DISEÑO DE UN BANCO DE ANÁLISIS DE FALLAS PARA MOTORES ELÉCTRICOS ASINCRÓNICOS DE ROTOR JAULA DE ARDILLA

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1 FACULTAD DE INGENIERIA INGENIERIA DE EJECUCIÓN EN MECÁNICA DISEÑO DE UN BANCO DE ANÁLISIS DE FALLAS PARA MOTORES ELÉCTRICOS ASINCRÓNICOS DE ROTOR JAULA DE ARDILLA TRABAJO DE TITULACIÓN PRESENTADO EN CONFORMIDAD A LOS REQUISITOS PARA OPTAR AL TÍTULO DE : INGENIERO DE EJECUCIÓN EN MECÁNICA. Profesor Guía: Argimiro Loyola Troncoso. Jean Andrés Bustamante Sepúlveda. Juvenal Enrique Silva León. CURICÓ CHILE 003

2 AGRADECIMIENTOS Agradezco a Dios, a mis padres, a mi hermana por el apoyo incondicional y desinteresado que me brindaron durante mí paso por la universidad. Ellos fueron personas fundamentales para lograr el objetivo que me impuse al comienzo de este largo camino. Además, doy gracias a todas aquellas personas que en algún momento me ayudaron. En especial a ti Sory, que me apoyaste y comprendiste en muchas ocasiones. Dedico este trabajo a mí familia y a una persona que me quería mucho y estoy seguro que estaría orgullosa de mí, para ti abuelita. Jean Andrés Bustamante Sepúlveda.

3 Doy gracias a Dios y mis Padres por haberme dado la posibilidad de terminar exitosamente mi vida de estudiante... Además agradezco a todas las personas que de una u otra forma me ayudaron en especial a ti, mi Amorcito por comprenderme y apoyarme en los momentos difíciles.... Dedico esta memoria a mis padres y a mi hija Camila, ya que ellos fueron mis principales fuentes de inspiración para tener la fortaleza necesaria para seguir adelante en este difícil camino y así cumplir la meta planteada desde mi infancia.... Juvenal Enrique Silva León..

4 Agradecemos enormemente a todas aquellas personas que de una u otra forma colaboraron en realización de esta memoria entre las que destacan los profesores Argimiro Loyola, Leonardo Venegas, José Villalobos y a todo el cuerpo docente de la carrera de Ingeniería de Ejecución en Mecánica, ya que ellos son los forjadores de profesionales del mañana.

5 INDICE Pág. Introducción... 1 Objetivo general... Objetivos específicos... 3 CAPÍTULO I: GENERALIDADES. 1.1 Motores eléctricos Motores de corriente continua Motores de corriente alterna Motores de inducción trifásico Partes principales del motor Principio de funcionamiento campo giratorio Velocidad sincrónica Deslizamiento Conceptos Básicos Par Energía y potencia mecánica Energía y potencia eléctrica Circuitos de corriente Alterna Potencia aparente, activa y reactiva Potencia aparente Potencia activa Potencia reactiva Triángulo de potencias Factor de potencia Rendimiento Relación entre par y potencia Sistema de corriente alterna monofásico Generalidades Frecuencia Tensión máxima Corriente máxima Valor eficaz de la tensión y corriente Desfasaje Conexiones en serie y paralelo... 16

6 1.4.3 Sistema de corriente alterna trifásico Conexión triángulo Tensión de línea Corriente de línea Tensión y corriente de fase Conexión estrella Sistema de corriente alterna trifásica El sistema Trifásico Tolerancia de variación de tensión Tensiones de conexiones normales Tolerancia de variación de frecuencia Conexión en frecuencia diferente Limitación de la corriente de arranque en motores trifásicos Arranque con actuador estrella-triángulo Arranque con autotransformador Comparación entre actuador estrella-triangulo y autotransformador Arranque electrónico Sentido de rotación de motores de inducción trifásicos Consideraciones para la aplicación de motores eléctricos jaula de ardilla Clase A Clase B Clase C Clase D CAPITULO II: FALLAS..1 Anormalidades en el servicio Análisis de fallas Como identificar y determinar una falla El motor no funciona correctamente Clasificación de las fallas según su origen Esquema general de anomalías eléctricas Fallas más comunes de un motor trifásico El motor no arranca El motor no funciona correctamente El motor gira despacio El motor se calienta excesivamente... 41

7 .4.5 Daños en el rotor (jaula) Anomalías de carácter mecánico Fractura del eje Defectos en los rodamientos CAPITULO III: DISEÑO DEL BANCO. 3.1 Condiciones generales del diseño Composición del banco Esquema general del banco de análisis de fallas Apoyo elástico para motores Estructura soportante Cálculo de la placa soportante Cargas que actúan en las vigas Viga sometida a tracción Viga sometida a compresión Viga lateral Columnas del banco Cálculos de las columnas por esfuerzo normal Cálculos de las columnas por pandeo Otros perfiles del banco Soldadura Pernos de sujeción Condiciones del diseño eléctrico Composición del sistema eléctrico Cálculo de cortocircuito Protección general del tablero y protección del motor Sección de conductores CAPITULO IV: SISTEMA DE CARGA. 4.1 Diseño del sistema de Carga Componentes del sistema de carga Estructura soportante Disco de freno Cáliper... 73

8 4..4 Eje de soporte Caja de rodamientos y soporte del disco Tapa de conexión Mecanismo de frenado Diseño del eje Selección de rodamientos Sistema de acoplamiento CAPITULO V : PRUEBAS A REALIZAR EN EL BANCO. 5.1 Condiciones de prueba de los motores eléctricos Inspección visual Anomalía que se pueden visualizar en el banco Motor arranca pesado El motor gira despacio El motor se calienta Especificaciones técnicas del banco CAPITULO V I COSTOS. 6.1 Costo del proyecto Costo de los elementos y piezas a fabricar Costo de las piezas y accesorios comerciales Costo de armado Costo de ingeniería Costo total del proyecto CONCLUSIONES BIBLIOGRAFÍA ANEXO I: Planos estructurales ANEXO II: Planos circuito eléctrico. ANEXO III: Planos sistema de carga. ANEXO IV: Tablas y gráficos.

9 INTRODUCCIÓN Es fundamental para un buen aprendizaje relacionar la teoría con la práctica. Esto sirve para desarrollar los conocimientos entregados por los profesores y tener así una visión más amplia de lo que se enseña, además facilita la solución de problemas prácticos, los cuales son fundamentales en la vida laboral. De ahí nace la idea de desarrollar el diseño de un banco de análisis de fallas para motores eléctricos de rotor jaula de ardilla, el cual sería de gran utilidad para los alumnos, porque entenderían mejor el funcionamiento de un motor eléctrico y las anomalías que presentan en servicio. Como existe una amplia variedad de motores eléctricos, se decidió estudiar y analizar aquel motor que fuese el más utilizado en la industria. El análisis de nuestra investigación nos entregó que el más empleado es el denominado de rotor jaula de ardilla. Es el motor eléctrico por excelencia, es el relativamente más barato, eficiente, compacto, de fácil instalación y mantenimiento. El banco que se diseñó, está enfocado a descubrir las fallas y anomalías eléctricas habituales que afectan a estos tipos de motores. Se busca con esto disminuir el tiempo empleado en detectar las anomalías del motor, porque no es necesario el desarme de este, debido a que contempla toda la instrumentación necesaria para detectar las anomalías eléctricas que en su debida oportunidad, se mencionan. Además se puso mucho énfasis en el diseño del banco, con el objetivo de lograr un fácil manejo de toda la instrumentación que posee, que sea seguro y de fácil acceso a los sistemas de seguridad. Todo esto se pensó para que el banco tenga una buena ergonometría. Para llevar a cabo este proyecto se debió realizar un análisis a las características de funcionamiento del motor, se revisó bibliografía con datos sobre las fallas que presentan estos tipos de motores y con toda la información recolectada, se procedió a realizar el diseño mecánico y eléctrico del banco. Para realizar el diseño del banco se buscaron soluciones integrales a todos los problemas que se presentaron; un ejemplo de esto fue el sistema de carga, el cual es una adaptación de un sistema de freno automotriz. Al término del presente proyecto se realizó su respectiva valorización, la que se presenta en dólares para así tener una estimación real, del costo total del proyecto al momento de construirlo. Algunos ítemes de la valorización no afectaron al costo total del proyecto, debido a que si se construyese lo realizarían alumnos tesistas, al igual que el diseño, que fue realizado por nosotros. La realización de este proyecto sería de gran utilidad para la universidad, porque los alumnos reforzarían de mejor manera los conocimientos teóricos entregados por los profesores de las distintas áreas en las cuales la electromecánica es fundamental.

10 Objetivo general. El objetivo general del proyecto es el diseño y la valorización de un banco de análisis de fallas para motores eléctricos asincrónicos de rotor jaula de ardilla. Objetivos específicos. Mediante la realización de un marco teórico entender el funcionamiento y las características generales de los motores eléctricos. Identificar las anomalías más frecuentes que presentan los motores eléctricos durante su funcionamiento. Realizar el diseño mecánico y eléctrico conociendo las variables que influyen, en el sistema. Confeccionar planos de fabricación y montaje de todos los elementos que componen el banco. Realizar las cotizaciones respectivas, para lograr la valorización del proyecto.

11 CAPITULO I GENERALIDADES

12 1.1 Motores eléctricos. El motor eléctrico, es una máquina destinada a transformar energía eléctrica en energía mecánica. Este motor, es el más usado de todos los tipos de motores, ya que combina las ventajas de la utilización de la energía eléctrica bajo costo, facilidad de transporte, limpieza y simplicidad de comando con su construcción simple, costo reducido, gran versatilidad de adaptación a las cargas más diversas y mejores rendimientos. Los tipos de motores eléctricos más comunes son: Motores de corriente continua. Son motores de costo más elevado y además, precisan de una fuente de corriente continua o un dispositivo que convierta la corriente alterna común, en continua. Puede funcionar con velocidad ajustable entre amplios límites y se prestan a controles de gran flexibilidad y precisión. Por eso, su uso está restringido a casos especiales, en que estas exigencias compensan el costo mucho más alto de su instalación Motores de corriente alterna. Son los más utilizados, por que la alimentación de energía eléctrica, es hecha normalmente en corriente alterna. Los principales tipos son: - Motor sincrónico: funciona con velocidad fija; utilizado solamente para grandes potencias (debido a su alto costo en tamaños menores) o cuando se necesita de velocidad invariable. - Motor de inducción: funciona normalmente con una velocidad constante, que varía ligeramente con la carga mecánica aplicada al eje. Debido a su gran simplicidad, robustez y bajo costo, es el motor más utilizado, siendo adecuado para casi todos los tipos de máquinas, que se encuentran en la práctica.

13 Split-phase Capacitor de partida Jaula de ardilla Capacitor permanente Asincrónico Polos sombreados Capacitor de dos valores Monofásico Rotor bobinado Repulsión Reluctancia Motor CA Universal Sincrónico Asincrónico Histerésis Jaula Anillos Trifásico Imán permanente Motor CC Excitación serie Shunt Excitación compound Imán permanente Sincrónico Polos salientes Polos lisos Figura 1.1.-Universo tecnológico de los motores eléctricos.

14 1. Motor de inducción trifásico Partes principales del motor. Un motor eléctrico consta de dos partes principales que son: 1.- una parte giratoria llamada rotor..- una parte fija llamada estator. Figura 1.. Motor de inducción trifásico.

15 Estator Rotor Carcaza (1) es la estructura soporte del conjunto; de construcción robusta en hierro fundido, acero o aluminio inyectado, resistente a la corrosión y presenta aletas. Núcleo de chapas () las chapas son de acero magnético, tratadas térmicamente para reducir al mínimo las pérdidas en el hierro. Bobinado trifásico (8) tres conjuntos iguales de bobinas, una para cada fase, formando un sistema trifásico conectado a la red de alimentación. Eje (7) transmite la potencia mecánica desarrollada por el motor. Es tratado térmicamente para evitar problemas, como deformación y fatiga. Núcleo de chapas (3) las chapas poseen las mismas características que las del estator. Barras y anillos de cortocircuito (1) son de aluminio, fundidos a presión en una única pieza. Otras partes del motor a inducción trifásico: Tapas (4) Ventilador (5) Protección de ventilador (6) Caja de conexiones (9) Placa de bornes (10) Rodamientos (11) Lo que caracteriza al motor de inducción, es que sólo el estator es conectado a la red de alimentación. El rotor no es alimentado externamente y las corrientes que circulan en él son inducidas electromagnéticamente por el estator, de donde, surge el nombre de motor de inducción.

16 1.. Principio de funcionamiento campo giratorio. Cuando una bobina es recorrida por una corriente eléctrica, se genera un campo magnético dirigido en dirección del eje de la bobina y de valor proporcional a la corriente. I Figura 1.3.-Campo giratorio. 10 Figura 1.3a Figura 1.3b a) En la figura 1.3a se muestra un bobinado monofásico recorrido por una corriente I, y un campo H es generado por ella; el bobinado está constituido por un par de polos, polo norte y polo sur, cuyos efectos se suman para establecer el campo H. El flujo magnético atraviesa el rotor entre los dos polos y se cierra a través del núcleo del estator. Si la corriente I es alterna, el campo H también, y su valor a cada instante podrá ser representado por el mismo gráfico de la figura 1.6b (Pág.15), también invirtiendo el sentido en cada medio ciclo. El campo H es pulsante pues su intensidad varía proporcionalmente a la corriente, siempre en la misma dirección norte-sur. b) En la figura 1.3b, se muestra un bobinado trifásico, conformado por tres monofásicos espaciados entre si 10. Si este bobinado fuera alimentado por un sistema trifásico, las corrientes I 1, I y I 3 crearán, del mismo modo, sus propios campos magnéticos H 1, H y H 3. Estos campos están espaciados entre si 10. Además, como son proporcionales a las respectivas corrientes estarán desfasados en el tiempo 10 entre sí, y pueden ser representados por un gráfico igual al de la figura 1.8 (Pág.17). El campo total H resultante, en cada instante, será igual a la suma gráfica de los tres campos H 1, H y H 3 del instante correspondiente.

17 H 1 H H 3 H 1 H 3 H 3 Suma gráfica H 1 H H H 3 H 1 H H H 3 H 1 H H 3 H Resultante H H H H H H Figura Representación de la suma gráfica para seis instantes sucesivos. En el instante (1), la figura 1.8 (Pág.17), muestra que el campo H, es máximo y los campos H y H 3 son negativos y del mismo valor, iguales a 0.5, H 1. Los tres campos son representados en la figura 1.4, parte superior y teniendo en cuenta que el campo negativo se representa con un vector en sentido opuesto al que sería normal; el campo resultante es representado en la parte inferior de la figura 1.4 y tiene la misma dirección que el campo de la fase 1. Repitiendo la construcción para los puntos, 3, 4, 5, y 6 de la figura 1.8, se observa que los campos resultantes H tienen intensidad constante, pero su dirección gira. Completando una vuelta cada fin de ciclo. Así cuando 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 en 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 (n s ). La velocidad sincrónica del motor, es definida por la velocidad de rotación del campo giratorio, la cual depende de la cantidad de polos (p) del motor y de la frecuencia (f) de la red, en Hz. Los bobinados pueden ser construidos con uno o más pares de polos, que se distribuyen alternadamente (un norte y un sur) a lo largo de la periferia del núcleo magnético. El campo giratorio recorre un par de polos (p) en cada ciclo.

18 Así, como el bobinado tiene polos o pares de polos, la velocidad del campo será: n 60 f 10 f s = = p p ( rpm) Nótese que la cantidad de polos del motor, tendrá que ser siempre par, para formar pares de polos. Para las frecuencias y polaridades usuales, las velocidades sincrónicas son: Velocidad sincrónica (vueltas por Numero de polos minuto) 60 Hz 50 Hz Tabla 1.1. Velocidades sincrónicas. Para motores de dos polos, el campo recorre una vuelta en cada ciclo. Así los grados eléctricos equivalen a los grados mecánicos. Para motores con mas de dos polos, tendremos un giro geométrico menor e inversamente proporcional a 360 la cantidad de dos polos. Grados eléctricos = Grados mecánicos p 1..4 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 fuerzas 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, el rotor gira prácticamente con la velocidad sincrónica.

19 La diferencia entre la velocidad del rotor y la velocidad sincrónica n s se llama deslizamiento S, que puede ser expresado en rpm, como una fracción de la velocidad sincrónica o como un porcentaje de ésta. s s ( rpm) = n n s s ns n s = n n n s (%) = 100 n s Para un deslizamiento s (%), la velocidad del motor se expresa : n s (%) = n 1 s Conceptos básicos. A continuación serán presentados los conceptos de algunas variables básicas, cuya comprensión es necesaria para entender mejor las explicaciones de las ideas que más adelante se presentarán Par. El par (también llamado momento binario, o torque) es la medida de la fuerza necesaria para girar un eje Energía y potencia mecánica. La potencia mide la rapidez con que la energía es aplicada o consumida (nótese que la unidad de medida de energía mecánica es el N-m, la misma que usamos para el par, pero se trata de variables de naturaleza diferente, que no deben ser confundidas). W = F d ( N m) La potencia, indica la rapidez con que esta energía es aplicada y se calcula dividiendo la energía o el trabajo total por el tiempo empleado en realizarlo.

20 La unidad más utilizada, para la medida de la potencia mecánica es el caballo de fuerza (hp), equivalente a 746 W. P mec = F d t ( W ) Para movimientos circulares F d P mec = 746 t ( hp) C d n = F r ( N m) v = π ( m ) F v P mec = 746 ( hp) 60 s Donde : C = par en N m. F = fuerza en N. L = brazo de palanca en m. r = radio de la polea en m. v = velocidad angular en m/s. d = diámetro de la pieza en m. n = velocidad en rpm Energía y potencia eléctrica. A pesar de que la energía es una sola, puede ser presentada en formas diferentes. Si conectamos una resistencia eléctrica a una red eléctrica con tensión, pasará una corriente eléctrica que terminará calentando la resistencia. Esta absorbe energía y la transforma en calor, que también es una forma de energía. Un motor eléctrico, absorbe energía eléctrica de la red y la transforma en energía mecánica disponible en la punta del eje Circuitos de corriente alterna. a) Resistencia. En el caso de resistencias, cuanto mayor sea la tensión de la red, mayor será la corriente y más rápido se calentará la resistencia. Esto quiere decir, que la potencia eléctrica será mayor.

21 La potencia eléctrica absorbida de la red, en el caso de la resistencia, es calculada multiplicando la tensión de la red por la corriente, si la resistencia carga, fuera monofásica. P = V I En el sistema trifásico la potencia en cada fase de carga será P = V I, como si fuese f f f un sistema monofásico independiente. La potencia total será la suma de las potencias de las tres fases, o sea: P = 3 P = 3 V I f f f Recordando que el sistema trifásico puede ser conectado en estrella o triángulo, tenemos las siguientes relaciones: Conexión estrella: V = 3 V f e I = I f Conexión triángulo: V = e I = 3 I f V f Así, la potencia total para ambas conexiones será: P = 3 V I Obs.: esta expresión vale para la carga formada por resistencias, donde no hay desfasaje de la corriente, respecto de la tensión aplicada. ( W ) b) Cargas reactivas. Para las cargas reactivas, o sea, donde existe desfasaje, como es en el caso de los motores de inducción, este desfasaje tiene que ser tomado en cuenta y la expresión será: P = 3 V I cosϕ La unidad de medida usual para la potencia eléctrica es el Watt (W), o su múltiplo, el kw. Esta unidad también es usada para medir potencia mecánica. La unidad de medida usual para al energía eléctrica es el kilowatt-hora (kw h.) correspondiente a la energía suministrada por una potencia de 1 kw. funcionando durante una hora, es la unidad que aparece en las cuentas de luz para la cobranza.

22 1.3.4 Potencia aparente, activa y reactiva Potencia aparente (S). Es el resultado de multiplicar la tensión por la corriente ( S = V I para sistemas monofásicos y S = 3 V I, para sistemas trifásicos). Evidentemente para las cargas resistivas, cosϕ = 1 y la potencia activa, queda igual a la potencia aparente. La unidad de medida para la potencia aparente es el volt-ampére ( VA ) o su múltiplo el kilovolt-ampére ( kva ) Potencia activa (P). Es la porción de potencia aparente que realiza trabajo, o sea, que es transformada en energía. P = 3 V I cosϕ ó P = S cosϕ ( kw ) ( W ) Potencia reactiva (Q). Es la porción de potencia aparente que no realiza trabajo. Apenas es transferida y almacenada en los elementos reactivos (capacitores e inductancias) del circuito Triángulo de potencias. Q = 3 V I senϕ ó Q = S senϕ ( kvar) ( kvar) φ V φ P Q I S Figura 1.5. Triángulo de potencias (carga inductiva).

23 1.3.6 Factor de potencia. El factor de potencia, indicado por cos ϕ,es el ángulo de desfasaje de la tensión en relación a la corriente, es la relación entre la potencia real (activa) P y la potencia aparente S (figura1.5). P P( kw ) 1000 cos ϕ = = S 3 V I Así, - Carga resistiva: cos ϕ = 1 - Carga inductiva: cos ϕ atrasado - Carga capacitiva: cos ϕ adelantado. Los términos atrasados y adelantados se refieren a la fase de corriente en relación a la fase de tensión Rendimiento. El motor eléctrico absorbe energía eléctrica de la línea y la transforma en energía mecánica disponible en el eje. El rendimiento define la eficiencia con que se realiza esta transformación. Llamando potencia útil P u a la potencia mecánica disponible en el eje y potencia absorbida P a a la potencia eléctrica que el motor saca de la red, el rendimiento será la relación entre ambas, o sea: Pu η = P a ( W ) ( W ) = 1000 P ( kw ) 3 V I cosϕ ó ( hp) 746 P η% = V I cosϕ Relación entre par y potencia. Al seleccionar un motor para accionar una máquina cualquiera, generalmente sólo se toma en cuenta la potencia necesaria y se pasa por alto otra característica que es tanto o más importante que ella, esto es el par motriz. Este olvido se paga, con el mal funcionamiento de la máquina o un sobre dimensionamiento absolutamente innecesario, con un funcionamiento muy lejos de su rendimiento óptimo. En la mayor parte de los casos los motores se alimentan a tensión constante y mueven una carga mecánica cuyo par resistente depende de la velocidad a que es arrastrada. La velocidad

24 en régimen permanente queda fija por el punto en el que el par que el motor puede dar electromagnéticamente, es igual al que la carga absorbe mecánicamente. Cuando la energía mecánica es aplicada bajo la forma de movimiento rotativo, la potencia desarrollada depende del par C y de la velocidad de rotación n. Las relaciones son: Inversamente : P ( kw ) C = ( kgfm) n( rpm) C( N m) n( rpm) C 974 ( kgfm) = = 974 n P( kw ) ( rpm) 9555 C ( N m) 9555 = n P( kw ) ( rpm) 1.4 Sistemas de corriente alterna monofásica Generalidades. En el sistema monofásico, una tensión alterna V (Volt) es generada y aplicada entre dos cables, a los que se conecta la carga que absorbe una corriente I (Ampere). I V I φ G CARGA V Tiempo I Figura Sistemas monofásicos. Figura 1.6a Figura 1.6b Si representamos en un gráfico los valores de V e I para cada instante, vamos a obtener la figura 1.6b. en ésta, también están indicados algunos parámetros que serán definidos a continuación. Nótese que las ondas de tensión y de corriente no están en fase, o sea no pasan por el valor cero al mismo tiempo, aunque tengan la misma frecuencia; esto sucede para muchos tipos de carga, por ejemplo, bobinados de motores (cargas reactivas).

25 Frecuencia. Es el número de veces por segundo, que la tensión cambia de sentido y vuelve a la condición inicial. Se expresa en ciclos por segundo o Hertz y se simboliza Hz Tensión máxima (V máx. ). Es el valor máximo de la tensión, o sea, el mayor valor instantáneo alcanzado por la tensión durante un ciclo (éste valor es alcanzado, dos veces por ciclo, una vez positivo y otra negativo) Corriente máxima (I máx. ). Es el valor máximo alcanzado por la corriente Valor eficaz de la tensión y corriente (V y I). Es el valor de la tensión y corriente continuas que desarrollan una potencia correspondiente a aquella desarrollada por la corriente alterna. Se puede demostrar que el valor eficaz vale: V V = y I = max I max OBS: En el lenguaje normal, cuando se habla de tensión y corriente sin especificar nada más, como por ejemplo 0 Volts o 10 Amperes, nos estamos refiriendo a los valores eficaces de la tensión o la corriente, que son los empleados en la práctica Desfasaje (ϕ). Es el atraso de la onda de corriente en relación a la onda de tensión (ver figura 6b). En vez de ser medido en tiempo (segundos), este atraso es generalmente medidos en ángulos (grados) correspondiente a la fracción de un ciclo completo, considerando 1 ciclo = 360. Aún, más común es expresarlo por el coseno de ese ángulo Conexiones en serie y paralelo. La conexión de dos cargas iguales a un sistema monofásico puede ser efectuada de dos modos: -Conexión en serie (ver figura 1.7a), en la que las dos cargas son atravesadas por la corriente total del circuito. En este caso, la tensión en cada carga será la mitad de la tensión del circuito para cargas iguales. -Conexión en paralelo. En este caso, (ver figura 1.7b), en la que se aplica a las dos cargas la tensión del circuito. En este caso, la corriente en cada carga será la mitad de la corriente total del circuito para cargas iguales.

26 0A 10A 10A 10A 10A 10A Figura Conexiones serie y paralelo. 0A Figura 1.7a Figura 1.7b Sistemas de corriente alterna trifásica. El sistema trifásico es formado por la asociación de tres sistemas monofásicos de tensiones V 1, V y V 3 tales que el desfasaje entre las mismas sea 10, o sea, los atrasos de V en relación a V 1, de V 3 en relación a V y de V 1 en relación a V 3 sean igual a 10 (considerado un ciclo completo = 360 ). El sistema es equilibrado si las tres tensiones tienen el mismo valor eficaz : V 1 = V = V 3, (según la figura 1.8). V1 V V3 I1 I I3 V1 V V Tiempo Figura Tensiones. Conectando entre sí los tres sistemas monofásicos y eliminando los cables innecesarios, tendremos un sistema trifásico: tres tensiones V1, V, V3,equilibradas, desfasadas 10 entre sí y aplicadas entre los tres cables del sistema. La conexión puede ser efectuada de dos formas, representadas en los esquemas siguientes. En estos esquemas se acostumbra representar las tensiones como flechas inclinadas o vectores giratorios, manteniendo entre sí el ángulo correspondiente al desfasaje (10 ), conforme a las figuras 1. 9 y 1.10.

27 Conexión triángulo. Si conectamos los tres sistemas monofásicos entre sí, como se indica en la figura 1.9a, podemos eliminar tres cables, dejando solo uno en cada punto de conexión, y el sistema trifásico quedará reducido a tres cables L 1, L y L 3. L 1 Figura 1.9a.-Conexiones L L I 1 I I3 Vf1 Vf Vf3 If1 I f If3 L 1 I1 I 1 =If1 + If3 Vf1 = Vf If3 If1 I3 L 3 If Figura 1.9b.-Esquema L I If1 If3 Figura 1.9c.-Diagramas Figura Conexión Triángulo Tensión de línea (V). Es la tensión nominal del sistema trifásico aplicada entre dos cables cualquiera de los tres cables L 1, L y L Corriente de línea (I). Es la corriente en cualquiera de los tres cables L 1, L y L Tensión y corriente de fase (V f e I f ). Son tensión y corriente de cada uno de los tres sistemas monofásicos considerados.

28 Examinando el esquema de la figura 1.9b, se ve que: V = V f I = 3 I = I 1 f 1 f 3 f I = I + I (ver figura 1.9c). f I = f I L Conexión estrella. Conectando uno de los cables de cada sistema monofásico a un punto común de los tres, los tres cables restantes forman un sistema trifásico en estrella (figura 1.10a). A veces, el sistema trifásico en estrella es a cuatro cables o con neutro. El cuarto cable es conectado al punto común a los tres fases. La tensión de la línea o tensión nominal del sistema trifásico y la corriente de la línea, son definidas del mismo modo que en la conexión triángulo. Figura 1.10a.-Conexiones L 1 L L I 1 I I 3 V f1 V f V f3 I 1 =If1 L 1 I f1 I f I f3 Vf1 V 1 = V f1 + V f V3 L V f1 V f L 3 Figura 1.10b.-Esquema Figura 1.10c.-Diagrama Figura Conexión Estrella. Examinando el esquema de la figura 1.10b, se ve que: I = I f V = 3 V f = V f V = V f + V (ver figura 1.10c) 1 f

29 1.5 Características de la red de alimentación El sistema. En general el sistema de alimentación es monofásico o trifásico. El sistema monofásico es usado en sistemas domésticos, comerciales y rurales y por su parte el trifásico, en aplicaciones industriales. De acuerdo con el país la frecuencia es 50 Hz Trifásico. Las tensiones más usadas en redes industriales son : -Baja tensión 0V, 380V y 440V. -Media tensión: sobre 1000 V. El sistema trifásico estrella de baja tensión consiste de tres conductores de fase ( L1, L, L3) y el conductor neutro (N), el cual está conectado al punto estrella del generador o al secundario de los transformadores, (según figura 1.11). L1 V V V Vf L Vf Vf L3 N Figura Sistema trifásico Tolerancia de variación de tensión. Según la norma IEC 34-1(ítem 1.3) el motor eléctrico de inducción debe ser capaz de funcionar de manera satisfactoria cuándo se alimenta con tensiones hasta 10% por encima o debajo de su tensión nominal, siempre que la frecuencia sea la nominal. Si hubiera simultáneamente variación en la frecuencia, la tolerancia de variación de tensión es reducida de manera que la suma de las dos variaciones (tensión y frecuencia) no pase del 10%. El efecto aproximado de la variación de la tensión sobre las características del motor se muestra en la siguiente tabla. (tabla 1.).

30 Desempeño del motor Par de arranque y par máximo Corrientes de arranque Corrientes a plena carga Tensión 0% encima de la nominal Tensión 10% encima de la nominal Tensión 10% abajo de la nominal aumenta 44% aumenta 1% disminuye 19% aumenta 5% aumenta de 10 a disminuye de 10 1% a 1% disminuye 11% disminuye 7% aumenta 11% Deslizamiento disminuye 30% disminuye 17% aumenta 3% Velocidad aumenta 1.5% aumenta 1% disminuye 1.5% Rendimiento Factor de potencia aumento pequeño disminuye 5 a 15% aumenta 1% disminuye % disminuye 3% aumenta 1% Temperatura disminuye 5 C Disminuye 3 C aumenta 6 C Ruido magnético aumento aumento ligero sin carga perceptible Tabla 1..- Efecto aproximado de la variación de tensión Tensiones de conexiones normales. disminución ligera La tabla 1.3, muestra las tensiones nominales múltiples más comunes en motores trifásicos y su aplicación a las tensiones de red usuales. Observaciones : El arranque directo o con actuador compensador es posible en todos los casos de la tabla. La conexión para 380V ò 660V es usada solamente para conexión con actuador 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.

31 Ejecución de los bobinados Tensión de servicio Arranque con actuador estrella - triángulo 0/380 0V No 380v No 380/ V Si Tabla 1.3 Conexiones normales de los bobinados de los motores trifásicos Tolerancia de variación de frecuencia. Según la norma IEC 34-1 (ítem 1.3), el motor eléctrico de inducción debe ser capaz de funcionar satisfactoriamente con frecuencias hasta 5% 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 variaciones (frecuencia y tensión) no pasa del 10%. El efecto aproximado de la variación de las frecuencias sobre las características del motor se muestra en la siguiente tabla: Motor bobinado Conectado en Velocidad Potencial Par nominal para 50 Hz 60 Hz nominal nominal Corriente Par de arranque Par máximo nominal Corriente de arranque Todos los valores en tantas veces el nominal V V Factor de transformación para funcionamiento en 60 Hz 0V 0V V 380V V 440V V 440V V 500V V 550V V 660V Tabla 1.4.-Variación en el funcionamiento de motores de 50 Hz.,conectados con 60 Hz Conexión en frecuencia diferente. Los motores trifásicos bobinados para 50 Hz. Podrán ser conectados en redes de 60 Hz. 1) Conectando el motor de 50 Hz, con la misma tensión de 60 Hz; La potencia del motor será la misma. La corriente nominal será la misma. La corriente en el arranque disminuye 17%. El par de arranque disminuye 17%. El par máximo disminuye 17%. La velocidad nominal aumenta 0%. ) Si se altera la tensión en proporción a la frecuencia :

32 Aumenta la potencia del motor 0%. La corriente nominal es la misma. La corriente en el arranque será aproximadamente la misma. El par de arranque será aproximadamente el mismo. La velocidad de rotación nominal aumenta 0%. Si el motor fuese conectado a 60Hz con bobinado para 50Hz, podremos aumentar la potencia en un 15% para II polos y 0% para IV, VI, y VIII polos Limitación de la corriente de arranque en motores trifásicos. Siempre que sea posible, el arranque de un motor trifásico de rotor jaula de ardilla, deberá ser directo, por medio contactores. Debe tenerse en cuenta que para un determinado motor, las curvas de par y corriente son fijas, independientemente de la dificultad del arranque para una tensión constante. En los casos en que la corriente de arranque del motor es elevada, pueden ocurrir las siguientes consecuencias perjudiciales : a) Gran caída de tensión en el sistema de alimentación. Esto provoca interferencia en los equipos que se encuentran instalados en el sistema. b) El sistema de protección, (cables, contactores) deberá ser sobredimensionado, ocasionando costos elevados. c) La imposición de las empresas de energía eléctrica que limitan la caída de tensión de la red. En el caso de que el arranque directo no sea posible debido a los problemas mencionados, se puede usar un sistema de arranque indirecto, para reducir la corriente de arranque. Estos sistemas de arranque indirectos ( tensión reducida ) son : Actuador estrella triángulo. Arranque con autotransformador. Arranque electrónico (soft - start).

33 Arranque con Actuador estrella triángulo. Para el arranque estrella triángulo, es fundamental que el motor tenga la posibilidad de conexión en dos tensiones,o sea, en, 380/660V. Los motores deberán tener por lo menos seis bornes de conexión. El arranque estrella triángulo podrá ser usado cuando la curva del par motor es suficientemente alta como para poder garantizar la aceleración de la máquina con una corriente reducida. En la conexión estrella, o conjugado queda reducido para 5 a 33% del conjugado de partida en la conexión triángulo. Por este motivo siempre que sea necesario el arranque estrella triángulo se deberá usar un motor con curva de par elevado. Antes de decidirse por un arranque estrella triángulo será necesario verificar si el par de arranque será suficiente para mover la máquina. El par resistente no podrá ser mayor que el par de arranque del motor (ver figura 1.1), ni la corriente en el instante del cambio a conexión triángulo podrá ser de valor inaceptable. Existen casos en que este sistema de arranque no puede ser usado, tal como lo demuestra la figura par motor I C Iy Cy C rotacion Figura Corriente y par para arranque estrella triángulo de un motor de jaula accionando una carga con par resistente C. En la figura 1.13, tenemos un par resistente C, alto. Si el arranque es en estrella el motor acelera la carga hasta aproximadamente 85% de la velocidad nominal, momento en que el actuador debe cambiar a triángulo. En este instante, la corriente, que era aproximadamente la nominal, o sea 100% salta repentinamente a 30%, lo que no significa ninguna ventaja ya que el arranque era solamente de 190%.

34 I / In 6 C / Cn I C 1 0 Iy Cy C Figura Partida estrella triángulo. En la figura 1.14, tenemos un motor con iguales características pero el par resistente C es mucho menor. En la conexión estrella el motor acelera la carga hasta 95% de la velocidad nominal. Cuando el actuador se conecta en triángulo la corriente que era de aproximadamente 50% sube a 170%, o sea prácticamente igual a la de arranque en estrella. En este caso la conexión estrella triángulo presenta ventajas porque si fuese conectado directo, absorbería de la red 600% de la corriente nominal. El actuador estrella triángulo en general sólo puede ser empleado para arranques en vacío, o sea sin carga. La carga podrá ser aplicada sólo después de haber alcanzado la velocidad nominal. El instante en el cual el actuador cambia de estrella a triángulo debe ser criteriosamente determinado para que este método de arranque sea efectivamente ventajoso cuando el arranque directo no es posible. En el caso de los motores con tres tensiones nominales (0/380V). Se debe optar por la conexión 0/380V, dependiendo de la red de alimentación. I / In 6 5 C / Cn I 4 3 C Iy Cy 1 Cr Figura Actuador estrella triángulo.

35 Esquemáticamente la conexión estrella triángulo en un motor para una red de 0V se realiza de la forma indicada en la figura 1.15, teniendo en cuenta que la tensión por fase durante el arranque de reduce 17V. Arranque Y Funcionamiento Figura Arranque y funcionamiento Arranque con autotransformador. El arranque con autotransformador puede ser usado para el arranque en carga de motores. Este reduce la corriente del arranque evitando una sobrecarga en el circuito pero dejando al motor con un par suficiente para el arranque y aceleración. La tensión aquí es reducida a través de un autotransformador, que normalmente cuenta con taps en 50, 65 y 80% de la tensión nominal. Para motores que arrancan con una tensión menor que la tensión nominal, la corriente y el par de arranque deben ser multiplicados por los factores K 1, (factor de multiplicación de la corriente), y K (factor de multiplicación del par) que se obtiene de la gráfica de la figura Figura factores de reducción k 1 y k, en función de las relaciones de tensión y la red (V m / V n ).

36 Comparación entre Actuador estrella triángulo y Arranque con autotransformador ( automáticas ). 1. Estrella triángulo (automática) Ventajas: a) El actuador estrella triángulo es muy utilizado por su costo reducido. b) No tiene límite en cuanto al número de maniobras. c) Los componentes ocupan poco espacio. d) La corriente del arranque permanece reducida en aproximadamente 1 / 3 Desventajas: a) El actuador sólo puede ser utilizado en motores donde los seis bornes o terminales sean accesibles. b) La tensión de la red debe coincidir con la tensión en triángulo del motor. c) Como la corriente en el arranque permanece reducida 1/3 de la corriente nominal, también se reduce el par de arranque a 1/3. d) Si el motor no alcanza por lo menos un 90% de su velocidad nominal, el máximo de corriente en la conmutación de estrella a triángulo será casi como si fuese un arranque directo, lo que es perjudicial para los contactos de los contactores y no tiene ninguna ventaja para la red eléctrica.. Autotransformador (automática). Ventajas: a) En el tap de 65% la corriente de línea es aproximadamente igual a la del actuador estrella triángulo, pero en el pasaje de tensión reducida a la tensión de la red el motor no es desconectado y el segundo pico es reducido ya que el autotransformador por un breve lapso se convierte en una reactancia. b) Es posible variar el tap de 65% a 80% o hasta 90% de la tensión de la red para que el motor pueda arrancar satisfactoriamente. Desventajas: a) La gran desventaja es la limitación de su frecuencia de maniobras. En el autotransformador automático, siempre es necesario conocer cual va a ser la frecuencia de maniobras para determinar el autotransformador adecuado. b) El autotransformador automático es mucho más caro que el actuador estrella - triángulo. c) Debido a la tamaño del autotransformador la construcción es voluminosa necesitándose paneles más grandes, lo que aumenta el precio.

37 Arranque electrónico (soft start). Los avances en la electrónica permitieron la creación del actuador de estado sólido, el que consiste en un conjunto de pares de tiristores ( SCR ), (o combinaciones de tiristores / diodos), uno en cada borne de potencia del motor. El ángulo de disparo de cada par de tiristores es controlado electrónicamente para aplicar una tensión variable a los terminales del motor durante la aceleración. Este comportamiento muchas veces es llamado arranque suave (soft start). Al final del periodo del arranque normalmente ajustable entre y 30 segundos, la tensión alcanza su valor máximo luego de una aceleración suave o una rampa ascendente, en vez de ser sometido a incrementos o saltos repentinos, como ocurre con los métodos de arranque por autotransformador, conexión estrella triángulo, etc.. de esta manera se consigue mantener, como es deseable, la corriente de arranque (de la línea) próxima de la nominal y con variación suave. Además de la ventaja de tensión (corriente) durante el arranque, el arranque electrónico también presenta la ventaja de no contar con partes móviles o que generen arco, como suceden los arrancadores mecánicos. Este es uno de los puntos fuertes de los arrancadores electrónicos, pues su vida útil es más larga (hasta centenas de millones de maniobras). Pero hay que recordar que una vida útil tan larga, tiene poco que ver con el motor, el que puede fallar tempranamente por cuestiones que poco tienen que ver con el arranque Sentido de rotación de motores de inducción trifásicos. Un motor de inducción trifásico trabajará en cualquier sentido dependiendo de la conexión con la fuente eléctrica. Para invertir el sentido de rotación, se invierte cualquier par de conexiones entre el motor y la fuente eléctrica Consideraciones para la aplicación de motores eléctricos rotor jaula de ardilla. El motor de rotor jaula de ardilla es el tipo de motor de inducción más sencillo y más empleado; la popularidad de este motor radica en la sencillez de su construcción, su robustez, el bajo índice de mantención y su confiabilidad. La gran desventaja que tenía este motor era su casi ninguna versatilidad frente a condiciones de variación de velocidad(funciona casi a velocidad constante); sin embargo, si se varía la frecuencia es posible obtener una variación gradual de la velocidad, lo anterior se puede conseguir con un variador de frecuencia. Existen varios tipos normalizados de motores de rotor jaula de ardilla para satisfacer distintas necesidades de arranque y marcha; en la figura 1.17, están representadas las curvas características Par / Velocidad correspondiente a los cuatro tipos más comunes, estas curvas son típicas de motores de 1500 rpm. (velocidad síncrona) de potencias comprendidas entre 7,5 y 00 cv.

38 Par en % del motor en plena carga 350 Clase D M Clase A Torque Resistente (carga) Clase C Clase B Mn Torque Motor Velocidad en % de la Síncrona Nn N Figura Curvas clásicas par / velocidad de motores de inducción de uso general. A continuación se describen brevemente las características principales de estos cuatro tipos: Clase A: Par y corriente normales, bajo deslizamiento. Posee buenas características en marcha a expensas de las de arranque; el principal inconveniente de este tipo es su elevada corriente de arranque (5 a 8 I n ), la que por lo demás es considerada como normal para motores tipo rotor jaula de ardilla. Aplicaciones de uso general tales como máquinas herramientas, bombas centrífugas, grupos electrógenos, ventiladores, inyectores, instalaciones en general que requieren un par de arranque reducido Clase B: Par de arranque normal, intensidad de arranque y deslizamiento bajos. Tiene aproximadamente el mismo par de arranque que la clase A, pero con el 75% de la intensidad; el deslizamiento y el rendimiento a plena carga son buenos, del mismo orden que la clase A, sin embargo, el factor de potencia y el par máximo son más reducidos. Este tipo es el más corriente en el campo de potencias algo superiores que las de la clase A (7,5 cv), empleándose principalmente en aplicaciones a velocidad constante sin grandes exigencias en el arranque, tales como ventiladores, bombas y máquinas herramientas Clase C: Par de arranque elevado, intensidad de arranque baja. Tiene menos rendimiento y más deslizamiento en marcha normal que los antes descritos. Sus aplicaciones típicas son el accionamiento de compresores neumáticos, bombas alternativas, mezcladoras, transportadores con arranque bajo carga, instalaciones en general que requieran gran par de arranque.

39 Clase D: Par de arranque fuerte, deslizamiento elevado, lo que supone un bajo rendimiento. Encuentra sus aplicaciones principales en el accionamiento de cargas intermitentes que representan fuertes aceleraciones o choques, tales como, las prensas de punzonar y cizallas.

40 CAPITULO II FALLAS

41 .1 Anormalidades en el servicio. Las máquinas eléctricas, en general son sometidas a diversas pruebas después de su fabricación, durante su servicio normal y en su periodo de mantención. Las pruebas que se realizan después de su fabricación, las realiza el fabricante para confirmar que la máquina salga de fábrica con todas sus funciones en perfectas condiciones, esto le permite a él, dar una mayor garantía del producto que ofrece. Durante el servicio, también se deben realizar pruebas para que la máquina se encuentre operando en condiciones normales o para detectar fallas que estén ocurriendo en el interior de ellas, hasta cuando llegue su periodo de mantención, en el cual se realizan todas las pruebas posibles para verificar su estado. Gran parte de las anormalidades que perjudican la operación normal de las máquinas eléctricas, pueden ser evitadas con cuidados de carácter preventivo. Ventilación suficiente, limpieza y mantenimiento cuidadoso, son factores de mayor importancia. Otro factor importante es la intervención inmediata cuando surge o es notado cualquier fenómeno, como vibraciones, torques impulsivos, indicios de humo y fuego, temperatura excesiva en los soportes o en los rodamientos. La primera acción a ser tomada cuando ocurren fallas de naturaleza eléctrica o mecánica, es dejar fuera servicio los motores y examinar todas las partes mecánicas y eléctricas de la instalación. En caso de incendio, la instalación debe ser aislada de la red; lo que es hecho generalmente por la desconexión de los respectivos interruptores. En la presencia de fuego en el interior del motor, se debe tratar de detenerlo y sofocarlo, cubriendo las aberturas de la ventilación. Para combatirlo, deben ser usados extintores de polvo químico seco o CO, pero nunca agua.

42 . Análisis de fallas. El análisis de fallas es la acción de averiguar siempre las causas de la fallas, ya sea mediante monitoreo del estado de las máquinas, programas y planificaciones para llevar a cabo una acción de forma eficaz o simplemente las prácticas de operación correctas, por ejemplo un mantenimiento eficaz. Todo encargado de la mantención de una empresa, debe tener un enfoque de mantenimiento a largo plazo, que requiere ir más allá de una mantención correctiva, debe pensar en programas de mantenimiento preventivo, predictivo y pro-activo...1 Como identificar y determinar una falla. Falla es un concepto que es analizado desde distintos puntos de vista por lo cual no es fácil de precisar, pero aplicado a la noción de evitar detener un equipo lo definiremos de formas: a) Falla es cualquier acontecimiento imprevisto que interrumpe, atrasa o altera la continuidad normal de un proceso productivo. b) Se llama falla en un equipo a un estado tal que su funcionamiento normal se ve afectado total o parcialmente... Clasificación de las fallas según su origen. a) Accidente: Las fallas se producen cuando se sobrepasa las condiciones de trabajo para las que fue diseñado, por un factor no predecible. b) Nacimiento: Las fallas se producen debido a un error de diseño, de manufactura, de montaje, siendo responsable normalmente el fabricante. c) Enfermedad: Esta falla ocurre durante la operación y después de un cierto periodo de funcionamiento. Ocurre cuando se trabaja fuera de las condiciones de diseño.