¿Alguna vez se ha preguntado cómo elegir el motor perfecto para su proyecto? La clave está en conocer los tipos de motores (CC, asíncronos y síncronos) y sus ventajas exclusivas. Este artículo analiza los principios de la selección de motores, incluidos el tipo de carga, la potencia nominal y el entorno operativo. Al final, estará equipado con los conocimientos necesarios para elegir el motor más eficiente y rentable para cualquier aplicación, garantizando un rendimiento óptimo y una larga vida útil. Siga leyendo para descubrir cómo hacer la mejor elección para su maquinaria.
Debe indicarse en orden inverso, empezando por los tipos de motores.
El motor puede clasificarse en dos categorías principales: Motor de CC y motor de CA. El motor de CA puede dividirse a su vez en dos tipos: motor síncrono y motor asíncrono.
La ventaja de un motor de CC es su capacidad para ajustar fácilmente la velocidad cambiando la tensión, lo que proporciona un par mayor y lo hace adecuado para cargas que requieren ajustes frecuentes de la velocidad, como los molinos de las acerías y los polipastos de las minas.
Sin embargo, con el desarrollo de la tecnología de conversión de frecuencia, los motores de CA ahora también pueden ajustar la velocidad cambiando la frecuencia. Aunque el coste de un motor de frecuencia variable no es significativamente superior al de un motor tradicional, sigue representando una parte importante del coste total del equipo, lo que da a los motores de CC la ventaja de ser rentables.
La principal desventaja de un motor de CC reside en su compleja estructura, que aumenta la probabilidad de fallos. Los motores de CC tienen bobinados complejos, como el bobinado de excitación, el bobinado del polo de conmutación, el bobinado de compensación y el bobinado del inducido, así como componentes adicionales como anillos colectores, escobillas y conmutadores. El resultado son unos elevados requisitos de fabricación y unos costes de mantenimiento relativamente altos.
Como resultado, los motores de CC están en declive en las aplicaciones industriales, pero siguen teniendo un lugar en la etapa de transición. Si el usuario dispone de fondos suficientes, se recomienda elegir el esquema de un motor de CA con un convertidor de frecuenciaya que aporta muchos beneficios.
Las ventajas de los motores asíncronos son su estructura sencilla, rendimiento estable, facilidad de mantenimiento y bajo coste.
Además, el proceso de fabricación es sencillo. Según un antiguo técnico de un taller, las horas-hombre necesarias para montar un motor de corriente continua pueden completar el montaje de dos motores síncronos o cuatro motores asíncronos de potencia similar. Por eso los motores asíncronos se utilizan mucho en la industria.
Los motores asíncronos se dividen en motores de jaula de ardilla y motores bobinados, y la principal diferencia radica en el rotor. El rotor de un motor de jaula de ardilla está hecho de tiras de metal, como cobre o aluminio.
El aluminio es relativamente barato y se utiliza ampliamente en aplicaciones de baja demanda porque China es un gran país minero de aluminio.
El cobre, en cambio, tiene mejores propiedades mecánicas y eléctricas y se utiliza más en los rotores. La fiabilidad de los motores de jaula de ardilla ha mejorado mucho y ahora es mejor que la de los motores de rotor bobinado.
Sin embargo, los motores de jaula de ardilla tienen un par de salida bajo y una gran corriente de arranque, lo que los hace inadecuados para cargas que requieren un par de arranque elevado. Aumentar la longitud del núcleo del motor puede incrementar el par, pero el aumento es limitado.
Por otro lado, los motores bobinados energizan el bobinado del rotor a través de anillos rozantes para formar un campo magnético del rotor que se mueve en relación con el campo magnético del estator giratorio, lo que se traduce en un mayor par de salida.
La resistencia de agua se conecta en serie para reducir la corriente de arranque durante el proceso de arranque, y el valor de la resistencia se controla mediante un dispositivo de control eléctrico. Los motores bobinados son adecuados para aplicaciones como trenes de laminación y polipastos.
En comparación con los motores de jaula de ardilla, los motores asíncronos bobinados tienen componentes adicionales como anillos rozantes, resistencia al agua y resistencia eléctrica, lo que supone un mayor coste total del equipo. Los motores asíncronos también tienen un rango de regulación de velocidad relativamente estrecho y un par bajo en comparación con los motores de CC.
Sin embargo, tienen un impacto significativo en la red eléctrica porque requieren potencia reactiva de la red para energizar el bobinado del estator, que es un elemento inductivo. Esto se traduce en una caída de la tensión de red y una disminución del brillo de la luz cuando se conectan a la red aparatos inductivos de alta potencia.
Para mitigar este impacto, las oficinas de suministro eléctrico pueden restringir el uso de motores asíncronos. Algunos grandes usuarios de energía, como las plantas de acero y aluminio, tienen sus propias centrales eléctricas para formar sus propias redes eléctricas independientes y reducir las restricciones al uso de motores asíncronos.
Los motores asíncronos necesitan dispositivos de compensación de potencia reactiva para cumplir los requisitos de las cargas de alta potencia, mientras que los motores síncronos pueden proporcionar potencia reactiva a la red mediante dispositivos de excitación. Cuanto mayor es la potencia, más pronunciadas son las ventajas de los motores síncronos, lo que lleva a inclinarse por el uso de motores síncronos.
Entre las ventajas de los motores síncronos destacan su capacidad para compensar la potencia reactiva en estados de sobreexcitación, así como las siguientes:
Sin embargo, los motores síncronos no pueden arrancarse directamente y requieren métodos de arranque asíncronos o de frecuencia variable. El arranque asíncrono consiste en instalar un bobinado de arranque similar al bobinado de jaula de un motor asíncrono en el rotor de un motor síncrono y conectar una resistencia adicional (unas 10 veces el valor de resistencia del bobinado de excitación) en el circuito de excitación para formar un circuito cerrado. Una vez que la velocidad alcanza la velocidad subsíncrona (95%), se corta la resistencia adicional. No se detalla el arranque a frecuencia variable.
Los motores síncronos necesitan corriente de excitación para funcionar y, sin ella, el motor se vuelve asíncrono. La excitación es un sistema de corriente continua que se añade al rotor y cuya velocidad de rotación y polaridad están sincronizadas con el estator. Si hay un problema con la excitación, el motor estará desincronizado y no podrá ajustarse, lo que provocará un disparo de la protección por "fallo de excitación".
Añadir dispositivos de excitación es la segunda desventaja de los motores síncronos. En el pasado, la excitación era suministrada directamente por las máquinas de CC, pero ahora se suministra sobre todo mediante rectificadores controlados por silicio. Cuanto más complejos son la estructura y los equipos, más puntos de fallo y mayor es la tasa de averías.
Los motores síncronos se utilizan principalmente en aplicaciones como polipastos, molinos, ventiladores, compresores, trenes de laminación y bombas de agua. El principio de selección de motores es dar prioridad a los motores con estructuras sencillas, precios bajos, funcionamiento fiable y mantenimiento cómodo, siempre que el rendimiento del motor cumpla los requisitos de la maquinaria de producción.
En este sentido, los motores de CA son mejores que los motores de CC, los motores asíncronos de CA son mejores que los motores síncronos de CA y los motores asíncronos de jaula de ardilla son mejores que los motores asíncronos bobinados. Los motores asíncronos de jaula de ardilla son preferibles para maquinaria de producción de funcionamiento continuo con cargas estables y sin requisitos especiales de arranque y frenado, y se utilizan ampliamente en maquinaria, bombas de agua y ventiladores. Los motores asíncronos bobinados se recomiendan para maquinaria de producción con arranques y frenados frecuentes y que requieren grandes pares de arranque y frenado, como grúas puente, polipastos de mina, compresores de aire y trenes de laminación irreversibles.
Los motores síncronos son ideales para aplicaciones que no requieren regulación de velocidad, velocidad constante o mejora del factor de potencia, como bombas de agua de capacidad media a grande, compresores de aire, polipastos y molinos.
Para maquinaria de producción con un rango de regulación de velocidad superior a 1:3 y que requiera una regulación de velocidad continua, estable y suave, se recomienda utilizar motores de CC excitados por separado, motores asíncronos de jaula de ardilla o motores síncronos con regulación de velocidad de frecuencia variable, como máquinas herramienta de gran precisión, cepilladoras de pórtico, trenes de laminación de acero y polipastos.
La maquinaria de producción que requiere un gran par de arranque y características mecánicas suaves debe utilizar motores de CC de excitación en serie o compuesta, como tranvías, locomotoras eléctricas y grúas pesadas.
La potencia nominal de un motor se refiere a su potencia de salida, también conocida como potencia en el eje o capacidad. Es el parámetro clave que cuantifica la capacidad de carga motriz del motor y debe tenerse en cuenta al seleccionar un motor. Otros factores importantes en la selección del motor son la tensión nominal, la intensidad nominal, el factor de potencia (cos θ) y el rendimiento (η).
El objetivo de seleccionar correctamente la capacidad del motor es determinar su potencia de forma económica y razonable, garantizando que pueda satisfacer los requisitos de carga de la maquinaria de producción. Si la potencia es demasiado grande, aumenta la inversión en equipo, lo que conlleva un desperdicio y un bajo rendimiento y factor de potencia del motor de CA. Por otro lado, si la potencia es demasiado pequeña, el motor se sobrecalentará y sufrirá daños prematuros.
Los principales factores que determinan la potencia del motor son:
Para seleccionar la potencia nominal, primero se calcula la potencia de carga en función del calentamiento de la maquinaria, el aumento de temperatura y los requisitos de carga. A continuación, se preselecciona la potencia nominal en función de la potencia de carga, el sistema de trabajo y los requisitos de sobrecarga. El calentamiento, la capacidad de sobrecarga y la capacidad de arranque deben verificarse para garantizar que cumplen los requisitos.
Si no es así, hay que volver a seleccionar el motor hasta que se cumplan todos los criterios. El sistema de trabajo también es un factor requerido, adoptándose por defecto el sistema de trabajo convencional S1 si no se especifica. Los motores con requisitos de sobrecarga también deben proporcionar un múltiplo de sobrecarga y el tiempo de funcionamiento correspondiente.
Cuando un motor asíncrono de jaula de ardilla acciona un ventilador u otra carga de alto momento de inercia, debe proporcionarse el momento de inercia de la carga y la curva del momento de resistencia de arranque para comprobar la capacidad de arranque.
La selección de la potencia nominal supone una temperatura ambiente estándar de 40 ℃. Si la temperatura ambiente cambia, debe corregirse la potencia nominal. La temperatura ambiente debe comprobarse en zonas con condiciones climáticas extremas, como la India, donde la temperatura ambiente puede alcanzar los 50 ℃.
La altitud también puede afectar a la potencia del motor. aumento de la temperatura del motor y menor potencia de salida. El fenómeno corona también debe tenerse en cuenta en los motores utilizados a gran altitud.
Como referencia, a continuación se ofrecen algunos ejemplos de gamas de potencia de motores en el mercado actual:
La tensión nominal de un motor se refiere a la tensión de línea en sus condiciones nominales de funcionamiento.
La elección de la tensión nominal del motor depende de la tensión de alimentación de la red eléctrica y de la capacidad del motor.
La selección del nivel de tensión para un motor de CA depende principalmente del nivel de tensión de alimentación en el lugar de uso.
Normalmente, la red de baja tensión funciona a 380 V, por lo que la tensión nominal puede ser de 380 V (conexión Y o Δ), 220/380 V (conexión Δ/Y) o 380/660 V (conexión Δ/Y).
Cuando la potencia de un motor de baja tensión alcanza un determinado nivel (como 300KW/380V), resulta difícil aumentar la corriente debido a las limitaciones de la capacidad portante del conductor, o resultaría demasiado costoso hacerlo.
Aumentando la tensión se consigue una mayor potencia.
La tensión de alimentación de las redes eléctricas de alta tensión suele ser de 6000V o 10000V, aunque también hay niveles de tensión de 3300V, 6600V y 11000V utilizados en otros países.
Los motores de alta tensión tienen la ventaja de una gran potencia y una gran resistencia a los impactos, pero su desventaja es que tienen una gran inercia y son difíciles de arrancar y parar.
La tensión nominal de un motor de CC también debe coincidir con la tensión de alimentación.
Los niveles de tensión habituales para los motores de CC son 110 V, 220 V y 440 V.
220 V es el nivel de tensión más utilizado, y los motores de alta potencia pueden aumentar hasta 600 o 1.000 V.
Cuando la tensión de alimentación de CA es de 380 V y se utiliza un circuito rectificador controlado por silicio de puente trifásico para la alimentación, la tensión nominal del motor de CC debe ser de 440 V.
Cuando se utiliza una fuente de alimentación trifásica con rectificador controlado de silicio de media onda para la alimentación, la tensión nominal del motor de CC debe ser de 220 V.
La velocidad nominal del motor se refiere a la velocidad a la que funciona en condiciones normales. Tanto el motor como la máquina que acciona tienen una velocidad nominal.
A la hora de elegir la velocidad del motor, es importante tener en cuenta que no debe ser demasiado baja, ya que esto se traducirá en un motor más grande con más etapas y un precio más elevado. Por otro lado, la velocidad no debe ser demasiado alta, ya que puede complicar el mecanismo de transmisión y dificultar su mantenimiento.
También es importante tener en cuenta que cuando la potencia es constante, el par del motor es inversamente proporcional a la velocidad. En consecuencia, quienes tengan pocos requisitos de arranque y frenado pueden comparar distintas velocidades nominales en términos de inversión inicial, huella del equipo y coste de mantenimiento antes de determinar la velocidad nominal ideal.
Para aplicaciones que requieren arranques, frenados e inversiones frecuentes, la relación de velocidad y la velocidad nominal del motor deben seleccionarse en función de la minimización de las pérdidas durante el proceso de transición, en lugar de considerar únicamente la inversión inicial. Por ejemplo, los motores de ascensores requieren una rotación frecuente hacia delante y hacia atrás con un par elevado, por lo que tienen una velocidad baja y son voluminosos y caros.
Cuando la velocidad del motor es alta, es crucial tener en cuenta la velocidad crítica del motor. Durante el funcionamiento, el rotor puede vibrar y su amplitud aumentará con la velocidad. A cierta velocidad, la amplitud alcanza un valor máximo (conocido como resonancia), y la amplitud disminuirá y se estabilizará en un cierto rango cuando la velocidad siga aumentando.
Esta velocidad con la amplitud máxima se denomina velocidad crítica del rotor y es igual a su frecuencia natural. Si el rotor funciona a su velocidad crítica, pueden producirse vibraciones violentas y una flexión importante del eje, lo que puede provocar deformaciones a largo plazo o incluso fracturas.
Generalmente, la velocidad crítica de primer orden del motor está por encima de 1500 RPM, por lo que no es preocupante para motores convencionales de baja velocidad. Sin embargo, en el caso de motores de 2 polos de alta velocidad, si la velocidad nominal se aproxima a 3000 RPM, debe tenerse en cuenta el impacto de la velocidad crítica y el motor no debe funcionar a su velocidad crítica durante periodos prolongados.
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Por lo general, las especificaciones de un motor pueden estimarse proporcionando información sobre el tipo de carga que impulsará, su potencia nominal, tensión y velocidad. Sin embargo, estos parámetros básicos no bastan para satisfacer plenamente los requisitos de la carga.
Otros parámetros que deben tenerse en cuenta son la frecuencia, el sistema de funcionamiento, los requisitos de sobrecarga, los grados de aislamiento y protección, el momento de inercia, la curva del momento de resistencia de la carga, el método de instalación, la temperatura ambiente, la altitud y los requisitos de intemperie, entre otros. Estos parámetros deben especificarse en función de la aplicación concreta.
Los principales criterios para la selección del motor son
La selección del motor debe basarse en las siguientes condiciones:
Al seleccionar el tipo de motor, la tensión y la velocidad, se deben tener en cuenta los requisitos del transmisión de energía de la máquina de producción, como la frecuencia de arranque y parada, si es necesario regular la velocidad, etc., deben considerarse en primer lugar. Esto determinará el tipo de corriente para el motor, es decir, si elegir un motor de corriente alterna o de corriente continua.
A continuación, el tamaño de la tensión nominal del motor debe seleccionarse en función del entorno de alimentación. A continuación, debe seleccionarse su velocidad nominal en función de la velocidad requerida por la máquina de producción y los requisitos del equipo de transmisión.
Después, la estructura y el tipo de protección del motor deben determinarse en función del lugar de montaje del motor y del entorno circundante.
Por último, la potencia nominal (capacidad) del motor debe determinarse en función de la potencia requerida por la máquina de producción.
Después de considerar todos estos factores, seleccione un motor del catálogo de productos que cumpla estos requisitos. Si los motores que figuran en el catálogo no pueden cumplir los requisitos especiales de la máquina de producción, puede hacer un pedido personalizado al fabricante del motor.
La elección del motor se considera desde el punto de vista de la CA y la CC, las características de la máquina, la regulación de la velocidad y la capacidad de arranque, la protección y el precio. Por lo tanto, a la hora de elegir deben observarse las siguientes directrices:
(1) En primer lugar, considere la posibilidad de seleccionar un motor trifásico de inducción de jaula de ardilla.
Esto se debe a su sencillez, durabilidad, fiabilidad, bajo coste y fácil mantenimiento. Sin embargo, sus desventajas son la difícil regulación de la velocidad, el bajo factor de potencia, la elevada corriente de arranque y el pequeño par de arranque. Por lo tanto, es adecuado principalmente para máquinas de producción general y accionamientos con características de máquina relativamente rígidas y sin requisitos especiales de regulación de velocidad, como máquinas herramienta generales y máquinas de producción como bombas de agua o ventiladores con potencias inferiores a 100KW.
(2) El precio de los motores de rotor bobinado es superior al de los motores de jaula.
Sin embargo, sus características de máquina pueden ajustarse añadiendo resistencia al rotor, limitando así la corriente de arranque y aumentando el par de arranque. Por lo tanto, es adecuado para situaciones en las que la capacidad de alimentación es pequeña, la potencia del motor es grande o se requiere regulación de la velocidad, como ciertos equipos de elevación, ascensores elevadores, prensas de forjay mover el travesaño de máquinas herramienta pesadas.
(3) Cuando el rango de regulación de velocidad es inferior a 1:10 y se requiere una regulación de velocidad suave, se puede seleccionar primero un motor de deslizamiento.
Este motor puede dividirse en horizontal y vertical según su posición de montaje. El eje de un motor horizontal se monta horizontalmente, mientras que el eje de un motor vertical se monta verticalmente en altura, por lo que los dos tipos de motores no pueden utilizarse indistintamente. En circunstancias normales, debe elegirse un motor horizontal siempre que sea posible, y un motor vertical sólo debe considerarse cuando se requiera un funcionamiento vertical (como bombas verticales para pozos profundos y perforación rigs) para simplificar el montaje de la transmisión (porque es más caro).
Existen múltiples tipos de protección para motores, y el tipo adecuado debe seleccionarse en función de los diferentes entornos de funcionamiento. Entre los tipos de protección para motores se incluyen los abiertos, de protección, cerrados, a prueba de explosiones, sumergibles y varios más. El tipo abierto suele elegirse para entornos cotidianos debido a su asequibilidad, pero sólo es adecuado para condiciones secas y limpias.
Para entornos húmedos, propensos a la corrosión, polvorientos, inflamables o corrosivos, debe seleccionarse un tipo cerrado. Si el entorno es polvoriento y perjudicial para el aislamiento del motor, pero puede limpiarse con aire comprimido, puede elegirse un tipo protegido. En el caso de motores de bombas sumergibles, debe elegirse un tipo totalmente sellado para garantizar que no penetre humedad durante el funcionamiento bajo el agua. En entornos con riesgo de incendio o explosión, debe elegirse un tipo a prueba de explosiones.
Al elegir un motor para maquinaria de producción existente en un entorno industrial, la tensión nominal del motor debe ser equivalente a la tensión de distribución de la fábrica. En el caso de fábricas nuevas, la selección de la tensión para el motor debe considerarse en consonancia con la tensión de distribución elegida.
La decisión debe tomarse en función de la opción más viable económicamente tras comparar distintos niveles de tensión. La norma de baja tensión en nuestro país es de 220/380V, mientras que la de alta tensión suele ser de 10KV. La mayoría de los motores de menor capacidad son de alta tensión, con tensiones nominales de 220/380V (método de conexión D/Y) y 380/660V (método de conexión D/Y). Cuando la capacidad del motor supera los 200KW aproximadamente, se recomienda elegir motores de alta tensión de 3KV, 6KV o 10KV.
La selección de la velocidad (nominal) del motor debe considerarse en función de los requisitos de la maquinaria de producción accionada y de las condiciones del conjunto de transmisión. El número de revoluciones del motor por minuto suele incluir 3000, 1500, 1000, 750 y 600.
La velocidad nominal de un motor asíncrono suele ser entre 2% y 5% inferior a estas velocidades debido al índice de deslizamiento. Desde el punto de vista de la fabricación, si un motor de la misma potencia tiene una velocidad nominal más alta, su forma de par electromagnético será menor, lo que reducirá su coste y peso.
Además, los motores de alta velocidad tienen factores de potencia y eficiencia superiores a los de baja velocidad.
Elegir un motor con una velocidad más alta es más económico. Sin embargo, si esto da lugar a una diferencia de velocidad significativa entre el motor y la maquinaria accionada, se necesitarán más etapas de transmisión para aumentar la velocidad, lo que incrementará los costes del equipo y el consumo de energía. La elección óptima debe hacerse tras una cuidadosa comparación.
La mayoría de los motores que solemos utilizar son motores de 4 polos y 1500 rpm porque tienen una amplia gama de aplicaciones y unos factores de potencia y eficiencia de funcionamiento superiores.
Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.
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