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Escuela Politécnica Nacional
Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica
Instalaciones Eléctricas de Medio Voltaje
Daniel Santiago Jiménez Soliz
Franklin Ricardo Loaiza Gordon
Lenin David Plazas Yépez
daniel.jimenez@epn.edu.ec
franklin.loaiza@epn.edu.ec
lenin.plazas@epn.edu.ec
Trabajo # 2
MOTORES ELÉCTRICOS
Fecha: 04/07/21
I. DESCRIPCIÓN GENERALIZADA DE MOTORES ELECTRICOS
Motores eléctricos:
1. Los motores eléctricos son máquinas eléctricas que transforman en energía mecánica
la energía eléctrica que absorben por sus bornes.[7]
Atendiendo al tipo de corriente utilizada para su alimentación, se clasifican en:
• Motores de corriente continua
– De excitación independiente.
– De excitación serie.
– De excitación (shunt) o derivación.
– De excitación compuesta (compund).
• Motores de corriente alterna
– Motores síncronos.
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– Motores asíncronos:


Monofásicos.
▪ De bobinado auxiliar.
▪ De espira en cortocircuito.
▪ Universal.
Trifásicos.
▪ De rotor bobinado.
▪ De rotor en cortocircuito (jaula de ardilla).
Los motores de corriente alterna asíncronos, tanto monofásicos como trifásicos, son los que
tienen una aplicación más generalizada gracias a su facilidad de utilización, poco
mantenimiento y bajo coste de fabricación. Mientras que los motores de corriente continua y
los sincrónicos son más especializados, específicamente implementados en situaciones
específicas.[7]
La velocidad de sincronismo de los motores eléctricos de corriente alterna viene definida por
la expresión: [7]
ec. (1)
Donde:
n: Número de revoluciones por minuto
f: Frecuencia de la red
P: Número de pares de polos de la máquina
Un motor eléctrico está constituido por un circuito magnético y dos eléctricos, uno colocado
en la parte fija (estátor) y otro en la parte móvil (rotor). La velocidad de giro de los motores
eléctricos suele tener un valor fijo, a no ser que se utilicen variadores electrónicos de
frecuencia. El circuito magnético de los motores eléctricos de corriente alterna está formado
por chapas magnéticas apiladas y aisladas entre sí para eliminar el magnetismo remanente. [7]
Motores de Corriente continua:
El uso de motores de corriente continua la instalación de equipos adicionales para convertir la
corriente alterna en corriente continua. Un motor de corriente alterna es capaz de realizar
fácilmente lo que se dificulta con un motor de corriente alterna, como por ejemplo un motor de
cc es capaz de desarrollar un par de arranque varios ordenes de magnitud superior que el de un
motor de circuito ca de tamaño comparable. Otro ejemplo puede ser que un motor de cc puede
trabajar a velocidades que no puede alcanzar un motor de ca. Por estas causas se construyen
motores de corriente continua.[8]
A continuación, se presentan las principales configuraciones de motos de corriente continua:
Motores de excitación independiente: Este tipo de configuración no es muy utilizada, debido a
que se requiere tener otra fuente de alimentación para el devanado de campo, sin embargo,
motores con excitación independiente también pueden tratarse como un caso especial de un
motor shunt.[8]
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Motor serie: el devanado del campo se conecta en serie con el circuito de la armadura, y
también se lo pone una resistencia externa que sirve para aumentarla en el arranque del motor
y cortocircuitarla cuando ya se encuentre en estado estable o también sirve para regular la
velocidad del motor de cc. [8]
Figura 1. Circuito equivalente de un motor serie con resistencia variable de arranque
Motor Shunt: El devanado del campo se conecta directamente con la fuente.
Figura 2. Circuito equivalente de un motor shunt con resistencia variable de arranque [8]
Motor Compound: Es aquella combinación que une la configuración shunt con serie, para poder hacerle
más robusto al motor. [8]
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Figura 3. Motor compound (a) en derivación corta y (b) en derivación larga [8]
Motores Sincrónicos:
En condiciones estables, trabaja a una velocidad fija, llamada velocidad sincrónica, un motor
sincrónico no tiene característica inherente de autoarranque, por lo que debe ser impulsado casi
a su velocidad de arranque con algún medio auxiliar antes de que pueda sincronizarse a la red
de suministro. [8]
Motores Asíncronos
Se da el nombre de motor asíncrono al motor de corriente alterna cuya parte móvil gira a una
velocidad distinta a la de sincronismo. Aunque a frecuencia industrial la velocidad es fija para
un determinado motor, hoy día se recurre a variadores de frecuencia para regular la velocidad
de estos motores.[7]
Figura 4. Estator y Rotor de un Motor Eléctrico [7]
Jaula de Ardilla:
El circuito magnético está formado por chapas apiladas en forma de cilindro en el rotor y en forma de
anillo en el estátor. El cilindro se introduce en el interior del anillo y, para que pueda girar libremente,
hay que dotarlo de un entrehierro constante.
El anillo se dota de ranuras en su parte interior para colocar el bobinado inductor y se envuelve
exteriormente por una pieza metálica con soporte llamada carcasa. El cilindro se adosa al eje del motor
y puede estar ranurado en su superficie para colocar el bobinado inducido (motores de rotor bobinado)
o bien se le incorporan conductores de gran sección soldados a anillos del mismo material en los
extremos del cilindro (motores de rotor en cortocircuito) similar a una jaula de ardilla, de ahí que reciban
el nombre de rotor de jaula de ardilla.
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El eje se apoya en unos rodamientos de acero para evitar rozamientos y se saca al exterior para transmitir
el movimiento, y lleva acoplado un ventilador para refrigeración. Los extremos de los bobinados se
sacan al exterior y se conectan a la placa de bornes.[7]
Figura 5. Sección del Motor Eléctrico[7]
La velocidad de rotación del rotor en los motores asíncronos de inducción es siempre inferior a la
velocidad de sincronismo (velocidad del flujo giratorio). Para que se genere una fuerza electromotriz
en los conductores del rotor ha de existir un movimiento relativo entre los conductores y el flujo
giratorio. A la diferencia entre la velocidad del flujo giratorio y del rotor se le llama deslizamiento.[7]
Motor de rotor bobinado y anillos rozantes:
En este tipo de motores, el rotor va ranurado igual que el estátor, y en él se coloca un bobinado
normalmente trifásico similar al del estátor conectado en estrella y los extremos libres se conectan a
tres anillos de cobre, aislados y solidarios con el eje del rotor.[7]
Figura 6. Despiece del motor de rotor bobinado [7]
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Sobre los anillos, se colocan la porta escobillas, que a su vez se conectan a la placa de bornes del motor.
Por eso, en la placa de bornes de estos motores aparecen nueve bornes. La gran ventaja que presentan
estos motores es su par de arranque, ya que puede alcanzar hasta 2,5 veces el par nominal, mientras que
la intensidad en el arranque es similar a la del par nominal. Estos motores tienen una aplicación muy
específica y, dada su constitución, necesitan de un mantenimiento mucho más exhaustivo que los de
rotor en cortocircuito. [7]
Motor monofásico con bobinado auxiliar de arranque:
De su nombre se desprende que utiliza un solo bobinado inductor, recorrido por una corriente alterna
que crea un flujo también alterno, pero de dirección constante que, por sí solo, no es capaz de hacer
girar al rotor. Si el rotor se encuentra ya girando, en los conductores del bobinado rotórico se generan
fuerzas electromotrices que hacen que por el bobinado rotórico circulen corrientes, que a su vez generan
un flujo de reacción desfasado 90º eléctricos respecto del principal. La interacción entre estos dos flujos
hace que el motor se comporte como un motor bifásico y el rotor continúe girando. De lo expresado
anteriormente se desprende que el motor monofásico es incapaz de arrancar por sí solo, pero, si se pone
en marcha, se mantiene funcionando de forma normal hasta su desconexión. Por ello, hay que dotar a
dicho motor de un dispositivo adecuado para iniciar el arranque. El más utilizado es incorporar al estátor
un bobinado auxiliar que funciona durante el periodo de arranque y que se desconecta una vez que el
motor está en funcionamiento.[7]
Para realizar la desconexión del bobinado auxiliar, se utilizan los interruptores centrífugos acoplados
en el eje del motor. Los bobinados se conectan en paralelo a la placa de bornes [7]
Figura 7. Esquema de motores monofásicos con bobinas auxiliares
el motor monofásico tiene un rendimiento, par de arranque y factor de potencia algo bajos. Para
compensar dichos valores, se recurre a conectar en serie con el bobinado auxiliar un condensador
electrolítico, con lo que se consiguen valores de rendimiento y par de arranque mucho mejores. [7]
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Figura 8. Esquema de motor monofásico con bobinado auxiliar y condensador [7]
Motor monofásico de espira en cortocircuito:
El motor de espira en cortocircuito está constituido por un estátor de polos salientes y un rotor de jaula
de ardilla. En la masa polar se incorpora una espira en cortocircuito que abarca un tercio
aproximadamente del polo. Las bobinas rodean las masas polares, como se muestra a continuacion: [7]
Figura 9. Esquema de motor monofásico de espira en cortocircuito. [7]
Al alimentar las bobinas polares con una corriente alterna se produce un campo magnético alterno en
el polo que por sí solo no es capaz de poner en marcha el motor. El flujo que atraviesa la espira genera
en esta una fuerza electromotriz inducida que hace que circule una corriente de elevado valor por la
espira. Esto a su vez crea un flujo propio que se opone al flujo principal. En estas condiciones se obtiene
un sistema de dos flujos en el que el flujo propio estará en retraso respecto del flujo principal, haciendo
que el motor gire. Los motores de espira en cortocircuito suelen ser de potencias inferiores a 300 W.
[7]
8
Motor universal:
Es un motor monofásico que puede funcionar tanto en corriente continua como alterna. Su constitución
es esencialmente la del motor serie de corriente continua, y sus características de funcionamiento son
análogas. El motor serie de corriente continua se caracteriza por tener un fuerte par de arranque y su
velocidad está en función inversa a la carga, llegando a embalarse cuando funciona en vacío.
Funcionando en corriente alterna, este inconveniente se ve reducido porque su aplicación suele ser en
motores de pequeña potencia y las pérdidas por rozamientos, cojinetes, etc., son elevadas con respecto
a la total, por lo que no presentan el peligro de embalarse, pero sí alcanzan velocidades de hasta 20000
revoluciones por minuto (rpm), que los hace bastante idóneos para pequeños electrodomésticos y
máquinas herramientas portátiles. El motor universal es, sin duda, el más utilizado en la industria del
electrodoméstico. Tienen la ventaja de poder regular la velocidad sin grandes inconvenientes. [7]
Figura 10. Esquema de conexiones del motor universal. [7]
Para que un motor de este tipo pueda funcionar con corriente alterna, es necesario que el empilado de
su inductor (el núcleo de los electroimanes) sea de chapa magnética para evitar las pérdidas en el hierro.
El bobinado inductor de los motores universales suele ser bipolar, con dos bobinas inductoras. El motor
universal funciona en corriente continua exactamente igual que un motor serie. Si el motor se alimenta
con corriente alterna, arranca por sí solo, ya que la corriente que recorre el bobinado inductor presenta
cien alternancias por segundo, lo mismo que le ocurre a la corriente que recorre el bobinado inducido,
por lo que el momento de rotación y el sentido de giro permanecen constantes. [7]
II. ARRANQUES MAS UTILIZADOS
Gracias a los avances en la electrónica de potencia, actualmente se fabrican arrancadores
estáticos que pueden regular la velocidad de estos motores actuando sobre la frecuencia de la
alimentación del motor, es decir, convierten la frecuencia industrial de la red en una distinta
que se aplica al motor. De ahí que reciban el nombre de convertidores de frecuencia, pudiendo
regular la velocidad, amortiguar el arranque e incluso frenarlo. [7]
Tipos y sistemas de arranque
Motores trifásicos jaula de ardilla:
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En el momento del arranque este motor acoplado directamente a la red presenta un momento
de rotación de 1,8 a 2 veces el de régimen, pero la intensidad absorbida en el arranque toma
valores de 5 a 7 veces la nominal. Estos interruptores han de estar diseñados para la intensidad
del motor. [7]
1. Arranque Directo: Su puesta en marcha se realiza de una forma simple y sencilla mediante
un interruptor manual tripolar [7]
Figura 11. Arranque directo de un Motor trifásico [7]
2. Arranque estrella triángulo (λ – Δ): Consiste en conectar el motor en estrella durante el
periodo de arranque y, una vez lanzado, conectarlo en triángulo para que quede conectado a la
tensión nominal. [7]
Figura 12. Arranque estrella triangulo de un motor trifásico mediante arrancador manual [7]
Este conmutador posee tres posiciones: la inicial de desconexión, la siguiente que conecta los bobinados
del motor en estrella y la tercera que conecta los bobinados en triángulo. La parada se hace de forma
inversa. Para poder utilizar este método, es necesario que el motor pueda funcionar en conexión
10
triángulo a la tensión de la red. En consecuencia, cuando en el arranque lo conectamos en estrella, cada
fase queda sometida a una tensión 3 menor que la de línea y, por lo tanto, la intensidad que circula por
ella es también 3 menor que si estuviese conectado en triángulo. Teniendo en cuenta que si lo
conectásemos en triángulo la intensidad en la línea es 3 mayor que la de fase, mientras que en estrella
son iguales, resulta que el mismo motor arrancado en estrella consume una intensidad 3 3 3 ⋅ = veces
menor que si lo conectamos en triángulo. Por esta misma razón, el momento de rotación también se
reduce en un tercio. [7]
3. Arranque mediante autotransformador: Es un procedimiento que se utiliza para motores de
gran potencia y consiste en intercalar entre la red de alimentación y el motor un
autotransformador. [7]
Figura 13. Arranque de un motor trifásico mediante autotransformador. [7]
4. Arranque de un motor trifásico de rotor bobinado mediante reóstato conectado en serie
con el rotor: Para realizar la puesta en marcha, es necesaria la conexión de un reóstato de
arranque conectado en serie con el bobinado del rotor, y una vez alcanzada la velocidad de
régimen, se puentean los anillos en estrella. Para este tipo de conexión, es necesario tener un
motor que tenga el rotor bobinado. [7]
11
Figura 14. Arranque de un motor trifásico de rotor bobinado mediante reóstato conectado en serie con
el rotor. [7]
III. VARIADORES DE FRECUENCIA
Un variador de frecuencia (siglas VFD, del inglés: Variable Frequency Drive o bien AFD
Adjustable Frequency Drive) es un sistema para el control de la velocidad rotacional de un
motor de corriente alterna (AC) por medio del control de la frecuencia de alimentación
suministrada al motor. [11]
Piñero. (2015) dice que: “Los variadores son convertidores de energía encargados de modular
la energía que recibe el motor. Otra definición sería, los variadores de velocidad son
dispositivos que permiten variar la velocidad y la acopla de los motores asíncronos trifásicos,
convirtiendo las magnitudes fijas de frecuencia y tensión de red en magnitudes variables” (p.8).
Figura 15. Variador de frecuencia. [13]
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Los variadores de velocidad son dispositivos electrónicos que permiten variar la velocidad y la
cupla de los motores asincrónicos trifásicos, convirtiendo las magnitudes fijas de frecuencia y
tensión de red en magnitudes variables.
Se utilizan estos equipos cuando las necesidades de la aplicación sean:
•
•
•
•
Dominio de par y la velocidad
Regulación sin golpes mecánicos
Movimientos complejos
Mecánica delicada
Ventajas de la utilización del Variador de Velocidad en el arranque de motores
asíncronos:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
El variador de velocidad no tiene elementos móviles, ni contactos.
La conexión del cableado es muy sencilla.
Permite arranques suaves, progresivos y sin saltos.
Controla la aceleración y el frenado progresivo.
Limita la corriente de arranque.
Permite el control de rampas de aceleración y deceleración regulables en el tiempo.
Consigue un ahorro de energía cuando el motor funcione parcialmente cargado, con
acción directa sobre el factor de potencia.
Puede detectar y controlar la falta de fase a la entrada y salida de un equipo. Protege al
motor.
Puede controlarse directamente a través de un autómata o microprocesador.
Se
obtiene un mayor rendimiento del motor.
Nos permite ver las variables (tensión, frecuencia, rpm, etc…).
Inconvenientes de la utilización del Variador de Velocidad en el arranque de motores
asíncronos:
•
•
•
Es un sistema caro, pero rentable a largo plazo.
Requiere estudio de las especificaciones del fabricante.
Requiere un tiempo para realizar la programación.
Tipos de variadores de velocidad
Los más generales, se puede decirse que existen tres tipos básicos de variadores de velocidad:
mecánicos, hidráulicos y eléctrico-electrónicos, siendo este último de interés para el tema
propuesto.
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Variadores eléctrico-electrónicos
Mansilla,(2011) dice que: “Los variadores eléctrico-electrónicos incluyen tanto el controlador
como el motor eléctrico, sin embargo es práctica común emplear el término variador
únicamente al controlador eléctrico”(p.5).
Los primeros variadores de esta categoría emplearon la tecnología de los tubos de vacío. Con
los años después se han ido incorporando dispositivos de estado sólido, lo cual ha reducido
significativamente el volumen y costo, mejorando la eficiencia y confiabilidad de los
dispositivos.
Existen cuatro categorías de variadores de velocidad eléctrico-electrónicos
•
•
•
•
variadores para motores de DC.
variadores de velocidad por corrientes de Eddy.
variadores de deslizamiento.
variadores para motores de CA (también conocidos como variadores de frecuencia).
Variadores para motores de DC
Los variadores de velocidad son dispositivos que permiten variar la velocidad de un motor
controlado eléctricamente.
Mansilla,(2011) dice que: “Estos variadores permiten controlar la velocidad de motores de
corriente directa serie, derivación, compuesto y de imanes permanentes” (p.5).
Para el caso de cualquiera de las máquinas anteriores se cumple la siguiente expresión:
Vt = K.FM .Nm
Donde:
Vt: Voltaje terminal (V).
K: Constante de la máquina.
FM: Flujo magnético producido por el campo (Wb)
Nm: Velocidad mecánica (rpm).
Este tipo de variadores puede controlar la velocidad de un motor de DC: controlando su voltaje
terminal, o bien, manipulando el valor de la corriente de campo.
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Variadores por corrientes de Eddy
Mansilla,(2011) dice que: Un variador de velocidad por corrientes de Eddy consta de un motor
de velocidad fija y un embrague de corrientes de Eddy. El embrague contiene un rotor de
velocidad fija (acoplado al motor) y un rotor de velocidad variable, separados por un pequeño
entrehierro. Se cuenta, además, con una bobina de campo, cuya corriente puede ser regulada,
la cual produce un campo magnético que determinará el par mecánico transmitido del rotor de
entrada al rotor de salida. De esta forma, a mayor intensidad de campo magnético, mayor par
y velocidad transmitidos, y a menor campo magnético menores serán el par y la velocidad en
el rotor de salida.(p,6)
El control de la velocidad de salida de este tipo de variadores generalmente se realiza por medio
de lazo cerrado, utilizando como elemento de retroalimentación un tacómetro de corriente
alterna (AC).
Variadores de deslizamiento
Este tipo de variadores se aplica únicamente para los motores de inducción de rotor devanado.
En cualquier motor de inducción, la velocidad mecánica (Nm) puede determinarse mediante la
siguiente expresión:
Donde “s” es el deslizamiento del motor, cuyo valor oscila entre 0 y 1. De esta forma, a mayor
deslizamiento, menor velocidad mecánica del motor. El deslizamiento puede incrementarse al
aumentar la resistencia del devanado del rotor, o bien, al reducir el voltaje en el devanado del
rotor. De esta forma es que puede conseguirse el control de la velocidad en los motores de
inducción de rotor devanado. Sin embargo, este tipo de variadores es de menor eficiencia que
otros, razón por la cual en la actualidad tiene muy poca aplicación.
Variadores para motores de AC
Son dispositivos que permiten variar la velocidad electrónicamente mediante una variable
eléctrica conocida como frecuencia esto es para el caso de Drives para motores de AC, en
contra parte los variadores de velocidad para motores de CD modifican el valor del voltaje para
variar la velocidad de los motores.
Mansilla,(2011) dice que: “Los variadores de frecuencia (siglas AFD, del inglés Adjustable
Frecuency Drive; o bien VFD Variable Frecuency Drive) permiten controlar la velocidad tanto
de motores de inducción (asíncronos de jaula de ardilla o de rotor devanado), como de los
motores síncronos mediante el ajuste de la frecuencia de alimentación almotor”(P.8).
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Nm = velocidad mecánica (rpm)
f = frecuencia de alimentación (Hz)
s = deslizamiento (adimensional)
P = número de polos (adimensional)
Como puede verse en las expresiones , la frecuencia y la velocidad son directamente
proporcionales, de tal manera que al aumentar la frecuencia de alimentación al motor, se
incrementará la velocidad de la flecha, y al reducir el valor de la frecuencia disminuirá la
velocidad del eje. Por ello es que este tipo de variadores manipula la frecuencia de alimentación
al motor a fin de obtener el control de la velocidad de la máquina.
Estos variadores mantienen la razón Voltaje/ Frecuencia (V/Hz) constante entre los valores
mínimo y máximos de la frecuencia de operación, con la finalidad de evitar la saturación
magnética del núcleo del motor y además porque el hecho de operar el motor a un voltaje
constante por encima de una frecuencia dada (reduciendo la relación V/Hz) disminuye el par
del motor y la capacidad del mismo para proporcionar potencia constante de salida en el motor.
Composición de los variadores de frecuencia
Piñero. (2015) dice que: “El variador regula la frecuencia del voltaje aplicado al motor,
logrando modificar su velocidad. Sin embargo, simultáneamente con el cambio de frecuencia,
debe variarse el voltaje aplicado al motor para evitar la saturación del flujo magnético con una
elevación de la corriente que dañaría el motor”(p.15).
Los variadores de frecuencia están compuestos por:
Etapa Rectificadora: Convierte la tensión alterna en continua mediante rectificadores de
diodos, tiristores,etc.
Etapa intermedia: Existe un filtro para suavizar la tensión rectificada y reducir la emisión de
armónicos.
Inversor o "Invertir": Convierte la tensión continua en otra de tensión y frecuencia variable
mediante la generación de pulsos. Actualmente se emplean IGBT´s (Isolated Gate Bipolar
Transistors) para generar los pulsos controlados de tensión. Los equipos más modernos utilizan
IGBT´s inteligentes que incorporan un microprocesador con todas las protecciones por sobre
corriente, sobretensión, baja tensión, cortocircuitos, puesta a masa del motor, sobre
temperaturas, etc.
Etapa de control: Esta etapa controla los IGBT´s para generar los pulsos variables de tensión
y frecuencia. Y además controla los parámetros externos en general, etc.
Los variadores utilizan modulación PWM (Modulación de Ancho de Pulsos) y usan en la etapa
rectificadora puente de diodos rectificadores. En la etapa intermedia se usan condensadores y
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bobinas para disminuir las armónicas y mejorar el factor de potencia a través de cálculos
matemáticos.
IV. TIPOS DE AISLAMIENTO EN MOTORES
Denominación de la clase de aislamiento en los bobinados de los motores eléctricos:
Los materiales aislantes son clasificados principalmente de acuerdo con su límite térmico. La
performance de su aislamiento depende de su temperatura de operación. Mientras más alta es
la temperatura, más alto será el rango de su degradación térmica, por lo tanto, más baja será su
vida útil.
Si se espera una vida de aislamiento larga razonable, su temperatura de operación de ser
mantenida baja. Entonces es necesario determinar los límites de temperatura para el
aislamiento, que asegurará la operación segura a través de la duración de la vida útil del equipo.
Entonces los materiales aislantes se agrupan en diferentes clases: Y, A, B y C con temperaturas
límite de 90°C, 105°C y 130°C para las tres primeras clases y sin límite para la clase C.
Las clases Y y A cubren varios materiales orgánicos con y sin impregnación respectivamente.
Mientras que las clases B y C cubren materiales inorgánicos, respectivamente con y sin
aglutinante.
En esta clasificación los materiales no-impregnados, que absorben humedad de la clase Y no
son generalmente usados para el aislamiento de motores eléctricos, ya que absorben humedad
fácilmente y su calidad se degrada rápidamente. Los materiales de la clase C, son por lo general
quebradizos, así que tampoco son aptos para motores. Los materiales de la clase A y B han
sido usados por largo tiempo para aislar bobinados de motores. En épocas recientes se están
usando más los aislamientos de la clase F y H ya que son de materiales más modernos y que
resisten mayores temperaturas. [14]
Los bobinados de las maquinas se pueden construir con diversos aislamientos que son definidos
por la temperatura máxima que pueden aguantar sin deteriorarse, por tanto, en la placa de
características viene indicado mediante una letra y su significado es:
•
•
•
•
•
•
•
Aislamiento clase Y = Temperatura máxima admisible de 90°C.
Aislamiento clase A = Temperatura máxima admisible de 105°C.
Aislamiento clase E = Temperatura máxima admisible de 120°C.
Aislamiento clase B = Temperatura máxima admisible de 130°C.
Aislamiento clase F = Temperatura máxima admisible de 155°C.
Aislamiento clase H = Temperatura máxima admisible de 180°C.
Aislamiento clase C = Temperatura máxima admisible de más de 180°C.
Siendo los más usados en motores las clases B, F y H
17
V. PROTECCIONES PARA MOTORES
La protección para motores eléctricos se realiza a través de dispositivos que aseguran
la desconexión oportuna de los motores eléctricos de la red ante la ocurrencia de
alteraciones del régimen normal de trabajo, con el fin de evitar el deterioro del
aislamiento del motor, de los devanados y de las conexiones eléctricas [1].
Las causas más frecuentes de regímenes anormales del motor son sobrecargas,
cortocircuitos, disminución o desaparición del voltaje. La sobrecarga es el aumento de
la intensidad de corriente del motor por encima de la magnitud nominal, estas pueden
ser de pequeñas y cortas duraciones estas no son peligrosas para el motor y no son
objeto de atención en cuanto a la protección se refiere, de lo contrario si son excesivas
y prolongadas estas se vuelven peligrosas para los devanados del motor, por la gran
cantidad de calor que desprende la corriente lo que puede pulverizar al aislamiento y
quemar los devanados [2].
Los cortocircuitos son peligrosos los cuales tienen lugar en los devanados, por lo que
se requiere la protección de motores contra sobrecargas y cortocircuitos, la que se
denomina protección de máxima corriente, esta protección se la realiza por medio de
fusibles, relés de intensidad y relés térmicos [2].
Depende de la potencia del motor la selección del tipo de protección, también de las
condiciones de arranque y del carácter de la sobrecarga.
TABLA I
Relación de defectos y su método de protección
DEFECTO
PROTECCIÓN
Cortocircuito
Fusible
Interruptor Automático
Electromagnético
Disyuntor Motor
Interruptor Automático Magnetotérmico
Sobrecarga
Relé Térmico
Disyunto Guardamotor
Sondas de Temperatura
Interruptor Magnetotérmico
Defecto de aislamiento
Interruptor Diferencial
Sobrevoltaje
Limitador de sobrevoltaje
Subvoltaje
Relé disparador de mínima tensión
•
El Fusible
Es el elemento de protección más antiguo y a la vez el más simple en su
concepción. Su funcionamiento se basa en colocar un elemento que sea el más
débil en la instalación eléctrica, su misión es que, en caso de una sobrecorriente,
18
sea el fusible el que se sacrifique., es un elemento destinado a la protección
contra cortocircuitos [10].
Esta constituido por un hilo o lámina de un material conductor de la electricidad
que tiene un punto de fusión bajo. De esta forma, al ser recorrido por una
corriente eléctrica superior a cierto valor, el conductor del fusible se calienta
por Efecto Joule y una vez alcanzada la temperatura de fusión se rompe y esto
interrumpe el paso de la corriente y así protege al resto de la instalación [10].
Figura
16.
Fusible [10]
•
El Relé Térmico
Es uno de los elementos de protección del motor eléctrico. Es un dispositivo de
acción lenta que reacciona por efecto de la temperatura sobre una lámpara
metálica. Se emplea para la detección y protección de sobrecargas en el motor
eléctrico. Un motor eléctrico puede soportar ligeras sobrecargas de una manera
temporal sin que sufra en exceso. Si esa sobrecarga perdura en el tiempo
entonces se convierte dañino para el motor [10].
Debido a que no se considera un sistema de protección total, hay que combinarlo
con otro sistema con el cual se complemente y le ofrezca una protección contra
cortocircuitos [10].
19
Figura
17. Relé
Térmico
[10]
Algunos
motivos
disparo del
térmico
de los
del
relé
están
relacionados con las siguientes situaciones [10]:
➢
➢
➢
➢
➢
➢
Sobrecarga del motor por un exceso de trabajo.
Sobrecarga por un defecto del motor.
Fallo de una de las fases de alimentación de la red eléctrica.
Disminución del voltaje de alimentación del motor.
Desequilibrio de las fases de alimentación de la red eléctrica.
Excesivo número de arranques y paros en un corto intervalo de tiempo.
El principio de funcionamiento del relé térmico se basa en emplear una lámina
compuesta de dos metales de diferente coeficiente de dilatación térmica, los
metales al calentarse se dilatan, el metal de la lámina con mayor capacidad de
dilatación va a forzar el que la lámina se curve, y con este movimiento se
produce la desconexión del relé [10].
Figura 18. Lámina bimetálica y su curvado [10]
20
El relé térmico presenta algunas clases de disparo que son [10]:
➢ Relé de clase 10: permite el arranque con un tiempo máximo de 10 segundos.
➢ Relé de clase 20: permiten el arranque con un tiempo máximo de 20 segundos.
➢ Relé de clase 30: permite el arranque con un tiempo máximo de 30 segundos.
Estos valores están fijados considerando un arranque de 7.2 veces la intensidad nominal
del motor.
Figura
Clases
disparo
relés
19.
de
de
térmicos según corriente y tiempo [10]
A continuación, se presenta una los datos del catálogo de siemens para la selección de
elementos.
Figura 20. Datos de algunos relés térmicos de la marca siemens [10]
•
Interruptor Automático Electromagnético
21
El interruptor automático electromagnético, también llamado disyuntor
electromagnético o disyuntor magnético, es un elemento de protección contra
los cortocircuitos. Este dispositivo se basa en emplear unos disparadores para
abrir el circuito eléctrico mediante el efecto electromagnético. Un disparador
por cada fase. El disparador consiste en un núcleo de hierro dentro de un campo
magnético. Esta calibrado para que cuando circule una corriente muy elevada
debido a un cortocircuito, una parte móvil se mueve por efecto de ese campo
electromagnético hacia una parte fija. Con este movimiento se provoca el
disparo y apertura del circuito [10].
Figura 21. Interruptor automático electromagnético [10]
El proceso de selección de este dispositivo es muy similar al del relé térmico, el
fabricante suele proporcionar datos en función al motor a proteger.
Figura 22. Datos de algunos relés térmicos de la marca siemens [10]
•
El Disyuntor Guardamotor
También recibe el nombre de interruptor automático del motor. El disyuntor
guardamotor es un sistema de protección para motores eléctricos que combina
las ventajas del disyuntor electromagnético con las ventajas del relé térmico.
Po lo tanto, es un sistema de protección completo frente a las sobrecargas y
cortocircuitos [10].
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Así mismo, puede como interruptor manual, lo que permite abrir o cerrar el
circuito a voluntad. Es por ello que es un elemento con capacidad de corte.
Figura 23. Disyuntor Guardamotor [10]
El dato mas importante a la hora de seleccionar un disyuntor guardamotor lo
proporciona el motor a proteger. Conociendo el motor se conoce su corriente
nominal y a partir de aquí se selecciona el contactor y el disyuntor [10].
También conociendo la corriente nominal del motor, se selecciona un disyuntor
guardamotor acorde al contactor en función de esta intensidad. El fabricante
proporciona los datos de regulación de intensidad de un disyuntor mediante una
margen (margen de regulación) para el disparo térmico. La corriente a la cual
se ajusta el disyuntor debe ser la intensidad nominal del motor. Un valor más
elevado no proporciona una protección eficaz contra la sobrecarga [10].
Si un disyuntor guardamotor correctamente ajustado se dispara con relativa
frecuencia, indica que el motor eléctrico va justo de potencia y que se debería
cambiar el motor por uno de mayor potencia o bien disminuir la carga del motor
[10].
Al igual que las anteriores protecciones el fabricante proporcionara un catálogo
de la protección dependiendo del funcionamiento y características del motor.
Figura 24. Datos de algunos disyuntores guardamotor de la marca siemens [10]
23
•
Las Sondas de Temperatura
La protección mediante sondas térmicas es un método que consiste en medir
directamente la temperatura en el interior del motor. Toda sobrecarga se traduce
en un aumento de temperatura, que si el motor no es capaz de disipar a la larga
daña o acorta la vida del motor. Las sondas de temperatura se emplean como
método de protección contra sobrecargas [10].
Las sondas de temperatura son unas resistencias (PTC o NTC) que varían su
resistencia eléctrica interna en función de la temperatura. Generalmente, son de
tipo PTC (resistencia de coeficiente positivo, es decir que a mayor temperatura
mayor resistencia) y también reciben el nombre de termistancias PTC o
termistores. Un motor eléctrico puede llevar una o varias sondas [10].
Las sondas térmicas se introducen en el motor durante el bobinado de este. Es
por ello que a la hora de adquirir un motor eléctrico se ha de decidir si se desea
que cuenten con dichas sondas. Las sondas realizan la tarea de medición, pero
es necesario contar con un dispositivo externo que se encargue de leer esos
valores y decidir si se ha de cortar la alimentación eléctrica del motor. Este
dispositivo es el relé de protección del motor por termistancia [10].
VI. MOTORES USADOS PARA INDUSTRIA REFINERA
La industria de la refinería contempla varios procesos para la obtención del resultado
final, por lo que se emplean una variedad de motores para los diferentes procesos. Los
motores eléctricos representan alrededor del 80% del uso de su electricidad de una
refinería. Las aplicaciones principales son 60% en bombas, 15% compresores de aire,
9% ventiladores y 16% otras aplicaciones. Algunos de los motores que se utilizan son
los siguientes [4]:
➢ Se usan motores de inducción trifásica, estos se emplearán para accionar las
bombas centrífugas que suministran el agua a las torres de refrigeración. Estos
motores tienen una construcción robusta e incorporan rodamientos y otros
componentes que mejoren la calidad del motor [4].
➢ Los motores antideflagrantes están construidos para contener la explosión en
caso de producirse una en el motor. De esta manera se proviene el escape de
gases explosivos y se minimizan las chispas en el interior del motor [4].
VII.
ESPECIFICACIONES
MOTORES
TÉCNICAS
PARA
LA
ADQUISICION
DE
Cuando se trata de adquirir un motor, se debe toma en cuenta las especificaciones
técnicas que el motor requiera. A continuación, se presenta una figura con las
especificaciones técnicas del motor que se requiera comprar [9].
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Figura 25. Características particulares de un motor [9]
Algunas de las características generales para adquirir un motor son las siguientes:
Figura 26. Placa de características de un motor [9]
➢ Número de fases.
➢ Temperatura ambiente.
➢ Factor de servicio: los motores deben contar con un factor de servicio de acuerdo
a su tamaño y frecuencia de rotación.
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➢
➢
➢
➢
➢
➢
➢
VIII.
Régimen de trabajo tipo continuo.
Tipo de arranque.
Tipo de Norma (Nema).
Tolerancia de la variación de la frecuencia nominal.
Tolerancia de la variación de voltaje eléctrico.
Placa de datos.
Características constructivas
Bibliografía
[1]. https://www.editores-srl.com.ar/sites/default/files/ie336_farina_motores.pdf
[2]. https://www.ecured.cu/Protecci%C3%B3n_de_motores_el%C3%A9ctricos
[3]. https://www.weg.net/institutional/ES/es/news/productos-y-soluciones/motores-debombeo-en-el-corazon-de-la-mas-avanzada-refineria-a-nivel-mundial
[4]. http://enerlac.olade.org/index.php/ENERLAC/article/view/49/92
[5].https://www.usmp.edu.pe/vision2017/pdf/materiales/MOTORES_ELECTRICOS_
PARA_LA_IN.pdf
[6].https://static.weg.net/medias/downloadcenter/h6e/h82/WEG-motores-electricosguia-de-especificacion-50039910-brochure-spanish-web.pdf
[7]. https://www.mheducation.es/bcv/guide/capitulo/8448173104.pdf
[8]. ‘’Electric Machinery and Transformers’’, Bhag Guru, 1994.
[9] Especificaciones Técnicas, Adqusisción de motores para una reserva de gas, Central
Térmica Gonzalo Zevallos.
[10] Instalación y Mantenimiento Eléctrico, Las Protecciones, Capítulo 4.
[11] Mansilla 2011, docplayer.es/41472125-Arrancadores-y-variadores-de-velocidadelectronicos.
[12] Piñero 2015, bibing.us.es/proyectos/abreproy/90201/fichero/proyecto.
[13] Motores Eléctricos, Tecnología eléctrica, Hernández Juan Luis.
[14] https://www.elanelectric.cl/wp-content/uploads/2019/04/Grados-IP-y-Clase-deAislacion.pdf