Guida ai motori elettrici a corrente continua: selezione, specifiche e decisioni di retrofit

A 400 kW motore elettrico a corrente continua su una macchina continua, l'estremità umida mantiene la velocità entro lo 0,1% in un intervallo di 20:1, poiché la tensione di armatura imposta la velocità mentre la corrente di campo imposta la coppia. Questa divisione è il motivo per cui le macchine DC vengono ancora ordinate per riavvolgitori, paranchi, estrusori e gabbie di laminatoi a inversione, anche se gli azionamenti AC a frequenza variabile vincono quasi tutti i progetti greenfield. La domanda ristretta che la maggior parte degli stabilimenti si trova ad affrontare è diversa: un motore CC è ancora la risposta giusta per una specifica macchina azionata e cosa rientra nelle specifiche per mantenerla in funzione per altri quindici anni?

Il dovere di retrofit domina questa fascia del mercato. Quando un telaio, un giunto, un riduttore e una fondazione sono stati tutti dimensionati attorno a una macchina CC, sostituire un motore CA più un azionamento di solito significa rilavorare l'interfaccia meccanica, reinstradare i portacavi e riconvalidare il modello di coppia su un processo che non può permettersi una lunga interruzione. Mantenere il motore esistente e sostituire il convertitore, l'alimentazione di campo e il dispositivo di feedback è spesso la strada più breve per tornare alla produzione.

Il resto di questa guida spiega cos'è un motore CC, dove batte ancora un azionamento CA, quali numeri determinano le specifiche, come queste macchine si guastano e come acquistarne uno senza ereditare i problemi di un altro impianto.

Che cos'è in realtà un motore elettrico a corrente continua

Un motore elettrico a corrente continua è una macchina rotante che converte l'energia elettrica CC in coppia meccanica alimentando corrente attraverso un commutatore e un set di spazzole nell'avvolgimento dell'armatura mentre un avvolgimento di campo fornito separatamente stabilisce il flusso magnetico. La coppia è proporzionale alla corrente di armatura moltiplicata per il flusso di campo; la velocità aumenta con la tensione di armatura e diminuisce all'aumentare del flusso di campo. Poiché queste due variabili provengono da fonti di energia indipendenti, la macchina eroga la coppia nominale a veicolo fermo e mantiene una velocità impostata senza un modello di rotore.

Cinque gruppi portano tutto ciò che conta nel servizio:

• Poli del telaio e del campo, che trasportano il flusso principale e, sui telai più grandi, un avvolgimento compensatore che annulla la reazione dell'armatura sotto la faccia polare.
• Interpoli, cablati in serie con l'armatura, che invertono la corrente in una bobina mentre passa attraverso la spazzola e mantengono la commutazione priva di scintille.
• L'armatura laminata, il cui avvolgimento converte la corrente in coppia.
• Commutatore e ingranaggio della spazzola, le uniche parti che si usurano in condizioni di lavoro normali.
• Il circuito di raffreddamento, comunemente IC06 ventilato separatamente o IC17 aria-aria sui telai di grandi dimensioni e IC411 su quelli più piccoli.

Le macchine eccitate separatamente necessitano di un'alimentazione di campo rigida: una corrente di campo che diminuisce durante un calo di tensione dell'impianto cambia flusso, cambia velocità e può spingere il bordo della spazzola a innescare scintille in pochi cicli. L'hardware di eccitazione statica che mantiene stabile la corrente di campo in base alle variazioni di alimentazione è ciò che mantiene prevedibili la commutazione e la stabilità della velocità per una lunga durata di servizio.

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Dove un motore elettrico a corrente continua batte ancora un azionamento CA

Un motore CC è la scelta migliore in quattro situazioni specifiche: è richiesta la coppia massima a velocità zero, l'intervallo di coppia costante è più ampio di 10:1, un'interfaccia meccanica esistente deve essere preservata fino alla chiavetta dell'albero o il carico richiede una coppia di spunto molto elevata senza riduttore. Al di fuori di questi casi, un motore a induzione con azionamento a controllo vettoriale è più economico da acquistare, più economico da mantenere e più efficiente da gestire.

In officina, i compiti DC che sopravvivono seguono uno schema prevedibile:

Nessuno di questi compiti viene scelto in base all'efficienza. Vengono scelti perché la macchina azionata, la finestra del processo o il budget per le interruzioni non lasciano un modo più economico per mantenere le stesse prestazioni.

I numeri che decidono le specifiche di un motore CC

Cinque valori determinano la maggior parte delle specifiche dei motori CC: tensione di armatura, tensione di campo, velocità di base, velocità massima e coppia richiesta a velocità zero. Raffreddamento, classe di isolamento, classificazione della custodia e tipo di feedback dipendono tutti dal ciclo di lavoro e dall'ambiente attorno alla macchina.

La tensione di armatura è normalmente fissata dal convertitore che alimenterà il motore, quindi è il primo vincolo da confermare e non l'ultimo. L'ondulazione è importante tanto quanto il valore nominale: un'ondulazione elevata di un convertitore a carico leggero aumenta il riscaldamento dell'armatura e riduce la durata della pellicola del commutatore, motivo per cui il ciclo di lavoro e la potenza nominale del convertitore sono specificati insieme.

Questi punti sono reali, ma raramente decidono da soli il progetto. Un retrofit che riutilizza il motore esistente evita lavoro meccanico, tempi di messa in servizio e rischi di processo; la penalità energetica viene recuperata solo dopo anni di funzionamento continuo. Quando una macchina funziona 8.000 ore all'anno, i cambiamenti aritmetici e il calcolo dell'intero ciclo di vita rientrano nel business case.

Come si guasta un motore CC e quanto costa

Una macchina DC raramente muore durante l'avvolgimento; muore al commutatore. L'usura delle spazzole, la rottura della pellicola, le scintille e le scariche elettriche sono responsabili della maggior parte dei tempi di fermo non pianificati dei motori CC e ciascuno di essi si sviluppa abbastanza lentamente da poter essere rilevato da un'ispezione programmata.

• Rottura del film del commutatore. La qualità della spazzola sbagliata, la bassa umidità o l'aria di raffreddamento contaminata rimuovono la pellicola di ossido e nel giro di poche settimane si formano scintille.
• Usura e battitura delle spazzole. La perdita di pressione della molla, un commutatore ovale o le vibrazioni della macchina accelerano l'usura e lasciano tracce irregolari delle spazzole.
• Flashover. Un sovraccarico improvviso o una perdita di campo si formano sui bracci delle spazzole e di solito terminano con uno sfioramento del commutatore in cantiere o in officina.
• Guasti di interpolo e compensazione degli avvolgimenti. Una connessione allentata o una spira in cortocircuito si manifestano come forti scintille sotto carico piuttosto che senza carico.
• Invecchiamento dell'isolamento. Il servizio ciclico e i cicli termici indeboliscono l’isolamento dell’armatura molto prima che i cuscinetti si lamentino.
• Contaminazione. La polvere di carbonio, la nebbia d'olio e l'umidità nell'aria di raffreddamento attaccano sia l'isolamento che la pellicola e, sulle linee della carta o degli alimenti, la polvere di carbonio diventa un problema di qualità del prodotto.

Questo è anche il motivo per cui una ricostruzione è una risposta legittima. Riavvolgere, scremare e ricollegare un'armatura CC, quindi rimontare l'ingranaggio della spazzola sui disegni originali, spesso costa una frazione di un nuovo motore e mantiene intatta l'interfaccia meccanica. La decisione dipende dalle condizioni dei montanti del commutatore e dal fatto che il nucleo e l'albero originali siano ancora entro la tolleranza.

Come specificare e fornire un motore CC senza bruciarsi

Iniziare dalla macchina condotta, non dalla vecchia targa. Una sostituzione che corrisponda alla targhetta ma che ignori l'accoppiamento, il ciclo di lavoro e le condizioni ambientali è la soluzione più costosa.

1. Registrare l'interfaccia meccanica: diametro ed estensione dell'albero, sede della chiavetta, disposizione della flangia o del piede, altezza del centro ed eventuali freni o contagiri montati sul lato non di comando.
2. Annotare il ciclo di lavoro: continuo o intermittente, avviamenti orari, cicli di inversione, temperatura ambiente, altitudine e per quanto tempo la macchina funziona al di sotto della velocità base.
3. Correggere l'involucro elettrico prima di richiedere i prezzi: tensione di armatura disponibile dal convertitore, tensione di campo, tipo di dispositivo di feedback e se il convertitore viene mantenuto o sostituito.
4. Stabilire i requisiti termici e di protezione: classe di isolamento F con aumento minimo della classe B, un grado di protezione IP adeguato alla polvere e al lavaggio, riscaldatori d'ambiente, RTD e uno sgancio termico dell'avvolgimento.
5. Concordare il pacchetto di ricambi e documentazione: qualità e set di spazzole, molle, supporti, una procedura di manutenzione del commutatore, il rapporto di prova di fabbrica e un disegno dimensionale.

Il servizio in aree pericolose aggiunge un ulteriore livello. Una macchina CC con ingranaggio a spazzole in un'area della Zona 1 viene normalmente fornita in una custodia ignifuga e l'ambito di certificazione deve coprire la scatola morsettiera, i riscaldatori d'ambiente e il contagiri, nonché il motore stesso. L'acquisto del motore, della fornitura sul campo e dell'attrezzatura di avviamento come pacchetto abbinato elimina la maggior parte del rischio di integrazione; Shanghai Pinxing Explosion-proof Motor Co., Ltd. costruisce gamme di motori ad alta tensione, bassa tensione e antideflagranti, nonché l'hardware CC e di controllo che li circonda, e i suoi installazioni di progetti documentati mostrare cosa devono affrontare le apparecchiature negli impianti di carbone, petrolchimici e metallurgici.

I retrofit raramente si fermano al motore. Se l'alimentazione di controllo CC dell'impianto è più vecchia dell'azionamento che alimenta, la sostituzione dell'hardware di distribuzione durante la stessa interruzione impedisce un secondo arresto più tardi nello stesso anno.

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Domande frequenti sui motori elettrici a corrente continua

A cosa serve un motore elettrico a corrente continua?

Aziona carichi che richiedono la coppia completa a velocità zero o un intervallo molto ampio di coppia costante: inversione di gabbie di cartiere, sezioni di macchine per la carta, argani da miniera, estrusori, argani per gru e piccoli azionamenti a magneti permanenti in apparecchiature alimentate a batteria.

Un motore CC è migliore di un motore CA con un VFD?

Per le nuove installazioni no. Un motore CA con azionamento vettoriale è più efficiente e non necessita di manutenzione delle spazzole. Per una macchina DC esistente all'interno di un'interfaccia meccanica fissa, mantenere il motore DC è spesso più veloce ed economico che rilavorare la trasmissione.

Quanto dura un motore DC?

Quindici anni o più sono normali con l'ispezione programmata delle spazzole, i controlli della pellicola e la scrematura periodica del commutatore. Il fattore limitante è solitamente rappresentato dalle condizioni del commutatore e dell'isolamento, non dalla durata dei cuscinetti.

È possibile utilizzare un motore CC in un'area pericolosa?

Sì, normalmente in una custodia ignifuga con spazzole, morsettiera e accessori certificati. L'ambito della certificazione deve coprire ogni componente aggiunto alla macchina, compresi i riscaldatori d'ambiente e i dispositivi di feedback della velocità.