MOTORES ELÉCTRICOS

Instructor:

Ing. Juan Alberto Bujosa D.

Contenido Programático

1. Introducción, definiciones y principios básicos2. Motores de Corriente Continua3. Motores de Corriente Alterna Trifásicos 4. Motores de Corriente Alterna Monofásicos5. Motores Sincrónicos6. Placas de Características7. Conexiones típicas8. Arrancadores electromagnéticos de motores

eléctricos9. Fallas más frecuentes en motores eléctricos.10. Recomendaciones de mantenimiento

MOTORES ELÉCTRICOS PROF. ING. JUAN A. BUJOSA

Motores Eléctricos Introducción

FUERZA:

La causa que puede tanto producir como cambiar el estado de movimiento de los cuerpos.

Entonces para mover un cuerpo, es necesario aplicarle una Fuerza y el cuerpo se moverá en la dirección y sentido de la fuerza aplicada.

La capacidad de trabajo de un motor eléctrico depende de la fuerza magnética que sea capaz de producir.



TORQUE:

Si un cuerpo es capaz de rotar sobre un eje, el resultado de la fuerza es una combinación de la fuerza aplicada y la distancia al eje de rotación.

A este resultado se le conoce como Torque y es el producto vectorial de multiplicar la Fuerza (F) por la distancia perpendicular al eje de rotación (r ), donde F y r son vectores.

T = F x r¯ ¯ ¯



TORQUE:

r

F



TORQUE:

r

El Peso del cuerpo determina una Fuerza F y ésta causa un Torque que llamaremos por convención

Torque Reactivo T

Este Torque Reactivo hará que la polea gire en el sentido de las agujas del reloj y el cuerpo C descenderá

C

F = Peso



TORQUE:

r

F = Peso

Si aplicamos una Fuerza F´ en otra dirección, esta producirá un torque contrario al anterior que por convención lo llamaremos

Torque Activo T´

F´

C



TORQUE:

r

F = Peso

F´

Si el Torque Activo T´ es mayor que el

Torque Reactivo T,

entonces, la polea girará en sentido contrario a las agujas del reloj y el cuerpo C ascenderá.

C


Resumen de esta parte:

Definiciones:

2.- Concepto de Torque

1.- Concepto de Fuerza

AdiestramientoTécnico y GerencialEspecializado

3- Torque Activo y Reactivo

MOTORES ELÉCTRICOS


Los Motores son máquinas de conversión de energía

Los Motores Eléctricos convierten Energía Eléctrica en Energía Mecánica.

ENERGÍA MECÁNICA


ENERGÍA ELÉCTRICA


El Motor Eléctrico

Es una máquina capaz de producir un Torque, mientras gira a una determinada velocidad.

El Torque se mide en unidades de fuerza por unidades de distancia

y la velocidad de rotación en r.p.m

Los Motores son máquinas de conversión de energía




El Motor Eléctrico

Produce un Torque resultante como consecuencia de la interacción de campos magnéticos, algunos de ellos generados por corrientes eléctricas.

La forma como se producen estos campos magnéticos, es lo que diferencia a los distintos tipos de Motores Eléctricos.




La Energía Eléctrica

Es el resultado de aplicar una Potencia Eléctrica durante un tiempo determinado



La Energía Mecánica

Es el resultado de aplicar una Potencia Mecánica durante un tiempo determinado


La Potencia Eléctrica

Es el resultado de multiplicar el valor del voltaje aplicado por el valor de la Intensidad de la corriente (Amperaje)

P = V x I



La Potencia Mecánica

Es el resultado de multiplicar el Torque por la velocidad angular (r.p.m)

P = T x r.p.m




Cuando la Potencia Mecánica se mide en HP, y el Torque en Lbf-pie,

entonces se tiene que:

1 HP = T x r.p.m

5.250



Cuando la Potencia Eléctrica es en Corriente Alterna se mide en Watios y se calcula por:

P = V x I x fp

Donde fp es el Factor de Potencia.


Cuando la Potencia Eléctrica es en Corriente Continua, se mide en

Volt-Amperios

Y se calcula por:

P = V x I


Factor de Potencia

Cuando la Corriente y el Voltaje no están en fase, como suele ocurrir en los circuitos de Corriente Alterna, entonces se produce entre ellos un ángulo cuyo valor del Coseno es lo que llamamos Factor de Potencia.

fp = CosØ


Motores Eléctricosde Corriente Continua

Armadura o Inducido

Campo

Parte móvil

Parte fija


Motores Eléctricosde Corriente Alterna

Rotor Estator

Parte móvil Parte fija



Factor de Potencia

El Factor de Potencia determina la consideración de tres tipos de potencia eléctrica:

Potencia Activa (o Real) W

Potencia Reactiva (o Imaginaria) Q y

Potencia Aparente SØ

W

SQ



El Motor convierte en trabajo mecánico la Potencia Activa (o Real) W

Utiliza la Potencia Reactiva (o Imaginaria) Q para producir los campos magnéticos;

pero toma de la red de suministro la Potencia Aparente S

Ø

W

SQ



1.- Conversión de energía

3.- Potencia Eléctrica

2.- Potencia Mecánica


4.- Potencia Activa, Reactiva y Aparente

Motores EléctricosClasificación

MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA

MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA

• De imán permanente

• Serie

• Derivación

• Compuestos

• Asincrónicos (de Inducción)

• Sincrónicos (no inductivos)

• Trifásicos

• Bifásicos

• Monofásicos

MOTORES UNIVERSALES



MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA

• Asincrónicos (de Inducción)

• Trifásicos

• Fase Partida

• Con condensador de arranque

• Con doble condensador

• Con devanado de sombra

• Rotor “jaula de ardilla”

• Rotor bobinado

• Monofásicos

• Sincrónicos (no inductivos)



MOTORES UNIVERSALES

Se llaman así, porque pueden trabajar tanto con corriente continua como con corriente alterna.

Son motores de relativo pequeño tamaño y potencia, con rotor bobinado conectado en serie con el estator.


MOTORES DC

Estator de Polos Salientes

CampoArmadura

Inducido Bobinado

Colector


MOTORES DC

Campo

Armadura

Excitación Independiente

+

-

Imán permanente


MOTORES DC

Campo

Armadura

Conexión Serie

+

-


MOTORES DC

Campo

Armadura

Conexión Derivación

+

-


MOTORES DC

Campo

Armadura

Conexión Compuesta

+

-



1.- Motor de Corriente Continua

3.- Tipo Derivación

2.- Tipo Serie


4.- Tipo Compuesto

MOTORES AC

MOTORES AC Trifásicos

Estator ranuradoRotor “Jaula de Ardilla”



Estator ranuradoRotor bobinado tipo liso

Anillos rozantes



Estator ranuradoRotor bobinado

tipo Polos Salientes

Anillos rozantes


MOTORES AC Monofásicos

Estator ranuradoRotor “Jaula de Ardilla”



1.- Motor de Corriente Alterna

3.- Principios básicos

2.- Motor trifásico de Inducción


4.- Tipos de rotores y estatores


Estator ranurado

Rotor “Jaula de Ardilla”“Fase Partida”

Interruptor

Centrífugo

Arrollado de Arranque

Arrollado de Marcha



Estator ranurado

Rotor “Jaula de Ardilla”“Capacitor de arranque”

Interruptor

Centrífugo


Arrollado de Marcha



Estator ranurado

Rotor “Jaula de Ardilla”“Capacitores de arranque y de marcha”

Interruptor

Centrífugo


Arrollado de Marcha


MOTOR MONOFÁSICOCon “Polo sombreado”

Bobina de sombra

Son motores de inducción de baja potencia y bajo torque

Prácticamente trabajan a la velocidad sincrónica



1.- Motor AC Monofásico

3.- Arranque por capacitor

2.- Arrollado de fase partida


4.- Arrollado de sombra

MOTOR LINEAL AC

MOTORES AC Sincrónicos

Estator ranuradoRotor bobinado

tipo Polos Salientes

Anillos rozantes

Alimentación DC


MOTORES AC Sincrónicos

Estator ranuradoRotor bobinado tipo liso

Anillos rozantes

Alimentación DC


MOTOR SINCRÓNICO


1.- Motor AC Lineal

3.- Rotor de Polos Salientes

2.- Motor AC Sincrónico


4.- Rotor Liso

Motores EléctricosPlaca de Características

PUNTO NOMINAL DE OPERACIÓN:

Cuando el motor trabaja entregando el Torque Activo para el cual fue diseñado, moviendo la carga mecánica a la velocidad esperada y bajo condiciones ambientales favorables, se dice que el motor trabaja en el punto nominal de operación, también llamado Punto de Plena Carga.

En la práctica, un motor puede trabajar a un punto ligeramente por encima o por debajo del punto nominal de operación; pero a riesgo de que el motor se queme si lo hace durante un tiempo más o menos prolongado.

En el punto nominal de operación, el motor estará proporcionando su máxima eficiencia, mientras consume el Amperaje de Plena Carga F.L.A.



Velocidad

MOTOR DC Serie

TORQUE

PUNTO NOMINAL DE OPERACIÓN ??:



Velocidad

MOTOR DC Derivación o Compuesto


TORQUE



TORQUE

Velocidad

MOTOR ASINCRÓNICO




TORQUE

Velocidad Sincrónica

MOTOR SINCRÓNICO




POTENCIA NOMINAL:

Es la potencia mecánica que la máquina puede desarrollar en condiciones de operación nominales; es decir, al voltaje, corriente y velocidad de rotación nominales. Es la potencia entregada en el Punto de Plena Carga.

En la práctica, un motor puede desarrollar una potencia mayor que la nominal; pero no podrá hacerlo por mucho tiempo y tarde o temprano se quemará.

FACTOR DE SERVICIO:

De acuerdo con el fabricante del motor, el Factor de Servicio determina cuánto podrá sobrecargarse mecánicamente un motor, sin que se ponga a riesgo el calentamiento del arrollado y siempre y cuando haya buena disipación térmica.



VOLTAJE NOMINAL:

Es la Tensión o Voltaje especificado por el fabricante, al cual el motor funcionará correctamente, siempre y cuando lo haga en condiciones nominales de Potencia y de velocidad. Algunos motores pueden ser conectados para trabajar con distintas tensiones de alimentación.

En la práctica, un motor puede trabajar a un voltaje ligeramente por encima o por debajo de la Tensión nominal; pero esta no debe desviarse más allá del +- 10% a riesgo de que el motor se queme.

AMPERAJE NOMINAL:

De acuerdo con el fabricante del motor, es la Corriente que el motor tomaría de la red, cuando trabaje en condiciones de potencia, voltaje, frecuencia y velocidad nominales. El Factor de Servicio del motor puede determinar el margen de tolerancia en este sentido.



FASES :

El fabricante indicará si el motor es un motor monofásico, trifásico o de otro tipo. Conocer el tipo de motor permitirá su conexión adecuada a la red de suministro eléctrico.

TIEMPO DE TRABAJO (“Time Rating”)

No todos los motores pueden trabajar continuamente durante tiempo prolongado. En la placa de características, el fabricante indicará si es para trabajo continuo o intermitente.



FRECUENCIA NOMINAL:

Se trata de la Frecuencia de la red de alimentación. En Venezuela esta frecuencia está normalizada a 60 Hz (Ciclos/segundo).

El campo magnético del estator de un motor de corriente alterna gira a una velocidad que es directamente proporcional a la frecuencia e inversamente proporcional al número de pares de polos que constituyen el estator. Esto es lo que se conoce como Velocidad Sincrónica.

Vel. Sincrónica = f (Ciclos/segundo) f (Ciclos/segundo)

P

VELOCIDAD SINCRÓNICA:



VELOCIDAD SINCRÓNICA:

Ya que la frecuencia de la red está estandarizada en 60 Hz (Ciclos/segundo) entonces la velocidad Sincrónica dependerá del número de pares de polos de la máquina.

Vel. Sincrónica (r.p.m) = 60 (Ciclos/segundo) x 60 (segundos/minuto)60 (Ciclos/segundo) x 60 (segundos/minuto) P

Vel. Sincrónica (r.p.m) = 3600 (Ciclos/minuto)600 (Ciclos/minuto) P



VELOCIDAD ASINCRÓNICA:

En la práctica, el rotor y eje de una máquina de inducción, girarán a velocidades inferiores a la velocidad sincrónica.

VELOCIDAD NOMINAL:

Es la velocidad a la cual girará el eje del motor, cuando éste se encuentre en el punto de operación nominal; esto es, a un 90 o 95% de la Velocidad Sincrónica.



DISEÑO:

Los motores se fabrican para trabajar bajo ciertas condiciones de Torque/Velocidad. Los fabricantes han normalizado estos diseños dependiendo del tipo de cargas mecánicas típicas y de las condiciones de arranque, freno, parada y giro en contramarcha de los motores.

DISEÑO NEMA:

La Asociación de Fabricantes Eléctricos de los EEUU, han establecido cuatro tipos de diseño: A,B,C y D con comportamientos de Torque/Velocidad diferentes. A continuación indicaremos algunas de sus características.



MOTORES AMERICANOS:

Según el tipo de servicio los motores americanos se clasifican así:

NEMA A: Uso general; torques a rotor bloqueado normales. Para cargas inerciales pequeñas y arranques no frecuentes. Velocidad aprox. 95% de la velocidad sincrónica

NEMA B: Uso general; torques a rotor bloqueado normales; torque máximo relativamente alto. Velocidad aprox. 95% de la velocidad sincrónica.

NEMA C: Usos especiales. Torque de arranque alto con corriente de arranque normal. Velocidad aprox. 90 a 95% de la velocidad sincrónica

NEMA D: Usos especiales. Torque de arranque muy alto con corriente de arranque moderada. El Torque máximo también es muy alto. Velocidad menor del 90% de la velocidad sincrónica. Mala regulación de la velocidad



OTROS DISEÑOS:

Los fabricantes europeos y asiáticos han concebido diseños diferentes, pero un poco más específicos de acuerdo a las condiciones de trabajo de los motores. Las normas IEC, VDE, UNE, UTE, difieren de las normas americanas, aunque desde el punto de vista del funcionamiento teórico, los motores son los mismos.

El énfasis se hace en el tipo de servicio del motor, para lo cual se les clasifica utilizando una letra S seguida de un número, como se indica a continuación:



MOTORES EUROPEOS:

Según el tipo de servicio los motores europeos se clasifican así:

S1: Servicio Continuo

S2: Servicio Temporal

S3: Servicio Intermitente Periódico

S4: Servicio Intermitente Periódico con Arranques

S5: Servicio Interm. Periód. Con Arranque y Freno Eléctrico

S6: Servicio Continuo con Carga Intermitente

S7: Servicio ininterrumpido con Arranque y Frenado

S8: Serv. Ininterr. Con Cambio de Velocidad.

S9: Serv. Ininterr. No Periódico Con Cambio de Velocidad.



LETRA DE CÓDIGO: ( o KVA Code)

Este concepto está asociado a la corriente de arranque del motor. Al ser energizado, el motor desarrolla su máximo torque; pero está detenido. En este momento consume una corriente muy superior a la corriente nominal. Puede ser desde una, hasta diez o más veces la corriente nominal. La Letra de Código, permite calcular el rango de esa corriente de arranque dependiendo de los KVA del motor.

Conocer el valor de la corriente de arranque L.R.A (Corriente de rotor bloqueado) es muy importante para la selección y ajuste de los dispositivos de arranque y protección del motor.



LETRA DE CÓDIGO: KVA de Arranque/Hp nominales

A 00 – 3,14

B 3,15 - 3,54

C 3,55 – 3,99

D 4,00 – 4,49

E 4,50 – 4,99

F 5,00 – 5,59

G 5,60 – 6,29

H 6,30 – 7,09

J 7,10 – 7,99

K 8,00 – 8,99

L 9,00 – 9,99

M 10,00 – 11,19

N 11,20 – 12,49

P 12,50 – 13,99

R 14,00 - 15,99

M

OT

OR

ES

ELÉ

CT

RIC

OS

PR

OF

. IN

G.

JUA

N A

. B

UJO

SA


CLASE DE AISLAMIENTO:

Este concepto está asociado al tipo de material aislante del cual están recubiertos los conductores del arrollado. Esta es la parte más vulnerable de los motores, ya que el aislamiento es lo primero que se quema en un motor.

Conocer el tipo de aislamiento, ayuda a prevenir condiciones inadecuadas o anormales de operación o emplazamiento del motor y es muy importante para la coordinación y ajuste de los dispositivos de protección del motor.



LETRA : TEMPERATURA

O 90º C

A 105º C

B 130º C

F 155º C

H 180º C

N 200º C

R 220º C

CLASE DE AISLAMIENTO:Motores americanos



LETRA : TEMPERATURA

Y 90º C

A 105º C

E 120º C

B 130º C

F 155º C

H 180º C

C Más de 180º C

CLASE DE AISLAMIENTO:Motores europeos



MÁXIMA TEMPERATURA AMBIENTE:

Este concepto está asociado al tipo de material aislante del cual están recubiertos los conductores del arrollado y a las características del sistema de enfriamiento. Establece cuál es la temperatura máxima ambiental en el entorno del motor, a la cual puede estar sometido. Si es superior, entonces habría que mejorar el sistema de enfriamiento a riesgo de que se queme el aislamiento.



FRAME, SERIAL y MODELO:

En los motores americanos, estos conceptos están asociados a las dimensiones, tipo de encerramiento y ventilación o enfriamiento del motor. Incluye además la posición horizontal o vertical y si se acopla con o sin brida de montaje.

Son unos datos muy útiles, sobre todo cuando se pretende sustituir un motor por otro equivalente.

RODAMIENTOS:

Algunas placas de características indican el tipo o modelo de rodamientos que utiliza el motor, tanto en la parte frontal como en la parte posterior del eje.



1.- Curvas Torque/Velocidad

3.- Diseño según normas NEMA

2.- Placa de características


4.- Diseño según normas europeas


ESQUEMA DE CONEXIONES:

Algunas placas de características indican el tipo y la forma de hacer las conexiones externas del motor para determinados voltajes, o para obtener determinado número de pares de polos.

Recuérdese que el número de pares de polos condiciona la velocidad sincrónica y por ende, las r.p.m del eje del motor (velocidad asincrónica).


En este punto se recomienda consultar nuestro curso de Sistemas de Arranque para Motores.

Decimos que un motor ha fallado cuando:

• Llega a estar completamente inoperante.

• Puede todavía operar, pero no puede realizar satisfactoriamente su función.

• Cuando su uso se hace inseguro por serios daños.

Fallas más frecuentes en los Motores Eléctricos:

Fallas Internas:

• Recalentamiento

• Falla a Tierra : De Alta impedancia y

De Baja Impedancia

• Corto circuito: En terminales,

En el Estator (Campo) y

En el Rotor (Armadura)



Fallas Internas:

• Recalentamiento El recalentamiento es la causa más frecuente de fallas en los motores eléctricos, ya que daña a la parte más

vulnerable del motor: el aislamiento


Tiene su origen en distintas causas:

• Sobrecarga mecánica

• Bajo voltaje en la alimentación

• Ventilación deficiente

• Cortocircuito interno

• Alta Temperatura ambiente


Fallas Internas:

• Falla a Tierra : De Alta impedancia y

De Baja Impedancia


Este daño se presenta más frecuentemente por:

• Contacto entre espiras y el cuerpo metálico del motor

• Puntos calientes en el enchapado magnético

• Contaminación por humedad del arrollado

La falla a tierra es la segunda causa más frecuente de fallas en el motor eléctrico. Pueden ser causadas por pérdida o por daño del aislamiento. Ésta producirá un punto caliente en el arrollado que degenerará en un cortocircuito.


Fallas Internas:• Corto circuito: En terminales,

En el Estator (Campo) y

En el Rotor (Armadura)

El Cortocircuito es la falla más cruenta y dañina que se conoce. Produce destrucción y muchas veces explosión en los arrollados.



Fallas externas:

De origen eléctrico:

• Sobretensiones

• Sobrecarga

• Caída de tensión

• Falla en dispositivos de arranque y control

• Falla en dispositivos de potencia



Fallas externas:


• Sobretensiones

Son incrementos inusitados de la tensión de la red. Aunque son de origen externo, casi siempre producen la perforación de los aislamientos con la consecuente falla por cortocircuito.



Fallas externas:


• SobrecargaLa sobrecarga está asociada a la carga mecánica y al Torque reactivo. Puede inclusive, deberse a daños mecánicos como rodamientos defectuosos, deformaciones en el eje, roce excesivo, cargas laterales, etc. Estas hacen que el motor desplace su punto de operación hacia el Torque Máximo, disminuyendo su velocidad, aumentando el amperaje, aumentando la temperatura y disminuyendo la eficiencia. Todo lo cual, hará que el motor se queme muy prontamente. MOTORES ELÉCTRICOS PROF. ING. JUAN A. BUJOSA


Fallas externas:


• Caída de tensión

La caída de tensión generará un incremento en la corriente del motor. La velocidad disminuirá, se desplazará el punto de operación, aumentará la corriente y la temperatura, y finalmente el motor se quemará.



Fallas externas:


• Falla en dispositivos de arranque y controlEntre estos dispositivos están el Contactor de Arranque, el relé de protección contra sobrecorriente, la bobina electromagnética del contactor, los sensores de temperatura y en general todos los elementos asociados a las protecciones eléctricas del motor.

Una falla en estos dispositivos, puede ocasionar que el motor no arranque, o que lo haga en condiciones de falla, todas las cuales producirán el daño del motor.



Fallas externas:


• Falla en dispositivos de potenciaEntre estos dispositivos están el Seccionador, los fusibles de protección y el Interruptor de protección magnética contra cortocircuitos; también el Contactor de Arranque, y probablemente otros dispositivos asociados al sistema de protecciones del motor.

Una falla en estos dispositivos, puede ocasionar que el motor no arranque, o que lo haga en condiciones de falla, todas las cuales producirán el daño del motor. MOTORES ELÉCTRICOS PROF. ING. JUAN A. BUJOSA


Fallas externas:

De origen mecánico:

• Cojinetes o rodamientos defectuosos

• Excesiva Carga Mecánica

• Ventilación ineficiente



Fallas externas:


• Cojinetes o rodamientos defectuosos

Estos producen un roce excesivo, originando una carga mecánica superior que el motor tratará de vencer, desplazando su punto de operación hacia la zona del Torque Máximo, con las consecuencias que tal anormalidad genera.



Fallas externas:


• Excesiva Carga Mecánica

Como se sabe, una carga mecánica superior a la nominal, hará que el motor gire más lento, desplace su punto de operación hacia la zona del torque máximo, se recaliente y finalmente se queme.



Fallas externas:


• Ventilación ineficiente

La ineficiencia del motor hace que éste se caliente como una condición normal. Si los medios o dispositivos para disipar el calor y mejorar las condiciones de temperatura de trabajo del motor se vuelven ineficientes, entonces el motor se recalentará y se quemará indefectiblemente.



1.- Análisis de fallas típicas en motores

3.- Fallas Externas

2.- Fallas Internas


4.- Políticas de mantenimiento

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