fundamentos de motores básico - yaskawa

YASKAWA ELECTRIC AMERICA

VARIADORES S.A

Motores Eléctricos y Alta Eficiencia

Capitulo I

Introducción a los motores eléctricos

- Tipos de Motores- Conceptos Básicos

- Partes de los Motores

Tipos de motores

MOTORES AC

Monofásicos

Polos SombreadosFase DivididaArranque por capacitor y Operación por InducciónArranque por capacitor y Capacitor de OperaciónCapacitor y Fase dividida PermanentesArranque por Repulsión y Operación por Inducción

Trifásicos

SíncronosAsíncronos o de Inducción “Jaula de Ardilla”Rotor Devanado

MOTORES CD

Embobinado Serie, Paralelo y Compuesto

Imán Permanente

Con Escobillas y Sin Escobillas

Conceptos Básicos

TRABAJO POTENCIA CABALLO DE POTENCIA PAR O TORQUE VELOCIDAD FACTOR DE SERVICIO

Trabajo

Un trabajo es realizado cuando una fuerza es utilizada para desplazar una masa en una distancia paralela a la línea de acción de la fuerza. Este se mide en Kg-m, Lb-Ft, Etc.

Potencia

La potencia es la capacidad de hacer un trabajo en un cierto período de tiempo. La potencia mecánica es medida en HP, la eléctrica es medida en WATTS.

Caballo de potencia

Es la unidad usada para medir el trabajo producido por motores y controles de velocidad. Es equivalente a levantar 1000 lb a 33 ft de altura en un minuto. Por lo tanto un HP produce 33000 lb-ft en un minuto.

Par ( fuerza de torsión)

Par (Torque) es la fuerza de torsión aplicada a una carga, en una forma directa o indirecta. Las unidades típicas utilizadas son lb–in, Kg–m, o sus equivalentes.

Velocidad

Es el número de vueltas que el eje del motor puede lograr en una unidad de tiempo, se mide en revoluciones por minuto (RPM)

Factor de servicio

Es la capacidad de sobrecarga temporal de un motor, sin sufrir daño alguno. Un motor con FS de 15%, puede sobrecargarse en un 15% sin sufrir daños por calentamiento. Este factor de servicio es válido en condiciones nominales del motor, de esta forma podría estarse utilizando o no dependiendo de las necesidades.

Factor De Potencia

Es la relación entre potencia aparente y potencia real. La potencia aparente podríamos explicarla como la utilizada para energizar o magnetizar las cargas inductivas, como: motores, transformadores, lámparas, etc. La potencia real es la ocupada por las cargas para hacer función, por ejemplo la que necesita el motor para dar movimiento a su carga, la que ocupa el foco para iluminar, etc.

Cálculo de la potencia En general: En general:

Potencia = Torque por velocidad angular (movimiento rotativo)Potencia = Torque por velocidad angular (movimiento rotativo)

Potencia= Fuerza* velocidad lineal (movimiento de translación)Potencia= Fuerza* velocidad lineal (movimiento de translación)

Donde:Donde:

Torque: Fuerza por radio de rotación (N-m, Lbf-ft) Torque: Fuerza por radio de rotación (N-m, Lbf-ft)

Velocidad lineal: m/s, ft/s.Velocidad lineal: m/s, ft/s.

Velocidad angular: radianes/s, rpmVelocidad angular: radianes/s, rpm

Potencia; vatios, hpPotencia; vatios, hp

Fórmula para calcular la potencia

Fórmula para calcular la potenciaFórmula para calcular la potencia

HP = HP = 6.28 x Torque x RPM6.28 x Torque x RPM

33,00033,000

Donde:Donde:

6.28 - Numero de radianes en una revolución (2 ) 6.28 - Numero de radianes en una revolución (2 )

Torque - Cantidad de torque en lb.ft.Torque - Cantidad de torque en lb.ft.

RPM - RPM del motorRPM - RPM del motor

33,000 - lb.ft. Equivalentes a 1 HP por minuto33,000 - lb.ft. Equivalentes a 1 HP por minuto

Fórmula simplificada de potenciaFórmula simplificada de potencia

HP =HP = TorqueTorque xx RPMRPM

52505250

Donde:Donde:

Torque - Cantidad de torque lb.ft.Torque - Cantidad de torque lb.ft.

RPM - RPM del motorRPM - RPM del motor

5250 - Constante obtenida al dividir 5250 - Constante obtenida al dividir

33,000 /6.2833,000 /6.28

Fórmula para calcular la potencia

Partes de un motor de CA Trifásico

BOBINADO DE ESTATOR

BOBINADO DE ROTOR DENTRO DE

LA JAULA DE ARDILLA

ENTREHIERRO

ROTOR

Capitulo II

Motores Trifásicos de Inducción - Otros Conceptos- Selección de Motores

Otros Conceptos

FRECUENCIA VELOCIDAD SINCRONA VELOCIDAD A PLENA CARGA DESLIZAMIENTO POLOS

FrecuenciaEs el número de fluctuaciones en el voltaje por segundo, de una fuente convencional. Los motores son diseñados para una frecuencia y voltajes específicos.

En velocidades síncronas

Polos A 60 Hz A 50 Hz

2 3600 3000

4 1800 1440

6 1200 1000

8 900 750

Velocidad Sincrónica

Es la velocidad a la cual está girando el campo magnético en el embobinado del estator. Es la velocidad aproximada con la cual gira el motor cuando esta sin carga.

Construcción Motor trifásico

EstatorEstator

RotorRotor

Devanados - ElectroimanesDevanados - ElectroimanesBarras del Barras del RotorRotor

22

Construcción Motor trifásico

33

Vista lateralVista lateral

RotorRotor

EstatorEstator

CarcazaCarcaza

Entre-Entre-hierrohierro

Devanado Devanado EstatorEstator

Operación de un motor

Regla de la mano izquierda

44

FUERZA

FLUJO MAGNETICO

CORRIENTE

Construcción motor trifásico


Construcción motor trifásicoT1T1

Vista LateralVista Lateral

T2T2

T2’T2’

T3T3

T1’T1’

T3’T3’

Construcción motor trifásicoT1T1


T2T2

T2’T2’

T3T3

T1’T1’

T3’T3’+

+

+

+ Denota una Denota una corriente que corriente que entra a la entra a la pantallapantalla

Denota una Denota una corriente que corriente que sale de la sale de la pantalla pantalla

66

Construcción motor trifásico

Vector de Vector de fuerzafuerza

77

T1T1

Vista LateralVista Lateral

T2T2

T2’T2’

T3T3

T1’T1’

T3’T3’

+

+

+

Rotacion del motor

+

+

+NN NN

SSSS

SS

NN

T1T1

T3T3

T2T2

un Ciclo*un Ciclo*

+

+

+

NNSS

NN

NN

SSSS

T1T1

T3T3

T2T2

un Ciclo*un Ciclo*

* - current waveform* - current waveform

+

+

+NN NN

SSSS

SS

NN

Rotacion del motor

Rotacion de motor

++

+

NN

NN

SS

SS

SS

NN

T1T1

T3T3

T2T2

un Ciclo*un Ciclo*


+

+

+NN NN

SSSS

SS

NN

+

+

+

NNSS

NN

NN

SSSS

Rotacion de motor

++

+NN

NN

SS

SS

SS

NN

T1T1

T3T3

T2T2


+

+

+NN NN

SSSS

SS

NN

+

+

+

NNSS

NN

NN

SSSS

++

+

NN

NN

SS

SS

SS

NN

un Ciclo*un Ciclo*

Rotacion de motor

+

+

+NN

NN SS

SS

SS

NN

T1T1

T3T3

T2T2


+

+

+NN NN

SSSS

SS

NN

+

+

+

NNSS

NN

NN

SSSS

++

+

NN

NN

SS

SS

SS

NN+

+

+NN

NN

SS

SS

SS

NN

un Ciclo*un Ciclo*

Rotacion de motor

++

+

NN

NN SS

SS

SS

NN

T1T1

T3T3

T2T2


+

+

+NN NN

SSSS

SS

NN

+

+

+

NNSS

NN

NN

SSSS

++

+

NN

NN

SS

SS

SS

NN+

+

+NN

NN

SS

SS

SS

NN

+

+

+NN

NN SS

SS

SS

NN

un Ciclo*un Ciclo*

Rotacion de motor

+

+

+NN NN

SSSS

SS

NN

T1T1

T3T3

T2T2


+

+

+NN NN

SSSS

SS

NN

+

+

+

NNSS

NN

NN

SSSS

++

+

NN

NN

SS

SS

SS

NN+

+

+NN

NN

SS

SS

SS

NN

+

+

+NN

NN SS

SS

SS

NN

++

+

NN

NN SS

SS

SS

NN

un Ciclo*un Ciclo*

Calculando la velocidad del motor

Fórmula para hallar la velocidad sincrónica en RPMFórmula para hallar la velocidad sincrónica en RPM

N =N =OO

22

# de polos# de polos

6060

1 /1 / ff

Donde:Donde:

NN - Velocidad sincrónica.- Velocidad sincrónica.

- Revoluciones por ciclo eléctrico.- Revoluciones por ciclo eléctrico.

- Ciclos por minuto.- Ciclos por minuto.

22


6060

1 /1 / ff

OO

1212


N =N =OO

22


6060

1 /1 / ff

SimplificandoSimplificando

N =N =OO

120 120 ff

PP

Fórmula para hallar la velocidad sincrónicaFórmula para hallar la velocidad sincrónica

1313

Velocidad de Plena Carga

Es una indicación de la velocidad aproximada a la cual el motor girará cuando se le requiere todo el par que puede proporcionar o todo el caballaje.

Deslizamiento

El deslizamiento se define como la diferencia entre la velocidad Sincrónica y la velocidad de plena carga.

Si tenemos una velocidad Sincrónica de 1800 RPM´s.

PotenciaVelocidad a plena carga

RPM´s

Porcentaje de

deslizamiento

½ HP 1725 4%

100 HP 1760 2.2%

200 HP 1780 1.1%

“Que es deslizamiento ?”

Para que se produzca torque en un motor de Para que se produzca torque en un motor de inducción debe fluir corriente por el rotor.inducción debe fluir corriente por el rotor. Para producir flujo de corriente en el rotor, la Para producir flujo de corriente en el rotor, la velocidad del rotor debe ser ligeramente inferior a la velocidad del rotor debe ser ligeramente inferior a la velocidad sincrónica.velocidad sincrónica. La diferencia entre la velocidad sincrónica y la La diferencia entre la velocidad sincrónica y la velocidad del rotor (velocidad nominal) se conoce velocidad del rotor (velocidad nominal) se conoce como deslizamiento.como deslizamiento.

EstatorEstator

FlujoFlujo

RotorRotorDeslizamientoDeslizamiento 1414

NUMERO DE POLOS

Es el número de polos magnéticos construidos dentro del motor. Los polos siempre vienen en pares (un norte y un sur), por lo que en los motores siempre existirá un número par de polos, como: 2, 4, 6, etc.

2 POLOS

NUMERO DE POLOS

4 POLOS

NUMERO DE POLOS

6 POLOS


Fórmula para hallar las RPM del motorFórmula para hallar las RPM del motor

N =N =120 120 ff

PP( 1 - s )( 1 - s )

Donde:Donde:

N N - RPM del motor.- RPM del motor.

ff - Frecuencia en Hz- Frecuencia en Hz

PP - Número de polos del motor- Número de polos del motor

ss - (N- (Noo - N) / N - N) / Noo

1717

Placa de Datos

Nema ha establecido, como un estándar, los datos mínimos que debe contener una placa para motor en sus diferentes tipos. Una placa de datos para motores de CA, monofásico o trifásico, debe contener lo siguiente:

Tipo de enclaustramiento y armazón

Potencia de salida Ciclo de trabajo Temperatura máxima de

operación Designación de tipo de

aislamiento RPMs a plena carga

Placa de Datos

Frecuencia de alimentación

Número de fases Voltaje de alimentación Corriente a plena carga Eficiencia

Placa de Datos

Algunas Notas

En los motores de corriente alterna, la placa normalmente indica un valor de voltaje menor al nominal de línea. Por ejemplo, el nominal es 240 VAC y en placa 230 VAC, etc.

En algunos casos, la placa será fabricada para algún tipo de motores específicamente. Para motores de alta eficiencia, por ejemplo, o a prueba de explosión, en donde se adicionarán datos específicos de esta familia.

Placas Especiales

PLACA DEL MOTOR

XYZ MOTOR COMPANYXYZ MOTOR COMPANY

HP 10RPM 1750

Hz 60

VOLTS 460

AMPS 15

NEMA DESIGN B

INS. CLASS BPHASE 3

FRAME 215TS.F. 1.15

ENTENDIENDO LA PLACA DEL MOTOR

HP- Caballos de Fuerza

El dato que figura en la placa en HP es la fuerza nominal del motor, cuando es conectado a la frecuencia y las fases especificadas en la placa.


HP 10

RPM 1750

Hz 60

VOLTS 460

AMPS 15

NEMA DESIGN B

INS. CLASS BPHASE 3

FRAME 215T

S.F. 1.15


RPM - Revoluciones por Minuto El valor de las RPM

representan la velocidad nominal cuando el motor es conectado a la frecuencia y fases especificadas en la placa.


HP 10

RPM 1750

Hz 60

VOLTS 460

AMPS 15

NEMA DESIGN B

INS. CLASS BPHASE 3

FRAME 215T

S.F. 1.15


Voltaje

Es el valor al cual se debe conectar el motor para tener las RPM y los HP especificados en la placa.


HP 10

RPM 1750

Hz 60

VOLTS 460

AMPS 15

NEMA DESIGN B

INS. CLASS BPHASE 3

FRAME 215T

S.F. 1.15


Fases

Las fases que figuran en la placa describen el sistema para el cual fue diseñado el motor.


HP 10

RPM 1750

Hz 60

VOLTS 460

AMPS 15

NEMA DESIGN B

INS. CLASS BPHASE 3

FRAME 215T

S.F. 1.15


Hz – Frecuencia La frecuencia que figura en

la placa del motor especifica el diseño para el cual fue hecho el motor con el fin de lograr la velocidad y los HP especificados en la placa.


HP 10

RPM 1750

Hz 60

VOLTS 460

AMPS 15

NEMA DESIGN B

INS. CLASS BPHASE 3

FRAME 215T

S.F. 1.15


Amps

Los amps representan un valor aproximado de la corriente del motor cuando esta al valor nominal de los HP en un circuito con el voltaje y la frecuencia especificada en la placa.


HP 10

RPM 1750

Hz 60

VOLTS 460

AMPS 15

NEMA DESIGN B

INS. CLASS BPHASE 3

FRAME 215T

S.F. 1.15


Diseño NEMA

El diseño NEMA hace referencia al diseño de la curva velocidad – torque que serìa producida por el motor.


HP 10

RPM 1750

Hz 60

VOLTS 460

AMPS 15

NEMA DESIGN B

INS. CLASS BPHASE 3

FRAME 215T

S.F. 1.15


Clase de Aislamiento

La letra que aparece en INS. CLASS designa la temperatura permisible basados en el aislamiento del motor y el factor de servicio.


HP 10

RPM 1750

Hz 60

VOLTS 460

AMPS 15

NEMA DESIGN B

INS. CLASS BPHASE 3

FRAME 215T

S.F. 1.15

Eficiencia En Motores

La eficiencia en un motor es la capacidad de conversión de la energía eléctrica de entrada en energía mecánica de salida, entregada por el eje. Este valor se presenta en porcentaje y es mostrado en la placa de datos del motor.

Los usuarios pueden tener un gran ahorro de energía eléctrica ($$$) utilizando motores de alto rendimiento, en aplicaciones de operación continua y a plena carga.

En aplicaciones así, el motor puede ahorrar de 10 a 15 veces su propio precio durante su vida útil.

NEMA también se encarga de definir los valores mínimos y nominales de eficiencia, con objeto de estandarizar la fabricación en este rubro.

100salida

% kWentrada

kWEFICIENCIA

Diseño NEMA A

Este tipo de motores no son muy usuales. Tienen un par normal de arranque. Presentan un bajo deslizamiento, lo que hace que su velocidad nominal sea muy cercana a la síncrona.

Curvas de torque según norma NEMA

00

100%100%

VELOCIDADVELOCIDAD

TO

RQ

UE

TO

RQ

UE 200%200%

300%300%

100%100%

Diseño Nema ADiseño Nema A

Alto torque de breakdown.Alto torque de breakdown.

Torque de arranque normal.Torque de arranque normal.

Alta corriente de arranque.Alta corriente de arranque.

Bajo deslizamiento.Bajo deslizamiento.

Usado en aplicaciones que Usado en aplicaciones que requieran;requieran;

Sobrecargas ocasionalesSobrecargas ocasionales

Mayor eficiencia.Mayor eficiencia.

Diseños trifásicos de motores

Diseño NEMA BEs el diseño industrial estándar para uso continuo. Provee un par de arranque normal con una corriente moderada de arranque. Tiene una buena operación en aplicaciones para ventiladores, máquinas herramientas, compresores y bombas centrifugas.


00

100%100%

VELOCIDADVELOCIDAD

TORQUETORQUE

200%200%

300%300%

100%100%

Diseño Diseño NEMA BNEMA B

Diseño Nema BDiseño Nema B

Torque de breakdown Torque de breakdown normal.normal.

Torque de arranque Torque de arranque normal.normal.

Baja corriente de arranqueBaja corriente de arranque

Deslizamiento normalDeslizamiento normal

menor al 5%menor al 5%

Motor de propósito generalMotor de propósito general

2020

Diseño NEMA C

Este motor es utilizado para mover cargas con alta inercia de arranque, por lo que tiene la característica de ofrecer un gran par de arranque. Este diseño se aplica en compresores que arrancan cargados, bombas de desplazamiento positivo y algunos transportadores que requieren arranques con carga.


00

100%100%

VELOCIDADVELOCIDAD

TORQUETORQUE

200%200%

300%300%

100%100%

Diseño Diseño NEMA CNEMA C

Diseño Nema CDiseño Nema C

Bajo torque de breakdownBajo torque de breakdown

Alto torque de arranqueAlto torque de arranque

Baja corriente de arranqueBaja corriente de arranque

Deslizamiento normalDeslizamiento normal

menor al 5%menor al 5%

Usado en aplicaciones que Usado en aplicaciones que requieran:requieran:


Diseño NEMA D Es el diseño que provee el

mayor par de arranque. Cuando las cargas son aplicadas momentáneamente durante la operación plena, el motor pierde su velocidad rápidamente. Son utilizados en donde se requieren altos pares momentáneos, como estampadoras, en extractores y máquinas con alto volante inercial alto


00

100%100%

VelocidadVelocidad

TORQUETORQUE

200%200%

300%300%

100%100%

Diseño DDiseño DDeseño NEMA DDeseño NEMA D

Alto torque de breakdownAlto torque de breakdown


Corriente de arranque Corriente de arranque normalnormal

alto deslizamientoalto deslizamiento

5 - 13%5 - 13%

Usado en aplicaciones que Usado en aplicaciones que requieranrequieran


Curvas típicas Par – Velocidad

Par a plena cargaEs el máximo par al cual el motor, funcionando a plena velocidad, opera sin sobre-calentamiento y al ciclo para el cual fue diseñado.

Par a plena carga

Par a rotor bloqueado / Par de arranque

Es el par máximo que se produce cuando el motor es energizado a pleno voltaje y con el eje bloqueado. Es decir, es el par disponible para romper la inercia estática de la carga y acelerarla.

Par a Rotor Bloqueado

Par mínimo de Aceleración

Es el punto más bajo de la curva de velocidad para un motor que está acelerando una carga para llevarla a máxima velocidad. Algunos diseños no traen valor de par mínimo (Pull up) porque este se presenta a rotor bloqueado.

Par Mínimo de Aceleración

Par de frenado o de Desenganche

Es el máximo par que el motor puede entregar, estando a plena velocidad y justo antes de iniciar un frenado por exceso de carga

Par de Desenganche

Selección del equipo Por:

- Capacidad- Material de Construcción- Tipo Cerramiento- Tipo de Diseño - Tipo de Carga- Tipo de Aislamiento- Ciclo de Trabajo- Tipo de Montaje

Tipos de Cargas

Un termino que genera una gran confusión cuando se selecciona un motor, como cuando se selecciona un control para variar la velocidad es la Clasificación de la carga.Existen 4 tipos de cargas

Par constante. Par variable. Potencia constante. Alta inercia.

Par Constante

En estas aplicaciones normalmente la carga es constante sin importar la velocidad de movimiento. Como ejemplo típico esta la mayoría de los transportadores.

Curvas de Par Constante

Par Variable

Se define así a las aplicaciones en donde la demanda de par se incrementa al aumentar la velocidad. Como ejemplo tenemos a las bombas y ventiladores centrífugos.

Curvas de Par Variable

Matemáticamente el PAR esta en función del cuadrado de la velocidad y la POTENCIA en función del cubo de la velocidad

Potencia Constante

En estas aplicaciones cuando la velocidad se incrementa, la demanda de par se reduce y viceversa. Estas aplicaciones de potencia constante son vistas en taladros, tornos, molinos y otras.

Curvas de Potencia Constante

Alta Inercia

Son consideradas así las que presentan un efecto volante relativamente alto, grandes ventiladores, estampadoras, máquinas centrífugas, lavadoras industriales y algunas otras aplicaciones similares.

Producción de torque cuando se usa un variador de frecuencia

Rotor Rotor bloqueado bloqueado Torque (150%)Torque (150%)

Torque Torque nominal nominal (100%)(100%)

TORQUETORQUE

Fout (Hz)Fout (Hz) 6060

Producción de torque cuando se usa un variador de frecuencia

Rotor bloqueado Rotor bloqueado Torque (150%)Torque (150%)

Torque Torque nominal nominal (100%)(100%)

TORQUETORQUE

Fout (Hz)Fout (Hz) 60603.03.0

Clases de Aislamiento

Clase de Aislamiento

Cerramiento Temp. Ambiente

Incremento de

Temperatura

Tolerancia de punto Caliente

Máxima Temperatura

Interna

AABIERTO 40 ºC 50ºC 15ºC 105ºC

CERRADO 40 ºC 55ºC 10ºC 105ºC

BABIERTO 40 ºC 70ºC 20ºC 130ºC


FABIERTO 40 ºC 90ºC 25ºC 155ºC


HABIERTO 40 ºC 110ºC 30ºC 180ºC


Temperatura ambiente. Es la temperatura del aire que rodea al motor en el

medio o lugar de operación. Es el punto inicial de temperatura, cuando el motor está frió, es decir no ha sido operado.

Incremento de temperatura.Es el cambio de temperatura, a partir de la

temperatura ambiente hasta la temperatura a plena carga, una vez estable.

Tolerancia de punto caliente. Después de haberse medido la temperatura del

devanado, es necesario tener en cuenta un factor de tolerancia el cual nos de un reflejo de cual debe ser la temperatura en el punto mas caliente dentro del motor.

Temperaturas

En lo que se refiere a aislamiento, un motor es clasificado con base en aislamiento del menor rango que contenga; es decir, si el motor está fabricado con elementos aislantes tipos B y F, el motor es especificado para aislamiento clase B.

Aislamientos

Ciclo De Trabajo

Existen dos clasificaciones en cuanto a ciclos de trabajo se refiere.

- Ciclo de Trabajo ContinuoPuede ser operado en forma indefinida sin interrupción, y sin sufrir calentamiento. Los motores de propósito general son de éste tipo. Los paros dependen del mantenimiento.

- Ciclo de Trabajo Intermitente

Están diseñados para operar en períodos definidos de tiempo. Si el periodo de trabajo es excedido, el motor sufrirá calentamiento proporcional a éste exceso, provocando un deterioro prematuro.

Yaskawa Electric America Yaskawa Electric America Engineering Training Engineering Training Department Department

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07-XII-2006

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