Factores a considerar para la Selección y aplicación de motores eléctricos.

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Introducción.

El motor eléctrico es una de las grandes invenciones de la humanidad, estando presente en diferentes equipamientos y maquinarias para su accionamiento, desde un reloj, transporte o  hasta en máquinas industriales teniendo como  principal característica transformar energía eléctrica recibida de la red o fuente de energía eléctrica en energía mecánica rotacional en el eje con algunas pérdidas de energía. Como esas pérdidas son pequeñas, el motor representa la ventaja de ser una máquina con un rendimiento energético elevado.

Figura 1: Representación gráfica de aplicación industrial para un motor eléctrico.

En el accionamiento de una carga mecánica pueden ser utilizados diversos motores eléctricos como: Los motores de corriente continua, los motores de corriente alterna síncronos, los motores de inducción o los motores eléctricos especiales. Estos diversos tipos pueden ser agrupados en un esquema representativo como el siguiente.

Esquema  1: Clasificación de los motores eléctricos.

Meléndez (2021) Basado en: Manuel Vaz Guedes (1994)

Debido a sus diferentes características de funcionamiento, cada tipo de motor eléctrico tiene normalmente un tipo de aplicación específico. Sin embargo, actualmente, con la alimentación de los motores eléctricos por inversores o variadores electrónicos de potencia es posible, a través de la estrategia de control de esos aparatos, adaptar las características de funcionamiento naturales de un determinado tipo de motor eléctrico a las necesidades de la carga mecánica que se va accionar.

Existen, de esta forma, muchas posibilidades de aplicación de un motor eléctrico. Por eso, la selección del motor y su aplicación constituyen un asunto complejo, que incluye el análisis de diversos parámetros: red eléctrica disponible para la alimentación del motor, características de funcionamiento del motor eléctrico, conexión entre el motor eléctrico y la carga mecánica, necesidades y características de la carga mecánica, control del motor eléctrico, evaluación económica  del  sistema de accionamiento.  Es por ello que en este post abordaremos la información teórica más relevante a la hora de seleccionar un motor.

Entre los diversos tipos de motores eléctricos nombrados anteriormente en el esquema,  el motor de inducción trifásico es una máquina con un principio de funcionamiento simple, de  construcción robusta, con pequeño mantenimiento y debido a la automatización de su proceso de fabricación el tiene un precio poco elevado. Además como él progreso tecnológico permitió el desarrollo de métodos de control para esta máquina eléctrica, y al no ser disipadores de energía, contribuyen a un uso racional de la energía eléctrica, en consecuencia el campo de aplicación del motor de inducción trifásico se ha ido ampliando.  

Este tipo de motor debido a sus excelentes características, ha sido utilizado como o “caballo de batalla” en los más diversos accionamientos electromecánicos: desde el accionamiento de simples ventiladores (1,5kW) hasta los motores dos vehículos de tracción eléctrica (ICE ≡ 1250kW), o el accionamiento de poderosos compresores utilizados en la industria química (200 a 1800kW), pasando por el vulgar accionamiento de máquinas y herramientas (4 a 30 kW).

Si se necesita sustituir un motor eléctrico asíncrono de corriente alterna, es importante entonces conocer los diversos criterios para la correcta selección en función de sus necesidades. En muchos casos la información puede obtenerse consultando la propia placa de identificación del motor. Más información visitar este enlace:

https://tecnologiaelectricaiut.blogspot.com/2021/02/como-interpretar-los-datos-de-una-placa.html

Aplicaciones de los motores eléctricos.

En la actualidad la ingeniería de aplicación para los motores es frecuente, y en muchos casos prácticos, cotejar las exigencias de la carga con las características del motor. Existen diversas aplicaciones que pueden ser resueltas con más de un tipo de motor eléctrico, y la selección de un tipo determinado no siempre excluye el uso de los otros tipos.

Con la llegada de los software de aplicación, el cálculo puede ser mejorado, obteniendo resultados exactos que resultan en equipos  dimensionados de forma más económica y eficiente. No obstante el número de aplicaciones para los motores es ilimitado y se pueden clasificar de la siguiente forma según sus porcentajes de utilización en la industria.

Figura 2: Aplicaciones de los motores en la industria.

Evidentemente esto puede variar según el sector en donde se encuentre, sin embargo las aplicaciones si se pueden tipificar y clasificar según la curva de torque, siempre es necesario detallar las fichas técnicas y consultar con su proveedor. Esta lista le dará una guía general para que verifique en su empresa cada máquina y corrobore sus aplicaciones.  A continuación se muestra una lista más detallada según la aplicación y se debe relacionar con las curvas generales de torque – velocidad.

Tabla para la selección de las características eléctricas de los motores de inducción tanto los de jaula de ardilla y los de anillos rozantes.

Tabla 1: Letra de Diseño NEMA recomendada para los tipos de aplicación.

Notas:

La selección de motores está basada en que el arranque es realizado a pleno voltaje.

Las vibraciones torsional o los picos de torque pulsantes características de estas cargas podrían necesitar un diseño de rotor especial o un amarre especial de las bobinas del estator. Informe al fabricante del motor del tipo de aplicación.

Los motores de compresores centrífugos podrían ser requeridos con una baja corriente de arranque especial del 350 – 450 por ciento. Verifique con el fabricante del compresor los requisitos.

La aplicación podría requerir un alto torque de aceleración inusual.

     Características de los motores eléctricos.

Los motores de inducción, de jaula de ardilla o de anillos rozantes, de baja y media tensión, tienen un campo de aplicación vasto, y especialmente en los sectores de siderúrgica, minería, papel y celulosa, saneamiento, químico y petroquímico, y cemento entre otros, haciéndose cada vez más importante la selección del tipo adecuado para cada aplicación.

Aparte del costo más elevado que el del motor de jaula de ardilla, la aplicación de los motores de anillos rozantes es necesaria para arranques pesados (inercia alta), movimientos con velocidad ajustable o cuando es necesario limitar la corriente de arranque manteniendo un par de arranque alto.

Tabla 2: Comparación entre diferentes tipos de máquinas

Tipo	Motor de inducción Jaula de ardilla	Motor de inducción de anillos rozantes
Proyecto	Rotor no bobinado	Rotor Bobinado
Corriente de arranque	Alto	Bajo
Par de arranque	Bajo	Alto
Corriente de arranque/Nominal	Alto	Bajo
Par máximo	›160% del Pn	›160% del Pn
Rendimiento	Alto	Alto
Equipo de arranque	Simple para arranque directo	Relativamente simple
Equipo de protección	Simples	Simples
Espacio requerido	Pequeño	Gran espacio para el reóstato
Mantenimiento	Pequeño	En los anillos
Costo	Bajo	Alto

Tomado de: Electrotecnia y Principios de Electrónica (9327) 2001. Facultad de Ingeniería. Universidad Nacional de Río Cuarto.

Factores que influyen en la selección de un motor eléctrico

A la hora de seleccionar un motor eléctrico es siempre importante conocer como gestión inicial, cuál es la necesidad de adquirir dicho motor, para ello uno debe realizarse diversas preguntas como estas: ¿es una instalación nueva o existente?, ¿cuáles son las condiciones de la red eléctrica?, ¿cuál es la carga que el motor va a accionar?, ¿cuáles son las condiciones medioambientales?, ¿cuál va a ser el tiempo de recuperación de la inversión?, ¿qué tipo de normas debe cumplir el motor?, ¿cómo va a ser hecho el arranque del motor? Por supuesto y no menos importante, ¿Cuáles son las características de potencia y velocidad requeridas del motor a considerar?  Estas interrogantes son de mucha ayuda a la hora de obtener el motor eléctrico más adecuado para la aplicación deseada.

               Figura 3: Factores que influyen en la selección de un motor eléctrico.

Es por ello que la selección del tipo adecuado de motor, con respecto al tipo, par, factor de potencia, rendimiento y elevación de temperatura, aislación, tensión y grado de protección mecánica, sólo puede ser efectuada luego de un análisis cuidadoso, considerando parámetros como: costo inicial, capacidad de la red, necesidad de corrección del factor de potencia, par requerido, efecto de inercia de la carga, necesidad o no de regulación de la velocidad, exposición de la máquina a ambientes húmedos, poluídos o agresivos. 

A continuación se explican los diversos criterios para la selección de un motor como prevención de riesgos eléctricos.

En la correcta selección del motor de un accionamiento no regulado para una determinada aplicación deberá considerarse:

1.- Características de la red de alimentación. 

El tipo de sistema eléctrico con el que cuenta la empresa, la mayoría de las empresas cuentan con sistemas trifásicos, normalmente utilizados para la conexión de los motores eléctricos.

Voltaje dentro de las instalaciones de la empresa: Se debe tomar en cuenta el nivel de voltaje con el que se trabaja en la empresa para solicitar uno de las características exactas. Así la potencia del motor al momento de realizar el trabajo será la correcta, para no forzar la máquina y sus componentes internos.

 Frecuencia: La frecuencia se considera especialmente para obtener un valor correcto de la velocidad del motor. La frecuencia en Venezuela, México, USA, así como otros países es de 60 Hz. Cabe recalcar que los sistemas electrónicos ocasionan ciertos desbalances en la frecuencia por lo que se recomienda que los ramales de los motores sean independientes a los de las computadoras o equipos electrónicos de ese tipo.

2.- Características del ambiente de trabajo del motor. (Efectos del ambiente de trabajo sobre la vida útil del motor y Aspectos relativos al montaje)

El ambiente donde el motor va a ser ubicado debe estar especificado en los criterios tomando en cuenta la altura sobre el nivel del mar al cual se encontrará, esto se aplica para alturas mayores a los mil metros sobre el nivel del mar, temperatura de su entorno o ambiente donde se ubicará, de esto dependerá la clase NEMA con el que contará el motor.

a) Altitud

b) Temperatura ambiente

c) Atmósfera ambiente

3.- Características constructivas de la maquina eléctrica. (Capacidad del motor para satisfacer los requerimientos de la carga en todo instante)

a) Forma constructiva

b) Potencia en kW. Velocidad en rpm

c) Factor de servicio

d) Protección térmica

e) Sentido de rotación (horario o antihorario. mirando desde el lado del accionamiento)

 

4.- Características de la carga. (Que en la realización de este trabajo el motor no se sobrecaliente)

Se debe realizar un correcto dimensionamiento de la carga que el motor va a mover para poder solicitar uno con la potencia necesaria para dicho trabajo. En el caso de una sobrecarga en el motor se debe considerar la temperatura que va llegar a soportar los conductores en especial si estos se encuentran dentro de canaletas con un agrupamiento determinado.

a) Momento de inercia de la máquina accionada y a qué velocidad está referida

b) Curva de par resistente

c) Datos de la transmisión

d) Magnitud y sentido de cargas axiales, cuando existentes

e) Magnitud y sentido de cargas radiales, cuando existentes

f) Régimen de funcionamiento de la carga (n° de arranques por hora).

 Una vez elegido el motor, deberá procederse a la selección y especificación de los elementos de mando, protección y señalización que se requieran y al cálculo del circuito de alimentación.

En todos estos estudios es frecuente tener que considerar restricciones dadas por las formas de financiamiento de los proyectos, normalizaciones internas y otras.

En resumen, la selección correcta del motor implica que el mismo satisfaga las exigencias requeridas por la aplicación específica.

En este aspecto el motor debe ser capaz de:

• Acelerar la carga en tiempo suficientemente corto para que el calentamiento no dañe las características físicas de los materiales aislantes.

• Funcionar en el régimen especificado, sin que la temperatura de sus diversas partes sobrepase la clase del aislante, o que el ambiente provoque la destrucción del mismo.

• Desde el punto de vista económico, funcionar con valores de rendimiento y factor de potencia dentro de la faja óptima para la cual fue proyectado.

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