MOTOR - CONTRASER

Alí A. González

Lic. Química – U.C.V.

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Msc. Ing. Sanitaria – U.C.V.

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Msc. Ing. Civil – Univ. Pittsburgh, U.S.A

MOTOR

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NOTA AL OPERADOR: A la falta de conocimientos básicos que tiene el operador sobre los fundamentos teórico- práctico de los equipos de los sistemas de tratamiento de aguas residuales, se suma en la mayoría de los casos, al de su desconocimiento relacionado con la operabilidad y mantenimiento de los mismos (motor, bomba y sistema de aireación ); razones por las cuales, se le dificulta no solo lograr y mantener la máxima eficiencia en su actividad operacional; sino que con mucha frecuencia debe DETENER la operabilidad del sistema de tratamiento, por no funcionar uno ó varios equipos (generalmente no tomó alguna medida preventiva ó no se tiene un equipo adicional a sustituir inmediatamente ) trayendo como consecuencia que debe descargar por un periodo que puede ser significativo, el líquido residual prácticamente crudo al receptor final (red cloacal ó cuerpo de agua ) no cumpliendo con las normativas ambientales; además de incrementar el costo operacional del tratamiento (reparación ó compra de nuevo equipo ).

Esta nota solo intenta suministrar al operador algunas nociones básicas sobre el funcionamiento-operatividad y las medidas preventivas de los equipos usados en las diferentes etapas del tratamiento de aguas residuales.

Atte.: MS.c Ing Alí González

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Los equipos que principalmente tiene que conocer el operador en los sistemas de tratamiento de aguas residuales son: Motor , Bomba y Aireador (superficial ó soplador ).En este link veremos algunos aspectos generales del Motor.

MOTOR ELECTRICOS: *.- Al motor se le suministra la energía usualmente en forma de corriente electrica ( generalmente corriente alterna ) para que la transforme como energía mecánica y así enviarla la bomba ó al aireador que permitan que estos equipos realicen su trabajo.

Los motores de corriente alterna se clasifican como: a) Asincrónico ó también llamado de inducción b) Sincrónico a) Motores Asincrónicos: Motor que realiza su trabajo por el efecto de un campo magnético sobre el estator (número de espiras ).No hay fuerza directa sobre el rotor b) Motores Sincrónicos son aquellos que su velocidad de rotación es constante y uniforme( para un solo imán. Polos del campo ) que depende de la frecuencia aplicada a la corriente que se le suministra al motor. La frecuencia puede ser 50Hz ó 60Hz. Se puede variar la velocidad de rotación variando el número de polos (imán) con una de fase de 90o.

Frecuencia de la corriente alterna Velocidad (rps ) = ---------------------------------------------------Número de polos de la bobina El motor consiste en dos partes principales: 3 Caracas: Av. Lecuna, Edif. Royal, Piso 1, Apto. Nº 13. Maracay: Av. Bermúdez Edif. San Luis Tercer Piso.

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* La parte fija recibe el nombre de estator y es donde se aloja el rotor y esta formada por: a) Carcaza b) Devanado (trifásico, formado por tres fases) c) Aislantes (asbestos con aglutinantes, mica)

.- Parte móvil llamado ROTOR formado por: a) b) c) d)

Eje Devanado del rotor Anillos rozantes ( el tipo jaula de ardilla no tiene. Explique? ) Chumaceras (soporte - guía del eje. Muy importante su lubricación )

El principio del funcionamiento del motor de inducción lo podemos resumir así: Cuando se aplica una corriente electrica alterna a una bobina que esta en el motor, se crea un campo magnético que produce una fuerza electromotriz inducida capaz de hacer rotar un eje ( rotor );esta rotación ( que contiene la energía ) es transferida a otro eje de la bomba ó aireador para que estos equipos realicen sus funciones.

Las dos leyes que regulan el sentido y magnitud de esta fuerza ( que produce la energía ) son: .- Ley de H. Lenz: Cuando circula una corriente eléctrica en un sistema cerrado (tal como el caso de la bobina en el motor ),la dirección del campo magnético se opone al cambio producido por la corriente (en realidad no es una ley, sino una regla ). .- Ley de Faraday: Permite conocer la magnitud de la fuerza electromotriz inducida en función del número de espira que contenga la bobina.

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F = - N ∆B/∆T. F = Fuerza electromotriz inducida, Voltio N= Número de espiras ΔB = Variación del campo magnético, Web ó ( Tesla . m2 ) ΔT = Variación del tiempo, seg Ejemplo: ¿ Cual será la fuerza electromotriz inducida que se origina en un motor cuya bobina tiene 100 espiras y disminuye (signo negativo ) su campo magnético en 5 . 10-5 Web ( 5.

10-5 T . m2 ) en 0,02seg ?.

Resp: F.e.m = - N . ΔB/Δt = - 100 ( - 5 .10-5 )/0,03 seg = 0,25 Voltios Note: .- Si no hay variación del campo magnético ( ∆B/∆T = 0 ), no hay fuerza electromotriz y el motor no se mueve. .- Energía : Capacidad de realizar un trabajo Trabajo = T = F . e ; F = Fuerza y termino e es espacio.

• Ejemplo : Si la energía es de posición se llama Energía potencial, la energía electrica se llama Voltio (Joule/could).

• Si se divide el trabajo (voltios) realizado entre el tiempo requerido para realizar este cambio, tenemos la potencia del motor.

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Ejemplo: Si el cambio del voltaje ( 220voltios ) se realiza en 0,03seg,la potencia del motor será: P = Trabajo /tiempo P = 220voltios/0,03seg = 7.333vatios ( 7,3Kw ó 9,8 HP ) • La fuerza magnética se expresa como.

F = q. V .B Ø ( q carga, V velocidad y B campo magnétic,seno Ø (entre V y B ) Potencia : Matemática Sencilla: Sabemos por lo hemos aprendido en bachillerato que la energía eléctrica, si se expresa en forma de potencia (trabajo/tiempo ) y viene dada por la expresión: P = V . I ( 1 ) (Potencia monofásica ) P = 1,73 . V . I ( 2 ) (Potencia trifásica ) Donde P = Es el trabajo eléctrico por unidad de tiempo y recibe el nombre de potencia.

V = Voltaje de la corriente eléctrica, Voltio I = magnitud de la corriente eléctrica. Amp Si V se expresa como voltio e I como amperios, P tiene unidad de Vatios.

Ejemplo: V= 220voltios I = 40amp

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La potencia P es : 220 V . 40amp = 8800vatios ó 8,8 Kw (monofásica ) y 15,2Kw si el sistema es trifásico.

Si hacemos la comparación entre la fase trifásica y monofásica, la ganancia de la primera es de 72% con respecto a la monofásica.

Los datos de potencia, rpm, Inominal, etc que tiene el motor, el operador la puede ver en la placa adherida que generalmente llevan estos equipos.

Evidentemente NO toda la energía que tiene el motor es transferida ya sea a la bomba o al aireador; una parte de ella, se pierde por fricción en forma de calor; esta perdida de energía se puede calcular mediante la siguiente relación la cual lleva el nombre del efecto Joule.

P = I2 . R ( 3 ) Donde: R = Resistencia (generalmente expresada en ohms: Ω) Ejemplo: I = 40amp R = 0,5Ω Entonces P = 0,8Kw (esta es la perdida de potencia por fricción).

Se puede calcular cuantas calorías por ejemplo, en dos segundos se desprende de esta fricción.

Como un joule = 0,24 cal La caloría perdida o desprendida es 0,8Kw . 0,24 Kcal/Kw = 0,19Kcal/cada 2 segundos 7 Caracas: Av. Lecuna, Edif. Royal, Piso 1, Apto. Nº 13. Maracay: Av. Bermúdez Edif. San Luis Tercer Piso.

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Se puede ver de la expresión ( 3 ), la perdida de energía es proporcional al cuadrado de la corriente eléctrica, por eso es preferible que cuando el motor requiera una alta corriente eléctrica en el circuito; ejemplo, cuando se tiene un motor con potencia significativa ( recuerde que un Kw = 1,3 HP ) es preferible usar un voltaje de 440 voltio a uno de 220V, además por supuesto se reduce el costo de electricidad ¿ explique?.

Cuando usted enciende en forma directa un motor, este puede demandar entre 4 y 6 veces la tensión nominal ( cuando lo conecta directamente a la línea); para evitar este alta demanda inicial ( pico. para vencer la inercia que tiene el motor) , se pone a funcionar el motor por así decirlo, en forma indirecta: Ejemplo un motor que tiene en su placa mayor de 10HP, generalmente, se conecta en forma trifásica, el cual tiene seis conexiones que salen de los devanados de la armadura del motor, ellas se pueden conectar a la carga exterior de dos maneras: Estrella y Triangulo.

La corriente eléctrica necesaria para mover el motor ( la llamaremos Ia ,inercia ) es significativamente mayor que la requerida cuando el motor esta en pleno funcionamiento ( la llamaremos In ).

Ia > In ( 4 ´ 6 veces ) Ia = Corriente de arranque In = Corriente de funcionamiento Esta desigualdad se debe a la alta resistencia (llamada impedancia Z en corriente alterna ) que presenta el motor para empezar a moverlo (inercia ).

CONFIGURACIÓN: ESTRELLA – TRIANGULO

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Es claro, que no resulta ni practico- ni económico poner a funcionar el motor continuamente con la alta corriente Ia por su alto requerimiento energético ( además puede dañar partes protectoras del motor ).

Para subsanar en algo este problema, se arranca inicialmente el motor con el valor de Ia y una vez que se ha vencido la inercia propia del motor , se cambia la corriente del valor de arranque Ia al valor In que tiene menor requerimiento energético y suficiente para que el motor continúe funcionando continuamente.

Este cambio de corriente de Ia a In (corriente de funcionamiento ó nominal ), lo podemos hacer dándole configuración especial a los desvanados del motor. En la configuración Estrella - Triangulo Cuando los desvanados se colocan en forma de estrella, se tiene que Ifase = Ilinea (cualquiera ).

Una vez y en muy pocos segundos cuando el motor ( Ia) arranca y empieza a funcionar, un contactor Cambia a una configuración triangulo que por posee mayor resistencia tiene menor corriente( In ) pero suficiente para mantener en operación el motor.

Este tipo de configuración es usual cuando el motor tiene mas de 10HP. Importante: Si el contactor no cambia a la conexión triangulo ( ó delta como también se le conoce ) en breves segundos, y la conexión estrella permanece un tiempo significativo, es posible que produzca daños en el sistema eléctrico; por esta razón es muy importante el tiempo (mínimonecesario ) del cambio de una configuración a otra.

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Figura 1. Configuración Triangulo .

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Figura 2: Configuración: Estrella 11 Caracas: Av. Lecuna, Edif. Royal, Piso 1, Apto. Nº 13. Maracay: Av. Bermúdez Edif. San Luis Tercer Piso.

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Arranque directo de un motor con bobinado conectado en Triángulo.

Conexión en Triángulo

Fig 3 Configuración Triangulo

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Conexión en Estrella

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Arranque directo de un motor con bobinado conectado en Estrella.

Fig 4 . Configuración Estrella

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Fig. 5 Rolinera ó cojinete

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Fig 6 Impulsores Abiertos: Este tipo de impulsores se utilizan preferentemente en bombas que se usan en el tratamiento de aguas residuales que tienen alto contenido de sólidos relativamente gruesos (NO se obstruyen con facilidad )

Impulsor abierto con caja parcial

Impulsor semi-abierto 15

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Fig. 7 TIPO DE IMPULSOR COMUN CERRADOS: Estos impulsores se utilizan preferiblemente en el bombeo de agua blanca, proporcionan alta potencia pero son fáciles de atascar.

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Fig. 8 Partes importantes de un motor Pregunta: Explique lo anteriormente dicho utilizando la expresión.

Potencia real = 1,73. Vlinea . Ilinea .cos Φ Donde: cos Φ es el ángulo de desfase TRANSFORMADOR: El transformador es una unidad que permite modificar el voltaje ó corriente que presenta una línea.

El transformador esta formado por un par de bobinas acopladas magnéticamente y un desvanado sobre si mismo en un núcleo de hierro; a la bobina que se le conecta la corriente alterna se llama bobina primaria; mientras que a segunda recibe el nombre de secundaria.

El transformador es en realidad dos circuitos eléctricos por donde puede pasar de una bobina a otra la corriente alterna (C.A) y no pasa la corriente directa (C.D ) En Venezuela donde se genera la corriente eléctrica se genera principalmente en el Gurí tiene un voltaje de unos 24.000 voltios; como la corriente alterna presenta poca resistencia en su transmisión, esta energía que se produce en el Gurí mediante un transformador se aumenta a unos 400.00voltios, así es transportada hasta la ciudad (Caracas, por ejemplo ) donde en estaciones transportadora se disminuye este voltaje (mediante transformadores ) a unos 13.000 voltio. Para luego entregársela a las casas ó apartamentos en 120V ó 240V mediante el uso de un nuevo transformador.

Para la mayorías de las industrias, la cantidad y el voltaje ( 120V ) entregado por ( Elecentro ) es pequeño y toman una línea de unos 13.000V y la disminuye con un trans18 Caracas: Av. Lecuna, Edif. Royal, Piso 1, Apto. Nº 13. Maracay: Av. Bermúdez Edif. San Luis Tercer Piso.

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formador para obtener el voltaje requerido de 220V ó 440V según el voltaje requerido para la planta de tratamiento.

Se demuestra matemáticamente que: Vp .Np = Vs . Ns ( 4 ) Donde: Vp = Voltaje de la bobina primaria Np = Numero de espiras en la bobina primaria.

Vs = Voltaje de la segunda bobina.

Ns = Numero de espira de la segunda bobina.

Pregunta: Si un transformador tiene una bobina primaria de 1.800 vueltas y el secundario 4.500 ¿Cuál es el voltaje de salida del transformador si el voltaje primario es de 700V? Respuesta: 280V

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Fig. 10: TRANSFORMADOR

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Fig. 11 TRANSFORMADOR

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Fig. 12 TRANSFORMADOR

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Existen algunas consideraciones eléctricas adicionales que el operador debe conocer; entre las cuales se encuentran: a.- Unidades de protección eléctrica que tiene el motor. b.- Transferencia (acoplamiento ) de como la energía del motor a la bomba o aireador c.-Medidas preventivas para el motor e indicaciones de su mal funcionamiento. d.- Detectar algunas fallas en el motor. a.- PROTECCION ELECTRICA DEL MOTOR: Todo motor debe estar protegido de algunas fallas que se pudiera presentarse (falta una fase, se tranca un rodamiento, etc ) que producen una sobre carga eléctrica al motor pudiendo la bobina quemarse ); esta protección se basa principalmente es detener (cortar ) el circuito eléctrico cuando la falle se presente. No se intenta en esta nota, dar clase de electricidad, considero suficiente mostrarle al operador algunas protecciones eléctricas comunes que tienen los equipos en los sistemas de tratamiento de aguas residuales, indicar el funcionamiento y como operan las unidades eléctricas usadas para proteger el motor ( están resumidas en la tabla Nº 1.pag 28 )

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Fig. 13 PROTECCION ELECTRICA (Panel eléctrico)

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Fig. 14 PROTECCION ELECTRICA (Panel eléctrico) 25 Caracas: Av. Lecuna, Edif. Royal, Piso 1, Apto. Nº 13. Maracay: Av. Bermúdez Edif. San Luis Tercer Piso.

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Fig. 15 PROTECCION ELECTRICA (Panel eléctrico típico) 26 Caracas: Av. Lecuna, Edif. Royal, Piso 1, Apto. Nº 13. Maracay: Av. Bermúdez Edif. San Luis Tercer Piso.

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TABLA 1: UNIDADES ELECTRICAS MAS COMUNES USADAS PARA PROTEGER EL MOTOR UNIDAD

BREACKER

FUNCION-CARACTERISTICA Generalmente es el primer receptor de corriente del circuito. Sus contactos se fijan a un máximo. Ejemplo, un breacker de 50amp, si recibe 55amp, no permite el paso de la corriente a las otras unidades del circuito(corta el circuito ).

SUPERVISOR TRIFASICO

Encargado de proteger cualquier unidad que sea conectada en forma trifásica. Si una corriente viene en dos fases, esta unidad desconecta el circuito (en dos fases se puede dañar el motor )

CONTACTOR

Permite que el arranque de un equipo no sea en forma directa. Usualmente se quema su bobina si el breacker permite el paso de un alta voltaje. Un excedente de corriente lo recibe primero el contactor antes que el motor Unidad que se gradúa (se fija) para un máximo de amp que puede tolerar el motor. Este maximo se estima mediante la relación

RELE TERMICO

Imax = Factor. HP del motor. Donde el factor es usualmente de 2,7 veces Iamp/HP. Ejemplo si HP del motor es de 20HP, el valor de Imax es de 54 Iamp; claro usted no va a elegir un breacker de 54HP, usted lo elige uno con un valor un poco menor

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(ejemplo de 50HP ¿PORQUE’

FUSIBLE

Metal muy fino (ejemplo:plomo ) colocado en serie en el circuito electrico.tiene su punto de fusión determinado.

Es conocida la relación temperatura-corriente; si por alguna circunstancia aumenta la temperatura en el sistema eléctrico (ejm: se tranca un rodamiento ), se puede alcanzar la temperatura a la cual funde el metal del fusible, lo cual interrumpe el paso de la corriente eléctrica en el circuito. ¿Cómo un operador puede detectar que un fusible esta malo?

Temp. como Función de I “Efecto JOULE”

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b.- ACOPLAMIENTO: ¿ COMO SE TRANSFIERE LA ENERGÍA DEL MOTOR A LA BOMBA ó AIREADOR? La energía del motor se encuentra (por así decirlo ) en un eje que gira a una determinada revoluciones por minutos “rpm” ); la bomba usualmente también tiene un eje que rota, ambos ejes de rotación se deben acoplar ( unir ) para que la energía del motor sea transferida a la bomba ó al aireador, esta forma de unión para la transmisión de energía recibe el nombre de acoplamiento, el motor por supuesto suministra la energía al eje de la bomba.

Este acoplamiento puede ser: .- Directa (soldada) poco usual. .- Flexible: .- Mediante engranaje. .- Con bridas. .- Mediante un cuplón; de goma acoplado al eje del motor.

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A continuación de muestran algunos acoplamiento: motor-bomba

Cuplón

Fig. 16 Acoplamiento por goma o puede ser este tipo de tubo flexible

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Cuplón acoplado al eje de un aireador superficial

Fig. 17 Acoplamiento por Cuplón en un aireador superficial

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.- Acoplamiento por correa y poleas: para un soplador Esta forma de transferencia es muy común para transferir la energía del motor a la unidad de aireación ( soplador ). La polea es una rueda que puede girar alrededor de un eje “O “ que pasa por su centro y es perpendicular a su plano; en la rueda hay una ( s ) hendidura(s) o canal que puede ser en forma de V o plana por donde se colocan las correas cerradas que permiten transferir la energía del motor al soplador.

En general, este método es muy útil cuando no es necesario mantener constante la velocidad de rotación del motor ó de la bomba.

La hendidura puede ser: .- En forma de V: Que se usa preferiblemente cuando la distancia entre los ejes es pequeña, la relación entre las velocidades de rotación es mayor de 2 y cuando queremos reducir al mínimo el resbalamiento de la correa. .- La forma plana (perpendicular ) se usa preferiblemente cuando la distancia entre los ejes es grande y cuando se quiere invertir la velocidad de rotación ó cuando la correa tiene empate (no es continua ).

NOTA: Lo ideal es que ambos ejes giren a la misma velocidad de rotación para evitar ajustes necesarios en los diámetros de la polea, ya sea en el motor ó de la bomba.

El cambio de los diámetros de la polea para hacer los ajustes de las rpm, se obtiene mediante la siguiente relación matemática.

Dm. (rpm)m = Db . (rpm)b Dm = Diámetro de la polea del motor (rpm)m = velocidad de rotación del motor Db = Diámetro de la polea de la bomba 32 Caracas: Av. Lecuna, Edif. Royal, Piso 1, Apto. Nº 13. Maracay: Av. Bermúdez Edif. San Luis Tercer Piso.

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(rpm)b = velocidad de rotación de la bomba.

Ejemplo Ilustrativo: Si Dm = 12” (rpm)m = 1600 y (rpm)b = ( 3500)b Entonces el diámetro de la segunda polea es ( de la bomba ) de 5,5” Recuerde; Menor diámetro IMPLICA mayor rpm Usualmente, la polea de menor diámetro está en el motor y es igual o menor a la polea de la bomba ó soplador.

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Correas

Fig. 18. Acoplamiento por Poleas – Tipo Correa

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c) MEDIDAS PREVENTIVAS PARA EL MOTOR: 1.- .- El operador debe seguir las instrucciones indicadas en el mantenimiento - operación del equipo suministrada por el fabricante.

2.- Por regla general los rodamientos del motor son cambiados cada año.

3.- El operador debe chequear si el motor esta sobrecalentado ( al tacto) por lo menos diariamente.

4.- Medir al menos tres veces por semana la corriente eléctrica que pasa por cada uno de los cables del motor (con una pinza amp ). Esta corriente no debe pasar la corriente máxima de operación. Generalmente la corriente nominal ( de funcionamiento del motor no debe pasar de 2,7- 3 el valor de imax suministrado por el fabricante ó numérico del HP del motor ).

5.- Es muy importante que el lugar donde se encuentre el motor este bien ventilado 6.- El operador debe limpiar el polvo, telarañas o cualquier sucio que se encuentre en el panel control eléctrico, el sitio debe permanecer limpio.

NOTA: El operador debe notificar lo antes posible a su inmediato superior (o electricista ) cualquier anormalidad que observe no solamente en el motor, sino en la bomba ó sistema de aireación ( en especial, ruido extraño en un equipo ).

En la tabla 2 , se indican o señalan algunas posibles causas porque el motor no funciona adecuadamente.

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e.- Tabla 2.- ALGUNAS INDICACIONES O SEÑALES DE QUE EL MOTOR NO ESTA OPERANDO ADECUADAMENTE. Funciona en forma irregular El motor no arranca

No hay fuente de electricidad. Revise los bornes

Arranca con golpes o produce mucho ruido (zumbido ) Motor trifásico arranca tad ( baja rpm )

Pueden ser los cojinetes

con dificul-

Chequear inducido

Chequear transformador

Motor trifásico se calienta inmedia- Chequear bobina, es posible que este tamente y con ruido( contacto entre quemada las fases) Motor se caliente excesivamente

Exceso de carga

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