CUESTIONARIO SOBRE INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN

GUÍA DE EVALUACION SOBRE INSTRUMENTOS DE PRUEBA.

Lee con cuidado y contesta en forma breve a cada una de las siguientes preguntas:

1.       ¿Cuál es la diferencia entre un instrumento de medición analógico y uno digital?

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2.       Escribe la definición de escala

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3.       ¿Qué es una escala lineal?

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4.       ¿Qué es una escala no lineal?

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5.        ¿Qué significa “rango”?

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6.       Enlista por lo menos cinco instrumentos de medición que se utilicen para detectar fallas en motores eléctricos:

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7.       ¿Para qué se utiliza un growler?

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8.       ¿Qué característica de las máquinas eléctricas se mide con un megómetro?

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9.       ¿Cuál es el principio eléctrico por medio del cual un amperímetro de gancho detecta una medición de corriente en una línea de alimentación?

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INTRODUCCION

Introducción a las máquinas eléctricas

Las diferentes etapas en que han sido desarrollados los  CONVERTIDORES ELECTROMAGNÉTICOS de energía, desde que en 1832 apareció el primer artilugio hasta nuestros días, han sido muy valiosas, si analizamos las aportaciones que éstas han prestado al desarrollo tecnológico e industrial de la humanidad. 

El fundamento teórico en que se basa el funcionamiento de los Convertidores Electromagnéticos se encuentra en los tres principios de la Inducción Electromagnética que se detallan a continuación:

 La corriente que circula por un conductor arrollado en un núcleo magnético de hierro o acero hace que este se comporte como un imán.

Las corrientes eléctricas ejercen entre sí fuerzas a distancia.

Ley de Lenz. 

Cuando se mueve un conductor en el seno de un campo magnético, se induce en él una fuerza electromotriz que se opone a la fuerza electromotriz aplicada.

DEFINICION Y CLASIFICACION DE LAS MAQUINAS ELECTRICAS

Definición y Clasificación de las máquinas eléctricas.

Una máquina eléctrica es un conjunto de mecanismos capaces de producir, aprovechar o convertir la energía eléctrica.

Motor Eléctrico

Los motores son máquinas eléctricas rotatorias que transforman la energía eléctrica en energía mecánica. debido a sus múltiples ventajas, entre las que cabe citar su economía, limpieza, comodidad y seguridad de funcionamiento, el motor eléctrico ha reemplazado en gran parte a otras fuentes de energía, tanto en la industria como en el transporte, las minas, el comercio o el hogar.

Los motores eléctricos satisfacen una amplia gama de necesidades de servicio, desde arrancar, acelerar, mover, o frenar, hasta sostener y detener una carga. Estos motores se fabrican en potencias que varían desde una pequeña fracción de caballo hasta varios miles, y con una amplia variedad de velocidades, que pueden ser fijas, ajustables o variables.

Las partes principales de un motor eléctrico no son muchas pero es importante que conozcas las principales.

El inductor,  llamado estator cuando se trata de motores de corriente alterna, consta de un núcleo de chapas magnéticas apiladas y sobre ellas está enrollado el bobinado estatórico.

El inducido, llamado rotor cuando se trata de motores de corriente alterna, consta de un núcleo de chapas magnéticas apiladas y sobre ellas está enrollado el bobinado rotórico, que constituye la parte móvil del motor y resulta ser la salida o eje del motor.

La carcasa o caja que envuelve las partes eléctricas del motor, es la parte externa.

 Los motores eléctricos se pueden clasificar de diferentes formas: 

• Motores de corriente alterna, usados en la mayoría de las aplicaciones industriales, sobre todo el motor trifásico asíncrono de jaula de ardilla.
• Motores de corriente continua, suelen utilizarse cuando se necesita precisión en la velocidad, como en montacargas, locomoción, etc.
• Motores Universales, son los que pueden funcionar con corriente alterna o corriente continua, se usan mucho en electrodomésticos. Son los motores con colector.

Pero se puede hacer una clasificación más amplia.

Por su velocidad de giro: 

• Asíncronos: un motor se considera asíncrono cuando la velocidad del campo magnético generado por el estator supera la velocidad de giro el rotor.
• Síncronos: un motor se considera síncrono cuando la velociad del campo magnético del estator es igual a la velocidad de giro del rotor. No olvidad que el rotor es la parte móvil del rotor.

Dentro de los motores síncronos, existe una subclasificación:

• Síncronos trifásicos.
• Asíncronos trifásicos sincronizados.
• Con un rotor de imán permanente.

Por el tipo de rotor. 

• De anillos rozantes.
• Motores con colector.
• Motores de jaula de ardilla. 

Por el número de fases de alimentación. 

• Motores monofásicos.
• Motores bifásicos
• Motores trifásicos
• Motores con bobinado auxiliar para arranque.
• Motores con bobinado y condensador para arranque.

 Motor de corriente continua.

 La clasificación de este tipo de motores se realiza en función de los bobinados del inductor del inducido.

• Motores de excitación en serie.
• Motores de excitación en paralelo.
• Motores de excitación compuesta.

MOTORES MONOFÁSICOS

Motores monofásicos inducción de corriente alterna.

Existen muchos tipos de motores monofásicos y en esta sección vamos a describir algunos de los más usuales. Entre otros:

• Motor de inducción  de fase partida con rotor de jaula de ardilla.

• Motor de inducción de arranque por condensador.

• Motor de inducción de operación continua por condensador.

• Motor de inducción de arranque por espira de sombra.

• Motor de inducción de arranque por repulsión.

• Motor Universal

MOTOR MONOFÁSICO DE INDUCCION


Los motores monofásicos de inducción poseen un bobinado único en el estator. Este bobinado está devanado generalmente en varias bobinas que se distribuyen en la periferia del estator, y genera un campo magnético único alternado a lo largo del eje de los campos.


Estando inmóvil el rotor, las alternancias del campo del estator inducen corriente en el rotor. Estas corrientes producen a su vez, campos del mismo signo que el estator, que tienden a hacerlo girar 180° hasta enfrentarlo con los polos opuestos. Pero esta fuerza se ejerce a lo largo del eje del rotor y por lo tanto la fuerza de giro es igual en ambos sentidos y el rotor no se mueve. Si en estas condiciones, se da al rotor un impulso con la mano, éste se pondrá en marcha y girará en la dirección en que se le dio el impulso. Al ir aumentando la velocidad del rotor, llega a un punto en que aproximadamente cumple medio giro, es decir, 180° de rotación, por cada alternancia completa de la corriente que circula por el estator.


Si las velocidades del campo magnético giratorio y la del rotor son iguales, no se inducirá f.e.m., debido a que no habría movimiento relativo entre los campos del estator y rotor. Al no haber f.e.m., no existirá corriente inducida y por lo tanto no se inducirá el par motor, entonces se hace necesario que el rotor gire a una velocidad menor que el campo magnético giratorio del estator. Esta diferencia de velocidad se llama "deslizamiento o resbalamiento".


Deslizamiento del rotor


Se refiere al movimiento relativo del motor con respecto a la velocidad de deslizamiento.
n_des = n_sinc - n_m


Donde:        n_des es la velocidad de deslizamiento en la maquina
n_sinc es la velocidad de los campos magnéticos
n_m es la velocidad mecánica


Por tanto el deslizamiento del motor se define como :

S =	ns – nm	*100 =	ws - wm	*100
	ns		ws

Fig. 1 Motores de fase partida

Motor de fase partida.

El motor de fase partida es un motor de corriente alterna de potencia inferior a un caballo, que se emplea para el accionamiento de ciertos aparatos como máquinas herramientas, máquinas para lavar ropa y bombas pequeñas. Esta clase de motores consta de cuatro partes principales, a saber: una parte giratoria llamada rotor, una parte fija llamada estator, dos escudos o tapas, fijos a la carcasa mediante tornillos y tuercas y, finalmente, un interruptor centrífugo dispuesto en el interior. La apariencia exterior de un motor de fase partida se ilustra en la figura 1. Por lo general, esta clase de motores se alimentan con corriente monofásica, ya sea de una red de alumbrado o de fuerza.

Figura 2. Partes de un motor de fase partida

Rotor.

El rotor, como por ejemplo el ilustrado en la figura 3, consta de tres elementos esenciales. Uno de estos es un paquete de láminas o chapas de hierro, de calidad especial, que constituye el núcleo. El segundo elemento es el eje sobre el que va dispuesto el núcleo a presión. El tercer elemento es el devanado en cortocircuito, llamado “jaula de ardilla”, que consiste en unas barras de cobre o dispuestas en ranuras practicadas en el núcleo de chapas y dispuestas en corto circuito mediante dos aros de cobre, uno a cada extremo del núcleo. En ciertos tipos de motores, el rotor lleva un arrollamiento de una pieza, de aluminio fundido. De este tipo de rotor es el representado en la figura 3.



Fig. 3 - Rotor con jaula de ardilla

Estator.

El estator de un motor de fase partida se compone de un núcleo de chapas con ranuras semicerradas, una armadura de fundición o carcasa donde van montadas las chapas a presión y dos arrollamientos de conductor de cobre aislado, dispuestos en las ranuras, llamados arrollamiento de régimen o devanado principal o devanado de trabajo y arrollamiento de arranque o devanado auxiliar. En la figura 4 se representa un estator, y en la 5 un esquema de los dos citados arrollamientos. Al arrancar el motor, ambos arrollamientos se hallan conectados a la red de alimentación, pero una vez alcanzada cierta velocidad, el arrollamiento de arranque queda automáticamente desconectado mediante el interruptor centrífugo que, como ya se dijo, va montado en el interior del motor.

Figura 4

Escudos o tapas.

Los escudos, representados en las figuras 5 y 7, van sujetos a la carcasa mediante tornillos y tuercas y sirven principalmente para mantener el rotor en posición adecuada. Cada escudo lleva practicado un orificio para el cojinete, ya sea de bolas o de fricción, donde descansa el eje del rotor. La misión de los cojinetes, uno en cada escudo, es la de mantener el rotor bien centrado a fin de que no roce con el estator y además reducir el rozamiento al mínimo.

Interruptor centrífugo.

El interruptor centrífugo va montado en el interior del motor. Su  misión es la de desconectar el arrollamiento de arranque en cuanto el rotor haya alcanzado una velocidad prevista. El tipo más común consta de dos partes principales, una fija, que se representa en la figura 6 y otra giratoria. La parte fija se halla junto al escudo frontal del motor y lleva dos contactos, siendo su funcionamiento análogo al de un interruptor unipolar común. La parte giratoria o móvil va dispuesta sobre el rotor, como se indica en la figura 7.

El funcionamiento de un interruptor centrífugo puede explicarse del modo siguiente: cuando el motor se halla en reposo (fig. 8) se cierran dos contactos de la parte fija del interruptor centrífugo debido a la presión que la parte móvil ejerce sobre ellos. Al alcanzar, aproximadamente, los ¾ de la velocidad de régimen, la parte giratoria deja de presionar sobre los citados contactos, quedando así automáticamente desconectado e arrollamiento de arranque de la red de alimentación.

FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR DE FASE PARTIDA.

En este tipo de motores van por lo general tres arrollamientos independiente, todos ellos necesarios para el funcionamiento correcto del motor. Uno de estos se encuentra en el rotor y se designa con el nombre de arrollamiento en corto circuito o de jaula de ardilla. Los otros dos arrollamientos se hallan en el estator, tal como se indica en la figura 10 cada uno de los arrollamientos ilustrados comprende cuatro secciones o polos.

Jaula de ardilla o arrollamiento del rotor.

Componen este arrollamiento una serie de barras de cobre o aluminio dispuestas en las ranuras que a este efecto van practicadas en el paquete de chapas del rotor. Por ambos extremos dichas barras van soldadas a aros de cobre o aluminio que completa un circuito eléctrico; también pueden fundirse, en conjunto con los aros (figura 7)

Arrollamientos de estator.

Estos arrollamientos consisten en un devanado de alambre magneto (cobre especial para electroimanes) que por regla general va dispuesto en el fondo de las ranuras del estator, conocido como arrollamiento de régimen o principal, y otro, formado por alambre magneto, por lo general dispuesto encima del devanado de régimen, llamado arrollamiento de arranque o auxiliar. Ambos arrollamientos van conectados en paralelo. Al arrancar el motor, los dos arrollamientos están conectados a la red de alimentación, tal como claramente se indica en la figura 11a. Cuando el motor alcanza el 75% de la velocidad de régimen, el interruptor centrífugo, como se indica en la figura 11b, abre el circuito, desconectando automáticamente el arrollamiento de arranque y el motor continua funcionando únicamente con el devanado de régimen.

Funcionamiento.

Durante el arranque, al circular la corriente por ambos devanados, se forma en el interior del motor un campo magnético giratorio, que induce un voltaje y una corriente en el devanado del rotor (jaula de ardilla), la cual a su vez origina otro campo magnético. Estos campos magnéticos al combinarse producen el giro del rotor. El arrollamiento de arranque es necesario para la puesta en marcha del motor y generar el campo giratorio. Una vez el motor en marcha, ya no precisa el devanado de arranque y por ello se desconecta automáticamente de la red por medio del interruptor centrífugo.

CLASIFICACIÓN NEMA MECANICA Y ELECTRICA

DESCRIPCION DE MOTORES POR TIPO DE DISEÑO.

La NEMA (National Electric Manufacturing Asociation), Asociación Nacional de Fabricantes de Equipo Eléctrico establece una clasificación para describir las características de los tipos de motores desde el punto de vista mecánico, o sea de su construcción, así como desde el punto de vista eléctrico.

                              

DISEÑO MECÁNICO.

Al hablar de diseño mecánico nos referimos al tipo de construcción que posee el motor para hacerlo capaz de trabajar en condiciones satisfactorias para que sus partes internas nos e vean afectadas perjudicialmente por las condiciones ambientales en las que va a operar el motor.

De acuerdo a lo anterior, los motores que se fabrican son:

a)      Motores horizontales a prueba de goteo.

b)      Motores horizontales cerrados con ventilación.

c)      Motores verticales con flecha hueca y flecha hueca a prueba de goteo.

d)      Motores verticales de flecha hueca y flecha sólida con ventilación interior.

a.    Motores horizontales a prueba de goteo. Son los más comúnmente usados en la industria y se les encuentra montados en máquinas, herramientas, ventiladores, bombas centrífugas, ciertos tipos de transportadores. Es decir, en general estos motores encuentran su aplicación en aquellos lugares en donde el medio ambiente no sea perjudicial a las partes internas del motor y además no haya salpicadura de líquidos.

b.    Motores horizontales cerrados con ventilación: estos se aplican para mover máquinas o equipos instalados en ambientes polvosos, abrasivos, húmedos y/o ligeramente corrosivos. Se les encuentra montados en máquinas, herramientas, ventiladores, bombas, transportadores, quebradoras, etc.

En general, estos motores encuentran su aplicación en aquellos lugares en donde el medio ambiente puede ser perjudicial a las partes internas del motor.

c.    Motores verticales con flecha hueca y flecha sólida a prueba de goteo, estos encuentran su principal y más importante aplicación, al servir de fuente motriz para bombas de pozo profundo usadas en todo sistema de riego de las zonas agrícolas.

Es este un motor que dadas sus condiciones de operación tan severas ha sido diseñado y fabricado para dar un servicio continuo a la intemperie.

d.    Motores verticales de flecha hueca y flecha sólida con ventilación exterior, estos se aplican igual que los motores anteriores, en bombas de pozo profundo o bombas de recirculación, pero en ambientes polvosos, húmedos y/o corrosivos (torres de enfriamiento, plantas químicas), etc.

DISEÑO ELECTRICO.

Por lo que a diseño eléctrico se refiere existen los siguientes diseños NEMA.

DISEÑO NEMA B.

El diseño NEMA “B” corresponde a aquellos motores cuya corriente y pares de arranque son normales. Corriente de arranque normal se considera aquella cuyo valor se encuentra entre 5 y 6 veces la corriente de plena carga de un motor y las cifras de los pares de arranque están tabuladas por las normas NEMA, así como por las normas nacionales (NOM y CCONNIE), reconocidas oficialmente por la Secretaría de Comercio y elaboradas por los principales fabricantes de motores del país. Además, el deslizamiento de estos motores a plena carga debe ser de 1 a 5%.

Obviamente, se comprende que este motor es el de mayor consumo y aplicación en la industria, ya que por propia conveniencia de los fabricantes de maquinaria llevan a cabo sus diseños de tal manera que los motores que vayan a requerir sean los más apegados a lo que se conoce como motor normalizado (standard), desde el punto de vista de diseño eléctrico.

DISEÑO NEMA C

El diseño NEMA “C” se refiere a aquellos motores que teniendo una corriente normal de arranque, desarrolla pares de arranque superiores a los que desarrolla un motor de diseño “B”. los valores para par de arranque del diseño NEMA “C” también están tabulados tanto en las normas NEMA como en las nacionales.

Las características de este diseño hacen fácil de definir y comprender su campo de aplicación, ya que se refiere a todos aquellos casos en que por la naturaleza de la carga se requiere un par con valor absoluto elevado, para vencer la inercia y una vez iniciado el movimiento, el comportamiento que se le solicita al motor es idéntico al del Diseño NEMA “B”. Un caso típico de aplicación para estos motores se refiere a los transportadores, que por cualquier causa prevista tenga que iniciar un ciclo de trabajo con la carga específica. El deslizamiento de estos motores a plena carga debe ser de 2 a 5%.

DISEÑO NEMA D.

El diseño NEMA “D” se refiere a motores que desarrollan un par de arranque nunca menor que el 275% del par a plena carga con una corriente de arranque normal y con un deslizamiento que nos permite hacer 3 grupos: el primero con un deslizamiento de 5 a 8%, el segundo requiere de un deslizamiento de 8 a 13% y el tercero de 13 a 18%.

Los motores de este tipo de diseño tienen su principal aplicación en máquinas como cizallas, prensas y en general en todos aquellos casos en donde el equipo viene dotado de un volante cuya función es almacenar energía para “sacar a flote” al motor, durante los lapsos en que se presenta la demanda máxima de potencia.

Por consiguiente, al especificar un motor, entre otras características, es necesario mencionar su tipo de diseño mecánico (protección contra el medio ambiente) y el tipo de diseño eléctrico.

DESLIZAMIENTO.

El rotor de los motores de inducción gira a una velocidad menor que la síncrona. En ese caso al velocidad síncrona es la velocidad del campo giratorio inducido en el estator y se calcula con la conocida fórmula:

Ns	=	120 f
		No. de polos

En donde:        N_s = velocidad síncrona en el estator (en revoluciones por minuto)

                  f = frecuencia de la línea de alimentación (en hertz)

El deslizamiento se define como la diferencia entre la velocidad síncrona N_s. Se expresa generalmente por medio de la siguiente expresión:

%S	=	Ns - Nr	X 100
		Ns

En donde:        N_s = velocidad síncrona del campo giratorio.

                        N_r = velocidad del rotor, que depende principalmente de la carga.

El deslizamiento máximo es del 18% en motores de alto deslizamiento.

Velocidad del rotor:

De la expresión para el deslizamiento se puede conocer la velocidad síncrona N_s, a partir de la frecuencia y del número de polos; entonces la velocidad del rotor se puede determinar como sigue:

% S	=	Ns - Nr	X 100
		Ns

S	=	Ns - Nr
		Ns

S  Ns

=

Ns - Nr

Nr

=

Ns (1 – S)

Ejemplo: Calcula el porcentaje de deslizamiento (S) de un motor de inducción de 4 polos, 60 hertz, que gira a una velocidad de 1750 R.P.M.

% S	=	Ns - Nr	X 100
		Ns

Ns	=	120 f	=	120 X 60	= 1800 R.P.M
		No. de polos		4

% S	=	1800 – 1750	X 100
		1800