GT 20-Conocimiento básico de motores eléctricos. Conocimiento básico de motores eléctricos. Jhony Sebastián Medina Rojas Instructor: Rodrigo Masías Barrera Ficha: 2558302 Centro Industrial de manufactura y mantenimiento SENA Sogamoso – Boyacá 27/11/2023 1 GT 20-Conocimiento básico de motores eléctricos. Introducción En el vasto mundo de la ingeniería eléctrica, los motores eléctricos desempeñan un papel fundamental, impulsando una amplia gama de aplicaciones desde maquinaria industrial hasta electrodomésticos cotidianos, esta guía se sumergirá en el fascinante universo de los motores eléctricos, explorando su funcionamiento, sus componentes esenciales y los experimentos cruciales que dieron forma a nuestra comprensión de la electricidad y el magnetismo. Realizaremos una práctica con motores monofásicos mediante un ejercicio esencial para comprender la manipulación y control de estos dispositivos, en esta experiencia específica, nos centraremos en el sentido de arranque de un motor monofásico, explorando los procedimientos y conexiones que permiten alterar su dirección de giro. Además de ello entenderemos como el experimento de Oersted, reveló que la conexión entre electricidad y magnetismo, será desglosado paso a paso transformando nuestra percepción del mundo físico y sentó las bases para desarrollos tecnológicos significativos. Al igual que conoceremos los rotores de jaula de ardilla que son poco comunes en motores de inducción debido a su diseño eficiente y robusto el cual son con barras conductoras cortocircuitadas que permite una fácil construcción y confiabilidad. 2 GT 20-Conocimiento básico de motores eléctricos. Objetivos Objetivo especifico Comprender los principios fundamentales que rigen el funcionamiento de los motores eléctricos y su papel esencial en diversas aplicaciones industriales y domésticas. Objetivo general Identificar y examinar los componentes clave que conforman un motor eléctrico, destacando su importancia y función dentro del sistema global. Entender detalladamente los procedimientos y conexiones necesarios para modificar el sentido de giro de un motor monofásico, destacando la importancia de esta capacidad en diversas aplicaciones industriales. Observar y analizar el comportamiento del motor durante la práctica, al ir elevando la tensión hasta que el motor arranque con normalidad. Explorar el diseño eficiente y robusto de los rotores de jaula de ardilla en motores de inducción, comprendiendo por qué este tipo de rotor es poco común y sus ventajas en términos de construcción y confiabilidad. 3 GT 20-Conocimiento básico de motores eléctricos. Actividad 1. Defina que es un motor eléctrico (mínimo 1000 palabras). Son artefactos que tienen la capacidad de transformar la energía eléctrica en energía mecánica y así pueden impulsar el funcionamiento de una máquina, esto ocurre por la acción de campos magnéticos que se generan gracias a las bobinas, que son los pequeños cilindros con hilo metálico. Los motores eléctricos son importantes para nuestros días, ya que se utilizan en aspiradoras, lavavajillas, impresoras de ordenador, bombas de agua, industrias manufactureras, coches, máquinas, herramientas, imprentas, entre otros más usos. Tienen proporciones estandarizadas, esto ayuda en gran manera a mejorar la selección de acuerdo a la potencia que se desea alcanzar para el dispositivo donde se implementará. El motor eléctrico tiene muchas ventajas, entre la más destacada es su tamaño y peso reducido, este puede ser construido para casi cualquier tipo de máquina. Cuenta con una potencia bastante alta, su rendimiento está la mayor parte del tiempo en un 75%, no emite ningún tipo de sustancia o gas contaminante y no necesita una ventilación externa. Algunos de los motores eléctricos son reversibles, ya que pueden convertir energía mecánica en energía eléctrica funcionando como generadores o dinamo. Los motores eléctricos de tracción usados en locomotoras o en automóviles híbridos realizan a menudo ambas tareas, si se diseñan adecuadamente. 4 GT 20-Conocimiento básico de motores eléctricos. Son utilizados en infinidad de sectores tales como instalaciones industriales, comerciales y particulares, su uso está generalizado en ventiladores, vibradores para teléfonos móviles, bombas de agua, medios de transporte eléctricos, electrodomésticos, esmeriles angulares y otras herramientas eléctricas, unidades de disco, etc. Los motores eléctricos pueden ser impulsados por fuentes de corriente continua (CC), y por fuentes de corriente alterna (CA). La corriente directa o corriente continua proviene de las baterías, los paneles solares, dínamos, fuentes de alimentación instaladas en el interior de los aparatos que operan con estos motores y con rectificadores. La corriente alterna puede tomarse para su uso en motores eléctricos bien sea directamente de la red eléctrica, alternadores de las plantas eléctricas de emergencia y otras fuentes de corriente alterna bifásica o trifásica como los inversores de potencia. Los pequeños motores se pueden encontrar hasta en relojes eléctricos. Los motores de uso general con dimensiones y características más estandarizadas proporcionan la potencia adecuada al uso industrial. Los motores eléctricos más grandes se usan para propulsión de trenes, compresores y aplicaciones de 5 GT 20-Conocimiento básico de motores eléctricos. bombeo con potencias que alcanzan 100 megavatios, estos motores pueden ser clasificados por el tipo de fuente de energía eléctrica, construcción interna, aplicación, tipo de salida de movimiento, etcétera. Los motores eléctricos son responsables de mantener en operación un amplio número de procesos industriales, transforma la energía eléctrica en mecánica, y la transfiere a otros equipos, como compresores, bombas, turbinas, o ventiladores por medio de sistemas de transmisión o acoples. Es por esto que se les considera uno de los equipos con mayor nivel de criticidad dentro de la industria. Su falla repentina podría ocasionar un gran prejuicio en los indicadores de productividad de las fábricas. Resulta indispensable, entonces, que tanto los equipos de mantenimiento como sus gestores conozcan y entiendan todas las funcionalidades y partes que conforman un motor eléctrico, esto es vital, pues al momento de realizar inspecciones o verificaciones es posible identificar e informar la ubicación de posibles fallas. A medida que la tecnología avanza, los motores eléctricos se han convertido en una alternativa cada vez más viable y eficiente a los motores de combustión interna, lo que los convierte en una opción popular para reducir la contaminación y la dependencia de los combustibles fósiles. El estator es la parte fija del motor y contiene los polos del imán o las bobinas de alambre que generan el campo magnético, el rotor es la parte móvil y está conectado al eje que produce el movimiento de rotación. 6 GT 20-Conocimiento básico de motores eléctricos. Cuando se aplica una corriente eléctrica a las bobinas del estator, se genera un campo magnético que interactúa con el campo magnético del rotor, esta interacción produce una fuerza que hace girar el rotor y, por lo tanto, el eje del motor. La velocidad y dirección de rotación del motor pueden ser controladas variando la corriente eléctrica aplicada a las bobinas. Existen distintos tipos de motores y cada uno tiene sus propias características, pero hay algunos elementos que guardan en común: Estabilidad: es la capacidad de mantenerse funcionando a altas velocidades sin consumir una cantidad excesiva de combustible o energía eléctrica. Potencia: es el trabajo que generan los motores en un determinado tiempo, a una velocidad específica, la potencia de un motor se expresa en kW (kilovatios), según el Sistema Internacional de Unidades; en HP (horsepower, caballos de fuerza, en inglés), en los sistemas anglosajones; o en CV (caballos de vapor), en el sistema métrico decimal. Rendimiento: es el resultado que se obtiene entre la potencia útil de los motores y la potencia absorbida. Par motor: consiste en el momento de fuerza que incide sobre el eje de los motores y que determina su giro. Velocidad nominal: se trata del número de revoluciones por minuto a las que giran los motores. 7 GT 20-Conocimiento básico de motores eléctricos. 2. Revisa en YouTube material sobre la elaboración de un motor eléctrico sencillo realizado con una pila, un imán, una bobina, unos soportes y unos conductores, a partir de la experiencia y profundizando como profesional de la electricidad explique cómo funciona y porque funciona, saque conclusiones. Enrolla el alambre alrededor del clavo o alfiler para formar una bobina y deje un trozo de alambre largo en cada extremo. Asegura la bobina a los soportes, de modo que pueda girar libremente. Conecte los extremos del alambre a los polos de la pila o batería, asegurándose de que estén bien sujetos. Coloque el imán cerca de la bobina. Funcionamiento: Cuando se conecta la pila, se genera un flujo de corriente eléctrica a través de la bobina, esta corriente crea un campo magnético alrededor del alambre y al colocar el imán cerca de la bobina, los polos magnéticos del imán interactúan con el campo magnético generado por la corriente eléctrica. Este proceso genera una fuerza que hace que la bobina gire. 8 GT 20-Conocimiento básico de motores eléctricos. El motor funciona debido a la interacción entre el campo magnético creado por la corriente eléctrica que circula por la bobina y el campo magnético del imán. La ley de Lorentz establece que cuando un conductor (la bobina) con corriente eléctrica se encuentra en un campo magnético, experimente una fuerza perpendicular al campo magnético ya la dirección de la corriente, esta fuerza hace que la bobina gire. Conclusiones: Este motor eléctrico sencillo demuestra el principio fundamental de funcionamiento de los motores eléctricos: la interacción entre campos magnéticos generados por corriente eléctrica e imanes. Este modelo es básico, muestra la conversión de energía eléctrica en movimiento mecánico a través de la fuerza electromagnética. Es esencial comprender la importancia del flujo de corriente y los campos magnéticos en la generación de movimiento en los motores eléctricos más complejos que se utilizan en la industria y la vida cotidiana. Este experimento simple sirve como base para entender cómo los principios fundamentales de la electricidad y el magnetismo se aplican en los motores eléctricos modernos, que son dispositivos más complejos pero que operan bajo los mismos principios básicos. 3. Explique paso a paso el experimento del científico Hans Christian Oersted y diga que comprobó. 9 GT 20-Conocimiento básico de motores eléctricos. En 1820 Hans Christian Oersted, un científico danés, realizó un experimento crucial en la historia de la Física, ya que con él se demostró la unión entre electricidad y magnetismo. El experimento de Oersted fue muy sencillo: colocó una aguja imantada próxima a un conductor por el que circulaba una corriente eléctrica, increíblemente la aguja se desvió evidenciando la presencia de un campo magnético. La conclusión era bastante sencilla: las corrientes eléctricas generan campos magnéticos, demostrándose de esta manera la relación entre corrientes eléctricas y campos magnéticos. Procedimiento. 1. Configure la fuente de corriente eléctrica y asegúrese de que esté conectada correctamente y prepare el conductor eléctrico, que puede ser un alambre de cobre limpio y recto. 2. Coloque la brújula en una superficie plana de manera que pueda moverse libremente. Asegúrese de que la aguja magnética de la brújula esté orientada al norte. 3. Observe la posición inicial de la aguja de la brújula cuando no haya corriente eléctrica fluyendo por el conductor. La aguja debe señalar hacia el norte, indicando la dirección del campo magnético terrestre. 4. Coloque el conductor eléctrico paralelo y cerca de la brújula. Asegúrese de que el conductor no toque la brújula ni la obstruya. Ahora, conecta la corriente eléctrica a través del conductor. 10 GT 20-Conocimiento básico de motores eléctricos. 5. Observe la aguja de la brújula mientras la corriente eléctrica fluye por el conductor. Notarás que la aguja de la brújula se desvía de su posición original y apunta en una dirección diferente. 6. Anota la dirección en la que la aguja de la brújula se desvía. Debes notar que la aguja gira alrededor del conductor eléctrico. 7. Invierta la dirección de la corriente eléctrica y observe cómo cambia la dirección de la desviación de la aguja de la brújula. Comprobación: Hans Christian Oersted observó que cuando la corriente eléctrica fluye a través de un conductor, se crea un campo magnético alrededor del conductor. La desviación de la aguja de la brújula demuestra la relación entre la electricidad y el magnetismo, estableciendo así el principio fundamental del electro magnetización, este experimento fue crucial para el desarrollo de la teoría electromagnética. 4. Explique cómo funciona un motor eléctrico. Los motores de corriente alternan y los de corriente continua se basan en el mismo principio de funcionamiento, el cual establece que si un conductor, por el que circula una corriente eléctrica, se encuentra dentro de la acción de un campo magnético, éste tiende a desplazarse perpendicularmente a las líneas de acción del campo magnético. Es decir, parten del principio de inducción electromagnética que nos indica que cuando un conductor se encuentra en interacción con las líneas de flujo magnético y entre ellos existe un movimiento, en el conductor se induce un voltaje 11 GT 20-Conocimiento básico de motores eléctricos. que a su vez estando en un circuito cerrado generará la circulación de una corriente eléctrica y por consecuencia la inducción de un campo magnético que interactuará con el existente provocando un par y movimiento del mismo. Todo esto permite que el rotor o parte giratoria se mueva, produciendo el ciclo de funcionamiento. Cuando se aplica una corriente eléctrica a las bobinas del estator, se genera un campo magnético que interactúa con el campo magnético del rotor. Esta interacción produce una fuerza que hace girar el rotor y, por lo tanto, el eje del motor, la velocidad y dirección de rotación del motor pueden ser controladas variando la corriente eléctrica aplicada a las bobinas. Algunos motores eléctricos son reversibles, es decir, pueden convertir energía mecánica en energía eléctrica funcionando como generadores o dinamos, esto significa que cuando el eje del motor gira en sentido contrario (por ejemplo, cuando un vehículo eléctrico frena), el motor actúa como un generador y produce electricidad que puede ser almacenada en la batería del vehículo. 12 GT 20-Conocimiento básico de motores eléctricos. 5. Identifique las partes que componen un motor eléctrico y explíquelas detalladamente. Los motores eléctricos industriales contienen varios componentes que le permiten convertir eficazmente la energía eléctrica en energía mecánica. La corriente eléctrica en el estator y el campo magnético entre el estator y el rotor generan fuerza para hacer girar el eje. Esa energía mecánica de salida producida por esta rotación del eje permite que sea transferida a otros tipos de equipos rotativos. Rotor El rotor es la parte móvil del motor eléctrico y hace girar el eje que suministra la potencia mecánica mencionada anteriormente. En una configuración típica, el rotor tiene conductores colocados en su estructura que transmiten la corriente que luego interactúa con el campo magnético del estator y así, generar las fuerzas que hacen girar el eje. Estator El estator es la parte estacionaria del circuito electromagnético del motor y suele estar formado por bobinas o imanes permanentes. El núcleo del estator está formado por láminas metálicas finas, denominadas laminados. Estas laminaciones se utilizan para reducir las pérdidas de energía que se producirían si se utilizara un núcleo sólido. 13 GT 20-Conocimiento básico de motores eléctricos. Independientemente de que se trate de máquinas síncronas o asíncronas, es en el estator donde se genera el campo magnético responsable de inducir corriente en el rotor. Rodamientos El rotor del motor eléctrico se apoya en rodamientos que le permiten girar sobre su eje. Estos rodamientos se apoyan a su vez en la carcasa del motor o cubierta. Dependiendo del diseño del motor, los rodamientos pueden ser sellados o abiertos. Por otra parte, pueden encontrarse rodamientos de bolas, de rodillos cilíndricos o rodillos cónicos, dependiendo del tipo de carga de operación al que está sometido, sea radial, axial o combinada. Flecha Se encarga de transmitir la potencia mecánica generada por el rotor y el estator. Durante su fabricación se somete a un tratamiento térmico para mejorar sus propiedades mecánicas y evitar problemas de fatiga. Los ejes reciben las cargas radiales y axiales, que luego son transferidas hacia los rodamientos. 14 GT 20-Conocimiento básico de motores eléctricos. En la punta de los ejes de los motores son instalados elementos conducidos como poleas, cajas reductoras o acoples para transmitir potencia mecánica hacia otros equipos. Caja de conexiones Su función principal es alojar los conectores y cables para la entrada de suministro eléctrico, debiendo estar en buenas condiciones para evitar choques eléctricos o entrada de contaminantes externos. Adicionalmente, los motores disponen de terminales para la puesta a tierra situados en el interior de la caja de conexiones, fabricados en latón y que garantizan un perfecto contacto eléctrico. Conmutador Tiene la función de mantener la corriente circulando en el mismo sentido en el inducido, es decir, asegura que el par generado sea siempre en el mismo sentido. Carcasa Es el elemento que protege los elementos internos del motor eléctrico del polvo u otros contaminantes y evita el contacto directo de las personas con altas rotaciones. Normalmente son fabricadas en aleación especial de aluminio inyectado a presión o en fundición gris, proporcionando al motor rigidez y bajos niveles de vibración. Por otra parte, en su parte externa posee aletas de disipación que permiten la transferencia de calor no forzada. Cubiertas frontal y posterior 15 GT 20-Conocimiento básico de motores eléctricos. Su funcionamiento principal es permitir el ajuste de los rodamientos junto con el eje, en este caso, la pista externa del rodamiento (ajuste fijo) va sobre la cubierta, y la pista interna va ajustada al eje. Ventilador Sistema disipador de calor por ventilación forzada que extrae aire caliente desde los componentes internos del motor hacia el exterior, el ventilador gira en solidariamente junto con el eje. Base de fijación Parte del motor que soporta toda la estructura del motor y va fijada por a través de tornillos y tuercas a una fundación previamente diseñada y construida específicamente para ese motor. Placa de identificación Elemento donde se encuentra toda la información básica del motor en relación a su fabricante y parámetros de operación como: voltaje de operación, RPM de funcionamiento, temperatura, entre otros. Ahora que ya conoces todos los elementos principales de un motor eléctrico, podemos pasar a identificar sus fallas más comunes. 6. Explique el experimento de Faraday y que ley surge a partir de él. El experimento de Oersted puso de manifiesto que las corrientes eléctricas son capaces de engendrar campos magnéticos. Para completar la comprensión de 16 GT 20-Conocimiento básico de motores eléctricos. las relaciones entre la electricidad y el magnetismo era necesario constatar el proceso inverso: cómo producir una corriente eléctrica a partir de un campo magnético. Los trabajos del británico Michael Faraday (1791-1867) y el estadounidense Joseph Henry (1797-1878) sirvieron para sentar definitivamente las bases del electromagnetismo. Experimento de Faraday La creación de una corriente eléctrica en un circuito a partir de fenómenos magnéticos puede lograrse mediante un sencillo experimento ideado independientemente por Faraday y por Henry. Cuando se mantiene en reposo un imán frente a un circuito eléctrico en forma de espira (a), el galvanómetro no detecta corriente. Si se acerca el imán al circuito (b), se produce corriente en un sentido, y cuando se aleja (c), el flujo de corriente toma sentido contrario. 17 GT 20-Conocimiento básico de motores eléctricos. La interpretación que dio Faraday a este experimento es que la aparición de la corriente se debía a la variación que se producía al mover el imán en el número de líneas de campo magnético que atravesaban el circuito. Ley de Faraday En el experimento de Faraday-Henry se constata que si el flujo magnético cambia de manera brusca (por ejemplo, al mover el imán con mayor rapidez), la intensidad de corriente eléctrica inducida aumenta. La variación del flujo magnético con respecto al tiempo viene dada por la llamada ley de Faraday: Siendo la fuerza electromotriz (f.e.m.) generada por el campo magnético. Ley de Lenz El sentido de la corriente que circula por la espira del experimento de Faraday-Henry se define según la llamada ley de Lenz (por el físico estonio Heinrich Lenz, 1804- 1865): la corriente inducida por un campo magnético variable adopta el sentido por el cual tiende a oponerse a la causa que la provoca. 18 GT 20-Conocimiento básico de motores eléctricos. Según la ley de Lenz, al acercar el imán al circuito se genera una corriente que induce un campo magnético que repele al imán (a). Cuando la barra imantada se aleja (b), la corriente generada engendra un campo que tiende a atraer al imán hacia el circuito. 7. Analice los rotores de jaula de ardilla y explique porque surge este diseño, cuestiónese si no sería mejor un rotor macizo. El rotor de jaula de ardilla en los motores eléctricos se denomina de esta forma porque su bobinado eléctrico (las barras y los anillos de cortocircuito) se asemeja mucho a las ruedas de ejercicio que se ven con frecuencia en las jaulas de los roedores mascota. Las principales variaciones de funcionamiento, particularmente durante el arranque, normalmente provienen del rotor, aunque el diseño del estator debe cumplir con varias normas estrictas, el diseño del rotor está menos limitado. Cosas como el número de barras, el diseño de los anillos, el grado de inclinación y material de las barras, la forma de la ranura, el entrehierro y el proceso de mecanizado, son variables que utiliza el diseñador para lograr las características de funcionamiento deseadas. Los rotores de jaula de ardilla son conocidos por su eficiencia energética, este diseño permite una rápida aceleración del rotor y una transferencia eficiente de energía eléctrica a energía mecánica. La forma de jaula de ardilla maximiza la interacción entre el campo magnético rotativo y las barras conductivas del rotor. 19 GT 20-Conocimiento básico de motores eléctricos. La fabricación de rotores de jaula de ardilla es más económica en comparación con rotores macizos, la simplicidad de su diseño y la facilidad de producción hacen que estos rotores sean una opción atractiva desde el punto de vista económico. La jaula de ardilla tiene una masa menor en comparación con un rotor macizo, esto resulta en una inercia reducida, lo que significa que el rotor puede acelerarse y desacelerarse más rápidamente. Esta característica es esencial en aplicaciones donde se requiere un control dinámico rápido, como en sistemas de arranque y parada frecuentes. Los rotores de jaula de ardilla proporcionan un arranque suave y gradual, la interacción entre el campo magnético y la jaula de ardilla permite que el motor arranque sin picos de corriente excesivos, lo que es beneficioso para la estabilidad del sistema eléctrico. 20 GT 20-Conocimiento básico de motores eléctricos. La distribución de corriente en una jaula de ardilla tiende a ser más uniforme en comparación con un rotor macizo, lo que resulta en una generación de calor más controlada, esto contribuye a la vida prolongada útil y a la seguridad del motor. El diseño de la jaula de ardilla se ha adoptado ampliamente debido a su eficiencia, facilidad de fabricación y capacidad para satisfacer las demandas de arranque suave y control dinámico. Sin embargo, la elección entre un rotor de jaula de ardilla y uno macizo dependerá de las necesidades específicas de la aplicación y los compromisos entre eficiencia, costo y rendimiento dinámico. 8. Uno de los momentos más críticos en un motor eléctrico es en el arranque ya que este debe incrementar hasta 7 veces su corriente nominal. Explique detalladamente a que se debe este fenómeno y como el electricista lo logra minimizar y bajo qué procedimientos. La corriente nominal que podemos encontrar en la chapa característica de un motor es la corriente que el motor toma de la red cuando está completamente cargado y andando a velocidad nominal. Si la carga del motor es menor, la corriente también lo será y si el motor está sobrecargado, la corriente aumentará. Durante un arranque directo el motor toma normalmente entre seis y ocho veces la corriente nominal, pero en ocasiones, este valor puede llegar a ser de diez veces. Esto se puede apreciar claramente en un gráfico corriente/velocidad. 21 GT 20-Conocimiento básico de motores eléctricos. Aquí se observa cómo la corriente es inicialmente alta y va disminuyendo a medida que el motor acelera, para cuando el motor alcanza la velocidad de régimen, la corriente se establece en el valor de corriente nominal. Causas del fenómeno Inercia del Rotor: Cuando un motor eléctrico arranca, el rotor, que inicialmente está en reposo, debe superar su inercia para comenzar a girar, Superar esta inercia inicial requiere un aumento significativo de la corriente. Resistencia del Estator: La resistencia eléctrica del estator también contribuye al aumento de corriente durante el arranque. A medida que el motor gana velocidad, la resistencia del estator tiene un efecto menor, pero en el arranque, puede limitar la corriente. 22 GT 20-Conocimiento básico de motores eléctricos. Contra tensión Inducida: La contracorriente inducida en el estator, conocida como contra tensión, actúa en oposición a la corriente suministrada durante el arranque. La diferencia de potencial resultante requiere una mayor corriente de entrada para superar esta resistencia. Cómo se Minimiza el Fenómeno: Arrancadores Suaves: Se utilizan arrancadores suaves o variadores de frecuencia para controlar el arranque, estos dispositivos permiten un aumento gradual de la corriente en lugar de un pico repentino, reduciendo el impacto en el sistema eléctrico. Arranque Estrella-Triángulo: En motores de inducción, se implementa el método de arranque estrella-triángulo, inicialmente, el motor arranca con conexiones en estrella, reduciendo la corriente de arranque, y luego se cambia a triángulo una vez que ha alcanzado velocidad. Control de Frecuencia: En aplicaciones más avanzadas, se utilizan variadores de frecuencia que permiten un control preciso de la velocidad del motor, minimizando la corriente de arranque. Desconexión de Cargas Innecesarias: Antes del arranque, se desconectan temporalmente cargas innecesarias del sistema para reducir la carga total durante el arranque. 23 GT 20-Conocimiento básico de motores eléctricos. Procedimientos para un Arranque Controlado Inspección del Sistema: Antes del arranque, se realiza una inspección del sistema para asegurarse de que todas las conexiones estén correctas y que no haya problemas eléctricos. Selección de Dispositivos de Arranque: Se elige el método de arranque adecuado según la aplicación, esto puede incluir arrancadores suaves, dispositivos de arranque estrella-triángulo o variadores de frecuencia. Monitoreo en Tiempo Real: Durante el arranque, se monitorea en tiempo real para detectar cualquier anomalía y tomar medidas correctivas si es necesario. 9. Revise el cuadro que aparece en la siguiente imagen y explíquelo detalladamente. 24 GT 20-Conocimiento básico de motores eléctricos. Las máquinas eléctricas rotativas son dispositivos electromagnéticos que desempeñan un papel crucial en la conversión de energía eléctrica en energía mecánica y viceversa, este grupo incluye tanto motores eléctricos, que convierten energía eléctrica en energía mecánica, como generadores eléctricos, que transforman energía mecánica en energía eléctrica. Generadores eléctricos En un generador eléctrico, el movimiento del rotor corta las líneas de flujo magnético, generando una Fuerza Electromotriz (FEM) que induce una corriente 25 GT 20-Conocimiento básico de motores eléctricos. eléctrica en los conductores, convirtiendo así la energía mecánica en energía eléctrica. Tipos Comunes: Generadores de Corriente Continua (DC): Producen corriente continua y son comunes en aplicaciones de carga de baterías, en este podemos ver: el dinamo que es un tipo específico de generador de corriente continua (DC) que ha sido utilizada históricamente para convertir energía mecánica en electricidad. Principio de Funcionamiento de la Dinamo: Generación de FEM: Cuando la dinamo gira debido a una fuente externa de energía, la bobina en el rotor corta las líneas de flujo magnético del campo magnético estacionario. Este corte induce una Fuerza Electromotriz (FEM) en la bobina según la ley de Faraday. Dirección de la Corriente: La dirección de la corriente generada en la bobina cambia periódicamente debido a la rotación del conmutador. Esto asegura que la corriente producida sea en una sola dirección y, por lo tanto, continua. Generadores de Corriente Alterna (AC): Utilizados en centrales eléctricas para la generación de energía a gran escala. Un ejemplo puede ser: El alternador: Un alternador es un dispositivo electromecánico que convierte energía mecánica en energía eléctrica en forma de corriente alterna (CA). A diferencia de la dinamo, que produce corriente continua, el alternador genera una corriente que 26 GT 20-Conocimiento básico de motores eléctricos. cambia de dirección periódicamente, este componente es fundamental en los sistemas eléctricos de vehículos, así como en muchas otras aplicaciones. Motores eléctricos En un motor eléctrico, la corriente eléctrica fluye a través de una bobina ubicada en un campo magnético. Esta interacción genera un par motor que provoca el movimiento del rotor, convirtiendo así la energía eléctrica en trabajo mecánico. Tipos Comunes: Motores de Corriente Continua (DC): Utilizan corriente continua y son comunes en aplicaciones portátiles y de control de velocidad. Generación de Campo Magnético en el Estator: Cuando se aplica corriente continua al estator, se crea un campo magnético constante. Inducción de Corriente en el Rotor: La corriente continua en el estator induce un campo magnético en la bobina del rotor debido a la ley de Faraday. Este campo magnético interactúa con el campo magnético del estator, generando fuerzas que inducen el movimiento rotativo del rotor. Funcionamiento del Conmutador: A medida que el rotor gira, el conmutador invierte la dirección de la corriente en la bobina del rotor en el momento adecuado, asegurando un flujo de corriente continuo y manteniendo el movimiento rotativo. 27 GT 20-Conocimiento básico de motores eléctricos. Tipos de Motores de CC: Motores de CC con Escobillas: Utilizan un conmutador mecánico y escobillas para invertir la corriente en el rotor. Motores de CC sin Escobillas (BLDC): Utilizan electrónica de control para invertir la corriente en el rotor, eliminando la necesidad de escobillas. Motores de Corriente Alterna (AC): Incluyen motores monofásicos y trifásicos, utilizados en una variedad de aplicaciones industriales y domésticas. Generación de Campo Magnético: Cuando se aplica corriente alterna al estator, se genera un campo magnético que cambia de dirección según la variación de la corriente alterna. Este campo magnético oscilante es esencial para la operación del motor. Inducción en el Rotor: El campo magnético variable en el estator induce corrientes en el rotor, creando así un campo magnético en el rotor. Este campo magnético interactúa con el campo magnético del estator, generando fuerzas que inducen el movimiento rotativo del rotor. Tipos de Motores de CA: Motores de Inducción: Son los más comunes y no requieren contacto eléctrico directo con el rotor. El rotor gira por la acción del campo magnético inducido. 28 GT 20-Conocimiento básico de motores eléctricos. Motores Síncronos: Mantienen sincronía con la frecuencia de la corriente alterna suministrada, y el rotor gira a la misma velocidad que el campo magnético rotativo del estator. Motores Síncronos y Asíncronos: Los motores síncronos están sincronizados con la frecuencia de la corriente, mientras que los asíncronos (o de inducción) no requieren sincronización. Motores de corriente continua y alterna (DC/ AC): Un motor universal es un tipo especial de motor eléctrico que puede funcionar tanto con corriente continua (CC) como con corriente alterna (CA). Este tipo de motor se denomina "universal" porque es versátil y puede operar en ambos tipos de corriente eléctrica. Cuando se aplica corriente continua al motor universal, la dirección de la corriente a través del rotor está determinada por el conmutador, que invierte automáticamente la polaridad para mantener el movimiento constante. Cuando se alimenta con corriente alterna, el conmutador sigue invirtiendo la dirección de la corriente, lo que permite que el motor funcione sin problemas en ambas direcciones. Aplicaciones: Electrodomésticos: Se utilizan en aspiradoras, batidoras y herramientas eléctricas debido a su capacidad para operar con diferentes tipos de corriente. 29 GT 20-Conocimiento básico de motores eléctricos. Dispositivos Portátiles: Se emplean en herramientas portátiles y electrodomésticos que pueden conectarse a diferentes fuentes de energía. Ventiladores: A menudo se encuentran en ventiladores de techo y de escritorio. 10. Indague sobre qué más información debe contener una placa de características de un motor eléctrico, revise las siguientes placas e interprete toda la información. La placa de características de un motor eléctrico es esencial para proporcionar información técnica y operativa clave sobre el motor. A continuación, se detallan algunos de los elementos clave que suelen encontrarse en una placa de características: Datos de Identificación: Nombre del Fabricante: Indica la empresa que produjo el motor. Número de Serie: Identificación única para el seguimiento y la garantía. Modelo: Especifica el modelo del motor. Datos Eléctricos: Potencia Nominal (kW o HP): Indica la potencia nominal del motor en kilovatios (kW) o caballos de fuerza (HP). Voltaje Nominal (V): Voltaje para el cual el motor está diseñado. Corriente Nominal (A): Corriente que consume el motor a plena carga. 30 GT 20-Conocimiento básico de motores eléctricos. Frecuencia (Hz): Frecuencia de la corriente eléctrica, generalmente 50 Hz o 60 Hz. Número de Fases: Indica si el motor es monofásico o trifásico. Datos Mecánicos: Velocidad Nominal (RPM): Velocidad de operación normal del motor. Tipo de Motor: Puede ser motor de inducción, motor síncrono, etc. Factor de Servicio: Relaciona la potencia nominal con la máxima potencia que puede manejar durante períodos cortos. Datos de Eficiencia: Eficiencia Nominal (%): Indica la eficiencia del motor a plena carga. Clase de Eficiencia: Clasificación de eficiencia según normativas como NEMA (Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos). Condiciones Ambientales: Clase de Aislamiento: Indica el tipo y nivel de aislamiento del motor. Temperatura Ambiente: Temperatura máxima en la que el motor puede operar de manera segura. Altitud: Altitud máxima a la que puede operar el motor sin perder rendimiento. Datos de Conexión: Tipo de Conexión: Describe cómo se conectan los cables al motor. 31 GT 20-Conocimiento básico de motores eléctricos. Configuración del Bobinado: Indica cómo está configurado el bobinado del motor. Marcas de Cumplimiento y Certificaciones: Cumplimiento con Normativas: Puede incluir marcas de cumplimiento con normativas específicas. Certificaciones de Calidad: Certificaciones como ISO o certificaciones específicas de la industria. Datos Adicionales: Peso: Peso del motor. Dimensiones: Dimensiones físicas del motor. Instrucciones de Mantenimiento: Información sobre el mantenimiento y lubricación recomendados. 32 GT 20-Conocimiento básico de motores eléctricos. En esta placa de características del motor podemos observar como este motor tiene 2 tipos de propiedades diferentes, es decir: La primera: Características eléctricas Voltaje: 230/400 V Frecuencia: 50 Hz Numero de fases: 3 Corriente: 4,4/ 2,55 A Tipo: UD0108/040336-019-0001 Factor de potencia: 0.81 Características mecánicas Caballos de fuerza: 1,1 KW Velocidad: 1415/min No tiene eficiencia la placa Clase de aislamiento: F Temperatura ambiente máxima: No tiene Grado de protección: IP 50 Segunda: Características eléctricas Voltaje: 460 V Frecuencia: 60 Hz 33 GT 20-Conocimiento básico de motores eléctricos. Numero de fases: 3 Corriente: 2,5 A Tipo: UD0108/040336-019-0001 Factor de potencia: 0.82 Características mecánicas Caballos de fuerza: 1,3 KW Velocidad: 1715/min No tiene eficiencia la placa Clase de aislamiento: F Temperatura ambiente máxima: No tiene Grado de protección: IP 50 Características eléctricas Voltaje: 220 V 34 GT 20-Conocimiento básico de motores eléctricos. Frecuencia: 50 Hz Numero de fases: No tiene Corriente: 2,64 A Tipo: TYPE ALY711-2 B5 Factor de potencia: 0.95 Características mecánicas Caballos de fuerza: 0,37 KW Velocidad: 2800 rpm No tiene eficiencia la placa Clase de aislamiento: F Temperatura ambiente máxima: 40 ° C Grado de protección: IP 55 Tipo de servicio: S1 35 GT 20-Conocimiento básico de motores eléctricos. Características eléctricas Voltaje: 360/66 V Frecuencia: 50 Hz Numero de fases: 3 Corriente: 2,64 A Tipo: VDE 0530/1.69 Factor de potencia: 0.89 Características mecánicas Caballos de fuerza: 1,1 KW Velocidad: 1430 rpm No tiene eficiencia la placa Clase de aislamiento: E 36 GT 20-Conocimiento básico de motores eléctricos. Temperatura ambiente máxima: 60 ° C Grado de protección: IP 23 Tipo de servicio: No tiene Practica con motores eléctricos monofásicos Antes de realizar cualquier tipo de actividad tuvimos que realizar el plano de la conexión que íbamos a realizar en este caso la de arranque para un motor monofásico. Lo primero que realizamos fue probar conectando únicamente la bobina de trabajo del motor eléctrico; teniendo como resultado que el motor no arranca por sí solo, es posible hacer que trabaje dándole un empujón con la mano al eje o polea del motor, pero esto puede llegar a ser peligroso y no es el funcionamiento normal de este mismo. Luego conectamos el motor con la bobina de arranque y el condensador, teniendo como resultado que el motor arrancó con normalidad, pero al no tener un interruptor centrifugo hay que desconectar manualmente la bobina de arranque. 37 GT 20-Conocimiento básico de motores eléctricos. Se tuvo como resultado aplicando una tensión de 120 voltios una corriente de 17 amperios sin el condensador y una corriente de 9 amperios con el condensador durante el arranque, teniendo en cuenta que la corriente nominal del motor era de 4,6 amperios llegamos a la conclusión de que es indispensable que todo el sistema esté conectado debidamente para evitar sobre corrientes. Después conectamos las dos bobinas del motor y el condenador, pero en lugar de un interruptor centrifugo utilizamos un interruptor de pared (utilizados en sistemas de iluminación residencial) para entender mejor la función que cumple un interruptor centrifugo en un motor monofásico Aplicando una tensión de 120 voltios obtuvimos durante el arranque una corriente de 9 amperios y una vez desconectada la bobina de arranque una corriente de 4,5 amperios, la cual está dentro de los valores nominales del motor (4,6A). 38 GT 20-Conocimiento básico de motores eléctricos. Ya casi por terminar, conectamos el motor con normalidad, siguiendo el esquema que se realizó previo a la práctica, en este esquema se representa la conexión adecuada para el funcionamiento normal de un motor monofásico. En esta conexión se observó que durante el arranque del motor con una tensión de 120 voltios hay una corriente de 9 amperios y luego de que se active el interruptor centrifugo una corriente de 4.5 amperios dentro de los valores nominales. 39 GT 20-Conocimiento básico de motores eléctricos. Por último, invertimos la dirección de giro del motor haciendo un cambio sencillo en la conexión, el cual consiste simplemente en cambiar la punta de bobina de trabajo en la que se conecta la fase. En esta conexión observamos que la corriente y la tensión nuevamente estaban dentro de valores nominales, como son: 9 amperios durante el arranque y 5 luego de que se active el interruptor centrifugo. 40 GT 20-Conocimiento básico de motores eléctricos. Segunda practica En esta práctica variamos la tensión aplicada a un motor monofásico para ver su comportamiento. Haciendo uso de una fuente de tensión variable pudimos observar que un motor monofásico a 120 voltios, comienza a tener movimiento a partir de los 14 voltios AC. Utilizando el tacómetro digital laser pudimos observar que cuando la fuente alcanzo una tensión de 30 voltios el motor llego a las revoluciones nominales 1691 RPM con una corriente de 1.3 A y cuando la tensión era de 50 voltios el motor llego a las revoluciones nominales de 1775 RPM con una corriente de 2,9 A. Cuando se alcanza dicha tensión y se aumenta hasta la tensión nominal de 120v, las RPM dejan de aumentar y se estabilizan alrededor de 1780RPM. Todas estas pruebas se realizaron con el motor sin ningún tipo de carga por lo cual los resultados al tener carga pueden ser diferentes. 41 GT 20-Conocimiento básico de motores eléctricos. Conclusiones Comprendimos los principios fundamentales que rigen los motores eléctricos destacando su importancia crucial en diversas aplicaciones, desde la industria hasta el ámbito doméstico. Observamos como durante la práctica, al elevar gradualmente la tensión hasta que el motor arranca, el dispositivo responde a diferentes niveles de voltaje proporcionando información valiosa sobre el comportamiento práctico de los motores y su capacidad de arranque. Exploramos el diseño eficiente y robusto de los rotores de jaula de ardilla destacando las ventajas de este tipo de rotor en términos de construcción y confiabilidad. Aprendimos alterar el sentido de giro de un motor monofásico el cual es crucial en aplicaciones industriales para comprender los procedimientos y conexiones necesarias destacando la relevancia de esta habilidad para múltiples escenarios de uso. 42
