Calculadora de motores eléctricos según IEC 60034-1

Qué hace esta calculadora

Reúne en seis pestañas los cálculos de la IEC 60034-1:2004 que más se usan al ensayar o recibir un motor eléctrico: el calentamiento del devanado y su límite, la corrección cuando la primera lectura llega tarde, la calidad de la tensión de alimentación (armónicos y desequilibrio), la zona de funcionamiento según la tensión y la frecuencia, y las tolerancias de los valores del protocolo. Es para motores y máquinas rotativas. Para transformadores de potencia está la calculadora de ensayos de transformadores.

1. Calentamiento por el método de resistencia

La temperatura media de un devanado se deduce de cuánto sube su resistencia (8.6.2.2):

(θ₂ + k)/(θ₁ + k) = R₂/R₁ y Δθ = (R₂ − R₁)/R₁·(k + θ₁) + θ₁ − θc

con k = 235 para el cobre y 225 para el aluminio, θ₁ y R₁ en frío, R₂ al final del ensayo térmico y θc la temperatura del refrigerante al final del ensayo.

Límite (tabla 7). Para devanados de c.a. refrigerados indirectamente por aire y medidos por resistencia:

Con el método de superposición, en máquinas de 200 kW o menos de clase B o F, se admiten 5 K más. En servicio S2 por debajo de 5000 kW, 10 K más (tabla 9).

Ajuste al emplazamiento (tablas 9 y 10). Los límites suponen el refrigerante a 40 °C y una altitud de hasta 1000 m. Si el refrigerante del emplazamiento está más frío, el límite sube en esa diferencia. Si el margen entre la clase térmica y 40 °C más el límite pasa de 5 K, esa subida se reduce por el factor 1 − (clase − (40 + límite))/80 K. Si está más caliente (hasta 60 °C), el límite baja en esa diferencia. Por encima de 1000 m, la referencia de 40 °C se sustituye por la de la tabla 10. Si no se especifica la temperatura ambiente, se supone que el aire más frío de la altura compensa la peor refrigeración y no se ajusta nada.

Ajuste al lugar de ensayo (tabla 11). Si el ensayo se hace a otra altitud, el límite se multiplica por 1 + (Hr − H)/10 000 m, contando las altitudes por debajo de 1000 m como 1000 m.

Ejemplo resuelto

Motor de 75 kW, clase F, devanado de cobre. En frío se miden 1,200 Ω a 20 °C. Al final del ensayo de calentamiento se miden 1,560 Ω, con el aire de refrigeración a 25 °C.

• θ₂ = 1,560/1,200·(235 + 20) − 235 = 96,5 °C
• Δθ = 96,5 − 25 = 71,5 K
• Límite de la tabla 7 en clase F: 105 K. Margen de 33,5 K: cumple, y de hecho cumpliría el límite de la clase B (80 K), que es como suelen diseñarse los motores de clase F.
• Si el emplazamiento tuviera como máximo 30 °C de aire: margen = 155 − (40 + 105) = 10 K, mayor de 5 K → el límite sube 10·(1 − 10/80) = 8,75 K, hasta 113,75 K.

2. Corrección por el tiempo de parada

Con la medida directa, la resistencia se lee después de cortar la alimentación. La lectura vale sin corrección si llega dentro del intervalo de la tabla 5:

Si llega más tarde, pero antes del doble de ese tiempo, se siguen tomando lecturas cada minuto hasta que bajan claramente. La curva de temperatura se extrapola al intervalo de la tabla 5 en escala semilogarítmica (8.6.2.3.3). La calculadora ajusta ln θ frente al tiempo con las lecturas desde el máximo. Si alguna lectura posterior es más alta, se toma la más alta. Pasado el doble del intervalo, el método solo vale por acuerdo.

En el ejemplo, un motor de 160 kW (intervalo de 90 s) cuya primera lectura llega a los 150 s, con 1,548, 1,541, 1,535 y 1,529 Ω cada minuto, da 95,3 °C extrapolados a 90 s.

3. Factor de tensión armónica (HVF)

Un motor de c.a. alimentado a frecuencia fija debe soportar una tensión con (7.2.1.1):

HVF = √(Σ uₙ²/n), con n de 2 a 13 y uₙ el armónico de orden n en p.u. de la tensión asignada.

En motores trifásicos no se cuentan los armónicos múltiplos de 3. El límite es 0,02, o 0,03 para motores de diseño N (IEC 60034-12), salvo que el fabricante declare otra cosa. Con un 3 % de 5.º, un 2 % de 7.º y un 1 % de 11.º y de 13.º, el HVF es 0,016.

4. Desequilibrio de la alimentación

Un motor trifásico debe funcionar con una componente inversa de hasta el 1 % de la directa en régimen permanente, o el 1,5 % durante unos minutos, y una componente homopolar de hasta el 1 % (7.2.1.1). Con los módulos de las tres tensiones de línea se obtiene la inversa:

β = (U₁₂⁴ + U₂₃⁴ + U₃₁⁴)/(U₁₂² + U₂₃² + U₃₁²)², u₂ = √[(1 − √(3 − 6β))/(1 + √(3 − 6β))]

Para la homopolar hacen falta los fasores fase-neutro. Con 400, 396 y 404 V entre líneas, la inversa es del 1,15 %: admisible solo durante unos minutos.

5. Zonas A y B de tensión y frecuencia

La figura 12 de la norma define dos zonas para motores alimentados a frecuencia fija (7.3):

• Zona A: tensión entre 0,95 y 1,05 p.u., frecuencia entre 0,98 y 1,02 p.u., con dos esquinas recortadas. El motor debe cumplir su función principal de forma continua, aunque se aparte algo de sus valores asignados. En el borde de la zona, el calentamiento suele superar el límite en unos 10 K.
• Zona B: tensión entre 0,90 y 1,10 p.u., frecuencia entre 0,95 y 1,03 p.u., también recortada. Debe cumplir su función principal, con desviaciones mayores. No se recomienda funcionar mucho tiempo en su borde.

Un motor de 400 V alimentado a 376 V y 49,5 Hz está en la zona B.

6. Tolerancias (tabla 20)

Un ejemplo de la regla del rendimiento: un motor de 75 kW con η = 95,0 % declarado cumple si mide al menos 95,0 − 0,15·5,0 = 94,25 %.

Lo que esta calculadora no hace

No vale para transformadores. Solo cubre devanados de c.a. refrigerados indirectamente por aire: no incluye la refrigeración por hidrógeno ni por agua directa (tablas 8, 12 a 14), ni los devanados de campo ni de colector. No calcula el rendimiento por pérdidas separadas (IEC 60034-2-1) ni la clase IE (IEC 60034-30-1). Toma la edición de 2004 de la IEC 60034-1. Las ediciones posteriores pueden cambiar algún valor, así que compruebe la que se aplica en su contrato. El resultado es orientativo y debe validarlo un técnico competente.

Con qué se mide

La resistencia del devanado se mide con micro-ohmímetros, y el aislamiento con medidores de resistencia de aislamiento. Los armónicos y el desequilibrio de la alimentación se registran con un analizador de redes.