ElectricidadMediciones Eléctricas I (4°) · Máquinas Eléctricas I (5°)

Ensayos de motores y transformadores

La chapa de una máquina dice lo que debería hacer; el ensayo dice lo que hace. Con muy poca energía —sin cargarla a plena potencia— dos o tres ensayos entregan los parámetros del circuito equivalente, el rendimiento y la regulación, y permiten decidir si la máquina está en condiciones de trabajar.

Vacío Cortocircuito Rotor bloqueado Calentamiento

01Antes de ensayar: método, instrumentos y seguridad

Un ensayo es una medición planificada: se pone la máquina en una condición conocida, se miden pocas magnitudes con instrumentos adecuados y de ahí se calculan las que no se pueden medir directamente. La chapa de características dice qué debería hacer la máquina; el ensayo dice qué hace. Los principios de funcionamiento y los arranques están en Motores de corriente alterna y en Transformadores; acá se ve cómo se comprueban.

En vacío

Tensión nominal y nada conectado a la salida (el motor, sin carga acoplada). La máquina toma poca potencia, casi toda para magnetizar el núcleo y vencer rozamientos. Da las pérdidas en el hierro y la corriente de excitación.

En cortocircuito o con el rotor bloqueado

Salida en cortocircuito (o eje trabado) y tensión reducida, la justa para que circule la corriente nominal. Da las pérdidas en el cobre y la impedancia de dispersión.

Con carga

La máquina entrega potencia a una carga real o a un freno. Da el rendimiento, la regulación y el calentamiento, pero consume toda la energía y exige una carga adecuada.

Por qué dos ensayos «chicos» reemplazan a uno grande

A plena carga, un transformador de 5 kVA entrega 4 kW con $\cos φ = 0,8$ . En los ensayos clásicos, la red aporta apenas 60 W en vacío y 110 W en cortocircuito. Como las pérdidas del hierro dependen de la tensión y las del cobre de la corriente, cada ensayo aísla un grupo de pérdidas con una fracción de la energía. Con los dos se arma el circuito equivalente y desde ahí se calcula lo demás: rendimiento a cualquier carga, regulación, corriente de cortocircuito.

Magnitud	Instrumento	Cuidado al ensayar
Tensión	Voltímetro de valor eficaz verdadero	En paralelo, tomada en los bornes de la máquina y no en la fuente: la caída en los cables falsea el ensayo de cortocircuito.
Corriente	Amperímetro o pinza amperométrica	En serie. Elegir el alcance para leer en el último tercio de la escala (ver sección 06).
Potencia activa	Vatímetro o analizador de redes	En vacío el factor de potencia es de 0,1 a 0,3: usar un vatímetro de bajo $\cos φ$ o un analizador. Uno común casi no mueve la aguja y lee mal.
Potencia trifásica	Dos vatímetros (método de Aron)	$P = P_{1} + P_{2}$ ; si uno marca negativo, se resta. Ver circuitos trifásicos.
Resistencia	Método voltímetro-amperímetro, puente o microhmímetro	Con corriente continua y poca corriente, para no calentar el bobinado. Anotar siempre la temperatura.
Aislación	Megóhmetro	Con la máquina desconectada y descargada; 500 V de continua en bobinados de baja tensión.
Velocidad	Tacómetro óptico o de contacto, estroboscopio	De ella sale el deslizamiento: medirla junto con las demás magnitudes, no después.
Temperatura	Termómetro, termocupla o cámara termográfica	Fijar el punto de medición; la temperatura de la carcasa no es la del bobinado.

Cómo es cada instrumento por dentro y cómo se conecta está en instrumentos analógicos, instrumentos digitales y mediciones en corriente alterna.

Los ensayos son seguros solo si están bien armados

Vacío de un transformador: si se alimenta por el lado de baja, el lado de alta queda a tensión elevada y sin carga (en el ejemplo, 440 V). Tratalo como vivo.

Cortocircuito: la tensión es baja, pero circula la corriente nominal. Bornes bien apretados y cables de sección suficiente: una conexión floja se calienta y puede incendiarse.

Rotor bloqueado: trabá el eje con un dispositivo mecánico firme y mantené la prueba pocos segundos; el bobinado se calienta rápido.

Partí siempre de tensión cero con un autotransformador variable, llevala a cero antes de tocar cualquier conexión y verificá la ausencia de tensión con instrumento. El marco legal es la Ley 19.587 y el Decreto 351/79; el detalle práctico está en higiene y seguridad.

02Transformador: ensayos de vacío y de cortocircuito

Los dos ensayos usan la misma instrumentación: un autotransformador variable, un voltímetro, un amperímetro y un vatímetro. Cambia qué arrollamiento se alimenta y qué se hace con el otro.

Figura 1. Conexión de los instrumentos, animada. En vacío el secundario queda abierto (solo lo mide un voltímetro); en cortocircuito se lo cierra con un amperímetro y la tensión se sube de a poco hasta la corriente nominal. El vatímetro (W) lleva su bobina de corriente en serie y la de tensión en paralelo.

	Ensayo de vacío	Ensayo de cortocircuito
Se alimenta por	El lado de baja tensión (más cómodo).	El lado de alta tensión (la corriente nominal es menor).
El otro arrollamiento	Abierto.	En cortocircuito, con un amperímetro de baja resistencia.
Tensión aplicada	La nominal, subida de a poco.	Reducida: la que haga circular la corriente nominal, unos pocos por ciento de la nominal.
Se mide	$V_{0}$ , $I_{0}$ , $P_{0}$	$V_{cc}$ , $I_{1 n}$ , $P_{cc}$
Pérdidas que aparecen	Hierro: $P_{Fe} \approx P_{0}$ (el cobre es despreciable porque $I_{0}$ es chica).	Cobre a plena carga: $P_{Cu} = P_{cc}$ (el hierro es despreciable porque la tensión es chica).
Parámetros que da	$R_{Fe}$ y $X_{μ}$ : la rama de excitación.	$R_{cc}$ y $X_{cc}$ : la impedancia de dispersión.

\cos φ_{0} = \frac{P_{0}}{V_{0} I_{0}} I_{Fe} = I_{0} \cos φ_{0} I_{μ} = I_{0} \sin φ_{0} R_{Fe} = \frac{V_{0}}{I_{Fe}} = \frac{V_{0}^{2}}{P_{0}} X_{μ} = \frac{V_{0}}{I_{μ}}

Ensayo de vacío. La corriente se descompone en una parte que está en fase con la tensión (pérdidas del hierro,

I_{Fe}

) y otra atrasada 90° (magnetizante,

I_{μ}

Z_{cc} = \frac{V_{cc}}{I_{1 n}} R_{cc} = \frac{P_{cc}}{I_{1 n}^{2}} X_{cc} = \sqrt{Z_{cc}^{2} - R_{cc}^{2}}

Ensayo de cortocircuito. Se mide del lado alimentado, así que los valores quedan referidos a ese lado. Para pasarlos al otro se multiplica o divide por

a^{2}

, con

a

la relación de transformación.

Figura 2. Qué parte del circuito equivalente revela cada ensayo, animada, con los valores del ejemplo referidos al lado de alta. En vacío la corriente casi no atraviesa la rama serie y la tensión cae casi entera sobre la rama de excitación; en cortocircuito pasa lo contrario, porque la rama de excitación queda en paralelo con una impedancia mínima.

Ejemplo · Los parámetros de un transformador de 5 kVA

Transformador monofásico de 5 kVA, 440/220 V, 50 Hz. Ensayo de vacío por baja: 220 V, 1,8 A, 60 W. Ensayo de cortocircuito por alta, a corriente nominal: 22 V, 11,36 A, 110 W.

1 · Corrientes nominales. $I_{1 n} = \frac{5000}{440} = 11,36$ A y $I_{2 n} = \frac{5000}{220} = 22,73$ A.

2 · Vacío. $\cos φ_{0}$ $= \frac{60}{220 \cdot 1,8}$ $= 0,1515$ (φ₀ = 81,3°). $I_{Fe} = 1,8 \cdot 0,1515 = 0,273$ A e $I_{μ} = 1,8 \cdot 0,9885 = 1,779$ A. Entonces $R_{Fe}$ $= \frac{220^{2}}{60}$ $= 806,7 Ω$ y $X_{μ}$ $= \frac{220}{1,779}$ $= 123,6 Ω$ . Referidos al lado de alta se multiplican por $a^{2} = 2^{2} = 4$ : 3227 Ω y 495 Ω.

3 · Cortocircuito. $Z_{cc}$ $= \frac{22}{11,36}$ $= 1,936 Ω$ ; $R_{cc}$ $= \frac{110}{{11,36}^{2}}$ $= 0,852 Ω$ ; $X_{cc}$ $= \sqrt{{1,936}^{2} - {0,852}^{2}}$ $= 1,739 Ω$ . En por ciento: $ε_{cc}$ $= \frac{22}{440}$ $= 5,0 %$ , $ε_{R} = \frac{110}{5000} = 2,2 %$ y $ε_{X}$ $= \sqrt{{5,0}^{2} - {2,2}^{2}}$ $= 4,49 %$ .

4 · Rendimiento con $\cos φ = 0,8$ . A plena carga: $P_{2} = 5000 \cdot 0,8 = 4000$ W, pérdidas $60 + 110 = 170$ W y $η = \frac{4000}{4170} = 95,9 %$ . A media carga las pérdidas del cobre se dividen por cuatro: $60 + 110 \cdot {0,5}^{2} = 87,5$ W, y $η = \frac{2000}{2087,5} = 95,8 %$ . El máximo ocurre cuando el cobre iguala al hierro: $\sqrt{\frac{60}{110}} = 0,74$ , es decir al 74 % de la carga nominal.

5 · Regulación a plena carga con $\cos φ = 0,8$ inductivo: $ε \approx ε_{R} \cos φ + ε_{X} \sin φ$ $= 2,2 \cdot 0,8 + 4,49 \cdot 0,6$ $= 4,45 %$ . La tensión del secundario baja de 220 V a unos 210,2 V.

6 · Cortocircuito en bornes (con una red ideal): $\frac{I_{1 n}}{ε_{cc}}$ $= \frac{11,36}{0,05}$ $= 227$ A, veinte veces la nominal. Es el dato con el que se elige la protección.

Dos precisiones que cambian el resultado

La resistencia depende de la temperatura. $P_{cc}$ se mide con la máquina estabilizada y se corrige a la temperatura de referencia que fije la norma (IEC 60076-1); con el bobinado frío el cobre da menos pérdidas de lo que dará en servicio.

La tensión debe ser senoidal. Si la alimentación está deformada, el hierro pierde distinto y $P_{0}$ no es el de la red. Controlá la forma de onda con osciloscopio antes de dar por buena la medición.

03Motor de inducción: ensayo de vacío y de rotor bloqueado

El motor de inducción es un transformador cuyo secundario gira. Por eso se ensaya igual: en vacío se ve la rama de excitación y con el rotor bloqueado (deslizamiento $s = 1$ , el equivalente del cortocircuito) la impedancia de dispersión. La diferencia es que el motor tiene pérdidas mecánicas que el transformador no tiene. El campo giratorio, el deslizamiento y los métodos de arranque están en Motores de corriente alterna.

Ensayo de vacío

Tensión nominal, sin carga acoplada, con la máquina rodando varios minutos hasta que los rodamientos estabilicen. Se miden tensión, corriente de las tres fases y potencia. La potencia absorbida cubre tres cosas:

$P_{0}$ $= P_{Fe} + P_{mec} + 3 I_{0}^{2} R_{1}$

el hierro, la fricción y ventilación, y el cobre del estator. Para separar el hierro de lo mecánico se repite bajando la tensión de $1,1 V_{n}$ hasta cerca de la mitad, se grafica $P_{0} - 3 I_{0}^{2} R_{1}$ contra $V^{2}$ y se extrapola a $V = 0$ : lo que queda no depende de la tensión y es la pérdida mecánica.

Ensayo de rotor bloqueado

Eje trabado y tensión reducida, subida desde cero hasta que la corriente sea la nominal; lectura rápida, en pocos segundos. Con $s = 1$ casi toda la corriente atraviesa la rama serie y la rama de excitación se puede despreciar. Se mide $V_{bl}$ , $I_{bl}$ y $P_{bl}$ ; antes hay que medir en continua la resistencia del estator, $R_{1}$ .

Z_{bl} = \frac{V_{bl} / \sqrt{3}}{I_{bl}} R_{bl} = \frac{P_{bl}}{3 I_{bl}^{2}} X_{bl} = \sqrt{Z_{bl}^{2} - R_{bl}^{2}} R_{2}^{'} = R_{bl} - R_{1}

Valores por fase de la estrella equivalente, con

V_{bl}

de línea. Sin otro dato, la reactancia de dispersión se reparte por mitades:

X_{1} \approx X_{2}^{'} \approx X_{bl} / 2

Ejemplo · Un motor trifásico de 5,5 kW

Motor de 4 polos, 5,5 kW, 380 V, 50 Hz, con $I_{n} = 11,5$ A y 1440 rpm en la chapa. Resistencia del estator medida en continua: $R_{1} = 1,05 Ω$ por fase (de la estrella equivalente). Ensayo de vacío a 380 V: 4,6 A y 340 W. Rotor bloqueado: 65 V, 11,5 A y 650 W.

1 · Vacío. $S_{0} = \sqrt{3} \cdot 380 \cdot 4,6 = 3028$ VA y $\cos φ_{0}$ $= \frac{340}{3028}$ $= 0,112$ : la corriente de 4,6 A, el 40 % de la nominal, es casi toda magnetizante. $Q_{0} = \sqrt{3028^{2} - 340^{2}} = 3008$ var y la reactancia de vacío es $X_{0} = \frac{380^{2}}{3008} = 48,0 Ω$ ( $X_{1} + X_{m}$ ).

2 · Pérdidas en vacío. Cobre del estator: $3 \cdot {4,6}^{2} \cdot 1,05 = 66,7$ W. Queda $340 - 66,7 = 273,3$ W de hierro más mecánicas. La extrapolación a $V = 0$ dio 110 W de fricción y ventilación, de modo que el hierro es $273,3 - 110 = 163,3$ W.

3 · Rotor bloqueado. $Z_{bl}$ $= \frac{65 / \sqrt{3}}{11,5}$ $= 3,263 Ω$ ; $R_{bl}$ $= \frac{650}{3 \cdot {11,5}^{2}}$ $= 1,638 Ω$ ; $X_{bl}$ $= \sqrt{{3,263}^{2} - {1,638}^{2}}$ $= 2,822 Ω$ . Entonces $R_{2}^{'} = 1,638 - 1,05 = 0,588 Ω$ y $X_{1} \approx X_{2}^{'} \approx 1,41 Ω$ .

4 · Arranque a tensión plena (extrapolando linealmente): $I_{arr} \approx 11,5 \cdot \frac{380}{65}$ $= 67,2$ A, es decir $5,8 I_{n}$ . El par se obtiene de la potencia que cruza el entrehierro, $3 \cdot {11,5}^{2} \cdot 0,588 = 233,4$ W, a velocidad sincrónica $ω_{s}$ $= \frac{2 π \cdot 1500}{60}$ $= 157,1$ rad/s: $T = \frac{233,4}{157,1} = 1,49$ N·m a 65 V, que a 380 V se multiplica por $(380 / 65)^{2} = 34,2$ y da 50,8 N·m. El par nominal es $\frac{5500}{2 π \cdot 1440 / 60} = 36,5$ N·m, así que el par de arranque es $1,39 T_{n}$ .

Lo que el ensayo estima y lo que no

La corriente y el par de arranque así calculados son estimaciones: con tensión plena los caminos del flujo de dispersión se saturan y la corriente real resulta algo menor que la extrapolada. En rotores de doble jaula, además, $R_{2}$ y $X_{2}$ cambian con la frecuencia del rotor, y con el rotor bloqueado esa frecuencia es la de la red. Para verificar un arranque hay que medirlo con la tensión de servicio y un registrador de corriente.

04Medición en motores de CA y de CC

Además de los ensayos de laboratorio, el técnico mide el motor en servicio y fuera de servicio. Esta es la lista de lo que se controla en una máquina de corriente alterna y qué dice cada valor.

Medición	Cómo se hace	Qué dice
Chapa y conexión	Leer tensión, corriente, velocidad, $\cos φ$ , clase de aislación, servicio y bornera.	Si el motor corresponde a la red (380 V estrella o 220 V triángulo) y a la carga. Ver la chapa de características.
Tensión de línea	Entre las tres fases, en los bornes del motor y con carga.	Caída en el alimentador y desequilibrio de tensión. Un desequilibrio chico de tensión produce uno varias veces mayor de corriente.
Corriente de cada fase	Pinza amperométrica sobre cada conductor, en servicio normal.	Sobrecarga (contra $I_{n}$ ) y desequilibrio.
Potencia y $\cos φ$	Dos vatímetros o analizador; $P = \sqrt{3} V I \cos φ$ .	Carga real del motor y factor de potencia. Ver potencia en CA.
Resistencia de bobinados	Entre bornes, con continua, en frío y con la temperatura anotada.	Fases iguales (diferencia de pocos por ciento), cortes o espiras en cortocircuito, y base para el ensayo de calentamiento.
Aislación	Megóhmetro entre bornes y carcasa, con el motor desconectado.	Humedad o deterioro del barniz. Importa la tendencia, no un valor aislado; como mínimo orientativo, $(k V + 1)$ MΩ a 40 °C (IEEE 43).
Velocidad	Tacómetro en el eje.	Deslizamiento $s = \frac{n_{s} - n}{n_{s}}$ ; con 1500 rpm sincrónicas y 1440 rpm, $s = \frac{60}{1500} = 4 %$ .
Temperatura	Cámara termográfica o termómetro sobre carcasa y rodamientos.	Sobrecarga, ventilación obstruida o rodamientos en mal estado.

El desequilibrio de corriente se calcula como la mayor desviación respecto del promedio, dividida por el promedio. Con las lecturas 7,4 – 7,6 – 9,8 A del tema de mantenimiento eléctrico, el promedio es $\frac{7,4 + 7,6 + 9,8}{3} = 8,27$ A y la desviación máxima $9,8 - 8,27 = 1,53$ A, es decir $\frac{1,53}{8,27} = 18,5 %$ : demasiado para un motor que debe trabajar sano.

Máquinas de corriente continua

En una máquina de CC se miden además cosas que la de CA no tiene: el inducido con su colector, el campo de excitación y la fuerza contraelectromotriz.

Medición	Cómo se hace	Qué dice
Resistencia del inducido $R_{a}$	Método voltímetro-amperímetro con el eje quieto, en cuatro posiciones del rotor.	Si las cuatro lecturas difieren, hay malas escobillas, colector sucio o delgas en mal estado.
Resistencia del campo	Entre los bornes del devanado de excitación, en continua.	Cortes o espiras en cortocircuito en el campo.
Fuerza contraelectromotriz $E$	Se calcula: $E = V - I_{a} R_{a}$ en un motor, $E = V + I_{a} R_{a}$ en un generador.	Es proporcional a la velocidad y al flujo: $E = k Φ n$ .
Característica de vacío (generador)	Con velocidad constante y sin carga, medir $E$ variando la corriente de campo $I_{f}$ .	La curva sube, se curva por saturación y no vuelve por el mismo camino por la histéresis.
Regulación de velocidad (motor)	Medir $n$ en vacío y a plena carga con la tensión constante.	Qué tanto cae la velocidad al cargar.

Ejemplo · Regulación de velocidad de un motor de CC derivación

Motor shunt de 220 V con $R_{a} = 0,8 Ω$ . A plena carga toma $I_{a} = 18$ A y gira a 1500 rpm; en vacío, $I_{a} = 1,5$ A. Con el campo constante, la velocidad es proporcional a la fuerza contraelectromotriz.

A plena carga: $E = 220 - 18 \cdot 0,8 = 205,6$ V. En vacío: $E_{0} = 220 - 1,5 \cdot 0,8 = 218,8$ V. Entonces $n_{0}$ $= 1500 \cdot \frac{218,8}{205,6}$ $= 1596$ rpm y la regulación es $\frac{1596 - 1500}{1500} = 6,4 %$ . En la práctica es algo menor, porque la reacción del inducido debilita el flujo al cargar y compensa en parte la caída.

Un motor de CC nunca pierde el campo con el inducido alimentado

En un motor shunt o de excitación independiente, si se corta el circuito de campo con tensión en el inducido, el flujo cae a casi cero y la velocidad crece sin límite hasta que el rotor se destruye. Antes de medir la resistencia del campo, desenergizá todo; y no abras el circuito de excitación en marcha.

05Curva de carga y ensayo de calentamiento

El ensayo con carga es el único que mide el rendimiento, la velocidad y el factor de potencia directamente, y el que muestra el calentamiento real. Se carga el motor con un freno: un freno de Prony (cinta o zapata con balanza), un generador que alimenta una carga eléctrica o un freno electromagnético. La potencia útil sale del par y de la velocidad.

P_{u} = T ω = T \cdot \frac{2 π n}{60} η = \frac{P_{u}}{P_{1}} s = \frac{n_{s} - n}{n_{s}}

T

en N·m,

n

en rpm,

P_{u}

en W. Con un brazo de 0,25 m y una fuerza de 100 N, el par es 25 N·m y, a 1440 rpm,

P_{u} = 25 \cdot 150,8 = 3770

Figura 3. Curva de carga del motor del ejemplo de 5,5 kW, animada, calculada con las pérdidas medidas en los ensayos de la sección 03 (273 W constantes y 650 W de cobre a plena carga, proporcionales al cuadrado de la carga). El rendimiento llega a su máximo cerca del 65 % de la carga y el factor de potencia crece con la carga.

Carga	Corriente de línea	$\cos φ$	Velocidad	Rendimiento	Potencia absorbida
25 %	5,3 A	0,48	1485 rpm	81,4 %	1,69 kW
50 %	6,9 A	0,70	1470 rpm	86,3 %	3,19 kW
75 %	9,0 A	0,80	1455 rpm	86,6 %	4,76 kW
100 %	11,5 A	0,85	1440 rpm	85,6 %	6,42 kW
125 %	14,2 A	0,87	1425 rpm	84,2 %	8,16 kW

Modelo simplificado armado con los ensayos: pérdidas constantes de 273 W (hierro más fricción), cobre de 650 W a corriente nominal proporcional al cuadrado de la carga, potencia reactiva que crece igual, y potencia útil igual a la fracción de 5,5 kW. Por encima del 100 % el motor está sobrecargado; se muestra solo para ver la tendencia.

Por qué no conviene sobredimensionar un motor

El rendimiento es máximo cuando las pérdidas del cobre igualan a las constantes: $x = \sqrt{\frac{273,3}{650}} = 0,65$ de la carga nominal. Un motor que trabaja al 25 % tiene $\cos φ = 0,48$ y $η = 81,4 %$ : la instalación paga corriente reactiva y energía de pérdidas por un motor que se compró «por las dudas». Lo mejor es elegirlo para trabajar entre el 60 % y el 100 % de su potencia.

Ensayo de calentamiento

Se hace funcionar la máquina a su carga nominal hasta el régimen térmico —cuando la temperatura deja de subir, con una variación menor de 1 K por hora en la carcasa— y se mide cuánto subió la temperatura de los bobinados. La temperatura de un bobinado de cobre se obtiene de su resistencia, sin necesidad de poner sensores adentro: el cobre aumenta su resistencia con la temperatura de forma conocida.

Δ θ = \frac{R_{2} - R_{1}}{R_{1}} (235 + t_{1}) + t_{1} - t_{a}

R_{1}

es la resistencia en frío a la temperatura

t_{1}

;

R_{2}

, la resistencia en caliente, medida apenas se detiene la máquina;

t_{a}

, la temperatura ambiente al final del ensayo. La constante 235 es la del cobre (225 para el aluminio). El resultado es el calentamiento

Δ θ

en kelvin.

Clase de aislación	Temperatura máxima	Calentamiento admisible (por resistencia, ambiente de 40 °C)
A	105 °C	60 K
E	120 °C	75 K
B	130 °C	80 K
F	155 °C	105 K
H	180 °C	125 K

Ejemplo · Calentamiento por resistencia

Un motor de clase F tiene, en frío y a $t_{1} = 20$ °C, $R_{1} = 2,10 Ω$ entre dos bornes. Después de marchar a plena carga hasta el régimen, se mide $R_{2} = 2,62 Ω$ (extrapolada al instante de parada) con un ambiente de $t_{a} = 24$ °C.

$Δ θ$ $= \frac{2,62 - 2,10}{2,10} \cdot (235 + 20) + 20 - 24$ $= 0,2476 \cdot 255 - 4$ $= 59,1$ K. El bobinado llegó a $20 + 63,1 = 83,1$ °C; con un ambiente de 40 °C llegaría a $40 + 59,1 = 99,1$ °C. El límite de la clase F es 105 K, así que el motor cumple, con un margen de casi 46 K.

El bobinado se enfría rápido: medí enseguida

Al detener la máquina la temperatura baja, y también la resistencia. Medila a intervalos de 30 s y de 1 min durante unos minutos y extrapolá la curva hacia atrás hasta el instante de parada. Si se mide un par de minutos tarde sin extrapolar, el calentamiento resulta subestimado. Cada 10 K de más sobre el límite de la clase, la vida del aislante se acorta aproximadamente a la mitad (regla práctica).

En un transformador el ensayo de calentamiento se hace por el método de cortocircuito: se alimenta con una potencia igual a la suma de las pérdidas totales, $P_{0} + P_{cc}$ , hasta que se estabiliza la temperatura del aceite, y se pasa a corriente nominal para medir la del bobinado por resistencia (IEC 60076-2).

06Inspección visual y criterios de selección

Antes de conectar un instrumento, se mira. La inspección visual lleva minutos, no cuesta nada y encuentra defectos que ningún ensayo eléctrico detecta, o que lo hacen peligroso (una carcasa rota, un nivel de aceite bajo). Se hace con la máquina desconectada y se registra en una planilla.

Elemento	Qué se busca	Qué indica
Chapa de características	Legible, completa y que corresponda a la instalación.	Si falta o está borrada, no se puede ensayar contra un valor de referencia.
Carcasa, patas y tapas	Fisuras, golpes, óxido, pintura quemada, tornillos flojos.	Sobrecalentamiento, vibración o mala fijación.
Ventilador y aletas	Obstrucciones, suciedad, aspas dañadas.	Ventilación deficiente: el motor se calentará más que en el ensayo.
Eje y rodamientos	Girar a mano: juego, rugosidad, ruido, grasa que sale.	Rodamiento gastado o mal lubricado.
Bornera y conexiones	Bornes flojos, decolorados o con puentes mal puestos; cables con aislante quemado.	Mal apriete: puntos calientes. Verificar la conexión de acuerdo con la tensión.
Bobinado visible	Barniz oscurecido, olor a quemado, polvo conductor.	Sobretemperatura repetida o humedad.
Escobillas y colector (CC)	Desgaste, chispas, superficie rayada o ennegrecida, delgas salientes.	Mala conmutación o escobillas de grado inadecuado.
Transformador: cuba y aceite	Fugas, nivel, color del aceite, deformación de la cuba.	Calentamiento, juntas dañadas, entrada de humedad.
Transformador: silicagel y aisladores	Color del silicagel; fisuras o suciedad en los aisladores pasantes.	El silicagel saturado deja de proteger al aceite; un aislador sucio provoca descargas.
Puesta a tierra	Conductor presente, continuo y bien conectado a la carcasa.	Sin esa conexión, una falla de aislación deja la carcasa viva.

Cómo se elige una máquina

Criterio	Qué se define
Potencia y régimen de servicio	La potencia de la carga con un margen razonable, y el servicio (continuo S1, intermitente, con arranques frecuentes) según IEC 60034-1.
Tensión y frecuencia	La de la red. Un motor de 220/380 V se conecta en triángulo en una red de 220 V y en estrella en una de 380 V; uno de 380/660 V, en triángulo en 380 V y en estrella en 660 V. Siempre como indica la chapa.
Velocidad	Polos según la velocidad pedida; con variador, ver variadores de velocidad.
Protección mecánica	Grado IP (IEC 60529) según polvo, agua y contacto: un motor al aire libre o en una planta lavable necesita IP55 o más.
Aislación y ambiente	Clase de aislación y temperatura ambiente; por sobre 40 °C o 1000 m de altura hay que reducir la potencia.
Eficiencia	Clase IE (IEC 60034-30-1): un motor de mayor eficiencia cuesta más, pero se recupera con las horas de marcha.
Forma constructiva	Con patas o con brida, eje horizontal o vertical (códigos IM de IEC 60034-7).

Cómo se elige un instrumento

Criterio	Qué se define
Alcance	Que la lectura caiga en el último tercio de la escala. En vacío (4,6 A) y en rotor bloqueado (11,5 A) hacen falta dos alcances, por ejemplo 5 A y 15 A.
Clase de exactitud	Un amperímetro de clase 0,5 y alcance 15 A tiene un error de $\pm 0,075$ A: a 4,6 A es $\frac{0,075}{4,6} = 1,6 %$ . Con el alcance de 5 A el error baja a $\frac{0,025}{4,6} = 0,5 %$ .
Forma de onda	Valor eficaz verdadero si hay variadores o cargas no lineales. Un instrumento de valor medio lee mal.
Vatímetro	De bajo $\cos φ$ para los ensayos de vacío; si no, un analizador de potencia.
Categoría de medición	CAT III o CAT IV (IEC 61010-1) para medir en tableros e instalaciones de distribución.
Calibración	Con certificado vigente: sin ella, el ensayo no se puede documentar.

07En el laboratorio

Práctica 1 · Los parámetros de un transformador monofásico

Materiales: transformador de 100 a 500 VA con dos arrollamientos, autotransformador variable, voltímetro, amperímetro, vatímetro (o analizador de potencia), multímetro para resistencia, cables de sección suficiente.

Pasos: 1) leer la chapa y calcular $I_{1 n}$ e $I_{2 n}$ ; 2) medir en continua la resistencia de cada arrollamiento; 3) ensayo de vacío por baja, subiendo la tensión de a poco hasta la nominal, y anotar $V_{0}$ , $I_{0}$ , $P_{0}$ ; 4) ensayo de cortocircuito por alta, cerrando el secundario con el amperímetro y subiendo desde cero hasta $I_{1 n}$ ; anotar $V_{cc}$ y $P_{cc}$ y bajar la tensión a cero; 5) calcular $\cos φ_{0}$ , $R_{Fe}$ , $X_{μ}$ , $Z_{cc}$ , $R_{cc}$ , $X_{cc}$ , $ε_{cc}$ y el rendimiento al 100 % y al 50 %.

Se acepta si: $R_{cc}$ coincide con $R_{1} + a^{2} R_{2}$ medidas en continua con una diferencia menor del 15 % (corregidas por temperatura) y $P_{0} + P_{cc}$ es menor del 10 % de la potencia nominal.

Práctica 2 · Vacío y rotor bloqueado de un motor trifásico

Materiales: motor de 0,37 a 1,5 kW, autotransformador trifásico variable, dos vatímetros o analizador, pinza amperométrica, megóhmetro, dispositivo mecánico para trabar el eje.

Pasos: 1) inspección visual y medición de aislación; 2) resistencia del estator en continua; 3) vacío a tensión nominal, rodando unos 15 minutos; 4) vacío a seis tensiones decrecientes, de $1,1 V_{n}$ a cerca de la mitad; 5) con el eje trabado, subir la tensión desde cero hasta la corriente nominal y leer en menos de 10 s; 6) calcular parámetros, pérdidas mecánicas y de hierro, corriente y par de arranque.

Se acepta si: $P_{0} - 3 I_{0}^{2} R_{1}$ contra $V^{2}$ da una recta, las tres corrientes de vacío no difieren más del 10 % entre sí y la corriente de arranque calculada es de 4 a 8 veces la nominal.

Práctica 3 · Curva de carga con freno

Materiales: motor trifásico con freno de Prony o generador-freno, tacómetro, dos vatímetros, pinza, balanza.

Pasos: con el motor a tensión nominal, cargarlo al 25, 50, 75, 100 y 125 % del par nominal (no mantener el 125 % más de unos minutos). En cada punto anotar $V$ , $I$ , $P_{1}$ , la velocidad y la fuerza en la balanza; calcular $P_{u}$ , $η$ , $\cos φ$ y el deslizamiento; graficar contra la potencia útil.

Se acepta si: el rendimiento tiene un máximo entre el 60 % y el 90 % de la carga, el $\cos φ$ crece con la carga y las lecturas a plena carga coinciden con la chapa dentro de la exactitud de los instrumentos.

Práctica 4 · Calentamiento por resistencia

Materiales: motor con chapa legible, microhmímetro o puente, termómetro, cronómetro.

Pasos: anotar $R_{1}$ y $t_{1}$ en frío (la máquina estuvo parada varias horas); hacerla funcionar a plena carga hasta que la carcasa varíe menos de 1 K por hora; detenerla y medir la resistencia cada 30 s durante 5 minutos; extrapolar la curva hasta el instante de parada para obtener $R_{2}$ ; anotar $t_{a}$ ; calcular $Δ θ$ .

Se acepta si: $Δ θ$ no supera el límite de la clase de aislación de la chapa (tabla de la sección 05).

Práctica 5 · Motor de corriente continua

Materiales: motor de CC de excitación independiente o derivación, fuente de continua regulable, amperímetros, voltímetros, tacómetro.

Pasos: medir $R_{a}$ con el eje quieto en cuatro posiciones; alimentar con la tensión nominal, con el campo conectado, y medir $n$ e $I_{a}$ en vacío; cargar hasta la corriente nominal y repetir; calcular $E = V - I_{a} R_{a}$ en cada caso y la regulación de velocidad.

Se acepta si: las cuatro lecturas de $R_{a}$ no difieren más del 10 % y la velocidad calculada con $E$ coincide con la medida dentro del 5 %.

08Errores frecuentes

Error	Consecuencia
Ensayar el transformador en cortocircuito con tensión nominal	Circula una corriente de decenas de veces la nominal (en el ejemplo, 20) y se quema el arrollamiento en segundos. Siempre se sube desde cero.
Usar un vatímetro común en el ensayo de vacío	Con $\cos φ$ de 0,1 la aguja apenas se mueve y el error relativo es enorme. Usar uno de bajo factor de potencia o un analizador.
Tomar $P_{0}$ del motor como pérdida del hierro	Incluye la fricción y ventilación y el cobre del estator; hay que restarlos.
Mezclar los lados del transformador	Los valores medidos por baja y por alta no se suman: hay que referirlos al mismo lado multiplicando por $a^{2}$ .
Dejar el rotor bloqueado mucho tiempo	La corriente nominal en un rotor sin ventilación calienta el bobinado muy rápido; los resultados se alteran y el motor se daña.
Medir la resistencia de un bobinado sin anotar la temperatura	El valor no sirve ni para comparar ni para calcular el calentamiento.
Medir la resistencia en caliente varios minutos después de detener la máquina	El bobinado ya se enfrió: el calentamiento queda subestimado. Hay que extrapolar al instante de parada.
Ensayar con una alimentación desequilibrada o deformada	Las corrientes y las pérdidas dejan de ser representativas; se confunde un defecto del motor con uno de la red.
Abrir el campo de un motor de CC en marcha	Embalamiento: la velocidad crece hasta destruir el rotor.

09Autoevaluación

¿Qué se obtiene de cada uno de los dos ensayos del transformador?

El de vacío, a tensión nominal, da las pérdidas en el hierro y los parámetros de la rama de excitación ( $R_{Fe}$ , $X_{μ}$ ). El de cortocircuito, a corriente nominal y tensión reducida, da las pérdidas en el cobre y la impedancia de dispersión ( $R_{cc}$ , $X_{cc}$ ).

¿Por qué el ensayo de cortocircuito no destruye el transformador?

Porque se hace con tensión reducida, unos pocos por ciento de la nominal (5 % en el ejemplo), la justa para que circule la corriente nominal. Con la tensión nominal la corriente sería unas 20 veces mayor.

En un ensayo de vacío se miden 220 V, 1,5 A y 45 W. Calculá

\cos φ_{0}

R_{Fe}

$\cos φ_{0}$ $= \frac{45}{220 \cdot 1,5}$ $= 0,136$ . $R_{Fe}$ $= \frac{220^{2}}{45}$ $= 1076 Ω$ (referida al lado donde se midió).

Un motor trifásico de 380 V en vacío toma 4,6 A y 340 W. ¿Cuánto vale su factor de potencia y por qué es tan bajo?

$\cos φ_{0}$ $= \frac{340}{\sqrt{3} \cdot 380 \cdot 4,6}$ $= 0,112$ . Casi toda la corriente en vacío es magnetizante (reactiva): la potencia activa solo cubre pérdidas, y no hay carga que absorba más.

¿Cómo se estima la corriente de arranque con el ensayo de rotor bloqueado?

Se mide la corriente a tensión reducida y se escala linealmente con la tensión: $I_{arr} \approx I_{bl} \cdot \frac{V_{n}}{V_{bl}}$ $= 11,5 \cdot \frac{380}{65}$ $= 67$ A. Es una estimación algo mayor que la real, por la saturación.

La resistencia de un bobinado pasa de 1,00 a 1,25 Ω. Con

t_{1} = t_{a} = 20

°C, ¿cuánto calienta?

$Δ θ$ $= \frac{1,25 - 1,00}{1,00} \cdot (235 + 20) + 20 - 20$ $= 0,25 \cdot 255$ $= 63,75$ K: supera el límite de la clase A (60 K) y cumple los de las clases E (75 K), B (80 K), F (105 K) y H (125 K).

¿Por qué un motor sobredimensionado trabaja mal?

Porque a baja carga su factor de potencia y su rendimiento caen. El motor del ejemplo, al 25 % de la carga, tiene $\cos φ = 0,48$ y $η = 81,4 %$ , contra 0,85 y 85,6 % a plena carga.

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