Cómo funcionan los motores eléctricos: selección, cálculos y resolución de problemas

Cómo funcionan los motores eléctricos de CA

Los motores eléctricos de CA convierten la energía eléctrica de corriente alterna en rotación mecánica mediante inducción electromagnética. El principio de funcionamiento se basa en dos componentes principales: el estator (el conjunto exterior estacionario de bobinas de cobre enrolladas) y el rotor (el conjunto del eje interior giratorio). Cuando se aplica voltaje CA a los devanados del estator, se produce un campo magnético giratorio. El rotor, ya sea una jaula de ardilla, un rotor bobinado o un conjunto de imán permanente, responde a este campo giratorio y se pone en movimiento.

En un motor de inducción (el tipo de CA más común), el campo giratorio del estator induce una corriente en los conductores del rotor mediante la ley de inducción electromagnética de Faraday. Esta corriente inducida crea su propio campo magnético, que interactúa con el campo del estator para producir par. El rotor nunca alcanza del todo el campo giratorio del estator; la diferencia de velocidad se llama resbalón , normalmente entre el 2% y el 5% de la velocidad sincrónica. Es este deslizamiento el que sostiene la corriente inducida y, por tanto, el par. A una velocidad exactamente sincrónica, la inducción se detendría y el par caería a cero.

La velocidad síncrona (en RPM) está determinada por la frecuencia de suministro y el número de polos magnéticos: norte = (120 × f) ÷ P , donde f es la frecuencia en Hz y P es el número de polos. Un motor de 4 polos con un suministro de 60 Hz funciona a una velocidad síncrona de 1.800 RPM; con un deslizamiento típico, la velocidad real del eje es de aproximadamente 1725 a 1760 RPM.

Cómo funciona un motor trifásico

Los motores trifásicos son el caballo de batalla de las aplicaciones industriales. Funcionan según el mismo principio de inducción que los motores monofásicos, pero con una ventaja fundamental: tres voltajes de CA separados, desplazados 120° en el tiempo, se alimentan a tres conjuntos de devanados del estator dispuestos simétricamente alrededor del orificio del estator. Esto produce un campo magnético que gira naturalmente sin ningún componente de arranque auxiliar: las tres fases generan inherentemente una rotación suave y de arranque automático desde el momento en que se aplica la energía.

El resultado es un motor que arranca de manera confiable bajo carga, funciona con una ondulación de torque muy baja (la forma de onda trifásica suma un total casi constante) y ofrece mayor eficiencia y densidad de potencia que un diseño monofásico equivalente. Los motores trifásicos representan aproximadamente El 70% de todo el consumo eléctrico industrial. a nivel mundial, principalmente debido a esta combinación de confiabilidad, eficiencia (normalmente entre 90% y 97% a plena carga en clases de eficiencia IE3/IE4) y control de velocidad sencillo a través de variadores de frecuencia (VFD).

Los motores de inducción trifásicos de jaula de ardilla no tienen escobillas ni conmutador y tienen un mínimo de piezas móviles más allá del rotor y los cojinetes, razón por la cual funcionan habitualmente durante 20 000 a 40 000 horas entre intervalos de servicio importantes en instalaciones bien mantenidas.

Cómo funcionan los motores sin escobillas

Los motores de CC sin escobillas (BLDC) reemplazan el conjunto de conmutador mecánico y escobillas de carbón de los motores de CC tradicionales con conmutación electrónica. El rotor lleva imanes permanentes; el estator lleva los devanados. Un controlador, que utiliza sensores de efecto Hall o detección de contraEMF para detectar la posición del rotor, conmuta la corriente a las fases apropiadas del estator en secuencia, manteniendo un campo electromagnético giratorio que sigue el rotor de imán permanente. Debido a que no hay contacto físico entre las escobillas y el conmutador, los motores sin escobillas no producen chispas en las escobillas, generan menos calor y no requieren reemplazo de las escobillas. Alcanzan eficiencias del 85 al 95 % y son estándar en servoaccionamientos, sistemas de tracción para vehículos eléctricos, compresores HVAC y automatización de precisión donde se requiere precisión en el control de velocidad y una larga vida útil.

Cómo calcular el par, la potencia y la eficiencia del motor

Cálculo de par

El par motor (T) es la fuerza de rotación que ofrece el eje, medida en Newton-metros (nm) o libras-pie (lb·pie). La relación entre par, potencia y velocidad es:

T (Nm) = P (vatios) ÷ ω (rad/s) - o equivalente - T (Nm) = (9.550 × P en kW) ÷ N (RPM)

Ejemplo: un motor de 7,5 kW funcionando a 1.450 RPM produce T = (9.550 × 7,5) ÷ 1.450 = 49,4 Nm del par del eje. En unidades imperiales: T (lb·ft) = (5252 × caballos de fuerza) ÷ RPM. Un motor de 10 HP a 1750 RPM entrega T = (5252 × 10) ÷ 1750 = 30 libras·pie .

Cálculo de caballos de fuerza

La potencia de salida de un motor eléctrico se puede calcular a partir del par y la velocidad del eje medidos: HP = (T en lb·pie × RPM) ÷ 5252 . Desde la entrada eléctrica, salida HP = (V × I × PF × η × 1,732 para trifásico) ÷ 746, donde V es el voltaje de línea, I es la corriente de línea, PF es el factor de potencia y η es la eficiencia. El factor 1,732 (√3) representa la relación trifásica entre las cantidades de línea y fase.

Cálculo de eficiencia

La eficiencia del motor eléctrico (η) es la relación entre la potencia de salida mecánica y la potencia de entrada eléctrica: η (%) = (Potencia de salida ÷ Potencia de entrada) × 100 . En la práctica: mida la potencia de entrada (W) con un analizador de potencia y la potencia de salida del eje (par × velocidad angular); dividir. Las pérdidas en un motor incluyen pérdidas de cobre (calentamiento I²R en los devanados), pérdidas de hierro (corrientes parásitas e histéresis en el núcleo), pérdidas mecánicas (fricción en los rodamientos, resistencia al viento) y pérdidas por cargas parásitas. Un motor que funciona significativamente por debajo de su carga nominal (digamos entre un 30% y un 40% de su capacidad nominal) opera con una eficiencia reducida porque las pérdidas fijas de hierro y mecánicas permanecen constantes mientras la fracción de salida útil se reduce.

Cómo invertir la dirección del motor

Invertir un motor trifásico

Invertir un motor de inducción trifásico es sencillo: intercambie dos de los tres cables de la fase de suministro en la caja de terminales o en el arrancador de motor. El intercambio de dos fases invierte la secuencia de fases (por ejemplo, de A-B-C a A-C-B), lo que invierte la dirección del campo magnético giratorio del estator y, por lo tanto, la dirección de rotación del rotor. Esto se puede hacer transponiendo L1 y L2 dejando L3 sin cambios, o cualquier otro intercambio de dos fases. No es necesario modificar internamente el motor. Los contactores inversores en un circuito de arranque de motor automatizan esto energizando conjuntos de contactos de intercambio de fases alternos.

Cómo invertir un motor monofásico

Los motores monofásicos no se pueden revertir simplemente intercambiando los cables de alimentación; no tienen una rotación de fase inherente para revertir. La dirección está determinada por la polaridad relativa del devanado principal y el devanado inicial (auxiliar). Para invertir un motor monofásico, invertir las conexiones del devanado principal o del devanado de arranque, pero no de ambos . En la práctica, la mayoría de los motores monofásicos tienen los cables del devanado de arranque llevados al tablero de terminales específicamente para este propósito, etiquetados como T5/T8 en los tipos de arranque y funcionamiento por capacitor. Consulte el diagrama de cableado del motor (generalmente impreso en la cubierta de la placa de identificación o dentro de la cubierta de la caja de terminales) para identificar los cables correctos antes de cambiarlos. Invertir la dirección mientras el motor está en marcha dañará el condensador de arranque y el interruptor de arranque; siempre detenga el motor por completo antes de cambiar de dirección.

Cómo probar un motor de CC

La prueba de un motor de CC identifica sistemáticamente si los problemas se encuentran en los devanados, el aislamiento, las escobillas o el conmutador antes de retirar el motor de servicio o enviarlo a rebobinar. Utilice un multímetro digital (DMM) y, para pruebas de aislamiento, un megóhmetro (megger) con capacidad de 500 V o 1000 V CC.

Prueba de resistencia del devanado

Desconecte toda la alimentación y descargue los condensadores. Mida la resistencia entre los terminales de la armadura con un DMM. Compare la lectura con la placa de identificación del motor o las especificaciones de diseño. Un circuito abierto (resistencia infinita) indica un devanado roto o una escobilla levantada ; Una resistencia muy baja (cerca de cero) indica un giro en cortocircuito. Las lecturas de resistencia deben ser consistentes en todos los segmentos del conmutador cuando se miden secuencialmente: una lectura de segmento significativamente mayor o menor sugiere una falla localizada.

Prueba de resistencia de aislamiento

Usando un megómetro de 500 V o 1000 V, mida la resistencia de aislamiento entre cada devanado y la estructura del motor (tierra). Un mínimo de 1 MΩ por kV de tensión de funcionamiento es el criterio de aceptación básico. (Estándar IEEE 43); los valores inferiores a 1 MΩ indican contaminación por humedad, rotura del aislamiento o daños en el devanado que provocarán fallas a tierra en servicio. Los motores nuevos suelen medir 100 MΩ o más. Cualquier lectura inferior a 5 MΩ en un motor en servicio justifica una investigación antes de volver a ponerlo en funcionamiento.

Inspección de escobillas y conmutadores

Inspeccione visualmente la longitud de las escobillas (reemplácelas cuando estén desgastadas a menos de la mitad de la longitud original o el mínimo del fabricante) y verifique que los portaescobillas permitan el libre movimiento sin atascarse. Las superficies del conmutador deben ser lisas y de color uniforme (una pátina oscura y uniforme es normal; picaduras, quemaduras o patrones de desgaste desigual indican la formación de arcos debido a un segmento de armadura en cortocircuito o una calidad de cepillo incorrecta). Mida la presión del resorte de la escobilla con un manómetro; la baja presión provoca formación de arcos y desgaste acelerado; La presión excesiva provoca el desgaste del conmutador.

Cómo solucionar problemas de motores eléctricos

La resolución sistemática de problemas sigue una lógica de síntomas de falla: identificar lo que el motor está haciendo (o no haciendo) y analizar las causas más probables para facilitar la verificación.

El motor no arranca

• Verifique el voltaje de suministro en los terminales del motor; el bajo voltaje (por debajo del 90% de la placa de identificación) impide un par de arranque suficiente. La caída de voltaje bajo carga es un problema común en el sitio.
• Verifique los fusibles, disyuntores y el estado de disparo del relé de sobrecarga. Reinicie solo después de identificar la causa de la sobrecorriente.
• En los motores monofásicos, una falla en el capacitor de arranque es una causa común: el motor zumba pero no gira. Pruebe la capacitancia con un DMM con capacidad para capacitores.
• Verifique que no haya ataduras mecánicas en la carga impulsada; desconecte la carga e intente girar el eje con la mano antes de energizarlo.

El motor funciona pero se dispara por sobrecarga

• Mida la corriente de funcionamiento en todas las fases con una pinza amperimétrica. Compare con el amperaje de carga completa (FLA) de la placa de identificación. Una sobrecorriente de 10 a 15 % por encima de FLA bajo carga normal sugiere que el motor no tiene el tamaño adecuado para la aplicación.
• Verifique el desequilibrio de fases: un desequilibrio de voltaje de más del 2% entre fases aumenta el desequilibrio de corriente aproximadamente entre 6 y 10 veces, sobrecargando rápidamente los devanados.
• Verifique que la configuración del relé de sobrecarga coincida con el FLA real y el factor de servicio del motor.

Vibración o ruido excesivos

• La falla del rodamiento produce un chirrido o ruido agudo característico que aumenta con la velocidad. Verifique la temperatura de los rodamientos con un termómetro infrarrojo: los rodamientos que funcionan a más de 90 °C (194 °F) están a punto de fallar.
• El desequilibrio del rotor produce vibración a 1× frecuencia de funcionamiento. La desalineación del acoplamiento normalmente produce vibraciones a una frecuencia de funcionamiento de 1× y 2×.
• Los pernos de montaje flojos o el pie cojo (superficie de montaje desigual) amplifican todas las señales de vibración y deben corregirse antes de realizar un diagnóstico adicional.

El calor excesivo es una causa importante de falla del motor

La degradación térmica del aislamiento del devanado es el mayor factor que contribuye a las fallas del motor. , lo que representa aproximadamente entre el 30% y el 40% de todas las fallas de motores en las encuestas industriales. La ampliamente citada regla de Arrhenius para el aislamiento eléctrico establece que Cada aumento de 10 °C por encima de la clase de temperatura nominal del aislamiento reduce a la mitad su vida útil operativa. . Un motor con aislamiento Clase F (clasificado para 155 °C) operado constantemente a 165 °C durará la mitad que uno operado dentro de su límite térmico.

Las fuentes de calor excesivo del motor incluyen: sobrecarga más allá del factor de servicio, flujo de aire de enfriamiento bloqueado o restringido (aletas sucias, entrada obstruida, ventilación inadecuada en el área del gabinete del motor), temperatura ambiente alta, desequilibrio de voltaje que causa corriente elevada en una o más fases, arranques frecuentes por hora que exceden la clasificación térmica del motor y fallas en los cojinetes que aumentan la fricción mecánica. Los motores equipados con termistores o sensores de temperatura de devanado RTD pueden provocar el apagado antes de que se acumule el daño térmico; actualizar la protección de temperatura en motores críticos es una medida de confiabilidad rentable.

Como práctica de mantenimiento, mida la temperatura del devanado durante el funcionamiento utilizando un termómetro infrarrojo en el bastidor del motor como indicador y compárela con la clasificación de aumento de temperatura corregida por el ambiente del motor. Un motor que funciona constantemente en o cerca de su límite térmico en condiciones de carga normales debe ser investigado para detectar restricciones de enfriamiento, tamaño incorrecto o problemas de calidad del suministro antes de que ocurra una falla.

Cómo elegir un motor

La selección del motor es un proceso de múltiples variables. Elegir únicamente los caballos de fuerza (el atajo más común) produce regularmente motores sobredimensionados, mal adaptados al perfil de carga o incompatibles con el sistema de control. Analice los siguientes criterios en orden:

1. Definir el tipo de carga y el ciclo de trabajo

Las cargas de par constante (transportadores, bombas de desplazamiento positivo, mezcladores) requieren un motor que proporcione un par nominal en todo el rango de velocidades. Las cargas de par variable (bombas centrífugas, ventiladores, sopladores) siguen la ley del cubo: la demanda de energía cae bruscamente a velocidad reducida, lo que las convierte en excelentes candidatos para VFD con un importante potencial de ahorro de energía. Las aplicaciones de servicio intermitente (grúas, prensas, compresores) requieren motores con clasificaciones de clase de servicio apropiadas (S1 a S9 según IEC 60034-1) para manejar los ciclos térmicos sin una degradación prematura del aislamiento.

2. Determine el par y la velocidad requeridos

Calcule el requisito de par de la carga a la velocidad de funcionamiento (consulte las fórmulas de par anteriores). Agregue un margen de seguridad del 10 al 25 % para el par de arranque, las pérdidas mecánicas y la variabilidad de la aplicación. Seleccione un motor cuyo par nominal a la velocidad de funcionamiento cumpla o supere este valor. Evite el sobredimensionamiento en más de un tamaño de bastidor estándar: un motor de gran tamaño funciona con un factor de potencia bajo, reduce la eficiencia y desperdicia costos de capital.

3. Seleccione el tipo de motor para la aplicación

• Inducción CA trifásica — primera opción para aplicaciones industriales de velocidad fija o controladas por VFD. Robusto, de bajo mantenimiento, ampliamente disponible en clases de eficiencia IE3/IE4.
• Inducción CA monofásica — para aplicaciones donde no se dispone de suministro trifásico. Disponible en variantes de arranque por condensador, funcionamiento por condensador y PSC según los requisitos de par de arranque.
• CC sin escobillas (BLDC) — para aplicaciones de precisión de velocidad variable, servosistemas o donde es fundamental una larga vida útil con un mantenimiento mínimo.
• Derivación de CC/herida compuesta — cuando se requiere una regulación precisa de la velocidad bajo cargas variables y se dispone de un suministro de CC; Menos común en instalaciones nuevas debido al mantenimiento de las escobillas.
• Motores a prueba de explosiones (Ex) — Se requieren gabinetes con certificación ATEX o UL/CSA en ambientes con gases, polvo o vapores inflamables. La clasificación de zona y grupo debe coincidir con la designación de área peligrosa.

4. Especifique la clase de envolvente y aislamiento

La selección del gabinete está determinada por el entorno operativo. TEFC (Totally Enclosed Fan Cooled, IP55) es el estándar para la mayoría de las aplicaciones industriales en exteriores y en interiores con polvo. ODP (A prueba de goteo abierto, IP23) se adapta a ambientes interiores limpios y secos y ofrece una mejor refrigeración a temperaturas ambiente altas. Para entornos húmedos o lavables, se requieren clasificaciones IP66 o IP67. Clase de aislamiento: F (155°C) es estándar para la mayoría de los motores industriales; La clase H (180 °C) se especifica para aplicaciones de ciclos de alta temperatura o de servicio pesado.

5. Verifique el montaje, el marco y el voltaje de suministro

Confirme la compatibilidad del tamaño de bastidor IEC o NEMA con la disposición de montaje (montaje con patas B3, montaje con brida B5 o combinación B35). Verifique que el voltaje y la frecuencia de la placa de identificación coincidan con el suministro disponible y confirme que el motor tenga clasificación VFD (servicio de inversor) si se utilizará un variador de frecuencia. Los motores estándar operados con un VFD sin aislamiento de servicio inversor experimentan una degradación acelerada del devanado debido a picos de tensión.