Cálculo para la instalación eléctrica de un motor monofásico de CA (página 2)

Debido a lo cerca que está la velocidad del rotor
de la velocidad sincrónica y a su poca variación
con la carga, la medición de velocidad debe hacerse en
este caso utilizando este tipo de tacómetro. Su nivel de
invasividad es bajo, ya que funciona proyectando un haz de luz
sobre el eje del motor y conectándolo a la misma red de
alimentación. Es necesario sacar el motor de servicio
sólo para hacerle una marca en el eje. Su exactitud
está alrededor de 1 r/min en motores de cuatro polos.
Ahora bien, es necesario también disponer de este
instrumento o comprarlo, en cuyo caso su precio es superior al de
un amperímetro de gancho. La medición de la
velocidad y el cálculo del deslizamiento pueden ser
utilizados para determinar la potencia de salida, ya que el par o
momento electromagnético es proporcional al
deslizamiento.Medición de la corriente y la
tensión

Un hook-on o instrumento de gancho puede servir para
determinar la corriente y la tensión de trabajo del motor,
y con ella ayudar a determinar la potencia de entrada. Es poco
invasivo aunque la medición de tensión lo es algo
más. Estos instrumentos pueden tener un error de hasta 0,5
%. No es necesario sacar el motor de servicio. Si existe una
pizarra o panel con amperímetro y (o) voltímetro
que lean la corriente y la tensión del motor el
método no es invasivo, pero hay que tener en cuenta que la
exactitud de los instrumentos de panel no es buena en
general.Medición del consumo mediante un analizador de
redes

La conexión de un analizador de redes a la
entrada del motor es el método más exacto para
determinar la potencia de entrada del motor. También
pueden leerse la corriente y la potencia reactiva y determinar el
factor de potencia. Es invasivo y, a menos que el instrumento
esté conectado permanentemente, es necesario detener el
motor para su instalación. Este instrumento es
relativamente caro.Medición directa del par o
momento

Puede emplearse un medidor de par cuya medición,
unida a la de la velocidad, da la potencia de salida. Es muy
exacto, pero también es caro y altamente invasivo, y
necesita sacar el motor de servicio para la instalación
del medidor, y adicionalmente su costo es
elevado..Realización de ensayos sin
carga

Este método necesita desacoplar el motor y
conectarle instrumentos de medición para llevar a cabo los
ensayos. A partir de estos ensayos y, en combinación con
otras acciones, puede determinarse el consumo del motor y la
potencia entregada a la carga.

Estimación estadística de
pérdidas

Se refiere a estimar el valor de algunas de las
pérdidas, tales como las adicionales, las de acero y las
mecánicas, a partir de un conocimiento previo del tipo y
fabricante del motor del cual se poseen datos relativos de
pérdidas. El método es muy sencillo y
económico, y no invasivo, pero su exactitud depende del
conocimiento que se tenga de la probable distribución de
sus pérdidas.Utilización del circuito
equivalente

Si se conocen los parámetros del circuito
equivalente pueden determinarse con ellos, y en
combinación con otras acciones, la potencia de entrada y
la de salida del motor. Su exactitud depende de la de
medición o estimación de los parámetros. No
es invasivo y sí muy sencillo de
aplicar.Utilización de un inversor de frecuencia
variable [Grantham y McKinnon, 2004]

Este método tiene la ventaja de poder determinar
la eficiencia y la distribución de pérdidas del
motor con bastante exactitud y sin tener necesidad de acoplarle
una carga o electrodinamómetro. Es muy apropiado, por
tanto, para motores grandes. Ahora bien, es necesario sacar el
motor de servicio, conectarlo a un inversor y necesita,
evidentemente, de recursos no disponibles con facilidad y de alta
inversión inicial. Por ello, no es adecuado para el
análisis que se pretende hacer.Aplicando algunas de estas
acciones pueden usarse las normas de la IEEE o de la IEC [IEEE,
1996; IEC, 1994] y obtener, con bastante exactitud, la potencia
consumida y la entregada al mecanismo accionado. Ahora bien,
requieren del empleo de las acciones más invasivas y
necesitadas de recursos materiales y, por lo tanto, no son
recomendables para ser empleadas en una caracterización
energética del motor in situ.

2. Planteamiento del
problema

La identificación del problema que se presenta es
poder desarrollar métodos que permitan conocer el consumo
de energía de cada motor instalado y el de algún
otro que se proponga como alternativa más eficiente. Para
esto existen diferentes métodos; algunos son más
exactos pero implican la utilización de un equipamiento
más caro y la realización de ensayos de
relativamente larga duración.

Se tiene un alimentador trifásico de conductor TW
en tubo conduit, que debe suministrar corriente a un motor de
inducción trifásica a 440, 60 C/S con las
siguientes características:

25 HP, rotor devanado, y arranque a voltaje reducido con
autotransformador.

Calcular:

Los calibres de conductores, tamaño de tubo
conduit, corriente eléctrica de los circuitos, interruptor
termo magnético.

Actualmente no existen resultados de trabajos
realizados, según revisión exhaustiva realizada en
la red.

3.
Justificación

Se ha comprobado que aproximadamente 50 % de la
energía eléctrica que se consume en el mundo es a
través de los motores de inducción
trifásicos por constituir la fuerza motriz principal de la
industria moderna. Esta realidad, unida a la crisis
energética de fines del siglo pasado y principios del
actual, ha motivado, por una parte, la fabricación de
motores cada vez más eficientes, y por otra, la
adopción de disposiciones legales por parte de los
gobiernos de muchos países tendientes a obligar a los
usuarios de los motores a tomar todas las medidas conducentes a
la disminución del consumo de energía
eléctrica de estas máquinas [De Almeida, 2000;
Office…, 1998].

Se justifica desde el punto de vista económico,
porque debe determinarse la potencia consumida por el motor y la
entregada al mecanismo accionado, o sea, la eficiencia. El nivel
de exactitud requerido no es grande y pueden emplearse
métodos más sencillos, aunque más
aproximados. En el presente trabajo se exponen primeramente los
métodos más importantes que se utilizan en la
actualidad y se propone uno, desarrollado por los autores, que
sólo necesita de las lecturas de tensión y
corriente de un instrumento de gancho
(hook-on).

Los resultados de la investigación serán
divulgados en extenso a través de la revista
electrónica Monografías de prestigio internacional
en la dirección URL:

http://www.monografias.com/, Revista Mexicana de
Pedagogía con URL:
http://cuauhtemoc-distritofederal.olx.com.mx/revista-mexicana-de-pedagogia-editorial-jertalhum-iid-18277205n,
Memorias de Congresos Internacionales como 3er. Congreso
Internacional de la Academia Mexicana Multidisciplinaria, 3er.
Congreso Internacional de Investigación y Desarrollo
Tecnológico 2011, 6º. Congreso Nacional de
Investigación y Desarrollo Tecnológico DGETI 2010,
XVII Congreso Internacional de Investigación Educativa
Tamaulipas 2011 "Nuevas alternativas para aprender".

Se pondrá a disposición de los usuarios
interesados, estudiantes, docentes y autoridades educativas que
deseen utilizar el material digital, en los planteles
pertenecientes al Sistema nacional de Bachillerato.

4.
Hipótesis

La explicación tentativa del fenómeno a
investigar queda formulada por la proposición que
relaciona dos variables siguientes:

Hi: "Los usuarios que utilicen el método
propuesto para el cálculo de la instalación de
motores eléctricos de CA podrán obtener con
bastante exactitud la potencia consumida y la entregada al
mecanismo accionado, que el método convencional
utilizado"

5.
Objetivos

5.1 Objetivo general

Que los estudiantes de la especialidad de
Técnicos en Electricidad sean capaces de desarrollar
métodos que permitan conocer el consumo de energía
de cada motor instalado y el de algún otro que se proponga
como alternativa más eficiente.

5.2 Objetivos específicos

• Diseñar el método para el
  cálculo de la instalación de motores
  eléctricos trifásicos de CA.

• Aplicar el método para el cálculo de
  la instalación de motores eléctricos
  trifásicos de CA.

• Evaluar el grado de funcionalidad mediante
  instrumentos de valoración que causen impacto en el
  desempeño académico de los
  estudiantes.

6. Marco
teórico

6.1 Marco histórico

En 2008, la SEMS implementó la Reforma Integral
de la Educación Media Superior que dará origen en
2010 del Sistema Nacional de Bachillerato, en donde la
aplicación de conocimientos, habilidades cognitivas,
valores y actitudes permitirán obtener un desempeño
eficiente en el ámbito profesional.. (Progre,
2008)

En este proyecto, lo fundamental no es, como en el caso
de los proyectos científicos, describir o explicar, sino
producir algo nuevo con un protocolo "formal", con el fin de
resolver una necesidad de reducir el consumo de energía
eléctrica por un dispositivo eléctrico que cause un
impacto económico en la reducción de costos.
(Prieto, 2008)

En ese sentido, todo lo que tiene que hacer el
profesional de la electricidad es implementar un método
propuesto que incida en el objeto de conocimiento con eficiencia
y la pérdida de energía mínima. (Blogspot,
2008)

6.2 Marco conceptual

Motor monofásico de CA

Dispositivo eléctrico que transforma la corriente
alterna en energía mecánica para darle movimiento
al mecanismo interconectado, aprovechando al máximo la
reconversión de energía en trabajo
eficiente.

6.3 Marco contextual

La investigación se realizará en el CBTis
209, ubicado en el km 92.5 de la carretera Tampico-Mante, Ejido
González, Cd. González, Tam., México,
durante el periodo escolar Ago´09-Ene´10.

7.
Metodología

7.1 Cronograma de actividades

7.2 Recursos económicos, materiales y
humanos

7.2.1 Recursos humanos

7.2.2 Recursos materiales

Fuentes: Papelería ABC, calle Morelos No. 201
sur, Col. Centro, Cd. Mante, Tam., 20 de febrero de 2010 y
Ferretería y Tlapalería San Martín, Calle
Allende Y Manuel González, Col. Centro, González,
Tam., México., 24 de febrero de 2010.

7. 3 Proceso

Método propuesto

El método propuesto es una combinación de
la medición de la corriente y la tensión, la
estimación estadística de las pérdidas y la
utilización del circuito equivalente. Sus resultados
preliminares se mostraron por Costa y Vilaragut [2004].
Sólo necesita de las lecturas de corriente y
tensión en las tres fases del motor en operación y
del conocimiento de sus datos de catálogo. A partir de
esta información se aplica el programa CARACMOT,
confeccionado en MATLAB para determinar los parámetros del
motor, hacer una estimación de pérdidas [Costa,
et al., 2004a; Costa, et al., 2004b], calcular
la potencia que entrega el motor a la carga y con ella
seleccionar en un catálogo un motor de alta eficiencia u
otro de ejecución básica, pero de una potencia
adecuada al mecanismo que acciona. Mediante el programa PROPMOT,
también elaborado en MATLAB, se calculan los
parámetros del nuevo motor, se determina cuál
sería la corriente que consumiría y la potencia a
su entrada.

7.4 Capacitación

Las autores serán instruidos sobre el
cálculo de instalaciones de motores eléctricas de
corriente alterna monofásico a cargo del Ing. Constantino
E. Sánchez Muñiz , asesor técnico y M. C.
Arturo Vázquez Córdova, asesor de la
metodología.

Asimismo, se les orientará en el diseño de
un instrumento de evaluación denominado Matriz o
rúbrica de valoración, a efecto de medir el grado
de funcionalidad y su impacto pedagógico en el aprendizaje
significativo del tema de Medidas de dispersión o
variabilidad. Para la recogida de datos de campo se
diseñará un instrumento denominado Tabla de
frecuencia, de la muestra significativa que será
seleccionada de un universo o población escolar de 160
alumnos del 5º. Semestre del bachillerato
tecnológico.

7.5 Instrumentos

Se realizará una prueba del grado de
funcionalidad con el instrumento de medición denominado
Óhmetro, para determinar la continuidad de la corriente en
el motor eléctrico.

7.6 Coordinación y
supervisión

La coordinación del trabajo de
investigación será realizada por el Ing.
Constantino E. Sánchez Muñiz, asesor
técnico, M. C. Arturo Vázquez Córdova,
asesor de la metodología y supervisados por la los
supervisores de la Cpmisión Federal de
Electricidad.

8. Grado de
Innovación

Permite la aplicación de la
tecnología eléctrica en el funcionamiento eficaz
del motor eléctrico para darle movimiento a los equipos
interconectados.

9. Grado de
Factibilidad

El proyecto es viable de realizar, pues se cuenta con
los recursos técnicos, financieros, materiales, humanos y
sociales existentes, así como la capacidad instalada y
plataforma tecnológica necesaria y suficiente.

9.1 Factibilidad financiera

El proyecto es viable financieramente, para realizarlo
tiene un costo aproximado de $7176.00 (Siete Mil Ciento Setenta y
Seis pesos 00/100 M. N.) considerando los recursos humanos y
materiales, con una cobertura de medio año. Sin embargo,
al no realizarse y de continuar el problema de carecer de un
motor eléctrico el costo será mayor.

9.2 Factibilidad técnica

El desarrollo del proyecto es viable de realizar en
virtud de contar con la tecnología
eléctrica.

10. Impacto social y
desarrollo sustentable

El uso del motor eléctrico instalado genera un
impacto económico significativo contribuyendo al logro del
dominio académico del estudiante de EMS, con bajos costos
en su adquisición, promoviendo el desarrollo
sustentable.

11. Análisis
de resultados

Alimentar el motor, 25 HP, 440 V.

Corriente plena, carga para un motor de 25 HP

IPC= 32 A=Tabla 3.5, p. 191

Calibre del circuito derivado

I=1.25 X IPC=1.25 X 32 = 40 A

Conductor seleccionado calibre No. 8 Tabla 2.7, p.
89

Para que una intensidad de 40 A

Tubo conduit para tres conductores calibre No.
8

Tubo conduit= 13 mm= 1" Tabla 2.8, p. 91

Protección del circuito derivado con interruptor
termo magnético

I1in = 150% x IPC= 1.5 X 40 A= 60 A

Interruptor termomagnético seleccionado 75
A

Con el objetivo de tener una idea de la magnitud de los
errores que pueden cometerse con este método aproximado,
se partió de la base de suponer un error de 15 %
máximo en los datos de catálogo tal y como lo
expresan los fabricantes.

Considerando que la resistencia del rotor es el
parámetro que más influye en sus
características se supuso en ella una variación de
15 % para ambos motores, volviéndose a calcular el ahorro
en kilowatt, que en este caso dio 2,545 kW, que comparado con el
anterior de 2,265 kW arroja una diferencia de 12,3 %, lo que
puede considerarse un error aceptable por encontrarse por debajo
de 15 % especificado por los fabricantes para los datos de
catálogo. La eficiencia correspondiente a ese valor de
potencia de salida fue de 86,04 % y el consumo de potencia del
motor, resultado de dividir esta última por la eficiencia,
resultó ser 24,21 kW.

Se propone entonces sustituir este motor por uno de
menor potencia y alta eficiencia marca WEG, cuyos datos se
muestran en el anexo 2. Las características de corriente,
eficiencia y factor de potencia en función de la potencia
de salida, resultados de la aplicación del programa
PROPMOT, se muestran respectivamente en las figuras 4, 5 y 6. En
este caso se supuso la conexión del motor en
delta.

Fig. 1. Corriente en función de
potencia de salida del motor seleccionado para el
compresor.

Fig. 2. Eficiencia en función de
potencia de salida del motor seleccionado para el
Compresor.

Fig. 3. Factor de potencia en
función de la potencia de salida del motor seleccionado
para el compresor.

12.
Conclusiones

Se ha desarrollado un método para evaluar
energéticamente el comportamiento de los motores de
inducción trifásicos que tiene la ventaja de ser
sencillo de aplicar y necesitar solamente los datos de chapa o
catálogo del motor y lecturas tomadas con un
amperímetro de gancho.

Es un método aplicable a motores mayores de 15 kW
y permite hacer de manera rápida y sencilla cualquier
análisis de factibilidad técnico-económica,
y con la exactitud requerida para este tipo de
estudio.

13. Anexo: Foto
galería

14.
Bibliografía

Camarena, P. Instalaciones
eléctricas residenciales, Editorial LIMUSA,
México.

Costa, A. y M. Vilaragut. Determinación del
comportamiento energético del motor de inducción a
partir de sus datos de catálogo y la lectura de las
corrientes del estator, III Taller Caribeño de
Energía y Medio Ambiente. Cienfuegos: abr.,
2004.

De Almeida, Aníbal T., et.al.
Improvement the Penetration of Energy Efficient Motors and
Drives. Proyecto SAVE II, 2000.

Enrique Harper, Instalaciones
eléctricas residenciales e industriales. Editorial LIMUSA,
México,

Rosenberg, Reparación de motores
eléctricos, Editorial G. Gilli, S. A. de C. V.,
México. 2004.

SUBSECRETARÍA DE EDUCACIÓN
MEDIA SUPERIOR

DIRECCIÓN GENERAL DE
EDUCACIÓN TECNOLOGICA INDUSTRIAL

SUBDIRECCIÓN DE ENLACE OPERATIVO EN
TAMAULIPAS

CENTRO DE BACHILLERATO TECNOLOGICO
INDUSTRIAL Y DE SERVICIOS 209

Autor:

M. C. Arturo Vázquez
Córdova

Ing. Humberto Hernández
Reynaga

Ing. Luis Ramón Toro
Hernández

Ing. Francisco Vidales
Cano

Plantel:

CBTis 209

Cd. González, Tam., 20 de mayo de
2010