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Revista "Frío y Calor" N° 92




Motores Eléctricos en Aire Acondicionado,
Refrigeración y Calefacción

Preparador por el Ing. Javier Ortega C., Emerson Climate Technologies


Cuando hablamos de un sistema de aire acondicionado o refrigeración, por lo general se tiende a darle importancia a la capacidad de refrigeración (ton, Btu/h, Kcal./h, Watts, etc.), así como a las características técnicas del condensador, del evaporador, válvula de de expansión, tuberías, etc. Es importante considerar la otra parte del sistema de enfriamiento, que es la parte eléctrica, que es con la que alimentaremos de energía al sistema para poderlo operar, y que se debe tener en suficiente cantidad y condiciones para satisfacer la demanda de energía requerida por el sistema de enfriamiento. La parte eléctrica se puede dividir, el sistema Eléctrico de Poder, el sistema Eléctrico de Control, el Sistema Eléctrico de Protección.

Entre los sistemas de refrigeración, el método más común es el sistema de Compresión de Vapor, sus elementos necesarios para tomar o manejar el calor son simples, y se pueden representar básicamente en el diagrama de flujo de energía de la Fig. 1.

Desde el punto de vista económico, el mejor sistema de refrigeración es aquel que remueve la mayor cantidad de calor Qc del refrigerador, con la mínima cantidad de trabajo mecánico u energía del compresor W

Se define como Coeficiente de Funcionamiento (en Inglés, Coefficient of Performance COP), de un Moto-Compresor en un sistema de refrigeración, a la relación Qc / W (dadas  Qc y W en las mismas unidades de energía, Btu, Kcal., Watt-hora, Joules), por lo tanto, las unidades del COP son por unidad (p/u).

COP = Refrigeración (Watts) / Potencia de Entrada (Watts) (p/u)
Si este valor es mayor, el sistema es más eficiente, y su costo de operación es menor.
Como la Potencia es igual a la relación de la Energía sobre el tiempo, en las relaciones anteriores se puede tomar la Potencia (Btu/h, Kcal./h, o Watts).

Cuando la Potencia de enfriamiento está dada en el sistema Británico de unidades. Su unidad es el Btu/h, y cuando la Potencia de entrada al motor está dada en Watts. Entonces se define la Relación de eficiencias de Energías EER, como:

EER = Refrigeración (en Btu/h) / Potencia Eléctrica de entrada al Moto-Compresor (en Watts).

Las unidades del valor del EER son Btu/h-W, y nos indica, el enfriamiento del evaporador en Btu/h, por cada Watt de consumo eléctrico del Moto-Compresor. El valor del COP o EER no es un valor constante, depende de las condiciones temperatura presión de la succión y descarga del compresor, así como de su eficiencia (sus pérdidas) mecánica y eléctrica, su Factor de Potencia. Es muy importante cuando se comparen técnicamente dos Moto-Compresores, las condiciones de presión y temperatura de succión y de descarga sean exactamente las mismas En aplicaciones de Aire Acondicionado o alta temp. de evaporación, valores del orden de 9 Btu/h-W o mayores son comunes. Para media temperatura de evaporación son del orden de 6 Btu/h-W. Y para baja temperatura de evaporación son del orden de 3. Entre mayor sea el valor del EER en un Moto-Compresor, evidentemente es más eficiente, y cuesta menos su operación.

 

POTENCIA DE UN MOTOR ELÉCTRICO

Se acostumbra comúnmente decir erróneamente “Caballo de Fuerza”, y debe decirse “Caballo de Potencia” y se abrevia HP (Horse-Power). Los motores eléctricos y mecánicos se especifican de acuerdo a sus Caballos de Potencia (HP). Un HP es igual a 745.7 Watts.

Cuando una máquina motriz se dice que es de una potencia de “X” HP, nos referimos a que en su flecha con ciertas condiciones es capaz de entregar esa potencia, o sea su potencia de salida es de “X” HP. La unidad de Potencia en Watts (o en Kwatt = 1000 Watts), es usada por lo general para indicar la potencia de entrada al motor. En los motores abiertos o con flecha visible de uso general, su potencia mecánica que entrega en la flecha (HP) se puede medir con perfecta exactitud, deben ser un valor preciso de la potencia entregada en la flecha, así mismo su potencia eléctrica de entrada en Watts. El fabricante de este tipo de motores abiertos puede y debe garantizar la Potencia mecánica en HP, que su motor es capaz de entregar continuamente en ciertas condiciones. (Voltaje, frecuencia, Par, RPM, Temp. ambiente, etc.) La diferencia de la Potencia de Entrada menos la Potencia de Salida, son la suma de las Pérdidas Eléctricas y Mecánicas del Motor. Los motores de alta eficiencia, son los que tienen bajas perdidas eléctricas y mecánicas. En los motores usados en los compresores Herméticos y Semiherméticos la determinación de la potencia mecánica en la flecha en HP a la entrada del compresor es imposible, o en otras palabras la potencia que demanda el compresor no se puede medir.

La forma en la que la potencia en HP Caballos de Potencia se calcularía, sería mediante la estimación de las pérdidas eléctricas y mecánicas, restándolas a la potencia de entrada, y así llegar al valor de los HP del Moto-Compresor, por lo tanto HP en los Moto-Compresores Herméticos y Semiherméticos es un valor poco preciso, solamente nos da una idea del tamaño estimado del motor Sin embargo existen normas para asignar los HP, Tablas N.E:C. (National Electric Code) 430-148 y 430-150... Por esto es importante que al comparar dos sistemas de refrigeración, ó dos Moto-Compresores, no se pueden ni se deben comparar en base a sus HP, ya que para un fabricante tiene un compresor de i/4 HP ligero, y otro 1/4 HP pesado, otro tiene un compresor de 30 HP, y para otro fabricante es de 35 HP. En sistemas de Aire Acondicionado, y Refrigeración, se deben medir la Potencia de enfriamiento (QC) en Btu/h, Watts, Kcal./h etc. y la Potencia Eléctrica de entrada al motor (W) de compresor en Watts. Y desde luego estos valores serán a una sola condición predeterminada de Temperatura y Presión del refrigerante en la Descarga y la Succión del compresor. Los HP en refrigeración es un valor de referencia, que nos indica más o menos el tamaño físico del moto-compresor.

Tipos de Motores Eléctricos

Los motores Eléctricos en refrigeración se pueden clasificar de acuerdo a su uso:

A. Para accionar los compresores:

Compresores Abiertos (con flecha visible) conectados mecánicamente por medio de bandas y poleas, o directamente mediante un acoplamiento

Compresores Herméticos, Semiherméticos, Scroll, conectados en sus flechas internamente

B. Para accionar ventiladores:

Para los condensadores
Para los evaporadores
Para manejadoras de aire
Para extracción e introducción de aire

C. Para accionar Bombas

Sistemas de de aceite (compresores Tornillo)
Para mover el agua fría (en Chillers)
Para agua en máquinas de fabricación de hielo.

En este artículo se estudiará en principio dos tipos de motores de corriente alterna (a-c) más comunes en refrigeración, los Trifásicos y los Monofásicos, ambos son de Inducción, aplicados a los compresores Herméticos y Semiherméticos. Un Moto-Compresor para refrigeración, Hermético o un Semihermético, es una combinación de motor y compresor que se encuentran encerrados dentro de la misma carcasa. Su diferencia es que el Semihermético se puede desarmar sin destruirse, y el Hermético se destruye. Para fines prácticos ambos son compresores Herméticos (inclusive el compresor Scroll).

Motor Trifásico de Inducción - Principio de Operación

Su principio de operación (ver Fig. 2) consta de un embobinado trifásico, perfectamente balaceado (o idénticos), por el cual circula una corriente alterna, cada una de las fases produce un campo magnético oscilatorio. Los ejes de los tres campos están desfasados eléctricamente y físicamente 120°. Y cuya dirección es constante.

Observando la Fig. 4, la suma de los tres vectores nos produce un campo magnético de magnitud constante cuya dirección varía con el tiempo, cuyo eje gira a la velocidad de sincronismo, dicho campo magnético resultante tiene una magnitud de 1.5 veces la magnitud máxima de cualquiera de los tres campos componentes.

El campo magnético Principal BR induce una corriente en las barras de la Jaula de Ardilla del rotor, la cual a su vez produce un campo magnético BR de reacción opuesto al campo magnético principal, produciendo una Fuerza Contra Electromotriz oponiéndose al voltaje de alimentación del estator del motor, regulando así el valor de la corriente (Amp.) total del motor. Emerson prácticamente cubre todas las necesidades de aplicación de los motores trifásicos. Motores Emerson de alta eficiencia para compresores Herméticos, Semiherméticos y Scroll, para las aplicaciones con los diferentes refrigerantes para Aire Acondicionado y todos los rangos de temperatura de la Refrigeración Comercial, desde 1/2 HP hasta 60 HP, 1750 rpm (Sinc1800 rpm), con todas las combinaciones de voltajes, y con arranque a corriente reducida (en su caso). Todos, con un Alto Par de arranque, y protecciones térmicas correspondientes, y de alta eficiencia Premium.


Para Motores con flecha visible para la Industria de la Refrigeración, Aire Acondicionado y Calefacción, Emerson produce los motores trifásicos de alta eficiencia y eficiencia Premium. Para aplicaciones en ventiladores para unidades condensadoras, Manejadoras de Aire, Fan and Coils, Evaporadores, en Ventiladores par enfriamiento, son motores que pueden ser totalmente cerrados, con base resilente, intemperie, ambientes de polvo, aprueba de Goteo etc. altas temperaturas ambientales de operación (para condensadores a 60 °C ambiente, de 1/3 a 2 HP), de aplicaciones en propósitos generales desde 1/4 HP hasta 30 HP, y con mayores potencias, etc.

 

Motor Monofásico

Si en un motor eléctrico, su embobinado es de un solo devanado, o de una sola fase, y es excitado con corriente alterna, produce un solo campo oscilatorio, y por lo tanto su rotor no se movería. Para moverse requiere campos magnéticos desplazados espacialmente entre sí, y excitados con corrientes desfasadas, para crear un campo giratorio.

El rotor es del tipo de jaula de ardilla, al excitarse la bobina M con corriente alterna, su flujo magnético produce en el rotor por efectos de transformación una Fuerza Electromotriz y a su vez una corriente en la jaula de ardilla y un flujo magnético oscilante FP  convirtiendo al rotor en una bobina con su flujo en la misma dirección de M.

Si al rotor se le da un impulso inicial, corta al flujo de la bobina M, induciendo en sus conductores una Fuerza Electromotriz debida a la rotación, la cual hace circular una corriente que produce un flujo magnético FI perpendicular al flujo original de de M, FP .

Estos dos flujos en cuadratura producen un campo giratorio, el cual hace que el rotor continúe con su propia rotación.

Por lo anterior se concluye que estos motores por sí solos no tienen par de arranque, y que es necesario proveerlos de un medio para su arranque, para ello usualmente se tienen:



A.- Motores con Polos Sombreados

Al pasar el flujo principal F por la espira en corto circuito induce en ella una Tensión que hace circular una corriente que a su vez produce un flujo F1 que se encuentra atrasado y se opone al flujo principal, creando como resultado que el flujo principal se desplace en la forma indicada en la Fig. 4, este desplazamiento da el impulso inicial al rotor, necesario para moverlo. Este tipo de motores se pueden diseñar también para dos velocidades o más. Debido a su bajo par de arranque, y a que se pueden ofrecer a diferentes velocidades este tipo de motores se aplica en la refrigeración, en ventiladores pequeños.

Emerson Climate Technologies ofrece los Motores Emerson de Polos Sombreados con la diversidad de tipos requeridos cubriendo prácticamente todas las necesidades principales para cada aplicación en particular (diferentes versiones de flechas, armazones y lubricación desde 1/20 hasta 1/4 HP)

 

B.- Motores de Inducción de Fase Bipartida

Es el motor más usado en aplicaciones de potencias fraccionarias de HP, de 1/2 HP hasta 5 HP en 1800 rpm y 3600 rpm, .y en motores abiertos hasta 10 HP en 1800 rpm Su operación en principio es simple, se usan dos devanados en el estator, uno denominado auxiliar A para el arranque, y el otro el de marcha u operación P, En su armadura o rotor no se encuentra ningún devanado, se encuentra un armazón de barras de cobre o de aluminio conectado en forma de jaula de ardilla Fig. 5.

En motores de baja potencia y bajo par de arranque no se requiere el capacitor, el desfasaje de IA con IP se logra haciendo el devanado P de alambre grueso y pocas vueltas (baja reactancia), y el devanado A de alambre delgado y muchas vueltas (alta reactancia).

En estos motores el devanado auxiliar permanece conectado todo el tiempo. Los motores Emerson de este tipo son de 1/6, 1/4, 1/3, 1/2, HP, principalmente para ventiladores, ver Fig. 5. Para motores de un alto par de arranque, con un mejor desfasaje entre la corriente del devanado principal IP con da arranque auxiliar IA, se logra con mayor perfección con un capacitor de arranque en el bobinado auxiliar, este capacitor y el devanado auxiliar se desconectan una vez alcanzada la velocidad de rotación del motor, mediante un Relé en el caso de motores para compresores herméticos de refrigeración o un interruptor centrifugo en otros casos.

Este motor se denomina Arranque con Capacitor y con Marcha de Inducción (Capacitor Start – Inducción Run, CSIR) ver Fig. 6. Estos motores producidos por Emerson son usados en Compresores Herméticos pequeños desde 1/12 HP hasta 1/2 HP (a 3500 rpm), para aplicaciones de Refrigeración alta media y bajas temperaturas de evaporación, como refrigeradores domésticos, congeladores, enfriadores de botellas, vitrinas enfriadoras, etc.

 

Motores de Fase Bipartida con Capacitor de Marcha Permanente sin Capacitor de Arranque y sin Relé.
(Permanent Split Capacitor Motor PSC)

Estos motores se aplican donde se requiere un bajo par de arranque, y que la corriente de línea se disminuya lo más posible, esto se logra colocando un capacitor de marcha como lo indica la Fig.7. Este capacitor de marcha es usado para mejorar la eficiencia, elevar el Factor de Potencia, y disminuir el ruido del motor. La Capacitancia debe ser determinada para cada motor y aplicación y obtener el consumo mínimo posible de corriente (amperes).

El diagrama de la Fig. 8 nos muestra la variación de corriente eléctrica total del motor en operación V/S la variación en Capacitancia. En la Fig. 8 puede observar la gran variación en el consumo de corriente simplemente variando la capacitancia. Si en un motor en determinada condición se especifica una capacitor de marcha con una capacitancia de 40 microfaradios tomará 4.0 amperios, si se cambia el capacitor de marcha por uno de 30.0 microfaradios, el motor consumirá 6.2 amperios, el motor se calentará y se quemará, y además el costo del consumo eléctrico se aumentará. Estos motores se denominan Motores con Fase Bipartida con Capacitor de Marcha Permanente Su aplicación es muy amplia en Compresores Herméticos para Aire Acondicionado Y Bombas Térmicas desde 1 HP hasta 5 HP. En motores con flecha visible en los ventiladores de condensadores para uso residencial y comercial, para unidades condensadoras para refrigeración, Para ventiladores de evaporadores (Fan and Coil) con doble flecha, Operaciones de Potencia y velocidades múltiples con un solo motor Para temperaturas ambientales de 40 °C y 60 °C (para los condensadores), y diferentes clases de aislamiento, Rotación reversible, etc. Emerson los produce desde 1/20 HP a 2 HP, a diferentes voltajes dependiendo de los requerimientos de aplicación, satisfaciendo prácticamente todas las necesidades con motores de muy alta eficiencia y eficiencia Premium.

Adicional a la descripción breve que se ha expuesto de la operación de los diversos motores eléctricos usados en la Refrigeración, Aire acondicionado, y Calefacción, es necesario considerar para el conocimiento algunas definiciones y conceptos muy importantes,

CORRIENTE NOMINAL A PLENA CARGA
(FLA Full Load Amperes)

FLA es el término usado por la industria para indicar la corriente en Amp, máxima de operación de un motor. En el medio de compresores Herméticos los fabricantes usan el el término RLA (Rated Load Amperes)

La forma de determinar el valor del RLA difiere de: Los motores convencionales o con flecha visible, usados en manejadoras de aire, para calefacción y aire acondicionado, en evaporadores de enfriamiento, condensadores enfriados por aire, en cámaras de refrigeración remotas, etc, y para los motores usados en compresores Herméticos (Herméticos, Semiherméticos y Scroll); usados en Aire Acondicionado, Refrigeración Doméstica y Comercial, Bombas de Calor, etc.

A. Para los motores convencionales, la forma de determinar la FLA o Corriente a Plena Carga, es relativamente sencillo, Es la corriente que resulta cuando el motor es operado a su potencia nominal en la flecha, que el motor deberá entregar en forma constante (sin sobreelevar la temperatura 40 °C) en condiciones predeterminadas, tales como Temperatura ambiente (40 °C motores estándar ó 60°C motores expuestos a altos ambientes), y velocidad angular nominal (en rpm), a su voltaje y frecuencia eléctrica, nominales. Y los amperes que resulten será su Corriente Nominal.

B. Para los motores de compresores herméticos la situación cambia para la determinación del RLA, ya que no es posible medir la potencia en la flecha, puesto que se encuentra adentro del moto-compresor, y las condiciones nominales de prueba son diferentes para cada aplicación a la que el compresor vaya a ser usado, temperaturas de evaporación Alta Media, ó baja, tipo de refrigerante, temperatura ambiental moderada o clima caluroso o frío., frecuencia y voltaje eléctricos, etc. Con el fin de que el motor eléctrico de un compresor Hermético, las normas Emerson para compresores Copeland, indican que la Corriente Máxima Continua Permisible (MCC) debe superar los límites de funcionamiento extremos del compresor, y se determina con ensayos sometiéndolo a operar en condiciones extremas de carga, y condiciones eléctricas para cada condición y aplicación específica, haciendo descender el voltaje, hasta que llegue al disparo del protector térmico Para compresores Herméticos se cumplen:

RLA = MCC/1.56 Requerimiento U.L. y N.E.C. (National Electric Code).

Copeland ha establecido para el valor Máximo de Corriente de un Compresor es 140% del RLA. Esto da un mayor margen de seguridad para la selección de los elementos de los interruptores y alambrado de las líneas de alimentación, ya que por lo general se determinan a un 125 % (mínimo de 115 %) del valor de corriente RLA que se encuentra en la placa de identificación del compresor.

Corriente a Rotor Bloqueado (Locked RotorCurrent, LRA) como su nombre lo indica es la corriente en Amp. que resulta al detener el rotor del motor completamente. Nos indica el valor máximo de corriente de entrada al arrancar el compresor. El contactor, fusibles, interruptor, o medio que desconecta a un compresor Hermético, debe ser seleccionado en base de los valores mostrados en la placa de identificación del moto-compresor, el de corriente nominal (RLA), el de corriente a rotor bloqueado (LRA), y el de su voltaje nominal.

Todos los compresores Copeland de Emerson, vienen con Protección Térmica de Sobrecarga, Protección de Sobrecarga Externa.- Hasta 3 HP., Con Apertura en la Línea

Protección de Sobrecarga Interna – Hasta 15 H. Con Apertura en la Línea

Protección de Sobrecarga Interna 15 HP. Con Apertura con Circuito Piloto

Protección de Sobrecarga Interna Electrónica. De 20 HP hasta 60 HP con Apertura Piloto.





Cámara Chilena de Refrigeración y Climatización A.G.
Teléfonos: 204 8805 - 341 4906. Fax: 204 7517. E-mail: refriyclima@entelchile.net
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