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GENERALIDADES DE MOTORES ELECTRICOS
TRABAJO DE GRADUACIN
INGENIERO PABLO ALONZO
CAPTULO 1
EL MOTOR ELECTRICO
Los motores elctricos son maquinas elctricas rotativas que transforman la
energa elctrica en energa mecnica haciendo uso de campos
electromagnticos. Debido a su eficiencia, limpieza, comodidad, bajo costo,
construccin simple y facilidad de instalacin el motor elctrico es el ms utilizado
en las instalaciones industriales, comerciales y particulares. Son utilizados en
aplicaciones, como arrancar, acelerar, mover, frenar, sostener y detener una
carga. Se fabrican en una gran variedad de potencias las cuales van desde
algunos Watts hasta miles de caballos de fuerza (un caballo de fuerza o Hp por
sus siglas en ingles es equivalente a 746 Watts), adems de poderse contar con
una amplia gama de velocidades, que pueden ser fijas, ajustables o variables.
Un motor elctrico contiene un nmero mucho ms pequeo de piezas
mecnicas que un motor de combustin interna, por lo que su tamao es ms
reducido y es menos propenso a fallas. Los motores elctricos pueden pasar casi
instantneamente de la posicin de reposo a la de mximo funcionamiento por lo
que son los ms agiles y verstiles.
El funcionamiento de un motor elctrico est basado en el principio de
induccin de Faraday que indica, si un conductor se mueve a travs de un campo
magntico, o si est situado en las proximidades de otro conductor por el que
circula una corriente de intensidad variable, se establece o se induce una corriente
elctrica en el primer conductor y en el principio de Ampere, si una corriente
pasa a travs de un conductor situado en el interior de un campo magntico, ste
ejerce una fuerza mecnica sobre el conductor. Por lo tanto, si un conductor por
el que circula una corriente elctrica se encuentra dentro de la accin de un
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campo magntico, ste tiende a desplazarse perpendicularmente a las lneas de
accin del campo magntico. El conductor tiende a funcionar como un electroimn
debido a la corriente elctrica que circula por el mismo, adquiriendo de esta
manera propiedades magnticas, que provocan, debido a la interaccin con el
campo electromagntico, el movimiento circular que se observa en el eje del
motor.
En general, el funcionamiento de un motor elctrico se basa en las
propiedades electromagnticas de la corriente elctrica y la posibilidad de crear a
partir de ellas fuerzas de atraccin y repulsin encargadas de actuar sobre un eje
y generar un movimiento de rotacin.
Los motores elctricos se clasifican de la siguiente manera:
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CLASIFI
FUENTE: Elaborado por el autor 201
Motores electricos
3
FIGURA 1
ACION DE LOS MOTORES ELECTRIC
0
Motores de corriente
alterna
Por su velocidad de
giro
S
A
Por el tipo de rotor
Jau
Anil
Por el numero de
fases de alimentacion
y forma de arranque
M
P
Motores de corriente
directa
Exitacion en serie
Exitacion en paralelo
Exitacion compuesta
Sin escobillasMotor universal
OS
incronos
sincronos
la de ardilla
los rozantes
nofcicos
Con arranque auxiliar
bobinado
Con arranque auxiliar
bobinado y
condensador
olifcicos
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1.1. Motores de corriente alterna
Un motor de corriente alterna como su nombre lo indica es aquel motor que
funciona con corriente alterna o A.C. por sus siglas en ingles (Alternating Current),
siendo esta aquella corriente en la que la magnitud y direccin varan cclicamente
dibujando una onda sinusoidal.
1.1.1. Partes fundamentales de un motor A.C.
FIGURA 2MOTOR A.C.
FUENTE: Elaborado por el autor 2010
1.1.1.1. Estator
El estator es el elemento que opera como base, permitiendo que desde ese
punto se lleve a cabo la rotacin del motor. El estator no se mueve
mecnicamente, pero si magnticamente, ya que es este el encargado de generar
el campo magntico que deber interactuar con el rotor para generar su rotacin.
El estator es una parte fija del motor.
Flecha o eje
del rotor
Carcasa
Base
entilador
Estator y su
devanado
!apa
Co"inete#otor
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1.1.1.2. Rotor
El rotor es el elemento de transferencia mecnica, es este como su nombre
lo indica la parte giratoria de un motor elctrico, el rotor deber interactuar con el
campo magntico generado por el estator para transformar la energa elctrica en
energa mecnica.
1.1.1.3. Carcasa
La carcasa es la parte que protege y cubre al estator y al rotor, el material
empleado para su fabricacin depende del tipo de motor, de su diseo y su
aplicacin. La carcasa es la encargada de proteger al motor del ingreso decuerpos extraos, el grado de proteccin que la carcasa deber proporcionar
depender de la aplicacin y el lugar donde ser utilizado el motor como se ver
en un capitulo posterior, as mismo la carcasa deber permitir el enfriamiento del
motor. As pues, la carcasa puede ser:
a) Totalmente cerrada
b) Abierta
c) A prueba de goteo
d) A prueba de explosiones
e) De tipo sumergible
1.1.1.4. Base
La base es el elemento en donde se soporta toda la fuerza mecnica de
operacin del motor. Por medio de la base el motor es sujetado a la maquina o
sitio de operacin, sin embargo no todos los motores cuentan con base, como es
el caso de los pequeos motores de corriente continua que son sujetados
directamente desde la carcasa.
1.1.1.5. Caja de conexiones
Por lo general, en la mayora de los casos los motores elctricos cuentan
con caja de conexiones. La caja de conexiones es un elemento que protege a los
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conductores que alimentan al motor, resguardndolos de la operacin mecnica
del mismo, y contra cualquier elemento que pudiera daarlos.
1.1.1.6. Tapas
Son los elementos que van a sostener en la gran mayora de los casos a los
cojinetes o rodamientos que soportan la accin del rotor. Generalmente estas son
fabricadas de aluminio o hierro fundido, adems se encargan por medio de los
cojinetes de mantener perfectamente alineado al rotor y as evitar que este roce
con el estator, las tapas son fijadas por medio de pernos o esprragos con lo que
se logra mantenerlas perfectamente centradas.
1.1.1.7 Cojinetes
Tambin conocidos como rodamientos, contribuyen a la ptima operacin
de las partes giratorias del motor. Se utilizan para sostener y fijar ejes mecnicos,
y para reducir la friccin, lo que contribuye a lograr que se consuma menos
potencia.
Los rodamientos de los motores elctricos requieren un nivel de ruido de
funcionamiento sumamente bajo, larga vida til, capacidad de alta carga y
rentabilidad. A continuacin se proporciona una breve descripcin de los tipos de
rodamientos utilizados frecuentemente en motores elctricos:
Los rodamientos rgidos de bolas son los rodamientos ms sencillos aunque
los ms populares. Apropiados para velocidades de giro muy altas, apropiados
para cargas radiales y axiales medias-altas en una o ambas direcciones.
Los rodamientos de rodillos cilndricos pueden soportar pesadas cargas
radiales a altas velocidades esto debido a que los rodillos hacen contacto lineal
con las pistas de rodadura, siendo baja su capacidad de carga axial.
Los rodamientos de bolas con contacto angular en adicin a las cargas
radiales, pueden soportar grandes cargas axiales en un sentido; en consecuencia,
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se suelen disponer dos a dos en posicin simtrica para soportar cargas axiales
en los dos sentidos; tambin se pueden disponer en montaje apareado en serie
para cargas radiales y axiales elevadas en un solo sentido.
1.1.2. Tipos de motores de corriente alterna
1.1.2.1. Por su velocidad de giro
Algunos motores cuentan con un rotor que gira a la misma velocidad a la
cual lo hace el campo magntico del estator, estos motores son conocidos como
motores sncronos, mientras que la mayora de motores lo hace con cierto
deslizamiento respecto al campo magntico del estator, es decir, el campo
magntico y el rotor poseen velocidades diferentes, estos motores son conocidos
como motores asncronos.
1.1.2.1.1. Motores sncronos
Un motor se considera sncrono cuando la velocidad del campo magntico
del estator es igual a la velocidad de giro del rotor. Esta velocidad, llamada
velocidad de sincronismo depende nicamente de la frecuencia de la corriente de
alimentacin y del nmero de polos, siendo independiente de la carga que debavencer. Esta velocidad est dada por la relacin:
n=60f
p
Donde f es la frecuencia de la red y p el numero de pares de polos.
El campo alrededor de la bobina del rotor es alterno si este es alimentado
con corriente alterna, por lo que durante un semiciclo intentar moverse en una
direccin y durante el siguiente semiciclo en la direccin opuesta. El resultado es
que el motor permanece parado. El motor solamente se calentar y posiblemente
se quemar. Para generar el campo magntico del rotor, se suministra corriente
directa al devanado del rotor; esto se realiza frecuentemente por medio de una
excitatriz, la cual consta de un pequeo generador de corriente directa impulsado
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por el motor, conectado mecnicamente a l. Con lo que se logra mantener los
campos magnticos del rotor y del estator constantes el uno con relacin al otro y
as obtener la velocidad de sincronismo.
Estos motores son utilizados en situaciones donde se requiera una
velocidad absolutamente constante.
En las industrias de gran tamao la mayor ventaja que tiene la utilizacin de
estos motores es que mejoran grandemente el factor de potencia de toda la
instalacin, es decir estos motores producen el mismo efecto que un banco decondensadores.
Los motores sincrnicos pueden tambin actuar como generadores de
KVAR (Kilovolti-amperios reactivos). Su capacidad para generar KVAR es funcin
de su excitacin y de la carga conectada; cuando operan en baja excitacin no
genera los suficientes KVAR para suplir sus propias necesidades y en
consecuencia los toman de la red elctrica.
Cuando operan sobrexcitados (operacin normal) suplen sus requerimientos de
KVAR y pueden adems entregar KVAR a la red; en este caso son utilizados
como compensadores de bajo factor de potencia. Esta caracterstica de los
motores sncronos trae grandes ventas econmicas a la industria donde se est
utilizando el motor debido a que menos KVAR sern tomados de la planta
generadora de energa elctrica.
1.1.2.1.2. Motores asncronosUn motor se considera asncrono cuando la velocidad del campo magntico
generado por el estator supera a la velocidad de giro del rotor. La diferencia de
velocidades entre el campo magntico y el rotor se le llama deslizamiento y esta
dado por la siguiente relacin:
s =nn
n
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Donde es la velocidad del campo magntico y es la velocidad del
rotor.
Los motores asncronos se fabrican con rotor de jaula de ardilla o rotor
bobinado.
Los motores asncronos logran realizar la mayora de las tareas industriales,
entre ellas se utilizan para bombas, ventiladores, cintas transportadoras,
elevadores, etc.
1.1.2.2. Por el tipo de rotor
1.1.2.2.1. Motores con rotor jaula de ardilla
Estos motores contienen un rotor con forma de jaula de ardilla, este rotor es
un cilindro montado en un eje conteniendo barras conductoras longitudinales de
aluminio o de cobre con surcos y conectados juntos en ambos extremos poniendo
en cortocircuito los anillos que forman la jaula. El nmero de barras en la jaula de
ardilla se determina segn las corrientes inducidas en las bobinas del estator y por
lo tanto segn la corriente a travs de ellas. Las construcciones que ofrecen
menos problemas de regeneracin emplean nmeros primos de barras.
La base del rotor se construye de un contrachapado de hierro al silicio
(entre el 2.5 y 4% de silicio) en laminacin. Esta base de hierro al silicio sirve para
llevar el campo magntico a travs del motor. En estructura y material se disea
para reducir al mnimo las prdidas. Las lminas finas, separadas por el
aislamiento de barniz que reducen las corrientes parsitas. El contenido bajo de
carbono y el silicio agregado le hace un material magntico suave con prdida
bajas por histresis, esto significa que el material continua conservando sus
propiedades en ausencia o no del campo magntico.
Los motores jaula de ardilla se clasifican segn la norma NEMA de la
siguiente manera:
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Motores jaula de ardilla clase A: El motor clase A es un motor de jaula
de ardilla normal o estndar fabricado para uso a velocidad constante. Tiene
grandes reas de ranuras para una muy buena disipacin de calor, y barras con
ranuras ondas en el motor. El par de arranque es relativamente alto y la baja
resistencia del rotor producen una aceleracin bastante rpida hacia la velocidad
nominal.
Motores jaula de ardilla clase B:A los motores de clase B a veces se lesllama motores de propsito general; es muy parecido al de la clase A debido al
comportamiento de su deslizamiento-par. Las ranuras de este motor son ms
profundas que en los motores de clase A y esta mayor profundidad tiende a
aumentar la reactancia de arranque y la marcha del rotor. Este aumento reduce un
poco el par y la corriente de arranque.
Las corrientes de arranque varan entre 4 y 5 veces la corriente nominal,
los motores de clase B se prefieren sobre los de la clase A para tamaos mayores.
Se utilizan generalmente en bombas centrifugas, maquinas herramientas y
ventiladores.
Motores jaula de ardilla clase C: Estos motores tienen un rotor de doble
jaula de ardilla, el cual desarrolla un alto par de arranque y una menor corriente de
arranque.
Debido a su alto par de arranque, acelera rpidamente, la mayor desventaja
de estos motores es su deficiente disipacin trmica
Las aplicaciones de los motores de clase C se limitan a condiciones en las
que es difcil el arranque como en bombas y compresores de pistn.
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Motores jaula de ardilla clase D:Los motores comerciales de induccin
de jaula de ardilla clase D se conocen tambin como de alto par y alta resistencia.
Las barras del rotor se fabrican en aleacin de alta resistencia y se colocan
en ranuras cercanas a la superficie o estn ancladas en ranuras de pequeo
dimetro. La relacin de resistencia a reactancia del rotor de arranque es mayor
que en lo motores de las clases anteriores.
El motor est diseado para servicio pesado de arranque, encuentra su
mayor aplicacin con cargas como cizallas o troqueles, que necesitan el alto par
con aplicacin a carga repentina la regulacin de velocidad en esta clase de
motores es la peor.
Tambien existen las claces E y F, llamados motores de arraque suave o de
bajo par, que ahora se encuentran obsoletos.
FIGURA 3
ROTOR JAULA DE ARDILLA
FUENTE: Elaborado por el autor 2010
1.1.2.2.2. Motores con anillos rozantes
En este tipo de motores, cuentan con un rotor bobinado. El bobinado del
rotor se conectar por medio de unas escobillas y anillos rozantes. Este tipo de
motores pueden tener resistencias exteriores colocadas en el circuito del rotor, lo
que permite reducir la corriente absorbida, reduciendo la saturacin magntica en
el hierro y permitiendo un incremento en el par de arranque. Conforme la
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velocidad del rotor aumenta el valor de las resistencias se reduce hasta llegar a
cero, lo que permite mantener un par alto.
FIGURA 4
ANILLOS ROZANTES
FUENTE: Tomado del sitio web www.electronica-basica.com/motores-electricos.html
Consultada el 18 de marzo de 2010
1.1.2.3. Por el nmero de faces de alimentacin.
1.1.2.3.1. Motores monofsicos
Fueron los primeros motores utilizados en la industria. Cuando este tipo de
motores est en operacin, desarrolla un campo magntico rotatorio, pero antes
de que inicie la rotacin, el estator produce un campo estacionario pulsante.
Para producir un campo rotatorio y un par de arranque, se debe tener un
devanado auxiliar desfasado 90con respecto al dev anado principal. Una vez que
el motor ha arrancado, el devanado auxiliar se desconecta del circuito.
Debido a que un motor de corriente alterna monofsico tiene dificultades
para arrancar, est constituido de dos grupos de devanados: El primer grupo se
conoce como el devanado principal o de trabajo, y el segundo, se le conoce como
Anillos #ozantes
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devanado auxiliar o de arranque. Los devanados difieren entre s, fsica y
elctricamente.
1.1.2.3.1.1. Motores con arranque auxiliar bobinado
En los motores monofsicos una de las mayores dificultades se presenta en
el arranque, su devanado produce un campo magntico alterno que es incapaz de
producir el movimiento giratorio que necesita el rotor para comenzar a girar, por lo
que en muchos casos se utiliza un devanado auxiliar que solo se conecta durante
el arranque, despus funciona nicamente con el devanado de trabajo tambin
conocido como devanado de servicio, as se logra conseguir un campomagntico giratorio, que es la suma de dos campos magnticos.
El devanado de arranque tiene menor nmero de vueltas y consiste de
alambre de cobre de menor dimetro que el del devanado de servicio. Por lo tanto
el devanado de arranque tiene alta resistencia y baja reactancia; y por el contrario
el devanado de de servicio tiene baja resistencia y alta reactancia; pero debido a
su impedancia total menor la corriente en el devanado de servicio es mayor que la
del devanado de arranque. El devanado de arranque trabaja nicamente hasta
que el motor alcanza aproximadamente un 75% de su velocidad nominal.
1.1.2.3.1.2. Motores con arranque auxiliar bobinado y con condensador
Los condensadores son utilizados en los motores monofsicos conectados
al devanado de arranque con la finalidad de incrementar este par aunque tambin
se pueden utilizar conectados al devanado de servicio cuando es necesario un
gran par de arranque.
El motor produce un par de arranque elevado si se utiliza un condensador
de arranque y un condensador de servicio. Mediante la capacidad de ambos
condensadores se puede incrementar el par de arranque hasta un valor que sea 2
a 3 veces superior al par nominal. Por este motivo el motor puede arrancar en
carga. Una vez que se haya acelerado, se desconecta el condensador de
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arranque quedando slo el condensador de servicio. Es necesario efectuar esta
desconexin ya que, debido a la elevada capacidad total del condensador de
arranque y del condensador de servicio, pasa gran intensidad a travs del
arrollamiento auxiliar. En rgimen permanente, esto dara lugar a
sobrecalentamiento.
Los condensadores para el motor de condensador tienen que estar
dimensionados para la mxima tensin que se pueda producir.
Los motores de condensador con potencia nominal hasta unos 2 kW seemplean para el accionamiento de mquinas electrodomsticas, mquinas
herramientas y mquinas para la construccin, por ejemplo para frigorficos y
lavadoras.
1.1.2.3.2. Motores polifsicos
Generalmente son motores trifsicos, estos son los ms utilizados en la
industria, ya que en el sistema trifsico se genera un campo magntico rotatorio
en tres fases lo que facilita su arranque y puesta en servicio, debido a esto un
motor trifsico no necesita devanado de arranque ni capacitor para iniciar la
rotacin en el, debido a esto un motor trifsico es ms barato que un monofsico
de la misma potencia; adems de que el sentido de la rotacin del campo en un
motor trifsico puede cambiarse invirtiendo dos puntas cualesquiera del estator, lo
cual desplaza las fases, de manera que el campo magntico gira en direccin
opuesta.
El sistema trifsico presenta una serie de ventajas como son la economa
de sus lneas de transporte de energa (hilos ms finos que en una lnea
monofsica equivalente) y de los transformadores utilizados, as como su elevado
rendimiento de los receptores, especialmente motores, a los que la lnea trifsica
alimenta con potencia constante y no pulsada, como en el caso de la lnea
monofsica.
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1.2. Motores de corriente directa
Un motor de corriente directa como su nombre lo indica es aquel motor que
funciona con corriente directa o D.C. por sus siglas en ingles (Direct Current),
siendo esta aquella corriente en la que las cargas elctricas circulan siempre en la
misma direccin (los terminales de mayor y de menor potencial son siempre los
mismos).
1.2.1. Partes fundamentales de un motor D.C.
FIGURA 5MOTOR C.C.
FUENTE: Elaborado por el autor 2010
El motor de corriente directa est compuesto de 2 piezas fundamentales:
Rotor
Estator
1.21.1. Rotor
Constituye la parte mvil del motor, proporciona el torque para mover a la
carga.
Est formado por:
Flecha o eje
del rotor#otor y su
devanado Co"inete
Armazn
!apaColector
Escobillas y
portaescobillas
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Eje: Imparte la rotacin al ncleo, devanado y al colector; adems es el
elemento de transferencia mecnica entre el motor y la maquina u objeto a mover.
Ncleo: Se localiza sobre el eje. Fabricado con capas laminadas de hierro
al silicio (entre el 2.5 y 4% de silicio), su funcin es proporcionar un trayecto
magntico entre los polos para que el flujo magntico del devanado circule.
Devanado: Consta de bobinas aisladas entre s y entre el ncleo de la
armadura. Estas bobinas estn alojadas en las ranuras del ncleo, y estn
conectadas elctricamente con el colector, el cual debido a su movimientorotatorio, proporciona un camino de conduccin conmutado.
Colector: Denominado tambin conmutador, est constituido de lminas
de material conductor (delgas), separadas entre s y del centro del eje por un
material aislante, para evitar que se produzca un cortocircuito con dichos
elementos. El colector se encuentra sobre uno de los extremos del eje del rotor, de
modo que gira con ste y est en contacto con las escobillas. La funcin del
colector es recoger la tensin producida por el devanado inducido, transmitindola
al circuito por medio de las escobillas.
1.2.1.2. Estator
Constituye la parte fija de la mquina. Su funcin es suministrar el flujo
magntico que ser usado por el bobinado del rotor para realizar su movimiento
giratorio. Est formado por:
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FIGURA 6
ESTATOR MOTOR C.C.
FUENTE: Elaborado por el autor 2010
Armazn: Denominado tambin yugo, tiene dos funciones primordiales:
servir como soporte y proporcionar una trayectoria de retorno al flujo magntico
del rotor y del imn permanente, para completar el circuito magntico.
Imn permanente o bobina del estator: Su funcin es proporcionar un
campo magntico uniforme al devanado del rotor o armadura, de modo que
interacte con el campo formado por el bobinado del rotor, y se origine el
movimiento del rotor como resultado de la interaccin de estos campos. Cuando
son motores pequeos generalmente se trata de un imn permanente compuesto
de material ferromagntico; mientras en el caso de motores medianos y grandes
generalmente se trata de un electroimn formado por bobinas encargadas de
producir el campo inductor al circular por ellas la corriente de excitacin.
Escobillas: Las escobillas estn fabricadas se carbn, y poseen una
dureza menor que la del colector, para evitar que ste se desgaste rpidamente.
Se encuentran albergadas por los portaescobillas. Ambos, escobillas y
portaescobillas, se encuentran en una de las tapas del estator.
La funcin de las escobillas es transmitir la tensin y corriente de la fuente de
alimentacin hacia el colector y, por consiguiente, al bobinado del rotor.
Armazn
Bobinado
del estator
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La funcin del portaescobillas es mantener a las escobillas en su posicin de
contacto firme con los segmentos del colector. Esta funcin la realiza por medio de
resortes, los cuales hacen una presin moderada sobre las escobillas contra el
colector. Esta presin debe mantenerse en un nivel intermedio pues, de ser
excesiva, la friccin desgastara tanto a las escobillas como al colector; por otro
lado, de ser mnima esta presin, se producira lo que se denomina "chisporroteo",
que es cuando aparecen chispas entre las superficies del colector y las escobillas,
debido a que no existe un buen contacto.
1.2.2. Tipos de motores de corriente directa
1.2.2.1. Motores de excitacin en serie
En los motores de excitacin en serie o motores serie los devanados del
inducido y el inductor estn colocados en serie y alimentados por una misma
fuente de tensin. En este tipo de motores existe dependencia entre el par y la
velocidad; son motores en los que, al aumentar la corriente de excitacin, se hace
disminuir la velocidad, con un aumento del par.
1.2.2.2. Motores de excitacin en paralelo
En los motores de excitacin en paralelo o motores shunt los devanados del
inducido e inductor estn conectados en paralelo o derivacin y alimentados por
una fuente comn. En este tipo de motores un aumento de la tensin en el
inducido hace aumentar la velocidad de la mquina.
1.2.2.3. Motores de excitacin compuesta
En los motores de excitacin compuesta o motores compound la excitacin
es originada por dos bobinados inductores independientes; uno dispuesto en serie
con el bobinado inducido y otro conectado en derivacin con el circuito formado
por los bobinados inducido, inductor serie e inductor auxiliar.
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Los motores compuestos tienen un campo serie sobre el tope del bobinado
del campo shunt. Este campo serie, el cual es producido por una bobina con
pocas vueltas de un alambre grueso, es conectado en serie con la armadura y
lleva la corriente de armadura.
El flujo del campo serie varia directamente a medida que la corriente de
armadura vara, y es directamente proporcional a la carga. El campo serie se
conecta de manera tal que su flujo se aade al flujo del campo principal shunt. Los
motores compound se conectan normalmente de esta manera y se denominan
como compound acumulativo.
Esto provee una caracterstica de velocidad intermedia entre los motores
serie y shunt. Los motores compound son algunas veces utilizados donde se
requiera una respuesta estable de par constante para un rango de velocidades
amplio.
1.2.2.4. Motores sin escobillas
Este es un tipo de motor que no utiliza escobillas para realizar el cambio de
polaridad en el rotor. Su mecanismo se basa en sustituir la conmutacin (cambio
de polaridad) mecnica por otra electrnica sin contacto. En este caso, la espira
slo es impulsada cuando el polo es el correcto, y cuando no lo es, el sistema
electrnico corta el suministro de corriente. Para detectar la posicin de la espira
del rotor se utiliza la deteccin de un campo magntico. Este sistema electrnico,
adems, puede informar de la velocidad de giro, o si est parado, e incluso cortar
la corriente si se detiene para que no se queme. Tienen la desventaja de que no
giran al revs al cambiarles la polaridad. Para hacer el cambio se deben cruzar
dos conductores del sistema electrnico.
Algunas aplicaciones de estos motores se pueden encontrar en lectores de
CD-ROM, ventiladores pequeos y juguetes de radiocontrol.
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Estos motores tambin reciben el nombre de motores brushless.
1.3. Motor universalLos motores universales pueden ser alimentados con corriente alterna o
con corriente directa. Sus caractersticas principales no varan significativamente
al ser alimentados de una forma u otra. Sus partes principales son:
1. Estator.
2. Rotor con colector.
Los bobinados del estator y del rotor estn conectados en serie a travs de
unas escobillas.
La velocidad cambia segn la carga. Cuando aumenta el par motor
disminuye la velocidad. Se suelen construir para velocidades de 3000 a 8000
r.p.m. Para poder variar la velocidad necesitamos variar la tensin de
alimentacin, normalmente se hace con un restato o resistencia variable.
El cambio de giro es controlable, solo tenemos que intercambiar una fase
en el estator o en el rotor, nunca en los dos.
Los motores universales se pueden encontrar en muchos electrodomsticos
ya que son fabricados en una gran variedad de potencias.
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CAPITULO 2
ESPECIFICACIONES DE LOS MOTORES ELECTRICOS
Es de suma importancia conocer tanto las caractersticas elctricas como
mecnicas de determinado motor, ya que as podremos saber si es utilizable para
determinada aplicacin. Estas caractersticas son proporcionadas por el fabricante
del motor ya sea por medio de catlogos o en la placa de caractersticas que
poseen la mayora de los motores.
La placa de caracterstica es aquella donde se especifica el tipo de carcasadel motor y sus caractersticas mecnicas, las caractersticas de entrada y salida,
y las condiciones bajo las cuales debe operar un motor.
2.1. Nmeros del fabricante
Algunos de estos nmeros aparecen en la mayora de las placas de fbrica.
Normalmente tienen cdigos que incluyen:
La fecha de fabricacin del motor
La planta o la lnea de ensamble
La serie de produccin
La serie y el diseo particular
2.2. Tipo de motor
Es posible que la placa de caractersticas especifique el tipo del motor, ya
sea como parte del nmero de modelo o como una categora independiente. Aqu
se indica si es un motor A.C., D.C. o un motor universal, adems de indicarse el
tipo de motor correspondiente a cada una de estas clasificaciones, por ejemplo en
el caso de los motores D.C. si es serie, paralelo o de excitacin compuesta.
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2.3. Potencia y trabajo
La potencia nominal o de placa de caracterstica es la potencia que un
motor puede suministrar sin sobrecalentarse. El rgimen de potencia de un motor
se relaciona con el tiempo y con el trabajo nominal:
La mayora de los motores tienen un rgimen para trabajo continuo. Ellos
pueden suministrar continuamente la potencia indicada en la placa de
caractersticas, sin sobrecalentarse.
Si un motor es especificado para un trabajo de 20 o 30 minutos en cadahora, se sobrecalentara si se espera que produzca la potencia especificada en la
placa de caractersticas durante ms de dicho tiempo sin dejarlo enfriar.
Los arranques demasiados frecuentes sobrecalentaran un motor aun
cuando este no est suministrando ms de su potencia nominal al operar. El freno
elctrico de un motor tambin hace que se sobrecaliente. El freno elctrico en un
motor es posible en algunos motores que cuentan con un accesorio llamado freno
elctrico, el cual mediante corriente directa, activa y desactiva una bobina toroidal
la cual activa y desactiva unos discos los cuales son los encargados de detener el
motor en forma rpida.
2.4. Velocidad
La velocidad descrita en la placa de caractersticas es:
La velocidad aproximada a la cual un motor produce su potencia nominal.
La velocidad normal de operacin de un motor sincrnico
La mayora de los motores reducirn su velocidad conforme aumenta su
carga. En algunos motores, la placa de caracterstica indicara la velocidad sin
carga aproximada. En ocasiones, se encontrara el rango de velocidad de
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operacin aceptable del motor. En muchos casos la velocidad mnima mencionada
depende de la capacidad de enfriamiento del motor. Ningn motor cuyo
enfriamiento dependa de un ventilador impulsado por el eje debe ser operado a
una velocidad demasiado baja.
Un factor determinante en la velocidad de un motor es el nmero de pares
de polos, estos comnmente son 1, 2, 3 o 4 pares, o sea 2, 4, 6 u 8 polos, como
se puede observar directamente en la formula:
n=60f
p
Donde f es la frecuencia de la red y p el numero de pares de polos.
Debe recordarse que es la velocidad de sincronismo en motores
sncronos y la velocidad del campo en motores asncronos.
Por ejemplo un motor que trabaje a 60Hz tendr una velocidad de 1800rpm
si este tiene dos pares de polos y lo har a 3600rpm si este tiene un par de polos.
En los motores D.C. la velocidad del motor es afectada por la variacin del
voltaje que a su vez afecta la potencia del motor, una tcnica muy utilizada para
variar la velocidad en un motor D.C. es la tcnica del control por ancho de pulso, la
cual varia el ancho de pulso de una seal cuadrada la que afecta la velocidad del
motor, afectando mnimamente su potencia.
2.5. Corriente de carga completa (FLA)
Los motores consumen corriente de carga completa cuando producen su
potencia nominal. A la corriente de carga completa se hace referencia, en la placa
de caractersticas, como FLA (full load amperage o amperaje de carga completa).
Bajo una carga ligera o sin carga los motores consumen menos del amperaje de
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carga completa y bajo condiciones de sobrecarga consumen ms de dicho
amperaje.
El amperaje de carga completa indicado en la placa de caractersticas de
los motores trifsicos es la corriente en cada conductor de fase. Para que el motor
opere en la forma apropiada, la lectura del amperaje en cada conductor de fase
debe ser igual, si acaso con una diferencia muy pequea.
2.6. Voltaje
El voltaje de alimentacin mencionado para los motores es el voltajecompleto que el motor necesita para producir su salida de potencia nominal.
Debido a las prdidas de transmisin de la lnea, es probable que el voltaje
real en cualquier motor sea algo inferior al voltaje nominal de alimentacin del
sistema.
Es por ello que el voltaje mencionado en la placa de fbrica es ligeramente
inferior a los voltajes nominales de alimentacin. Por ejemplo, es probable que el
rgimen que se asigne a un motor nuevo que se va a conectar a un suministro de
corriente alterna de 480V, sea de 460V. Adems la mayora de los motores vienen
diseados para funcionar con voltajes distintos, esto variando la conexin interna
de las bobinas, por ejemplo 120/240v o 240/480v.
2.7. Fuente de energa
La mayora del servicio industrial utiliza energa trifsica de AC de 50 o 60
Hertz. En Guatemala la frecuencia normalizada es de 60Hz.
La mayora de los motores de AC tienen un rgimen para 50 o 60Hz y,
normalmente, operaran con la otra frecuencia en una emergencia, pero no a la
velocidad normal. Un motor de 60Hz accionado con 50Hz operara a 5/6 de su
velocidad normal. Un motor de 50 Hz operara ms rpido de lo normal con 60Hz.
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En ambos casos, la salida de energa disponible ser inferior. Sin embargo
algunos motores son diseados para trabajar con ambas frecuencias ya sea 50 o
60Hz.
2.8. Factor de servicio
El factor de servicio provee una indicacin de la sobrecarga continua que un
motor puede tolerar sin daarse.
Un motor de 4HP con un factor de servicio de 1.25 puede realmente
producir 4x1.25=5 HP antes de que se sobrecaliente. Sin embargo, un motor conun rgimen de 5HP producir 5HP en forma ms eficiente y con un factor de
potencia ms alto. Sin embargo lo adecuado es utilizar motores cuya potencia
nominal solvente las necesidades a cubrir, adems antes de sobrecargar
determinado motor se debe estar seguro de su factor de servicio.
2.9. Factor de potencia
El factor de potencia de un motor AC, es un numero decimal entre 0 y 1, y
se define como la relacin entre la potencia activa, P, y la potencia aparente, S, si
las corrientes y tensiones son seales perfectamente sinusoidales.
. . = =
La potencia activa es la potencia que representa la capacidad de un circuito
para realizar un proceso de transformacin de la energa elctrica en trabajo,
como convertir energa elctrica en energa mecnica, lumnica, trmica, qumica,
etc.
La potencia aparente llamada tambin "potencia total", es el resultado de la
suma geomtrica de las potencias activa y reactiva. Esta potencia es la que
realmente suministra una planta elctrica cuando se encuentra funcionando al
vaco, es decir, sin ningn tipo de carga conectada.
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La potencia reactiva la consumen los circuitos de corriente alterna que
tienen conectadas cargas reactivas, como pueden ser motores, transformadores
de voltaje y cualquier otro dispositivo similar que posea bobinas o enrollados.
La potencia reactiva, Q, no proporciona ningn tipo de trabajo til, pero los
dispositivos que poseen bobinas, requieren este tipo de potencia para poder
producir el campo magntico con el cual funcionan. La unidad de medida de la
potencia reactiva es el volti-amperio reactivo (VAR).
FIGURA 7
TRIANGULO DE POTENCIAS.
FUENTE: Elaborado por el autor 2010.
El coseno del ngulo o factor de potencia es de suma importancia ya que
un motor que cuente con un factor de potencia demasiado bajo demandara mucha
ms corriente para generar determinada potencia que si contara con un factor de
potencia alto.
Si el factor de potencia es 1, el voltaje y la corriente estn totalmente en
fase. Toda la corriente multiplicada por el voltaje, producen watts que son
convertidos en calor o potencia mecnica en el motor.
Un factor de potencia de 0 significa que le voltaje y la corriente estn a 90
fuera de la fase y que la corriente multiplicada por el voltaje no producen watts,
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sino solo volti-amperios. Aun cuando un motor pueda estar consumiendo alta
corriente, no se le estarn suministrando watts si el factor de potencia es 0 y no
puede producir salida de potencia, ni siquiera, operar sin carga.
2.10. Eficiencia
La placa de caracterstica en muchos motores incluye un rgimen de
eficiencia a plena carga. Un motor que opera bajo una carga muy ligera o bajo
condiciones de sobrecarga ser menos eficiente de lo indicado.
La eficiencia de un motor elctrico es la medida con que este logra
transformar la energa elctrica en energa mecnica.
2.11. Temperatura ambiente
La mayora de las placas especifican la temperatura mxima del ambiente
alrededor del motor. Esta temperatura ambiente especificada es, con frecuencia,
de 40 Celsius, que corresponde a 104 grados Fahrenheit. A temperaturas
ambiente ms altas, el motor no podr liberarse del calor proveniente de sus
diferentes perdidas y se sobrecalentara. Si un motor debe operar en un ambiente
ms caliente, no debe ser operado a su capacidad de carga completa.
El calentamiento del motor se produce, principalmente, por las prdidas en
el hierro de las chapas magnticas y del ncleo, lo que es conocido como perdidas
por histresis; la histresis es la tendencia de un material a conservar una de sus
propiedades, en este caso la propiedad magntica; y por las prdidas en el cobre
del devanado, esto debido a la resistencia que el cobre ofrece al paso de lacorriente. Estas ltimas calientan tambin el aislamiento de cada conductor.
Muchas veces un aumento de la temperatura en el ambiente viene
acompaado de un aumento de humedad, cuando los motores estn operando, la
humedad del ambiente generalmente no es daina, pero cuando se apagan y se
enfran, si los motores no cuentan con una proteccin adecuada, se producir la
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condensacin en el interior de los mismos, lo que si resulta ser daino para ellos,
produciendo daos en los devanados y los rodamientos de los mismos.
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CAPITULO 3
SELECCIN DE MOTORES ELECTRICOS
Es importante hacer una buena seleccin de un motor elctrico, ya que de
ello depender la oportunidad de obtener la mayor vida til del equipo, y una
mxima eficiencia, lo que se reflejar directamente en un bajo nmero de fallas.
Adems de ello es de gran importancia realizar un estudio econmico, sobre los
gastos necesarios en la compra de repuestos, mantenimiento del motor, y
consumo de energa elctrica.
Toda seleccin de un motor elctrico depende fundamentalmente de tres
aspectos: instalacin, operacin y mantenimiento. De lo cual se derivan los
siguientes cuestionamientos:
Es una instalacin nueva o existente?
Cules son las condiciones de la red elctrica?
Cul es la carga que el motor va a accionar?
Cules son las condiciones medioambientales?
Cul va a ser el tiempo de recuperacin de la inversin?
Qu tipo de normas debe cumplir el motor?
Cmo va a ser hecho el arranque del motor?
Cules son las caractersticas de potencia y velocidad requeridas del
motor?
3.1. Las normasExisten dos normas bajo las cuales se fabrican los motores:
IEC Comisin Electrotcnica Internacional que es utilizada por la gran
mayora de pases y especialmente por los europeos.
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NEMA Asociacin Nacional de Fabricantes de Equipos Elctricos. Es una
norma nacional de Estados Unidos, pero es comn en muchos pases.
Hay varias diferencias en la construccin dependiendo de la norma, pero lo
ms significativo es que mientras las dimensiones segn IEC son en milmetros,
segn NEMA son en pulgadas.
3.2. La red de alimentacin
Las principales caractersticas que identifican una red elctrica son latensin (voltaje) y frecuencia. En Guatemala la frecuencia normalizada es 60 Hz,
aunque en muchos pases en especial los europeos es de 50Hz. Dada la
diversidad de tamaos de industrias, no hay una nica tensin, por lo que es usual
que los motores tengan doble tensin, por ejemplo 220/440 V. De esta forma,
muchos motores cuentan con varios cables de conexin. Esta caracterstica les
hace aptos para funcionar prcticamente en cualquier red, pero es importante
tener bastante precaucin en las conexiones, pues con mayor cantidad de uniones
a realizar, se puede presentar mayor cantidad de errores. Esto debe evitarse
durante la etapa de instalacin.
3.3. La carga
La carga es la que define la potencia y velocidad del motor por lo que es
conveniente hacer un estudio detallado sobre esta, principalmente en el caso de
instalaciones nuevas. Estos puntos nos ayudan a definir cmo ser el
comportamiento dinmico del motor con su mquina de trabajo y cules sern los
tiempos de arranque. Mquinas como bombas y ventiladores tienen un
comportamiento diferente de molinos, trituradoras y diferente de bandas
transportadoras o de mquinas herramientas o elevadores. En todas estas
mquinas, los torques de arranque son diferentes y con toda seguridad, los ciclos
de trabajo varan de una instalacin a otra.
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Generalmente para un motor en servicio continuo se utiliza un par mximo
igual a 1.6 veces su par medio, mientras que para servicio intermitente se utiliza
un par mximo igual a 2 veces su par medio.
3.4. Las condiciones de instalacin
Otro tema a considerar son las condiciones propias del ambiente:
contaminacin, presencia de agentes qumicos, utilizacin en lugares abiertos o
cerrados.
Para garantizar una adecuada seleccin del motor, es importante conocer elsignificado de grado de proteccin IP, definido segn normas internacionales,
como la IEC y la NEMA, IP significa INTERNAL PROTECTION y determina el
grado de proteccin que proporciona la cubierta del motor. Viene seguido de dos
cifras caractersticas; la primera de ellas indica la proteccin contra el ingreso de
cuerpos slidos y la segunda indica la proteccin contra el ingreso de lquidos.
Los siguientes son los ms comunes:
IP21: Protegido contra contacto con los dedos, contra ingreso de cuerpos
slidos mayores que 12 mm y contra gotas verticales de agua.
IP22: Protegido contra contacto con los dedos, contra ingreso de cuerpos
slidos mayores que12 mm y contra gotas de agua hasta una inclinacin de 15
con la vertical.
IP55: Protegido completamente contra contacto, contra acumulacin de
polvos nocivos y contra chorros de agua en todas las direcciones.
En caso de ambientes agresivos, es necesario prestar especial atencin,
pues en ocasiones los motores estarn expuestos a vapores cidos, lcalis y
solventes.
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Es tambin importante considerar si el motor ser instalado en un rea
clasificada (lugares donde se almacenen productos inflamables), pues en estos
casos se requieren cuidados especiales que garanticen el mantenimiento de los
equipos y especialmente, no pongan en riesgo la vida humana.
3.5. El arranque
Uno de los momentos ms crticos para el motor, la red y la carga es el
arranque. En este momento el motor consume varias veces su corriente nominal
(el motor jaula de ardilla consume durante el arranque una corriente que puedeoscilar entre 5 y 8 veces la corriente nominal). El arranque es el periodo en el que
el motor hace la transicin desde su estado de reposo hasta su velocidad de
rgimen.
Para la red, la mejor condicin de arranque es aquella en que este tiempo
de transicin es el mnimo posible y la corriente consumida es la mnima posible.
Para el motor, la mejor condicin de arranque es la que garantiza el menor
calentamiento. Para la carga, la mejor condicin es aquella que garantiza los
menores desgastes mecnicos. En general, el tipo de arranque de cada aplicacin
debe ser analizado adecuadamente para lograr el mejor equilibrio entre las tres
partes mencionadas previamente.
Existen los siguientes tipos de arranque:
1. Directo. El motor tendr una corriente de arranque normal (hasta ocho
veces la corriente nominal) y un par de arranque normal.
2. Estrella-Tringulo. La corriente y el torque se reducen a la tercera parte
(hasta tres veces la corriente nominal).
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3. Por Autotransformador. El autotransformador es fabricado para entregar
al motor una tensin menor de la nominal. Esta tensin puede estar entre el 30% y
el 70% dependiendo de la aplicacin. La corriente y el torque variarn en
proporcin cuadrtica a la tensin de alimentacin.
4. Arranque electrnico suave. En este mtodo, el arrancador alimenta el
motor con una tensin reducida y gradualmente aumenta la tensin hasta la
tensin de rgimen. El comportamiento inicial de la corriente y el torque ser
idntico al mtodo por autotransformador, pero el comportamiento durante todo el
periodo de transicin depender de la manera como el arrancador suave seacontrolado.
5. Variador de velocidad (o variador de frecuencia). Mediante este mtodo,
se logra limitar la corriente de arranque a valores de hasta dos veces la corriente
nominal, mientras se obtiene un torque de arranque adecuado para cualquier
aplicacin. Adems, la transicin ser la ms suave posible de todos los mtodos.
Mecnicamente, es la mejor forma de hacer la operacin, adems de que permite
realizar control de velocidad preciso.
En los primeros tres mtodos se da una transicin brusca desde el reposo
hasta su velocidad de rgimen. En los mtodos 2 y 3, adicionalmente se da una
transicin desde el estado de tensin reducida a tensin plena. En el mtodo 4, se
logra una transicin menos brusca, pero an con algunos saltos, pues lo que se
est controlando es la tensin de alimentacin. En el mtodo 5, se logra una
transicin mucho ms suave, pues se est controlando efectivamente la velocidad
del motor y de la carga.
3.6. Potencia y velocidad
Es importante prever la potencia de un motor con amplitud para eliminar
averas por calentamiento exagerado, pero tambin hay que tener en cuenta que
el precio del motor resulta mayor cuanto mayor sea la potencia y que las
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dificultades de regulacin tambin aumentan al aumentar la potencia. Por todo
esto la determinacin de la potencia deber ser lo ms exacta posible.
No escogeremos el motor en funcin de la potencia mxima a desarrollar
sino de acuerdo con el trmino medio del valor de la carga. La carga mxima solo
la utilizaremos como comprobacin de que el motor escogido tiene un par motor
suficiente para los casos en que la carga pueda alcanzar su valor mximo.
Para la eleccin del motordeber tambin tenerse en cuenta el nmero de
revoluciones, habr que elegir velocidades normales de serie, las velocidadesanormales encarecen la instalacin y dificultan posteriormente las sustituciones.
Para la eleccin del tamaode los motores deber tenerse en cuenta el tipo
de servicio que van a realizar, se distinguen las tres formas de trabajo siguientes:
1. Servicio permanente o continuo: El motor est funcionando
constantemente o por lo menos durante algunas horas con plena carga,
alcanzando as su temperatura final. Esta temperatura no debe sobrepasar el
lmite fijado de diseo del motor.
2. Servicio de corta duracin:La carga acta con toda intensidad durante
un corto tiempo, a este estado le sigue una marcha en vaco o la desconexin, que
da tiempo al enfriamiento del motor. La potencia nominal en este tipo de servicio
ser aquella que puede suministrar el motor durante el tiempo convenido sin
calentamiento excesivo (Por ejemplo 50 Kw en 15 minutos).
3. Servicio intermitente:Alternan el tiempo de funcionamiento y el tiempo
de reposo, el tiempo de ciclo ser la suma de ambos. El tiempo del ciclo no debe
sobrepasar al tiempo requerido para que el motor se enfri completamente. De
esta forma la temperatura va aumentando escalonadamente hasta el valor final
que tardar mas tiempo en alcanzarse que en el rgimen continuo.
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La potencia de un motor es consecuencia del torque que este deber
proporcionar y de la velocidad a la que lo har, como regla general la potencia de
un motor es ms grande mientras mayor sea el nmero de revoluciones, y
mientras mayor sea el torque a proporcionar.
La capacidad de sobrecarga del motor ser un factor a considerar, pues el
ciclo de carga puede exigir al motor que en ciertos momentos suministre mayor
potencia de su potencia nominal. Esta capacidad es determinada por el factor de
servicio.
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