Potencia y rendimiento de los motores

Contenido: Introducción. La prueba de vacío. La prueba de rotor bloqueado o de corto circuito. La prueba de resistencia en el estator. Prueba de carga. Características de los motores de inducción. El motor operando en vacío. Motor operando con carga. Características del motor a rotor bloqueado. La eficiencia y calentamiento en las maquinas eléctricas. Pérdidas mecánicas. Pérdidas en función de la carga. Pérdidas en las escobillas. Pérdidas en el fierro.

Objetivo: Al finalizar la competencia describirá los fundamentos teóricos de la potencia y rendimiento de los motores, sin error.

Introducción

Para estudiar los problemas relacionados con el arranque, aceleración, operación y eficiencia de los motores de inducción, tanto de rotor devanado, como del tipo jaula de ardilla, se deben conocer algunos términos y encontrar los medios para determinar sus valores.

La prueba de vacío

Sirve para determinar las pérdidas mecánicas y magnéticas, esto es análogo a la prueba de vacío del transformador.

La prueba de rotor bloqueado o de corto circuito

Que permite calcular el valor de la resistencia total efectiva, la resistencia del rotor, y las pérdidas en los devanados.

La prueba de resistencia en el estator

Sirve para obtener el valor de la resistencia del estator en forma independiente de la del rotor.

Prueba de carga

Sirve para determinar la potencia de carga, la corriente y el factor de potencia. Esta prueba es de las más útiles, ya que permite obtener el valor de distintos parámetros en forma individual, de acuerdo a relaciones útiles para los motores.

Características de los motores de inducción

Características de los motores de inducción

Para establecer las características de los motores de inducción, se tiene que considerar básicamente tres condiciones: el motor operando en vacío, el motor operando con carga y las llamadas características a rotor bloqueado del motor.

El motor operando en vacío

Cuando el motor se arranca y opera en vacío, la corriente del estator es del orden de 0.3 a 0.5 de la corriente a plena carga. La corriente de vacío es principalmente magnetizante ya que sirve para crear el flujo giratorio; tiene también una pequeña componente activa que alimenta a las llamadas pérdidas por fricción y ventilación en el rotor mas las pérdidas en el hierro del estator.

Para crear el campo giratorio se requiere de una cantidad considerable de potencia reactiva, por lo que el factor de potencia en vacío es bajo, cayendo en el rango de 0.2 para máquinas pequeñas, a 0.05 para máquinas grandes. La eficiencia en estas condiciones es cero, en virtud de que la potencia de salida es cero.

Motor operando con carga

Tanto la corriente de excitación, como la potencia reactiva cuando el motor opera con carga son prácticamente las mismas que cuando el motor opera con carga.

Sin embargo, la potencia activa que demanda el motor de la fuente de alimentación aumenta en proporción a la potencia mecánica que le demanda la carga, de aquí que el factor de potencia del motor mejore a medida que aumenta la carga 0 potencia mecánica.

El valor del factor de potencia con carga varia de 0.7 para máquinas pequeñas, a 0.9 para motores grandes. La eficiencia es relativamente alta, ya que llega a ser hasta del 98% para motores grandes.

Características del motor a rotor bloqueado

La corriente a rotor bloqueado es del orden de 5 a 6 veces la corriente a plena carga, lo cual hace las pérdidas por efecto joule de 25 a 36 veces mayores de lo normal, por lo que el rotor no debe permanecer bloqueado por mas de unos cuantos segundos.

Estando bloqueado el rotor, la potencia mecánica es cero y el motor desarrolla un para elevado. El factor de potencia es bajo, debido a que se requiere de un valor considerable de potencia reactiva para producir el flujo disperso en los devanados del rotor y el estator.

Este flujo disperso es mucho mayor que en los transformadores debido a que el estator y el rotor no se encuentran formando una sola parte por el espacio de aire entre ellos ( entre-hierro ).

La eficiencia y calentamiento en las maquinas eléctricas

Los motores eléctricos son esencialmente elementos convertidores de energía eléctrica en energía mecánica y siempre que una máquina transforma una forma de energía a otra, existen perdidas.

La eficiencia y calentamiento en las maquinas eléctricas

Estas pérdidas se dan en la máquina misma produciendo principalmente:

A) Un incremento en la temperatura
B) Una reducción en su eficiencia las pérdidas se pueden agrupar como’

– Pérdidas mecánicas
– Pérdidas eléctricas

Pérdidas mecánicas

Las pérdidas mecánicas en los motores eléctricos, como en los generado res se deben a la fricción de las chumaceras ( baleros ), fricción en los anillos colectores ( en su caso ) y a la acción del aire en la ventilación, de aquí que se agrupen como pérdidas por fricción y ventilación.

Las pérdidas por ventilación dependen de la velocidad de la máquina, del diseño del sistema de ventilación propio y de la turbulencia producida por las partes en movimiento, generalmente en valor de estas pérdidas se obtiene de pruebas en la máquina.

Pérdidas en función de la carga

Las pérdidas eléctricas en los conductores (R2) varían con la carga del motor, expresada como la corriente ( 1 ), esto se explica partiendo del hecho que operando en vacío no desarrolla ninguna potencia útil y solo se presentan, como ya se indicó antes, las llamadas pérdidas por fricción y ventilación, las pérdidas en el fierro y pérdidas mínimas en los conductores.

En la medida que se carga ( mecánicamente ) el motor, la corriente en el devanado del estator tiende a incrementarse.
Y en consecuencia las pérdidas aumentan con el cuadrado de esta corriente, debido a que estas pérdidas se convierten en calor, la temperatura del motor aumenta progresivamente en la medida que aumenta la carga, por lo que esta temperatura no debe exceder al límite de temperatura que fija el aislamiento usado.

Este límite de temperatura es el que obliga a fijar el concepto de “POTENCIA NOMINAL” en la máquina. Una máquina que opera a valores de potencias superiores al nominal, por lo general se sobrecalienta; el aislamiento se deteriora más rápidamente y se reduce su tiempo de vida.

Las máquinas que durante su operación se sobrecargan en forma intermitente, pueden hacerlo sin sobrecalentamiento con tal que sean periodos cortos de tiempo. Unos pocos minutos por hora, así Un motor de 10 kw puede entregar hasta 15 kw, pero no más por limitaciones eléctricas.

Pérdidas en las escobillas

En los motores de inducción con rotor devanado, se tienen en este anillos rozantes que sirven para conectar al motor al reostato de arranque, estos anillos se conectan al reostato en última instancia a través de escobillas, el contacto de las escobillas con los anillos colectores a través de los cuales pasa la corriente produce pérdidas por efecto joule, las cuales con generalmente despreciables debido a que la densidad de corriente es únicamente del orden de 0.1 amperes/ , que es por mucho, menor que la usada en los conductores de cobre.

No obstante, la caída de voltaje por contacto de las escobillas con los anillos puede en un momento dado producir pérdidas significativas, el valor de esta caída de voltaje, depende principalmente del tipo de las escobillas, la corriente que circula por ellas, y la presión aplicada sobre los anillos.

Pérdidas en el fierro

Las pérdidas en el fierro se producen en el circuito magnético de las máquinas y se deben principalmente al efecto de histéresis y de corrientes circulantes ( EDDY ). Las pérdidas en el fierro dependen de la densidad del flujo magnético, de la velocidad de rotación del rotor, de la calidad del acero y el tamaño del rotor.

El rango es bastante amplio para estas pérdidas, pues va de 0.5 watts/kg a 20 watts/kg, el valor más alto se presenta en los dientes del rotor.

La elevación de temperatura

La elevación de temperatura de una máquina, se entiende como la diferencia entre la temperatura de la parte accesible más caliente y la temperatura del medio ambiente. Se puede interpretar o medir simplemente como la diferencia de dos lecturas de termómetro.

La elevación de temperatura

Sin embargo, considerando las dificultades prácticas de colocar un termómetro cercano al punto interno más caliente, se usan generalmente métodos mas sofisticados para medir esta elevación de temperatura.

Considerando, que los aislamientos usados en las máquinas eléctricas se clasifican de acuerdo a la máxima temperatura que pueden tolerar, aspecto que se estudiará mas adelante, en otro capitulo, con suficiente detalle.

De acuerdo con las características de los aislamientos, el denominado tipo B tiene una espectativa de vida razonable siempre que su temperatura no exceda a 130°C.

Las organizaciones estándar han establecido una temperatura ambiente máxima de 40°C en base a las siguientes razones:

Plantea a los fabricantes los problemas que se tendrán en las peores condiciones de temperatura ambiente que las máquinas encontrarán.

Debido al punto anterior, se está en posibilidad de normalizar el tamaño de las máquinas. El problema es respetar para cada tipo de aislamiento de las máquinas su límite de temperatura.

La determinación del punto más caliente en una máquina, es bastante difícil de determinar debido a que se tendría que hacer hacia el interior de los devanados.

Esto se puede hacer embebiendo un pequeño detector de temperatura, como por ejemplo: un termopar o un termistor, estos métodos directos de medir la temperatura son por lo general costosos y por lo tanto solo justificables para grandes máquinas eléctricas.

Para simplificar esto, las normas permiten otro método para determinar la elevación de temperatura, que se basa en la temperatura promedio de los devanados, en lugar del punto más caliente.

La temperatura “promedio” de un devanado se puede calcular por el llamado “método de la resistencia”, que consiste en medir la resistencia de un devanado a una temperatura conocida y medirla nuevamente cuando la máquina está caliente.

Conociendo el conductor usado en los devanados, se conoce por lo tanto su coeficiente de temperatura, y de aquí se puede determinar la temperatura.

Fuente: Apuntes de la materia de maquinaria y automatización / unideg