UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

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1 UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA AHORRO DE ENERGIA POR OPTIMIZACIÓN DE TENSIÓN EN MOTORES DE INDUCCIÓN TIPO JAULA DE ARDILLA TESIS Que para obtener el título de: INGENIERO MECÁNICO ELÉCTRICISTA PRESENTA: ABEL ARAFAT CUELLAR GALINDO DIRECTOR: MTRO. JESUS ANTONIO CAMARILLO MONTERO XALAPA, VER. SEPTIEMBRE 2015

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3 Agradecimientos A mis padres: Sr. Leonel Cuellar Martínez y Sra. Minerva Galindo Caicero A quienes dedico el presente trabajo, ya que gracias a su cariño, constante apoyo y sabios consejos, he llegado a una de mis metas, que es una gran herramienta que me han conseguido y que apreciare siempre y sabré recompensar. A mi familia: Por todos los momentos que me han regalado, así como sus consejos y su apoyo, especialmente a mi hermano, quien sin saberlo, ha sido de gran apoyo para mí. A mi director de tesis: Mtro. Jesús Antonio Camarillo Montero Por todas las herramientas brindadas para la consolidación del presente documento, por todo su apoyo antes y durante el estudio, así como su amistad que siempre se agradece mucho. A mis amigos: A quienes agradezco su amistad y apoyo de todos y cada uno de ellos, por estar conmigo siempre en las buenas y en las no tan buenas.

4 INDICE 1 Generalidades sobre los motores eléctricos de inducción Antecedentes Conceptos básicos Principales partes de un motor eléctrico Motor de inducción trifásico Rotor devanado Placa de bornes Principio de funcionamiento de los motores trifásicos Eficiencia en motores de inducción Eficiencia y pérdidas en motores eléctricos Pérdidas Mecánicas Como mejorar la eficiencia de los motores Desarrollo de los motores de alta eficiencia Motores poco cargados o sobrecargados Ventajas y desventajas de los motores de alta eficiencia Ventajas: Desventajas: Aplicabilidad de los motores de alto rendimiento Ahorro de energía por medio de la variación de velocidad Tipos de variadores de velocidad Variadores mecánicos Variadores hidráulicos Variadores electro-electrónicos Variadores de frecuencia Otras formas de mejorar la eficiencia del motor Proceso para realizar pruebas en el motor de inducción trifásico tipo jaula de ardilla Herramientas y materiales utilizados en las pruebas Sistema de Adiestramiento Electromecánico con Adquisición de Datos Estación de Trabajo Móvil Motores i

5 4.1.4 Modulo motor de inducción trifásico jaula de ardilla Modulo electrodinamómetro Modulo fuente de alimentación Tacómetro analógico Termómetro infrarrojo digital STEREN HER PEL: Power and Energy Logger (analizador de potencia y energía) Procedimiento Pruebas al motor de inducción trifásico tipo jaula de ardilla Prueba a valor de carga de 0% Prueba a valor de carga del 41% Prueba a valor de carga del 83% Prueba a valor de carga del 100% Potencia consumida a distintos valores de carga y de voltaje Comparación de resultados con un modelo matemático Resultados y conclusiones Bibliografía ii

6 Introducción El primer prototipo de motor eléctrico capaz de funcionar con corriente alterna fue desarrollado y construido por el ingeniero Nikola Tesla y presentado en el American Institute of Electrical Engineers (en español, Instituto Americano de Ingenieros Eléctricos, actualmente IEEE) en Los motores de inducción o motores asíncronos, son un tipo de motor de corriente alterna en el que la corriente eléctrica del rotor necesaria para producir torsión es inducida por inducción electromagnética del campo magnético de la bobina del estator. Los motores de inducción son los motores eléctricos más baratos, los más robustos y también son fáciles de dar mantenimiento, además de que son económicos en comparación con otro tipo. Un motor eléctrico puede consumir grandes cantidades de energía eléctrica para su funcionamiento en el desempeño de tareas específicas designadas por su adquisidor. Para evitar el consumo de dichas cantidades de energía eléctrica, se emplean distintos métodos como pueden ser desde los costosos variadores de potencia, capacitores, y algunos otros también costosos circuitos electrónicos de control de motores. Principalmente para las industrias es de gran importancia el tema del ahorro de energía eléctrica. Los motores eléctricos actualmente son los consumidores de cerca del 60% de energía eléctrica producida, según estudios realizados por la OCDE, de ahí la necesidad por aumentar su eficiencia o reducir sus pérdidas, así como su consumo pero a bajo costo. En la presente investigación se analizara el tema del ahorro de energía eléctrica involucrando un factor importante como es el voltaje de funcionamiento o de trabajo. Abel A. Cuellar Galindo,

7 1 GENERALIDADES SOBRE LOS MOTORES ELÉCTRICOS DE INDUCCIÓN. Al hablar de motores eléctricos, pensamos en algunos términos como son la electricidad, el movimiento, la velocidad, la rotación, el voltaje, la corriente, el calentamiento, el rotor, el estator, y algunos otros por referir, los cuales vienen muy relacionados con el tema. Uno de los aspectos muy importantes dentro de este tema y que a veces no tomamos muy en cuenta, es el factor de la eficiencia. La eficiencia de un motor eléctrico involucra los factores antes mencionados y algunos otros. La eficiencia eléctrica es un factor muy importante a considerar cuando estamos tocando el tema de los motores eléctricos, pues este se ve reflejado en varias formas dentro de su desempeño, como puede ser el consumo de potencia eléctrica y su producción de potencia mecánica, si un motor eléctrico consume mucha potencia eléctrica y produce poca potencia mecánica, entonces su eficiencia es baja, y viceversa, si produce potencia mecánica muy cercana a la potencia eléctrica que consume, entonces su eficiencia es alta. Abel A. Cuellar Galindo,

8 1.1 Antecedentes. Los motores eléctricos son los dispositivos obtenidos como resultado de los principios básicos del electromagnetismo. Los cuales nos podemos remontar a sus inicios en el siglo XIX cuando se realizaron los primeros experimentos de este tipo por Faraday, Henry, Lenz, Maxwell. Se puede decir que el punto de partida para todas las máquinas eléctricas de hoy en día inicia con el estudio de Michael Faraday en 1831, con el principio de inducción electromagnética, también conocida como la ley de inducción de Faraday. La inducción electromagnética es el principio fundamental mediante el cual trabajan las máquinas eléctricas actuales como son el trasformador, generador y motores eléctricos. Las primeras máquinas eléctricas fueron las dinamoeléctricas, las cuales su principio de funcionamiento estaba basado en la inducción de Faraday que para estos tiempos las máquinas eléctricas solo se les podía definir como convertidores de energía mecánica en energía eléctrica (generador) y como convertidores de energía eléctrica en energía mecánica (motor). Werner von Siemens patentó en 1866 la dinamo. Con ello no sólo contribuyó al inicio de los motores eléctricos, sino también introdujo el concepto de Ingeniería Eléctrica, creando planes de formación profesional para los técnicos de su empresa. La construcción de las primeras máquinas eléctricas fue lograda en parte, en base a experiencia práctica. A mediados de la década de 1880, gracias a la teoría desarrollada por Nikola Tesla y al éxito de Werner von Siemens, la ingeniería eléctrica se introdujo como disciplina en las universidades. En 1885, Galileo Ferraris fue el primero en descubrir el campo magnético giratorio, el cual estaba basado en utilizar dos corrientes alternas independientes de igual frecuencia pero diferente fase. Un año después Nikola Tesla diseño y patento el primer motor eléctrico de corriente alterna. En 1888 Tesla público un artículo que describía, tres tipos de motores estos eran de tipo bifásico y con polos salientes en el estator, se alimentaban de dos corrientes desfasadas 90º y sus devanados al igual que las corrientes se encontraban desfasados 90º. Primer motor: contaba con cuatro polos salientes y giraba a la velocidad de sincronismo, pero no poseía la capacidad de autoarranque. Segundo motor: De tipo asíncrono, poseía un rotor devanado que podía arrancar; pero giraba a una velocidad por debajo del sincronismo. Tercer motor: De tipo síncrono, utilizaba una corriente continua en el devanado del rotor. En 1892, La empresa Westinghouse fue la primera en desarrollar un motor bifásico, contaba con devanados tanto en el estator como en el rotor, logrando así Abel A. Cuellar Galindo,

9 el primer motor practicó. Éste era un motor bifásico de 304 HP, 12 polos a 220V, este motor se alimentaba de dos alternadores monofásicos de 507 HP, 60Hz. Los cuales se encontraban desplazados 90º eléctricos para generar la tensión bifásica. Para 1891, la compañía Thomson-Houston inicio la construcción de motores de inducción trifásicos, formando una alianza con Westinghouse para fabricar motores asíncronos trifásicos utilizando el invento de Charles F. Scott, el cual convertía un sistema bifásico en trifásico mediante un trasformador y de esta forma alimentaba este tipo de motores. A esto se le conoce como Conexión de Scott -T, se muestra en la Figura 1.1 que es básicamente la manera de obtener dos fases, separadas 90 eléctricos en el espacio y en el tiempo, a partir de una fuente de alimentación trifásica, cuyas fases se hallan separadas 120 eléctricos, o viceversa. En 1916 H.G. Reist y H. Maxwell patentan el primer motor de rotor jaula de ardilla, construido mediante barras de aluminio por parte de la compañía General Electric. El motor de rotor devanado fue inventado por Tesla, éste empleaba dos devanados con resistencias diferentes para lograr generar un alto par de arranque, pero no fue sino hasta el año de 1925 basados en las ideas de Elihu Thomson de utilizar condensadores especiales para arranque. Figura 1-1 Conexión de transformador Scott Abel A. Cuellar Galindo,

10 1.2 Conceptos básicos. Los motores eléctricos se pueden clasificar en dos tipos: los de corriente continua y los de corriente alterna, en estos últimos se destaca la rama de los motores de inducción, los cuales son los más utilizados en la industria debido a que son sencillos, resistentes y requieren de poco mantenimiento. Para conocer y tener una mejor idea del tema, es necesario conocer ciertos aspectos fundamentales que serán de relevancia conforme se desarrolle el tema, de manera que se hará más fácil y sencilla la comprensión del mismo. Motor eléctrico.- Es un dispositivo capaz de trasformar la energía eléctrica en energía mecánica mediante la interacción de sus campos magnéticos. Potencia.- Es la razón de cambio del trabajo por unidad de tiempo. Dado que en los motores eléctricos se encargan de trasformar la energía o en este caso trabajo eléctrico en trabajo mecánico se puede decir que trasforma potencia eléctrica en potencia mecánica. Los motores eléctricos utilizan una potencia eléctrica dada por un voltaje y una corriente, la potencia eléctrica que se suministra al motor puede ser de diferentes tipos como: Potencia de corriente directa. P = V I Potencia de corriente alterna (corriente monofásica). PF = VF IF cos Potencia de corriente alterna (corriente trifásica). P3Φ = 3 VF IF cos P3Φ = 3 VL IL cos La potencia en los motores eléctricos (convencionales) es dada por el par y la velocidad angular dados en una flecha para así transferir la energía. La unidad de potencia eléctrica es el Watt, mientras que la potencia mecánica se puede medir en caballos de fuerza (HP). La conversión o equivalencia es la siguiente: 1 HP = 746 WATTS La potencia mecánica en los motores eléctricos se encuentra aplicada en el eje del motor y se describe con la siguiente ecuación: Como el trabajo en un sistema rotatorio es la aplicación de un par a través de un ángulo se establece que: Así mismo, si el par es constante en el movimiento rotatorio, la potencia está dada por: Abel A. Cuellar Galindo,

11 ( ) ( ) Dónde: W = Trabajo (joules). P = Potencia (HP) ( ) ( ) Motor trifásico.- este tipo de motor es similar al motor monofásico, su principal diferencia es que se alimenta de tres líneas o fases de alimentación. Este motor trasforma la energía eléctrica trifásica en energía mecánica. Este tipo de motores se fabrican para diferentes potencias desde muy pequeñas como una fracción de un HP hasta miles de HP. El motor trifásico cuenta con tres fases de devanado separadas cada una de la otra a 120º entre el número de pares de polos. Para generar un campo giratorio es necesario conectar una tensión trifásica desplazada 120º. Figura Principales partes de un motor eléctrico. Estator.- es la parte estática del motor que opera como base, en esta se encuentran los devanados que producen el campo giratorio. Se puede decir que el estator es el inductor en un motor. El estator no se mueve mecánicamente, pero si magnéticamente. Rotor.- es la parte móvil del motor y recibe los efectos del campo giratorio. Se compone de un eje donde se encuentran colocados los juegos de bobinas. Abel A. Cuellar Galindo,

12 Figura 1-2 Desfasamiento entre fases del devanado del motor. Armadura.- es el conjunto de elementos que incluye el embobinado del motor, en este se inducen las fuerzas electromotrices y circulan las corrientes de la potencia de entrada. En la armadura se induce uno de los campos magnéticos. Piezas polares (polos).- para que un motor funcione es necesario por lo menos que tenga un polo norte y un polo sur. Una parte de estos se encuentra unida a la coraza o flecha dependiendo si es un motor de CD o uno de CA y la otra parte queda libre. Su función está dada por el principio del electroimán y producen el campo inductor. 1.3 Motor de inducción trifásico. Este motor es llamado así puesto que la corriente alimenta directamente el devanado del estator y al devanado del rotor por inducción, esta máquina es la más resistente y la más utilizada en la industria, además de que puede operar como motor o generador. Los motores de inducción se pueden clasificar de acuerdo con su tipo de rotor: 1. Rotor devanado 2. Rotor jaula de ardilla Rotor devanado El rotor devanado tiene tres grupos de devanados aislados con conexiones llevadas al exterior a tres anillos rozantes montados sobre el eje, las conexiones externas a la parte rotatoria se hacen a través de escobillas montadas sobre los anillos rozantes, por lo que este tipo de motor se le llama con frecuencia motor de anillos rozantes. En la Figura 1.3 se muestra un rotor de anillos rozantes. Abel A. Cuellar Galindo,

13 Figura 1-3 Rotor tipo jaula de ardilla Placa de bornes. Los motores asíncronos cuentan con terminales del devanado del estator, a este grupo de terminales se le conoce como placa de bornes. Las terminaciones de los bobinados están unidas a esta. Por norma las placas de bornes deben utilizar las letras U1, V1, W1 para designar el lado principal y el lado secundario utiliza las letras U2, V2, W2. En la Figura 1.5, se muestra una placa de bornes y sus distintas formas de conexión (delta o en estrella). Cabe señalar que las terminales de fases iguales no se encuentran una enfrente de la otra como se observa en la Figura 1.5a, esto es debido a que es más fácil realizar la interconexión de las mismas utilizando placas. Figura 1-4 Placa de bornes. Forma de conexión. Un dato importante es que la conexión en estrella se utiliza cuando el motor se conecta a la tensión más elevada en sus datos de placa, en cuanto a la conexión en delta o triángulo se usa para la tensión más baja. Por ejemplo; si tenemos un motor de corriente alterna con las siguientes características: 7.5 HP, 220/440 V, 20/10 A, 1722 Rpm Es decir; que la potencia es de 7.5 HP, y estando a plena carga gira a la velocidad de 1722 Rpm, y se conecta en triangulo a 220 V y absorbe una corriente de línea de 20 A; pero se puede alimentar con 440 V a lo Abel A. Cuellar Galindo,

14 cual su corriente de línea será la de 10 A pero de esta forma debe ser conectado en estrella. La placa de bornes también es muy útil en las conexiones cuando se requiere un sentido de giro especifico puesto que esto se logra fácilmente intercambiando dos líneas cualesquiera en la Figura 1.6, se muestra la forma correcta de las conexiones de la placa de bornes para obtener el sentido de rotación deseado. Figura 1-5 Placa de bornes y conexiones para sentido de rotación. 1.4 Principio de funcionamiento de los motores trifásicos. Los motores de corriente alterna trifásicos se pueden clasificar en dos grandes grupos los considerados síncronos y los de tipo de inducción. El motor de corriente alterna basa su funcionamiento en la acción que ejerce el campo magnético giratorio generado en el estator sobre las corrientes que circulan por los conductores situados sobre el rotor. Cuando se contacta una alimentación trifásica de corriente alterna a las terminales del estator, las tres corrientes circulan por su devanado primario y se induce una corriente en sentido opuesto al devanado secundario, siempre que el devanado secundario este en cortocircuitado por una impedancia exterior. Debido a las fuerzas electromagnéticas se produce el movimiento entre el lado primario y el secundario para generar la potencia. La característica principal de los motores de inducción es que trabajan induciendo tensiones y corrientes en su rotor, al igual que en un trasformador, el primario (estator) induce un voltaje en el secundario (rotor), en cambio, en los motores síncronos se suministra por una excitatriz o alguna fuente externa En los motores de tipo rotor devanado cuentan con anillos rozantes, los cuales su función es para la interconexión de las resistencias de arranque, que son Abel A. Cuellar Galindo,

15 utilizadas para incrementar la velocidad de arranque del motor de una forma gradual y la corriente de línea no sea tan elevada como para dañar los aislamientos de los devanados o el mismo motor. La operación de los motores de inducción es igual a la de los devanados de amortiguamiento en los motores síncronos. Los motores síncronos se denominan de esta manera pues su velocidad de rotaciones es igual a la velocidad de sincronismo esto es debido a la excitación separada. En cambio, los motores de inducción no cumplen con el sincronismo pero este es de suma importancia para el desarrollo de los siguientes conceptos. La velocidad de rotación debe estar en sincronismo con la frecuencia del sistema, a esto se le conoce como velocidad de sincronismo. Dónde: ( ). Un motor de inducción depende del voltaje y la corriente del rotor, se habla de su velocidad relativa. Se utilizan dos términos para definir el movimiento relativo entre el rotor y los campos magnéticos los cuales son: Velocidad de deslizamiento Deslizamiento La velocidad de deslizamiento se puede definir como la diferencia que existe entre la velocidad síncrona y la velocidad del rotor. Dónde: ( ) El deslizamiento lo podemos definir como la velocidad relativa expresada sobre una base, expresada en porcentaje. ( ) Dónde: Si el rotor está en reposo se dice que el deslizamiento es 1 y cuando el motor se encuentra sin carga, dado esto se puede determinar la velocidad del rotor como: ( ) Abel A. Cuellar Galindo,

16 La mayoría de los motores de inducción tienen un deslizamiento menor al 5%. Para términos prácticos estas ecuaciones se pueden expresar en función de velocidad angular radianes por segundo. ( ) Clasificación de los motores de inducción trifásicos La National Electrical Manufacturers Association (NEMA) estableció cierta clasificación para los motores de inducción basándose en sus características de par intensidad y velocidad. La Tabla 1.1 muestra las distintas clasificaciones de los motores de inducción trifásicos. Abel A. Cuellar Galindo,

17 Tabla 1 Clasificación NEMA para motores de inducción trifásicos. 2 EFICIENCIA EN MOTORES DE INDUCCIÓN. Desde la invención del motor eléctrico, ha habido un avance en su eficiencia para convertir la energía eléctrica en mecánica, al principio se buscaba aumentar esta eficiencia variando distintos factores involucrados en su construcción como por ejemplo, utilizando distintos materiales para su manufactura, rediseñando los modelos, el tamaño, e incluso el mismo proceso de construcción. Para mejorar la eficiencia de los motores eléctricos se deben atender los factores que involucran la disminución de la eficiencia, es decir, las perdidas en el motor eléctrico. Recientemente se busca mejorar la eficiencia de un motor eléctrico por distintos métodos, que involucran en mayor forma el factor eléctrico. Abel A. Cuellar Galindo,

18 2.1.1 Eficiencia y pérdidas en motores eléctricos. Pérdidas Magnéticas: Debido a la histéresis y a las corrientes parásitas (Eddy) en el material del núcleo. Estas pérdidas están en función de las propiedades magnéticas y espesor en la lámina de acero y son independientes de la carga. Pérdidas Eléctricas Pérdidas I Pérdidas I2 R en el estator R en el estator (efecto Joule) Estas pérdidas están en (efecto Joule). Estas pérdidas están en función de la resistencia óhmica del bobinado y de la corriente que demanda el motor en la línea. Pérdidas I2 R en el rotor. Estas pérdidas están en función de la resistencia óhmica del rotor y de la corriente inducida. Varían directamente con el deslizamiento Pérdidas Mecánicas Pérdidas adicionales en carga. Son pérdidas residuales difíciles de determinar por medio de mediciones directas o de cálculos. Estas pérdidas están relacionadas con la carga y general mente se suponen que varían con el cuadrado del momento de salida. La naturaleza de estas pérdidas es muy compleja. Están en función de muchos factores de diseño y de fabricación del motor. Algunos de los elementos que influyen en estas pérdidas. Ejemplo de distribución de pérdidas: Perdidas magnéticas 16% I 2 R en el estator R en el estator 33% I2 R en el rotor 15% Fricción y ventilación 14% Indeterminadas 22% TOTAL 100% Abel A. Cuellar Galindo,

19 2.2 Como mejorar la eficiencia de los motores Las pérdidas en el motor pueden reducirse hasta alrededor de un 50% a través del uso de mejores materiales, optimizando la geometría, ajustando mejor el motor con la carga y mejorando el proceso de fabricación. Cuando se intenta maximizar la eficiencia de un motor, debe considerarse que ésta pueda incrementarse por dos métodos diferentes. Una posibilidad es seguir el camino en el cual la mejoría se logra fundamentalmente a base de adicionar materiales y empleando tecnologías más costosas. La otra posibilidad es optimizar el diseño del motor utilizando métodos de optimización. La diferencia entre los dos enfoques es que en el primer caso la mejoría se alcanza modificando un diseño existente, mientras que en el segundo caso se obtienen diseños totalmente nuevos. En la primera variante, el incremento de los materiales implica fundamentalmente aumentar el volumen del material activo (acero magnético y material conductor de la corriente) y las mejoras tecnológicas significan emplear aceros magnéticos de mejor calidad, utilizar un mayor factor de llenado en las ranuras, incrementar el número de ranuras del estator y del rotor, etc. Las características de diseño de la mayoría de los motores de alta eficiencia son: Las pérdidas en los conductores del estator disminuyen aumentando el área disponible para los conductores mediante la colocación en las ranuras de conductores de más sección o a través de un incremento de las dimensiones de las ranuras. Una variación en la configuración del devanado puede conducir también a una reducción de estas pérdidas, si se logra disminuir con ello la longitud de las cabezas de bobina y por lo tanto la resistencia del bobinado estatórico. Las pérdidas en los conductores del rotor pueden reducirse incrementando la cantidad del material conductor (en las barras y en los anillos), utilizando materiales de mayor conductividad, así como aumentando el flujo total que atraviesa el entrehierro. La magnitud de estos cambios está limitada por las siguientes restricciones: momento mínimo de arranque requerido, corriente máxima de arranque permisible y el factor de potencia mínimo aceptable. Las pérdidas en el núcleo magnético se reducen haciendo que el motor opere con inducciones más bajas que las normales y para compensar se incrementando la longitud de la estructura ferromagnética. Esto reduce las pérdidas por unidad de peso, pero debido a que el peso total aumenta, la mejoría en cuanto a pérdidas no es proporcional a la reducción unitaria de estas. La disminución en la carga magnética también reduce la corriente de magnetización; y esto influye positivamente en el factor de potencia. Las pérdidas por fricción y ventilación están asociadas a los ventiladores y a la cantidad de ventilación requerida para extraer el calor generado por otras pérdidas en el motor, tal como las pérdidas en el cobre, las del núcleo y las adicionales. Abel A. Cuellar Galindo,

20 Según se reducen las pérdidas que generan calor, es posible reducir el volumen de aire requerido para moverlas y de esta manera, se pueden reducir las pérdidas por ventilación. Esto resulta valido especialmente en el caso de motores cerrados con ventilación externa forzada. Otro camino es el logro de un mejor diseño aerodinámico. Uno de los subproductos importantes de la reducción de las pérdidas de ventilación. Las pérdidas adicionales se pueden reducir mediante un diseño optimizado del motor y mediante un proceso cuidadoso de producción. Como estas pérdidas están asociadas al procesamiento, tal como las condiciones superficiales del rotor, se pueden minimizar a través de un control cuidadoso del proceso de fabricación. Las pérdidas adicionales son las más difíciles de controlar en el motor, debido al gran número de variables que contribuyen a las mismas. 2.3 Desarrollo de los motores de alta eficiencia. Hasta el año 1960 los diseñadores y fabricantes de motores de inducción siguieron la tendencia de diseñar los motores con el objetivo de conseguir una alta eficiencia, a pesar de que en ese entonces los materiales no tenían un gran desarrollo el diseño electromagnético centrado en la eficiencia consiguió que se fabriquen motores de eficiencias aceptables. El bajo costo de la energía eléctrica en aquella época hacia que la eficiencia no fuera un parámetro que incidiera en los costos de operación. Por eso durante el periodo de 1960 hasta 1975 los fabricantes cambiaron su tendencia y se centraron a diseñar motores para conseguir un costo mínimo, sobre todo en el rango de 1 a 250 HP. Con este objetivo se disminuyó la cantidad de material activo, y los materiales fueron seleccionados para cumplir mínimos requerimientos de eficiencia. En este contexto en 1977 NEMA recomendó marcar la placa de los motores trifásicos con una EFICIENCIA NOMINAL NEMA. La Tabla 4 muestra los rangos de eficiencia para motores trifásicos de Diseño NEMA B, aquí se define un valor mínimo para la eficiencia para cada nivel de eficiencia. Abel A. Cuellar Galindo,

21 Tabla 2 Eficiencia nominal para motores de inducción de acuerdo a potencia La crisis energética que ocurrió en la década del 70 hizo que los costos de la energía eléctrica empiecen a incrementarse a un ritmo de aproximadamente 12% anual. En este contexto los costos de operación de un motor por consumo de energía hicieron que la eficiencia sea un parámetro importante en la selección del motor. En este contexto en el año 1974 algunos fabricantes empezaron a usar métodos para diseñar motores con una eficiencia mayor que la exigida por la Norma NEMA. Así se diseñó una línea de motores de alta eficiencia con pérdidas 25% menores que el motor promedio diseño NEMA B, esto se llamó la primera generación de motores de alta eficiencia. Luego del desarrollo de esta primera generación de motores de alta eficiencia, muchos fabricantes entraron en la tendencia de diseñar motores con el objeto de obtener una alta eficiencia, usando un diseño, materiales y procesos de fabricación mejorados. Cada fabricante identifico a su motor con un nombre, entre ellos tenemos: Abel A. Cuellar Galindo,

22 Tabla 3 Nombre que los fabricantes asignan a sus motores 2.4 Motores poco cargados o sobrecargados. Los motores industriales no suelen funcionar a plena carga, pruebas de campo de la California Energy Commission llevadas a cabo. En cuatro plantas industriales nos indican que por término medio los motores eléctricos operan al 60% de su carga asignada. Es común que las industrias instalen motores de mayor potencia a la requerida por varias razones prácticas: Prevención indirecta de fallos en procesos críticos. Desconocimiento de la carga real del motor en la elección de éste. Previsión de futuras ampliaciones productivas. Por reducciones posteriores de producción. Por sustitución de un motor previamente fallido que era de menor potencia. En cuanto a los motores poco cargados, debe advertirse que no siempre su eficiencia es menor, excepto cuando la carga sea acentuadamente pequeña (menor del 25%) Por ello, cuando la carga supera el 50% no se pueden dar recomendaciones simples de sustitución de éstos motores. En todo caso su factor de potencia es menor y esto afecta a las pérdidas en la distribución eléctrica Los costos extra indeseables de estos motores son: mayor costo de adquisición del motor y su equipamiento y mayor costo de consumo energético por la reducción de la eficiencia del motor y el sistema eléctrico (factor de potencia) En muchas ocasiones resulta económicamente interesante sustituir un motor poco cargado por un motor de alta eficiencia o incluso por un motor de eficiencia normal. Abel A. Cuellar Galindo,

23 2.5 Ventajas y desventajas de los motores de alta eficiencia Ventajas: El hecho de que se tenga una eficiencia mayor significa que se disminuye los costos de operación del motor y se puede recuperar la inversión adicional en un tiempo razonable, sobre todo si se opera a una carga cercana a la potencia nominal. Recuerde que en un año el costo de la energía es aproximadamente seis veces el costo de compra del motor. Los motores de alta eficiencia poseen generalmente un menor deslizamiento (mayor velocidad de operación) que los motores de eficiencia estándar, debido a los cambios que se producen en los parámetros del motor. La mayor velocidad puede ser ventajosa en muchos casos, pues mejora la ventilación. Los motores de alta eficiencia son normalmente más robustos y mejor construidos que los motores estándar, lo que traduce en menores gastos en mantenimiento y mayor tiempo de vida Desventajas: El hecho de que los motores de alta eficiencia operan a una velocidad mayor, puede ocasionar un incremento en la carga, sobre todo cuando se accionan ventiladores o bombas centrífugas, este hecho debe valorarse en cada situación. El momento de arranque y el momento máximo son en algunos diseños ligeramente mayores y en otros ligeramente menores, por lo tanto es necesario analizar detalladamente en cada aplicación. La corriente de arranque suele ser mayor. Esto puede provocar que se sobrepasen los límites máximos de caída de voltaje en la red. También puede influir en la capacidad de los equipos de maniobra, aunque muchas veces se puede operar con los mismos que se usan con los motores estándar y en ocasiones sólo resulta necesario cambiar los elementos térmicos. La corriente transitoria en el arranque, que tiene su máximo en el primer medio ciclo, se incrementa debido a la tendencia a un mayor valor de la relación X/R. Aunque esta corriente puede no afectar el tamaño del arrancador, si se afecta el disparo instantáneo del interruptor del motor, por lo que hay que buscar un compromiso entre la coordinación del interruptor y los disparos del arranque. El factor de potencia del motor puede ser menor que un motor estándar. Un estudio reciente realizado por Bonnett (1997) encontró que los motores de alta eficiencia construidos en USA, en el intervalo de 3 a 10 HP tienen un factor de potencia mayor que los estándares, inferior en el intervalo de 15 a 40 HP, aproximadamente igual de 50 a 100 HP y de nuevo menor de 125 HP en adelante. Abel A. Cuellar Galindo,

24 2.6 Aplicabilidad de los motores de alto rendimiento. Los motores de alta eficiencia pueden aplicarse favorablemente en los siguientes casos: Cuando el motor opera a una carga constante y muy cerca del punto de operación nominal. Cuando se usan para reemplazar a motores sobredimensionados. Cuando se aplican conjuntamente con Variadores electrónicos de frecuencia (Variable Frecuency Drives) para accionar bombas y ventiladores, pueden lograr ahorros de hasta más del 50% de la energía. Como parte de un Programa de Uso eficiente de la Energía Eléctrica. En instalaciones nuevas. Abel A. Cuellar Galindo,

25 Variadores de velocidad por medio de la variación de frecuencia. El Variador de Velocidad (VSD, por sus siglas en inglés Variable Speed Drive) es en un sentido amplio un dispositivo o conjunto de dispositivos mecánicos, hidráulicos, eléctricos o electrónicos empleados para controlar la velocidad giratoria de maquinaria, especialmente de motores. También es conocido como Accionamiento de Velocidad Variable (ASD, también por sus siglas en inglés Adjustable-Speed Drive). De igual manera, en ocasiones es denominado mediante el anglicismo Drive, costumbre que se considera inadecuada. La maquinaria industrial generalmente es accionada a través de motores eléctricos, a velocidades constantes o variables, pero con valores precisos. No obstante, los motores eléctricos generalmente operan a velocidad constante o casi-constante, y con valores que dependen de la alimentación y de las características propias del motor, los cuales no se pueden modificar fácilmente. Para lograr regular la velocidad de los motores, se emplea un controlador especial que recibe el nombre de variador de velocidad. Los variadores de velocidad se emplean en una amplia gama de aplicaciones industriales, como en ventiladores y equipo de aire acondicionado, equipo de bombeo, bandas y transportadores industriales, elevadores, llenadoras, tornos y fresadoras, etc. Un variador de velocidad puede consistir en la combinación de un motor eléctrico y el controlador que se emplea para regular la velocidad del mismo. La combinación de un motor de velocidad constante y de un dispositivo mecánico que permita cambiar la velocidad de forma continua (sin ser un motor paso a paso) también puede ser designado como variador de velocidad. Motivos para emplear variadores de velocidad. El control de procesos y el ahorro de la energía son dos de las principales razones para el empleo de variadores de velocidad. Históricamente, los variadores de velocidad fueron desarrollados originalmente para el control de procesos, pero el ahorro energético ha surgido como un objetivo tan importante como el primero. Abel A. Cuellar Galindo,

26 Velocidad como una forma de controlar un proceso. Entre las diversas ventajas en el control del proceso proporcionadas por el empleo de variadores de velocidad destacan: Operaciones más suaves. Control de la aceleración. Distintas velocidades de operación para cada fase del proceso. Compensación de variables en procesos variables. Permitir operaciones lentas para fines de ajuste o prueba. Ajuste de la tasa de producción. Permitir el posicionamiento de alta precisión. Control del Par motor (torque). Abel A. Cuellar Galindo,

27 3 AHORRO DE ENERGÍA POR MEDIO DE LA VARIACIÓN DE VELOCIDAD. Un equipo accionado mediante un variador de velocidad emplea generalmente menor energía que si dicho equipo fuera activado a una velocidad fija constante. Los ventiladores y bombas representan las aplicaciones más llamativas. Por ejemplo, cuando una bomba es impulsada por un motor que opera a velocidad fija, el flujo producido puede ser mayor al necesario. Para ello, el flujo podría regularse mediante una válvula de control dejando estable la velocidad de la bomba, pero resulta mucho más eficiente regular dicho flujo controlando la velocidad del motor, en lugar de restringirlo por medio de la válvula, ya que el motor no tendrá que consumir una energía no aprovechada. 3.1 Tipos de variadores de velocidad. En términos generales, puede decirse que existen tres tipos básicos de variadores de velocidad: mecánicos, hidráulicos y eléctrico-electrónicos. Dentro de cada tipo pueden encontrarse más subtipos, que se detallarán a continuación. Cabe aclarar que los variadores más antiguos fueron los mecánicos, que se emplearon originalmente para controlar la velocidad de las ruedas hidráulicas de molinos, así como la velocidad de las máquinas de vapor. Los variadores de velocidad mecánicos e hidráulicos generalmente son conocidos como transmisiones cuando se emplean en vehículos, equipo agroindustrial o algunos otros tipos de maquinaria. Abel A. Cuellar Galindo,

28 3.1.1 Variadores mecánicos. Variador de paso ajustable: este dispositivo emplea poleas y bandas en las cuales el diámetro de una o más poleas puede ser modificado. Figura 3-1 Variador de velocidad de paso ajustable. Variador de tracción: transmite potencia a través de rodillos metálicos. La relación de velocidades de entrada/salida se ajusta moviendo los rodillos para cambiar las áreas de contacto entre ellos y así la relación de transmisión. Figura 3-2 Sistema variador de tracción. Abel A. Cuellar Galindo,

29 3.1.2 Variadores hidráulicos. Variador hidrostático: consta de una bomba hidráulica y un motor hidráulico (ambos de desplazamiento positivo). Una revolución de la bomba o el motor corresponde a una cantidad bien definida de volumen del fluido manejado. De esta forma la velocidad puede ser controlada mediante la regulación de una válvula de control, o bien, cambiando el desplazamiento de la bomba o el motor. Figura 3-3 Variador hidrostático. Variador hidrodinámico: emplea aceite hidráulico para transmitir par mecánico entre un impulsor de entrada (sobre un eje de velocidad constante) y un rotor de salida (sobre un eje de velocidad ajustable). También llamado acoplador hidráulico de llenado variable. Figura 3-4 Variador hidrodinámico de velocidad Abel A. Cuellar Galindo,

30 Variador hidroviscoso: consta de uno o más discos conectados con un eje de entrada, los cuales estarán en contacto físico (pero no conectados mecánicamente) con uno o más discos conectados al eje de salida. El par mecánico (torque) se transmite desde el eje de entrada al de salida a través de la película de aceite entre los discos. De esta forma, el par transmitido es proporcional a la presión ejercida por el cilindro hidráulico que presiona los discos Variadores electro-electrónicos. Existen cuatro categorías de variadores de velocidad eléctrico-electrónicos: Variadores para motores de CC. Variadores de velocidad por corrientes de Eddy. Variadores de deslizamiento. Variadores para motores de CA (también conocidos como variadores de frecuencia). Solo nos enfocaremos en los variadores para motores de CA. 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. 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. 3.2 Variadores de frecuencia. Los controladores de frecuencia variable son dispositivos complejos y hasta hace poco eran costosos. Sin embargo, trabajan con motores estándar lo cual permiten su fácil adición a unidades motrices existentes. Varios tipos de ventiladores (enfriadores de aire, torres de enfriamiento, ventilación y aire acondicionado, etc.) operan a velocidad variable mediante sistemas de variación de velocidad. Los sistemas de variación de velocidad alteran la velocidad del motor cambiando el voltaje y la frecuencia de la electricidad suministrada al motor en base a los requerimientos del sistema. Esto se logra convirtiendo corriente alterna en Abel A. Cuellar Galindo,

31 continua, y luego de múltiples mecanismos de cambio, invirtiendo la corriente continua a corriente alterna sintética, con voltaje y frecuencia controlados. Si este proceso es realizado en forma apropiada, la velocidad del motor puede ser controlada en un rango amplio (desde cero RPM hasta el doble de la velocidad nominal) con las características de torque apropiadas para la aplicación. Para mantener un factor de potencia apropiado y reducir calentamiento excesivo del motor, debe mantenerse el ratio de voltaje/frecuencia original. Esta es la función principal del variador de velocidad. Los cuatro componentes principales que hacen posible la operación de los variadores de velocidad son: convertidor, inversor, circuito de corriente continua (que sirve de enlace entre ambos), y la unidad de control, tal como se muestra en la figura. El convertidor contiene un rectificador y varios circuitos que convierten la frecuencia fija de corriente alterna en continua. El inversor convierte la corriente continua en corriente alterna de voltaje y frecuencia regulables (ambos deben ser regulables para poder mantener ratios de voltaje/frecuencia constante). Los circuitos de corriente continua filtran la corriente y la conducen al inversor. La unidad de control regula el voltaje y la frecuencia de salida en base a la señal proveniente del proceso (ej. sensor de presión). Los tipos principales de inversor son inversores de voltaje, inversores de corriente e inversores de modulación de pulsos. Figura 3-5 Sistema de variación de Frecuencia Los sistemas de variación de velocidad ofrecen varios beneficios en términos de ahorro de energía, el cual es logrado mediante la eliminación de pérdidas debido a estrangulamiento, rendimiento y fricción. La aplicación de un sistema de variación de velocidad depende fundamentalmente de la carga y requiere de un sólido Abel A. Cuellar Galindo,

32 conocimiento de las características de la carga para su aplicación exitosa. El tipo de carga (torque constante, torque variable, potencia constante) debe ser determinado así como la fracción de tiempo que el sistema opera (o podría operar) por debajo de la velocidad nominal Otras formas de mejorar la eficiencia del motor. Otra de las formas en las cuales se puede mejorar el desempeño de los motores eléctricos es mediante la introducción de más alambres de cobre en las ranuras del estator. Generalmente el diseño de las ranuras del estator debe incluir ranuras lo suficientemente grandes para admitir más alambre de cobre, pues el aumento en el calibre del alambre sin aumentar la carga de amperaje resulta en menores pérdidas, de igual forma debemos de tomar en cuenta el utilizar el mejor material conductor y de precio adecuado al valor del motor. Las pérdidas rotóricas, segundas en magnitud, se reducen usando rotores diseñados especialmente con mayores áreas de conductor de aluminio. Usando "barras de rotor" más grandes hay menor resistencia rotórica y menos pérdida de energía en el rotor. La histéresis y las corrientes parásitas pueden reducirse de varias maneras. La pérdida por histéresis puede reducirse usando mejores aceros y reduciendo la intensidad del campo magnético. Las pérdidas por corrientes parásitas se reducen, en tanto, adelgazando las láminas que componen el estator (y el rotor) y aislándolas mutuamente de modo más eficaz. Abel A. Cuellar Galindo,

33 4 PROCESO PARA REALIZAR PRUEBAS EN EL MOTOR DE INDUCCIÓN TRIFÁSICO TIPO JAULA DE ARDILLA Para llevar a cabo dicho proceso, primero tenemos que describir las herramientas, así como sus características de cada una de ellas, que fueron utilizadas en el presente trabajo. 4.1 Herramientas y materiales utilizados en las pruebas Sistema de Adiestramiento Electromecánico con Adquisición de Datos. El Sistema de Adiestramiento Electromecánico de 0.2 kw incluye componentes de control industrial y material didáctico. El Sistema Electromecánico de 0.2 kw (EEME-5000) es un programa modular presentado en cuatro unidades sobre equipamiento de tipo industrial de baja potencia. Todos los motores tienen un corte de tipo industrial que permite la inspección visual de su construcción interna y una fuente de potencia separada de cada estación de trabajo proporcionando un control total de la potencia de alimentación necesaria (incluyendo la trifásica), de manera que se elimina la interferencia con otros experimentos de laboratorio Estación de Trabajo Móvil. Fabricada en acero estructural, tratada con sistemas anticorrosivos y pintura epóxica. Mesa de trabajo de triplay de pino cubierta de Fórmica 92 x 29 cm. Compartimiento de trabajo: Para alojar 6 máquinas al mismo tiempo, contiene sistema antivibratorio, guías o rieles para el montaje de las máquinas u otros gabinetes, y opresores de acero para sujetar las máquinas en su operación. Compartimiento de almacenamiento: En la parte inferior del mueble, para poder guardar las máquinas y el equipo; con puertas corredizas y chapa con llave. Cuatro rodajas de uso rudo para la movilidad de la consola. Dimensiones: Ancho: 92.5 cm Prof.: 48.0 cm Altura: 162 cm Peso: 100 Kg (Aprox. sin módulos) Todos los motores/generadores tienen una cavidad para exhibir sus características eléctricas, así como para observar su funcionamiento. Todos los módulos están construidos con una base de placa de acero calibre 14 a 16 con acabado texturizado horneado. Tienen protector de acrílico transparente con bisagras para el acoplamiento de los motores, todos los componentes de los motores están montados externamente, como los capacitores, escobillas, anillos rozantes, etc. Para ser observados por el estudiante. La flecha de cada motor es cóncava y ranurada para facilitar el uso de un tacómetro y otros dispositivos. Los motores se conectan mecánicamente a través de un acoplador. Abel A. Cuellar Galindo,

34 Todos los motores cuentan con carcaza de placa de acero con acabado texturizado horneado, que permite tener acceso a la configuración particular de cada motor, además proporciona protección contra sobrecargas y mantiene aislados los componentes del mismo para protección. Estación de Trabajo totalmente ensamblada y lista para ser usada, permite el fácil movimiento en el salón de clases. La porción inferior de la estación de trabajo sirve como compartimento de almacenamiento con una cerradura con llave y es resistente a rallones y quemaduras. La superficie de trabajo proporciona un área para mantener libros y manuales de laboratorio mientras los estudiantes desarrollan ejercicios. La parte superior de la Estación de Trabajo consiste de por lo menos tres filas de compartimentos diseñados para el acoplamiento de los Módulos Electromecánicos, las primeras dos esas filas tienen espacios grandes y las siguientes espacios medianos. Cada fila de espacios grandes puede mantener en perfecta ubicación hasta tres módulos electromecánicos grandes o seis módulos electromecánicos medianos mientras que las filas de espacios medianos pueden acomodar hasta tres módulos electromecánicos medianos. Los Módulos del Sistema Electromecánico son guiados a su posición a través de guías de rieles de acero inoxidable. Un mecanismo de sujeción asegura que cada módulo permanezca en su lugar una vez que este es instalado en cualquier espacio de la estación de trabajo. Cada espacio seta provisto con una palanca de liberación que permite remover fácilmente los módulos de la estación de trabajo. Adicionalmente cada espacio cuenta con un dispositivo de sujeción que sirve para prevenir que los estudiantes muevan los módulos electromecánicos de la estación de trabajo durante los experimentos de laboratorio. Contiene por lo menos seis perforaciones en la parte posterior para la conexión del cable de la Fuente de Alimentación o para la conexión de motores de 2 kw de sus módulos de interconexión, cada perforación cuenta con una tapa de cubierta removible para cuando esta no sea utilizada, por último contiene una terminal que permite la conexión a tierra de la Estación de Trabajo. Abel A. Cuellar Galindo,

35 Figura 4-1 Estación de trabajo móvil. Abel A. Cuellar Galindo,

36 Del cual solo se ocupó la parte de la fuente de alimentación, un módulo para el motor de inducción tipo jaula de ardilla y un módulo para el electrodinamómetro; ya que las mediciones necesarias para el trabajo fueron realizadas con el PEL 103. Figura 4-2 Consola TELETERNIK EEME-5000 Abel A. Cuellar Galindo,

37 4.1.3 Motores. Todos los módulos de Motores/Generadores son de 0.2 kw (1/4 HP), los cuales tienen un devanado especial para exhibir sus características de equipo industrial. Todos los equipos están construidos con placa de acero de grueso calibre. La parte frontal es de acrílico transparente con una bisagra tipo piano cromada, lo que permite tener el acceso a la máquina, mientras tanto esta proporciona protección al estudiante cuando está cerrada. Todos los componentes de las máquinas están montados externamente como lo son capacitores, escobillas, anillos rozantes, etc. para ser observados por el estudiante. La flecha de cada máquina es cóncava y ranurada para facilitar el uso de un tacómetro y otros dispositivos. Las máquinas son acopladas mecánicamente a través de una correa dentada. Todas las máquinas tienen una carcasa tipo campana recortada (delante y detrás) que permite una inspección visual de la construcción interna y que permite observar la máquina durante su operación con la ayuda de un estroboscopio. Además tienen en la placa frontal del acrílico, receptáculos tipo banana, de acuerdo a los devanados y configuraciones de cada máquina, para su conexión posterior Modulo motor de inducción trifásico jaula de ardilla. MOTOR DE INDUCCIÓN JAULA DE ARDILLA 4 POLOS: El motor de inducción jaula de ardilla de cuatro polos tiene embobinados independientes en cada fase del devanado del estator y están conectados a la placa base para permitir al estudiante conectar el motor en cualquier configuración delta o estrella. Cuando sea controlado por un generador, el motor funciona como un generador trifásico asíncrono. Características físicas: Potencia de salida mínima: 175 W Velocidad: rev/min Corriente con carga: 1.2 Amp. Mínimo Abel A. Cuellar Galindo,

38 Figura 4-3 Motor tipo JA didáctico Modulo electrodinamómetro. ELECTRODINAMOMETRO DE CUATRO CUADRANTES El electro dinamómetro de cuatro cuadrantes, trabaja en modo de funcionamiento: electro dinamómetro. El electro dinamómetro de cuatro cuadrantes alimenta de una toma de pared estándar. Controla la función que el electrodinamómetro de cuatro cuadrantes, se puede realizar ya sea de modo manual o por computadora. Características: Electro dinamómetro modo magnético; 0 a 3 nm (0 a 27 lbf-in). Dirección de rotación: CW / CCW Velocidad: de 0 a 2500 r / min. Potencia nominal: 350 w. Modo de alimentación: voltaje dc 0 a ± 150 v. Voltaje AC (rms): 0 a 105 v. Corriente alterna (rms): 0 a 3,5 a. Potencia máxima de salida: 500 w. Frecuencia AC: 40 a 70 hz. Entrada de control de comandos: de 0 a ± 10 v. Abel A. Cuellar Galindo,

39 Termistor de entrada: 10 kilo Ohms. Salidas de control del eje del codificador de cuadratura del codificador (ab) pulsos / revolución - compatible. Torque sensibilidad de salida 0,3 Nm / v (2.655 lbf-en / v). Velocidad sensibilidad de salida 500 r / min / v. Requisitos de alimentación 120 v - 6 a - 60 Hz. Red eléctrica del interruptor automático de 10 a. Máximo Comunicación USB 2.0 Figura 4-4 Electrodinamómetro didáctico Modulo fuente de alimentación Fuente de Alimentación C.A. /C.D. trifásica Fuente de alimentación trifásica de C.A. y otra de C.D. la salida es alimentada desde un cable de cuatro hilos de 120/220 VCA trifásica. El servicio de salida incluye lámparas piloto de entrada/salida, dos interruptores de encendido/apagado, dos receptáculos polarizados monofásicos y dos juegos de receptáculos tipo banana codificados por color para voltaje trifásico/monofásico a 15 Amp. Y dos juegos de receptáculos tipo banana codificados por color para voltaje de cd de 110 VCD a 8 Amp. Todas Abel A. Cuellar Galindo,

40 las salidas están protegidas por un circuito termomagnético. La alimentación montada sobre la repisa de la estación de trabajo deberá incluir energía en ambos lados. Entrada: voltaje línea: 120/220 VCA 60 Hz. Corriente de línea mínimo: 10 Amp. Instalación: 3 fases, 5 hilos, conectado en estrella, incluido tierra y neutro Salida CA: voltaje de línea: 120/220 VCA 60 Hz. Corriente línea mínimo: 10 Amp. Salida cd: voltaje: 120 VCD. Corriente línea mínimo: 5 Amp. Figura 4-5 Fuente de alimentación Abel A. Cuellar Galindo,

41 Figura 4-6 Cables didácticos para las conexiones de la marca FESTO Tacómetro analógico. Figura 4-7 Tacómetro analógico Teclock-Type H. Abel A. Cuellar Galindo,

42 Figura 4-8 Especificaciones del tacómetro análogo Teclock Para tomar las mediciones de la velocidad del motor se usó la punta tipo A, ya que el eje del rotor tiene en su extremo una muesca del tipo cóncavo hacia adentro Termómetro infrarrojo digital STEREN HER-425. Especificaciones: Alimentación: 9V- - - (1 x 9V). Figura 4-9 Termómetro infrarrojo digital Abel A. Cuellar Galindo,

43 Rango de Temperatura: -20 C a 500 C. Emisividad: Configurado a 0,95. Precisión: -20 C ~ 0 C +/- 3 C. 0 C ~ 500 C +/- (lectura 1,5% + 2 C). Tiempo de respuesta: 1s. Potencia de láser: <1mW. Longitud de onda: nm clase 2. Respuesta de espectro: 8-14 um. Temperatura de almacenamiento/operación: -20 ~ 50ºC. Humedad relativa de almacenamiento/operación: 10 a 90% (no condensada). Distancia máxima para medición: 1,5m. Se tomaron lecturas de temperatura antes de iniciar y una vez terminada la prueba para tomar en cuenta o no la variación de temperatura del motor como influencia significativa de una perdida que afecte a la eficiencia. Abel A. Cuellar Galindo,

44 4.1.9 PEL: Power and Energy Logger (analizador de potencia y energía). Figura 4-10 PEL Analizador de Potencia y Energía Descripción: El PEL 103 ofrece todas las funciones necesarias para el registro de datos de Potencia / Energía para la mayoría de los sistemas que trabajan con 50 Hz, 60 Hz, y 400 Hz, y sistemas de distribución de corriente continua, ofreciendo en todo el mundo numerosas distribución set-ups. El PEL está diseñado para trabajar en entornos 600 V CAT IV y 1000 V CAT III. El PEL proporciona las siguientes medidas (o cálculos): Mediciones directas de voltaje de hasta 1000 V CAT III y 600 V CAT IV Mediciones de corriente AC de 200mA hasta A con sensores de corriente externos MA193. Mediciones de potencia: VA, W y var. Mediciones de energía: VAh, Wh (fuente, carga) y varh (4 cuadrantes). Factor de potencia (PF), Cos ϕ, y Tan. Factor de cresta. Distorsión harmónica total. Los armónicos de la señal fundamental hasta el orden 50 durante tensiones y corrientes de 50/60 Hz. Abel A. Cuellar Galindo,

45 Mediciones de frecuencia. Mediciones de RMS y DC a 128 muestras/ciclo-por fase simultáneamente. Pantalla brillante triple de LCD (se muestran 3 fases simultáneamente). Almacenamiento de valores de cálculos o mediciones en una tarjeta SD o tarjeta SDHC. Reconocimiento automático de los diferentes tipos de sensores de corriente. Configuración de relación de voltaje y corriente con sensores externos. 17 tipos soportados de conexiones o sistemas de distribución eléctrica. Comunicación vía USB, LAN y Bluetooth. Software DataView para la descarga de datos, la visualización de las mediciones, la comunicación en tiempo real con un PC y la generación de informes con plantillas predefinidas o personalizadas. Incluido en el equipo PEL-103 están sus accesorios para las mediciones y obtención de datos Cables de prueba negros y pinzas tipo cocodrilo. Figura 4-11 Cables de prueba negros y pinzas tipo caimán Abel A. Cuellar Galindo,

46 Sensores de corriente tipo MiniFlex Figura 4-12 Sensores de corriente MiniFlex Abel A. Cuellar Galindo,

47 Esos han sido los equipos y materiales que se ocuparon para llevar a cabo el presente trabajo de investigación. A continuación se describirá detalladamente el procedimiento que se desarrolló durante el trabajo. 4.2 Procedimiento. El primer paso fue regular el voltaje que suministra la fuente de alimentación para obtener el voltaje nominal de placa del motor, esto se hizo conectando los caimanes con cables de conexión del PEL 103, conectados a su vez con los bornes de alimentación de la fuente en las 3 fases, se regulo el valor del voltaje entre las tres fases (ya que la fuente presenta un desbalanceo de voltaje en sus fases). Figura 4-13 Fuente de alimentación Una vez regulada la fuente, el valor promedio de las tres fases que se obtuvo de esa regulación fue de V, que es 0.38% arriba del valor del voltaje nominal del motor. Abel A. Cuellar Galindo,

48 Figura 4-14 Regulación de la Fuente de Alimentación Colocamos la banda de trasmisión de potencia del motor hacia el electrodinamómetro en sus poleas para transmitir el giro y poder medir su torque. Figura 4-15 Motor JA y Electrodinamómetro Abel A. Cuellar Galindo,

49 Se realiza una conexión en estrella en la salida de los devanados del estator. Figura 4-16 Motor JA devanados conectados en estrella Conectamos los cables de conexiones ubicando cada uno en su respectivo borne de alimentación de la fuente de voltaje variable con el borne de entrada del devanado del estator; durante conexiones realizadas anteriormente, se notó que si conectábamos directamente la fase correspondiente del devanado del motor con los bornes de la fuente de alimentación, es decir, fase A del devanado con su fase A de la fuente de alimentación, fase B con fase B de alimentación, y así lo mismo con la fase C, el motor giraba en sentido contrario al necesario para producir una medición en el electrodinamómetro, es por ello que se notara en las imágenes posteriores que se cambiaron dos de las fases de los devanados con los bornes de alimentación (fase A con fase B) para lograr el sentido de giro necesario. Abel A. Cuellar Galindo,

50 Figura 4-17 Motor JA alimentado y conectado en estrella Se alimenta tanto el motor de inducción tipo jaula de ardilla, como el electrodinamómetro, el motor con su voltaje regulado promedio de V y el electrodinamómetro con su voltaje de trabajo. Abel A. Cuellar Galindo,

51 Figura 4-18 Motor JA y Electrodinamómetro alimentados En seguida a esto se toma la lectura de la temperatura que indicaba el termómetro infrarrojo (apuntando el láser al devanado del motor). Este paso se hizo en cada una de las pruebas realizadas en el presente trabajo, al iniciar y al finalizar con las sesiones cada una de 15min trabajando el motor. Se conectan cables de conexión de los bornes de las fases 1,2 y 3 de los devanados del estator para conectarle los caimanes del analizador de potencia y energía, y así tener valores de voltaje del motor. En seguida se colocan los sensores de corriente del analizador en cada una de las fases de alimentación. Programamos el analizador para que realice una grabación de un lapso de 15min. Damos inicio a las pruebas. 5 PRUEBAS AL MOTOR DE INDUCCIÓN TRIFÁSICO TIPO JAULA DE ARDILLA. Como lo hemos mencionado ya, se realizaron pruebas por periodos de 15 minutos, a cada prueba se le haría una modificación, primero del voltaje y después de la carga. El periodo de tiempo estimado que se le dio al motor para que este se enfriase fue de 10 minutos cuando se realizaron el mismo día varias sesiones, Abel A. Cuellar Galindo,

52 esto con el motivo de que el factor temperatura no fuera de gran influencia en los resultados. Los resultados obtenidos de cada sesión registrada en el PEL-103 fueron arrojados en formato de excel, como una tabla con valores de voltaje, corriente, ángulos de desfasamiento, factor de potencia y de otros medidos por unidad de tiempo, en este caso se tienen registrados, tanto periodos de tiempo de un valor por minuto y de un valor por segundo, para el presente trabajo se tomó el valor de medición de un valor por cada segundo, para obtener un resultado mucho más preciso a la hora de fundamentar las conclusiones del consumo de energía. Tabla 4 Tabla de valores obtenidos por minuto por el PEL en Excel Abel A. Cuellar Galindo,

53 Tabla 5 Tabla de valores obtenidos por segundo por el PEL en Excel Como nos damos cuenta, todos estos datos, no pueden ser bien interpretados en la forma en como los podemos observar en una tabla de excel, sino que la mejor manera de ser capaces de distinguir que sucede con los valores que nos interesan, es por medio de gráficas. Excel maneja graficas de los datos que ahí se encuentran, pero para esta investigación se utilizó un software para graficar un poco de manera más sencilla y también más vistosa, este programa es conocido como OriginLab, los valores que nos interesan para este trabajo son los de la potencia consumida por el motor durante el lapso de tiempo de funcionamiento, es por eso que se hicieron graficas donde comparamos el factor tiempo con la potencia absorbida por el motor en el lapso de tiempo de un valor por segundo, por lo que cada grafica será una curva decreciente que después debe ser lo más parecido a una línea recta, puesto que los valores de voltaje y carga ya serán constantes y el motor solo consume mucha potencia al iniciar el arranque, pues ocupa dos o más veces la corriente nominal de trabajo. Para obtener los resultados no se tomaron en cuenta varios factores que pudieron haber afectado, como el cálculo de sus pérdidas tanto mecánicas como eléctricas, sin embargo se tienen los resultados del consumo de energía y el voltaje influye en un porcentaje realmente considerable como para ser tomado en cuenta, y no se tienen las mediciones de la potencia mecánica desarrollada o producida debido a que el electrodinamómetro utilizado no estaba en las condiciones óptimas como para dar una conclusión efectiva acerca del tema tratado. Abel A. Cuellar Galindo,