Cómo leer la placa de un motor

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Los motores eléctricos vienen acompañados de una placa de características cuyo contenido mínimo viene establecido por las normas que dicta la IEC (Unión Europea) o la NEMA (Estados Unidos). Su información es necesaria para determinar su conexión y capacidades, pero incluye mucho más que lo que expresamente figura escrito. A continuación voy a detallar qué datos se pueden extraer de la placa de un motor asíncrono, tanto los visibles como los ocultos.

Placa de motor. Fuente: ingenieriaelectricafravedsa.blogspot.com.es
Placa de motor. Fuente: ingenieriaelectricafravedsa.blogspot.com.es

Las dos normas mencionadas coinciden en los datos básicos, que contemplan:

  • Fabricante.
  • Modelo.
  • Construcción: tipo de máquina, tamaño, número de fases…
  • Potencia nominal. Se trata de la potencia mecánica útil (kW) que entrega la máquina en las condiciones para las que se ha diseñado. No se debe confundir con la potencia eléctrica que consume, puesto que existen pérdidas de diverso tipo. Tampoco con la que puede desarrollar el equipo puntualmente, que es mucho mayor. En algunos casos se especifica régimen de servicio (S1 para funcionamiento continuo, S2 intermitente, etc.), determinante puesto que la potencia se define para unas circunstancias de funcionamiento concretas.
  • Tensiones a las que trabaja, según tipo de conexión, e intensidades nominales, así como frecuencia de la red. Normalmente la placa especifica dos tensiones y dos intensidades. La tensión más baja aplica a una conexión en triángulo y se asocia a la intensidad más elevada. La tensión más alta corresponde a la conexión de estrella (cada bobinado recibe la tensión de línea entre \sqrt{3}, es decir, la misma que antes), y la corriente será la más baja de ambas. Cuando figuran más tensiones, caso de motores de varias velocidades (doble estrella,
    delta estrella, doble delta…), suele acompañarse de diagramas especificando la conexión a bornes.
  • Velocidad a plena carga (rpm).
  • Factor de potencia.
  • Información adicional sobre el equipo: clase de protección (IP), aislamiento y temperatura, sentido de giro, eficiencia, factor de servicio, protecciones, letra o código de rotor bloqueado (corriente de arranque), peso, rodamientos…
  • Información adicional de producción: número de serie, año de fabricación, certificaciones…

Hasta aquí la información expresa en la placa. No obstante, hay mucho más que leer que no está directamente indicado, pero que es fácil extraer a partir de sus datos:

  • Velocidad de sincronismo. Es la velocidad a la que gira el campo magnético del estátor, y está determinada por la frecuencia de la red y el número de polos. En Europa (50Hz) una máquina de dos polos gira a 60s*50Hz=3000rpm. La velocidad de sincronismo de un motor tetrapolar será la mitad, 1500rpm; la de uno hexapolar, 1000rpm, y así sucesivamente.
  • Número de polos. Si no conocemos cuántos polos tiene el estátor, es fácil deducirlo. La velocidad asignada de un motor asíncrono, es decir, la de su rotor, está próxima a la de sincronismo, sin que pueda llegar a alcanzarla. En la imagen que encabeza esta entrada, el motor gira a 1415rpm a 50Hz. Esto nos lleva a deducir que la velocidad de sincronismo es de 1500rpm, la más próxima posible, y que por tanto, la máquina es de cuatro polos.
  • Desplazamiento en plena carga. Si n es la velocidad nominal y n1 la de sincronismo, por definición el desplazamiento es:
    s=\dfrac{n1-n}{n1}
    En el ejemplo previo, el desplazamiento es de 0,0567.
  • Consumo eléctrico. Puesto que se nos indica tensión, corriente y coseno de phi, es directo que el equipo absorbe una potencia eléctrica de \sqrt{3}UIcos\varphi.
  • Pérdidas, obtenidas como el consumo que acabamos de calcular menos la potencia útil desarrollada (la que indica la placa).
  • Rendimiento, como la potencia desarrollada entre la absorbida.
  • Pérdidas por efecto Joule en el rotor. En el circuito equivalente de un motor, y despreciando pérdidas por fricción, la potencia mecánica se asimila a la consumida por una resistencia de carga de valor R_{2}(\dfrac{1}{s}-1). Conocida ésta y el desplazamiento, es directo el cálculo de R_{2} y las pérdidas que produce.
  • Potencia que atraviesa el entrehierro, como la potencia mecánica por \dfrac{1}{1-s}.
  • Torque. Por definición, es el cociente entre la potencia mecánica que produce el equipo y su velocidad de giro. Me refiero obviamente al par nominal; el real depende de la carga que se acople. En cualquier caso, es sencillo derivar el torque para un deslizamiento dado.

Con la disposición de alguna información adicional, como la que proporcionan los ensayos de rotor libre o bloqueado, se puede aún extraer más información, tal y como torque máximo, pérdidas por rozamiento, etc. En cualquier caso, como quería mostrar, una placa de motor resume todo lo necesario para conocer en qué circunstancias se puede usar, cuál será su comportamiento y qué conexiones requiere.

Desnudando a Maxwell

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La primera vez que viste las ecuaciones de Maxwell te resultaron crípticas. Hermosas por su simetría, valiosas por su elegancia e iluminación, pero altivamente abstractas. Sin embargo, las siguientes visitas demuestran que aquella complejidad era una ilusión: son abstractas, cierto, pero claras y sencillas. Si no has tenido esa segunda oportunidad, te invito a repasarlas.
Antes de entrar en harina, quiero hacer varias consideraciones. En primer lugar, las ecuaciones de Maxwell son una descripción fragmentada de un ente único, que es el campo electromagnético. Por eso, hay que aproximarse a cada igualdad consciente de que sólo nos revela una faceta parcial. En particular, debemos desechar los conceptos independientes de electricidad y magnetismo. No es que estén atados; son una y la misma cosa. De hecho, se podría decir que las ecuaciones de Maxwell existían antes de Maxwell, y su hallazgo fundamental fue reunirlas.
En segundo lugar, se dice que de ellas deriva todo el electromagnetismo. Esta afirmación requiere matices. Sin ir más lejos, no podríamos deducir la ley de Ohm. O la de Hopkinson, su equivalente magnético. Ambas se consideran leyes experimentales, pero son medulares en el desarrollo de circuitos.
Por último, el legado de Maxwell es una teoría clásica, pero en la naturaleza los campos, y en particular el electromagnético, están cuantizados. En contextos muy determinados se dan fenómenos, como el efecto Hall cuántico, o los mismos orbitales atómicos, que no pueden explicarse sin tener esta consideración en cuenta.
Dicho esto, vamos a desnudar el significado de estas ecuaciones. Voy a expresarlas en notación diferencial, por resultar, creo, más intuitiva. E intentaré, sin perder excesiva rigurosidad, explicar lo mejor posible su simbología.

  • Ley de Gauss.

    \nabla\vec{D}=\rho

    Con esta expresión tan sucinta se está indica que las cargas (q) son fuente del campo eléctrico (\vec{E}). Para ser escrupulosos, la expresión que he usado contiene la densidad de carga (\rho) y el desplazamiento eléctrico (\vec{D}), pero esto no desvirtúa el significado. El operador divergencia \nabla apunta a un elemento que está la misma dirección que el vector al que acompaña; referido a un campo, nos habla del origen o destino de su flujo. Mejor dicho, señala la dirección de variación máxima.
    Así, podemos entender que las líneas de campo eléctrico tienen siempre una fuente, a la que llamamos carga. Y será positiva o negativa según la dirección:

    Campo eléctrico
    Campo eléctrico. Fuente: Chanchocan (Wikimedia)
  • Ley de Gauss magnética.

    \nabla\vec{B}=0

    Esta expresión nos introduce un nuevo campo, el magnético (propiamente sería \vec{H}, proporcional a la inducción magnética, \vec{B}). A diferencia la ley anterior, ésta expresa que si seguimos la dirección de variación de sus vectores, no encontramos nada. Sus líneas no tienen origen ni destino, son cerradas. Comúnmente se enuncia diciendo que no existen monopolos magnéticos. Pero sí dipolos, que encauzan este flujo. Me refiero a los imanes:

    Campo magnético
    Campo magnético
  • Ley de Faraday.

    \nabla x\vec{E}=-\frac{\partial{\vec{B}}}{\partial{t}}

    Decía que no se debe entender de forma independiente los campos eléctrico y magnético, así que es preciso describir cómo se relacionan. Esta ecuación liga \vec{E} y \vec{B}, pero contiene un par de signos nuevos que quiero clarificar. El primero es el rotacional (\nabla x), que a pesar de su similitud, no debe confundirse con la divergencia. Aquélla apuntaba en la dirección de cambio lineal de un flujo, éste lo hace perpendicularmente. Expresa el eje de una curva, aquélla hacia la que se tuerce el campo.
    Producto vectorial
    Producto vectorial

    Igual que el rotacional indica cómo varía un campo en el espacio, la derivada parcial (\frac{\partial{}}{\partial{t}}) expresa cómo cambia éste en el tiempo. Éste es el sentido profundo de la ley de Faraday: una alteración del campo magnético (temporal) es igual que una alteración del campo eléctrico (espacial). No quiero decir que lo primero produzca lo segundo, sino que son la misma acción. Cuando aumentamos o disminuimos el campo magnético, retorcemos a la vez el campo eléctrico alrededor del sentido en el que cambia.
    La siguiente animación representa la corriente inducida en una espira, que es la formulación tradicional de la ley de Faraday:
  • Ley de Ampère-Maxwell.

    \nabla x\vec{H}=\vec{J}+\frac{\partial{\vec{D}}}{\partial{t}}

    Nuevamente, que no nos confunda la notación: \vec{H} es proporcional a \vec{B} y \vec{D} es proporcional a \vec{E}. Y \vec{J}… bueno, ahora hablaremos de la corriente de conducción.
    Esta ley es el contrapunto de la anterior, y su parecido formal lo adelanta. Nos dice que una variación (temporal) del campo eléctrico va forzosamente acompañada de una alteración (espacial) del campo magnético. Y como en la ecuación previa, la relación entre ambos vectores es perpendicular.
    Pero hay un componente adicional algo sutil. El campo eléctrico puede variar cuando desplazamos cargas, pero si están dispuestas en una línea infinita, unas vienen a sustituir a otras y parecería que no cambiamos nada. En efecto, \frac{\partial{\vec{D}}}{\partial{t}} sería nulo. El término \vec{J} reacciona a ello: este tipo de movimiento de cargas se denomina corriente de conducción, y el campo magnético también se ve influido por ella.

Para terminar, la aportación de Maxwell venía acompañada de un sorprendente regalo. El campo electromagnético así definido propaga las vibraciones. Si nos empeñamos en discriminar campo eléctrico y magnético, habría que decir que una vibración del primero produce una alteración del segundo, que a su vez modifica al primero. El resultado de esta interacción es una onda que viaja a la mayor velocidad posible. Acabábamos de descubrir la naturaleza de la luz.

Luz
Luz. Fuente: multimedia.biol.uoa.gr

Sensores inductivos

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En numerosas aplicaciones es necesario determinar cuándo dos elementos se aproximan: el cierre de una puerta, una válvula que llega al final de su carrera, una boya que alcanza cierta cota, conteo de productos, etc. Para este uso lo ideal es utilizar un sensor inductivo. Se trata de un instrumento robusto, que no requiere contacto directo y por tanto no sufre desgaste, que no se ve afectado por vibraciones o pequeñas acumulaciones de polvo, puede estar inmerso en fluidos, así como otras muchas ventajas.
Los sensores inductivos aprovechan la alteración que un conductor produce en un campo magnético variable. Básicamente, se generan movimientos de los electrones en el material que dan lugar a una corriente circular. Esta corriente inducida genera a su vez un campo magnético que se opone al aplicado.

Corrientes de Foucault
Corrientes de Foucault

En el caso que nos ocupa, un sensor inductivo es básicamente una bobina por la que circula una corriente alterna y que produce un campo magnético variable. Al aproximarle un metal, en el interior de éste se generan las corrientes de Foucault de las que hablábamos. Y éstas producen un campo magnético inducido que se opone al de la bobina. El efecto se observa como una impedancia sobre la corriente alterna original.

Funcionamiento de un sensor inductivo
Funcionamiento de un sensor inductivo. Fuente: European Passive Components Institute
Estados de un sensor inductivo
Estados de un sensor inductivo. Fuente: Wikimedia Commons

Hay que apuntar que este mecanismo sufre una cierta histéresis, por lo que la distancia de activación es ligeramente inferior a la de desactivación. Ésta también depende del material que se le aproxime: es mayor en el cobre, por ejemplo, de alta conductividad, que en el hierro.

Constructivamente, los sensores inductivos contienen un oscilador de alta frecuencia que alimenta la bobina. Su núcleo está expuesto por un extremo, que es la cabeza sensible. Una pequeña electrónica consistente en un rectificador y un comparador detecta el cambio de amplitud de la corriente al aproximar el conductor. En función de esto, se puede producir tanto una señal analógica que mida distancia, como una digital, que detecte proximidad.

Cuando se desea focalizar más el campo para reducir la distancia de detección, la bobina del detector se rodea de una envoltura metálica, denominada blindaje, que amortigua penetración lateral del campo. En este caso es preciso situar el objeto metálico a detectar justo unos milímetros frente al sensor, lo que es muy adecuado para aplicaciones de posicionamiento. El blindaje suele roscarse, para facilitar el mecanizado. Para concentrar aún más el campo magnético, se puede prolongar el blindaje hasta el extremo de la cabeza del sensor; en estos casos, se dice que está enrasado.

Sensor no enrasado
Sensor no enrasado
Sensor enrasado
Sensor enrasado

Comentar por último que existen otros sensores muy dispares que aprovechan igualmente cambios en la inductancia. Por ejemplo, se puede medir desplazamiento de un elemento lineal frente a otro al penetrar un núcleo en un bobina. O determinar el movimiento relativo entre dos bobinados, como se hace en los sincronizadores.

Marcado ATEX

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En muchas industrias se trabaja bajo circunstancias susceptibles de generar atmósferas explosivas. Mi experiencia en este sentido pasa por la planta termosolar Andasol 3, así como por la fábrica de superficies Cosentino. En el primer caso las sustancias inflamables son gases; en el segundo las mezclas explosivas también se pueden generar por presencia de polvo. En estas circunstancias, es preciso llevar a cabo un estudio e identificación de riesgos para definir un plan de acciones que lo reduzcan. En España la norma principal que regula estos entornos es el Real Decreto 681/2003, que traspone la directiva europea 99/92/CE (ATEX-137). También aplican el Real Decreto 144/2016, la Ley 31/1995 o la ITC29 del Reglamento de Baja Tensión. Entre otros requerimientos, se exige el uso de equipos específicamente preparados para trabajar en atmósferas explosivas, que deben contar con un marcado especial. El contenido de dicha placa debe ser acorde a la zona donde se instala, y viene determinado por la norma EN 60079-14 caso de ser eléctricos, o la ISO/EN 80079-36. Su interpretación es sencilla, aunque puede resultar farragosa a quien lo aborde desde la normativa, quizás porque se ha querido definir un sistema estricto pero al mismo tiempo versátil. Son códigos válidos, por ejemplo, CE 0163 Ex II 2G Ex de/ II/IIB T4 Gb, o bien Ex IIC 1G p T6, o también Ex mb IIIC IP67 T150ºC Dc. La interpretación se complica un poco más porque en algunas instalaciones conviven equipos recientes con otros anteriores a 2003, que se ajustan a otro sistema. En lo que sigue voy a intentar aclarar el etiquetado según normativa actual.
El marcado ATEX se compone de una serie de indicadores que expresan distintas características del equipo en relación a la zona donde se va a instalar. Lógicamente, las protecciones de éste deben ser igual o más restrictivas de lo que requiere el análisis de riesgo. Aunque los elementos del etiquetado se suelen expresar de acuerdo a un orden, éste no es significativo y el código podría entenderse con otra distribución de sus partes. Algunas de estos indicadores no precisan figurar obligatoriamente, y expresan posibles requerimientos adicionales. Otros pueden repetirse, cuando un equipo es válido para más de una circunstancia. Los componentes, necesarios o posibles, son los siguientes:

  • Marca CE. Equipo conforme con las directivas europeas.
  • Organismo. Número de cuatro cifras que identifica al organismo notificado que ha llevado a cabo las pruebas y garantiza su validez.
  • Pictograma. Símbolo específico que indica la protección contra explosión.

    Pictograma ATEX
    Pictograma ATEX
  • Grupo.Indica el área de utilización y a veces el tipo de explosivo:
    • I. Minería (grisú).
    • II. En superficie. Se puede explicitar con IIA (propano, acetona, amoniaco…), IIB (etileno…) y IIC (hidrógeno, acetileno…).
    • III. Polvo. Si se requiere más precisión, IIIA (partículas combustibles), IIIB (polvo no conductor), IIIC (conductor).
    • Nota: en ciertos marcados se expresa diferenciadamente actividad y explosivo (ejemplo: II 2G/D Ex IIA). También se puede expresar un tipo de explosivo concreto (IIB+H2).

  • Categoría. Indica la frecuencia con la que puede tener lugar la atmósfera:
    Atmósfera Zona (presencia) Categoría
    RD144/16 UNE-EN60079/14
    Gas 0 (permanente) 1G Ga
    1 (ocasional) 2G Gb
    2 (rara) 3G Gc
    Polvo 00 (permanente) 1D Da
    01 (ocasional) 2D Db
    02 (rara) 3D Dc

    Nota: En el grupo I las categorías son M1/Ma (diseño para trabajar con atmósfera explosiva) y M2/Mb (cortan la alimentación si se detecta).

  • Ex. Se ha adoptado un modo de protección normalizado. Si cumple el estándar EN60079, se nota EEx.
  • Modo de protección.
    • Gases: d (envolvente antideflagrante), p (sobrepresión interna), q/qb (relleno pulverulento), o/ob (inmersión en aceite), e/eb (seguridad aumentada), i/ia/ib/ic (seguridad intrínseca), p/pxb/pyb/pzb (salas presurizadas), n/nAc/nLc/nRc/nCc (material no productor de chispas), m/ma/mb/mc (encapsulado), op (radiación óptica).
    • Polvo: t/ta/tb/tc (envolvente), p/pD (sobrepresión interna), i/ia/ib/ic (seguridad intrínseca), m/ma/mb/mc (encapsulado). Se acompaña a veces de la letra D.
    • Equipos no eléctricos (h): g (seguridad inherente), p (presurización), d (envolvente antideflagrante), c (seguridad constructiva), b (control de fuentes de ignición), k (inmersión en líquido), t (protección por envolvente), fr (respiración restringida).
    • Nota: se pueden combinar los modos de protección. Por ejemplo, tb [ia Da] indica que la caja del equipo impide el ingreso de polvo, tiene limitada su temperatura con protección b, y posee en su interior una barrera de seguridad intrínseca, lo que lo hace válido para una zona 00.

  • Temperatura. Indica temperatura máxima que puede alcanzar el equipo. Se expresa bien directamente (T270ºC, por ejemplo), bien por grupos: T1 (450ºC), T2 (300ºC), T3 (200ºC), T4 (135ºC), T5 (100ºC), T6 (85ºC). También se pueden expresar condiciones ambientales, como -10ºC<Ta<+60ºC.
  • Protección IP frente a entrada de partículas o polvo, indicada de la forma usual.
  • Protección IK frente a riesgo mecánico, con el código usual
  • Marcados adicionales: protección contra acceso a personas (de A -acceso con la mano- a D -con un alambre-), o condiciones (H -alta tensión-, W -condiciones atmosféricas-…), componentes, etc.

Para terminar, quiero anotar que las normas ATEX se vienen actualizando con bastante frecuencia, incluidas las que afectan al marcado. Este mismo año se ha revisado la norma UNE-EN 60079-25, que cubre los sistemas eléctricos con seguridad intrínseca.

Proyecto UWS-2 (1)

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Desde hace unos meses he tenido abandonada la publicación porque durante los ratos libres he retomado el proyecto UWS. Se trata de un entorno de desarrollo SCADA programado en Python con interfaz web. Cuando publiqué la última actualización de la primera versión, comentaba que me quedaban varios temas pendientes. El que más me preocupaba era la seguridad, aunque tampoco estaba del todo satisfecho con la estructura. Por eso, he decidido hacer borrón y cuenta nueva y desarrollar una nueva versión. Está aún incompleta: necesita unas horas para rehacer la gestión de alarmas y sobre todo, introducir capturas de excepciones y documentar. Pero el grueso es lo bastante completo para que pueda comenzar a describirla.
Los principios que han orientado UWS-2 han sido la organización, la abstracción, la versatilidad y la seguridad. Uno de los defectos de los que adolecía la antigua versión era que las variables se compartían entre todos los controladores (antes llamados PLC). Incluida la interfaz web, que por otro lado tampoco tenía una gestión de usuarios, ni utilizaba comunicaciones cifradas. Era difícil corregir estos defectos con las estructuras existentes:

UWS-1
UWS-1

Gran parte del trabajo en esta segunda versión ha consistido en migrar lo existente a algo similar a una arquitectura cliente-servidor. El Ensemble crea ahora las variables por un lado y los controladores por otro, y éstos sólo tienen acceso a sus métodos después de identificarse y contar con una serie de derechos. Para ello es necesario introducir usuarios, roles, grupos de variables y reglas. Si lo quisiésemos llevar a un gráfico como el anterior, quedaría algo así:

UWS-2
UWS-2

De un primer vistazo, parecen haber desaparecido muchos elementos. No se ven los objetos de salida, el webserver, ni tampoco existen otros implícitos en el primer gráfico, como las expresiones. No se han esfumado: todos se han convertido en controladores. En UWS-2, todo lo que maneje variables (datos en definitiva) es un objeto derivado de la clase Controller. Y como tal, debe someterse a unas reglas. En primer lugar debe identificarse contra el Ensemble utilizando un usuario y una contraseña. Éste analiza roles y permisos y le otorga el tipo adecuado de acceso a las variables, según los grupos a los que pertenecen. Como se da el caso de que un controlador puede gestionar varios usuarios (el servidor web, por ejemplo), es preciso establecer un marco independiente para cada uno, lo que he denominado Frame. En realidad la identificación no la hace el controlador directamente, sino un Frame perteneciente a él. Los permisos posibles son:

  • r: lectura de valores o atributos de una variable.
  • w: escritura de valores o atributos.
  • x: acceso a un método especial.
  • s: añadir un método especial a la variable.

Ya explicaré más adelante qué son los métodos especiales. Mi preocupación original era cómo otorgar a un objeto controlador acceso limitado a las variables sin merma de eficiencia ni mediante un proceso farragoso. Una solución elegante es pasarle sus métodos. Y para hacerlo aún más elegante y cómodo, lo adecuado es que cada objeto variable tenga un objeto espejo en el controlador, llamado Subscriptor. Durante la instanciación, dicho objeto recibe de forma automática y según permisos los métodos que le corresponden, y se le asocian las llamadas pertinentes, como update(), para que ejecute el código adecuado al actualizarse el valor de la variable.

Tag y Subscriptor
Tag y Subscriptor

Cada controlador trabaja con sus subscriptores con la misma comodidad que tendría caso de hacerlo con las variables, pero su alcance está acotado. Esto nos hace despreocuparnos de la seguridad del código de los módulos de controlador, que podría ser desarrollado por programadores independientes. Bueno, o quizás no. Vamos a dejarlo en casi. Python es un lenguaje abierto hasta extremos insólitos, y por ejemplo una llamada a globals() nos permite inspeccionar y alterar todo el entorno. Digamos que la nueva arquitectura previene del error, pero no del sabotaje desde dentro.
En sucesivas entregas iré desgranando más detalles de UWS-2, hasta que esté listo para publicarlo. Espero que resulte de interés.