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1.4: Motores

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    154194
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    Resultados de aprendizaje de los estudiantes

    Después de leer este capítulo, deberías poder:

    • Enumerar los diversos tipos de motores eléctricos
    • Describir la construcción de motores eléctricos
    • Explicar equipos de control de motores
    • Identificar los tipos de mantenimiento de motores

    Motores

    Para bombear agua a través de un sistema de distribución, se necesita un motor para hacer funcionar la bomba. Los motores y motores son una parte integral de mover el agua de la fuente al cliente. Casi todos los motores eléctricos utilizados por las empresas de agua para operar bombas son alimentados por corriente alterna (CA). La CA fluye en una dirección y luego en la otra. La intensidad de la corriente se eleva de cero a un máximo, vuelve a cero, y luego cae y sube en sentido contrario.

    Gráfica de un ciclo terminado
    Figura\(\PageIndex{1}\): Las imágenes de COC REA están bajo licencia CC BY

    Esta secuencia se llama ciclo. La frecuencia de CA es el número de ciclos que se completan en un segundo. Por ejemplo, 60 hercios (Hz) equivale a 60 ciclos por segundo. El número de picos por ciclo es igual a la potencia de fase. Los motores más grandes suelen ser alimentados por energía trifásica.

    Los motores eléctricos están disponibles en una amplia gama de tipos, velocidades y capacidades de potencia. La salida de potencia suave y el alto par de arranque son adecuados para la conexión directa a bombas centrífugas. Si bien la mayoría de los motores utilizados en la industria del agua, los motores de combustión interna se utilizan y tienen su lugar de función. Los motores de combustión interna se utilizan principalmente para el servicio en espera durante emergencias o cuando hay cortes de energía.

    Definiciones de Motor

    Como ocurre con la mayoría de las cosas, hay ciertos términos, frases y palabras asociadas a los motores. Por lo tanto, esta sección manejará varias definiciones, lo que ayudará en el entendimiento general a medida que avancemos en este capítulo.

    • Los caballos de fuerza (hp) son la unidad de medida de potencia para motores eléctricos. Un ingeniero escocés adoptó el término con el nombre de James Watt. Watt comparó la salida de las máquinas de vapor con la potencia de los caballos.
    • Watt es la unidad de medida estándar de potencia. Un vatio equivale a un julio por segundo. Se utiliza para cuantificar la tasa de transferencia de energía. La conversión entre vatios y caballos de fuerza se muestra a continuación:
      • 0.746 watt = 1 CV
    • Volt es una medición de la presión eléctrica. Es similar a libras por pulgada cuadrada de presión en el agua. Los voltajes comunes son 110/120 y 220/240 voltios para la iluminación y operación de motores pequeños. Los motores grandes requieren voltajes de 440/480 o superiores.
    • Ampere es la unidad utilizada para medir la corriente eléctrica del flujo
    • El ohmio es una medida de resistencia eléctrica o impedancia. Caídas de presión eléctrica debido a la resistencia.
    • El estator es la parte estacionaria de un motor. Por lo general consiste en un núcleo de acero con ranuras en las que se colocan bobinas aisladas de bobinado de cobre o aluminio.
    • El rotor es la parte giratoria del motor. Consiste en un núcleo de acero con devanados de cobre o aluminio. El rotor está ubicado en el eje del motor dentro del estator y está separado de él solo por un pequeño entrehierro.

    Existen otros términos asociados a los motores, los cuales serán discutidos más adelante en este capítulo.

    Cómo funciona un motor

    Como se mencionó anteriormente, los motores se encuentran en toda la industria de servicios de agua. No obstante, hay motores por todas partes en nuestro día a día. Hay motores en las computadoras, los secadores de pelo usan un motor, ventiladores, electrodomésticos, juguetes y tantas otras cosas usan motores. Cuando una corriente eléctrica comienza a moverse a lo largo de un cable, crea un campo magnético a su alrededor. Este campo magnético puede provocar movimiento, que puede impulsar un motor. El vínculo entre la electricidad, el magnetismo y el movimiento es la ciencia básica detrás de un motor eléctrico.

    Las fuerzas de atracción y repelencia de un imán dentro de un motor son las que crean el movimiento de rotación. Un polo del imán se designa como norte y el otro sur. Una corriente que pasa a través de un cable envuelto alrededor de un alambrón se llama electroimán. Se forma un motor simple cuando se coloca un imán giratorio cerca de un electroimán. Cuando se conecta la alimentación de CA, la corriente pasa a través del electroimán (estator) crea un polo magnético que atrae al polo diferente del otro imán (rotor). Al invertir la corriente, se cambia el polo y el rotor gira y gira el eje. El campo magnético en el estator induce una corriente en el rotor, que luego gira, girando los ejes del motor y de la bomba.

    La velocidad a la que gira el campo magnético se denomina velocidad sincrónica del motor. Esta velocidad se expresa como revoluciones por minuto (rpm). Una frecuencia de 60 Hz tiene una velocidad síncrona máxima de 3,600 rpm o 60 revoluciones por segundo. Recuerda, en 60 Hz, hay 60 ciclos por segundo. Los 60 ciclos multiplicados por las 60 revoluciones equivalen a 3,600 rpm. Los motores pueden funcionar a fracciones de 3,600 rpm al aumentar el número de polos en el estator. Por ejemplo, un motor de cuatro polos tiene una velocidad síncrona de 1,800 rpm y un de seis polos tiene una velocidad síncrona de 1,200 rpm. Los motores también pueden funcionar a su velocidad sincrónica o ligeramente más baja.

    Se necesita más corriente eléctrica para arrancar los motores de la que se necesita para mantener el motor funcionando. La corriente de arranque del motor (corriente de rotor bloqueado) es la corriente consumida por el motor en el instante en que el motor se conecta al sistema de suministro de energía. La corriente del rotor bloqueado suele ser de cinco a diez veces la corriente normal a plena carga. La corriente comienza en su valor máximo y luego disminuye al consumo de corriente ordinario del motor a medida que el motor alcanza la velocidad máxima.

    Motores monofásicos

    Los motores monofásicos funcionan de la misma manera que los motores trifásicos, excepto que solo funcionan con una fase. La potencia instantánea de los motores monofásicos no es constante. Esto se debe a que el sistema alcanza un valor pico dos veces en cada ciclo. Por lo general, solo se usan en tamaños de caballos de fuerza fraccionarios, pero pueden ser amueblados hasta 10 hp a 120 o 240 V. No se requiere potencia para poner estos motores al día y deben ser arrancados por algún dispositivo exterior. Un devanado de arranque generalmente está integrado en el motor para proporcionar un par inicial alto. A medida que el motor llega a alta velocidad, un interruptor centrífugo cambia las conexiones al devanado en funcionamiento.

    Hay tres tipos básicos de motores monofásicos:

    • Los motores de fase dividida utilizan un rotor sin devanados. Tienen un par de arranque comparativamente bajo, por lo que se necesita una corriente de arranque baja.
    • Los motores de repulsión-inducción son más complejos y caros que los motores de fase dividida y requieren una corriente de arranque más alta
    • Los motores de fase capacitiva tienen un alto par de arranque y una alta corriente de arranque. Se utilizan en aplicaciones donde la carga puede acelerarse muy rápidamente y se requiere un arranque poco frecuente.

    Motores trifásicos

    Los motores trifásicos se utilizan cuando se necesitan más de ½ caballos de fuerza. Un motor trifásico tiene dos partes principales. Un rotor es el componente giratorio y el estator es la parte que gira el rotor. El rotor también se conoce como una jaula de ardilla. La jaula de ardilla consiste en una red circular de barras y anillos, que se parecen a una jaula conectada a un eje. El estator dentro de un motor trifásico consiste en un anillo con tres pares de bobinas. Las bobinas están espaciadas uniformemente alrededor del rotor. Cada par de bobinas está conectado a una potencia de fase. Dado que cada uno está desfasado entre sí, se crea un campo magnético giratorio y gira alrededor del estator a una velocidad continua. Los motores trifásicos funcionan a 230, 460, 2,300 o 4,000 V. Hay tres clases principales de motores trifásicos.

    • Motores de inducción de jaula de ardilla
    • Motores síncronos
    • Motores de Inducción con Rotor Herido

    Se utilizan diversos motores para operar bombas en la industria del agua. La siguiente tabla identifica el tipo de motor, la fase, la aplicación y proporciona algunos comentarios adicionales.

    Tipo de Motor

    Fase

    Aplicación

    Comentarios

    Inducción (rotor de jaula de ardilla)

    Sencillo

    Bombas de chorro, bombas centrífugas pequeñas

    <1 hp, requiere interruptor

    Jaula de ardilla de inducción (fase dividida)

    Tres

    Centrífuga general

    Bajo mantenimiento, velocidad única

    Herida en fase

    Tres

    Velocidad variable

    Velocidad ajustable

    Sincrónico

    Tres

    Se utiliza donde la eficiencia energética es crítica

    Sin deslizamiento, eficiente

    Eje hueco vertical

    Tres

    Turbina Vertical

    Montado en cabezal de descarga de la bomba

    Sumergible

    Tres

    Sumergible

    Sumergible

    Componentes principales del motor

    Existen varios componentes, los cuales conforman un motor. En esta sección se analizan cinco (5) componentes principales.

    • Marco: el marco de un motor brinda protección. Un marco generalmente está hecho de hierro fundido o acero. Hay cuatro (4) tipos de marco comunes.
      • Abierto a prueba de goteo: este tipo de marco tiene aberturas que permiten que el aire pase y enfríe el motor. Las aberturas están construidas para que las gotas de partículas líquidas o sólidas no interfieran normalmente con las operaciones del motor. Estos marcos son adecuados para la mayoría de las instalaciones en interiores, pero no deben usarse si el agua o los productos químicos salpican en el marco.
      • Refrigerado por ventilador totalmente cerrado: en un marco totalmente cerrado, está construido para que el aire exterior no pueda ingresar al motor. El enfriamiento es proporcionado por un ventilador incorporado. Estos marcos son adecuados para uso exterior y en atmósferas cargadas de humedad.
      • Totalmente cerrado a prueba de explosiones: este tipo de marco está construido para soportar una explosión de gas o vapor dentro del motor. También evita la ignición de gas o vapor que rodea el motor por chispas dentro del motor. Este tipo de marco se debe utilizar siempre que el motor se encuentre cerca de una atmósfera explosiva como áreas de alimentación química.
      • Sumergible: un marco sumergible está diseñado para ser totalmente sumergido en el agua. Está equipado con sellos especiales para mantener el agua fuera y retener el aceite que rodea el motor.
    • Estator: como se explicó anteriormente, el estator es la parte estacionaria del motor. Por lo general consiste en un núcleo de acero con ranuras que son bobinas aisladas de bobinado de cobre o aluminio.
    • Rotor: la parte giratoria de un motor se llama rotor. Se encuentra en el eje del motor dentro del estator.
    • Cojinetes: para que el eje del motor se mantenga en posición con una mínima resistencia a la fricción, se utilizan cojinetes. El rotor a su vez está soportado por cojinetes, lo que permite que el rotor gire. La carcasa del motor soporta los cojinetes. Los rodamientos están lubricados con aceite o grasa para evitar que las superficies metálicas se desgasten.
    • Eje: el eje es una varilla que se extiende a través de los cojinetes y el rotor. El rotor gira el eje para entregar potencia mecánica.
    • Bobinas: los devanados son cables tendidos en bobinas envueltas alrededor de un núcleo magnético. Esto forma polos magnéticos cuando se energiza con corriente eléctrica.
    • Campanas de extremo: las campanas o escudos del extremo del motor son el soporte principal para los cojinetes

    Los motores están diseñados para una amplia gama de cargas, condiciones ambientales y configuraciones de montaje. Muchas configuraciones de motor están estandarizadas en tamaños de hasta 200 hp. Los motores más grandes no suelen estar estandarizados. A medida que los motores convierten la energía eléctrica en energía mecánica, se genera calor. Por lo tanto, los motores deben diseñarse con algún tipo de ventilación. En temperaturas externas mayores a 104 ° F, se puede acortar la vida útil de un motor.

    Equipo de Control de Motor

    Los motores más pequeños generalmente se inician conectando directamente el voltaje de la línea al motor. Sin embargo, en motores más grandes (mayores que los caballos de fuerza fraccionarios) se necesita un motor arrancado. Un arrancador de motor típico incluye un interruptor de desconexión principal, fusibles o disyuntores, monitores de temperatura y un medio para operar el motor de forma remota.

    Las funciones del control del motor se clasifican en dos categorías principales. Gran parte de las funciones del control del motor son para la protección del motor y los cables de alimentación asociados. La otra función determina cuándo y cómo opera un motor.

    Hay controladores de motor de voltaje completo y voltaje reducido. Los controladores de voltaje completo utilizan el voltaje de línea completa de la fuente eléctrica para arrancar el motor. La corriente de arranque se extrae directamente de la línea eléctrica. En un controlador de voltaje reducido la corriente de arranque del motor es demasiado alta y puede dañar el sistema eléctrico. El controlador utiliza un voltaje y una corriente reducidos para arrancar el motor de la bomba.

    Los sistemas de control del motor son automáticos o manuales. Los sistemas manuales suelen ser menos costosos y requieren mano de obra de los empleados para operar. Este tipo de sistemas de control generalmente se ubican en una sala de control central. Los controladores automáticos son comúnmente operados de forma remota y reducen la necesidad de operación manual. Cualquier tipo de sistema de control debe incluirse con alarmas de alto y bajo nivel como sistema de alerta temprana.

    Con el fin de prevenir o reducir la probabilidad de falla del motor, a menudo se utilizan equipos de protección del motor. Los relés de sobrecarga térmica en los arrancadores evitan que un motor se queme si las condiciones de funcionamiento anormales aumentan la carga más allá de la capacidad de Los fusibles y los disyuntores se colocan en el cableado de alimentación principal de un motor para proteger contra cortocircuitos. Los fusibles o circuitos fallan y apagan el motor. Los relés de sobrecorriente o sobrecarga se utilizan para detectar sobretensiones de corriente en la fuente de alimentación. En caso de una sobretensión, estos relés desconectan el motor de la fuente de alimentación. En áreas donde pueden ocurrir rayos, se utilizan pararrayos para evitar daños por sobretensiones de alto voltaje. Los relés de voltaje se utilizan frecuentemente para detectar una pérdida de energía e iniciar un cambio a una fuente de alimentación alternativa. Hay una variedad de otros relés para proteger contra cosas como corrientes inversas, inversiones de fase y cambios de frecuencia. También se utilizan sensores para proteger contra sobrecalentamiento, aumentos de velocidad y otras variables operativas, que no se consideran normales.

    Mantenimiento del Motor

    Al igual que con todos los equipos mecánicos, un programa de mantenimiento programado regularmente es prudente. Los artículos de inspección general y mantenimiento incluyen una buena limpieza para mantener el área alrededor del motor limpia y libre de cosas, lo que puede contribuir a fallas prematuras. Se debe seguir una lista de verificación de inspección para examinar rutinariamente cosas como la alineación y el equilibrio del motor, la lubricación adecuada, el aislamiento adecuado, el desequilibrio de fase y las conexiones de interruptores y circuitos.

    Los rodamientos también deben mantenerse adecuadamente. La carcasa del cojinete debe estar llena de aceite. Con nuevas bombas, el aceite debe ser completamente reemplazado después del primer mes de operación. Entonces los cambios rutinarios de aceite deben ocurrir cada 6 a 12 meses. En los rodamientos lubricados con grasa la temperatura debe ser monitoreada de cerca, especialmente durante el primer mes. El reajuste debe completarse según las especificaciones del fabricante.

    También se deben mantener registros adecuados. La marca, el modelo, la capacidad, el tipo, el número de serie y la información de la garantía deben conservarse para reemplazar o reparar el mismo motor o compatible. La fecha de instalación y el nombre de la compañía que instaló el motor también deben mantenerse con todos los demás registros del motor. Los fabricantes ofrecen programas sugeridos de inspección y mantenimiento. También es importante mantener registros de los nombres y direcciones del fabricante y los representantes locales de reparación.

    Los resultados de cualquier prueba también deben mantenerse archivados. Dependiendo del tamaño y tipo de motor, las pruebas pueden variar. Algunos parámetros de prueba comunes incluyen, pero no se limitan a la vibración del motor y las temperaturas de funcionamiento. También se recomienda la comprobación rutinaria de cables y puesta a tierra.

    Preguntas de muestra

    1. Volt es una medida de ___________ eléctrica.
      1. Resistencia
      2. Presión
      3. Poder
      4. Actual
    2. Ampere es una medida de ___________ eléctrica.
      1. Resistencia
      2. Presión
      3. Poder
      4. Actual
    3. Ohm es una medida de ___________ eléctrica.
      1. Resistencia
      2. Presión
      3. Poder
      4. Actual
    4. ¿Cuál de los siguientes no es un motor trifásico?
      1. Inducción de repulsión
      2. Inducción de jaula de ardilla
      3. Sincrónico
      4. Inducción de rotor de herida
    5. Un motor de cuatro polos tiene una velocidad síncrona de ___________.
      1. 1,200 rpm
      2. 1,800 rpm
      3. 2,400 rpm
      4. 3,600 rpm
    6. La velocidad a la que gira el campo magnético se llama ___________ del motor.
      1. Velocidad de funcionamiento
      2. Velocidad de rotación
      3. Velocidad sincrónica
      4. Velocidad dinámica
    7. ¿Cuál de los siguientes es un motor monofásico básico?
      1. Inducción por repulsión
      2. Inducción de jaula de ardilla
      3. Sincrónico
      4. Inducción de rotor de herida
    8. El estator es la parte ___________ del motor.
      1. Rotación
      2. Estacionarios
      3. Aislante
      4. No es parte de un motor
    9. Los motores están diseñados para una temperatura externa ___________.
      1. menos de 150F
      2. menos de 125F
      3. menos de 110F
      4. menos de 104F
    10. PLC significa ___________.
      1. Centro lógico programable
      2. Control local de la bomba
      3. Controlador lógico programable
      4. Centro Local de Bombas

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