Universidad Tecnológica de Torreón

Control de Motores Eléctricos

Variador de Velocidad

Una gran parte de los equipos utilizados en la industria moderna funcionan a velocidades variables, como por ejemplo los trenes laminadores, los mecanismos de elevación, las máquinas-herramientas, etc. En los mismos se requiere un control preciso de la velocidad para lograr una adecuada productividad, una buena terminación del producto elaborado, o garantizar la seguridad de personas y bienes.

La regulación de velocidad puede realizarse por métodos mecánicos, como poleas o engranajes, o por medios eléctricos.

La máquina de inducción alimentada con corriente C.A., especialmente la que utiliza un rotor en jaula de ardilla, es el motor eléctrico más común en todo tipo de aplicaciones industriales y el que abarca un margen de potencias mayor. Pero no basta conectar un motor a la red para utilizarlo correctamente, sino que existen diversos elementos que contribuyen a garantizar un funcionamiento seguro.

El método más eficiente de controlar la velocidad de un motor eléctrico es por medio de un variador electrónico de frecuencia. No se requieren motores especiales, son mucho más eficientes y tienen precios cada vez más competitivos.

Características de Operación

El variador de frecuencia regula la frecuencia del voltaje aplicado al motor, logrando modificar su velocidad. Sin embargo, simultáneamente con el cambio de frecuencia, debe variarse el voltaje aplicado al motor para evitar la saturación del flujo magnético con una elevación de la corriente que dañaría el motor.

Los variadores son convertidores de energía encargados de modular la energía que recibe el motor. Otra definición sería, los variadores de velocidad son dispositivos que permiten variar la velocidad y la acopla de los motores asíncronos trifásicos, convirtiendo las magnitudes fijas de frecuencia y tensión de red en magnitudes variables.

Los variadores de velocidad son dispositivos electrónicos que permiten variar la velocidad y la cupla de los motores asincrónicos trifásicos, convirtiendo las magnitudes fijas de frecuencia y tensión de red en magnitudes variables.

Se utilizan estos equipos cuando las necesidades de la aplicación sean:

- Dominio de par y la velocidad

- Regulación sin golpes mecánicos

- Movimientos complejos

- Mecánica delicada

Configuraciónes.

Los variadores de velocidad pueden, según el convertidor electrónico, o hacer funcionar un motor en un solo sentido de rotación, y se llaman «unidireccionales», o en los dos sentidos de la marcha, y se llaman entonces «bidireccionales».

Los variadores son «reversibles» cuando pueden recuperar la energía del motor al funcionar como generador (modo frenado). La reversibilidad se obtiene o retornando la energía hacia la red (puente de entrada reversible), o disipando la energía recuperada en una resistencia con un chopper de frenado.

Variador unidireccional

Este tipo de variador, la mayor parte de veces no reversible, se emplea para:

- Un motor C.C., con un convertidor directo (c.a.-c.c.) con un puente mixto con diodos y tiristores (figura 3a),

- Un motor C.A., con un convertidor indirecto (con transformación intermedia en cc) con un puente de diodos a la entrada seguido de un convertidor de frecuencia que hace funcionar la máquina en el primer cuadrante (figura 3b). En algunos casos este montaje puede utilizarse en bidireccional (cuadrantes 1 y 3).

Funcionamiento a par constante

Se denomina funcionamiento a par constante cuando las características de la carga son tales, que, en régimen permanente, el par solicitado es sensiblemente constante sea cual sea la velocidad (figura 4). Este modo de funcionamiento se utiliza en las cintas transportadoras y en las amasadoras. Para este tipo de aplicaciones, el variador debe tener la capacidad de proporcionar un par de arranque importante (1,5 veces o más el par nominal) para vencer los rozamientos estáticos y para acelerar la máquina (inercia).

Funcionamiento a par variable

Se denomina funcionamiento a par variable cuando las características de la carga son tales que en régimen permanente, el par solicitado varía con la velocidad. Es en concreto el caso de las bombas volumétricas con tornillo de Arquímedes cuyo par crece linealmente con la velocidad (figura 5a) o las máquinas centrífugas (bombas y ventiladores) cuyo par varía con el cuadrado de la velocidad (figura 5b).

Para un variador destinado a este tipo de aplicaciones, es suficiente un par de arranque mucho menor (en general 1,2 veces el par nominal del motor). Muy frecuentemente dispone de funciones complementarias como la posibilidad de omitir las frecuencias de resonancia correspondientes a las vibraciones indeseables de la máquina. Es imposible funcionar más allá de la frecuencia nominal de la máquina porque sería una carga insoportable para el motor y el variador.

Funcionamiento a potencia constante

Es un caso particular del par variable. Se denomina funcionamiento a potencia constante cuando el motor proporciona un par inversamente proporcional a la velocidad angular (figura 6).

Es el caso, por ejemplo, de una enrolladora cuya velocidad angular debe disminuir poco a poco a medida que aumenta el diámetro de la bobina por acumulación de material. Es también el caso de los motores de huso de las máquinas herramienta.

El margen de funcionamiento a potencia constante es por definición limitado: a baja velocidad, por la corriente proporcionada por el variador, y a gran velocidad, por el par disponible del motor. En consecuencia, el par motor disponible con los motores asíncronos y la capacidad de conmutación de las máquinas de corriente continua deben ser comprobados.

Tipos de variadores supremos de velocidad

Rectificador controlado motor de corriente continua.

Proporciona, a partir de una red de corriente alterna monofásica o trifásica, una corriente continua con control del valor medio de la tensión.

Los semiconductores de potencia constituyen un puente de Graëtz, monofásico o trifásico (figura 7). El puente puede ser mixto (diodos/tiristores) o completo (sólo tiristores). Esta última solución es la más frecuente porque

permite un mejor factor de forma de la corriente suministrada.

El motor de corriente continua más utilizado tiene la excitación separada, salvo para pequeñas potencias, en las que suelen usarse frecuentemente motores de imán permanente.

La utilización de este tipo de variadores de velocidad se adapta bien a todas las aplicaciones. Los únicos límites vienen impuestos por el propio motor de corriente continua, en especial por la dificultad de conseguir velocidades elevadas y la necesidad de mantenimiento (sustitución de las escobillas).

Los motores de corriente continua y sus variadores asociados han sido las primeras soluciones industriales. Después de más de una década, su uso va en constante disminución en beneficio de los convertidores de frecuencia. En efecto, el motor asíncrono es a la vez más robusto y más económico que un motor de corriente continua. Contrariamente a los motores de corriente continua, los asíncronos se han estandarizado con envolvente IP55, siendo por tanto prácticamente insensibles al entorno (goteo, polvo y ambientes peligrosos).

Convertidor de frecuencia para motor asíncrono

Suministra, a partir de una red de corriente alterna de frecuencia fija, una tensión alterna trifásica, de valor eficaz y frecuencia variables (figura 8). La alimentación del variador puede ser monofásica para pequeñas potencias (orden de magnitud de algunos kW) y trifásica para los mayores. Ciertos variadores de pequeña potencia aceptan indistintamente tensiones de alimentaciones mono y trifásicas. La tensión de salida del variador es siempre trifásica. De hecho, los motores asíncronos monofásicos no son adecuados para ser alimentados mediante convertidores de frecuencia.

Los convertidores de frecuencia alimentan los motores de jaula estándar con todas las ventajas de estos motores: estandarización, bajo coste, robustez, estanqueidad, ningún mantenimiento. Puesto que estos

motores son auto-ventilados, el único límite para su empleo es el funcionamiento a baja velocidad porque se reduce esta ventilación. Si se requiere este funcionamiento hay que prever un motor especial con una ventilación forzada independiente.

Regulador de tensión para el arranque de motores asíncronos

Suministra, a partir de una red de corriente alterna, una corriente alterna de frecuencia fija igual a la de la red, mediante el control del valor

eficaz de la tensión, modificando el ángulo de retardo de disparo de los semiconductores de potencia (dos tiristores montados en antiparalelo en cada fase del motor) (figura 9).

Variadores por corrientes de Eddy

Un variador de velocidad por corrientes de Eddy consta de un motor de velocidad fija y un

embrague de corrientes de Eddy. El embrague contiene un rotor de velocidad fija (acoplado al

motor) y un rotor de velocidad variable, separados por un pequeño entrehierro. Se cuenta, además,

con una bobina de campo, cuya corriente puede ser regulada, la cual produce un campo magnético

que determinará el par mecánico transmitido del rotor de entrada al rotor de salida. De esta forma,

a mayor intensidad de campo magnético, mayor par y velocidad transmitidos, y a menor campo

magnético menores serán el par y la velocidad en el rotor de salida. El control de la velocidad de

salida de este tipo de variadores generalmente se realiza por medio de lazo cerrado, utilizando

como elemento de retroalimentación un tacómetro de CA.

Mantenimiento a transformadores y motores eléctricos.

Fallas comunes eléctricas y mecánicasTransfromadores:

Las causas de fallas de un transformador proviene por falta de mantenimiento ya que este equipo es muy importante dentro de las funciones que tiene el uso constante sin un mantenimiento adecuado produce que la calidad del aceite pierda sus cualidades y esto provoque fallas posteriores

Algunas causas son las siguientes:

A.- humedad

B.- fugas

C.- carga de voltaje exesiva

D.- una mala proteccion electrica

E.- una mala instalacion

F.- un mal manejo y desconocimiento del equipo

Motores eléctricos:

Técnicas de localización de fallas transformadores:

1) Boquillas terminales (bushing): Se inspecciona semanalmente observando detenidamente si no presentan rupturas en la porcelana, los niveles de aceite normales y su estado de limpieza. Verificar que en el ambiente no haya partículas como el silicón, el cual, se adhiere al aislador aumentándole su resistencia aislante.

2) Cambiador de taps: Se inspeccionan semanalmente, verificando que su posición sea la correcta o adecuada y asegurar que tenga su candado, para prever que las personas no autorizadas los muevan. Colocar un anuncio donde notifique que solo se debe operar cuando el transformador esta en vacío desconectado

3) Sistemas de enfriamiento: Verificar si no hay fugas de aceite, ruidos extraños, que los motores de los ventiladores operen normalmente y probarlos.

4) Detectores de temperatura: Se inspeccionan diariamente, checando la temperatura que sea un porcentaje menos de la que permita el fabricante.

5) Relevador Bucholz: Se requiere de una inspección semanal, verificando su nivel, que sea correc-to y sin fugas, accionando su bobina mediante sus contactos; esto solo desconectado el transformador, ya que este relevador actúa cuando su nivel baja o presenta aire, disparando el interruptor del transformador automáticamente.

6) Diafragmas de alivio: Estos se inspeccionan anualmente, verificando el diafragma que opere normalmente y selle perfectamente. Este sirve o actúa cuando en el transformador hay una sobrepresión a causa de un calentamiento, el cual, tiende a romperse para eliminar dicha sobrepresión.

7) Sistema de nitrógeno: Este sistema requiere de una inspección diaria, verificando la presión en el tanque del transformador y en el tanque abastecedor, anotar el consumo de gas y sí es necesario calibrar el sistema dependiendo de que tipo es instalado.

8) Silica-gel: Este se inspecciona mensualmente, verificando su color; reponerlo o secar, si es necesario. Este sirve para deshidratar al oxígeno para solo dejar el nitrógeno seco, siendo un elemento inerte.

9) Prueba de aislamiento: La vida útil de un aislamiento de cualquier material conductor, termina cuando el aislamiento se ha vuelto quebradizo, tostado o cuando al oprimirlo se nota flojo y al aparecer en él grietas, ocasionadas por esfuerzos mecánicos. El endurecimiento del aislamiento, es ocasionado al operar a elevadas temperaturas por tiempos prolongados. Los esfuerzos mecánicos son causados por corto circuito o por dilataciones debidas a los cambios de temperatura.

La resistencia dieléctrica del aislamiento, no se reduce notablemente por endurecimiento; pero cuando se presenta ocasionalmente hay fallas eléctricas, razón por la cual se debe inspeccionar periódicamente.

Las fallas le aislamiento son ocasionadas por humedad debido a que los materiales usados en transformadores, son higroscópicos, razón por la cual se debe estar seguro de que la humedad no está en contacto con el aislamiento a través de empaques defectuosos o aceite contaminado.

La tensión de falla de aislamiento no se puede predecir por las pruebas de resistencia de aislamiento ni la de pérdidas dieléctricas. Estas pruebas deben efectuarse periódicamente desde que el aislamiento, es nuevo y de preferencia utilizando los métodos anteriores, cuyos resultados servirán de referencia para pruebas posteriores.

Técnicas de localización de fallas motores:

Estas formas contractivas se distinguen por una designación internacional de acuerdo con la

clasificación de la norma dn-42-950.

En los motores cerrados hemos de tener un ciclo preventivo de la limpieza de la protección del

ventilado y la carcasa de lo contrario se dificultaría la ventilación y se producirían grandes

temperaturas grandes temperaturas una perfecta estanqueidad de las cajas debe aplicarse al perfil

de la tapa ligera capa desarrolla por los demás podemos decir que en general es aplicable a todos

los motores eléctricos o operaciones cíclicas del mantenimiento.

a) Con el motor en marcha

Limpieza exterior.

Comprobar la buena ventilación y calentamientos anormales.

Observar ruidos anormales, olor a quemado, vibraciones.

Comprobar estado de rodamiento.

Comprobar carga en los aparatos de medida.

Comprobar si roza cadena bandos o correa, poleas sobre las tensiones.

Comprobar influencia de los agentes exteriores como polvo , agua, aceite ácidos, gases.

b) Con el motor parado

Limpieza exterior con aire seco a baja tensión o con aspirador.

Comprobar conexiones y devanados.

Examinar si existen señales de humedad grasa o aceite en el devanado.

Probar resistencia de aislamiento y conexión a tierra

Mantenimiento preventivo y correctivo motores eléctricos:El mantenimiento de los motores eléctricos constituye uno de los aspectos fundamentales para garantizar la óptima operatividad de los mismos, y por consiguiente, la confiabilidad del proceso productivo.

Por tal motivo es muy importante que las actividades de mantenimiento preventivo, predictivo y correctivo sean realizadas por personal calificado y entrenado para tal fin.

Los motores eléctricos por ser máquinas rotativas y generalmente de uso continuo, están propensos a sufrir desgastes en sus componentes mecánicos, especialmente en los rodamientos o cojinetes, los cuales merecen especial atención por parte del departamento de mantenimiento, y someterlos a un programa de mantenimiento rutinario.

El material aislante es otro componente aún más importante, ya que si éste falla la máquina puede quedar inutilizada. Las fallas en el aislamiento de las máquinas eléctricas son producidas por degradación del material aislante debido a fatigas mecánicas y eléctricas, contaminación, temperatura y humedad. Una falla del material aislante produce fallas incluso catastróficas en las máquinas eléctricas, por lo que es recomendable realizar el mantenimiento rutinario y preventivo en las mismas para minimizar las interrupciones no programadas de los procesos productivos.

El objetivo del mantenimiento es lograr con el mínimo coste el mayor tiempo de servicio de las Instalaciones y Maquinaria productiva.

El mantenimiento preventivo abarca todos los planes y acciones necesarias para determinar y corregir las condiciones de operación que puedan afectar a un sistema, maquinaria o equipo, antes de que lleguen al grado de mantenimiento correctivo, considerando la selección, la instalación y la misma operación.

El mantenimiento preventivo bien aplicado disminuye los costos de producción, aumenta la productividad, así como la vida útil de la maquinaria y equipo, obteniendo como resultado la disminución de paro de máquinas.

Las actividades principales del mantenimiento preventivo son:

a) Inspección periódica con el fin de encontrar las causas que provocarían paros imprevistos.

b) Conservar la planta, anulando y reparando aspectos dañinos cuando apenas comienzan.

Mantenimiento de Transformadores

Revisión y cambio de accesorios

- Indicador de nivel de aceite- Indicador de temperatura - Válvula de sobre-presión - Deshidratador de silica Gel- Sistema de ventilación - Relevador buchholtz- Radiadores desmontables- Boquillas de alta y baja tensión - Transformadores de corriente - Conectores para boquillas - Equipos de monitoreo en línea

Pruebas de diagnóstico y características físicas

- Resistencia de aislamiento - Relación de transformación - Factor de potencia a los devanados - Corriente de excitación- Resistencia óhmica - Collar caliente a boquillas - Factor de potencia a boquillas - Análisis de aceite aislante - Hermeticidad - Humedad residual - Medición de punto de rocío - Prueba de simulación de alarmas en equipos de protección 

Reparación y ensamble en sitio

- Inspección interna de los elementos visibles y accesibles. - Diagnóstico del origen de la falla- Determinación del alcance de la reparación- Reparación o cambio de la parte dañada- Corrección de fugas de aceite- Ensamble - Pruebas preliminares - Tratamiento de secado - Filtrado y deshidratado o cambio de aceite - Pruebas finales de puesta en servicio