Guía de motores eléctricos de corriente continua: selección, especificaciones y decisiones de modernización

400 kilovatios motor eléctrico de corriente continua en una máquina de papel, el extremo húmedo mantiene la velocidad dentro del 0,1% en un rango de 20:1, porque el voltaje de la armadura establece la velocidad mientras que la corriente de campo establece el par. Esa división es la razón por la que todavía se piden máquinas de CC para rebobinadores, elevadores, extrusoras y soportes de laminadores reversibles, a pesar de que los variadores de CA de frecuencia variable ganan en casi todos los proyectos nuevos. La pregunta específica que enfrentan la mayoría de las plantas es diferente: ¿sigue siendo un motor de corriente continua la respuesta correcta para una máquina accionada específica y qué debe incluirse en las especificaciones para mantenerlo funcionando durante otros quince años?

El deber de modernización domina este extremo del mercado. Cuando se dimensionaron un marco, un acoplamiento, una caja de cambios y una base alrededor de una máquina de CC, cambiar un motor de CA más un variador generalmente significa volver a mecanizar la interfaz mecánica, redirigir las bandejas de cables y revalidar el modelo de torsión en un proceso que no puede permitirse una interrupción prolongada. Mantener el motor existente y reemplazar el convertidor, el suministro de campo y el dispositivo de retroalimentación suele ser el camino más corto para regresar a la producción.

El resto de esta guía cubre qué es un motor de CC, dónde aún supera a un variador de CA, qué números deciden las especificaciones, cómo fallan estas máquinas y cómo comprar una sin heredar los problemas de otra planta.

Qué es realmente un motor eléctrico de corriente continua

Un motor eléctrico de corriente continua es una máquina giratoria que convierte la energía eléctrica de CC en par mecánico alimentando corriente a través de un conmutador y un juego de escobillas en el devanado del inducido, mientras que un devanado de campo suministrado por separado establece el flujo magnético. El par es proporcional a la corriente de armadura multiplicada por el flujo de campo; La velocidad aumenta con el voltaje de la armadura y cae a medida que aumenta el flujo de campo. Debido a que esas dos variables provienen de fuentes de energía independientes, la máquina entrega un par nominal en reposo y mantiene una velocidad establecida sin un modelo de rotor.

Cinco conjuntos llevan todo lo que importa en servicio:

• Polos de marco y campo, que transportan el flujo principal y, en marcos más grandes, un devanado de compensación que cancela la reacción de la armadura debajo de la cara del polo.
• Interpolos, conectados en serie con la armadura, que invierten la corriente en una bobina cuando pasa por la escobilla y mantienen la conmutación libre de chispas.
• La armadura laminada, cuyo devanado convierte la corriente en par.
• Conmutador y engranaje de escobillas, las únicas piezas que se desgastan en servicio normal.
• El circuito de refrigeración, normalmente IC06 con ventilación independiente o IC17 aire-aire en marcos grandes, y IC411 en marcos más pequeños.

Las máquinas excitadas por separado necesitan un suministro de campo rígido: una corriente de campo que cae durante una caída de voltaje en la planta cambia el flujo, cambia la velocidad y puede hacer que el borde de la escobilla genere chispas en unos pocos ciclos. El hardware de excitación estática que mantiene estable la corriente de campo bajo la variación del suministro es lo que mantiene la conmutación y la estabilidad de la velocidad predecibles durante una larga vida útil.

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Donde un motor eléctrico de corriente continua aún supera a un variador de CA

Un motor de CC es la mejor opción en cuatro situaciones específicas: se requiere par máximo a velocidad cero, el rango de par constante es más amplio que 10:1, se debe preservar una interfaz mecánica existente hasta el chavetero del eje o la carga necesita un par de arranque muy alto sin una caja de cambios. Fuera de esos casos, un motor de inducción con accionamiento controlado por vector es más barato de comprar, más barato de mantener y más eficiente de operar.

En el taller, las tareas de DC que sobreviven siguen un patrón predecible:

Ninguna de estas tareas se elige por motivos de eficiencia. Se eligen porque la máquina accionada, la ventana del proceso o el presupuesto de interrupciones no ofrecen una forma más barata de mantener el mismo rendimiento.

Los números que deciden la especificación de un motor de CC

Cinco valores deciden la mayoría de las especificaciones de los motores de CC: voltaje de armadura, voltaje de campo, velocidad base, velocidad máxima y el par requerido a velocidad cero. La refrigeración, la clase de aislamiento, la clasificación de la carcasa y el tipo de retroalimentación se derivan del ciclo de trabajo y del entorno alrededor de la máquina.

El voltaje de armadura normalmente lo fija el convertidor que alimentará el motor, por lo que es la primera restricción a confirmar y no la última. La ondulación importa tanto como el valor nominal: la ondulación alta de un convertidor de carga ligera aumenta el calentamiento de la armadura y acorta la vida útil de la película del conmutador, razón por la cual el ciclo de trabajo y la clasificación del convertidor se especifican juntos.

Esos puntos son reales, pero rara vez deciden el proyecto por sí solos. Una modernización que reutilice el motor existente evita trabajo mecánico, tiempo de puesta en servicio y riesgos en el proceso; la penalización de energía se recupera sólo después de años de funcionamiento continuo. Cuando una máquina funciona 8.000 horas al año, la aritmética cambia y el cálculo del ciclo de vida completo pertenece al caso de negocio.

Cómo falla un motor de CC y cuánto cuesta

Una máquina de CC rara vez muere en el devanado; muere en el conmutador. El desgaste de las escobillas, la rotura de la película, las chispas y las descargas eléctricas representan la mayoría de los tiempos de inactividad no planificados de los motores de CC, y cada uno de ellos se desarrolla lo suficientemente lento como para ser detectado por una inspección programada.

• Rotura de la película del conmutador. Una calidad de cepillo incorrecta, una baja humedad o un aire de refrigeración contaminado eliminan la película de óxido y en cuestión de semanas se producen chispas.
• Desgaste del cepillo y castañeteo. La pérdida de presión del resorte, un conmutador ovalado o la vibración de la máquina aceleran el desgaste y dejan pistas de cepillos desiguales.
• Flashover. Una sobrecarga repentina o una pérdida de campo forma un arco a través de los brazos de los cepillos y generalmente termina con un desgaste del conmutador en el sitio o en un taller.
• Interpolo y compensación de fallos en los devanados. Una conexión floja o una vuelta en cortocircuito se manifiesta como fuertes chispas bajo carga en lugar de sin carga.
• Envejecimiento del aislamiento. El servicio cíclico y los ciclos térmicos debilitan el aislamiento de la armadura mucho antes de que los rodamientos se quejen.
• Contaminación. El polvo de carbón, la neblina de aceite y la humedad del aire de refrigeración atacan tanto el aislamiento como la película, y en las líneas de papel o alimentos el polvo de carbón se convierte en un problema de calidad del producto.

Ésta es también la razón por la que una reconstrucción es una respuesta legítima. Rebobinar, desnatar y cambiar bandas de una armadura de CC y luego volver a colocar el engranaje de escobillas según los dibujos originales, a menudo cuesta una fracción de un motor nuevo y mantiene intacta la interfaz mecánica. La decisión depende del estado de los elevadores del conmutador y de si el núcleo y el eje originales todavía están dentro de la tolerancia.

Cómo especificar y obtener un motor de CC sin quemarse

Comience desde la máquina conducida, no desde la antigua placa de identificación. Un reemplazo que coincida con la placa de identificación pero que ignore el acoplamiento, el ciclo de trabajo y las condiciones ambientales es el tipo de corrección más costosa.

1. Registre la interfaz mecánica: diámetro y extensión del eje, chavetero, patrón de brida o pie, altura central y cualquier freno o tacómetro montado en el extremo no motriz.
2. Anote el ciclo de trabajo: continuo o intermitente, arranques por hora, ciclos inversos, temperatura ambiente, altitud y cuánto tiempo funciona la máquina por debajo de la velocidad base.
3. Fije la envolvente eléctrica antes de solicitar precios: voltaje de armadura disponible en el convertidor, voltaje de campo, tipo de dispositivo de retroalimentación y si el convertidor se conserva o reemplaza.
4. Establezca requisitos térmicos y de protección: clase de aislamiento F con aumento de clase B como mínimo, una clasificación IP adaptada al polvo y al lavado, calentadores ambientales, RTD y un disparo de temperatura del devanado.
5. Acuerde el paquete de repuestos y documentación: grado y juego de escobillas, resortes, soportes, un procedimiento de servicio del conmutador, el informe de prueba de fábrica y un plano dimensional.

El servicio en áreas peligrosas agrega una capa más. Una máquina de CC con engranajes de escobillas en un área de Zona 1 normalmente se suministra en un recinto a prueba de llamas, y el alcance de la certificación debe cubrir la caja de terminales, los calentadores y el tacómetro, así como el motor en sí. Comprar el motor, el suministro de campo y el equipo de arranque como un paquete combinado elimina la mayor parte del riesgo de integración; Shanghai Pinxing Explosion-proof Motor Co., Ltd. fabrica gamas de motores de alto voltaje, bajo voltaje y a prueba de explosiones, así como el hardware de control y CC que los rodea, y su instalaciones del proyecto documentadas mostrar a qué se enfrentan los equipos en plantas de carbón, petroquímicas y metalúrgicas.

Las modificaciones rara vez se detienen en el motor. Si el suministro de control de CC de la planta es más antiguo que el variador al que alimenta, reemplazar el hardware de distribución en la misma interrupción evita una segunda parada más adelante en el mismo año.

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Preguntas frecuentes sobre motores eléctricos de corriente continua

¿Para qué se utiliza un motor eléctrico de corriente continua?

Impulsa cargas que necesitan un par máximo a velocidad cero o un rango de par constante muy amplio: soportes de molinos reversibles, secciones de máquinas papeleras, polipastos de minas, extrusoras, polipastos de grúas y pequeños accionamientos de imanes permanentes en equipos alimentados por baterías.

¿Es mejor un motor de CC que un motor de CA con VFD?

Para instalaciones nuevas, no. Un motor de CA con accionamiento vectorial es más eficiente y no necesita mantenimiento de las escobillas. Para una máquina de CC existente dentro de una interfaz mecánica fija, mantener el motor de CC suele ser más rápido y económico que volver a mecanizar el tren motriz.

¿Cuánto dura un motor de CC?

Quince años o más es normal con inspecciones programadas de las escobillas, comprobaciones de la película y limpieza periódica del conmutador. El factor limitante suele ser el estado del conmutador y del aislamiento, no la vida útil del rodamiento.

¿Se puede utilizar un motor de CC en una zona peligrosa?

Sí, normalmente en un gabinete a prueba de llamas con cepillos, caja de terminales y accesorios certificados. El alcance de la certificación debe cubrir todos los componentes agregados a la máquina, incluidos los calentadores y los dispositivos de retroalimentación de velocidad.