Elegir el motor adecuado: pasos y principios

I. Tipo de carga impulsada

Esto debe indicarse en orden inverso, empezando por los tipos de motor.

El motor se puede clasificar en dos categorías principales: motor de CC y motor de CA. El motor de CA se puede dividir en dos tipos: motor síncrono y motor asíncrono.

1. Motor de CC

La ventaja de un motor de CC es su capacidad para ajustar fácilmente la velocidad cambiando el voltaje, proporcionando un mayor par y haciéndolo adecuado para cargas que requieren ajustes frecuentes de velocidad, como molinos en acerías y cabrestantes en 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 costo de un motor de frecuencia variable no es significativamente mayor que el de un motor tradicional, aún representa una parte significativa del costo total del equipo, lo que brinda a los motores de CC la ventaja de ser rentables.

La principal desventaja de un motor DC radica en su compleja estructura, lo que aumenta la probabilidad de fallos. Los motores de corriente continua tienen devanados complejos como el devanado de excitación, el devanado del polo de conmutación, el devanado de compensación y el devanado del inducido, así como componentes adicionales como anillos colectores, escobillas y conmutadores. Esto da como resultado altos requisitos de fabricación y costos de mantenimiento relativamente altos.

Como resultado, los motores de CC están en declive en las aplicaciones industriales, pero todavía tienen un lugar en la fase de transición. Si el usuario tiene suficientes recursos, se recomienda optar por el motor de CA con esquema de convertidor de frecuencia ya que aporta muchos beneficios.

2. motor asíncrono

Las ventajas de los motores asíncronos incluyen estructura simple, rendimiento estable, facilidad de mantenimiento y bajo costo.

Además, el proceso de fabricación es sencillo. Según un antiguo técnico de taller, las horas de trabajo necesarias para montar un motor CC pueden completar el montaje de dos motores síncronos o cuatro motores asíncronos de potencia similar. Por este motivo, los motores asíncronos se utilizan ampliamente en la industria.

Los motores asíncronos se dividen en motores de jaula de ardilla y motores bobinados, siendo la principal diferencia 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, por otro lado, tiene mejores propiedades mecánicas y eléctricas y se usa más comúnmente en rotores. Después de abordar el tema de la ruptura de líneas en la tecnología, la confiabilidad de los motores de jaula de ardilla ha mejorado enormemente y ahora es mejor que la de los motores de rotor bobinado.

Sin embargo, los motores de jaula de ardilla tienen una salida de par baja y una corriente de arranque grande, lo que los hace inadecuados para cargas que requieren un par de arranque alto. Aumentar la longitud del núcleo del motor puede aumentar el par, pero el aumento es limitado.

Por el contrario, los motores bobinados energizan el devanado del rotor a través de anillos colectores para formar un campo magnético del rotor que se mueve en relación con el campo magnético giratorio del estator, lo que resulta en una mayor salida de par.

La resistencia al agua está conectada en serie para reducir la corriente de arranque durante el proceso de arranque, y el valor de la resistencia está controlado por un dispositivo de control eléctrico. Los motores bobinados son adecuados para aplicaciones como laminadores y polipastos.

En comparación con los motores de jaula de ardilla, los motores asíncronos bobinados tienen componentes adicionales como anillos colectores, resistencia al agua y resistencia eléctrica, lo que genera un mayor costo general 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 energía reactiva de la red para energizar el devanado del estator, que es un elemento inductivo. Esto puede verse como una caída de la tensión de la 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 agencias de suministro de energía pueden restringir el uso de motores asíncronos. Algunos grandes usuarios de energía, como las fábricas 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 con los requisitos de cargas de alta potencia, mientras que los motores síncronos pueden suministrar energía reactiva a la red a través de dispositivos de excitación. Cuanto mayor es la potencia, más pronunciadas son las ventajas de los motores síncronos, lo que lleva a un cambio hacia el uso de motores síncronos.

3. motor síncrono

Las ventajas de los motores síncronos incluyen la capacidad de compensar la potencia reactiva en estados sobreexcitados, así como las siguientes:

• Control de velocidad preciso ya que la velocidad de un motor síncrono está estrictamente de acuerdo con n = 60f/p.
• Alta estabilidad operativa. En caso de una caída repentina en el voltaje de la red, el sistema de excitación del motor síncrono generalmente obligará a la excitación a mantener la estabilidad, mientras que el par de un motor asíncrono (proporcional al cuadrado del voltaje) caería significativamente.
• Mayor capacidad de sobrecarga en comparación con los correspondientes motores asíncronos.
• Alta eficiencia, especialmente para motores síncronos de baja velocidad.

Sin embargo, los motores síncronos no se pueden arrancar directamente y requieren métodos de arranque asíncronos o de frecuencia variable. El arranque asíncrono implica instalar un devanado de arranque similar al devanado de jaula de un motor asíncrono en el rotor de un motor síncrono y conectar una resistencia adicional (aproximadamente 10 veces el valor de la resistencia del devanado de excitación) al circuito de excitación para formar un circuito cerrado. . Cuando la velocidad alcanza la velocidad subsincrónica (95%), se corta la resistencia adicional. No se detalla el arranque de frecuencia variable.

Los motores síncronos requieren corriente de excitación para funcionar y, sin ella, el motor se vuelve asíncrono. La excitación es un sistema de CC agregado al rotor y su velocidad de rotación y polaridad están sincronizadas con el estator. Si hay un problema con la excitación, el motor estará fuera de sincronismo y no podrá ajustarse, lo que provocará un disparo de protección por “falla de excitación”.

Agregar dispositivos de excitación es la segunda desventaja de los motores síncronos. En el pasado, la excitación se suministraba directamente mediante máquinas de CC, pero ahora se suministra principalmente mediante rectificadores controlados por silicio. Cuanto más complejos sean la estructura y el equipo, más puntos de falla y mayor será la tasa de falla.

Los motores síncronos se utilizan principalmente en aplicaciones como polipastos, molinos, ventiladores, compresores, laminadores y bombas de agua. El principio de selección de motores es priorizar motores con estructuras simples, precios bajos, operación confiable y mantenimiento conveniente, siempre que el rendimiento del motor cumpla con los requisitos de las máquinas 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 se prefieren para máquinas de producción que funcionan continuamente con cargas estables y sin requisitos especiales de arranque y frenado, y se utilizan ampliamente en máquinas, bombas de agua y ventiladores. Los motores asíncronos bobinados se recomiendan para máquinas de producción con arranques y frenado frecuentes y que requieren grandes pares de arranque y frenado, como puentes grúa, cabrestantes de minas, compresores de aire y laminadores irreversibles.

Los motores síncronos son ideales para aplicaciones sin necesidad de regulación de velocidad, velocidad constante o mejora del factor de potencia, como bombas de agua, compresores de aire, cabrestantes y molinos de capacidad media a grande.

Para máquinas de producción con un rango de regulación de velocidad superior a 1:3 y que requieren 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. grandes máquinas herramienta de precisión, cepilladoras de pórtico, laminadores de acero y polipastos.

Las máquinas de producción que requieren un gran par de arranque y características mecánicas suaves deben utilizar motores de CC de excitación compuesta o en serie, como tranvías, locomotoras eléctricas y grúas pesadas.

II. Potencia nominal

La potencia nominal de un motor se refiere a su potencia de salida, también conocida como caballos de fuerza o capacidad del eje. Es el parámetro clave que cuantifica la capacidad de carga del variador del motor y debe proporcionarse al seleccionar un motor. Otros factores importantes en la selección del motor incluyen el voltaje nominal, la corriente nominal, el factor de potencia (cos θ) y la eficiencia (η).

El objetivo de seleccionar correctamente la cilindrada es determinar la potencia del motor de forma económica y razonable, asegurando que cumpla con los requisitos de carga de la maquinaria de producción. Si la potencia es demasiado grande, la inversión en equipos aumenta, lo que genera desperdicio y una baja eficiencia 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 incluyen:

• Calentamiento del motor y aumento de temperatura.
• La capacidad de sobrecarga permitida a corto plazo y
• La capacidad de arranque de los motores asíncronos de jaula de ardilla.

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. Luego, la potencia nominal se preselecciona en función de la potencia de carga, el sistema de trabajo y los requisitos de sobrecarga. Se debe verificar la capacidad de calefacción, sobrecarga y arranque para garantizar que estén calificadas.

De lo contrario, se deberá seleccionar el motor nuevamente hasta que se cumplan todos los criterios. El sistema operativo también es un factor obligatorio, adoptándose por defecto el sistema operativo convencional S1 si no se especifica. Los motores con requisitos de sobrecarga también deben proporcionar un múltiplo correspondiente de sobrecarga y tiempo de funcionamiento.

Cuando un motor asíncrono de jaula de ardilla acciona un ventilador u otra carga de alto momento de inercia, se debe proporcionar el momento de inercia de la carga y el momento de arranque de la curva de resistencia para verificar la capacidad de arranque.

La selección de potencia nominal supone una temperatura ambiente estándar de 40 ℃. Si la temperatura ambiente cambia, se debe corregir la potencia nominal. La temperatura ambiente debe comprobarse en zonas con condiciones climáticas extremas, como en la India, donde la temperatura ambiente puede alcanzar los 50 ℃.

La gran altitud también puede afectar la potencia del motor, ya que una mayor altitud da como resultado un mayor aumento en la temperatura del motor y una menor potencia de salida. El fenómeno corona también debe tenerse en cuenta en el caso de motores utilizados a gran altura.

Como referencia, los siguientes son algunos ejemplos de rangos de potencia de motor en el mercado actual:

• Motor CC: ZD9350 (molino) 9350kW
• Motor asíncrono: Jaula de ardilla YGF1120-4 (ventilador de alto horno) 28000kW
• Tipo de bobinado yrkk1000-6 (molino de crudo) 7400kw
• Motor síncrono: TWS36000-4 (ventilador de alto horno) 36.000 kW (la unidad de prueba alcanza los 40.000 kW)

III. Tensión nominal

La tensión nominal de un motor se refiere a la tensión de línea en sus condiciones nominales de funcionamiento.

La elección del voltaje nominal del motor depende del voltaje de suministro del sistema de energía y de la capacidad del motor.

La selección del nivel de voltaje para un motor de CA depende principalmente del nivel de voltaje de la fuente 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 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 bajo voltaje alcanza un cierto nivel (como 300 KW/380 V), resulta difícil aumentar la corriente debido a las limitaciones en la capacidad de carga del conductor, o sería muy costoso hacerlo.

Se obtiene una mayor potencia de salida aumentando el voltaje.

La tensión de alimentación de las redes eléctricas de alta tensión suele ser de 6.000 V o 10.000 V, aunque también se utilizan niveles de tensión de 3.300 V, 6.600 V y 11.000 V en otros países.

Los motores de alto voltaje tienen las ventajas de una alta potencia y una fuerte resistencia al impacto, pero la desventaja es que tienen una gran inercia y son difíciles de arrancar y detener.

La tensión nominal de un motor de CC también debe coincidir con la tensión de la fuente de alimentación.

Los niveles de voltaje comunes para los motores de CC son 110 V, 220 V y 440 V.

220 V es el nivel de voltaje más utilizado y los motores de alta potencia se pueden aumentar de 600 a 1000 V.

Cuando el voltaje de la fuente de alimentación de CA es de 380 V y se utiliza un circuito rectificador de puente trifásico controlado por silicio para el suministro de energía, el voltaje nominal del motor de CC debe ser de 440 V.

Cuando se utiliza una fuente de alimentación rectificadora trifásica controlada por silicio de media onda como fuente de alimentación, el voltaje nominal del motor de CC debe ser de 220 V.

4. Velocidad nominal

La velocidad nominal del motor se refiere a la velocidad a la que funciona en condiciones normales. Tanto el motor como la maquinaria que lo impulsa tienen una velocidad nominal.

A la hora de elegir el régimen del motor, es importante tener en cuenta que no debe ser demasiado bajo, ya que esto dará como resultado 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 y dificultar el mantenimiento del mecanismo de transmisión.

También es importante tener en cuenta que cuando la potencia es constante, el par motor es inversamente proporcional a la velocidad. Como resultado, aquellos con bajos requisitos de arranque y frenado pueden comparar diferentes velocidades nominales en términos de inversión inicial, tamaño del equipo y costo de mantenimiento antes de determinar la velocidad nominal ideal.

Para aplicaciones que requieren arranques, frenado y marcha atrás frecuentes, la relación de velocidad y la velocidad nominal del motor deben seleccionarse basándose en minimizar las pérdidas durante el proceso de transición, en lugar de considerar solo la inversión inicial. Por ejemplo, los motores de los ascensores requieren una rotación frecuente hacia adelante y hacia atrás con un par elevado, por lo que tienen baja velocidad y son voluminosos y caros.

Cuando la velocidad del motor es alta, es fundamental considerar la velocidad crítica del motor. Durante el funcionamiento, el rotor puede vibrar y su amplitud aumentará con la velocidad. A una velocidad determinada, la amplitud alcanza un valor máximo (conocido como resonancia), y la amplitud disminuirá y se estabilizará en un cierto rango cuando la velocidad aumente aún más.

Esta velocidad de máxima amplitud se denomina velocidad crítica del rotor y es igual a su frecuencia natural. Si el rotor funciona a su velocidad crítica, esto puede provocar vibraciones violentas y una flexión significativa del eje, lo que provoca deformaciones a largo plazo o incluso fracturas.

Generalmente, la velocidad crítica de primer orden del motor está por encima de 1.500 RPM, por lo que no es una preocupación para los motores convencionales de baja velocidad. Sin embargo, para motores de 2 polos de alta velocidad, si la velocidad nominal es cercana a 3000 RPM, se debe considerar el impacto de la velocidad crítica y el motor no debe operar a su velocidad crítica durante períodos prolongados.

Envuélvelo

Generalmente, las especificaciones de un motor se pueden estimar proporcionando información sobre el tipo de carga que impulsará, su potencia nominal, voltaje y velocidad. Sin embargo, estos parámetros básicos no son suficientes para satisfacer plenamente los requisitos de carga.

Los parámetros adicionales que deben considerarse incluyen frecuencia, sistema operativo, requisitos de sobrecarga, grados de aislamiento y protección, momento de inercia, curva de momento de resistencia de carga, método de instalación, temperatura ambiente, altitud y requisitos externos, entre otros. Estos parámetros deben especificarse en función de la aplicación específica.

V. Principios para la selección del motor

Los principales criterios para la selección del motor incluyen:

• Tipo de motor, voltaje y velocidad;
• La variedad de tipos de motores;
• Elección del tipo de protección del motor;
• Tensión y velocidad del motor.

La selección del motor debe basarse en las siguientes condiciones:

1. El tipo de alimentación del motor, como monofásico, trifásico, corriente continua, etc.
2. El entorno operativo del motor. Si existen particularidades en el ambiente de operación, como humedad, baja temperatura, corrosión química, polvo, etc.
3. El método de funcionamiento del motor. Ya sea que opere de manera continua, intermitente o mediante algún otro método.
4. El método de montaje del motor, como montaje vertical, montaje horizontal, etc.
5. Potencia y velocidad del motor. La potencia y la velocidad deben cumplir con los requisitos de carga.
6. Otros factores, como si se requiere regulación de velocidad, si existen requisitos especiales de control, el tipo de carga, etc.

1. Elección del tipo, voltaje y velocidad del motor.

Al seleccionar el tipo de motor, voltaje y velocidad, primero se deben considerar los requisitos de transmisión de potencia de la máquina de producción, como la frecuencia de arranque y parada, si se requiere regulación de velocidad, etc. Esto determinará el tipo de corriente del motor, es decir, si elegir un motor de corriente alterna o un motor de corriente continua.

Luego, se debe seleccionar el tamaño de voltaje nominal del motor en función del entorno de suministro de energía. Luego, su velocidad nominal debe seleccionarse en función de la velocidad requerida por la máquina de producción y los requisitos del equipo de transmisión.

Después de eso, la estructura y el tipo de protección del motor deben determinarse según la ubicación de montaje del motor y el entorno circundante.

Finalmente, la potencia nominal (capacidad) del motor debe estar determinada por la potencia requerida por la máquina de producción.

Después de considerar todos estos factores, seleccione un motor del catálogo de productos que cumpla con estos requisitos. Si los motores enumerados en el catálogo no cumplen con los requisitos especiales de la máquina de producción, puede realizar un pedido personalizado al fabricante del motor.

2. Elegir el tipo de motor

La elección del motor se considera desde los aspectos de CA y CC, características de la máquina, regulación de velocidad y capacidad de arranque, protección y precio. Por tanto, se deben observar las siguientes pautas a la hora de elegir:

(1) Primero, considere seleccionar un motor de inducción de jaula de ardilla trifásico.

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 alta corriente de arranque y el pequeño par de arranque. Por lo tanto, es principalmente adecuado 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 una potencia inferior a 100 KW.

(2) El precio de los motores de rotor bobinado es más alto que el de los motores de jaula.

Sin embargo, las características de su máquina se pueden ajustar agregando 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 suministro de energía es pequeña, la potencia del motor es grande o se requiere regulación de velocidad, como ciertos equipos de elevación, elevadores, prensas de forja y movimiento transversal de máquinas-herramientas pesadas.

(3) Cuando el rango de regulación de velocidad es inferior a 1:10 y se requiere una regulación de velocidad suave, primero se puede seleccionar un motor deslizante.

Este motor se puede dividir en tipo horizontal y vertical según su posición de montaje. El eje de un motor horizontal está montado horizontalmente, mientras que el eje de un motor vertical está montado verticalmente en altitudes elevadas, por lo que los dos tipos de motores no se pueden usar indistintamente. En circunstancias normales, se debe elegir un motor horizontal siempre que sea posible, y solo se debe considerar un motor vertical cuando se requiere operación vertical (como bombas verticales para pozos profundos y plataformas de perforación) para simplificar el montaje de la transmisión (porque es más caro).

3. Selección de tipos de protección del motor.

Existen varios tipos de protección para motores y se debe seleccionar el tipo apropiado en función de los diferentes entornos operativos. Los tipos de protección para motores incluyen abierta, protectora, cerrada, a prueba de explosiones, sumergible y muchos otros. Por lo general, se elige un tipo abierto para entornos cotidianos debido a su asequibilidad, pero solo es adecuado para condiciones secas y limpias.

Para ambientes húmedos, propensos a la corrosión, polvorientos, inflamables o corrosivos, se debe seleccionar un tipo cerrado. Si el ambiente es polvoriento y perjudicial para el aislamiento del motor, pero se puede limpiar con aire comprimido, se puede elegir un tipo de protección. Para motores de bombas sumergibles, se debe elegir un tipo completamente sellado para garantizar que no entre humedad durante el funcionamiento bajo el agua. En ambientes con riesgo de incendio o explosión, se debe seleccionar un tipo a prueba de explosión.

4. Selección de voltaje y velocidad del motor.

Al elegir un motor para máquinas de producción existentes en un entorno industrial, la tensión nominal del motor debe ser equivalente a la tensión de distribución de fábrica. Para fábricas nuevas, la selección del voltaje del motor debe considerarse de acuerdo con el voltaje de distribución elegido.

La decisión debe tomarse en base a la opción más viable económicamente después de comparar diferentes niveles de voltaje. El estándar de bajo voltaje en nuestro país es 220/380V, mientras que el alto voltaje es principalmente de 10KV. La mayoría de los motores con capacidades más pequeñas son de alto voltaje, con voltajes nominales de 220/380 V (método de conexión D/Y) y 380/660 V (método de conexión D/Y). Cuando la capacidad del motor supera aproximadamente los 200 KW, se recomienda elegir motores de alto voltaje de 3 KV, 6 KV o 10 KV.

La selección de la velocidad (nominal) del motor debe considerarse en función de los requisitos de la maquinaria de producción impulsada y el estado del conjunto de transmisión. El número de revoluciones por minuto del motor generalmente incluye 3000, 1500, 1000, 750 y 600.

La velocidad nominal de un motor asíncrono suele ser entre un 2% y un 5% menor que estas velocidades debido a la tasa de deslizamiento. Desde el punto de vista de fabricación, si un motor de la misma potencia tiene una velocidad nominal mayor, su forma de par electromagnético será menor, reduciendo así su coste y peso.

Además, los motores de alta velocidad tienen factores de potencia y eficiencia más altos que los motores de baja velocidad.

Elegir un motor con mayor velocidad es más económico. Sin embargo, si esto da como resultado una diferencia significativa en la velocidad entre el motor y la máquina accionada, se necesitarán más etapas de transmisión que aumenten la velocidad, lo que aumentará los costos del equipo y el consumo de energía. La elección ideal debe hacerse después de una cuidadosa comparación.

La mayoría de los motores que utilizamos normalmente son motores de 4 polos de 1500 r/min porque estos motores tienen una amplia gama de aplicaciones y factores de potencia y eficiencia operativa superiores.