Motores electricos guia 1 basico

ETR Rómulo Gallegos. San Felipe Taller de Electricidad 2
MOTORES ELÉCTRICOS
Primera Parte: Aspectos básicos.
Introducción.
Con esta iniciamos una serie de guías teórico-practicas para que sirvan de apoyo a
los docentes y alumnos del área eléctrica de la institución. El tratamiento de los
temas se abordará de una forma muy operativa, dejando a los alumnos la
oportunidad de ahondar en los excelentes textos disponibles en físico o en la red.
Trataremos, sobre todo en la parte práctica, de enfocarnos en el material didáctico
(paneles, módulos, motores, controladores) disponibles en la institución, de manera
que a este se le saque todo el provecho posible, en una forma segura.
En la presente guía iniciaremos el estudio de motores eléctricos, centrándonos en
los motores eléctricos trifásicos, por ser estos, con mucho, los más utilizados en los
ambientes industriales.
Definición:
Un motor eléctrico es esencialmente una máquina que convierte energía eléctrica
en movimiento o trabajo mecánico, a través de medios electromagnéticos.
Importancia.
El fin último de un motor eléctrico es realizar algún tipo de trabajo útil, partiendo de
la energía eléctrica.
El progreso de la civilización actual esta asentado fuertemente en la utilización de
motores eléctricos, desde aplicaciones caseras (licuadoras, ventiladores, etc) hasta
grandes industrias manufactureras (siderúrgica, automotriz, alimentos, etc) pasando
por diversas aplicaciones como la informática (discos duros), entretenimientos
(carruseles) y un largo etc., etc.
Un profesional que se dedique a la instalación y mantenimiento de motores
eléctricos tendrá trabajo seguro para toda su vida, si lo hace con dedicación y
responsabilidad.
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Preparado por: Prof. José L. Vásquez Abril 2013
Energía
Mecánica
Energía
Magnética
Fuente de energía
Eléctrica
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Clasificación general de los motores eléctricos
Debido a que son muchos y variados los tipos de motores eléctricos, existen
numerosas formas de catalogarlos. A continuación se muestran algunas de las
formas más usuales.
Clasificación por:
• Su alimentación eléctrica.
• El número de fases en su alimentación
• Su sentido de giro.
• Su ventilación.
• La Carcasa
• La forma de sujeción
• Su potencia
• El tipo de rotor
Clasificación por su alimentación eléctrica
Motores
eléctricos
Corriente Directa – La fuente de alimentación es continua
Corriente Alterna – Se alimenta con fuentes alternas
Universal – Pueden utilizar fuentes de CC o de CA
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Clasificación por el número de fases en su alimentación
Motores
Eléctricos
Monofásico – 1 Fase
Bifásico – 2 Fases
Trifásico – 3 fases
Rotor devanado
Jaula de ardilla
Fase partida
Fase partida con condensador
Polo de sombra
de trabajo
Jaula de ardilla
Rotor devanado
Jaula de ardilla
Rotor devanado
Clasificación por su sentido de giro
Motores
eléctricos
Sentido horario
Sentido anti – horario
4
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Clasificación por su ventilación
Motores
eléctricos
Sin ventilación (ventilación natural)
Ventilación forzada (los ventila otro motor)
Autoventilados – tienen el ventilador en su rotor
Clasificación por su carcasa
Motores
eléctricos
Cerrados
Abiertos
A prueba de goteos (chorro de agua)
A prueba de explosión
Sumergibles
Clasificación por la forma de sujeción
Motores
eléctricos
Brida lateral
Brida frontal
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Partes fundamentales de un motor eléctrico
Estos se hallan formados por varios elementos. Sus partes principales son: el
estator, la carcasa, la base, el rotor, la caja de conexiones, las tapas y los cojinetes
[véase figura 1]. No obstante, un motor puede funcionar solo con el estator y el
rotor.
Estator
El estator es el elemento que opera como base, permitiendo que desde ese punto
se lleve a cabo la rotación del motor. El estator no se mueve mecánicamente, pero
sí magnéticamente. Existen dos tipos de estatores [ver figura 2]:
a) Estator de polos salientes
b) Estator ranurado
El estator está constituido principalmente de un conjunto de láminas de acero al
silicio (y se les llama “paquete”), que tienen la habilidad de permitir que pase a
través de ellas el flujo magnético con facilidad; la parte metálica del estator y los
devanados proveen los polos magnéticos.
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Los polos de un motor siempre son pares (pueden ser 2, 4, 6, 8, 10, etc.,), por ello el
mínimo de polos que puede tener un motor para funcionar es dos (un norte y un
sur).
Rotor
El rotor es el elemento de transferencia mecánica, ya que de él depende la
conversión de energía eléctrica a mecánica. Los rotores, son un conjunto de láminas
de acero al silicio que forman un paquete, y pueden ser básicamente de tres tipos
[figura 3]:
a) Rotor ranurado
b) Rotor de polos salientes
c) Rotor jaula de ardilla
Carcasa
La carcasa es la parte que protege y cubre al estator y al rotor. El material
empleado para su fabricación depende del tipo de motor, de su diseño y su
aplicación. Así pues, la carcasa puede ser:
a) Totalmente cerrada b) Abierta c) A prueba de goteo d) prueba de explosiones e)
Sumergible
Base
La base es el elemento en donde se soporta toda la fuerza mecánica de operación
del motor, puede ser de dos tipos:
a) Base frontal b) Base lateral
Caja de conexiones (Bornera)
Por lo general, en la mayoría de los casos los motores eléctricos cuentan con caja
de conexiones. La caja de conexiones es un elemento que protege a los
conductores que alimentan al motor, resguardándolos de la operación mecánica del
mismo, y contra cualquier elemento que pudiera dañarlos.
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Tapas
Son los elementos que van a sostener en la gran mayoría de los casos a los
cojinetes o rodamientos que soportan la acción del rotor.
Cojinetes
También conocidos como rodamientos o balero, contribuyen a la óptima operación
de las partes giratorias del motor. Se utilizan para sostener y fijar ejes mecánicos, y
para reducir la fricción, lo que contribuye a lograr que se consuma menos potencia.
Los cojinetes pueden dividirse en dos clases generales:
a) Cojinetes de deslizamiento o bujes [ver figura 4].- Operan el base al principio de
la película de aceite, esto es, que existe una delgada capa de lubricante entre
la barra del eje y la superficie de apoyo. Se utiliza solo en motores de baja
potencia.
b) Cojinetes de rodamiento [véase figura 5].- Se utilizan con preferencia en vez de
los cojinetes de deslizamiento por varias razones:
• Tienen un menor coeficiente de fricción, especialmente en el
arranque.
• Son compactos en su diseño
• Tienen una alta precisión de operación.
• No se desgastan tanto como los cojinetes de tipo deslizante.
• Se remplazan fácilmente debido a sus tamaños estándares
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Motores de CA trifásicos
Los motores trifásicos usualmente son más utilizados en la industria, ya que tienen
un mayor rendimiento y menor volumen en relación a uno monofásico. Además, el
sentido de la rotación del campo en un motor trifásico puede cambiarse fácilmente,
invirtiendo dos puntas cualesquiera del estator, lo cual desplaza las fases, de
manera que el campo magnético gira en dirección opuesta.
Constitución del motor trifásico
A nivel constructivo, un motor trifásico consta de una parte fija y una parte móvil,
cuyos componentes elementales destacamos en la figura.
El circuito magnético del motor consta de una parte fija, otra móvil y el espacio
entre ambas o entrehierro.
La parte fija o estator consiste en un anillo cilíndrico compuesto por chapas
magnéticas prensadas y ajustado a presión en la carcasa. En la superficie interna
del anillo están las ranuras que alojan los devanados. El circuito eléctrico del estator
consiste en tres devanados independientes alojados en sus correspondientes
ranuras
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La parte giratoria o rotor puede girar concéntrica al estator y consiste en un cilindro
formado también por chapas magnéticas prensadas con ranuras en su periferia.
Entre los tipos más utilizados se distinguen:
• Rotor en jaula de ardilla (rotor en cortocircuito)
• Rotor bobinado (rotor de anillos)
Funcionamiento de un motor trifásico
Los motores 3ph funcionan en base al principio de un campo magnético rotatorio.
Para facilitar nuestro entendimiento imaginemos que el motor es una especie de
transformador, cuyo circuito de entrada es el estator y el de salida el rotor.
Cuando alimentamos el estator se crea un campo magnético que induce voltajes y
corrientes en el rotor, creando allí un campo magnético inducido.
Ahora bien resulta que el campo magnético primario (en el estator) es rotativo, es
decir que esta girando constantemente.
Este fenómeno se produce debido a dos factores: Los tres voltajes de potencia que
varían en el tiempo desfasadas 120° eléctricos entre si, las cuales producen tres
campos magnéticos variables en el tiempo. A su vez, debido a la ubicación física de
las bobinas en el estator, estos tres campos se suman resultando un campo total
que gira. A su vez el campo giratorio crea un campo inducido en el rotor, que según
la Ley de Lenz se opone al primero, lo cual produce una fuerza de arrastre entre
ambos. Como el estator esta fijo no se ve afectado, pero el rotor si, el cual empieza
a girar es decir sigue al campo del estator. En la figura que siguen se muestra
esquemáticamente este fenómeno.
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La velocidad de giro depende del número de polos y de la frecuencia de la red y
viene dada por:
F = Frecuencia de la corriente alterna (50Hz o 60Hz)
F x T T = Tiempo en segundos (60 segundos)
RPM = ----------- pp = Pares de polo (todo motor tiene un mínimo de un par de
polos,
Pp un norte y un sur)
RPM = Revoluciones por minuto
En Venezuela ( y en prácticamente todo el hemisferio occidental) se utiliza un
régimen de 60Hz, por lo cual la fórmula la expresamos como:
N = 120 x 60 / p N: Velocidad en RPM p: Numero de polos
Ejercicio: Elabora una tabla de velocidades para motores de 2, 4, 6, 8
polos
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Nótese que en la figura siempre
aparecen dos campos y no tres, esto
porque en cada etapa que se
representa solo hay dos campos
activos y el tercero esta nulo en ese
instante, dado que el voltaje
correspondiente esta en un valor
CERO.
Esto se hace para darle mayor
claridad a la figura.
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A la velocidad anterior se le conoce como “síncrona” y es la máxima que se
puede obtener, normalmente en vacío. A medida que aumenta la carga, la
velocidad tiende a disminuir y a este fenómeno se le conoce como
DESLIZAMIENTO.
Deslizamiento.
El deslizamiento es la diferencia entre la velocidad de operación y la velocidad
síncrona.
Cuando es absoluto se da en RPM y cuando es relativo, en %.
Sa = N – Nt Nt: Velocidad de operación en carga
Sa: Deslizamiento absoluto
Sp = (N – Nt / N)x100 Sp: Deslizamiento porcentual.
Ejercicios propuestos. Un motor de 6 polos gira a 1150 RPM. Calcular Sa y Sp.
Un motor gira a 890RPM. Estime el número de polos, Sa y Sp.
Tipos de motores trifásicos.
Los motores trifásicos se usan para accionar máquinas-herramientas, bombas,
elevadores, ventiladores, sopladores y muchas otras máquinas. Básicamente están
construidos de tres partes esenciales: Estator, rotor y tapas. El estator consiste de
un marco o carcasa y un núcleo laminado de acero al silicio, así como un devanado
formado por bobinas individuales colocadas en sus ranuras. Básicamente son de dos
tipos:
• De jaula de ardilla.
• De rotor devanado
El de jaula de ardilla es el más usado y recibe este nombre debido a que parece una
jaula de ardilla de aluminio fundido. Ambos tipos de rotores contienen un núcleo
laminado en contacto sobre el eje. El motor tiene tapas en ambos lados, sobre las
cuales se encuentran montados los rodamientos sobre los que rueda el rotor. Estas
tapas se fijan a la carcasa en ambos extremos por medio de tomillos de sujeción.
Los rodamientos o chumaceras pueden ser de rodillos o de deslizamiento.
Alimentación de un motor trifásico
Existen dos posibilidades de conectar el estator de un motor trifásico a una red
trifásica:
En conexión triángulo, si disponemos de una red trifásica cuyo valor nominal
coincide con la máxima tensión que pueden soportar las bobinas del motor.
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En conexión estrella, si la tensión de la red es √3 veces superior a la tensión que
soportan las bobinas del motor.
Representamos ambas conexiones en la siguiente figura, junto a cada una de ellas
colocamos la disposición gráfica que justifica su nombre.
Por este motivo casi todo motor trifásico tiene siempre dos tensiones de
alimentación en su placa de características. Por ejemplo, 220 V/380 V o 380/ 660 V.
Debemos tener muy en cuenta que la tensión nominal del motor es la menor de
ellas, pero que existe la posibilidad de conectarlo a una red de tensión √3 veces
mayor, conectándolo en estrella.
Para realizar fácilmente uno u otro conexionado, se disponen los seis bornes de los
devanados en posición alternada, como mostramos en la caja de bornes de la
siguiente figura. Con unas simples platinas metálicas se puede realizar los puentes
indicados.
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Aquí se esta utilizando la norma
DIN o Europea, para la
identificación de los bornes
Asignación:
Repita los esquemas utilizando las
normas NEMA o americana, para
identificar los bornes
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En las conexiones anteriores nos limitamos a motores de seis puntas, los cuales son
muy utilizados, pero existen motores de tres, seis, nueve, doce y más puntas, con
los cuales se pueden hacer una amplia variedad de conexiones para adaptarlos a
diferentes niveles de tensión de alimentación. Esto se ampliará en la Guía N° 5.
Asignación:
Investigue la conexión de motores de 9 y 12 puntas. Elabore un resumen con los
esquemas para conexiones en estrella serie y paralelo y triangulo serie y paralelo.
Ejercicio:
Partiendo que se tiene un motor de doce puntas que soporta 110 V y 10 A por cada
bobina (fase), elabore una tabla con todos los voltajes y corrientes que se pueden
utilizar con este motor, para todas las conexiones posibles.
Ejercicio: Se tiene un motor de 9 puntas con conexión estrella interna, en el cual
cada fase soporta 200 V y 12 A. A su vez se tienen tres sistemas trifásicos a saber
de:
230V – 30 A 180 V – 20A 240 – 15 A (valores de línea)
Indique a cuales sistemas y en cual forma se puede conectar este motor.
Recomendación: Revisar la guía N° 5, de esta serie.
En la próxima parte de esta guía abordaremos temas más específicos y prácticos en
relación a motores de CA trifásicos, como valores de placa: voltajes, corrientes,
potencias, torques nominales. Grados de protección, tipos de carcasas, etc. Veremos
ejemplos de motores comerciales de varias marcas.
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Anexo. Despiece de un motor.
Tomado del catalogo de motores ABB.
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