Este documento aparte de responder de forma breve a algunas preguntas frecuentes sobre motores eléctricos, busca orientar al lector para que por su cuenta pueda ampliar conocimientos sobre estos temas específicos. En esta segunda parte (ir a parte 1) se listan algunas preguntas frecuentes que surgen en el gremio de quienes trabajamos con estas máquinas eléctricas rotativas:
¿Cuál es el tipo de conductor recomendado para motores trifásicos / monofásicos?
Se entiende por cable eléctrico como un conjunto de conductores o hilos metálicos que transportan una corriente eléctrica desde un punto a otro. Dentro de sus principales partes se tiene el conductor metálico generalmente en cobre y aluminio por su baja resistencia al paso de una determinada corriente eléctrica. El aislamiento, consiste en una capa que recubre al metal para evitar así fugas de corriente entre la fuente y el punto de uso. La cubierta protectora, la cual es la capa externa que protege al aislamiento y al metal de daños por agentes físicos, químicos, ambientales, etc.
Para efectos de Costa Rica y otros países del continente americano, se ha adoptado el NEC como normativa en el diseño, instalación e inspección de instalaciones eléctricas. Propiamente, aspectos relacionados al cableado de motores eléctricos, se ven referenciados en: NEC Artículo 310 – Conductores para Cableado General y NEC Artículo 430 – Motores, Circuitos de Motores y controladores. Dentro de las recomendaciones de diversos fabricantes y según lo normado en los artículos mencionados, en la sección de la Tabla 310.15(B)(16) y (17) mostrada, los conductores recomendados para motores eléctricos son los marcados con color azul.
Imagen 1. Sección de tabla 310.15(B). NEC
Seguidamente se muestra una tabla descriptiva de estos conductores, sus características y aplicaciones:
Tabla 1. Conductores recomendados para motores eléctricos, normados por NEC
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Tipo de conductor |
Detalle | Aislamiento | Temperatura máxima | Ambientes típicos | |
| En seco | En húmedo | ||||
| THHN | Thermoplastic High Heat-resistant Nylon-coated | PVC (Cloruro de polivinilo) con cubierta de nylon | 90 °C | No apto | Para canalizaciones, ambientes secos y húmedos |
| THHW | Thermoplastic Heat and Water-resistantt | PVC (Cloruro de polivinilo) sin cubierta de Nylon | 90 °C | 75 °C | Para canalizaciones, ambientes secos, húmedos y mojados |
| THWN | Thermoplastic Heat and Water-resistant | PVC (Cloruro de polivinilo) con cubierta de nylon | 75 °C | 75 °C | Para canalizaciones y canasta (debe tener marca CT Reated) en ambientes secos, húmedos y mojados |
| THWN-2* | Thermoplastic Heat and Water-resistant Nylon-coated | 90 °C | 90 °C | ||
| XHHW | Cross-linked High Heat and Water-resistant | Polietileno reticulado termo estable | 90 °C | 75 °C | Ambientes húmedos con aceites, ozono y otros agentes corrosivos |
| XHHW-2* | Cross-linked High Heat and Water-resistant, 90 °C rating | 90 °C | 90 °C | ||
| RHH | Rubber High Heat-resistant | ERP: Goma de Eliteno, propileno | 90 °C | No apto | Ambientes secos y de alta temperatura en instalaciones subterráneas |
| RHH-2* | Rubber High Heat-resistant, 90 °C rating (wet & dry) | 90 °C | 90 °C | Ambientes secos y húmedos con de alta temperatura en instalaciones subterráneas | |
| Submersible Flat Pump Cable * | Thermoplastic High Heat Resistant for Wet +
Aislamiento de polietileno reticulado (XLPE) Cable plano, tipo multicondutor |
PVC (Cloruro de polivinilo) con cubierta de nylon +
Polietileno reticulado termo estable Debe cumplir con normas ASTM B3, B8, B787 y UL 83. |
90 °C | 75 °C | Este cable es utilizado principalmente
en la instalación de bombas de pozo profundo, donde puede llegar a quedar sumergido. |
| MI
Norma (NEC Artículo 332) |
Mineral Insulated cable | Polvo compacto de óxido de magnesio MgO con cobertura exterior en cobre, acero inoxidable o Inconel. Se dobla con herramientas especiales | 250 °C con picos hasta 1000 °C | 250 °C con picos hasta 1000 °C | En ambientes de alta temperatura como hornos, calderas. Aprueba de fuego |
| VFD Cable* ( Cumpplir con UL 1277 o 2277)
TC-ER VFD MC-VFD XHHW-2 (sin blindaje) RHH/RHW-2 VFD Rated |
Cables especiales para uso en motores que van conectados a variador de frecuencia.
Blindajes en malla trenzada de cobre o aluminio, aterrizado en ambos extremos a tierra. Esto para evitar el efecto de onda refleja. |
XLPE (Aislamiento de polietileno reticulado)
ERP (Goma de Eliteno, propileno) |
90 °C | 90 °C | Ambientes húmedos con aceites, ozono y otros agentes corrosivos.
RHH/RHW-2 para instalaciones subterráneas. Uso de estos cables con blindaje en distancias entre motor y variador mayores a: 200 – 208 VAC: 25 m Cables sin blindaje, no sobrepasar dichas distancias, esto si no se tienen filtros dV/dt ó filtros seno |
Nota:
- T : termoplástico
- H: resistencia térmica hasta 75 °C
- HH : Alta resistencia térmica, hasta 90 °C
- N : Cobertura de nylon
- W : Para ambientes húmedos
- -2 : Resistencia térmica a 90 °C en seco y en húmedo
- R : Gomas sintética
Imagen 2. Tipos de cable según aplicación de uso frecuente en motores eléctricos. Aprobados por NEC Artículo 310
¿Cómo alimentar un motor trifásico desde una red monofásica?
Esta es una pregunta clásica en este entorno eléctrico – industrial, y básicamente existen 4 posibles soluciones que dependen de la potencia del motor, la disponibilidad de tensión eléctrica y el presupuesto. Las opciones son:
Convertidor rotativo de fase
Es una solución que se usaba (incluso actualmente hay varios) en talleres de metales y madera con pequeñas máquinas herramienta trifásicas pero que sólo cuentan con una red monofásica. Aquí se utiliza un motor trifásico (esclavo) que gira al vacío donde este tiene conectadas L1, L2 y con un conjunto de capacitores se conectan entre línea L1-L3 y L2-L3 para así generar un cambio de 120° eléctricos en el fasor de la línea ausente. Al haber flujo de corriente por las líneas L1 y L2, estas inducen un voltaje L3. ver diagrama de la Imagen 3. Este sistema tiene la particularidad de ser voluminoso pues tiene una motor girando en vacío, es algo costoso respecto a otras aplicaciones, pero tiene la bondad de que se pueden conectar más de una carga en la salida de la distribución trifásica ya convertida.
Típicamente se tiene:
Capacitores de arranque: 70–100 μF/HP @240 V y 18–25 μF/HP @480 V con capacidades hasta 600 VAC
Capacitores de marcha: 20–30 μF/HP @240 V → 5–7.5 μF/HP @480 V con capacidades hasta 600 VAC
Las capacidades comerciales de este sistema van desde los 2 HP hasta los 100 HP. Sin embargo se recomienda no sobrepasar del 80% de dicha carga. Este convertidor no modifica la frecuencia.
Imagen 3. Diagrama de control y potencia de convertidor rotativo de fase.
Convertidor estático de fase
Un convertidor de fase estático se utiliza para cargas bajas (entre 3 HP a 5 HP). Considera el uso de un conjunto de capacitores donde entran al arranque para las líneas L1, L2 y L3 generando un campo magnético rotativo, una vez el motor alcanza el 70% a l 80% de velocidad sólo quedan las líneas L1 y L2 conectadas a la carga y la línea L3 “fantasma” se genera por el desfase que provoca un capacitor de marcha.
Algunas particularidades son:
- la corriente de entrada monofásica debe ser de 1.8 a 2 veces la corriente trifásica a consumir
- Por tener una L3 simulada, se pierde potencia en el motor, al tener la misma frecuencia de 60 Hz, es el torque que se ve afectado. La potencia disponible en el motor a conectar es de 60% a 70%.
- Uso puntual en cargas trifásicas, contrario al convertidor rotativo el cual puede alimentar varias cargas trifásicas a la vez.
- Capacitores de arranque: 70–100 μF/HP @240 V y 18–25 μF/HP @480 V con capacidades hasta 600 VAC.
- Capacitores de marcha: 20–30 μF/HP @240 V → 5–7.5 μF/HP @480 V con capacidades hasta 600 VAC.
Imagen 4. Diagrama de control y potencia de convertidor estático de fase.
Reemplazo de motor trifásico por un nuevo motor monofásico
Esa es una de las soluciones más simples, sin embargo tiene las siguientes consideraciones:
- Es costo efectivo aplicar para motores no mayores a 5 HP, manteniendo el mismo voltaje de alimentación.
- Se debe mantener la velocidad operativa, ya sean 1750 rpm o 3450 rpm que el motor de reemplazo.
- Considerar la acometida planteada. Los motores monofásicos consumen más corriente que un motor trifásico de igual potencia.
- Se debe validar el sentido de giro del nuevo motor monofásico. No todos los motores monofásico tienen devanados disponibles para dicha modificación.
- Validar el tipo de carga, ideal para ventiladores, bombas y compresores
- En acoplamientos directos a la carga, se debe mantener el mismo “frame” del motor en reemplazo, esto para que la base, la altura del eje a la base, el diámetro de eje, etc todo sea compatible.
Variadores de frecuencia con entrada monofásica y salida trifásica
Una aplicación muy efectiva, de bajo costo y con un amplio rango de manejo de potencias es el uso de un VDF que permita la entrada monofásica. El diagrama esquemático mostrado en la imagen 5, se ven las tres etapas principales de un VDF. De izquierda a derecha se observa el rectificador, que consiste en el arreglo de diodos de potencia que convierten cada señal senoidal AC en una señal pulsante DC. Seguidamente se tiene la etapa de filtrado, la consiste en un arreglo de bobinas (DC choke) y capacitores principalmente que toman la señal pulsante DC y la convierten en una señal CC, . Finalmente la señal CC es tomada por un circuito electrónico de potencia y enviada a cada uno los IGBTs ( Insulated Gate Bipolar Transistor / Transistor Bipolar de Compuerta Aislada) la cual por una serie de pulsos en la terminal de compuerta (frecuencias de conmutación de 2-20 KHz) permite el paso de corriente del colector al emisor. A su salida se consiguen una serie de pulsos cuyo valor relativo simula una onda senoidal que va de 0 a 50 Hz/60 Hz.
La potencia del VDF destinado a ser utilizado con entrada monofásica y salida trifásica es de una unidad comercial superior a la de la potencia del motor. Por ejemplo, si el motor trifásico es de 7.5 HP, la potencia del VDF a alimentarse a la red monofásica debe tener una capacidad de 10 HP. Sin embargo debe validarse contra ficha técnica del fabricante las capacidades operativas del equipo. Es importante recordar que un VDF aparte de variar la frecuencia, también modifica el voltaje en una relación V/f con el objetivo de mantener el flujo magnético constante en el motor. Por cual que el voltaje máximo de de salida es el mismo es el de la red a la que está conectado.
Imagen 5. Etapas de un variador de frecuencia.
Para la protección de un motor eléctrico con arrancador, ¿usar relé térmico o un guarda motor?
Son varias las razones por las cuales un motor eléctrico asincrónico consume más corriente que la indicada en su dato de placa bajo condiciones nominales. Por mencionar algunas, una sobrecarga mecánica, un repentino decremento de voltaje de alimentación, falsos contactos en las líneas de alimentación, humedad, suciedad que provoque bajo aislamiento, etc. Todas estas situaciones pueden producir un incremento de corriente (notable por un incremento de temperatura) y hasta una condición de corto circuito.
La capacidad de soportar el efecto térmico de un motor eléctrico con una temperatura ambiente de 40 °C depende del tipo de aislamiento que utilice. Cada vez que se sobrepasa la temperatura límite de funcionamiento, los aislantes se desgastan prematuramente, acortando su vida útil. Por ejemplo, cuando la temperatura de funcionamiento de un motor en régimen permanente sobrepasa en 10 °C la temperatura definida por el tipo de aislamiento, la vida útil del motor se reduce un 50%.
Para proteger a los motores, cableados, canalizaciones, elementos de conmutación, control, usuarios e infraestructuras, se utilizan relés térmicos y guardamotores. Cada elemento tiene sus características principales las cuales se detallan a continuación:
Tabla 2. Comparación operativa entre relé térmico y guardamotor.
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Detalle |
Relé térmico |
Guardamotor |
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Simbología |
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| Imagen |  |
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Principio de funcionamiento |
Los relés térmicos tripolares poseen tres biláminas compuestas cada una por dos metales con coeficientes de dilatación muy diferentes unidos mediante laminación y rodeadas de un bobinado de calentamiento. Cada bobinado de calentamiento está conectado en serie a una fase del motor. La corriente absorbida por el motor calienta los bobinados, haciendo que las biláminas se deformen en mayor o menor grado según la intensidad de dicha corriente. La deformación de las biláminas provoca a su vez el movimiento giratorio de una leva o de un árbol unido al dispositivo de disparo. Si la corriente absorbida por el receptor supera el valor de reglaje del relé, las biláminas se deformarán lo bastante como para que la pieza a la que están unidas las partes móviles de los contactos se libere del tope de sujeción. Este movimiento causa la apertura brusca del contacto del relé intercalado en el circuito de la bobina del contactor y el cierre del contacto de señalización. El rearme no será posible hasta que se enfríen las biláminas. | Los guardamotores incorporan las características de un relé térmico, pues utilizan un bimetálico por fase el cual al calentarse se deforma abriendo el circuito y protegiendo al motor por el exceso de corriente cuyo efecto más visible es el incremento térmico. De esta forma protege contra la sobre carga y la pérdida de fase.
Un elemento adicional a la protección es la sección magnética, la cual opera como un disyuntor, pues una bobina reacciona a corrientes muy altas (cortocircuito). |
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Aplicación |
Protección de motores eléctricos contra sobrecargas débiles o prolongadas | Protección de motores eléctricos contra sobrecargas débiles o prolongadas e inclusive cortocircuito. |
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Detección de pérdida de fase |
Si, En el caso de un motor trifásico la corriente absorbida se distribuye en 2 fases en lugar de las 3. Este incremento de corriente desequilibrada se traduce en un incremento de los bimetales abriendo el circuito de control y este a su vez la sección de potencia. | Si. Las mismas prestaciones que el relé térmico pero este abre la sección de potencia sin necesidad de pasar por el control. |
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Control por contactor auxiliares |
Es necesario. Un relé térmico tiene contactos auxiliares normalmente cerrados / abiertos que deben conectarse en serie con la bobina del contactor al cual está acoplado. En caso de sobrecarga, la línea de control desacopla la bobina del contactor y este abre el circuito de potencia. Si el relé térmico se conecta en serie con el contactor y no se hace uso de los contactos auxiliares, la presencia de una sobrecarga no se verá monitoreada y no habrá protección. | Disponibles pero no necesarios. Es decir estos contactos normalmente cerrados / abiertos pueden o no ponerse en serie con la bobina del contactor al cual están acopladas. En caso de sobrecarga o cortocircuito, la sección de control y potencia se abrirá. Estos se pueden usar para señales de control, entradas PLC, salidas a luces, alarmas etc. |
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Selección |
Motor trifásico 10 HP @ 480 VAC, corriente nominal: 14 A, factor de servicio 1.15
Corriente de plena carga: 14 A Corriente con factor de potencia: 14 x 1.15 = 16.1A Relé termico con rango comercial: 12 a 18 A Rangos típicos:
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Motor trifásico 10 HP @ 480 VAC, corriente nominal: 14 A, factor de servicio 1.15
Corriente de plena carga: 14 A Corriente con factor de potencia: 14 x 1.15 = 16.1 A Guarda motor con rango comercial: 12 a 18 A Capacidad de Guardamotor no mayor al 80% de su capacidad. Por ejemplo, 3P/20A, Validar corrientes al corto (16.1 A / 20A) x 100% = 80 %, 10 KA Mismos rangos comerciales de sobrecargas. Valores típicos al corto:
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Costo |
1 |
1.25 o muy similar. |
¿Cuándo usar un Variador de frecuencia y cuando un arrancador suave?
Cómo es sabido un arranque directo de un motor trifásico de inducción asincrónica, consume entre 1.6 a 1.7 la corriente nominal operativa, eso sólo durante el arranque. Además dependiendo de la aplicación y características constructivas del motor pueden generarse altos torques que podría derivar en golpes de ariete en el caso de bombas acopladas a motores o golpes y movimientos bruscos con otros tipos de cargas. Ante estos y otros efectos indeseables es necesario un arranque y un paro suave o en rampa. Para esto se tiene los variadores de frecuencia y los arrancadores suaves, cuya selección debe hacerse bajo dos ejes; aplicación y costo.
Seguidamente se muestra una tabla comparativa entre estos dos elementos.
Tabla 3. Comparación operativa entre variadores de frecuencia y un arrancador suave
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Detalle |
Variador de frecuencia |
Arrancador suave |
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Simbología |
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Imagen |
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Principio de funcionamiento |
Ver sección “Variadores de frecuencia con entrada monofásica y salida trifásica”.
Considerar que la velocidad del campo magnético de un motor en su estator depende de la frecuencia y el número de polos. Al variar la frecuencia se modifica la velocidad del campo y esto a su vez modifica la velocidad mecánica por efectos de fuerzas inducidas. |
Los arrancadores suaves electrónicos reducen temporalmente la entrada de voltaje o corriente al reducir el par de torque.
La mayoría de los arrancadores suaves utilizan una serie de tiristores o rectificadores controlados con silicio (silicon controlled rectifiers, SCR) para reducir el voltaje. En el estado normal OFF, los SCR restringen la corriente, pero en el estado normal ON, los SCR permiten la corriente. Los SCR se activan durante el aumento de rampa y los contactores de bypass se activan después de alcanzar la velocidad máxima. Esto ayuda a reducir significativamente el calentamiento del motor. Importante resaltar que el voltaje de salida es incremental en el caso del arranque pero a frecuencia plena. |
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Aplicación |
Motores con que requieren control de velocidad completo, el ahorro de energía en un objetivo, se necesita un control a medida. | Control de velocidad y torque durante el arranque y el paro. Esto derrida en una reducción de la corriente de arranque. |
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Detección de pérdida de fase |
Si | Si |
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Control por contactor auxiliares |
Si, pero es más versátil que el arrancador suave | Si. |
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Selección |
Potencia, voltaje y corriente nominal, tipo de control escalar, vectorial, PID, ect. | Potencia, voltaje y corriente nominal |
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Ventajas |
Control de velocidad, ahorro energético, control de par dinámico, autodiagnóstico y comunicaciones, entradas, salidas digitales y analógicas. | Control de velocidad sólo en el arranque y paro.
Ocupar menor espacio que un VDF |
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Costo |
2 a 3 veces |
1 |
Fuentes:
- Electrical Engineering Pocket Handbook. EASA. 2010
- Maintenance Engineering Handbook. John Morrow. 1995.
- NEMA MG 10-2001
- IEEE PCIC-95-21, Sept 2001.
- NEC 2022
Ing. Johnny Garita G.
Gerente de Ingeniería y Proyectos
VyP Asesores S.A. Grupo Aquakemi