motores y aplicaciones ales
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motores y aplicaciones industriales
el motor es el fundamento de toda industria y sus principios bsicos nos
acercan al origen de todo movimiento, fuerza y velocidad.
motores electricos
un electromotor transforma la energa elctrica en energa mecnica,
este es el concepto bsico de los equipos que en este proyecto trataremos
de desarrollar.
la primera gran divisin de motores obedece al tipo de corriente que losenergiza.
motores de corriente contina c.c.
motores de corriente alterna c.a.
motores de corriente continua
es poco el uso de este tipo de motores a pesar de que son muy tiles
cuando es necesario variar la velocidad o cambiar el sentido de giro. solo
diremos que basa su funcionamiento en la reversibilidad de un generador
de c.c. (dinamo). el movimiento de un conductor o espira dentro de un
campo magntico engendra en l una corriente inducida, cuyo sentido
depende del que rija el movimiento de la espira. esto se consigue haciendo
girar mecnicamente un campo magntico. si por el contrario aportamos
una corriente continua a un conductor o espira inmerso en un campo
magntico, nace en l un movimiento cuyo sentido depende tambin delsentido del campo y del sentido de la corriente que atraviesa el conductor.
de este principio bsico se deduce que si a un generador de c.c, le
aplicamos una fuerza mecnica (rotatoria), obtendremos energa elctrica.
si por el contrario la aplicamos al mismo generador una c.c, obtendremos
energa mecnica.
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motores de corriente alterna
por el fcil manejo de transmisin, distribucin y transformacin de la c.a,
se ha constituido en la corriente con ms uso en la sociedad moderna.
es por ello que los motores de c.a, son los ms normales y con el desarrollo
tecnolgico se ha conseguido un rendimiento altsimo que hace que ms
del 90 % de los motores instalados sea de c.a.
los motores de c.a, se dividen por sus caractersticas en:
sincrnicos
trifsico con colector.
trifsico con anillos.
y rotor bobinado.
asincrnicos o de induccin
trifsico jaula de ardilla.
monofsico: condensador, resistencia.
asincrnicos sincronizados: serie o universal.
espira en corto circuito.
hiposincrnico.
repulsin.
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motor sincrnico
esta fundamentado en la reversibilidad de un alternador. el campo interior
de una aguja se orienta de acuerdo a la polaridad que adopta en cada
momento el campo giratorio en que se haya inmersa y siempre el polo s de la
aguja se enfrenta al polo n cambiable de posicin del campo giratorio, la
aguja sigue cambiando con la misma velocidad con que lo hace el campo
giratorio. se produce un perfecto sincronismo entre la velocidad de giro
del campo y la de la aguja.
si tomamos un estator de doce ranuras y lo alimentamos con corriente
trifsica, se crear un campo giratorio. si al mismo tiempo a las bobinas del
rotor le aplicamos una c.c, girar hasta llegar a sincronizarse con la
velocidad del campo giratorio, de tal manera que se enfrentan
simultneamente polos de signos diferentes, este motor no puede girar a
velocidades superiores a las de sincronismo, de tal forma que ser un
motor de velocidad constante. la velocidad del campo y la del rotor,
dependern del nmero de pares de polos magnticos que tenga la
corriente. un motor de doce ranuras producir un solo par de polos y a unafrecuencia de 60 hz, girar a 3600 r.p.m.
como se ver el principal inconveniente que presenta los motores
sincrnicos, es que necesitan una c.c. para la excitacin de las bobinas del
rotor, pero en grandes instalaciones (siderrgicas), el avance de corriente
que produce el motor sincrnico compensa parcialmente el retraso que
determinan los motores asincrnicos, mejorando con ello el factor de
potencia general de la instalacin, es decir, el motor produce sobre la red
el mismo efecto que un banco de condensadores, el mismo
aprovechamiento de esta propiedad, es la mayor ventaja del motor
sincrnico.
motores asincrnicos o de induccin
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son los de mayor uso en la industria, por lo tanto son los que mayor anlisis
merecen.
cuando aplicamos una corriente alterna a un estator, se produce un campo
magntico giratorio, este campo de acuerdo a las leyes de induccin
electromagnticas, induce corriente en las bobinas del rotor y estasproducen otro campo magntico opuesto segn la ley de lenz y que por lo
mismo tiende a seguirlo en su rotacin de tal forma que el rotor empieza agirar con tendencia a igualar la velocidad del campo magntico giratorio,
sin que ello llegue a producirse. si sucediera, dejara de producirse la
variacin de flujo indispensable para la induccin de corriente en la bobina
del inducido.
a medida que se vaya hacindose mayor la diferencia entre la velocidad de
giro del campo y la del rotor, las corrientes inducidas en l y por lo tanto supropio campo, irn en aumento gracias a la composicin de ambos campos
se consigue una velocidad estacionaria. en los motores asincrnicos nunca
se alcanza la velocidad del sincronismo, los bobinados del rotor cortan
siempre el flujo giratorio del campo inductor.
motores asincrnicos, jaula de ardilla
elimina el devanado en el rotor o inducido. las planchas magnticas forman
el ncleo del rotor, una vez ensambladas dejan unos espacios cilndricos
que sustituyen a las ranuras de los rotores bobinados, por estas ranuras
pasan unas barras de cobre (o aluminio) que sobresalen ligeramente del
ncleo, estas barras o conductores estn unidos en ambos lados por unos
anillos de cobre. se denomina jaula de ardilla por la similitud que tiene con
una jaula.
en los motores de jaula de pequea potencia, las barras son reemplazadaspor aluminio inyectado igual que los anillos de cierre, a los que se les
agregan unas aletas que actan a su vez en forma de ventilador.
las ranuras o barras pueden tener diferentes formas y lo que se pretende
con ello es mejorar el rendimiento del motor, especialmente reducir las
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corrientes elevadas que producen los motores de jaula en el momento de
arranque.
cuando el inducido est parado y conectamos el estator tienen la misma
frecuencia que la que podemos medir en la lnea, por lo tanto, la
autoinduccin en el rotor ser muy elevada, lo que motiva una reactanciainductiva que es mayor donde mayor es el campo. de la manipulacin de las
ranuras y en consecuencia las barras dependern que las corrientes seanms o menos elevadas, lo que en definitiva es el mayor problema de los
motores de jaula.
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aplicaciones industriales de los motores
el motor de induccin, en particular el de tipo de jaula de ardilla, es
preferible al motor de corriente continua para trabajo con velocidadconstante, porque el costo inicial es menor y la ausencia de conmutador
reduce el mantenimiento. tambin hay menos peligro de incendio en
muchas industrias, como aserraderos, molinos de granos, fabricas textiles y
fabricas de plvoras. el uso del motor de induccin en lugares como
fabricas de cementos es ventajoso, pues, debido al polvo fino, es difcil el
mantenimiento de los motores de corriente continua.
para trabajo de velocidad variable, como es gras, malacates, elevadores y
para velocidades ajustables, las caractersticas del motor de corrientecontinua son superiores a las del motor de induccin. incluso en este caso,
puede convenir y ser deseable utilizar motores de induccin ya que sus
caractersticas menos deseables quedan ms que compensadas por su
sencillez y por el hecho de que la corriente alterna es ms accesible y para
obtener corriente continua, suelen ser necesarios los convertidores.
cuando haya que alimentar alumbrados y motores con el mismo sistema de
corriente alterna, se utiliza el sistema trifsico, de cuatro conductores de
208/120 v. esto permite tener 208 v trifsico para los motores y 120 v de
fase a neutro para las lmparas.
propulsiones electricas
gras y malacates: el motor de corriente continuo excitador en serie es el
que mejor se adapta a gras y malacates. cuando la carga es pesada, el
motor reduce su velocidad en forma automtica y desarrolla un momento
de torsin creciente, con el cual se reducen las cargas picos en el sistema
elctrico. con cargas ligeras, la velocidad aumenta con rapidez, con el cual
se logra una gra que trabaja con ms rapidez. el motor en serie tambin
est bien adaptado para impulsar el puente de las gras viajeras y tambinal carro que se mueva a lo largo del puente. cuando solo se dispone de
corriente alterna y no resulta econmico convertirla, el motor de
induccin del tipo de anillo deslizante, con control de resistencia externa,
es el mejor tipo de motor de corriente alterna. tambin se utilizan motores
de jaula de ardilla con anillos extremos de alta resistencia, para producir
un elevado momento de torsin al arranque (motores clase d).
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aplicaciones de los momentos de torsin constante. las bombas de pistn,
molinos, extrusores y batidoras pueden requerir un momento de torsin
constante en toda su variedad de velocidad. estas requieren un motor de
induccin jaula de ardilla, diseo clase c o d que tienen un alto momento
de torsin de arranque, para alcanzar su velocidad nominal. cuando debe
variarse la velocidad estando ya en movimiento el motor, puede usarse un
motor de c.c de voltaje de armadura variable o un motor de induccin
jaula de ardilla de frecuencia variable.
bombas centrfugas. el bajo wk2 y el bajo momento de torsin de arranque
hacen que los motores jaula de ardilla diseo b de propsito general sean
los preferidos para esta aplicacin. cuando se requieren un flujo variable,
el uso de una fuente de potencia de frecuencia variable para variar la
velocidad del motor, ser favorable desde el punto de vista de la energa
respecto al cambio de flujo por cierre de la vlvula de control con el fin deincrementar la carga.
ventiladores centrfugos. un wk2 alto requiere un motor de caja de ardilla
diseo c o d de alto momento de torsin de arranque para que el
ventilador adquiera su velocidad de trabajo en un periodo razonable de
tiempo.
motores conectados a la red
variaciones de la tensin v y de la frecuencia de la tensin f, en hz, en lared de un motor trifsico de devanado normal:
a) variaciones de la tensin a frecuencia constante, el par de arranque y el
par motor mximo vara con el cuadrado de la tensin. la intensidad de
arranque vara proporcionalmente con la tensin, con variaciones de 5 %
se obtiene la potencia nominal.
b) variaciones de la frecuencia con tensin constante, los valores absolutos
de los pares de arranque y motor mximo varan en forma inversamente
proporcional con el cuadrado de la frecuencia. la intensidad de arranque
varia inversamente proporcional con la frecuencia, con variaciones de 5
%, se puede entregar la potencia nominal.
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c) variaciones de la tensin y la frecuencia, si vara la tensin y la
frecuencia en el mismo sentido y proporcin, varan las revoluciones y la
potencia proporcionalmente con la frecuencia.
pueden conectarse por lo tanto motores con arrollamiento normal, aun en
redes cuyas caractersticas se apartan en 5 % de la placa decaractersticas.
fallas de los motores electricos
- servicio de corta duracin
el motor alcanza el calentamiento lmite durante el tiempo de
funcionamiento prescrito (10-30-60 minutos), la pausa tras el tiempo de
funcionamiento debe ser lo suficientemente larga para que el motor pueda
enfriarse.
-. servicio intermitente
se caracteriza por periodos alternos de pausa y trabajo.
-. proteccin contra averas
si se daa un motor, deben tomarse en cuentas los siguientes factores:
clase de mquina accionada.
potencia efectiva que debe desarrollar, hp.
velocidad de la mquina movida, rpm.
clase de transmisin (acoplamiento elstico o rgido), sobre bancada comn
o separada, correa plana o trapezoidal, engranajes, tornillos sin fin, etc.
tensin entre fase de la red.
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frecuencia de la red y velocidad del motor.
rotor anillos rozantes o jaula de ardilla.
clase de arranques, directo, estrella tringulo, resistencias estatricas,
resistencias retricas, auto transformador, etc.
forma constructiva.
proteccin mecnica.
regulacin de velocidad.
tiempo de duracin a velocidad mnima.
par resistente de la mquina accionada (mkg).
sentido de giro de la mquina accionada mirando desde el lado de
acoplamiento derecha, izquierda o reversible.
frecuencia de arranque en intervalos menores de dos horas.
temperatura ambiente si sobrepasa los 40 c.
indicar si el motor estar instalado en reas peligrosas: gas, humedad, etc.
-. el motor funciona en forma irregular
avera en los rodamientos.
la caja del motor est sometida a tensiones mecnicas.
acoplamiento mal equilibrado.
-. no arranca
tensin muy baja.
contacto del arrollamiento con la masa.
rodamiento totalmente daado.
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defecto en los dispositivos de arranques.
-. arranca a golpes
espiras en contacto.
-. motor trifsico arranca con dificultad y disminucin de velocidad al ser
cargado
tensin demasiado baja.
cada de tensin en la lnea de alimentacin.
estator mal conectado, cuando el arranque es estrella tringulo.
contacto entre espiras del estator.
-. trifsico produce zumbido internamente y fluctuaciones de corriente en
el estator
interrupcin en el inducido.
-. trifsico no arranca o lo hace con dificultad en la conexin estrella
demasiada carga.
tensin de la red.
daado el dispositivo de arranque estrella.
-. trifsico se calienta rpidamente
cortocircuito entre fases.
contacto entre muchas espiras.
contacto entre arrollamiento y masa.
-. estator se calienta y aumenta la corriente
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estator mal conectado.
cortocircuito entre fases.
contacto entre arrollamientos y masa.
-. se calienta excesivamente pero en proceso lento
exceso de carga.
frecuencia de conexin y desconexin muy rpida.
tensin demasiado elevada.
tensin demasiado baja.
falla una fase.
interrupcin en el devanado.
conexin equivocada.
contacto entre espiras.
cortocircuito entre fases.
poca ventilacin.
inducido roza el estator.
cuerpos extraos en el entrehierro.
la marcha no corresponde al rgimen sealado por la placa.
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eficiencia de los motores electricos
los mtodos para determinar la eficiencia son: por medicin directa o por
prdidas segregadas. las mediciones directas pueden hacerse usando
motores, generadores o dinammetros calibrados para la entrada a
generadores y salida de motores y, motores elctricos de precisin para laentrada a motores y salida de generadores.
las prdidas se calculan en forma separadas y luego se totalizan.
donde,
pe: potencia entregada.
p: potencia absorbida.
r: rendimiento.
: angulo del factor de potencia.
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motor de induccin
se puede ilustrar el principio del motor de induccin se realiza de la
siguiente forma:
se suspende un imn permanente de un hilo sobre una tornamesa de cobre
o aluminio que gira en un cojinete colocado en una placa fija de hierro. el
campo del imn permanente se completa as a travs de la placa de hierro.
el pivote debera estar relativamente sin friccin y el imn permanente
debe tener la suficiente densidad de flujo. cuando gira el imn en el hilo, se
observar que el disco que est debajo gira con l, independientemente de
la direccin de giro del imn.
el disco sigue el movimiento del imn, como se muestra en la figura
debido a las corrientes parsitas inducidas que se producen por el
movimiento relativo de un conductor (el disco) y el campo magntico. por la
ley de lenz, la direccin del voltaje inducido y de las corrientes parsitas
consecuentes produce un campo magntico que tiende a oponerse a la
fuerza o movimiento que produjo el voltaje inducido.
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las corrientes parsitas que se producen tienden a producir a su vez un
polo s unitario en el disco en un punto bajo el polo n giratorio del imn y un
polo n unitario en el disco bajo el polo s giratorio del imn. por lo tanto,
siempre que el imn contine movindose, continuar produciendo
corrientes parsitas y polos de signo contrario en el disco que est abajo. el
disco, por lo tanto, gira en la misma direccin que el imn. pero debe girar
a velocidad menor que la del imn. si el disco girara a la misma velocidad
que la del imn, no habra movimiento relativo entre el conductor y el
campo magntico y no se produciran corrientes parsitas en el disco.
caracterstica de funcionamiento del motor de induccin
el funcionamiento de un motor, en general, se basa en las propiedades
electromagnticas de la corriente elctrica y la posibilidad de crear ,a
partir de ellas, unas determinadas fuerzas de atraccin y repulsin
encargadas de actuar sobre un eje y generar un movimiento de rotacin.
suponiendo que un motor de induccin comercial de jaula de ardilla se
haga arrancar con el voltaje nominal en las terminales de lnea de su
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estator (arranque a travs de la lnea) desarrollar un par de arranque de
acuerdo que har que aumente su velocidad. al aumentar su velocidad a
partir del reposo (100 por ciento de deslizamiento), disminuye su
deslizamiento y su par disminuye hasta el valor en el que se desarrolle el par
mximo . esto hace que la velocidad aumente todava ms, reducindose
en forma simultnea el deslizamiento y el par que desarrolla el motor de
induccin.
los pares desarrollados al arranque y al valor del deslizamiento que
produce el par mximo ambos exceden (en el caso normal) al par aplicado a
la carga. por lo tanto la velocidad del motor aumentar, hasta que el valor
del deslizamiento sea tan pequeo que el par que se desarrolla se reduzca a
un valor igual al par aplicado por la carga. el motor continuar trabajando a
esta velocidad y valor de equilibrio del desliza-miento hasta que aumente o
disminuya el par aplicado.
se muestra la relacin entre los pares de arranque, mximo y nominal a
plena carga que desarrolla un motor de induccin, como funcin de la
velocidad de ste y del deslizamiento. esta figura es presentacin grfica
de la corriente y el par desarrollados en el rotor del motor como funciones
del deslizamiento desde el instante del arranque (punto a) hasta la
condicin de funcionamiento en estado estable (en general entre marcha
en vaco y marcha a plena carga - puntos c y d) cuando los paresdesarrollado y aplicado son iguales.
curva caracterstica
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circuito equivalente de un motor de induccin por fase
clasificacin de los motores asincrnicos
segn el diseo de la jaula,( nema)
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motor de diseo nema a
torque alto, deslizamiento nominal bajo y corriente de arranque alta.
es un motor de induccin con rotor tipo jaula de ardilla, diseado con
caractersticas de torque y corriente de arranque que exceden los valorescorrespondientes al diseo nema b, son usados para aplicaciones especiales
donde se requiere un torque mximo mayor que el normal, para satisfacer
los requerimientos de sobrecargas de corta duracin.
estos motores tambin son aplicados a cargas que requieren
deslizamientos nominales muy bajos y del orden del 1% o menos (velocidades
casi constantes).
motor de diseo nema b
torque normal, corriente de arranque normal y deslizamiento nominal
normal.
son motores con rotor tipo jaula de ardilla diseados con
caractersticas de torque y corriente de arranque normales, as como un
bajo deslizamiento de carga de aproximadamente 4% como mximo. en
general es el motor tpico dentro del rango de 1 a 125 hp. el deslizamiento a
plena carga es de aproximadamente 3%.
este tipo de motor proporcionar un arranque y una aceleracin suave
para la mayora de las cargas y tambin puede resistir temporalmente picos
elevados de carga sin detenerse.
motor de diseo nema c
torque alto, deslizamiento nominal normal, corriente de arranque
normal. son motores de induccin con rotor de doble jaula de ardilla, que
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desarrollan un alto torque de arranque y por ello son utilizados para cargas
de arranque pesado. estos motores tienen un deslizamiento nominal menor
que el 5%.
motor de diseo nema d
torque alto, alto deslizamiento nominal, baja corriente de arranque.
este motor combina un alto torque de arranque con un alto
deslizamiento nominal. generalmente se presentan dos tipos de diseo, uno
con deslizamiento nominal de 5 a 8% y otro con deslizamiento nominal de 8
a 13%. cuando el deslizamiento nominal puede ser mayor del 13%, se les
denomina motores de alto deslizamiento o muy alto deslizamiento (ultra
high slip). el torque de arranque es generalmente de 2 a 3 veces el parnominal aunque para aplicaciones especiales puede ser ms alto. estos
motores son recomendados para cargas cclicas y para cargas de corta
duracin con frecuentes arranques y paradas.
motores de diseo nema f
torque de arranque bajo, corriente de arranque baja, bajo deslizamiento
nominal.
son motores poco usados, destinndose a cargas con frecuentes
arranques. pueden ser de altos torques y se utiliza en casos en los que es
importante limitar la corriente de arranque.
dibujo de un motor de induccin
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un motor de induccin se comporta como un transformador
devanado primario = estator
devanado secundario = rotor
la corriente del devanado primario(estator) crea un campo magntico
giratorio, el cual induce una corriente en el devanado secundario(rotor). la
corriente del rotor junto con el campo magntico inducido provocan una
fuerza, que es la causa de la rotacin del motor.
debido a que la transformacin de potencia entre rotor y estator depende
de la variacin del flujo, si la velocidad del rotor aumenta, menos cantidadde potencia se puede convertir y adems se van solapando la velocidad del
rotor con la del campo magntico giratorio, 50 o 60 hz .esto significa que a
la velocidad de sincronismo no existe conversin de potencia y el motor se
para. la diferencia entre la velocidad de sincronismo y la velocidad real se
la denomina deslizamiento. la velocidad del motor viene determinada por la
frecuencia y el deslizamiento.
motor de corriente continua
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todos los motores elctricos tienen bsicamente los mismos componentes.
todos tienen un magneto estacionario denominado el estator y un
electroimn denominado la armadura. el estator genera el campo
magntico. cuando una corriente elctrica se hace pasa por el embobinado
de la armadura que se ha colocado en el campo magntico generado por el
estator, esta comienza a rotar debido al torque magntico. de esta manera
al energa elctrica se convierte en energa mecnica . si el eje del motor se
conecta mediante una correa a una polea esta se pone en movimiento.
un motor de cc esta compuesto por un imn fijo que constituye el inductor
y un bobinado denominado inducido que es capaz de girar en el interior del
primero, cuando recibe una cc.
suponiendo un motor elemental segn se representa, si sobre la bobina se
hace pasar una corriente se creara en la misma en un campo magntico que
la har girar al crearse una fuerza de atraccin y repulsin con respecto al
imn del estator. durante este giro se produce una serie de efectos que
condicionan la construccin del motor, el primero de ellos se produce
cuando se enfrentan dos polos de distinto signo, momento en que la
atraccin ser mxima y la bobina tiende a detenerse, sin embargo, por
inercia pasar de largo pero el sentido de giro se invertir y se volver hacia
atrs detenindose al cabo de unas cuantas oscilaciones. ahora bien, si en
el momento en que los polos opuestos se enfrentan, se invierte el sentidode la circulacin de la corriente de la bobina, automticamente se
producir un cambio de signo en los polos magnticos creados por la
misma, dando origen a que aparezcan unas fuerzas de repulsin entre ellos
que obligar a aquella a seguir girando otra media vuelta, debindose
invertir la corriente nuevamente y as sucesivamente.
el mtodo empleado para producir estos cambios es el de dividir el anillo
colector por el que recibe la bobina la corriente de alimentacin, en dos
mitades iguales separadas por un material aislante, que giran deslizndosesobre dos contactos elctricos fijos o escobillas uno conectado al polo
positivo y el otro al negativo.
de esta forma dichos contactos cruzaran dos veces por cada rotacin la
divisin entre los semianillos, inviertendose as el sentido de circulacin de
la corriente de la bobina.
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en los motores de cc es necesario aplicar al inducido una cc para obtener
movimiento, as como al inductor en el caso de que ste sea del tipo de
electroimn, conocindose a esta ltima con la denominacin de corriente
de excitacin. su construccin suele estar realizada mediante un inductor
cilndrico hueco (imn o electroimn) que contiene un cierto nmero de
pares de polos magnticos (norte-sur), que se conoce con el nombre de
estator. en su interior se encuentra el inducido o rotor tambin cilndrico
sobre el cual se encuentra el arrollamiento. el eje est acoplado mediante
rodamiento o cojinetes para permitir el giro y dispone de una superficie de
contacto montada sobre un dispositivo llamado colector sobre el que se
deslizan los contactos externos o escobillas.
clasificacin motores de corriente continua
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inversin del sentido de giro en motores de cc.
para invertir el sentido de giro de un motor de cc., basta con invertir
la polaridad de la tensin aplicada en sus bornes vb (con lo cual vara elsentido de la corriente que circula por su bobinado), y hacer as que el par
de fuerzas que originan el giro del motor sea de sentido contrario.
otro mtodo de invertir el sentido de giro es el de invertir la
polaridad del campo magntico producido por las bobinas excitadoras, esto
solo puede hacerse en mquinas que las tengan accesibles desde el
exterior.
componentes motor cc.
los motores de corriente continua estn fabricados para las tensiones
normales de lnea de 6, 9, 12, 24, 32, 110, 220 y 550.
las velocidades normales a plena carga son:850, 1140, 1725 y 3500 r.p.m.
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componentes
imanes, escobillas que van encima del conmutador, hilo de cobre, lminas
superpuestas donde va enrollado el hilo, conmutador, eje de metal donde
se coloca la bobina de hilo de cobre, carcasa donde se introducen todos
los componentes.
descripcin
el imn del motor tiene forma de media luna, hay dos imanes uno en cada
lado.
las escobillas estn colocadas en la base del motor y son de una mezcla de
grafito y cobre, hay dos una de cada polo. all es donde hay que conectar lapila.
el hilo de cobre va enrollado sobre unas laminas superpuestas en forma de
circulo dividido en tres partes. todo ello forma el rotor.
eje de metal de diferentes medidas dependiendo del motor.
la carcasa tiene forma de cilindro.
esquema de bloques de un motor dc.
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en l, introduciremos una referencia que ser el nmero de vueltas que
queremos que de nuestro motor, y lo controlaremos mediante un pi, el cual
da ms o menos tensin al motor en funcin de las necesidades.
otro diagrama en bloques
control de velocidad de un motor dc.
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conclusiones
los motores de induccin son empleados en las grandes potencias. son
motores industriales que necesitan una gran cantidad de
corriente para el arranque.
los motores de induccin llevan circuitos integrados para
regular la toma de corriente de la lnea y as no generar
bajones de intensidad de la corriente.
los motores de induccin son mas caros que los de continua, pero la
reparacin de un motor de induccin es mucho mas fcil que la del motor
de corriente continua.
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el voltaje boots es muy importante en un motor de induccin.
por lo general los motores de continua se emplean para trabajos pesados y
mas lentos que el motor de induccin.
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arranque de motores
en este este artculo se presentan los aspectos a considerar para
dimensionar adecuadamente el arranque de los motores elctricos.
desarrollo:
se denomina arranque de un motor al rgimen transitorio en el que se eleva
la velocidad del mismo desde el estado de motor detenido hasta el de
motor girando a la velocidad de rgimen permanente.
el conjunto que se pone en marcha es inercial y disipativo, incluyendo en
este ltimo concepto a las cargas tiles, pues consumen energa.
el estudio del arranque de los motores tiene una gran importancia prctica,
ya que la eleccin correcta de las caractersticas de los motores elctricos
y arrancadores a instalar estn basados en el conocimiento de las
particularidades de ste rgimen transitorio.
recordemos que el comportamiento dinmico del conjunto motor-maquina
accionada est regido por la siguiente ecuacin diferencial:
tm - tr = j . d/ dt
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donde tm es el par motor, tr el par resistente, j es el momento de inercia
del conjunto motor-maquina accionada y es la velocidad angular de dicho
conjunto.
por lo tanto, para que el conjunto comience a girar se necesita que el par
motor supere al par resistente, de manera de generar una aceleracin
angular de arranque. el proceso de arranque finaliza cuando se equilibra el
par motor con el par resistente, estabilizndose la velocidad de giro del
motor.
como la cupla motora es el producto de la corriente absorbida por el flujo
del campo magntico, adems de un factor que caracteriza al tipo de
mquina, este mayor par de arranque generalmente est asociado a una
mayor corriente de arranque, la que no debe superar determinado lmite
por el calentamiento de los conductores involucrados.
aunque se suele enfocar el diseo de estos sistemas de arranque enatencin a las corrientes y cuplas involucradas, no deben dejarse de lado
otros aspectos que tambin resultan importantes, como por ejemplo el
consumo de energa disipada en forma de calor y las perturbaciones sobre
la red de baja tensin.
estas perturbaciones incluyen principalmente las cadas de tensin (muy
notables en los elementos de iluminacin), que pueden afectar el
funcionamiento de otros elementos conectados a la misma, lo que resultacrtico en las instalaciones con muchos motores que realizan frecuentes
arranques.
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por otro lado, los dispositivos de arranque pueden ser de operacin manual
o por contactores. estos ltimos permiten efectuar el mando a distancia
del motor con cables de secciones pequeas (slo se requiere la corriente
necesaria para la bobina del contactor), lo que facilita el accionamiento y
diseo del dispositivo de control por trabajar con intensidades reducidas.
1 - arranque de motores asincrnicos con rotor en jaula
los motores de corriente alterna con rotor en jaula de ardilla se pueden
poner en marcha mediante los mtodos de arranque directo o a tensin
reducida (excluimos de esta exposicin a los motores monofsicos).
en ambos casos, la corriente de arranque generalmente resulta mayor que
la nominal, produciendo las perturbaciones comentadas en la red de
distribucin. estos inconvenientes no son tan importantes en motores
pequeos, que habitualmente pueden arrancar a tensin nominal.
por ejemplo, el cdigo municipal fija los lmites de corriente en el arranque
indicados en la tabla siguiente:
hasta 3 hp 4,0 . in
ms de 3 hasta 6 hp 3,5 . in
ms de 6 hasta 9 hp 3,1 . in
ms de 9 hasta 12 hp 2,8 . in
ms de 12 hasta 15 hp 2,5 . in
ms de 15 hasta 18 hp 2,3 . in
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ms de 18 hasta 21 hp 2,1 . in
ms de 21 hasta 24 hp 1,9 . in
ms de 24 hasta 27 hp 1,7 . in
ms de 27 hasta 30 hp 1,5 . in
ms de 30 hp 1,4 . in
la mxima cada de tensin en la red no debe superar el 15% durante el
arranque.
los circuitos con motores deben contar con interruptores que corten
todas las fases o polos simultneamente y con protecciones que corten
automticamente cuando la corriente adquiera valores peligrosos.
en los motores trifsicos debe colocarse una proteccin automtica
adicional que corte el circuito cuando falte una fase o la tensin baje de
un valor determinado.
1.1 - arranque directo de motores asincrnicos con rotor en jaula
se dice que un motor arranca en forma directa cuando a sus bornes se
aplica directamente la tensin nominal a la que debe trabajar.
si el motor arranca a plena carga, el bobinado tiende a absorber una
cantidad de corriente muy superior a la nominal, lo que hace que las lneas
de alimentacin incrementen considerablemente su carga y como
consecuencia directa se produzca una cada de tensin. la intensidad de
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corriente durante la fase de arranque puede tomar valores entre 6 a 8
veces mayores que la corriente nominal del motor. su principal ventaja es el
elevado par de arranque: 1,5 veces el nominal.
siempre que sea posible conviene arrancar los motores a plena tensin por
la gran cupla de arranque que se obtiene, pero si se tuvieran muchos
motores de media y gran potencia que paran y arrancan en forma
intermitente, se tendr un gran problema de perturbaciones en la red
elctrica.
por lo tanto, de existir algn inconveniente, se debe recurrir a alguno de
los mtodos de arranque por tensin reducida que se describen a
continuacin.
1.2 - arranque a tensin reducida de motores asincrnicos con rotor en
jaula
este mtodo se utiliza para motores que no necesiten una gran cupla de
arranque. el mtodo consiste en producir en el momento del arranque unatensin menor que la nominal en los arrollamientos del motor. al reducirse
la tensin se reduce proporcionalmente la corriente, la intensidad del
campo magntico y la cupla motriz.
entre los mtodos de arranque por tensin reducida ms utilizados
podemos mencionar el de arrancador estrella-tringulo, el de
autotransformador de arranque y el de arrancador electrnico.
1.2.1 - arranque de motores asincrnicos con rotor en jaula por
conmutacin estrella-tringulo
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el arranque estrella-tringulo es el procedimiento ms empleado para el
arranque a tensin reducida debido a que su construccin es simple, su
precio es reducido y tiene una buena confiabilidad.
el procedimiento para reducir la tensin en el arranque consiste en
conmutar las conexiones de los arrollamientos en los motores trifsicos
previstos para trabajar conectados en tringulo en la red de 3 x 380 v.
los bobinados inicialmente se conectan en estrella, o sea que reciben la
tensin de fase de 220 v, y luego se conectan en tringulo a la tensin de
lnea de 380 v; es decir que la tensin durante el arranque se reduce 1,73
veces.
por ser sta una relacin fija, y dado que la influencia de la tensin sobre la
corriente y la cupla es cuadrtica, tanto la corriente como el par de
arranque del motor se reducen en tres veces.
adems, es necesario que el motor est construdo para funcionar en
tringulo con la tensin de la lnea (380 / 660 v). si no es as, no se lo puede
conectar.
adems el estator debe tener sus seis bornes accesibles (situacin que no
se da en todos los motores, como por ejemplo en las bombas sumergibles).
para ello se abren los circuitos de las bobinas del estator y se las conecta al
conmutador. en este caso al motor ingresan 6 cables, ms el de puesta a
tierra.
la conmutacin de estrella a tringulo generalmente se hace en forma
automtica luego de transcurrido un lapso (que puede regularse) en el que
el motor alcanza determinada velocidad.
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en el caso ms simple tres contactores realizan la tarea de maniobrar el
motor, disponiendo de enclavamientos adecuados. la proteccin del motor
se hace por medio de un rel trmico. el trmico debe estar colocado en
las fases del motor. la regulacin del mismo debe hacerse a un valor queresulta de multiplicar la corriente de lnea por 0,58. la proteccin del
circuito ms adecuada tambin es el fusible.
algunas indicaciones que se deben tener en cuenta sobre el punto de
conmutacin son: el pico de corriente que toma el motor al conectar a
plena tensin (etapa de tringulo) debe ser el menor posible; por ello, la
conmutacin debe efectuarse cuando el motor est cercano a su velocidad nominal (95% de la misma), es decir cuando la corriente de
arranque baje prcticamente a su valor normal en la etapa de estrella.
asimismo, el rel de tiempo debe ajustarse para conmutar en este momento,
no antes ni mucho
despus. habitualmente, un arranque normal puede durar hasta 10
segundos, si supera los 12 segundos se debe consultar al proveedor del
equipo. si no se cumple con lo anterior, el pico de corriente que se
produce al pasar a la etapa de tringulo es muy alto, perjudicando a loscontactores, al motor y a la mquina accionada. el efecto es similar al de
un arranque directo.
finalmente digamos que el dispositivo estrella-tringulo tiene el
inconveniente de que la cupla de arranque que se obtiene a veces no es
suficiente para hacer arrancar mquinas con mucho momento de inercia,
en cuyo caso se utilizan los dos mtodos que se describen a continuacin.
ambos permiten conectar motores trifsicos con motor de jaula, los cualestraccionan, por ejemplo, bombas sumergibles.
1.2.2 - arranque de motores asincrnicos con rotor en jaula por
autotransformador de arranque
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el autotransformador de arranque es un dispositivo similar al estrella-
tringulo, salvo por el hecho de que la tensin reducida en el arranque se
logra mediante bobinas auxiliares que permiten aumentar la tensin en
forma escalonada, permitiendo un arranque suave.
su nico inconveniente es que las conmutaciones de las etapas se realizan
bruscamente, produciendo en algunas ocasiones daos perjudiciales al
sistema mecnico o a la mquina accionada. por ejemplo, desgaste
prematuro en los acoplamientos (correas, cadenas, engranajes o embragues
de acoplamiento) o en casos extremos roturas por fatiga del eje o
rodamientos del motor, producidos por los grandes esfuerzos realizados enel momento del arranque.
una variante menos usada es la conexin kusa, en la que durante el proceso
de arranque se intercala una resistencia en uno de los conductores de
lnea.
1.2.3 - arranque de motores asincrnicos con rotor en jaula por dispositivos
electrnicos
los arrancadores electrnicos son una mejor solucin que los
autotransformadores gracias a la posibilidad de su arranque suave,
permitiendo un aumento en la vida til de todas las partes involucradas.
los mismos consisten bsicamente en un convertidor esttico alterna-
continua-alterna alterna-alterna, generalmente de tiristores, que
permiten el arranque de motores de corriente alterna con aplicacin
progresiva de tensin, con la consiguiente limitacin de corriente y par de
arranque. en algunos modelos tambin se vara la frecuencia aplicada.
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al iniciar el arranque, los tiristores dejan pasar la corriente que alimenta el
motor segn la programacin realizada en el circuito de maniobra, que ir
aumentando hasta alcanzar los valores nominales de la tensin de servicio.
la posibilidad de arranque progresivo, tambin se puede utilizar para
detener el motor, de manera que vaya reduciendo la tensin hasta el
momento de la detencin
estos arrancadores ofrecen seleccin de parada suave, evitando por
ejemplo, los dainos golpes de ariete en las caeras durante la parada delas bombas; y detencin por inyeccin de corriente continua para la parada
ms rpida de las masas en movimiento.
adems poseen protecciones por asimetra, contra sobretemperatura y
sobrecarga, contra falla de tiristores, vigilancia del tiempo de arranque con
limitacin de la corriente, control de servicio con
inversin de marcha, optimizacin del factor de potencia a carga parcial,
maximizando el ahorro de energa durante el proceso y permiten un ahorro
en el mantenimiento por ausencia de partes en movimiento que sufran
desgastes.
2 - arranque de motores asincrnicos con rotor bobinado
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en un motor asincrnico, la velocidad a la que se produce la mxima cupla
es funcin de la resistencia del circuito rotrico. en particular, la mxima
cupla de arranque se tiene cuando dicha resistencia es aproximadamente
igual a la reactancia del motor.
en los motores de corriente alterna con rotor bobinado, para efectuar el
proceso de puesta en marcha se instala un restato de arranque
conectado a los anillos rozantes del motor de manera de aumentar a
voluntad la resistencia rotrica total.
en este mtodo, el motor arranca con toda la resistencia en serie con el
circuito del rotor. luego por medios manuales o automticos, en forma
continua o escalonada, se va reduciendo la resistencia a medida que la
mquina gana velocidad, hasta que en rgimen permanente el restato
queda en cortocircuito.
cabe acotar que se construyen rotores tipo jaula del tipo de ranura
profunda que producen una cupla de arranque algo similar a la de un rotor
bobinado con restato de arranque. en el momento del arranque lacirculacin de corrientes secundarias localizadas en las cercanas del
entrehierro tienen una mayor densidad de corriente, bloqueando el flujo
magntico hacia el interior del ncleo, por lo que el conjunto se comporta
como si tuviera mayor resistencia efectiva. al aumentar la velocidad,
disminuye la frecuencia secundaria y cesa ese efecto transitorio.
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3 - arranque de motores sincrnicos
una mquina sincrnica "pura" no tiene par de arranque. por lo tanto, en
general se fabrican de forma de que pueda desarrollar un suficiente par deinduccin para el arranque por medio de jaulas auxiliares, hasta una
velocidad prxima al sincronismo en la que la corriente de excitacin
desarrolle un par de sincronizacin conveniente. en algunos casos, las
corrientes parsitas en los polos proveen el par asincrnico suficiente para
el arranque, pero en otros casos debe instalarse un bobinado especial.
las formas de arranque son semejantes a las del motor asincrnico, aunque
se suele coenectar una resistencia intercalada en el bobinado de
excitacin, para evitar sobretensiones en los terminales cuando hay
movimeinto relativo entre el flujo del inducido y el bobinado del campo. si
el campo del motor es excitado por rectificadores, esta tensin inducida
podra producir una componente de continua y un par pulsatorio, que
podria causar transtornos en el arranque.
cuando se necesita un par de arranque muy elevado, los bobinados dearranque (amortiguadores) se disponen con anillos rozantes para intercalar
resistencias externas.
4 - arranque de motores de corriente continua
con los medios de rectificacin de que se dispone actualmente resultafcil y prctico la utilizacin de motores de corriente continua, debido a la
facilidad que tienen para arrancar y regular su velocidad.
en la prctica se utilzan diversos motores de corriente continua como:
-de excitacin independiente.
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-de excitacin serie / universal.
-de excitacin derivacin (shunt).
-de excitacin compuesta en conexin adicional (compound).
-de imanes permanentes.
-especiales.
dentro de los motores de excitacin independiente, serie, derivacin y
compuesta, se distinguen los siguientes bobinados cuya denominacin y e
identificacin sealamos:
ab - inducido.
gh - polos auxiliares y de compensacin.
jk - bobinado inductor independiente.
ef - bobinado inductor serie.
cd - bobinado inductor derivacin.
un motor de corriente continua queda definido por:
-red que alimenta al arrancador / variador (tensin y sistema de c.a.).
-tipo de motor en funcin de la c. c.
-potencia en kw.
-velocidad mxima en rpm.
-gama de trabajo, mnima y mxima.
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-par a transmitir, en nm.
-tensin del inducido, en v.
-tensin del inductor, en v.
-intensidad del inducido, en a.
-intensidad del inductor, en a.
-grado de proteccin ip.
-tipo de fijacin y salida del eje.
el tipo de convertidor necesario depende de la clase de servicio que se
requiera, las que pueden ser:
servicio clase i
empleo al 100% de in, sin posibilidad de sobrecarga.
servicio clase ii
empleo al 100% de in, con posibilidad de 150% de in durante 1 minuto, que
puede repetirse cada hora.
servicio clase iii
empleo al 1 00% de in, con posibilidad de 125% de in durante 2 hs. y del
200% de in durante 10 seg.
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a cada sobrecarga debe seguir el tiempo para que el motor adquiera su
temperatura de rgimen.
las caractersticas ms destacables de los motores en corriente continuason:
motor de excitacin independiente
-par de arranque muy elevado.
-fcil control de velocidad en forma automtica.
-requiere restato de arranque.
-se utiliza en motores pequeos.
motor de excitacin serie
-par de arranque muy elevado.
-difcil control de velocidad.
-requiere restato de arranque.
-se utiliza para traccin elctrica.
motor con excitacin derivacin (shunt)
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-par de arranque menor que en el motor serie.
-muy estable.
-requiere restato de arranque en el inducido.
-utilizado en mquinas herramientas.
motor con excitacin compuesta
-par de arranque ms elevado que el motor en derivacin.
-muy estable.
-requiere restato de arranque en el inducido.
-utilizado en mquinas herramientas y para traccin.
en estos motores la fem en reposo es cero, y por consiguiente, la corriente
y el par de arranque slo quedan limitados por la resistencia del circuito de
inducido.
los motores de corriente continua pueden arrancar por diferentes
procedimientos actuando sobre la tensin. los ms utilizados son elrestato de regulacin y los dispositivos electrnicos de rectificacin
controlada.
4.2 - arranque de motores de corriente continua por restatos
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los restatos se conectan en serie con el inducido, de manera de producir
una caida que disminuya la tensin efectivamente aplicada sobre el mismo.
en el caso del motor derivacin, se deduce que conservando constantes el
flujo y la tensin total, la pendiente de la caracterstica velocidad / par es
proporcional a la resistencia del circuito de inducido. aumentando esta
resistencia, la caracterstica cortar al eje de velocidad cero en un punto
de menor par (y corriente) de arranque. por su parte en el caso del motor
serie el efecto de la resistencia adicional es semejante, obtenindose un
determinado par de arranque con una sobrecorriente menor que en el
motor derivacin, lo que lo hace adecuado para aplicaciones de traccin.
4.2 - arranque de motores de corriente continua por dispositivos
electrnicos
en estos arrancadores el equipo electrnico, generalmente de tiristores,
recibe un suministro de
corriente alterna monofsica o trifsica y lo convierte en un suministro de
tensin continua variable, que permiten el arranque con aplicacin
progresiva de tensin, con la consiguiente limitacin de corriente y par de
arranque.
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motor de corriente continua
un motor de corriente continua est compuesto de un estator y un rotor.
en muchos motores c.c., generalmente los ms pequeos, el estator est
compuesto de imanes para crear un campo magntico. en motores c.c. ms
grandes este campo magntico se logra con devanados de excitacin de
campo.
el rotor es el dispositivo que gira en el centro del motor y est compuesto
de arrollados de cable conductores de corriente continua. esta corriente
continua es suministrada al rotor por medio de las "escobillas"
generalmente fabricadas de carbn.
nota: un devanado es un arrollado compuesto de cables conductores que
tiene un propsito especfico dentro de un motor
principio bsico de funcionamiento.
cuando un conductor por el que fluye una corriente continua es colocado
bajo la influencia de un campo magntico, se induce sobre l (el conductor)
una fuerza que es perpendicular tanto a las lneas de campo magnticocomo al sentido del flujo de la corriente. ver la figura.
- campo magntico en azul
- corriente continua en rojo
- direccin de la fuerza en violeta
- imanes: n (norte) y s (sur)
para que se entienda mejor, ver como se tiene que colocar este conductor
con respecto al eje de rotacin del rotor para que exista movimiento. en
este caso la corriente por el conductor fluye introducindose en elgrfico.
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- par motor en azul
- fuerza en violeta
- conductor con corriente entrante en el
grfico azul y rojo
- imanes: n (norte) y s (sur)
pero en el rotor de un motor cc no hay solamente un conductor sino
muchos. si se incluye otro conductor exactamente al otro lado del rotor ycon la corriente fluyendo en el mismo sentido, el motor no girar pues las
dos fuerzas ejercidas para el giro del motor se cancelan.
- par motor en azul
- fuerza en violeta
- conductor con corriente entrante en el
grfico azul y rojo- imanes: n (norte) y s (sur)
es por esta razn que las corrientes que circulan por conductoresopuestos deben tener sentidos de circulacin opuestos. si se hace lo
anterior el motor girar por la suma de la fuerza ejercida en los dos
conductores.
para controlar el sentido del flujo de la corriente en los conductores se
usa un conmutador que realiza la inversin del sentido de la corriente
cuando el conductor pasa por la lnea muerta del campo magntico.
la fuerza con la que el motor gira (el par motor) es proporcional a la
corriente que hay por los conductores. a mayor tensin, mayor corriente y
mayor par motor.
fuerza contraelectromotriz de un motor cc
cuando un motor de corriente continua es alimentado, el voltaje de
alimentacin se divide entre la cada que hay por la resistencia de los
arrollados del motor y una tensin denominada fuerza electromotriz
(fcem). ver el siguiente diagrama.
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- vm = tensin de entrada al motor (voltios)
- ra = resistencia del devanado de excitacin
(ohmios)
- ia = corriente de excitacin (amperios /
amperes)
- vb = fcem debido al giro del motor (voltios)
aplicando la ley de tensiones de kirchoff:
vm = vb + (ia x ra) o vb = vm - (ia x ra)
nota: observar de la ultima ecuacin que cuando sube el valor de ia,
disminuye el valor de vb.
la fcem es proporcional a la velocidad del motor y a la intensidad del campo
magntico. si el motor tiene rotor con imn permanente esta constante es:k = vb / nd.
donde:
- k = constante de fcem del motor y se expresa en voltios / rpm.
- nd = velocidad de giro del motor en rpm
nota: rpm = revoluciones por minuto
motor de corriente continua
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un motor de corriente continua est compuesto de un estator y un rotor.
en muchos motores c.c., generalmente los ms pequeos, el estator est
compuesto de imanes para crear un campo magntico. en motores c.c. ms
grandes este campo magntico se logra con devanados de excitacin de
campo.
el rotor es el dispositivo que gira en el centro del motor y est compuesto
de arrollados de cable conductores de corriente continua. esta corrientecontinua es suministrada al rotor por medio de las "escobillas"
generalmente fabricadas de carbn.
nota: un devanado es un arrollado compuesto de cables conductores que
tiene un propsito especfico dentro de un motor
principio bsico de funcionamiento.
cuando un conductor por el que fluye una corriente continua es colocado
bajo la influencia de un campo magntico, se induce sobre l (el conductor)
una fuerza que es perpendicular tanto a las lneas de campo magntico
como al sentido del flujo de la corriente. ver la figura.
- campo magntico en azul
- corriente continua en rojo
- direccin de la fuerza en violeta
- imanes: n (norte) y s (sur)
para que se entienda mejor, ver como se tiene que colocar este conductorcon respecto al eje de rotacin del rotor para que exista movimiento. en
este caso la corriente por el conductor fluye introducindose en el
grfico.
- par motor en azul
- fuerza en violeta
- conductor con corriente entrante en el
grfico azul y rojo- imanes: n (norte) y s (sur)
pero en el rotor de un motor cc no hay solamente un conductor sino
muchos. si se incluye otro conductor exactamente al otro lado del rotor y
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con la corriente fluyendo en el mismo sentido, el motor no girar pues las
dos fuerzas ejercidas para el giro del motor se cancelan.
- par motor en azul
- fuerza en violeta
- conductor con corriente entrante en el grfico azul y rojo
- imanes: n (norte) y s (sur)
es por esta razn que las corrientes que circulan por conductores
opuestos deben tener sentidos de circulacin opuestos. si se hace lo
anterior el motor girar por la suma de la fuerza ejercida en los dos
conductores.
para controlar el sentido del flujo de la corriente en los conductores seusa un conmutador que realiza la inversin del sentido de la corriente
cuando el conductor pasa por la lnea muerta del campo magntico.
la fuerza con la que el motor gira (el par motor) es proporcional a la
corriente que hay por los conductores. a mayor tensin, mayor corriente y
mayor par motor.
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