Chuck Yung
Especialista Sénior de Soporte Técnico de EASA
Aunque el primer motor de C.C. práctico fue construido por Moritz Jacobi en 1834, fue durante los 40 años siguientes que hombres como Thomas Davenport, Emil Stohrer y George Westinghouse fabricaron máquinas de C.C. para uso industrial.
Es inspirador darse cuenta que los motores de C.C. han estado trabajando por más de 160 años. Durante el siglo pasado, las máquinas de C.C. con potencias por arriba de los treinta o cuarenta kW han sido refrigeradas de la misma forma, montando un soplador de aire de jaula de ardilla directamente en el colector.
Los usuarios finales y los reparadores se dieron cuenta al mismo tiempo que el aire de enfriamiento del motor, también forzaba polvo de carbón muy conductivo directamente a los mismos devanados que eran el alma de la máquina. Hacerlo de este modo, parece que se opone al deseo de mantener una resistencia de aislamiento a tierra alta para preservar o extender la vida del bobinado envés de terminarla.
Aún así, las máquinas de C.C. siguen siendo populares debido en gran parte a la capacidad que tienen para controlar el torque y la velocidad. Se puede esperar que un motor de C.C. funcione dentro de un amplio rango de velocidades y que el ventilador montado sobre su eje únicamente produzca una refrigeración directamente proporcional a su velocidad de giro; es por esto que el método de refrigeración por defecto de una máquina de C.C. es mediante ese condenado soplador. Ver Figura 1.
Encontrando la mejor opción de refrigeración
Hoy en día, también tenemos máquinas de C.A. alimentadas con inversores que funcionan en amplios rangos de velocidades, por lo que la refrigeración auxiliar se convierte en una consideración de post-venta. Nosotros como reparadores debemos ser capaces de seleccionar la mejor opción y el tamaño correcto de cualquier método de refrigeración que parezca adecuado para una aplicación en particular.
La norma general para refrigerar un equipo eléctrico es 100 CFM (2.8 metros cúbicos / minuto) por kW de pérdidas. Si la eficiencia del motor es conocida, el cálculo simplificado será:
hp x 0.746 = kW
(1 – eficiencia) x kW = Pérdidas
Pérdidas x 100 = CFM recomendados
Es prudente redondear hasta un 25% para asegurar que existe un flujo de aire suficiente, adecuado para refrigerar la máquina. Debemos admitir también que entre más baja sea la velocidad de operación, menor será el flujo de aire disponible desde el ventilador (es) integrado(s) en fábrica y mayor será la temperatura del bobinado. Ver Figura 2.
Métodos de refrigeración más populares
Para una máquina de C.C, un soplador auxiliar de jaula de ardilla montado en el lado colector continúa siendo el método de refrigeración más popular. Aunque la eficiencia de la máquina de C.C. no está indicada en la típica placa de datos (a diferencia de una máquina de C.A) esta eficiencia es muy sencilla de calcular:
La potencia de salida está expresada en hp y kW, recordando que hp x 0.746 = kW
vatios = voltios x amperios, por tanto utilice los valores de campo y armadura y luego súmelos para obtener la potencia de entrada.
Por ejemplo, para un motor de C.C. de 400 hp (0.746 x 400 = 300 kW), con un voltaje de circuito de armadura de 500 V (note que el circuito de armadura incluye la armadura, los interpolos y si está presente, el campo serie), una corriente nominal de 645 amps y un campo shunt de 240 V y 3.5 amps tenemos:
500 V x 645 A = 322,500 vatios
o 322.5 kW
240 V x 3.5 A = 840 vatios o 0.84 kW
Potencia de entrada = 323.34 kW
(322.5 + 0.84 = 323.34)
323.34 kW entrada – 300 kW salida = 23.34 kW de pérdidas, cerca de un 93% de eficiencia.
100 CFM por 23.5 kW de pérdidas = 2350, lo que requerirá un soplador de aire de 2350 CFM a 2 ó 3 pulgadas de columna de agua de presión estática (5 a 8 cm).
Efectos del polvo de carbón
Aún, el problema continúa: El polvo de carbón producido por el desgaste de las escobillas es soplado directamente hacia los mismos devanados que queremos preservar. No hace muchos años, un fabricante abordó este problema instalando un soplador de aire (blower) en el lado acoplamiento (opuesto colector), pero descubrieron que esto por sí solo no era suficiente.
Para optimizar la refrigeración necesitaban aumentar la presión estática dentro del motor, mientras al mismo tiempo forzaban más aire de refrigeración a través de la armadura. Esto estaba acompañado por la instalación de un deflector plano en el lado colector (ver Figura 3), situado justo por encima de las conexiones de delga (risers). Este aumento de la presión estática (el aire más denso enfría mejor), forzó más aire en el yugo de la armadura a través de los ductos de ventilación axiales y esto aumentó la velocidad del paso de aire entre el deflector y las conexiones de delga. Con esto se lograron dos beneficios adicionales: Primero, el aire a mayor velocidad hizo mejor el trabajo de expulsar el polvo de carbón del motor. Segundo, esto aumentó la refrigeración en las conexiones de delga (risers) y los porta escobillas. Idealmente, la temperatura de las escobillas y el colector suele estar en un rango de 140°F - 210°F (60° – 100°C).
Los fabricantes de cualquier equipo deben estar al día con lo que la competencia está haciendo, especialmente cuando eso funciona. Por lo que no nos sorprende que otros fabricantes hayan copiado (casi) el esquema de refrigeración antes descrito. Ahora varios fabricantes instalan el soplador de aire en el lado acoplamiento. Pero- al momento de escribir este artículo – aparentemente ninguno ha visto la necesidad de instalar el deflector en el lado colector.
Mejorando el desempeño del motor
Para los reparadores estas son buenas noticias. Siempre que sepamos que un soplador de aire está instalado en el lado acoplamiento, envés del lado colector, fabricar un deflector para el lado colector es una excelente forma de mejorar el desempeño del motor para nuestros clientes.
Para los motores de C.A. que funcionan con un variador de frecuencia electrónico (VFD), ciertos fabricantes ofrecen en post-venta sopladores de aire ya diseñados. Algunos se montan directamente en la tapa del ventilador con un eje dimensionado para poder instalar el ventilador externo original. Otros kits requieren retirar el ventilador que va montado en el eje, instalando directamente un soplador de aire en la tapa del ventilador. De cualquier forma, se proporciona un volumen de aire constante para eliminar el problema de la reducción de la refrigeración a una baja velocidad de operación.
Para los casos en los cuales los fabricantes de equipos originales (OEM) no ofrecen opciones de refrigeración mejoradas, vuelva a guiarse por los 100 CFM por kW de pérdidas. Los fabricantes competentes de sopladores de aire colaboran en el cálculo de los sopladores de aire necesarios en aplicaciones específicas y muchos centros de servicio pueden fabricar estructuras fuertes para soportar y montar el soplador de aire auxiliar adecuadamente. Para las carcasas TEFC (IP54) o WP (IP 23 ó 24), es relativamente simple añadir un soplador de aire ya diseñado. Para las carcasas ODP aplican las mismas reglas de volumen y de presión estática, pero la complejidad de ejecución es mucho mayor.
DISPONIBLE EN INGLÉS
ANSI/EASA AR100
More information on this topic can be found in ANSI/EASA AR100- Section 2: Mechanical repair
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