Generalidades para la coordinación de las protecciones
En ABB nos gusta compartir conocimiento con los profesionales del sector. Creemos que e sumamente enriquecedor para ambas partes y que nos ayuda eficazmente a trabajar mejor y a avanzar en la búsqueda de nuevas soluciones.
Por eso, desde hace años mantenemos un compromiso de interlocución con los profesionales, programando cursos y conferencias, colaborando con diversas escuelas y universidades, enviando documentación sobre normativas y otros temas de interés.
En esta línea, nos complace anunciarle, que hemos iniciado una serie de tres artículos técnicos correlativos en referencia al motor asíncrono trifásico. La estructura de los artículos será la siguiente:
- Tipos y usos.
- Protección y maniobra del motor asíncrono.
- Principales modalidades de arranque de un motor asíncrono trifásico con rotor de jaula de ardilla.
Introducción
Los motores asíncronos trifásicos pueden incluirse entre las máquinas eléctricas más fiables que existen; desarrollan su función durante muchos años con intervenciones de mantenimiento muy reducidas y se adaptan a distintas prestaciones en función de las exigencias, cubriendo tanto aplicaciones de producción como de servicio.
Los motores se utilizan en los sectores industriales más variados, como por ejemplo las industrias alimentaria, química, metalúrgica, papelera, minera o las instalaciones de tratamiento de aguas. Las aplicaciones incluyen máquinas con piezas móviles a velocidad fija o variable, como por ejemplo los sistemas de elevación, como ascensores o montacargas; de transporte, como las cintas transportadoras; los sistemas de ventilación y climatización, como las unidades de tratamiento del aire; sin olvidar el que es probablemente el uso más común: las bombas y los compresores.
Estas indicaciones evidencian por qué el motor asíncrono trifásico puede considerarse como la máquina eléctrica más ampliamente utilizada en el entorno industrial (el consumo de energía de los motores eléctricos constituye aproximadamente el 75% del consumo total del sector industrial). A la luz de estos datos se entiende por qué es tan importante para la economía empresarial y para la mejora de la eficiencia energética en general, potenciar una reducción del consumo eléctrico (el coste de un motor durante su vida útil se debe en aproximadamente un 98% al consumo de energía y en el 2% restante a los gastos de compra y mantenimiento) recurriendo, por ejemplo, a la utilización de accionamientos de velocidad variable mediante inversores, o bien realizando una corrección del factor de potencia para tener un cosϕ idóneo para evitar incurrir en penalizaciones, o de forma aún más directa, utilizando motores de alta eficiencia identificados con la sigla “EFF1”, con características constructivas y materiales muy avanzados que permiten reducir el consumo eléctrico hasta el 20%.
1.1 Tipos y usos
El motor asíncrono trifásico puede ser:
- con rotor bobinado, llamado también de anillos, o bien
- con rotor en cortocircuito, o más conocido como rotor de jaula de ardilla.
La diferencia principal entre los dos tipos reside en la estructura del rotor; para ser más precisos, en el primer tipo el rotor está constituido por varios devanados como los del estátor, presenta una estructura más compleja y delicada (escobillas que rozan con el rotor, con la posible interposición de resistencias para el control de la fase de arranque) con necesidad de mantenimiento periódico y dimensiones generales elevadas, mientras que el segundo tipo tiene un rotor constituido por barras cerradas en cortocircuito, por lo que, gracias a una mayor simplicidad constructiva, da origen a un tipo de motor muy simple, robusto y económico.
Gracias al desarrollo de la electrónica de control, que permite la regulación de la velocidad de un modo muy simple y eficaz, todas aquellas aplicaciones que priorizaban la utilización de motores sujetos a tener en su propio comportamiento intrínseco la posibilidad de una regulación de la velocidad (motores de corriente continua o motores de anillo) han cedido su puesto a los motores asíncronos, en particular a los de jaula de ardilla, que se utilizan comúnmente para controlar bombas, ventiladores, compresores y muchas otras aplicaciones industriales.
ABB produce y comercializa una gama completa de motores de baja tensión, desde los de aplicaciones simples hasta los de aplicaciones más complejas. ABB ofrece siempre la solución más idónea y rentable, proponiendo motores para todo tipo de usos.
En referencia a las aplicaciones más comunes, puede identificarse un ámbito de aplicaciones definido como de “uso general” cuyos motores están destinados a las aplicaciones de los OEM o fabricantes de equipos originales y que pueden solicitarse directamente a los distribuidores de todo el mundo.
Los motores de esta categoría se caracterizan por una calidad constructiva elevada y tienen como destinatarios preferentes a los fabricantes de ventiladores, bombas, compresores, equipos de elevación, etc.
Satisfacen la clase de eficiencia “EFF2” y también están disponibles en la clase de eficiencia “EFF1” si se desea. La gama de motores ABB definida como de “uso general” comprende los siguientes tipos:
- Motores estándar con carcasa de aluminio de 0,06 a 95 kW
- Motores estándar con carcasa de acero de 75 a 630 kW
- Motores estándar con carcasa de fundición de hierro de 0,25 a 250 kW
- Motores con protección IP23 de 75 a 800 kW
- Motores de frenado automático de 0,055 a 22 kW
- Motores monofásicos de 0,065 a 2,2 kW
- Motores integrados con inversor de 0,37 a 2,2 kW
Los motores ABB están provistos de la marca CE y cumplen con las principales normas internacionales y nacionales del sector (también reconocidas por la Comisión Electrotécnica Internacional, IEC), por ejemplo las normas IEC 60034-1, IEC 60034-2, IEC 60034-8 e IEC 60034-12, referentes a los aspectos de tipo eléctrico, y las normas IEC 60034-5, IEC 60034-6, IEC 60034-7, IEC 60034-9, IEC 60034-14 e IEC 60072, para el sector mecánico.
1.2 Estructura del motor asíncrono
Para comprender mejor cómo está estructurado un motor asíncrono trifásico, proporcionamos a continuación una breve descripción de las principales partes que componen el mecanismo de rotación y en las que se generan los fenómenos eléctricos de los que deriva su funcionamiento.
El primer elemento que describimos es el estátor, que se puede definir como el conjunto de las partes fijas cuya función es sostener, al menos parcialmente, la máquina, pero fundamentalmente constituye la parte del circuito magnético que contiene los devanados inductores alojados en las ranuras adecuadas a ese fin y en correspondencia con su superficie interna.
El estátor (representado en la figura 1) está constituido por láminas de una aleación de acero al silicio o de acero macizo aisladas entre sí. De su estructura depende todo lo concerniente a los flujos magnéticos variables en el tiempo que provocan pérdidas por histéresis (ligadas a la magnetización no lineal del material) y por corrientes parásitas inducidas.
En las ranuras adecuadas en la estructura de las láminas se insertan tres devanados primarios (cada uno de ellos constituido por más devanados interconectados de distinta forma), a los que se aplica la tensión de alimentación y que generan el campo magnético.
Los devanados estatóricos trifásicos pueden conectarse en estrella o en triángulo, algo que es posible con motores dotados de 6 bornes, permitinedo alimentar un mismo motor con tensiones trifásicas de redes distintas. Por ejemplo, la doble indicación podría ser 230 VΔ - 400 VY ó 400 VΔ - 690 VY, donde el símbolo Y o Δ se refiere a la conexión de los devanados del estátor y se entiende por ejemplo para el segundo caso (400 VΔ -690 VY) que los devanados del motor conectados en Δ pueden conectarse a una red trifásica a 400 V (tensión concatenada, o sea, entre fase y fase), mientras si para el mismo motor la conexión de los devanados del estátor se realiza en Y, el mismo motor puede conectarse a una red de alimentación a 690 V (los devanados en Y serán sometidos a la tensión de red reducida 3 veces).
El segundo elemento es el rotor, que está alojado en el interior del estátor y constituye el circuito inducido de la máquina. Para un motor de jaula de ardilla, el rotor, tal y como se muestra en la figura 2, está constituido por un sistema de barras conductoras (de cobre o aluminio) paralelas al eje de rotación, inyectadas directamente en las ranuras practicadas a lo largo de toda la periferia externa del núcleo ferromagnético.
Figura 2: Rotor de un motor asíncrono trifásico
Las barras se cierran en cortocircuito con dos anillos conductores posicionados en los extremos, que constituyen también una fijación mecánica para las propias barras. Se obtiene así un rotor extremadamente compacto y robusto, al que se fija también el eje del motor.
El campo magnético inducido, que constituye el principio funcional del motor, hace girar el eje del motor convirtiendo así la energía eléctrica en energía mecánica. También existen otros componentes mecánicos presentes en el motor. Los principales son:
- los dos cojinetes montados sobre el estátor con la función de apoyar el eje del motor
- la carcasa, que con las aletas, elimina el calor producido sobre todo por el estátor y que contiene también la bornera de conexión
- el ventilador, que proporciona la refrigeración.
En la figura 3 se ofrece una vista de conjunto y otra seccionada del motor asíncrono trifásico de jaula de ardilla.