4.2.13. Caja de conexiones. . . . .. 74 4.2.14. Otros valores y d atos a considerar. .. 7.5 4.3. Pre.c;entación comercial de motores trifásicos . .. .. . . 76 4.4. Normas sobre m otores . . .. 77 4.S. Caracteristicas mecánicas del m otor .. .. 79 4.l.3. Observaciones . .

5. F6rmulas de cálculo para motores trilásicos . .. .. 85

5.1.. Fórmulas d e pote,::icia aplicadas a m otores trifásicos. 5.1.1. Potencias .

. . .. 86 . . .. 86

Motores trifásicos

Contenidos

5.1..2. Tn tenrridad (/) absorbida por el motor . ir! 5.L3. Rendi miento ('\}del motor. . . .. 87 5.2. Cálculo de la potencia (P) nece...aria. . . . 87 5.2.1. Potencia motor necesaria para accionar u na máquina .. . 88 S.2.2. Potencia (P) en kW .. . 88 5.2.3. Potencia (PJ en CV . . 88 5.3. Cálculo del par motor (M..,J 89 5.3.1. Determinación del par motor . 89 . 90 5.3.2. Par to.rsor en Nm .. .. . . 90 5.3.3. Par torsor en mkg ... . .S.4. Par de giro y potencia de una máquina o motor . . . 90 S.S. Otras fórmulas aplicadas a motores. 91 5.5.1. Velocidad d el movimiento 91 de rotación . . 5.5.2. Momento dinámico referid o al eje del mo tor. . 92 5.5.3. Potencia absorbida por el motor (P) . . 92 5.5.4. Potendadearranque{P.J. . . 92 S.5.5. 'T'iempo de arranque (tJ . ..... . . . . . 92 5.5.6. Potencia de frenada (.PJ . . . . . .. 92 5.5.7. Tiempo d e frenado (t,): .. . . . . . . . . . . . 93 5.5.8. Potencia térmica equi-vaJente (P11J.. . . 93 5.6. .Potencia motor para tre.'l tipos de movimiento . . . .. .. 93 .. .. 93 5.6.1. Potencia de rotación . . 5.6.2. Potencia d e traslación. .. . . 94 5.6.3. Potencia de ele~,ación . 94 5.7. Compensación de l factor de potencia (co..'l~) .. 9-1 5.7.t. VaJor del factor de potencia en función de la carga d el motor . . 94 5.7.2. Fónnula de cálculo de l factor de potencia {cos~>) .. 95

6.3.ll. Inversión d e giro . . . . .. . 105 6.3.12. Par má>..;mo de.J motor (Mltl) . ... . 105 6.3.l3. Factor de potencia (cos .:,>) •• •• .. . 105 6.3J4. Rendim.iento d eJ motor(,{) . . 105 . . iOS 6.3.15. Motores con rotor bobinado . . 105 6.3.16. Motores que incorporan fren o .. iOS 6.3.17. 'l""ermistorea . .. 6.3.1.S. Resistencia interior de caldeo . . . . 106 6.4. Caracterfsticas mecánicas del motor . . .. i06 6.4.L Fonna constru ctiva . . . 106 6.4.2.. Envolvente del mo tor .. . .. i06 6.4.3. BquUibrado del mo tor . . . . i06 6.4.4. Nivel de m ido .. 107 . . 107 6.4.S. Cojinetes (rodamientos) . . . 107 6.4.6. Grado de protección IP. . . 107 6.4.7. C-aja de bornes 6.4.8. Toma de puesta a tierr a .. 107 . . 107 6.4.9. Manipulación del motor. .. 107 6.4.10. TomilJeria. 6.4.11. Pintura ... 108 6.4.12. Placa d e características. 108 6.4.13. Motores especia les . .. . 108 6.5. Condicio ne." ambien tales del 108 lugar de trabajo del motor... . 6.5.L Temperatura ambiente.. 109 6.5.2. Altitud a la que se instala el motor . . 109 6.6. Documentación q ue proporcionará el fabricante. . 110 6.7. formas de funcionamiento de un motor .. . 110 6.8. Formas de arranque d e los motores . . . . . 111 6.8.L lnt:ensida des absorbidas por un motor trifásico en función del tipo de arranque.. . . .. 112 6.9. Representación simbolizada de motore.'l trifásicos . . 113

7.10. Arranque directo de un m otor trifásico cm-i t:otor en cortocircuito .. . 129 7.10.1. Fórmulas e léctricas par a e l a rranque directo . . .. . 1.io 7.10.2. Conexión d el m otor . . .. . 131 7.10.3. Ventajas de la aplicación de motores trifásicos con rotor en cortocircuito . . . 132 7.10.4. Caracteria.ticas del periodo de arranque d irecto de un motor tri fáaico con rotor en cortocircuito. . . . . 132 7.10.S. Caractetf,i;.ticas de l funcionamien to a régimen nmninal de un motor trifásico con rotor en cortocircu ito. ... . . . 1.14 7.t t. Representación unifi.lar de diferentes formas de d isponer los e lementos d e protección v accionamiento en e l circuito del motor . . 135 7.12. Isquemas pam e l arranque d irecto de motores trifásicos . . .. . 137 . .. . 137 7.12.1. Bsquemas de ansnque . . 7.12.2. Esquem as de maniobra para el circuito d e potencia 7,5. . . . . 137 7.1..1. Inversión de giro para un motor trifásico . 138 . . . 138 7.13.t. Procedimiento de inversión. . 7.13.2. l nversor trifásico realizado con cont:actol'es. . .. . 139 7.13.3 Aplicación de.} inversor . . . . 141 7.14. Arranque de un motor trifásico en conexión estrella-triá.ngu.lo . . . . 141 7.14.L Caja d e conexiones de l m otor ... . 143 7.15. & quema de arranqu e d e u n motor en conexión Y-a . . . . .. . 143 7.15.1. 1-·unc.ionnm.iento . . .. . 144 7.16 Variante de la conexión estrella-triángulo . 14.6 7.16.1. Conexió n eetrella--resistend a-

7. Conexi6n a la red de motores tri.fbicos ........ US

7.16.2. 1.?sque.mas de. potencia y maniobra . . 14.6 7.17. Arr anque de un m otor trifásico con resistencias estatóricas . . .. . 148 7.17.1. Datos característicos d e este arranque . .. . . .. . 149 7.17.2. t\.fotores que p ueden aJTanca.rse con r esistencias estatóricas . . . .. . 14-9 7.18. Hsquema de un arranque por resistencias estatóricas.. . . .. . 150 7.1S.1. Esquema de potencia {esquema 7.17) .. . . .. . 150 7JS.2. &quema de maniobra . .. . 151 (esquema 7.18).. . 7.18.3. Características d e este a rranque e n carga . . . . . .. 151 7.18.4. Va lor de la resistencia e.'ltatórica . . .. 151 . . .. 152 7.lS.5. Par d e arranque (Mar).. . 7.18.6. lntemtidad de arranque. . . . .. 152 7.19. Arranque d e un motor trifásico con autotransformadOl' . . . . . .. 152 7.19.1. Caracteristiras d el autotransformador.. . . .. 153 7.20. Esquema de un ananque por autotransformador . . . . . •. 154 .. .. 154 7.20.L Esquema de potencia .. . 7.20.2. Esquema d e m a niobra . . ..• . 154 7.20.3. P'órmulas correspondientes . ..• . 154 a este ar ranque . . .. . 7.21. Arranque d e u n motor trifásico con rotor bobinado . . . . .. .. 156 7.21.l. Motores qu e pueden arrancarse con resistencias retóricas . . .. . . 157 7.22. Esquema de un an:anque por .re.'listendas mtóricaa .. .. ... .. IM

5.7.3. Compen,ación del factor

triángulo (Y·R·A)

de potencia para motores trifásicos . 95 5.8. Rendim iento d e un mo tor a p lena carga .. .. 96 5.8.1. FórmuJa de rendimiento .... 96 5.8.2. Potencia útil cedida por e l motor . .. .. 96 5.8.3. Rendimiento a partir de la fórmula anterior .. . .. .. 96 5.8.4_ Tablas aplicadas al rendimiento d e motores e léctriC06 96 . 98 S.9. Potencia perdlda por e l motor .. 5.9.l. Potencia perdida 98 5.9.2. Potencia absorbida por e l motor.. . . 98 5.9.3. Potencia útil ced.ida por el motor . 98 5.9.4. 'Fórmulas de potencia per d ida . 98 5.10. Arr.anque y frenado de m otores . .. . 99 5.10.l. Tiempo de a rr.anque (fJ . ... 99 5.10.2. Frecuencia de arranque .. . . . . 100 6. Cu.i.a. pauta selección de motores . 6.L PJeoción del motor ..

. . . 101

. . . 102 6.2. lbipeci.ficaciones técnicas generale11 par a la selección de motores . . . 103 6.3. Características e léctricas del m otor . . . .. 103 . . . 103 6.3.1. Normas aplicadas 6.3.2. T ipo de motor.. . . . .. 103 6.3.3. 're.nai.6n d e la red (U) a la que .se conecta e l motor . . . . .. 103 6.3.4. Te.nR'ión (U) d el bobinado del motor . 104 6.3.5. Potencia nomin a l (P) d el motor . . . .. 104 6.3.6. Intensidad nomina] (JJ d el motor . . . 104 1.04 6.3.7. Arranque previsto . . 6.3.8. Clase d e servicio . . . 104 6.3.9. Aislamiento . . . 1.04 6.3.10. Velocidad (n) y d eslizam iento (s) . .. 104

1.1. Las tres fases de}bobinado de un motor trifásico con rotor en cortocircuito. . . . . 117 7.Ll. Representación del bobinado de un motor trifásico. . . . . 117 7.1.2. Presentación de la caja de conexio ne." respecto a l bobinado. . . . . 117 7.1.3. Caja de cone.xione.'l. . . 117 7.2. Formas de conexión de un motor trifásico con Yotor en cortocircuito . .. 118 ?.a. Conexión de los motores triiáaioos en fun ción d e su tensión . . . 119 7.4. Ejemplos d e conexión de motOTes. . . 119 7.5. Formas de arranque de m otores trifásicos.. 120 7..S.L lnversi6n de giro d e rotación .. 121 d el eje d el motor.. 7.6. Protección e léctrica de los motore.'l. .. 122 7.6.1 Contra intensida des de cortocircuito . . . . 122 7.6.2 Contra sobre.intensid ade.'l .. . . . 122 7.6.3. Contra .sobretemperatu-ras . . . . 124 7.6.4. Contra la p uesta a masa d e conductores activos . . . 125 .. 125 7.6.S. Contra anomalias d iversas 7.7. Aparatos para la a limentación de motores . 126 7.8. Conexión a tierra de la carcasa del motor .. 126 7.9. Poaíbes formas de. combinar aparatos en el circuito d e arranque para motores trifáaioos . . . .. 127 7.9.1. Dispositivos d e arranque y protección de motorea . .. .. 127 7.9.2. Equipo con interruptor a utomático, contador y r e lé térmico .. 128

... . 146

7.22.1. Esquema de potencia . . . 158 7.22.2. Esquema d e maniobra . .. 159 7.22.3. Características d e este ananque en carga . . . . .. 159 7.22.4. Fórmulas corresp ondientes al circuito rot6rico . . . . .. 159 7.23. Arrancadores e lectrónicos estáticos para motores tri.fásiCOA . . .. 161 7.23.l. Ventajas d el arranque con a nancador estático.. . . .. 162 7.23.2. Inconvenientes en e l u so de a.rrancadores estllticos. . .. 162 7.23.3. Esquema." de arranque de motores trifásicos con arrancadores estáticos. 162

8. 'Frenado de motores trifásicos . .

. .. . 165

S.t. f 1·enado de motores y máquinas . . .. . 166 8.1.1. Repl'esentadón de las formas de fl'enado. . . .. . 166 8.1.2 Ejemplos de trenos eléctricos .. . 1.67 S.2. Fórmulas de aplicación pa.rs e l &e.nado . .. . 168 8.2.l. nempo et\ efectuar la parada (t) . .. . 168 8.2.2. T iempo de frenado (t,) . . .. .. .. . ... . 168 8.2.3. N'úmero de vueltas antes de la parada del motor {n J . . . . . 169 8.2.4. Par transmitido pm:' el eje del motor (M.) . . . . . . . . . 169 8 3 Cnracterishcas prina pales que definen a un motor-freno . . . . . . 169 8.3.1. Prestaciones que debe. dar un electrofre.no .. . 169 8.3.2. Caracterfsticaa get,erales del mo tor-freno . . . . .. J69 8.4. Frenado por e le ctroimán a limen tado

con corriente alterna . .

. .. 170

8.5. Frenado por e lectroimán alimentado por corriente continu a. . . . . . 111 8.6. Frenado d e un mo tor por equipo de fren ado externo.. . .. . . . 171 8.7. 'Prenado d e un mo tor por contracorriente .. 172 8.8. Pre.na.do de un motor por contracorriente cm-i rnsiate.ncia..'l limitadoraa . . . .. 173 8.9. Frenado por suministro de corriente continua 174 8.10. "Prenado por e lectroimán trifásico e n un esquema para inversor de giro. . 175 8.11. Otras formas de frenado para máquinas . . 175

9. Variación de velocidad para motore.s trifásicos . 177 9.L Regulación de velocidad. . 178 9.1.l. Variación mecánic.-. de la velocid ad . . 178 9.2. E:I mo torreductor, elemento básico d e variación de velocid ad . . . . . . 179 9.2.1. Reductores mecánicos de velocida d . 179 9.2.2. Análisis del acoplamiento motor179 l'eductor-aplicación . 9.2.3. Comportam iento d e la potencia absorbida de la l'ed a través de la caden a de movimiento. 180 9.2.4. 1v1otorreductol'es . . . 11n 9.2.5. 'Fórmu la.e; de. cáku lo 182 9.2.6. Potencia e léctrica d el motor 182 9..3. Multiplicadores de velocid ad. . 184 9.3.1. Procedimientos mecánicos para incrementar la velocidad proporcionada por el motor. . 1S4 9.3.2. Procedimiento e lectrónico de aumento d e frecuencia . . . 1S4

Motores trifásicos

Contenidos

9.4. Varia ción de velocidad en m otores trifás icos . . . . .. 185 9.5. !\fotore..'t trifásicos de varias velocidades .. . 18S 9.S.l. Motores con dos bobinad08 separad os .. . 186 9.5.2. Motores de dos velocidades con bobinado ún ico

(estrella-doble estrella). . .

. .. 187

9.5.3. Motores de dos velocida des con bobinado único en conexión Dahla n der. . . .. i88 9.5.4. Motores d e t:res velocid ades con un bobinado en conexión Dahhmder y oll"o bobinado independiente .. .. . 189 9.5.S. Mo tores d e cu atro velocidades con d os bobinados en con exión Dahla.nde r . . 190 9.5.6. .Particularidades de estos motores .. . 190 9.6. Variación e lectrónka de velocidad. . . . . 191 9.6.1. Variadores de frecu el"lcia .. . 19'.J 9.6.2. Regulac,ión de velocidad para motor de corriente aJtenia (CA) . . .. ..... 192 9.6.3. Aplicación de motores con va.t:i.ación de velocid ad ... ..... 193 9.6.4. Control y regulación de la velocidad. 194 9.6.5. Caracteñsticas principales de loa va.rfadores de velocidad . . . .. . . . .. 194 9.7. Bquipo para e l arranque y control de velocid ad d e un motor tri ffurioo con rotor en cor tocircuito . .. . . . .. 195 9.i".L Circuito de potencia . .. 195 .... 196 9.7.2. Circuito de maniobra 9.i".3. Equipo com--ertidor o va.riador de frecu encia . . . . . .. 196 9.i".4. Caracteristicas principales del equipo.. . . . .. 196

10. ·Mantenimiento de motores eléctricos

l1.1ra.nsmisi6n de movimiento • .. . •..•... . .... . 2Z1 U.1. Procedimientos para transmitir mo\":im iento .. .. .. 222 U.2. Prin cipales fórmulas relativas a transmisiones mecánicas . .. . . . 222 U3. Relación de l:J'ansmitrión . . 22a lL-l. Acopla.miento directo motor aplicación . .. 22a 11.4.l. Transmisión por acoplamiento directo motor-aparato . . . . 224 ll.5. Transmis ión motor máquina pas.1ndo por un e lemento intermedio .. 224 11.5.1. Tnnsmisión a través de reductor o multiplicador de velocidad. . . 224 11.5.2 . Transmisión por engranajes (piñones) . . . 22.5 11.5.3. Transmisión por rueda y husillo s infin paliere..'t . . .. 22.5 11.S.4. 'Transmisión por piñón y cremallera . . . 226 11.S.5. Transmisión por hutrillo--tuerca . . 2'r! 11.5.6. 1'ransmisión por palieres . . . . 227 11.S.7. 'rransmisión por poleas planas . .. 227 11.5.8. 'fran smisión por poleas acanaladas trapezoidales .. . . 229 11.5.9. Transmisión por poleas y correas dentadas.. . .. 232 11.5.lO. Tra nsmisión por p iñones y cadena dentada .. . .. 232 11.6. Tr ansmis ió n a tnwés de reductor o

multiplicador. • . . . • .. • , .. . . . . ... . .. .. . .. 233

9.7.5. Preaenlaci6n del equipo ondulador de frecuencia

10.9. Mantenimiento de motores.. . . . . 2l5 J0.9.1 . Reparación.. . . . . 2l5 JO.JO. Verificaciones de l estado de los motores .. 2l7 10.ll. Intervención en motores y transmisiones . Z18

.... 197

.... 199

10.1. Con carác ter general . . . . .. 200 10.1.1. l os receptores en el RlmT . . . .. 200 10.l.2. Condicion es genera les de las instalacione.'t . . .. 200 10.l.3. Condiciones d e utilización .... 201 10.l.4. Cone:dón de los receptores . .. 201 10.2. intensida d absorbida por motores en diferentes tipos de arranque . . . .. . 204 10.3. Sección de loa conductores que alimentan los motores.. . . .. . 204 10.3.1. Colores d istintivos del aislamiento delos conductores. . . .. . 205 10.3.2. Cák u lode la sección de los conductores q ue alimentan u n motor trifásico . . ... . 205 10.4. Sección d e conductore..'t y tubos de protección . . . . .. 206 10.5. Sustitución de motores en u na aplicación. 207 10.5.1. Sustitución del motor para aumel"ltar la potencia motriz . . . . .. . 207 10.6. Desnmntado mecánico de un tnotor . ... .. 208 10.6.1. Medidas o acotaciones principales de un motor trifásico . . 210 1.0.7. Anomalías que se da n en los motores trifásiCOEI . 210 10.7.1. Anomalfas eléctricas . . . . . . .. 210 10.7.2. Anomalfas m ecán icas .. . . .. .. 211 10.S. Resum en de las principales averías e n loa motores trifásicos con rotor en cortocircuito y su circuito eléctrico . ~ .. .. 211

11.6.l. Car acteristicas principales de los l'eductore.'t . 11.6.2. Ca.racteñsticas de l l'eductor en función del trabajo a realiza r 11.7 Acoplamientos . . 11.7.l. Blección de los acopla mientos . . 11.8. Otros mecanismos . . 11.8.l. Embragu es . ll.8.2 l imitadores de par. 1L9. Dispositivos de acoplamiento entre motor-reductormáquina . tLlO. Resumen de formas de transmisión de motor a la aplicación .

12, Potencia necesaria en el accionamiento de máquinas . .

. . 233 . . 234 . . 235 . . 235 .. 236 . . 236 .. 237 . . 238

. . 239

.. 241

12.1. Potencia motriz necesaria para accionar una máquina.. . . . 243 12.lJ Par útil en e l eje de l motor (~J. . .. 243 12.L2 Potencia molTiz (P) necesaria. para accionar una máquina. . . . . . . 243 12.1.S. Potencia absorbida (P..J por .. 244 e l motoreléctrico. . 12.l.4. Potencia desarrollada por e l motor. e léctrico. .. 244 12.2. Potencia de rotación. .. . . . . 244 . . 244 12.3. Potencia. de traslación .. . 12.4. Potencia de elevación. .. . . . 245 12.4.1. -Potencia molTiz para aparatos ele\•adores y montacargas . . . 246 12.5. Potencia motriz para bandas transportadoras horizontales . . . . . 246 12.5.1. Cálculo de la potencia motriz (P) . .. 246

12.5.2. Desa.rTolJo de la circun ferencia

del tambor Q) .. . . . 247 12.5.3. Velocida d d e gi.ro del tambor motti.z. (nJ. . . 247 12.5.4. Velocidad lineal de la banda (v} . . . 247 12.5.5. Par resistente de la band a (M.J .• . .. 247 12.S.6. Potencia motriz (P..) . . . . . .. . . . .. 241 1.2.5.7. Potencia útil de l m otor eléctrico (P). 247 12.6. Po tencia motriz para bandas transportadoras indina.das . . . ... 2-4.8 12.6.1. Cálcu lo de la potencia motriz (P) ... 24.8 12.6.2. Car¡;a admisible en la banda (Q) . •. 248 12.6.3. Par necesario para accionar

la banda ~"1). . .

. . .. 248

12.6.4. Potencia m otriz (P..) . . . . . •. 249 126.5. Potencia útiJ del motor eléc.tri-co (P) 249 12.7. "Pórmula genera l par.a calcular la potencia de bombas. . . . .. 249 12.8. Potencia pata bombas de e le,•a

'.l (kW) 1

Las fórmulas para el cálculo de la potencia dependerán del tipo de circuito de que se trate (CC, monofásico o trifásico), asimismo, de si se trata de potencia activa, reactiva o aparente.

1.000

Potencia reactiva (P,.)

Cálculo de la potencia en un circuito de corriente continua (CC)

P, = Í3 · U · 1 · sen (kVAr) ,, ., .000

(kW)

Po/,encia aparente (P) P, = .J3· U· l (VA)

.J3·U · l

P,, = l .OOO

(kVAr)

© Ediciones Paraninfo•

33

Motores trifásicos

Físico general aplicado

2.8.2 Cálculo de la energía U·I J .000

= - - · h (kVAh)

Los motores consumen energía eléctrica. Los motores trif.ásicos consumen tres clases de energía (activa, reactiva y aparente). La energía consumida depende de la potencia y del tiempo que el motor est;í conectado. Las energía~ que se pagan a la empreS suministradora de energía eléctrica son la energía activa y la energía reactiva. Los motores con poca carga consumen más potencia reactiva.

2.8.3 Cálculo de la energía consumida en un circuito trifásico de corriente alterna

Cálculo de la energía en un circuito de corriente continua (CC)

Se presentan las tres formas de energía, atendiendo a si el circuito es resistivo (sólo energía activa) o inductivo (energía activa, reactiva y aparente).

(Potencia (P) · tiempo (h)

E= P · t

E = (U· /)h E = 1

U .l h 1.000

E

Energía activa en circuito resistivo (no inductivo)

(Wh)

E=(fj·U·/)h

(kWh)

(kWb)

Energía en un circuito inductivo

En un circuito resistivo (no inductivo) (Potencia (P) · tiempo (h) E=(U·T)h

Energía activa (E) E=( Í3 ·U ·!· cos c¡,) h (Wh)

(Wh)

E = U . I h (kWh) 1 1.000

b) En un circuito inductivo •

(Wh)

f3 ·V ·I ---h E= 1 1.000

Cálculo de la energía en un circuito monofásico de corriente alterna (CA)

E= P · t

•

E1

fj ' U

__

' f • COSC/J h

(kWh)

1 .000

Energía reactiva (E)

Energía activa (E)

E,= ( E = (U· l · cos !' l

La conexión de u n motor depende de sus características, que como se indica en el apartado al)terior, y vienen reflejadas en la placa de características. A partir de los valores de tensión o tensiones (U) señalados en su placa y de la tensión que dispongamos en la red, se determinará la forma de conexión. Es muy importante que el electricista sepa hacer la lectura de la placa y así elegir la forma de conexión que corresponda para cada caso. A continuación, se muestran unos ejemplos de tensiones leídas en la placa de características y conexión a realizar: a) Motor bitensión 230/400 V, con red de 400 V La primera de las dos tensiones (siempre menor que la segunda}, corresponde a la tensión de trabajo del bobinado del motor. Así tendremos lo siguiente: El bobinado del motor trabaja a 230 V. Para que con red de 400 V el bobinado del motor pueda alimentarse a 230 V, los bornes del bobinado del motor habrá que conectarlos en estrella (Y).

z 7

l1

V 0 13

W ® 25

Es un motor muy simple, que no necesita mantenimiento y además, tiene la posibilidad de proporcionar velocidad variable si se controla con un variador de frecuencia electrónico. Sus características principales se muestran en la Tabla 4.2. Tabla 4.2 Características principales a tener en cuenta en un motor trifásico Ejemplo de valores

a) Principales características del motor (1

&P-licados a un motor

p

u I f

b) Características secundarias • Grado de protección • Aislamiento • Año de fabricación

U, : 400V

u,[

10kW 230/400 V (bitensión) (1) 57,37/33A 50 Hz 0,866 0,875

U= 13=:=230V

'

z

u

4.1.6. Características principales

Potencia Tensión o tensiones Intensidad o intensidades Frecuencia Factor de potencia Rendimiento

l3

V

Nota: la formación de los polos es cambiante en las ranuras del motor, y depende del sentido de la corriente trifásica (cambiante de forma senoidal) de cada una de las tres fases que alimentan el bobinado del motor trifásico.

• • • • • •

L2 ~

U,: 230 V UL - Tensión de la línea; U, - Tensión de fase.

w

Figura 4.6 Conexión estrella

Nota: este motor no se podrá arrancar en conexión estrella-triángulo. b} Motor bitensión 400/690 V, con tensión de red de 400 V El bobinado del motor trabaja a 400 V. Para que con red de 400 V el bobinado del motor pueda alimentarse a 400 V. Habrá que conectar los bornes del motor en triángulo (ó}. L1

L2

l3

U: 400V U,= U=400V

Ejem11Jo de valores a11licados a un motor IP

U,: 400V

55 F 2007

UZ

Y•N

Figura 4.7 Conexión tr iángulo

{l) Los datos proporcionados por la placa de caracteñsticas correspondenaJ motor cu ando trabaja a plena carga. 54 • © Ediciones Paraninfo

Nota: este motor podrá an-ancarse en conexión estrella-triángulo. © Ediciones Paraninfo • 55

Motores trifásicos

Motores el~ctricos trlfáslros

En la conexión Y-t,., la primera tensión que se suministra al bobinado del motor será de 2.30 V (conexión-Y), para, a continuación, pasar a 400 V (conexión-!,.). La formación de la conexión estrella y triángulo en las fases del bobinado de un motor mediru1te contactores se muestra en la Figura 4.8.

4.1.8. Tipos de motores

La designación de la forma constructiva de los motores según la norma DJN atiende al tipo de servicio, si tiene freno, si es de polos conmutables, etc. La Tabla 4.3 recoge la designación de este tipo de motores. Tab la 4.3 Tipos de motores

KM2

JH=m -' _ \ KMI \ •

.l

KM2

r! -u,,v "wl >-·

1

! !

i

~

1

L.

z1 ~

m

] ] J

_\ KM1 - - ~ KM31 _\ _\

u:>vi ,w¡

)

X y

)

Motores construidos según la norma DIN 426730-VDE 0530 Todos los motores construidos según normas pueden ser sustituidos por otros de diferente marca, incluso de diferente nacionalidad

Tipo Tipo Tipo Tipo Tipo

Motores de servicio intermitente Motores de polos conmutables Motores de varias tensiones Motores preparados para atmósferas especiales Motores freno

DNI DNP DNT eDN DNB

4.1.9. Aplicación de los motores

::,

1

1

¡ ' X' y

j-'J j

Tipo DN

Los motores, como venimos insistiendo, lo mueven todo, tanto en la ü1dustria como en los servicios y las aplicaciones terciarias. Encontramos motores en todo aquello en que hay movimiento rotativo, y que en muchos casos, se transforma en movimiento linea l.

i i.

zJ

A continuación, se muestran varios ejemplos de tipos de movüniento de motores. a) Ejemplos de m ovimiento rotativo: elevación de un montacargas, un ascen-

sor, w1a lavadora, una hormigonera, rodillos mezcladores, giradiscos, etc. (conexión Y)

(conexión 6).

U,= 230 V

U,= 400V

Entran los contactores KM 1 + KM2.

Entran los contactores KM2 + KM3.

Figura 4.8 Representación de las dos posibles formas de conexión del bobinado del motor

r

0)

0

®'

@

0

0

Nota: para la conexión estrella-

triángulo el bornero estará libre de las tres pletinas con las que se realiza la conexión estrella (Y) o triángulo (ó.).

a) Ventilador

~ ((íí \.J' J J ) J b) Agitador

c) Bomba hidráulica

©*O d) Compresor neumático

Figur a 4.9 Caja de conexiones con bornes de conexión libres de chapas

c) Moto r bi·t ensió n de 690/1.000 V, con tensión de red de 400 V Este motor no podrá conectarse a u na red de 400 V, dado que no será posible obtener la tensión de 690 V que precisa el bobinado del motor. d) Motor bitensión 127/230 V, con ten sión de red de 400 V

Todavía nos podemos encontrar con estos viejos motores, que evidentemente, no pueden conectarse a una red de 400 V en ninguna forma de conexión, ni reúnen las condiciones de estanqueidad exigida. 56 •

© Ediciones Paraninfo

e) Accionamiento de un polipasto Fig ura 4.10 Máquinas accionadas por motores trifásicos © Ediciones Paraninfo •

57

Motores trifásicos

Motores el~ctricos trifásicos

b) Ejemplos de movimiento rotativo transformado en lineal: bandas transportadoras, movimiento de una bancada, una mesa de una máquina herramienta, el avance de un escáner, una fotocopiadora, etc.

';

Movimiento

Movimiento

rotativo

line~ BANDA TRANSPORTADORA

MOTOR

(Viene de la página m,terior) 15 16

17 18 19 20 21 22 23

Frecuencia nominal Excitación de las máquinas de continua: Lfr : rotor en las máquinas asíncronas Tipo de conexión del bobinado del rotor

Tensión nominal de excitación o tensión a rotor bloqueado Intensidad nominal de excitación, intensidad del rotor Clase de aislamiento, como Y. A, E, B. etc Tipo de protección, por ejemplo IP33

Peso de la máquina en t para máquinas de más de 1 t Notas adicionales, por ejemplo, norma VDE aplicada, tipo refrigerante, etc

La Figura 4.12 muestra la disposición de las indicaciones y valores en la placa de características de un motor trifásico. Figura 4.12. Movimiento rotativo transformado en lineal

m

PLACA DE CARACTERÍSTICAS @

Tipo.

@

En la placa de características del motor que está colocada en la carcasa, el fabricante recoge los datos fundamentales del motor, y entre ellos están: la potencia (P), la tensión (U), la intensidad (I), el factor de potencia (cos lf' ), la frecuencia (Hz) y otros datos, que pueden ser muy interesantes para efectuar cálculos y comprobaciones de cara a su conexión y aplicación a un aparato o nuíquina.

® ®

Q)

®

Tabla 4.4 Placa de características según DIN 42961 (extracto) para una máquina rotativa

s

®>

® @

Cosq;

@

@

@

®

IP

Los valores nominales indicados en la placa de características corresponden a la situación o el momento en el que el motor está suministrando la potencia señalada en la placa de características y el rotor del motor gira a las revoluciones señaladas en dicha placa, y que corresponden a los valores nominales. La Tabla 4.4 muestra la placa de características según la norma DIN 42961 para una nuíquina rotativa:

s

W Fabr,;

4

Hz

® Figura 4.12 Placa de características para un motor trifásico con rotor en cortocírcuito

A continuación se hace el análisis de los datos principales y representativos, leídos en la placa de características del motor (Tabla 4.5). Tabla 4.5 Ejemplo de los datos principales que se recogen en la placa de características

Contenido

1 2 3

Fabricante, emblema de la empresa Tipo, denominación del modelo o número de la lista Tipo de corriente: G = continua; E= monofásica; O= trifásica

4

Tipo de funcionamiento: Ge

= generador, Mot = motor

Nº de fabricación de la serie.

5 6 7 8

Tipo de conexión del devanado del estator: á

9y 10

= triángulo; Y = estrella

Fabricante Nº de serie de fabricación Potencia Tensiones Intensidades

e!!:==

Tensión nominal Intensidad nominal

Velocídad

Potencia nominal: potencia útfl en kW o W para motores; potencia aparente en kVA o VA en generadores síncronos

Frecuencia Aislamlento Grado de protección

11

Tipo de régimen nominal

12 13

Factor de potencia nomínal: cos rp Sentido de giro, por ejemplo, giro a la derecha visto desde él lado de impulsíón

14

Frecuencia de giro nominal

58 •

de un motor trifásico asíncrono

© Ediciones Paraninfo

Factor de potencia

Peso Año de fabricación Otros datos

000 001 P:22kW U: 230/400V

/: 7 1/41 A n: 1.450 rpm

cos rp : 0,84 f= 50 Hz

F IP45 40kg 2008

© Ediciones Paraninfo •

59

Motores trifásicos

Motores eléctricos trtfáslc.cs

Potencia útil o la que p rop orciona el eje del motor:

4.2.1. Potencia La potencia señalada en la placa corresponde a la potencia útil proporcionada por el motor en su eje y no a la potencia absorbida de la red por el motor. El motor suministra la potencia indicada en la placa de características cuando el eje del motor gira a la velocidad indicada La potencia del motor se indica en kilovatios (k\\7). Antiguamente se hacia en caballos de vapor (CV).

= .J3 .u . f • COS

Potencia activa (P) absorbida por el motor de la red eléctrica La potencia activa corresponde a la potencia consumida por el bobinado eléctrico en su parte resistiva (R). Esta potencia activa es la que se utiliza para el cálculo de la potencia absorbida por el motor y que descontada las pérdidas (rendimiento), suministra el eje del motor. Pa =

.J3 · U · l · cos q¡

Potencia reactiva (P) del motor La potencia reactiva corresponde a la potencia consumida por el bobinado eléctrico en su parte inductiva (X,). La potencia reactiva es mayor cuando el motor trabaja en vacío. Hay que evitar que los motores trabajen en vacío o con poca carga y motores que estén sobredimensionados. P,=

.J3 ·U ·/· sen e¡,> ,/3· U· f

b) En función de la potencia útil proporcionada por el motor A partir de la potencia útil (PuJ dada en kW.

[-

P..· 1.000

- Í3 ·U ·cos rp ·1¡

(W)

p = ,/3 •lJ · f · COS(/J (kW) ., J .000

(A)

(A)

5.1.3. Rendimiento (11) del motor El rendimiento o eficiencia de un motor en un momento dado viene dado por el cociente entre la potencia útil suministrada por el motor (P.), y la potencia absorbid¡¡ por el motor desde la red eléctrica.

p 11(%) = 2

P.

· 100 (%)

(\/Ar)

· senq> (kVAi)

J .000

Nota: esta potencia consumida por el motor también se paga, pero no se utiliza en el cálculo de la aplicación del motor.

Nota: los motores de g,-an potencia tienen mejor rendimiento q ue los motores pequeños. Los valores que se indican en la placa de características del motor corresponden al momento en que el motor proporciona la potencia que se indica, si se alimenta a la tensión, intensidad y frecuencia señaladas.

m

CÁLCULO DE LA POTENCIA (P) NECESARIA

Potencia útil (P) suministrada por el motor La potencia que señala la placa de características corresponde a la potencia útil suministrada por el motor en su eje. P. =

.J?, ·U ·!· cos · 1¡ (kW) "' 1.000 86 • © Ediciones Paraninfo

© Ediciones Paraninfo •

87

Motores trifásicos

Fórmulas de cálculos para motores trlfósicos

5.2.1. Potencia motor necesaria para accionar una máquina Pm =2 · F ·n·d·n

w=2 ·n ·n

Mm = f · d

m

CÁLCULO DEL PAR MOTOR (M.,)

A partir del par cedido por un motor, seremos capaces de determinar el par resistente que se puede vencer en la aplicación. En este apartado se presentan varias fórmula~ para calcular el par motor. 5.3.1. Determinación del par motor

Pm - Potencia motor, en kW. F - Fuerza, en N. d - Diámetro de giro, en metros (m). t1 - Velocidad de rotación, en rpm. w - Velocidad angular, en radianes/segundo (rad/s). Mm- Par motor, en Nm.

P = Mm · n

2· r

P=M· - - ·n m

p M m = -r- (Nm}

El momento de par Mm es independiente del diámetro (d) del eje, polea, piñón, etc. (brazo de palanca). El par motor viene dado por el valor Mm. El par resistente M, señala la potencia mecánica recibida por la máquina. P =M·m

'

'

6()

fl ' -

30

P· 103 r

Mm =

· 9 81 30 '

fl' -

5.2.2. Potencia (P) en kW

P· 1.000 = --1t • 1,027

(mkg)

M ·n

P = - - (kW)

p M = 975 · -

9.550

M ·n

P= - ' -

974

(kW)

M - Par torsor, en Nm. M, - Par torsor, en rnkg. n - Velocidad de rotación, en rpm. 5.2.3. Potencia

M

U'

m

=k --- (Nm} R g·L2 ·w2

(P,) en CV 1

·11

M

·11

716

M - Par torsor, en Nm. 1\lf, - Par torsor, en rnkg. n - Velocidad de rotación, en rpm.

© Ediciones Paraninfo

(CV)

7.160

P1 ='-

88 •

P - Potencia del motor, en kW. n - Velocidad de giro, en rpm.

-1. + g

p = M

(CV)

(mkg)

fl

m

f

R,

M - Par motor, en Nm. "' k-Factor. U - Tensión, en voltios. R - Resistencia de una fase. 1 g- Deslizamiento. L¡- Inductancia de una fase. w = 2rr.· n/ 60

© Ediciones Paraninfo •

89

Motores trifásicos

Fórmulas de cálculos para motores trlfóslcos

También: Mm=

9.550 · P

n

P - Potencia. Pm - Potencia, en kW n - Velocidad de rotación, en rpm.

(Nm)

La Tabla 5.1 muestra el par de arranque necesario para el arranque de máquinas. P - Potencia, en k,"1. n - Velocidad de giro, en rpm.

Tabla 5.1 Par de arranque necesario para el arranque de máquinas

Bombas centrífugas

5.3.2. Par torsor en Nm

M=

9.550 · P

n

(Nm)

7 .l(lO · P,

M=

Bombas de émbolos: a) Arranque en vacío b) Arranque en presión Máquinas herramienta Aparatos de elevación Cintas transportadoras: ~) Arranque en vacío b) Arranque en carga Transmisiones en general laminadores en industria de papel

(Nm)

fl

P - Potencia, en k'\N. P 1 - Potencia, en CV n - Velocidad de rotación, en rpm.

El valor del par inicial de arranque y de la intensidad de arranque, así como los demás valores de momentos en función de la velocidad, hasta el valor nominal, pueden ser influidos decisivamente por la forma de construcción del motor, principalmente en lo que se refiere a sus ranuras.

M, = 974. p (mkg) 11

SegÚJ1 VDE 0530, para máquinas eléctricas las siguientes tolerancias son válidas:

716 · P, = --~

n

(mkg)

P - Potencia, en kW. P 1 - Potencia, en CV. n - Velocidad de rotación, en rpm.

m

Fórmula para detenninar la potencia de accionamiento para una máquina o lapotencia útil que precisamos de un motor.

•

p =-

(U

103 • Pm 2 · r · 11 60

103 ·60·P•• 2 ·r ·n

9.550 · Pm (Nm)

Par inicial de arranque

± 20% de su valor nominal

•

Parmáximo

± 10% de su valor nom.inal.

•

Intensidad de arranque

± 20% de su valor nominal

n.

m

OTRAS FÓRMULAS APLICADAS A MOTORES

Para el cálculo de motores y sus aplicaciones se emplean otras fórmulas complementarias como las que recoge este apartado. 5.5.1. Velocidad del movimiento de rotación

Por ejemplo, para la polea accionada por el motor. M

'}I

p =-"- (kW) m

90 • © Ediciones Paraninfo

•

Nota: para la conexión de motores con valores nominales de tensión y frecuencia, el par mínimo de embalamiento durante el arranque será, como mínimo, igual o superior a 0,3 el par nominal

PAR DE GIRO YPOTENCIA DE UNA MÁQUINA O MOTOR

¡',,[

0,480,8 3a4 0,§ .11-1 2a3

Par inicial de arranque e intensidad de arranque

5.3.3. Par torsor en mkg

M,

0,3a0,5 O 15 0,2a0 5 __t Ol'.2,5

9.550

v=n;·D ·n

D - Diámetro, en metros (m). n - Revoluciones, en rpm.. © Ediciones Paraninfo • 91

Motores trifásicos

Fórmulas de cálculos para motores trlfóslcos ~-

5.5.2. Momento dinámico referido al eje del motor

Intensidad de frenado.

I . - Intensidad nominal.

2

P.' = 364· m ·v d

11:2'

5.5.7. Tiempo de frenado (tF)

P,,2

-

mv-

n-

Momento dinámico, en kgm'. Masa, en kg. Velocidad lineal, en m/s. Revoluciones, en r pm.

t, = 0,5 a 0,75 de t, t, - Tiempo de arranque, en segundos (s). 5.5.8. Potencia térmica equivalente (PrHl

5.5.3. Potencia absorbida por el motor (P.) Pa = M· w R

Prn =

5.5.4. Potencia de arranque (P) l P = 08 · P· 2' ' • l

P1 y P1 son las potencias desarrolladas en cada fase.

,.

PN -

Potencia nominal.

IA -

Intensidad de arranque.

k = 2,8 si n, del motor es de 3.000 rprn. k = 2,5 si n, del motor es de 1.500 rpm. k = 2,2 sin, del motor es de 1.000 rpm.

k = 2,0 si n, del motor es de 750 rpm.

In - Intensidad nominal.

m

5.5.5. Tiempo de arranque (t.) / : (l)N(

.r,,,,,... + .f=gal-

A,fM medir, - MRJHIUlio

a

roN - Velocidad nominal.

Tm,i., T""8"/m,,.,,. -

) a medida que aumenta la carga. El factor de potencia se puede compensar (mejorar) conectando condensadores a la red eléctrica.

5.7.1. Valor del factor de potencia en función de la carga del motor

CV

11

1S

2,5

18 30 45 75 110 160 200 250

25 -40 60 100

5 5 10 15 25 35

1

~

11

40

1

40 50 55

1

150 218

I'

274 340

50

2S ·s

75 15 20

Jl

1

2,5

s

7,5 1o15 25 30 40 50 60

l5

,u

15

1 63

1

~º

50

60

70

Para evitar 1a autoéxcitación no deben conectarsé condensadores directamente en los bornes del motor, cuando Ja potencia reactiva supere la señalada en esta tabla. También es aconsejable que los condensadores no sean conectados antes que el motor, cuando el arranque se haga por resistencias, inductancias, conexión estrella ..tr iángulo o por autotransform.ador.

Tabla 5.2 Motor asíncrono ordinario con carga

Cuando el arranque se haga por medio de un arrancador electrónico, los condensadores nunca se conectarán aguas abajo del arrancador.

c::=:11o!ora!i1nciót\ci lii'iliíiirlo con cafi[a

94 • © Ediciones Paraninfo

kW

Aft WVAP

Observación

El factor de potencia de un motor asíncrono depende de sus características constructivas, tamaño, número de polos, velocidad, frecuencia y tensión, y muy especialmente, del régimen de carga; en vacío, el factor de potencia es muy bajo, mejorando a medida que aumenta la carga, tal como puede apreciarse en la Tabla 5.2.

dalmofor

0% 25% 50% 75% 100%

a

Para motores con velocidad alncrona da: ~.OOOrnm 1,500mm 7.50 n,m 1.000 !]>ffl

1

COMPENSACIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA (COS )

%

,na,m--

Lo mejor, siempre que sea posible, es tener un sistema automático de compensación del factor de potencia.

1

La que se indica en la placa de caractc.rfstkas del motor. © Ediciones Paraninfo •

95

Motores trifásicos

m

Fórmulas de cálculos para motores trlfóslcos

RENDIMIENTO DE UN MOTOR A PLENA CARGA

Tabla 5 .5 Rendimiento de los motores en función de la carga, respecto a la nominal 1 1

El rendimiento de un motor a plena carga será el indicado por el constructor en el cuaderno de características del motor. También se puede calcular a partir de los datos recogidos en la placa de características del motor.

...

Randlmlentii an %, ~ - t o al valor da la ca= nominal

81 80 79 77

S.8.1. Fórmula de rendimiento

75,5 74 73 72 71 70 68 67 66 65 64 62 61 60 59 57 56 55 54 53 52 51 49 57 46 45

Relación entre la potencia útil (P,) y la potencia absorbida (P,).

P;, 17 % = - ·100 (%) P;, P. - Potencia útil cedida por el motor, en kW, la que leemos en la placa de características del motor. P. - Potencia absorbida por el motor de la red eléctrica. S.8.2. Potencia útil cedida por el motor

la potencia útil cedida por el motor se calcula por la siguiente fórmula: p =

•

,/3 ·U · I ·cos q> · ,¡ (kW) 1.000

S.8.3. Rendimiento a partir de la fórmula anterior

Fórmula obtenida a partir de la fórmula con la que se calcula la potencia útil (P J p 17 = r::. • · 100 (%) v 3 ·U · f ·cosrior)

80

59 58 57 56 55

79

n

75,5

74 73

54

72

53

56": 55 54 53

¡;,

71

m

,J3 · U ·f ·cosrio-r)

45

80 175 175 90 110 250 120 315 175 430 250 430 315 315 430 430 500

55 7.S

L-100

90

125

55 75 90

110 110

150

150

205

185 220 300 375 425

c:205 t::::: 300-=:I t::i@ :::::1

150 185

510 580

125 250 16Q 200 400 250 1 500 1 500 280 250 700 630 400 400 . ;::::::700 800 ~®=l 500 L soo::J 600 t::::::7_, :::J 800 1 Q!l 1.000 800 1.000

Los termistores utilizados en los motores y que son de pequeñas dimensiones tienen coeficiente de temperatura positivo, y se denominan PT C. Normalmente, son tres sondas dispuestas en el bobinado que se conectan en serie y se llevan a una unidad de control, que es la que se encarga de dar la señal de aviso o desconexión al equipo de arranque del motor cuando se supera la temperatura a la que se ha regulado el aparato de desconexión. Al hacer el aprovisionam.iento del motor, en caso de que fuera necesario, habría que pedir al fabricante que incorporase sondas de control de temperatura. La Figura 7.15 muestra un ejemplo de un motor equipado con sonda de temperatura; V

V

't.'

M 3'·-

Interruptores automáticos (de efecto magnetotérnúco) Los interruptores automáticos de efecto magnético y magnetotérmico (Figura 7.14) tienen poder de corte (PdC) y de conexión, lo que les pennite efectuar conexiones y desconexiones de los circuitos estando en situación de carga.

LI

orl-83

l2

l.3

1 1 1

1 1

1

r, µ::...µ=ii=-1 ... _ ,:;... 1>

1>

Figura 7.15 Ejemplo de motor equipado con sonda de temperatura (termostato)

7.6.4. Contra la puesta a masa de conductores activos La protección se realiza por medio de interruptores automáticos d iferenciales. Estos protegen los circuitos contra el contacto accidental de un conductor activo con la masa del motor (partes metálicas que son conductoras de la electricidad}, y también los armarios, pupitres, tuberías y otros elementos que pudieran estar en contacto con las anteriores. El interruptor automático diferencial detecta la corriente de fuga que se produce en la red general curu,do se manifiesta w, contacto indirecto.

7.6.5. Contra anomalías d iversas

Figura 7.14 Relé automático (protección magnetotérmica)

Un solo aparato multifunción es capaz de controlar diversas anomalías que pueden darse en un motor, como: •

7.6.3. Cont ra sobretemperaturas

•

La protección contra sobretemperatura se realiza mediante sondas térm.icas o termistaras colocadas en el bobinado del motor. Muchos motores incorporan en su bobinado una o más sondas con el fin de controlar la temperatura y así evitar que puedan alcanzar valores que superen a los adm.itidos por el motor. El control se realiza con sem.iconductores que tienen una rápida variación de su resistencia cuando se incrementa la temperatura . La evolución de la característica R =f(T) está definida por las normas DIN 44.ú81 e IEC 34-11.

•

124 • © Ediciones Paraninfo

• •

• •

• •

Fusión de un fusible. Desequilibrio de tensión entre fases regulable entre 2,5 y 10%. Caídas de tensión. Corrientes de sobreintensidad. Corrientes de cortocircuito. Puesta a masa de conductores activos. .F recuencia irregular. Temperatura anormal o elevada. O tras anomalías que convenga controlar.

© Ediclon~s Paraninfo •

125

Morores trifásicos

m

Conexión a To red de motores trlftlllcos PE

APARATOS PARA LA ALIMENTACIÓN DE MOTORES

Los motores pueden ser accionados (alimentados) por medio de diferentes dispositivos, como son entre otros, los siguientes: • Interruptores de accionamiento manual. • ínterruptores automáticos de tipo magnético • Interruptores automáticos de tipo magnetotérmico. • Contactores. • Arrancadores estáticos. La Figura 7.16 muestra un ejemplo de algunos de estos aparatos de alimentación eléctrica para motores.

l Simbciodc

pue11a a tierra

Fig u ra 7.17 Representación del conductor de puesta a fierra de un motor

Nota: todas las masas metálicas deberán estar conectadas a tierra a través del conductor de protección, y unidas por conductor equipotencial.

m

POSIBLES FORMAS DE COMBINAR APARATOS EN EL CIRCUITO DE ARRANQUE PARA MOTORES TRIFÁSICOS

Los equipos de arranque para los motores eléctricos se eligen atendiendo a criterios diversos, como son: coste, lugar de implantación, nivel de automatismo, seguridad, protección, control, materiales a emplear, etc. Existen por tanto, varias formas de conectar un motor a la red, pudiendo hacer combinaciones diversas como las que se presentan en este apartado 7.9.1. Dispositivos de arranque y protección de motores

En este muestrario se presentan una serie de combinaciones posibles respecto a las formas de disponer los elementos de protección y accionamiento para la alimentación eléctrica de un motor. a) Elementos de protección: Figura 7.16 Aparatos de accionamiento y protección de motores

Nota: los aparatos de conexión/desconexión de los motúres tendrán el suficiente poder de cúnexión y de corte (Pdq para soportar las sobrecorrientes que se producen en estas dos fa-

ses del funcionamiento de los tnútores, para que no se deterioren los contactos por chispeo, erosi(m y tempera.rora élevada.

m

• • • •

b) Elementos de maniobra: • •

CONEXIÓN A TIERRA DE LA CARCASA DEL MOTOR

Todos los motores (masa metálica) estarán conectados a tierra a través del conductor de protección. La conexión a tierra evitará que las personas que están o trabajan en torno al motor, se vean sometidas a corrientes indirectas. La Figura 7.17 muestra una representación del punto de conexión del conductor de puesta a tierra (PE). 126 • ©Ediciones Paraninfo

Fusibles o interruptor con fusibles incorporados. Interruptor automático magnético. Interruptor automático magnetotérmico. Relé térmico.

•

Interruptor. Contactor. Interruptor automático de efecto magnetotérmico.

Nota: el interruptor automático también es un elemento de maniobra, al estar sus contactos preparados para soportar las sobrecorrientes de conexión/desconexión. En el Esquema 7.1 se representa una forma de combinar diferentes aparatos de protección y maniobra para el arranque directo de motores trifásicos. Para dL~eñar u n equipo guarda motor (fusibles-contactor-relé térmico) se procederá como sigue: © Ediciones Paraninfo •

127

Motores trifásicos

Conexión a lo red de motores trifdsicos (Viene de la página anlina::lo trifasico

L

Tabla 7.16 Comparación entre diferentes formas de arranque de motores trifásicos

M

e) Colector con sus esoobillas

b) Bobinado bifasico

(1) Rotor trifásico

(2) Rotor bifásico

E squema 7.23. Dos formas de conexión del bobinado rotórico

Valor de la resistencia total (R,)

R=

'

R.,

t' punta

-r

R, - Valor de la resistencia por fase.

R. -

ResL~tencia unidad. 1ª punta - Punta de intensidad deseada al arranque. Valores intermedios de l as resistencias S= R, + r Punta

SR, RPunta -

Valor de la resistencia por fase para este tiempo. Resistencia total (2° tiempo) o resistencia de tiempo precedente Resistencia interna del motor. Punta de intensidad deseada a I tiempo correspondiente.

Punta del último tiempo R +r

,.

Punta = - • -

160 • © Ediciones Paraninfo

Punta - Punta de intensidad deseada.

R, - Resistencia del tiempo precedente. R - Resistencia interna del motor.

Fonnaa de aff8nque Arranque conwnclonalae Carac18rlstlcas l:===::;;:===::;;:====::::::;;;::::====:;;::====~I Arrancad~ Directo Estrella- Resistencias Resistencias Autotransaatailico trllingulo aatat.6rlca• rotórlcaa fonnador % sobre la roníénté dé arranque directo % sobre el par de arranque directo

100%

100%

Escalones de arranque (tensiones)

33%

58á 70%

6%

Según

Se9ún reglaje

ajuste, máx. 90%

3%

33 a49%

48%

55%

Según ajuste, máx. 80%

2

3o2

2o3

2, 3o4

Continuo sin escalones

Conexiones del motor (bornes)

3

6

3

3-3

3

3

Sobrecarga de la línea de alimentación

81,

2,6 1,

4,51,

2,5 1,

3,5 /,

Según ajuste, máx.

51,

Transición o

pausa

NO

sr

NO

NO

SÍ

NO

de arranque

Cada vez es mayor el número de dispositivos electrónicos utilizados para el arranque y control de motores. Permiten maniobras suaves y mucho menos agresivas para el motor que la aparamenta tradicional. Compensa su mayor coste, dado que son muchas sus prestaciones. los dispositivos electrónicos van unidos a aparatos convencionales de arranque y protección. © Ediciones Paraninfo • 161

Motores trifásicos

Pueden ser incorporados a sistemas automáticos, como lo son los controlados por autómatas programables y ordenadores de gestión.

Cone>.t~CO Y CONlROL 1

Los variadores de velocidad basan su funcionamiento en la variación de la frecuencia que suministran al motor. Estos equipos controlan el arranque y la parada de los motores. La regulación de la velocidad, es el fin principal de estos arrancadores. Producen un frenado o parada rápida y precisa del giro del rotor. El equipo puede estar dimensionado para uno o dos sentidos de giro . Modos de funcionamiento: a) Unidireccional. Cuando el convertidor permite el paso de la energía de la red hacia el receptor. b) Bidireccional o reversible. Cuando el convertidor permite la transferencia de la energía en el sentido de la red hacia receptor y en el sentido ilwerso. E.~•TAOL 1

1 POTENCIA I

1 2

I UN l>AO

1

1

OIGlf-".L

I

1

GI

Esquema 9.12 Arrancador varíador de frecuencia para motor trifásico

9.7.1. Circuito de potencia El circuito de potencia está constituido por los elementos qu e se relacionan a continuación: QF - Interruptor automático. KMl - Contactar tripolar.

XL - Inductancias de red . © Ediciones Paraninfo • 195

Motores trifásicos

Variación de velocidad paro motores trifásicos

CF - Convertidor digital de frecuencia .

9.7.5. Presentación del equipo ondulador de frecuencia

F2 - Relé de sobreintensidad.

El equipo se presenta dentro de una envolvente (Figura 9.8). Resultan muy importantes la visualización general del aparato, la lectura y compren.~ión de su documentación, para asegurar su correcto uso, aplicación y mantenimiento. Ante cualquier duda, se debe poner en contacto con el distribuidor o fabricru1te.

RF - Resistencia de frenado. M - Motor trifásico de corriente alterna con rotor en cortocircuito. e - Sondas tennostáticas para control de la temperatura del bobinado del motor. DT - Dinamo tacométrica.

Hay que prestar atención a las condiciones runbientales fijadas por el fobricru1te sobre la implantación del aparato, como: • • • • • •

9.7.2. Circuito de maniobra La maniobra del contador se realiza desde un pulsador de marcha (S2) y otro de paro (S1). Nota: estos equ ipos pueden ir incorporados a un autómata programable, que perttúte que

Vibraciones. Altitud máxima de instalación. Choque. H u medad. Temperatura de funcionamiento. Protección.

su funcionamiento esté integrado en un determinado proceso de automatismo y de fabricación.

9.7.3. Equipo convertidor o variador de frecuencia El equipo convertidor de frecuencia consta básicamente de las partes siguientes: • • • • •

Circuito de potencia con equipos rectificador y ondulador. Activación de la etapa o circuito de potencia. M.ando, regulación y control digital. Unidad de mando. Entrada de señales de mando y control.

9.7.4. Características principales del equipo Las características de cada equipo dependen de su forma constructiva y estas pueden ser: • MóduJos de inversión de giro (derecha-izquierda). • Entradas para finales de carrera. • Rampas de aceleración y deceleración. • Indicador de frecuencia. • Indicador de velocidad (rpm). • Conh·ol y ajuste de velocidad . • Control de: sobreintensidad, sobretensión, baja tensión, sobretemperatura, defecto a tierra, etc. • Sistema de autodiagnóstico. • Ayuda al automantenim.iento. • Regulación de las curvas de tensión y frecuencia . • Equipo de frenado. • Entradas ru1alógicas (4-20 mA en cq

·~- ~ ~~-. •...... ~1\.......... -:~~)

.,.

p

1

- :::

A~

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~~

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\

..D• --=~ 111

--•

~

.,.

5!i

w•

DBL'J'A

Slmv!ENS

DANFOSS

Figura 9.8 Variadores de frecuencia

Nota: cada variador de frecuencia tiene sus particularidades. No todos valen para lo que pueda interesar a una determinada aplicación. Debemos informarnos antes de elegir un determinado equipattúento para dar solución a un problema concreto.

Puede estar unido y controlado por un autómata progrrunable. 196 • © Ediciones Paraninfo

© Ediciones Paraninfo •

197

CAPÍTULO

10

MANTENIMIENTO DE MOTORES ELÉCTRICOS

10.1. Con carácter genera l 10.2. Intensidad absorbida por motores en diferentes tipos de arranque 10.3. Sección de los conductores que alimentan los motores 10.4. Sección de conductores y tubos de protección 10.5. Sustitución de motores en una aplicación 10.6. Desmontado mecánico de un motor 10.7. Anomalías que se dan en los motores trifásicos 10.8. Resumen de las principales averías en los motores trifásicos con rotor en cortocircuito y su circuito eléctrico 10.9. Mantenimiento de motores eléctricos 10.10. Verificaciones del estado de los motores eléctricos 10.11. Intervención en motores y transmisiones

Motores trifásicos

m

CON CARÁCTER GENERAL

El receptor es el elemento final de una instalación eléctrica. Todos los dispositivos de la aparamenta eléctrica tienen por finalidad transportar en las mejores condiciones la energía eléctrica hasta el receptor, asegurando calidad y protección, tanto para la instalación, para los receptores, como para las personas y las cosas que están en su entorno.

Mantenimiento de motores·eléctricos

10.1.3. Condiciones de utilización Las condiciones de la instalación y utilización de los receptores dependerán de su clase y de las características de los locales donde se vayan a instalar. Se tendrá en cuenta, y de forma especial, la protección contra los contactos directos e indirectos de acuerdo con la ITC-BT-24. Los receptores de la clase II y ID no precisan protección adicional contra contactos directos e il1directos. La tensión de conexión de los motores (tensión asignada por el fabricante), coil1cidirá con la tensión de red.

10.1.4. Conexión de los receptores Todo receptor será accionado por un dispositivo que pueda ir incorporado al mismo receptor o a la instalación de alimentación, utiliz,·mdo alguno de los dispositivos siguientes, según el Punto 2.7 de la ITC-BT-19 (posibilidad de conectar y desconectar en carga). Dispositivos admitidos para la conexión y desconexión en carga Figura 10.1 Elementos mecánicos de un motor

10.1.1. Los receptores en el REBT La instrucción ITC-BT-43 establece los requisitos generales de instalación de receptores, dependiendo de su clasificación y utilización, para ser alimentados por redes de sunlinistro exterior con tensiones que no excedan de 440 V de valor eficaz entre fases, equivalente a 254 V en valor eficaz entre fase y tierra De forma particular, se tendrán en cuenta las instrucciones ITC-BT-47 (Instalaciones de receptores. Motores).

10.1.2. Condiciones generales de las instalaciones Los receptores se instalarán teniendo en cuenta los conceptos siguientes: •

• •

• •

• • •

•

Oase de local Lugar de emplazamiento. Tipo de receptor. Utilización que se va a hacer del receptor. Oasificación del receptor (Clases O, I, II y III). Condiciones ambientales (temperatura de ambiente, humedad, ventilación). Altitud a la que va a trabajar el receptor, especialmente para motores. Agentes exteriores que debe soportar (polvo, ga~es, vapores, lluvia, etc.). Otros datos y valores complementarios que pudiera interesar tanto a la insta!ación como al receptor.

200 • © Ediciones Paraninfo

La conexión de los motores en carga supone que los contactos de los dispositivos de conexión/desconexión tengan que soportar una sobreintensidad durante el periodo

de conexión y desconexión, para lo que se requiere que estén preparados constructivamente, teniendo el suficiente poder de conexión y desconexión o corte (PdC). Los dispositivos que tienen estas condiciones, son: • Interruptores manuales. • Cortacircuitos fusibles de accionamiento manual, u otro sistema, siempre que tengan poder de corte (PdC) y de cierre adecuado e il1dependiente del operador. • Interruptores automáticos de tipo magnético o magnetotérmico. • Contactores. • Oavijas de torna de corriente de intensidad no.minal no superior a 16 A Serán de corte onulipolar los dispositivos siguientes: • Los situados en el cuadro general y en los secundarios de toda instalación interior o receptora . • Los destinados a circuitos, excepto en sistemas de distribución TN-C, en los que el corte del conductor neutro está prohibido y excepto en los TN-S, en los que se puede asegurar que el conductor neutro está al potencial de tierra. • Los destinados a receptores cuya potencia sea superior a 1.000 W, salvo que prescripciones particulares admitan corte no omnipolar. • Los situados en circuitos que alimentan instalaciones de tubos de descarga en alta tensión. © Ediciones Paraninfo •

201

Motores trifásicos

En los demás casos, los dispositivos podrán no ser de corte omnipolar. Un aparato de corte omnipolar es aquel que desconecta todos los conductores de su circuito. Not 1, se trata de un mecanismo multiplicador de velocidad. Si: i < 1, se trata de un mecanismo redu.cto·r de velocidad. Nota: cuando se trata de reductores de velocidad, la relación de transmisión (i) es un valor inferior a la utúdad y se suele expresar en fracción (ejemplo: i =1/4)

a)

.

.

Mecanismo chi transmisión

Randlmianto

Ejes sobre palieres a rodamientos. Ejes sobre palieres lisos, bien engrasados. Transmisión por correas. Engranajes rectificados, bien engrasados. Engranajes tallados, bien engrasados.

Engranajes brutos.

Rueda y sinfín: reversible y bien engrasada. No reversible y engrasada con bisulfito de molibdeno. Tren epicicloidal (R = 174)

m

¡=

1

098 095 0,95 0,98 o,9sa·o 97 0,90 a 0., 92 .9Q.aQ.92 0,75 a 0,85 0,40 a 0,80 0,35 a 0,45 0,90 a 0;93

n" de dientes del sin fü1 (motriz) n" de dientes del engranaje conducido

e)

En piñón de cadena:

'

PRINCIPALES FÓRMULAS RELATIVAS A TRANSMISIONES MECÁNICAS

©Ediciones Paraninfo

n" de dientes del engranaje motriz n" de dientes del engnm¡lje conducido

J i = n" de dientes del engranaje conducido

1 1

En el Capítulo 2, Apartado 2.4 (Fórmulas de cálculo aplicables a transmisiones mecánicas), se recogen las fórmulas fundamentales y que son aplicables a la materia que se estudia en este capítulo. 222 •

z Z

b) En sinfín con engranaje:

Tabla 11.1 Rendimientos de diferentes mecanismos de transmisión

Ejes sobre palieres lisos y engrasado dlscontinuo. Engranajes tallados y medianamente engrasados.

En engranajes: t= - =

I.a Tabla 11.1 muestra los rendimientos de diferentes mecanismos de transmisión.

1

N

También:

Al reducir la velocidad del motor se consigue aumentar el par motor que llegue a la aplicación, en la misma proporción de la reducción de velocidad. Se puede acoplar directamente el moto.r a la máquina, como es el caso de bombas, ventiladores y reductores, o pasando por situaciones intermedias, antes de llegar a l a aplicación. Los acoplamientos pueden ser:

11

i=

m

n" de dientes del piñón motriz n" de dientes del piñón conducido

ACOPLAMIENTO DIRECTO MOTOR APLICACIÓN

Son muchas las aplicaciones en las que se ensambla el motor directamente a la máquina o aparato a accionar. En este caso, la velocidad del eje del motor corresponderá a la velocidad del eje de entrada a la máquina, como en el caso de los ventilado res, agitadores, batidoras, bombas y otras máquinas. Para estos casos, el motor se fija a la máquina embridado', siendo el eje de la máquina "hembra" y el eje del motor "madw". 1

Embridado es Jo mismo que decir, por el sistema o procedimiento de embrida.do.

© Ediciones Paraninfo •

223

Motores trifásicos

Transmisión de movimiento

11.4.1. Transmisión por acoplamiento directo motor-aparato

Par cedido por el reductor (M,)

En estos casos, el eje del motor se acopw directamente a la bomba (Figura 11.1) bloqueando el acoplamiento macho-hembra por medio de la chaveta.

El par cedido por el reductor dependerá de la velocidad de salida del mismo. Al reducir la velocidad del motor se incrementa el par en la misma relación. a)

Par motor (M~):

M= m

9550 · P 11

(Nm)

P - Potencia útil del motor', en kW:

n - Velocidad del motor, en rpm. b) Par cedido por el reductor (Af,): n.

Figura 11.1 Motores acoplados directamente a una bomba

M=M .....!!!. r m n,

=

9550·P

9.550 · P

(Nm)

Par recibido por la aplicación

n., - Velocidad del motor, en rpm.

La aplicación, en este caso, una bomba, recibe el mismo par que cede el motor (Mm).

n, - Velocidad de salida del reductor, en rpm. 11.5.2. Transmisión por engranajes (piñones)

P - Potencia útil del motor, en kW.

Esta forma de transmisión (Figura 11.3) permite cambiar el movimiento a 90° respecto al que proporciona el motor.

n - Velocidad del motor, en rpm.

DII TRANSMISIÓN MOTOR MÁQUINA PASANDO POR UN ELEMENTO INTERMEDIO Se trata de una fonna de transmitir J;, velocidad del motor a la aplicación de que se trate. En este apartado se estudian las principales formas de transmisión. Figura 11.3 Transmisión por piñones que permiten cambiar el movimiento a 90º

11.5.1. Transm isión a través de reductor o multiplicador de velocidad

11.5.3. Transmisión por rueda y husillo sinfín palieres

Como se viene insistiendo, muchas transmisiones se realizan a través de reductores. Los conjuntos motor-reductor fonnan los motorreductores, como el representado en la Figura 11.2. También se estudian otras formas de transmisión.

Es otra fonna de cambiar el ángulo del movimiento proporcionado por el motor (Figura 11.4).

Figura 11.4 Transmisión husillo sinfín-piñón Figura 11.2. Motorreductor. El motor a brida está acoplado directamente al reductor 224 • © Ediciones Paraninfo

1

La que señala la p laca de c:arac:teristicas del motor.

© Ediciones Paraninfo •

225

Transmisión de. movimiento

Motores trifásicos

Particularidades de esta transmisión a través de husillo:

11.S.S. Transmisión por husillo-tuerca

Es un concepto de reversible e irreversible. Una transmisión piñón-husillo puede ser:

Es otra forma de cambiar de un movimjento rotativo (husillo) a lineal (tuerca) (Figura 11.6).

a) Reductor piñón-husillo reversible. El reductor con este tipo de construcción será reversible cuando el ctispositivo pueda girar a derecha o a izquierda, según convenga, sin que el mecanismo dificulte cualquiera de los dos sentidos de giro. b) Reductor piñón-husillo irreversible. El reductor con este tipo de construcción y cuando está parado, no es posible su accionamiento desde el exterior del eje de salida. e) Análisis de la irreversibilidad. A menor ángulo del filete del husillo sobre su eje, mayor irreversibilidad (Tabla 11.2). Tabla 11.2 Reverslbllldad de la transmisión a través de husillo

Í Cuando el ingulo •• a: 25"

La rev...lbllldad •• _ ,

Esléticamenle reversible. Retomo rápido. Dinámicamente reverslble. Irreversibilidad estática Incierta. Retomo en ceso de vibraciones, Mala reverslbllldad mecánica.

Figura 11 .6 Otra versión de transmisión de movimiento rotativo en lineal

11.S.6. Transmisión por palieres Es ta forma de transmisión se emplea cuando se requiere cambiar e l plano de la aplicación del movimiento (Figuras 11.7 y 11.8).

Estéticamente casi Irreversible.

Relomo en caso de vibraciones. Mela reverslblllcfad m 0,7 · (Dp + dp} (mm}

Dp -dp

Número d e correas (z):

Dp - Diámetro primitivo de la polea motriz (entrada).

dp =i · Dp (mm)

fi

-=

~ en tablas trigonométricas.

Dp

dp - Diámetro primitivo de la polea conducida (salida).

• k0 en tablas

d2



Cwea trapezoidal

Figura 11.23 A través de poleas trapezoidales. Correa trapezoidal © Ediciones Paraninfo •

239

Motores trifásicos

+·' "

MOTOR

~

L

.

h

h

Correa dentada

Figura 11.24 A través de rueda dentada. Correa dentada

MOTOR

CAPÍTULO

12

Figura 11.25 A través de piñón. Cadena de eslabones

MÁQUINA

(Aplicación) MOTOR

POTENCIA NECESARIA EN EL ACCIONAMIENTO DE MÁQUINAS

Figura 11.26 A través de engranaje y tornillo sinfín

12.1. Potencia motriz necesaria para accionar una máquina 12.2. Potencia de rotación 12.3. Potencia de traslación MOTOR

12.4. Potencia de elevación 12.5. Potencia motriz para bandas transportadoras horizontales 12.6. Potencia motriz para bandas transportadoras inclinadas

Figura 11.27 A través de palier. Cambio de plano

12.7. Fórmula general para calcular la potencia de bombas 12.8. Potencia para bombas de elevación de agua en edificios 12.9. Potencia para la bomba de depuración de agua de la piscina 12.10. Potencia para accionar un compresor 12.11. Potencia para el motor que acciona una bomba hidráulica 12.12. Potencia para el motor que acciona un ventilador 12.13. Potencia para polipastos de elevación de cargas 12.14. Potencias motrices en puentes grúa

240 • © Ediciones Paraninfo

Motores trifásicos

12.15. Potencias motrices para grúa giratoria y móvil

Potencio necesaria en el accionamiento de máquinas

Em POTENCIA MOTRIZ NECESARIA PARA ACCIONAR UNA MÁQUINA

12.16. Potencia del motor conocido el par resistente de la máqui na a accionar 12.17. Estimación de potencias para accionar diversas máquinas 12.18. Clasificación de las máquinas

Para elegir un motor es necesario, en primer lugar, conocer el par y la potencia necesaria y, a partir de estos datos, podrá pasarse a la elección del motor, teniendo en cuenta otras características del entorno de la aplicación.

12.1.1 Par útil en el eje del motor (M J M m = 9,55·P.

(Nm)

/!

Mm = ¡\,f =

7.160 · P.,

(Nm)

lt

9550 · P.,

m

(Nm)

/!

P. - Pote ncia útil, en vatios (W). P., - Potencia útil, en C.V. P., - Potencia útil, en kW

Velocidad de giro, en rpm.

t1 -

12.1.2 Potencia motriz (P) necesaria para accionar una máquina

=

p m

M

.,. m

9.550 • r/0

(kW}

F· v 1.000 · 1]0

p = - - (kW) m

P - Potencia motriz necesaria. Pm=2· F ·16·d·n (kW} r,> =2n ·n M m =F · d

Pm = w ·Mm Pm - Potencia del motor, en kW. F - Fuerza, en N .

d - Diámetro de giro, en metros (m). t1

-

Revoluciones por segundo (s).

w - Velocidad angular, en rad/s.

Mm- Par motor, en Nm. 242 • © Ediciones Paraninfo

© Ediciones Paraninfo • 243

Motores trifásicos

Porenda necesaria en el accionamiento de máquinas

El momento del par (M) es independiente del diámetro (d) del eje, polea, piñón, etc. (brazo de palanca). El par motor viene dado por el valor M,..

P - Potencia, en k\-V.

El par resistente (M,) señala la potencia mecánica recibida por la máquina (PJ

F - Fuerza, en N.

F=

V - Velocidad de traslación, en m/s. ,¡ - Rendimiento mecánico.

P=M · w

'

'

12.1.3. Potencia absorbida (P.ml por el motor eléctrico

L - Avance del tornillo en metros (m). M - Par, en Nm.

Potencia absorbida por el motor desde la línea eléctrica.

P,m= 13 -U ·I

p

· cos q, (W)

J3 -u ·l ·cos25.:t!"' l' neac"'·a , a::======='!:===::'º:'·~·§:aáa;-J~Q ,,;k"W '_,,= ===e Media potencia 1Oa 100 kW ~ ~otenda Ma~ot_d,i}OO kW

13.1. Breve reseña histórica 13.2. Tipos de motores 13.3. Motores de gasolina 13.4. Motores de gasoil (diésel 13.5. Motores de gas 13.6. Motores de vapor 13.7. Motores térmicos o Stirling 13.8. Motores de hidrógeno 13.9. Turbinas hidráulicas 13.10. Motores de corriente continua

258 •

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Motores trifásicos

Motores de aviocidn que consumen queroseno

DII BREVE RESEfÍIA HISTÓRICA

13.1.3. Motores de vapor

En este capítulo se muestra la importancia de los motores en el desarrollo de la industria en general, y de los servicios en particular, a Jo largo del siglo xx. No podemos concebir la industria, en general y los servicios sin los motores.

Cuando el inglés Thomas Newcomen inventó el motor de vapor, se dio un gran paso a la industrialización en sus muchas aplicaciones, principalmente la textil . Fue a partir de 1785 cuando James Watt construye el primer motor de vapor aplicado a la industria textil.

La motorización de las máquinas y el alumbrado fueron una de las principales aplicaciones de la energía eléctrica en el momento de su descubrimiento industrial, en los años fina les del siglo XlX.

En 1804, Richard Trevithick inventa la locomotora de vapor. Jrunes Watt (inglés) inventó el regulador Watt para mantener constante la velocidad de la :máquina de vapor.

En este capítulo se muestran algunos de los principales motores utilizados en la industria, los servicios y los electrodomésticos.

En 1814, George Stephenson (inglés), construye locomotoras de vapor y da un gran impulso al desarrollo de los transportes ferroviarios. Es considerado como el padre del ferrocarril .

El movimiento que tiene su origen en una fuente de energía se viene empleando desde la antigüedad, como son algunos de los ejemplos que se citan en este apartado.

• • •

• • • •

•

Movimiento de los barcos por la acción del viento sobre las velas (fuerza eólica). 1fovimiento de molinos por la acción del viento sobre las aspas (fuerza eólica). Accionamiento de molinos por la acción del agua (hidráulica) . Accionamiento de sierras y telares por la acción de la paletas de una rueda, movida por el agua (hidráulica). Siglo xvm. Arrai,tre de trenes por w1a máquina de vapor. Finales del siglo XIX. Movimiento de vehículos con motores de gasolina y diésel. Siglo XIX (1880). Primera central hidráulica para generar electricidad. Producción de energía eléctrica a partir de una turbina movida por la acción del agua en una central hidráulica

13.1.1. Energía hidráulica a partir de una turbina o rueda de aspas movida poragua En 1849, James Bicheno Frru1cis inventa la turbina de agua, que después se aplicó a otros usos y a la generación de energía eléctrica. • Molinos de granos. • Aserraderos. • Elevación de agua a canalizaciones. • Generación de energía eléctrica.

13.1.2. Eólicas El aprovechamiento de la fuerza del viento se viene utilizando desde la antigüedad, como lo certifican muchos casos conocidos. • • 260 •

Transporte marítimo (barcos a vela). Molinos de grano (la Mancha y don Quijote, Países Bajos, etc.)

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El motor de vapor se aplicó a la motorización de los barcos a partir del año 1786, por el norterunericano John Fitch. La turbina de vapor fue inventada por Car! Gustav de Laval (sueco), en 1889.

13.1.4. Motores de gas, gasolina y diésel La motorización ha sido siempre básica para el desarrollo de la humanidad. • • •

En 1860, Étienne Lenoir (frru1cés) inventó el motor de gas. En 1885, Karl Benz (alemán) inventó el motor de gasolina. En 1892, Rudolf Diésel (alemán) inventó el motor diésel (gasoil).

1111 TIPOS DE MOTORES Muchos son los procedimientos para generar movimiento rotativo, y entre los más importantes están los que se relacionan a continuación. • Motores de gasolina. • Motores de gasoH. • Motores de gas. • Motores de vapor. • Motores de hidrógeno. • Motores de térmicos • Turbinas hidráu licas.

mi

MOTORES DE GASOLINA

La gasolina se obtiene de la destilación del petróleo por medio de un procedimiento descubierto en 1857. En 1876, Nikolaus August Otto construyó el primer motor de gasolina. © Ediciones Paraninfo •

261

Motores trifásicos

Motores·de avladón que consumen queroseno

En 1885, Karl Benz utilizó el motor de gasolina para accionar automóviles (Figura 13.1). El motor de gasolina es muy empleado en automoción, especialmente en automóviles y motos, así como en el accionamiento de diversos aparatos como generadores de electricidad y máquinas portátiles

Para motores de explosión rotativos.

P,, CVF= 5 152 ' P, - Potencia efectiva, en kW' .

Para motores eléctricos

P,, CVF= 5,152

P, - Potencia efectiva, en kv\12

13.3.2. Fórmula general para calcular la potencia fiscal de un motor de gasolina

P =T · - e f

( Ne

¡··· ·N,

(CV)

P1- Potencia fiscal, en CV. T - 0,08 para motores de cuatro tiempos.

Figura 13.1 Viejo y precioso automóvil accionado por motor de gasolina

0,11 para motores de dos tiempos.

13.3.1. Potencia fiscal de motores de explosión 1.a fórmula para el cálculo de la potencia de los motores de explosión dependerá de si se trata de dos o de cuatro tiempos. También se presenta la fórmula para el cálculo de la potencia de motores rotativos y motores eléctricos.

Motor de cuatro tiempos:

C- Cilindrada, en cm3. N, - Número de cilindros.

13.3.3. Aprovechamiento de la energía consumida por el motor de explosión la energía aprovechada por un motor de explosión es muy pequeña, dado que las pérdidas son muy elevadas.

Potencia fiscal del motor H = 0,08 (0,785 · d' ·R) n".,. (CVf)

Tabla 13.1 Energía perdida y energía útil en un motor de explosíón

H - Potencia del motor, en caballos fiscales (CVf). d - Diámetro del cilindro, en centímetros (cm). R - Recorrido del cilindro, en centímetros (cm).

n - Número de cilindros. Motor de dos tiempos:

Porcantaju (%)

P6rdldaa de anargla

33%

Por disípación de calor

37%

En el escape de gases

6%

Por rendimiento mecánicas del motor

24%

ENERGIA UTIL

Nota: para quemar un litro de gasolina(~ 0.780 kg/dm 3) se necesitan aproximadamente 17 kg de aire

H = 0,11 (0,785 · d' · R) 11°-" (CVf)

(n 10.000 litros de aire).

Cilindrada del cilindro (C): C = 0,785 · d' · R (cm3 o ce) 262 •

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l Determinada por el Laboratorio 06cial designado por e l Ministerio d e Industria. Determinada por e l Laboratorio Oficial designado por e l Ministerio de lndushia.

1

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263

Motores trifásicos

Motores de aviación que consumen queroseno

Ejemplo de cálculo de la potencia de tracción para una máquina que arrastra un apero de labranza P

(a·p·p·v) + (¡)·m · v+M~ · w l.()()() . ,¡ . ,; '1 . 1z

(kV,I)

P - l'otencia nominal del motor, en kW. 11 -

Anchura del apero predeterminado, en dm.

p - Profundidad de la labor, dm. {J -

ReSJstencia especifica del terreno a dicha labor, en N/dm

Figura 13.2 Barcos en el puerto del Helsinki accionados por motores diésel 2•

v - Velocidad de trabajo, en m/s. c¡J - Coeficiente de rodadura del elemento arrastrado.

m - Peso del elemento arra.strado. r - Rendimiento global por pérdida de potencia (del motor a la barra).

r'', _ 'Rendimiento global por pérdida de potencia (del motor a la toma de fuerza).

r, - Coeficiente de empleo efectivo para dicha operaci(m de la potencia a la barra.

r' - O,eficiente de empleo efectivo para dicha úperaci 300 m'ls por turbina. Turbinas Kaplan y Francis.

b) Par suministrado por el e je del m otor (M.):

DEI MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA

J\f ,,.

Los motores de corriente continua (Figura 13.7) en sus cuatro versiones principales tienen muchas aplicaciones, au nque se encuentran con el problema de las escob illas y el colector que requiere un mantenimiento especial.

= 9550 · P

(Nm)

/J

P - Potencia, en kW.

N - Velocidad de rotación, en r pm.

Fig u ra 13.7 Motor de corriente continua preparado para su transporte

13.10.1. Cuatro tipos de motores de corriente continua • • • • 270 •

Motor de excitación independiente. Motor de excitación serie. Motor de excitación derivación o shunt. Motor de excitación compuesta o rompoun.d.

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271

CAPÍTULO

14

TABLAS Y VARIOS PARA CONSULTA 14.1. Tensiones eléctricas normalizadas 14.2. Frecuencias y tensiones en diferentes países 14.3. los motores en el REBT 14.4. Dimensionado de los fusibles de protección para motores trifásicos 14.S. Relés térmicos para la protección de motores trifásicos 14.6. Protección exterior de los motores eléctricos 14.7. Motores trifásicos conectados a redes monofásicas 14.8. Sección de los conductores 14.9. Datos generales aplicados a motores trifásicos

Tablas y varios para consulto

Motores trifásicos

m

Tabla 14.3 Te nsiones especiales o de seguridad

TENSIONES ELlCTRICAS NORMALIZADAS

Los motores funcionan conectados a redes eléctricas, la irunensa mayoría conectados a redes eléctricas de baja tensión. Para conectar un motor debemos conocer la tensión de la red eléctrica, y en función de la misma, podremos tener dos opciones de conexión (estrella o triángulo). Varios son los valores de la tensión en redes de baja tensión, segfu1 sean de corriente alterna (CA) o de corriente continua (CC), tal como se indica a continuación:

14.1.1. Baja tensión (BT)

1. Muy Bajas Tensiones de Seguridad (MBTS) 1

b) Para corriente continua (CC). Igual o inferior a 1.500 V. Tabla 14.1 Clasificación de las tensiones

Tensionu

Corrianta allama {valor eficaz)

Corriente continua {valor medio arllrnMico)

Muy baja tensión

Un s 50V

Un s75V

Tensión usual

50 x· "

Esq uema para un m otor trifásico en conexión estrella (Y) N

L

S =~ - - - (mm')

N

L

b) Caída de tensión (e):

?

e

U

V

W

fi·t· l · cos q>

u

e - -'-------

u

x·S

(V)

M

3··

En función de la potencia; a) Sección (S):

Esquema 14.1 Motor trifásico conectado a red monofásica

l .p S= - - (rrun~

x·e·U

Esq uema 14.3 Conexión estrella

b)

14.7.2. Procedimiento de inversión de giro Para motores trifásicos conectados a redes monofásicas, el procedimiento para invertir el sentido de giro (Esquema 14A) para las conexiones triángulo y estrella que se representan en los E.~quemas 142 y 14.3 consiste en cambiar la conexión del condensador de u n conductor al otro. Si estaba conectado a la fase (L), pasarlo al neutro (N) y viceversa. L

N

u

e=

%·U

100

(V)

1- Longitud de la lú,ea, en metros (m).

T- Intensidad, en amperios (A). cos