MOTOR MONOFÁSICO DE INDUCCIÓN
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En éste caso vamos a estudiar el comportamiento de un motor de inducción monofásico de un fancoil para la climatización de una habitación de hotel, y que es lo que ocurre cuando el motor es conectado a una tensión y frecuencia eléctrica distinta a la de su fabricación.
Características Técnicas
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Como podemos observar en la placa de características del motor, ha sido fabricado para trabajar a una tensión de 115v y 60Hz. La realidad es muy distinta ya que éste motor ha sido conectado a una tensión de 127v y 50Hz.
Relación entre la Tensión y la Frecuencia
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La relación entre la tensión y la frecuencia es una constante, U/F = Cte
Introducción
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El funcionamiento de los motores de inducción se debe a que en su interior se produce un par mecánico (par motor) debido a la interacción de un campo magnético (flujo magnético), que circula por su circuito magnético y las corrientes eléctricas que circulan por los conductores del mismo.
Los motores de inducción (IM) pueden funcionar con valores de la tensión de alimentación superiores a la nominal (que es la que figura en la placa de características, (115v) de hasta un 10% aproximadamente. Pero para que no se produzcan calentamientos superiores a los permitidos por los materiales con los que se ha construido el motor (chapa magnética), (hierro Fe), conductores (cobre Cu), carcasa, eje, rodamientos, etc).
La frecuencia de alimentación del motor debe variar proporcionalmente a la variación de la tensión de alimentación; es decir la relación entre tensión de alimentación U y la frecuencia (f) debe ser constante, U/f = cte.
Con lo anterior se consigue que el flujo magnético (Φ) y la corriente de alimentación del motor (I) no varíen apreciablemente. Ambas magnitudes (Φ, I ) son las causantes de la pérdida de energía en forma de calor por efecto Joule en el interior del motor.
Si ambas magnitudes no varían, no variará la disipación de energía térmica en el motor y por lo tanto no se producirán aumentos de temperatura en ninguna parte del motor.
La variación de la frecuencia de alimentación (f) si que produce variación de la velocidad del motor aproximadamente proporcional a la variación de la frecuencia.
Es conocido que si un motor IM de cuatro polos es alimentado a 50Hz, su velocidad de sincronismo es de ns = 1500 r.p.m. (revoluciones por minuto).
Su velocidad real es algo inferior a 1500 r.p.m. Si se alimenta a 60Hz, ns= 1800 r.p.m. y el motor refrigera algo mejor.
Análisis
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En el caso del motor objeto de este informe el suministro eléctrico es de 125V, 50Hz. Es decir, se ha aumentado la tensión de alimentación un 8,7 % aproximadamente y se ha disminuido la frecuencia un 6,7% aproximadamente, lo que da lugar inevitablemente a un aumento de las pérdidas de energía tanto en el circuito magnético (Fe) como en los conductores (Cu); esto ocasiona un aumento de temperatura en esas partes del motor.
Cuando el motor trabaja en régimen permanente, las temperaturas en sus diferentes partes se estabilizan y se establece un flujo de calor desde el interior del motor al exterior del mismo.
Este flujo de calor evacúa la energía térmica producida en el interior del motor hacia el exterior. Este flujo de calor se transmite al exterior a través de la carcasa del motor y también a través del eje que se apoya en los rodamientos, por los que también pasa parte del flujo térmico, produciéndose en consecuencia también en los rodamientos una elevación de la temperatura de éstos.
Tanto los rodamientos como la grasa que los lubrica son muy sensibles al aumento de la temperatura, que los puede deteriorar. Si la grasa se deteriora, pierde su propiedad de lubrificar y el rodamiento deja de funcionar adecuadamente.
Se puede profundizar más en el análisis cualitativo realizado utilizando una sencilla ecuación que relaciona las magnitudes eléctricas (U , I ) y magnéticas ( Φ ) citadas anteriormente.
Cuando se alimenta a un motor con una tensión ( U ), en las bobinas del motor se genera una fuerza electromotriz ( E ), tal que U y E son aproximadamente iguales U ≅ E. Además, E depende del flujo( Φ) y de la frecuencia(f), tal que:
Donde K es un valor constante que depende de las características constructivas del motor. Es decir para un motor concreto, K tiene un valor fijo.
A partir de aquí se va a indicar con un subíndice (1) a los valores correspondientes a los de la placa de características:
E1 ≅ U1 = 115V, f1 = 60Hz
Con el subíndice (2) se refieren los valores correspondientes a las condiciones de suministro E2 ≅ U2 = 115V, f2 = 50Hz
Por tanto, se tiene:
E1 = K x Φ1 x f1 ; E1 = K x Φ1 x f1
Si se divide queda.
Es decir el flujo magnético (Φ2 ) en las condiciones de funcionamiento real del motor es aproximadamente un 30% superior al flujo magnético ( Φ1 ) correspondiente a las condiciones de funcionamiento para las que se ha diseñado el motor; indicadas en su placa de características.
Consecuencias
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Las consecuencias de este aumento del 30% del flujo magnético son las siguientes:
- Por un lado, calentamientos excesivos de las chapas magnéticas del motor, tanto en la parte móvil (rotor) como en la parte fija (estátor).
- Por otro lado, como el flujo magnético es generado por una parte de la corriente absorbida por el motor (llamada corriente magnetizante,(Iµ). El aumento del flujo de un 30% implica el aumento de la corriente magnetizante (Iµ) en un valor muy superior al 30% pues no hay proporcionalidad entre el aumento del flujo con el de la corriente, debido a la saturación de ciertas partes del circuito magnético del motor (ver Figura ).
Hay que tener en cuenta que para conseguir que los motores utilicen el menor material posible y por tanto reducir su tamaño y coste, se construyen de forma que algunas partes del circuito magnético, las ranuras especialmente, trabajen en zona de saturación.
Dependiendo de las caracterísitcas constructivas del motor, este aumento de l puede ser de hasta el 100% o más. Este aumento de lp da lugar a un aumento importante de la corriente absorbida por el motor (I).
El aumento de la corriente (I) produce un aumento de pérdidas en los conductores (Cu), que son proporcionales al cuadrado de la corriente y por tanto se produce un calentamiento excesivo de los conductores de las bobinas del motor, tanto en el rotor como en el estátor.
Nota: La corriente absorbida por el motor (I) tiene dos componentes: corriente activa (Ia) y corriente reactiva o magnetizante (Iμ), tal que:
Para realizar este informe, se ha dispuesto de uno de los motores averiados en los hoteles Secrets Wild Orchild y Secrets St.James en Jamaica. La placa de características de este motor es la mostrada en la Figura 1.
De la observación visual de dicho motor se sacan las siguientes conclusiones:
- La grasa de los rodamientos está deteriorada a causa del sobrecalentamiento sufrido con lo cual deja de hacer correctamente su función lubricante, afectando al buen funcionamiento de los rodamientos; que también pueden quedar dañados. En la Figura se ve claramente el aspecto deteriorado que presenta la grasa.
- En la Figura siguiente, se observan partes de los devanados del estator con coloración más oscura que el resto del devanado. Este color más oscuro es debido a la corriente superior a la nominal que ha pasado por los conductores.
3. A continuación podemos observar también parte de los conductores de alimentación del motor sobrecalentados.
4. En la figura de la tapa lateral del motor, junto a la parte exterior del rodamiento se aprecian unas manchas de color amarillento debidas al sobrecalentamiento.
Las observaciones visuales descritas indican que el motor ha estado trabajando con temperaturas en su interior superiores a las admitidas por los materiales constructivos del mismo.
Conclusiones
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Los motores objeto de este informe han trabajado en condiciones de suministro (125V, 50Hz) (de acuerdo con lo indicado por el solicitante del presente informe) diferentes de la de su placa de características (115V, 60Hz).
Las condiciones de suministro son inadecuadas para el buen funcionamiento del motor, pues por un lado se aumenta la tensión de alimentación (de 115V a 125V) y por otro se baja la frecuencia de (60Hz a 50Hz).
Lo anterior da lugar a aumentos significativos tanto del flujo magnético (Φ) común a los devanados (bobinas) del estátor y a los conductores de las ranuras del rotor, como de la corriente de alimentación del motor (I).
El aumento del flujo (Φ) y de la corriente (I) producen calentamientos excesivos en las diferentes partes del motor; entre ellas en los rodamientos, que afectan a la grasa lubrificante y al material del propio rodamiento lo que produce su deterioro progresivo y consiguiente avería.
En resumen, se puede concluir que la causa del deterioro de los motores es debida a que sus características de fabricación indicadas en la placa de características (115V, 60Hz), no son aptas para funcionar en las condiciones del suministro eléctrico del edificio (125V, 60Hz).
Todo lo anterior queda corroborado por la observación de las fotografías de uno de los motores afectados, cuya placa de características es la de la Figura 1.
Departamento de Ingeniería.
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