INTRODUCCIÓN

En la actualidad las grandes empresas están dejando a un lado los controles que utilizan lógica de relés para recurrir a sistemas controladores automatizados, ya que disminuyen el mantenimiento y optimizan los procesos para los cuales fueron diseñados, la capacidad y versatilidad que poseen estos sistemas hace que los gastos disminuyan proporcional y progresivamente además de que el producto se elabore con mayor precisión, por lo tanto, son estos sistemas tan importantes en la industria actual que se requiere personal capacitado para implementarlos de manera que se les pueda sacar el mayor provecho. Los variadores de velocidad son uno de estos equipos, ellos se basan en el principio de modificación de velocidad a través de la variación de frecuencia, pueden ser programados para cambiar la velocidad en un proceso de manera controlada sin causar disturbios en la red de alimentación, además, alarga la vida útil del motor y de las piezas mecánicas ya que se le pueden asignar a las maniobras rampas de aceleración - deceleración que hacen que la velocidad aumente progresivamente sin causar esfuerzos, ni fatiga mecánica. La desventaja es su costo con relación a los controles de motores convencionales pero a la larga el beneficio es mayor.

En esta investigación se siguieron los lineamientos dictados por el instituto de manera que la investigación se estructuró de la siguiente manera:

En el Capítulo I se aprecia todo lo referente al problema que motiva la realización de este trabajo de grado y se adelantan las condiciones ideales para la solución de estos, se delimita el campo de investigación y se establecen tanto objetivos generales como específicos, además de nombrar las limitaciones que interfieren ante los objetivos trazados.

En el Capítulo II está ampliamente desarrollada la teoría necesaria para comprender la forma de implementar sistemas básicos y complejos de Variación de la velocidad en motores de inducción trifásicos a través de los distintos métodos implementados actualmente en las industrias.

En el Capítulo III se describen los pasos a desarrollar para llevar a cabo la investigación, el diseño de la misma, población y muestra relacionada directamente con el objeto de estudio, las técnicas e instrumentos de recolección de datos (encuesta) y el análisis de los resultados.

El Capítulo VI está comprendido pro el análisis de los resultados derivados de la investigación, haciendo notar el logro de un módulo Teórico-Práctico que establece distintas formas de conexión y configuración para la instalación de Variadores de Velocidad específicos existentes en el laboratorio de electricidad del Instituto Universitario de Tecnología “Antonio José de Sucre”.

El principal objetivo de este trabajo especial de grado es el desarrollo de un modulo de teorías y prácticas que sirva de apoyo para la realización de montajes de control de motores utilizando Variadores de velocidad. Este tema se desarrolla a partir de la carencia de material teórico que estableciera normativas de seguridad para los equipos adquiridos por la institución, que resguardará de cierta forma la durabilidad y funcionalidad de los equipos y su adecuado manejo; El resultado de esta investigación de campo con apoyo documental es un modulo con prácticas básicas que pueden ser modificadas y/o ampliadas según se requiera apoyado con la teoría necesaria para comprender y estimular inquietudes con respecto a los Variadores de velocidad, todo esto basados en las reglamentaciones existentes para la instalación sacando un mayor provecho de los equipos sin afectar las instalaciones vecinas con algún tipo de interferencias derivadas de la mala implementación de estos.

CAPITULO I

Planteamiento del problema

Aspectos Generales del Instituto

Sinopsis Histórica del Instituto

El Instituto Universitario de Tecnología “Antonio José de Sucre”, fue creado según decreto No. 923 de fecha 04 de abril de 1972, reflejado en la Gaceta Oficial de la República de Venezuela número 29.972, como un instituto con sede en Caracas y potestad para abrir núcleos y extensiones en cualquier parte del país, génesis a partir de la cual y de manera progresiva se aperturan extensiones y autoriza el Ministerio de Educación a partir del 26 de enero de 1.994, según resolución número 0357, la creación en Guarenas de una ampliación de la extensión de la Urbina; núcleo educativo que inicia formalmente sus actividades el 02 de Noviembre de 1.998 ( Lapso 98-2) en un edificio con sede propia ubicada en: Av. Caracas con calle Perú, edificio Torresol, Urb. El Calvario.

Estructura organizativa del Instituto

El Instituto Universitario de Tecnología “Antonio José de Sucre”

Ampliación Guarenas está constituido de la siguiente manera:

Consejo Directivo

Dirección de Extensión

Consejo Académico y Extensión Universitaria

Oficina de Personal

Sub.-Dirección

División Académica

e.1.1. Departamento de Informática

e.1.2. Departamento de Administración

e.1.3. Departamento de Relaciones Industriales

e.1.4. Departamento de Construcción civil

e.1.5. Departamento de Turismo

e.1.6. Departamento de Publicidad

e.1.7. Departamento de Electrónica

e.1.8. Departamento de Mecánica

e.1.9. Departamento de Electricidad

e.1.10. Departamento de Diseño Grafico

e.1.11. Departamento de Diseño Industrial

e.2. Departamento de Tecnología educativa

e.2.1. Área Biblioteca

e.2.2. Área Diseño Instruccional

e.2.3. Área de Reproducción

e.3. Departamento de Prácticas Profesionales y Seguimiento

e.3.1. Pasantías

e.3.2. Seguimiento del Egresado

e.4. Departamento de Orientación y Bienestar Estudiantil

e.5. Departamento de Investigación y Postgrado

e.6. Departamento de Control de estudio

e.6.1. Área de Admisión

e.6.2. Área de Evaluación del Rendimiento Estudiantil

e.6.3. Área de Procesamiento de Datos

e.7. División Administrativa

e.7.1. Área de Contabilidad y Presupuestos

e.7.1.1. Sección de Caja

e.7.2. Área Informática

e.7.3. Área Servicios Generales

e.7.3.1. Sección de Mantenimiento

e.7.3.2. Sección de Almacén

e.7.3.3. Sección de Compras

e.7.3.4. Sección de Vigilancia

e.7.3.5. Sección de archivo y correspondencia

Aquí va el organigrama

Descripción del Problema

El Instituto Universitario de Tecnología Antonio José de Sucre Ampliación Guarenas, posee muy poco material bibliográfico referente a cátedras evidentemente prácticas como lo son Sistemas de Controles Industriales ó Instrumentación y Control Eléctrico, estas materias requieren tanto bibliografías como material para prácticas que estén acordes con la tecnología que se maneja en los campos de trabajo, para que los estudiantes de este instituto puedan ser competitivos en un mercado altamente exigente.

En el laboratorio de Electricidad hay equipos para el control de motores trifásicos de inducción y existe un manual de prácticas elaborado por los alumnos egresados de la primera promoción, pero aún es insuficiente, ya que con este manual solo se pueden implementar montajes básicos de control de motores, que no por eso dejan de ser importantes, pero este manual no se enfoca a la automatización de los procesos actuales y dejan a un lado el ahorro de energía, la vida útil de los motores, los esfuerzos que realizan los motores para realizar un trabajo y la precisión en los procesos industriales que se llevan a cabo en la actualidad.

Debido a lo antes señalado, los Variadores de Velocidad Altivar 28 y otros dispositivos para el control de motores no pueden ser utilizados para hacer montajes en el laboratorio, ya que no se tiene la debida información técnica ni de seguridad para evitar daños irreparables tanto a los instaladores u operadores como al equipo eléctrico instalado. Del mismo modo, otro factor que influye determinantemente en la implementación de prácticas es la identificación de los bornes de conexión de los aparatos de control, aumentando considerablemente el riesgo de lesiones a los instaladores u operadores así como daños irreparables a los equipos eléctricos instalados.

La condición ideal para prácticas de control de motores y dispositivos eléctricos asociados al control, estaría dentro de las siguientes características:

Equipos de Configuración mínima necesaria para montajes de laboratorio.

Equipos estandarizados.

Dispositivos dimensionados en relación con el equipo a controlar.

Material bibliográfico Teórico - Práctico debidamente revisado.

Condiciones Máximas de Seguridad para el estudiante y el equipo.

La totalidad de los elementos necesarios para realizar la maniobra.

Identificación de los bornes de Conexión.

Para lograr estas condiciones se requiere de poca inversión y dedicación de tiempo, los resultados, mejor formación y calidad en la educación que repercute directamente en el Reconocimiento de la Institución como Formadora de Profesionales Técnicos de calidad y mejoras en el nivel de conocimientos de los técnicos electricistas egresados.

Objetivos de la investigación

Objetivo general: Elaborar un modulo Teórico - Práctico enfocado en los Variadores de Velocidad Altivar 28 existentes en el laboratorio del Instituto Universitario Tecnológico “ Antonio José de Sucre” Ampliación Guarenas con la finalidad de promover el uso y aprendizaje de los sistemas de variación de velocidad en motores de inducción trifásicos y la actualización de la teoría y ensayos de sistemas de control de Motores.

Objetivos específicos

Elaborar módulo con teoría y prácticas relacionado con el control de motores a través de Variadores de frecuencia.

Establecer normas de Seguridad para instalación y maniobra de Variadores de frecuencia y control de motores en general.

Justificación de la investigación

El hecho de realizar este módulo de teoría y prácticas sobre el control de motores con Variadores de Frecuencia aporta al instituto un material de apoyo en la educación de las Cátedras Sistemas de Controles Industriales e Instrumentación y Control Eléctrico de la carrera Electricidad Mención Mantenimiento, y busca la actualización de mecanismos de Control de Motores de inducción utilizados frecuentemente en la industria que podrían ser mejorados en pro de la calidad del proceso y del producto procesado. El control de Motores de inducción trifásicos por medio de Variadores de velocidad tiene su importancia en los resultados de su aplicación en los procesos y las ganancias a corto, mediano y largo plazo, dado que conservan la vida útil de las maquinas controladas por ellos y otorgan precisión y pleno control en cualquier momento de un proceso sea delicado o no.

La competitividad en el área técnica se hace más marcada a medida que avanza la tecnología de los controles y los procedimientos, por lo cual debemos crear el camino para que los estudiantes egresados como Técnicos Superiores en Electricidad de Mantenimiento obtengan el conocimiento teórico y práctico suficiente como para competir en el área de su desempeño y así adaptarse más cómodamente a los sistemas reales aplicados a las empresas que buscan mejoras tecnológicas de forma continua.

Los equipos Altivar 28 adquiridos por el Instituto para el Taller de Electricidad, tienen las condiciones mínimas necesarias para realizar Montajes de Control de Motores, regulando la velocidad, controlando tiempos de rampa de aceleración o deceleración para encendido, apagado o control de Cambios en la velocidad que requiera un proceso determinado, así como otros parámetros de regulación de la frecuencia y velocidad del motor; estas configuraciones se utilizan de forma continua en procesos industriales actuales en los que el producto requiere precisión en las velocidades y arranque efectivo, además los controladores de motores basados en frecuencia alargan la vida útil de las máquinas eléctricas y generan ganancias con respecto a calidad del producto y el consumo necesario para realizar un trabajo; teniendo estos conocimientos se amplía la base de ideas necesarias para realizar rutinas de actualización en equipos de control aplicando las normas de seguridad necesarias dando valor agregado a las instalaciones.

Limitaciones de la Investigación

Las practicas solo podrán ser enfocadas en el Variador Altivar 28 de la marca Telemecanique y seguramente se descartaran parámetros y conexiones adicionales que aunque pudieran encontrarse en otros Variadores de Velocidad que se encuentran en el mercado, no son aplicables al modelo de Variador adquirido por la sede.

La carga máxima permisible para el Variador Altivar 28 son Motores de Inducción Trifásicos de 1 HP.

El Acceso a la información en cuanto a parámetros de Configuración y diagrama de conexiones para modelo de topología practica realizado por una empresa y que esté en uso en la actualidad.

Tiempo para reunir y procesar toda la información necesaria.

Delimitaciones de la Investigación

En este trabajo de grado se profundiza teóricamente sobre el principio de funcionamiento de los Variadores de Frecuencia / Velocidad en general, aun así, el Manual o Módulo de ejercicios Prácticos solo se basa en el Variador de Frecuencia / Velocidad Altivar 28 de Telemecanique, ya que son los Variadores que se encuentran en existencia en el laboratorio de electricidad del instituto.

Capitulo II

Marco Teórico

Antecedentes de la Investigación

Manual Teórico-práctico de Control de motores eléctricos: Este trabajo de investigación de campo con apoyo documental fue elaborado por el señor Román Isea (Año 1997) y la obra se encuentra en la universidad pedagógica experimental Libertador ( UPEL ).

La investigación tiene como principal objetivo elaborar un manual Teórico-Práctico relacionado con el control y maniobra de maquinas eléctricas para el programa de educación industrial mención Electricidad.

Diseño y desarrollo de un Modulo sobre Sistema de Control Eléctrico para el laboratorio de Electricidad del Instituto Universitario de Tecnología “Antonio José de Sucre”: Este trabajo especial de grado se realizó como una investigación de Campo y fue elaborado por los Alumnos Deinny García, Octavio Bastidas y Hansis Montilva, Egresados del Tecnológico “Antonio José de Sucre” Ampliación Guarenas (Año 2001) .

La investigación tiene como principal objetivo la elaboración de un Módulo sobre control de Motores que optimice la educación práctica de los alumnos de los semestres venideros y mejore la calidad de la educación en el instituto.

Manual de Electricidad: Este trabajo realizado en un semestre ordinario se desarrolló como una investigación de tipo documental y fue elaborado siguiendo la idea expresada por el profesor José Fariña que tiene como principal objetivo el de recopilar manuales de diversos temas relacionado con la carrera de Electricidad del Instituto Universitario de Tecnología “Antonio José de Sucre” Ampliación Guarenas con el fin de crear un banco de información (Richard O.,Samuel Q.,Sifontes W. 2001).

La investigación tiene como principal objetivo recopilar diversas informaciones sobre Esquemas eléctricos, Simbología y Normativa eléctrica.

Bases Teóricas

Motores

Podríamos definir la palabra motor, con el significado de que mueve y la máquina que llamamos motor, como aparato que transforma una energía a otra clase de energía, ejemplo: el motor de un automóvil, donde la energía de los gases de la gasolina, el motor los emplea transformándolos en energía mecánica para mover las ruedas del carro.

Así que la finalidad de un motor eléctrico es transferir energía mecánica; es decir, que la corriente eléctrica (energía) que aplicamos al motor al pasar por las bobinas o inducidos, genera un fuerte campo magnético el cual atrae el rotor haciéndolo girar; este (el eje) lo acoplamos a la máquina o dispositivo que deseamos mover (energía mecánica).

Motores de inducción

Estos motores son los más usados en la industria; tienen un estado similar al del motor sincrónico, pero el rotor está construido con barras o bobinas que se conectan en corto circuito. El campo magnético rotatorio del estator inducirá una fuerza electromotriz en los conductores del rotor, como éstos están en corto circuito, por ellos circulará una corriente que producirá el campo magnético necesario en el rotor para hacer que este último gire. Los motores de inducción siempre operarán a una velocidad inferior a la de los motores sincrónicos, o sea, la de sincronismo. Esto se debe a que si el rotor girara a esa velocidad, las líneas de campo magnético rotatorio no cortarían los conductores del rotor, no habiendo por lo tanto inducción en este último.

Es pues necesario que exista siempre una diferencia entre velocidad sincrónica y la velocidad del motor de inducción. A esta diferencia se le llama deslizamiento, el cual varia de acuerdo a la carga, al voltaje de la red y al diseño del motor.

Los motores de inducción se fabrican de dos (2) tipos: con rotor de jaula de ardilla y con rotor bobinado; a este último se le conoce también como motor de anillos.

El rotor de jaula de ardilla tiene unas barras que van conectadas en circuito sin que se requiera ningún tipo de conexión exterior por medio de anillos. Es el más sencillo, económico y el comúnmente usado en las industrias.

El rotor bobinado, como su nombre lo indica, lleva unas bobinas que se conectan a unos anillos deslizantes colocados en el eje; por medio de unas escobillas se conecta el rotor a unas resistencias que se pueden variar hasta poner el rotor en corto circuito al igual que el eje de jaula de ardilla.

Características de los motores de inducción: Los motores de inducción están provistos de puestas en marcha por rotación que se utilizan en aparatos monofásicos (de una [1] fase) o trifásicos (de [3] fases). En principio el número de fases utilizadas podrá crecer sin limitación, pero no existen ventajas prácticas cuando se excede de tres (3).

Con el fin de hacer lo más eficiente posible el uso del hierro y el cobre en el circuito el embobinado se distribuye en pequeñas hendiduras hechas en el hierro laminado del arranque. El arranque se construye con el empaquetamiento de aros (laminados) digamos que son paquetes de hoja de metal eléctrico. Cada hoja metálica se aísla de la vecina con una fina capa de barniz. Esto hace que el arranque haga girar al embobinado. Si utilizáramos un arranque formado por un solo bloque metálico se produciría un pequeño giro y las corrientes de remolino producidas serían de gran importancia. El hecho de barnizar las láminas en el arranque rompe el paso de la corriente entre las hojas metálicas y previene estos sucesos.

Sin embargo en lo que concierne al rotor existe un único embobinado, uno por cada fase, cada bobina del arranque genera un campo transverso al rotor.

El rotor tiene la forma de un cilindro metálico con una disposición simétrica del cable conductor enrollado (normalmente se le llama jaula de ardillas por su forma), y el campo magnético generado por el arranque induce corrientes en el embobinado del rotor. La interacción entre el campo magnético generado por estas corrientes y el campo magnético que rota produce un momento en el eje de salida.

Teoría del motor polifásico de inducción: Un motor de inducción es sencillamente un transformador eléctrico cuyo circuito magnético está separado por un entrehierro en dos (2) posiciones con movimiento relativo, una que lleva el devanado primario y la otra, el secundario. La corriente alterna que alimenta al devanado primario desde un sistema de energía eléctrica induce una corriente en oposición en el devanado secundario, cuando este ultimo se pone en cortocircuito o se cierra a través de una impedancia externa. El movimiento relativo entre las estructuras primarias y secundarias se produce por las fuerzas electromagnéticas correspondientes a la energía transferida de esta manera a través del entrehierro por la inducción.

La característica esencial que distingue a la máquina de inducción de los otros tipos de motores eléctricos es que las corrientes secundarias se crean únicamente por la inducción, como en un transformador, en lugar de ser alimentadas por un excitador de corriente directa o alguna otra fuente externa de energía, como en las máquinas síncronas y de corriente directa.

Los motores de inducción se clasifican como de jaula de ardilla y de rotor devanado. Los devanados secundarios en los rotores de los motores de jaula de ardilla se arman a partir de barras conductoras puestas en cortocircuitos por medio de anillos en sus extremos o se funde en su lugar con una aleación conductora. Los devanados secundarios de los motores de rotor devanado se bobinan con conductores discretos, con el mismo número de polos que el devanado primario del estator.

Motores trifásicos

“El motor de inducción es el de corriente alterna más empleado. Esto debido a su simplicidad, a la ausencia de colector y al hecho de que sus características de funcionamiento se adaptan bien para trabajar a velocidad constante”. Autor: Chester L. Dawes Pág. 273

Tipos de conexiones

La gran mayoría de los motores son proporcionados con los terminales del bobinado reconectables de modo de poder funcionar en redes de por lo menos dos (2) tensiones diferentes. Los principales tipos de conexión de

terminales de motores para funcionamiento en más de una tensión son:

1. Conexión serie-paralelo. El bobinado de cada fase es dividido en dos (2) partes (recordar que la cantidad de polos es siempre par, de modo que este tipo de conexión es siempre posible). Conectando las dos (2) mitades en serie, cada una quedará con la mitad de la tensión de fase nominal del motor. Conectándolas en paralelo, el motor podrá ser alimentado con una tensión igual a la mitad de la tensión anterior, sin que se altere la tensión aplicada a cada bobina. Este tipo de conexión exige nueve (9) terminales en el motor y la tensión nominal (doble) más común es 220/440 voltios, o sea, el motor es conectado en paralelo cuando se alimenta con 220 voltios y en serie cuando se alimenta con 440 voltios.

2. Conexión estrella -triángulo. El bobinado de cada fase tiene las dos (2) puntas accesibles desde fuera del motor. Si conectamos las tres (3) fases en triángulo, cada fase recibirá la tensión de línea, como por ejemplo 220 voltios. Si conectamos las tres (3) fases en estrella, el motor puede ser conectado a una línea con tensión igual a 220 x"3 = 380 voltios sin alterar la tensión en el bobinado que continúa siendo de 220 voltios por fase, ya que Uf = U x "3.

Este tipo de conexión exige seis (6) terminales en el motor y sirve para cualquier par de tensiones nominales, siempre que la segunda sea igual a la primera multiplicada por "3.

Ejemplos: 220/380 voltios - 380/660 voltios - 440/760 voltios

En los ejemplos 380/660 voltios y 440/760 voltios, la tensión mayor declarada sirve sólo para indicar que el motor puede ser accionado por un arrancador estrella-triángulo.

Los motores que poseen tensión nominal de operación sobre los 600 voltios deberán tener un sistema de aislamiento especial apto para esta condición.

Tensiones normales de conexión

La tabla 1, muestra las tensiones nominales múltiples más comunes en motores trifásicos y su aplicación.

Observaciones:

El arranque directo o con llave compensadora es posible en todos los casos de la tabla.

La conexión para 660 voltios o 760 voltios es usada solamente para conexión con llave estrella-triángulo. Todas las conexiones para las diversas tensiones son efectuadas con los terminales localizados en la caja de conexiones.

Todos los motores tienen el esquema para estas conexiones en la placa de identificación.

Tabla 1. Conexiones normales de los bobinados de motores trifásicos.

Fuente: Universidad Carlos III de Madrid (2002). Arranque de máquinas asíncronas. [Pagina web en línea]. Disponible:http://www.uc3m.es/uc3m/dpto/In/dpin02/M2.pdf

Tolerancia de variación de frecuencia

Según la norma IEC 34-1 motor eléctrico de inducción debe ser capaz de funcionar satisfactoriamente con frecuencias hasta cinco (5) por ciento por encima o debajo de su frecuencia nominal. Si al mismo tiempo hubiera variación de tensión, debe ser tal que la suma de las dos (2) variaciones (frecuencia y tensión) no pase de diez (10) por ciento. Fuente: www.iec.ch/cgi-bin/procgi.pl/www/iecwww.p?wwwlang=E&wwwprog=sea22.p&search=iecnumber&header=IEC&pubno=60034&part=1&se=&submit=Submitel

Así, como un bobinado trifásico es alimentado por corrientes trifásicas, se genera un campo giratorio como si hubiese un único par de polos giratorios de intensidad constante. Este campo giratorio, creado por el bobinado trifásico del estator, induce tensiones en las barras del rotor (las líneas de flujo cortan las barras del rotor) las cuales generan corrientes, y por consecuencia, un campo n el rotor de polaridad opuesta a la del campo giratorio. Como los polos opuestos se atraen y como el campo del estator (campo giratorio) es rotativo, el rotor tiende a acompañar la rotación de este campo. Entonces, en el rotor se genera un par motor que hace que gire, moviendo la carga.

Velocidad sincrónica

La velocidad sincrónica del motor es definida por la velocidad de rotación del campo giratorio, la cual depende de la cantidad de polos (2p) del motor y de la frecuencia (f) de la red, en hertz. Autor: Chester L. Dawes Pág. 279

Los bobinados pueden ser construidos con uno o más pares de polos, que se distribuyen alternadamente (un norte y un sur) a lo largo del perímetro del núcleo magnético. El campo giratorio recorre un par de polos (p) en cada ciclo. Así, como el bobinado tiene polos o pares de polos, la velocidad del campo será:

ns = 60 x f = 120 x f r.p.m

p 2p

Ejemplos:

(a) Cuál es la rotación sincrónica de un motor de 6 polos, 50Hz?

ns = 120 x 50 = 1000 r.p.m

6

(b)Y un motor de 12 polos, 60 Hz?

ns = 120 x 60 = 600 r.p.m

12

Note que la cantidad de polos del motor tendrá que ser siempre par, para formar los pares de polos. Para las frecuencias y polaridades usuales, las velocidades sincrónicas son: (ver tabla 2).

Tabla 2. Velocidades sincrónicas.

Fuente: Universidad Carlos III de Madrid (2002). Regulación de maquinas sincronas. [Pagina web en línea]. Disponible: http://www.uc3m.es/uc3m/dpto/In/dpin02/AC_ELEC_4

Para motores de dos (2) polos, el campo recorre una vuelta en cada ciclo. Así, los grados eléctricos equivalen a los grados mecánicos.

Para motores con más de dos (2) polos tendrán un giro geométrico menor e inversamente proporcional a 360 º y un giro geométrico de 360 º x 2/6 = 120º.

Esto equivale a 1/3 de la velocidad en dos (2) polos de donde se concluye que:

Grados eléctricos = grados mecánicos x p

Deslizamiento (s)

Si el motor gira a una velocidad diferente que la velocidad sincrónica, o sea, diferente a la velocidad del campo giratorio, el bobinado del rotor corta las líneas de fuerza magnéticas del campo y, por las leyes de electromagnetismo, en él circularán corrientes inducidas.

Cuanto mayor sea la carga, mayor tendrá que ser el par necesario para moverla. Para obtener el par necesario, tendrá que ser mayor la diferencia de velocidades para que las corrientes inducidas y los campos producidos sean mayores. Por lo tanto, a medida que la carga aumenta, decae la velocidad del motor. Cuando la carga es nula (motor en vacío), el rotor gira prácticamente con la velocidad sincrónica. La diferencia entre la velocidad del motor n y la velocidad sincrónica ns se llama deslizamiento s, que puede ser expresado en r.p.m, como una fracción de la velocidad sincrónica o como un porcentaje de ésta.

S (r.p.m) = ns - n ; s = ns - n s (%) = ns - n x 100

ns ns

para un deslizamiento s (%), la velocidad del motor se expresa:

n = ns x (1 - s (%) )

100

Ejemplo: Qué deslizamiento tiene un motor de 6 polos, 50Hz, si su velocidad es de 960 rpm?

s (%) = 1000 -960 x 100

1000

s (%) = 4%

Motores Síncronos.

Existen tres (3) tipos de motores que se pueden arrancar y hacer funcionar como motores de inducción y que, no obstante, también se pueden enlazar con la frecuencia de la fuente y funcionar como motores síncronos. Éstos son:

El motor de rotor devanado con excitador de corriente directa.

El motor síncrono de imán permanente (PM).

El motor síncrono de reluctancia.

En la actualidad, los dos (2) últimos tipos se usan principalmente con fuentes inversoras de energía eléctrica de frecuencia ajustable. En Europa, a menudo a los motores de inducción de rotor devanado se les ha dotado con excitadores de corriente directa de bajo voltaje, que alimentan corriente directa al rotor, con lo que se le hace operar como máquinas síncronas.

En el motor síncrono de imán permanente (PM), la construcción es la misma que la de un motor de ordinario de jaula de ardilla (monofásico o polifásico), excepto que la profundidad del núcleo del rotor por debajo de las barras de la jaula de ardilla es muy pequeña, precisamente la necesaria para llevar el flujo magnético del rotor por debajo de las condiciones del rotor bloqueado.

Un motor síncrono es una máquina que transforma la energía eléctrica en energía mecánica; en donde la velocidad promedio de operación normal es exactamente proporcional a la frecuencia del sistema al cual está conectado. A menos que se diga otra cosa, en general se sobreentiende que un motor síncrono tiene polos de campo excitados con corriente directa.

Tipos: El motor síncrono se construye con un conjunto de devanados polifásicos distribuidos de corriente alterna, designados como la armadura, que suele estar en el estator y que se consigna al sistema de alimentación de corriente alterna. La configuración del miembro opuesto, por lo general el rotor, determina el tipo de motor síncrono. Los motores con devanados del campo excitados con corriente directa sobre rotores de polos salientes o redondos, con capacidades nominales de 200 a 100 000 Horse Power (HP) y mayores, constituyen el tipo industrial dominante. En el motor síncrono sin escobillas, la excitación (corriente de campo) se alimenta a través de rectificadores montados en la flecha, desde un excitador de corriente alterna.

En el motor síncrono de anillos colectores, la excitación se alimenta desde un excitador montado en la flecha o desde una fuente separada de energía eléctrica de corriente directa. Los motores síncronos de inducción, con capacidades nominales por debajo de 5HP, que suelen alimentarse desde inversores con accionamiento de velocidad ajustable, se diseñan con una reluctancia diferente a través del entrehierro, longitudinalmente y en el eje en cuadratura, para desarrollar un par de reluctancia. Los motores no tienen fuente de excitación para la operación síncrona. Los motores síncronos de menos de 1 HP suelen emplear un tipo de motor de imán permanente. Por lo común, estos motores son accionados por un inversor de transistores, desde una fuente de corriente directa; se les menciona como motores de corriente directa sin escobillas.

Motores de Jaula de Ardilla

“El rotor de un motor de jaula de ardilla está hecho de barras conductoras que están en paralelo con el eje y en corto circuito por medio de unos anillos en los extremos, en los que se soportan físicamente. El tamaño de la barra, su forma y resistencia influyen en forma significativa en las características par-velocidad”. (Fuente: AFHA Internacional, S.A. (1978). Electricidad Teórico-Práctica.)

Todas las categorías de diseños de motores de inducción con número entero de caballos de potencia soportan los esfuerzos magnéticos y los pares con rotor bloqueado del arranque a pleno voltaje de línea. De acuerdo a sus curvas características par-velocidad, los motores de jaula de ardilla se diseñan en los tipos A, B, C Y D. El diseño tipo B es el más común y cubre la mayoría de las aplicaciones de los motores; estos tienen características de par de arranque y de corriente de arranque de línea adecuada para la mayor parte de los sistemas de potencia. Los motores de los diseños C y D tienen un par más alto que los de clase B. Para los motores de todos los diseños, los porcentajes de los pares tienden a decaer al aumentar la capacidad nominal HP.

Los motores del diseño A están diseñados para los mismos pares con rotor bloqueado y deslizamientos que los diseños B, pero tienen pares de fallas y corrientes con rotor bloqueado más altos. Estos motores resultan adecuados para cargas con par de arranque del cuarenta (40) al setenta (70) por ciento, par de aceleración del veinte (20) al cincuenta (50) por ciento y par pico del ciento treinta (130) al ciento setenta y cinco (175) por ciento del par nominal, en donde los arranques y detenciones no son frecuentes. Es posible que se requiera arranque a voltaje reducido debido a la elevada corriente con rotor bloqueado.

Los motores del diseño B suelen arrancarse en línea a pleno voltaje. Estos motores se pueden acelerar hasta llevarlos a plena velocidad, con cualquier carga que puedan arrancar. Estos motores son adecuados para cargas con par de arranque menor del cincuenta (50) por ciento, par de aceleración menor del cincuenta (50) por ciento y par pico menor del ciento veinticinco (125) por ciento. El bajo deslizamiento excluye las cargas de pulsación del par. El motor es adecuado para operaciones de carga estable continua, con arranque y detenciones no frecuentes.

Los motores de diseño D están diseñados para arrancar a pleno voltaje y desarrollar pares con rotor bloqueado del doscientos setenta y cinco (275) por ciento del par nominal. Las corrientes con rotor bloqueado son las mismas que para el diseño B. Estos motores tienen más del cinco (5) por ciento de deslizamiento con el par nominal y están diseñados para cargas que se aplican y eliminan con frecuencia. Estos motores se dividen en grupos del cinco (5) al ocho (8) por ciento de deslizamiento, del ocho (8) al trece (13) por ciento de deslizamiento y de más del trece (13) por ciento de deslizamiento.

Arranque de Motores

Arranque Directo: La manera más sencilla de arrancar un motor de jaula de ardilla es conectar el estator directamente a la línea, en cuyo caso el motor desarrolla durante el arranque el par que señala su característica par - velocidad.

En el instante de cerrar el contactor del estator, el motor desarrolla el máximo par de arranque y la corriente queda limitada solamente por la impedancia del motor. A medida que el motor acelera, el deslizamiento y la corriente disminuyen hasta que se alcanza la velocidad nominal.

El tiempo que se necesita para ello depende de la carga impuesta a la maquina, de su inercia y de su fricción. La carga de arranque no afecta al valor de la corriente de arranque sino simplemente a su duración. En cualquier motor de jaula de ardilla, la corriente y el par dependen solo del deslizamiento.

Cuando un motor de jaula de ardilla se conecta directamente a la línea en vacío, según su potencia, puede adquirir la velocidad nominal en un segundo. Cuando la maquina arranca con carga de poca inercia, el tiempo de arranque del mismo motor podría aumentar a cinco (5) ó diez (10) segundos.

Aunque la potencia de la línea aumenta y se están desarrollando muchos arrancadores de baja corriente para los motores de jaula de ardilla, los arrancadores directos se usan cada vez más debido a su simplicidad y bajo precio.

Al montar una nueva planta se suele hacer la instalación eléctrica a partir de la línea de alta tensión, de manera que los motores de jaula se pueden conectar directamente. Por otra parte, como los motores forman parte de la instalación, se presentan problemas derivados del arranque de las maquinas que se deben estudiar cuidadosamente. Los factores limitativos a considerar son la potencia contratada, la posición de la caja de distribución más próxima así como los cables de alimentación y el sistema de protección.

La sencillez del arranque directo hace posible el arranque con un simple contactor, por lo que suele efectuar rara vez mediante arrancador manual. Los arrancadores automáticos comprenden el contactor trifásico con protección de sobrecarga y un dispositivo de protección de sobrecarga de tiempo inverso. El arranque y la parada se efectúan mediante pulsadores montados sobre la caja, pudiéndose también disponer de control remoto si fuera necesario.

Arranque directo con inversión de giro (Potencia): El seccionador portafusibles de cabecera se puede sustituir por un disyuntor automático. Se puede sustituir también el relé térmico por un disyuntor automático magnetotérmico que cumpla las funciones de protección contra cortocircuitos y contra sobrecargas ajustable al consumo nominal del motor (comúnmente llamados guardamotores o protectores de motor), en cuyo caso se instalaría en la cabecera de línea, antes del contactor, en lugar del seccionador portafusibles. Tómese en cuenta la presencia de un enclavamiento mecánico entre los contactores para evitar cualquier posibilidad de que puedan estar ambos cerrados a la vez y evitar así un cruce directo entre fases. La simple inversión de la secuencia de fases en su orden de conexión producirá la inversión del sentido de giro del motor.

Arranque directo con inversión de giro (Control): Se omite una protección contra cortocircuitos del circuito de control, necesaria individualmente o colectivamente para varios circuitos de control, mediante fusibles o mediante aparatos magnetotérmicos. El circuito de control incluye dos (2) pulsadores eléctricos de marcha local (uno para cada sentido de giro) y paro local por pulsador mecánico que actúa sobre el mismo relé térmico. (ver figura 1).

Se puede instalar un pulsador de paro eléctrico o incluso pulsador de paro de emergencia asociándolos en serie con los pulsadores de paro existentes en este circuito. La maniobra de paro es común para ambos sentidos de giro. En los circuitos de control de cada uno de los contactores se conectan en serie un contacto de apertura del otro contactor (contacto 61-62), para evitar eléctricamente que la pulsación simultánea de los pulsadores de ambos sentidos de giro pueda activar simultáneamente los dos contactores. Los contactos de cierre 13-14 de cada uno de los contactores en paralelo con los pulsadores de marcha hacen la función de retención eléctrica de la maniobra de pulsación para mantener así la bobina de cada uno de los contactores excitada después de soltar el pulsador de marcha.

Figura 1. Arranque directo con inversión de giro, con control local y a distancia

Fuente: Universidad Carlos III de Madrid (2002). Ensayos en maquinas asíncronas. [Pagina web en línea]. Disponible: www.uc3m.es/uc3m/dpto/In/dpin02/II_Ensayo_asin.pdf

Arranque Estrella - Triángulo: Se trata de un método de arranque basado en las distintas relaciones de la tensión de línea y la compuesta, a la tensión de fase que representan los acoplamientos trifásicos estrella - triángulo. En consecuencia, el método solo será aplicado a motores trifásicos alimentados por una red trifásica cuyo devanado estatórico presenta sus seis (6) bornes accesibles.

Esta solución no solo permite la utilización del motor con dos (2) tensiones distintas, que estén en la relación de 1 a