Misión Naval Venezolana en España

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EL MOTOR ELÉCTRICO ASINCRÓNICO

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Por: CC. Antonio Pena Reinoso

          La  energía necesaria para el accionamiento de bombas, compresores y ventiladores a bordo de los buques, proviene en su mayoría de motores eléctricos asincrónicos tipo jaula de ardilla, que son máquinas que convierten la energía eléctrica alterna trifásica en energía mecánica a través de fenómenos electromagnéticos.


 

 

Oficial superior egresado de la Escuela Naval de Venezuela en el año 1993, con la promoción “Libertador Simón Bolívar” y diplomado como Licenciado en Ciencias Navales. Cursó estudios de ingeniería eléctrica en la Universidad Nacional Experimental de la Fuerza Armada Nacional (UNEFA), de la que egresó con el título correspondiente. Ha ocupado diferentes cargos inherentes a su especialidad a bordo de las unidades flotantes de la ARBV, siendo su último desempeño técnico como Jefe del Centro de Mantenimiento de Electrotecnia de la BNAR, durante tres años, participando activamente en las diferentes responsabilidades y objetivos de la División de Plataforma, entre los cuales se puede mencionar Jefe del grupo móvil que asistió las Unidades del CED, durante la ejecución del Desfile Naval del año 2004. Actualmente se desempeña como jefe de área de Electricidad de la Comisión Inspectora para los Buques de Vigilancia Litoral (BVL).

   

 

 

 

 

 

   

         La  energía necesaria para el accionamiento de bombas, compresores y ventiladores a bordo de los buques, proviene en su mayoría de motores eléctricos asincrónicos tipo jaula de ardilla, que son máquinas que convierten la energía eléctrica alterna trifásica en energía mecánica a través de fenómenos electromagnéticos.

         Este tipo es sin duda el más común de todos los motores eléctricos asincrónicos, por su sencillez y forma constructiva. Se considera el motor ideal en la mayoría de las aplicaciones por su precio, robustez y fácil mantenimiento, tiene como inconveniente que absorbe gran intensidad de corriente en el momento del arranque, para lo que se han buscado alternativas en las características del material, forma de las barras del rotor y en los dispositivos de arranque.

        Por lo general, los motores eléctricos de corriente alterna están formados por tres partes fundamentales:

       -  La Carcasa: Es la parte externa de la máquina y esta construida de acero, hierro fundido o cualquier otra aleación metálica, dependiendo de la aplicación y condiciones ambientales de trabajo.

       - El Estator: Va unido a la carcasa y esta constituido por numerosas chapas de material magnético, formando ranuras sobre las cuales están colocadas las bobinas fijas o devanado estatórico.

       - Rotor: Parte móvil de la máquina constituida igualmente por chapas aisladas de material magnético, dotadas de ranuras y fijas a un eje, en las cuales va alojado el devanado rotórico.

Componentes de un Motor Eléctrico Asincrónico Jaula de Ardilla
Fuente:
http://www.iesmariaibars.org/materials/elecace/03%20ACE.pdf


        Los componentes auxiliares que se observan en la figura anterior son los siguientes:

       - Tapas delantera y trasera: Son utilizadas para alojar los rodamientos que permiten la sustentación y movimiento del rotor y dan la protección contra el ambiente a la máquina.

       - Rodamientos: Dispositivo mecánico que mantiene el eje o rotor en suspensión, separado del devanado estatórico.

       - Caja de Bornes: Contiene la regleta donde se conecta el devanado estatórico a la red de alimentación.

       - Ventilador: Dispositivo que absorbe el aire del ambiente y lo hace circular por las ranuras de ventilación de la carcasa.

       - Tapa del Ventilador: Protege al ventilador de cualquier impacto cuando esta en movimiento, ayuda a centralizar el aire absorbido y evita el contacto con operadores o personas que circulen en los alrededores del equipo.

      Una vez descritos los componentes de esta máquina eléctrica, es importante conocer su principio de funcionamiento, para ello a continuación se hará una sencilla explicación de este fenómeno electro-magnético.

      El arrollado estatórico de un de motor eléctrico esta conformado por tres devanados idénticos separados entre si 120º grados eléctricos con su respectiva conexión entre ellos, al estar cada devanado conectado a una fase de la corriente eléctrica trifásica equilibrada de la red de alimentación, se produce un campo magnético giratorio a una velocidad constante.

      Así mismo, el devanado rotórico esta conformado por un grupo de barras conductoras unidas en sus extremos formando un cilindro (Jaula de Ardilla), que según la ley de Faraday  al estar en presencia de un campo magnético giratorio en esas barras conductoras se produce una diferencia de potencial, como esas barras están cortocircuitadas entre si, circula una corriente eléctrica y según la segunda ley de Laplace cargas eléctricas en movimiento en el seno de un campo magnético crean una fuerza magnetomotriz que hace girar el rotor en el mismo sentido que el campo magnético a una velocidad inferior, ese movimiento del eje es la energía mecánica utilizada.

      Teniendo una idea sencilla del principio de funcionamiento y los componentes del motor eléctrico asincrónico jaula de ardilla, enfocamos este análisis a los aspectos que se deben considerar para escoger el motor eléctrico apropiado para una aplicación determinada. A nivel mundial existen muchísimos fabricantes y se han creado diferentes asociaciones para normalizar las variables y características de construcción. En el mercado americano esta materia se rige principalmente por La Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos, NEMA (The National Electrical Manufacturers Asociation); en el mercado europeo se rigen por las normas IEC (International Electrotechnical Commission) Comisión Electrotécnica Internacional, VDE (Technisch-wissenschaftlicher Verband der Elektrotechnik und Elektronik) Asociación Técnico Científica de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de Alemania, DIN (Deutsches Institut für Normung) Instituto Alemán de Estandarización, CEN (Comité Europeo de Normalización) y el Cenelec (Comité Europeo de Normalización Electrotécnica), entre otros.

       Para los motores de aplicaciones generales los fabricantes han creado sus catálogos y guías específicas para exponer los modelos y características estándar, para evitar ser ambiciosos y tratar de abarcar  lo que establecen todos los fabricantes, en este artículo se hace referencia al THE BIG LITTLE BOOK OF IN STOCK ELECTRIC MOTORS AND GRINDERS (El Pequeño Libro Grande de Motores Eléctricos) del fabricante BALDOR, que por ser Americano se rige por lo que establece NEMA en cuanto a condiciones mínimas de trabajo, aislamiento y dimensiones críticas de montaje.

       La alimentación eléctrica en América suele ser corriente alterna monofásica o trifásica con una frecuencia de 60Hz,  Generalmente los monofásicos son motores menores a 1 HP que trabajan en un nivel de tensión de 115V y 230V, por su parte los motores trifásicos son mayores de 1HP y trabajan en un nivel de tensión de 208V, 240V, 480V y 600V, también es común conseguir motores que trabajen en dos niveles de tensión, por ejemplo 230/460V.

        Una vez definido el nivel de tensión y la frecuencia de la red de alimentación, se debe considerar los Hp requeridos por la carga y las RPM de trabajo que dependen del mecanismo de acople entre la carga y el motor, que vienen a ser las características básicas de la aplicación del equipo en una necesidad ya definida. Lo cual debe estar complementado con las condiciones ambientales, torque de arranque, factor de servicio, ciclo de trabajo, condiciones de montaje, encapsulamiento, clase de aislamiento y frame. En esta guía se dispone de unas matrices o tablas que en el eje horizontal se establecen los HP, en el eje vertical se establecen las RPM, cruzando los dos ejes obtenemos un tipo de motor diseñado para trabajar con un tipo de torque, un factor de servicio, un ciclo de trabajo, una clase aislamiento y unos determinados frame.

        Para finalizar se hará una breve descripción de los diferentes parámetros mencionados en el párrafo anterior que garantizan la escogencia de un motor eléctrico:

       - Condiciones Ambientales: La temperatura ambiente es la temperatura del aire alrededor del motor, el diseño estándar es para trabajar por encima de los 40ºC y vienen lubricados con grasas especiales para altas temperaturas. Se deben considerar condiciones especiales de lubricación y aislamiento para muy altas, altas y muy bajas temperaturas, alta humedad y condiciones adversas de corrosión.

       - Torque: La fuerza de torsión desarrollada por un motor es lo que se conoce como torque, generalmente el torque de arranque es diferente y superior al torque necesario para mantener la carga en movimiento. NEMA clasifica los motores en cuatro tipos:

         * Design A: características similares al design B con mayores corrientes de arranque.
         * Design B: Torque de arranque normal, corriente de arranque normal y poco deslizamiento. Son los de mayor aplicación industrial.
         * Design C: Alto torque de arranque, corriente de arranque normal y poco deslizamiento.
         * Design D: Alto torque de arranque, corriente de arranque normal y alto deslizamiento.

       Existe una matriz o tabla que establece los valores de torque de arranque en % de la carga, la corriente de arranque en % de la corriente nominal de consumo de la carga, el % de deslizamiento, las aplicaciones típicas y la eficiencia relativa para los tipos B, C y D.

      - Factor de Servicio: Debe estar indicado en la placa de identificación del equipo y determina la sobrecarga continua a la cual puede estar sometido el motor sin sufrir daño. El factor de servicio estándar es 1,15, es decir el equipo puede trabajar con una sobrecarga del 15%, sin embargo en estas condiciones de trabajo se suelen afectar las características de eficiencia, factor de potencia y velocidad.

     - Ciclo de trabajo: Si un motor trabaja a toda su capacidad más de 60 min en un periodo de 24 horas, es considerado un equipo para trabajo continuo. Si trabaja menos de 60 min en el mismo periodo puede ser considerado para trabajos intermedios o trabajos cortos. En cada caso, el tiempo para el cual es diseñado va a determinar la cantidad de tiempo que transcurre para que el motor alcance su temperatura máxima de trabajo.

     - Condiciones de Montaje: Los estilos de montaje mas utilizado son el de base rígida y el resistentemente elástico que se utiliza cuando es necesario aislar las vibraciones del equipo, estos tipos de montaje y otros menos comunes son especificados por NEMA.

      - Encapsulamiento: Los dos mas comunes tipos de encapsulamiento para motores eléctricos son:

         * ODP: Open Drip Proof (A prueba de goteo), permite un libre intercambio de aire entre el ambiente y las partes internas del motor.

         * TEFC: Totally Closed Fan Cooled (Totalmente encapsulado con canales de ventilación) limita el intercambio de aire del ambiente y las partes internas del motor, manteniendo el equipo libre de suciedad y agua.

         Otro tipo de encapsulamiento muy importante es el Explosión Proof (A prueba de explosión), el cual deber ser utilizado en espacios donde existe un eminente riesgo de explosión, este tipo de encapsulado incrementa considerablemente los costo de un equipo por las protecciones y consideraciones que se deben tener.

    - Clase de Aislamiento: Determina la temperatura máxima en la cual los materiales no pierden sus capacidades dieléctricas. Considerando una temperatura ambiente de 40ºC las clases de aislamiento más comunes son:

       * Clase B: Es la más utilizada, la máxima temperatura alcanzada por los devanados es de 80ºC, sin perder sus capacidades dieléctricas.

       * Clase F: La máxima temperatura  alcanzada por los devanados es de 105ºC, sin perder sus capacidades dieléctricas.

       * Clase H: La máxima temperatura  alcanzada por los devanados es de 125ºC, sin perder sus capacidades dieléctricas.

    - Frame: Son el conjunto de dimensiones que caracterizan un tipo de motor identificado con un código, compuesto de números y letras, donde se considera desde el diámetro, peso, longitud, ubicación y espacio para la chaveta del eje o rotor hasta la ubicación de los orificios para fijar la carcaza del equipo a su base.


 
Dimensiones que determinan el FRAME de un Motor Eléctrico.
Fuente:
http://www.electromatica.cl/motores/frames.pdf

       La figura anterior acompañada de una tabla donde se presentan los valores de las diferentes dimensiones de la gráfica para cada frame, nos permite visualizar un ejemplo de cómo presentan los diferentes fabricantes sus productos, esto permite a la hora del diseño homologar los frames de los diferentes motores de acuerdo con sus capacidades y a la hora de cambiar un motor eléctrico buscar el que corresponda con el respectivo frame.

       En conclusión, considerar cada uno de estos aspectos garantiza la buena escogencia de un motor eléctrico, en el diseño de los diferentes sistemas de las nuevas construcciones para la Armada de los próximos treinta años, cada uno de los fabricantes por el hecho de ser especialistas y proveedores certificados internacionalmente, deben haberle dado la suficiente importancia a este aspecto, lo cual quedara en evidencia cuando todo el buque funcione como un sistema integral de manera eficiente.

Bibliografía:

http://www.electromatica.cl/motores/frames.pdf.
http://www.iesmariaibars.org/materials/elecace/03%20ACE.pdf.
- Baldoor (1988), The Big Little Book Of In Stock Electric Motors And Grinders.
- Martín, F., Martín, J. (2003) Apuntes de Electricidad Aplicada a los Buques. ECU, Madrid.
- Sabaca, M. (2006) Automatismos y Cuadros Eléctricos. Mc Graw Hill, Madrid.

 

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Última actualización el Miércoles, 19 de Noviembre de 2008 09:11