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MOTORES ELECTRICOS DE CORRIENTE ALTERNA

MANUAL DEL ALUMNO

Manual Motores C.A.

Ing. Jesús Castañeda

2007

INDICE Introducción Capitulo 1 Motores de Inducción de corriente Alterna Monofasicos Principios básicos La corriente alterna y la corriente directa Clasificación de los motores eléctricos El motor de inducción monofasico rotor jaula de ardilla Parte del motor monofasico Propulsión magnética Arranque de los motores monofasicos Motor de fase partida Motor con condensador de arranque Motor con capacitor permanente Motor con capacitor de arranque y permanente Motor de polos sombreados

6 8 10 10 11 14 16 16 18 20 21 23

Capitulo 2 Motores de Inducción de Corriente Alterna Trifásicos Introducción Leyes fundamentales Construcción del motor trifásico Rotor devanado Rotor jaula de ardilla Rotor doble jaula de ardilla Rotor de ranuras profundas El campo magnético giratorio El concepto de deslizamiento Frecuencia eléctrica del rotor Velocidades nominales en los motores Efectos de la variación del voltaje en el motor Motores conectados a la red eléctrica Producción de par motor Potencia de accionamiento El factor de potencia Circuito equivalente de parámetros Determinación de parámetros pruebas de vació y rotor bloqueado Terminales de los motores según la NEMA Construcción de devanados trifásicos Funcionamiento del motor desde vació hasta la plena carga Arranque de motores trifásicos Aceleración de la carga

26 26 26 28 28 29 29 30 32 33 33 34 36 37 40 41 42 42 45 49 53 55 58

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Eficiencia de los motores Naturaleza de las perdidas Motores de alta eficiencia Administración de la demanda Recomendaciones generales para el ahorro de la energía Motores de corriente continua Motores sincrónicos Como seleccionar un motor eléctrico

2007 59 60 65 66 67 71 71 72

Capitulo 3 Mantenimiento a Motores Eléctricos Objetivo general Fundamento de la organización del mantenimiento Localización y análisis de averiad eléctricas Reparación de elementos eléctricos Mantenimiento de maquinas rotativas Puesta a punto y verificación de sistemas electromecánicos Reparar sistemas electromecánicos Fallas mas comunes en los motores eléctricos Cuidado con las reparaciones Ejemplo de un programa de mantenimiento

74 74 76 78 80 83 85 89 92 92

Anexo 1 Anexo 2

98 114

Placa de Datos Secretaria de Energía Norma Oficial Mexicana NOM-014-ENER-1997

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Introducción. En este manual se quiere llevar a las personas por las sendas de los conceptos acerca de los diferentes tipos de motores, sus diferencias y sus usos originales. Nos recuerda las propiedades de cada uno y precisa la clase de servicio que pueden ofrecernos. Para finalizar clasificando los tipos de averías que pueden presentar y la forma como debemos identificarlas. En ocasiones, la rutina no aleja del rigor técnico. Por eso, es necesario volver, de vez en cuando, al concepto teórico; fuente segura de conocimientos básicos para la manipulación de los equipos, cuyo mejor aprovechamiento debemos garantizar. Hablemos pues de motores, desde el ABC. El motor mismo es el fundamento de toda industria y sus principios básicos nos acercan al origen de todo movimiento, fuerza y velocidad.

Objetivo General Estudiar teóricamente las aplicaciones que tienen los principales motores eléctricos y algunas de las fallas que en ellos se presentan.

Objetivos Específicos •

Conocer los principales tipos de motores, así como los principios básicos de funcionamiento.

•

Analizar las aplicaciones que tienen los motores eléctricos.

•

Definir algunas de las fallas que se presentan en los motores eléctricos.

•

Establecer programas de mantenimiento a sistemas electromecanicos

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CAPITULO 1

MOTORES DE INDUCCION DE CORRIENTE ALTERNA MONOFASICOS 5

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PRINCIPIOS BASICOS

EL MOTOR ELÉCTRICO Es un dispositivo simple en principio

CONVIERTE ENERGÍA ELÉCTRICA

ENERGÍA MECÁNICA

ENERGÍA MAGNETICA

Se ha dicho que si los antiguos ROMANOS, con su civilización y conocimiento avanzados de las ciencias, hubieran podido desarrollar el MOTOR DE VAPOR, el curso de la historia habría sido diferente. El desarrollo del MOTOR ELÉCTRICO en épocas modernas ha indicado la verdad en esta teoría La relación entre el magnetismo y la electricidad fue descubierta en 1819 cuando, el científico Danés HANS OERSTED encontró que la corriente eléctrica que circula por un alambre desvía la aguja de una brújula cercana Poco tiempo después, ANDRÉ AMPERE obtuvo las leyes cuantitativas de la fuerza magnética entre conductores que llevan corrientes eléctricas. En la década de 1820, se demostraron varias conexiones entre la electricidad y el magnetismo por FARADAY e independientemente por JOSEPH HENRY. Años después, el trabajo teórico realizado por MAXWELL mostró que un campo eléctrico variable da lugar a un campo magnético. El desarrollo del MOTOR ELÉCTRICO nos ha dado los medios más eficientes y más eficaces para realizar un trabajo Con el MOTOR ELÉCTRICO hemos podido reducir notablemente el trabajo que realiza el hombre para su supervivencia, además, hemos podido construir una civilización que en los últimos cien años ha avanzado mas que en miles de años atrás.

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Al paso de los años, los MOTORES ELÉCTRICOS han cambiado substancialmente en DISEÑO no obstante los PRINCIPIOS BÁSICOS de operación han seguido siendo los mismos desde su invención. La clave es establecer suficiente energía de campo magnético CIRCULACIÓN DE CORRIENTE ELÉCTRICA en los devanados

mediante la

Todos sabemos que un IMÁN permanente ATRAERÁ objetos de METAL cuando el objeto está cerca o en de contacto con dicho el imán. El imán puede hacer esta función debido a su fuerza magnética inherente, llamada “CAMPO MAGNETICO" El CAMPO MAGNETICO de dos imanes permanentes es representado por las "LÍNEAS DEL FLUJO" Estas líneas del flujo nos ayudan a VISUALIZAR el campo magnético de cualquier imán aunque representan solamente FENÓMENOS INVISIBLES Un CAMPO MAGNÉTICO similar, se produce alrededor de un CONDUCTOR ELÉCTRICO, cuando circula corriente eléctrica a través de él. Cuando el conductor forma una BOBINA todas las líneas individuales del flujo producidas por cada sección del alambre forman un gran CAMPO MAGNÉTICO alrededor de la bobina.

Los polos de una bobina electromagnética cambian cuando la Dirección del flujo actual cambia

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La Corriente Alterna (CA) y La Corriente Directa (CD) ¿Cómo es que cuando se invierte la corriente en la bobina puede cambiar la polaridad de las mismas?. Como usted sabe, la diferencia entre la Corriente Directa (CD) y la Corriente Alterna (CA) es que con la CD la corriente fluye solamente en una dirección, mientras que con la CA la dirección del flujo de corriente actual cambia periódicamente de dirección. En el caso de la CA común que se utiliza a través del pais, el flujo cambia de dirección 60 veces por segundo. Esta corriente se refiere a la “CA de 60 ciclos" o "CA de 60 Hertz" en honor del Sr. Hertz que fue la primera persona que concibió el concepto de la corriente alterna. Otra característica del flujo de corriente es que puede variar en cantidad, es decir, podemos tener una corriente de 5, 10 ó 100 Amperes, por ejemplo. Con la CD absoluta, esto significa que el flujo actual sería de 5, 10 ó 100 Amperes continuos véase Figura siguiente.

Con la CA es diferente. Como usted puede imagínese, sería bastante difícil que la corriente fluya de desde el punto de vista de 100 amperes en una dirección positiva e inmediatamente después esté fluyendo con dirección negativa de igual intensidad. En lugar de eso, como la corriente se alista para cambiar de direcciones, primero disminuye hasta que alcanza el flujo cero y después se acumula gradualmente en la otra dirección. Observe que el flujo actual máximo (los picos de la línea) en cada dirección es más que el valor especificado (100 Amperes). Por lo tanto, el valor especificado se da como valor promedio. Realmente se llama "raíz cuadrada media", es importante en nuestro estudio de motores, el darse cuenta de que la fuerza del campo magnético producido por una bobina electromagnética de CA, aumenta y disminuye con el incremento y disminución del flujo de corriente alterna.

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CLASIFICACION DE LOS MOTORES ELECTRICOS MOTORES ELECTRICOS CORRIENTE ALTERNA

SINCRONOS

MONOFASICOS

TRIFASICOS

CORRIENTE DIRECTA

ASINCRONOS

SHUNT

MONOFASICOS JAULA ARDILLA

SERIE O UNIVERSAL

FASE PARTIDA

COMPOUND

CAPACITOR ARRANQUE

BRUSHLESS

CAPACITOR PERMANENTE

STEPING

POLOS SOMBREADOS

TRIFASICOS

ROTOR JAULA ARDILLA

ROTOR DEVANADO

El motor monofásico de corriente alterna de inducción asíncrono rotor jaula de ardilla El MOTOR DE INDUCCIÓN es el más comúnmente empleado en CORRIENTE ALTERNA debido a su sencillez, a su construcción sólida y a su bajo costo de mantenimiento En el hogar y talleres pequeños, la mayoría de los aparatos que usamos diariamente se encuentran construidos con motores de inducción monofásicos de corriente alterna. Como por ejemplo las lavadoras, refrigeradores, aires lavados, abanicos de pedestal, bombas, relojes, sacapuntas eléctricos, abrelatas eléctricos, etc. Es por esto la gran importancia que tienen estos motores en nuestra vida diaria.

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Partes Del Motor Eléctrico El motor de CA tiene dos partes eléctricas básicas: un “ESTATOR" y un “ROTOR" como se muestra en la Figura

El ESTATOR es la parte FIJA. Consiste en un grupo de electroimanes individuales dispuestos de una manera tal que formen un cilindro hueco, formando polos (NORTE - SUR) hacia el centro del grupo

El ROTOR es el componente eléctrico ROTATIVO, el cual consiste en un grupo barras conductoras dispuestos alrededor de un cilindro

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Un motor de inducción monofásico, como su nombre lo indica, tiene un embobinado monofásico en el estator. El principio en que se funda el motor monofásico de inducción es el de proveer al estator de dos devanados, que en la practica se denominan DEVANADO PRINCIPAL Y DEVANADO AUXILIAR DE ARRANQUE. En donde el devanado auxiliar solo se emplea para el arranque del motor y debe de ser desconectado cuando el motor alcance aproximadamente entre el 70% y el 80 % de la velocidad nominal. Los Devanados de Trabajo y de Arranque Auxiliar se encuentran dentro del estator desfasados entre sí un ángulo de 90 grados con el objeto de que la corriente se desplace los mismo 90 grados con la relación de uno a otro devanado. Toman el nombre de MOTORES DE INDUCCIÓN, las maquinas de corriente alterna que verifican su movimiento de rotación por la influencia de la corriente y voltaje que sé induce en el rotor. El principio de funcionamiento del motor de INDUCCION es similar al de un transformador en donde el: o PRIMARIO ES EL ESTATOR ( lado que se alimenta) o SECUNDARIO ES EL ROTOR ( donde se induce voltaje)

Se les llama motores ASINCRONOS debido a que su velocidad en la flecha del rotor (nR) varía con la carga aplicada en la misma flecha es decir la velocidad de trabajo es variable y siempre será menor a la velocidad SINCRONICA

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ns =

120 x F

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ns= Velocidad Sincrónica F = Frecuencia P = Numero de Polos

P Los motores monofásicos NUNCA podrán trabajar a la velocidad sincrónica ya que a esa velocidad, el motor no desarrolla par motriz. Realmente la velocidad sincrónica se refiere a la velocidad del campo magnético producido en el estator. Ejemplos de velocidades sincrónicas para algunos motores trabajando a una frecuencia de 60Hz. Polos Ns 2 3600 rpm 4 1800 rpm 6 1200 rpm 8 900 rpm 10 720 rpm Se les llama motores MONOFASICOS ya que su funcionamiento es a dos líneas de voltaje con magnitudes de voltajes en el orden de 110, 115,127, 208 y 220 Volts.

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Rotor Jaula De Ardilla Es un tipo de rotor que no utiliza bobinado de alambre, en su lugar se utilizan barras de aluminio cortocircuitadas en sus extremos asemejando a la jaula donde juegan las ardillas.

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Propulsión magnética del motor El principio de operación de los motores se puede demostrar fácilmente usando dos electroimanes y un imán permanente. La corriente se pasa a través de la bobina No. 1 en dirección al polo Norte establecido y a través de la bobina No. 2 en dirección al polo Sur. Un imán permanente con un polo Norte y Sur es la pieza móvil de este motor simple. En la figura A, siguiente el polo Norte del imán permanente está enfrente del polo Norte del electroimán. De manera semejante, los polos Sur están uno enfrente del otro. Como los polos magnéticos iguales se rechazan, empieza a girar el imán permanente. Cuando la fuerza de atracción entre los polos opuestos llega a ser lo suficientemente fuerte, el imán gira permanente. El imán rotativo continúa cambiando de dirección hasta que los polos opuestos se alinean. En este punto el rotor normalmente se detendría por la atracción entre los polos diferentes Figura B. Sí la dirección de corrientes en las bobinas electromagnéticas fue invertida repentinamente, por consiguiente se invierte la polaridad de las dos bobinas, entonces, los polos otra vez sería opuestos y se repelerían entre ellos Figura C. Por lo tanto, el imán permanente continuaría rotando. Si la dirección actual en las bobinas electromagnéticas fuera cambiada todo el tiempo, el imán daría vuelta 180 grados a medio camino, entonces el imán continuaría rotando. Este dispositivo sencillo es un motor en su forma más simple. Un motor real es más complejo, sin embargo, el principio es igual.

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Propulsión magnética del motor

el voltaje se induce en el rotor, dando por resultado flujo actual en los conductores del rotor

Arranque de Los Motores Monofásicos de Inducción Con el rotor estacionario, si se aplica un voltaje monofásico al estator, se encuentra que el rotor no gira. Sin embargo, si recibe de algún modo un par inicial y se hace girar, empieza a caminar y continúa su giro. También se encuentra que el rotor puede girar en cualquier dirección tan solo cambiando la dirección del par inicial. De estas observaciones parecerá que el motor de inducción monofásico no 16

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desarrolla ningún par estando parado y consecuentemente no tiene un arranque propio, sin embargo, una vez que la rotación se ha iniciado desarrolla un par que lo mantiene girando. Se tiene entendido que los motores monofásicos no cuentan con arranque propio, por lo que tienen que ser arrancados mediante algún dispositivo adicional. Los motores se clasifican según su tipo de arranque de la siguiente manera:

1. - Motores de fase partida 2. - Motores con condensador de arranque 3.- Motores con condensador permanente 4.- Motores con condensador de arranque y condensador permanente 5.- Motores Universales 6.- Motores con polos sombreados

El Motor De Fase Partida El devanado de arranque cuenta con dos tipos de devanados el de TRABAJO Y EL DE ARRANQUE AUXILIAR, los cuales están colocados a 900 grados eléctricos entre sí, el devanado de arranque auxiliar sé desconecta por medio de un interruptor centrifugo, el cual sé desconectara a la velocidad especificada a que a sido diseñado el dispositivo, generalmente entre el 70 y el 80% de la velocidad nominal. El devanado auxiliar de arranque se debe de diseñar con mas resistencia que el de devanado de trabajo con él propósito de que la corriente del devanado auxiliar de arranque deba de estar adelantada con respecto al del devanado de trabajo, esto se logra usando un alambre de menos sección y de menor calibre el cual se usa solo, para el arranque, el capacitor usado es electrolítico, que es relativamente barato.

La rotación del motor se puede determinar según como este colocado los campos magnéticos del devanado auxiliar si esta adelantado 90 grados adelante o atrás del devanado del trabajo. El cambio de giro se realiza intercambiando las conexiones del devanado de arranque y manteniendo sin cambio el devanado de trabajo.

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En el extremo del eje hay instalado un contacto centrífugo para el Proceso de arranque.

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Estator en donde se aprecia el devanado de trabajo (alambre grueso) y el devanado de arranque (alambre delgado) desfasados 90 grados eléctricos

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Laminas del núcleo del rotor

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Laminas del núcleo del estator Devanado de Arranque

Devanado de Trabajo

Carcasa

Maqueta de motor monofásico ubicada en el laboratorio

Motores con Condensadores de Arranque El arranque con condensador se refiere a que se le coloca un condensador en el devanado auxiliar en serie con este, el cual puede igualar el desarrollo de las fuerzas magnetomotriz de la corrientes en ambos devanados y con esto se puede adelantar al devanado auxiliar de arranque 90 grados del devanado de trabajo en sus corrientes el cual genera un campo magnético simple uniforme y giratorio que se tendrá un comportamiento similar al de un motor que estuviera alimentado de una fuente trifásica, en el cual los pares de arranque son muy altos.

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Motores con Condensador Permante En este tipo de motores el arrollamiento de arranque y el condensador están diseñados para funcionamiento permanente, proporcionando un motor bifásico desequilibrado. Para un funcionamiento satisfactorio en marcha se necesita únicamente una pequeña capacidad. Por ejemplo, para 110 volts el condensador de un motor de 1 de HP es 3 µf. , de un motor de 1 de HP 8µf. , de un motor de 20 8 1 HP 15 µf. Esta es mucho menor que la capacidad necesaria para alto par motor 2 de arranque (véase “Motor de condensador de arranque”). No obstante, el motor de fase auxiliar con condensador permanente utiliza el mismo condensador para el arranque y la marcha y, por lo tanto, tiene un par motor de arranque pequeño de alrededor de 35 a 50% del par motor nominal, ya que el condensador electrolítico no puede utilizarse para funcionamiento continuo, debe utilizarse para este tipo de motor el condensador de papel de plomo aislado con aceite o pyranol más caro.

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Motor con Condensador de Arranque y Permanente. Para que el motor bifásico sea capaz de desarrollar un alto par de arranque y que al mismo tiempo tenga un funcionamiento satisfactorio en marcha, es necesario utilizar valores diferentes de capacidad para el arranque y la marcha. Esto puede llevarse a cabo ya sea utilizando dos condensadores, un condensador electrolítico para el arranque y un condensador de aceite para la marcha, o bien utilizando un simple condensador de aceite en conexión con un autotransformador.

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Diagrama eléctrico y curva par-velocidad de un motor de inducción con capacitor de arranque y permanente El motor de fase auxiliar con condensador permanente y el motor con condensador de arranque y permanente ofrece ventajas en comparación con el motor de fase auxiliar y el motor con condensador de arranque, que son motores monofásicos puros. Los últimos motores producen un par motor pulsante en vibración y ruido. Los motores de fase auxiliar con condensador permanente y el motor con condensador de arranque y permanente desarrollan un par motor más uniforme y son, por lo tanto, más silenciosos que lo motores monofásicos puros.

Motores de Polos Sombreados Los motores de los polos sombreados son muy diferentes a los motores que tienen un devanado auxiliar de arranque con condensador, este motor tiene un devanado principal que tiene dos polos salientes a los cuales los rodea una bobina o anillo en cortocircuito llamado bobina de sombra. El devanado principal con su bobina sombreada cortocircuitada ver producen un flujo en los polos variante con el tiempo y cuando esto sucede induce en la bobina sombreada, un voltaje y una corriente que se opone al cambio del flujo

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original, el cual produce un ligero desbalance entre los dos campos magnéticos del estator que gira en dirección opuesta la cual la dirección va a lado del polo a que no esta sombreada a la que esta sombreada, en cambio en par velocidad.

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Características de un motor de polos sombreados: • • • •

Voltaje: 100-240V AC (50/60Hz) Velocidad: 3,400 rpm max Clase de aislamiento: A, E, B Aplicaciones: Bombas aire/agua, Abanicos, oven fan, Humidificadores, sacapuntas abrelatas, purificadores de aire, abanicos para cocina

Calculo En Motores Monofasicos Rendimiento Motor

Donde:

P. Abs = Potencia absorbida P. Útil = Potencia útil = Rendimiento

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Corriente absorbida por el motor

Donde:

= Factor de potencia = Rendimiento U = Tensión en Voltios ( V ) P = Potencia activa en Vatios ( W ) I = Intensidad en Amperios ( A )

Par nominal del motor

Donde:

n = Velocidad de giro en revoluciones por minuto ( r.p.m. ) = Potencia nominal en Kilovatios ( KW ) M = Par nominal en Kilogramos-metro ( Kgm )

Condensador para motor monofásico con bobinado auxiliar de arranque

Donde: = Factor de potencia U = Tensión en Voltios ( V ) P = Potencia del motor en Kilovatios ( KW ) C = Capacidad

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