04 enero 2011

Determinando eficiencia y carga de los motores eléctricos



Los motores son responsables de una gran parte de nuestra factura eléctrica por lo que en eficiencia energética merecen atención preferencial. Demasiado a menudo los motores están desalineados o sobredimensionados para la carga que tienen previsto servir, o han sido rebobinados en múltiples ocasiones.

Muchas veces nos planteamos la necesidad de sustituir motores como forma de ahorrar energía pero no tenemos claros los costes de operación y el ahorro real que conseguiremos aplicando esta medida. Para averiguarlo necesitamos determinar las horas de operación, los valores de mejora de la eficiencia, y la carga. La carga parcial es un término usado para describir la carga actual servida por el motor en comparación con la capacidad nominal del motor. en este artículo describimos brevemente las técnicas para estimar las cargas.

Razones para determinar la carga de un motor

La mayoría de los motores eléctricos están diseñados para funcionar a un 50 - 100 % de su carga nominal. La eficiencia máxima está usualmente cerca del 75 % de la carga nominal. Así, un motor de 10 H.P. trabaja aceptablemente en un rango de carga que va de 5 a 10 hp; y su eficiencia pico tiene lugar a 7.5 H.P. La eficiencia del motor tiende a decrecer dramáticamente por debajo de un 50 % de la carga. Un motor se considera trabajando con una carga insuficiente cuando está trabajando en el rango donde la eficiencia cae significativamente con la carga decreciendo.

Los motores sobrecargados pueden sobrecalentarse y perder eficiencia. Muchos motores se han diseñado con un service factor que permite ocasionalmente sobrecarga. El factor de servicio es un multiplicador que indica cuánto puede sobrecargarse bajo condicones ambientales ideales. Por ejemplo, un motor de 10-hp con un factor de servicio de 1.15 puede manejar una carga de 11.5 hp durante cortos periodos de tiempo sin sufrir un daño significativo. Aunque muchos motores tienen factores de servicio de 1.15, hacer funcionar al motor continuamente por encima de su capacidad nominal reduce la vida del motor y su eficiencia.  Nunca debe operarse un motor sobrecargado cuando el voltaje está por debajo del nominal o cuando la refrigeración está funcionando incorrectamente por altitud, temperatura ambiental alta, o superficies del motor sucias.

Si en nuestra operación usamos equipos con motores que operan periodos extensos con cargas por debajo del 50 %, debemos considerar hacer modificaciones. A veces los motores están sobredimensionados porque deben acomodarse a condiciones picos, tales como las que ocurren cuando un sistema de bombeo debe satisfacer ocasionalmente altas demandas. Las opciones disponibles para adaptarse a cargas variables incluyen los motores de dos velocidades, los variadores de velocidad ajustable y las estrategias de gestión de cargas para mantenerlas dentro de rangos aceptables.

DETERMINACIÓN DE CARGAS EN LOS MOTORES

Medición de la potencia de entrada

Determinando si nuestros motores están cargados apropiadamente podremos tomar decisiones sobre cuando reemplazarlos y cual es la mejor forma de sustituirlos. Medir las cargas de los motores es relativamente fácil y nos permite realizar un análisis de la eficiencia del trabajo de los motores.

Es recomendable inspeccionar todos los motores que operen por encima de 1000 horas al año, dividiendo los motores en las siguientes categorías:
  • Motores que están significativamente sobredimensionados o con baja carga deben reemplazarse.
  • Los motores que están moderadamente sobredimensionados o trabajan con cargas bajas pero de forma moderada se reemplazarán por motores eficientes por modelos de tamaño adecuado cuando fallen.
  • Los motores adecuadamente dimensionados pero de eficiencia estándar se reemplazarán por modelos eficientes cuando fallen.
La forma más sencilla de probar los motores es usar medidores de potencia directa con el motor cargado para lo cual existen muchos equipos multifuncionales bastante económicos.

Medición de la corriente de línea

El método de estimación de la carga de corriente se recomienda solamente cuando está disponiblemente únicamente la medición del ampedaje. El ampedaje que mueve un motor varía de forma aproximadamente lineal con respecto a la carga, bajando a aproximadamente el 50 % a plena carga. Por debajo del punto de carga del 50 %, debido a los requerimientos de corriente magnetizante reactiva, el factor de potencia se degrada y la curva de ampedaje es de forma progresiva no lineal. En la región de carga baja, las mediciones de corriente no son un indicador útil de carga.

La corriente que viene indicada en la placa de características de los motores es el valor de corriente a plena carga y solamente tiene lugar cuando el motor trabaja a su voltaje nominal. El valor eficaz de la corriente se corregirá siempre por el voltaje. Si el voltaje suministrado está por debajo de o indicado en la placa del motor, el valor de ampedaje medido es correpondientemente más alto que lo esperado bajo condición nominal y debe ajustarse hacia abajo. También se aplica lo inverso.

Método de deslizamiento (slip)

El método de deslizamineto para estimar la carga de un motor se recomienda solamente cuando está disponible la velocidad de operación. La velocidad síncrono de un motor de inducción depende de la frecuencia del suministro de energía y del número de polos en los que se bobina el motor. Cuanto mayor es la frecuencia, más rápido gira un motor. Cuantos más polos tiene un motor, más lentamente gira.

La velocidad actual del motor es menor que su velocidad síncrona y la diferencia entre la velocidad síncrona y actual se denomina deslizamineo o slip. La cantidad de deslizamiento presente es proporcional a la carga impuesta al motor por el equipo.

Usando un tacómetro para medir la velocidad del motor actual, es posible calcular las cargas del motor.

DETERMINANDO LA EFICIENCIA DEL MOTOR

La eficiencia energética de un motor es el ratio entre la potencia útil de salida y la entrada de potencia total, y normalmente se expresa en porcentaje.

Por definición, un moto con un número de H.P. determinado se espera transmita esa cantidad de energía en forma mecánica en el eje del motor. Las pérdidas del motor son la diferencia entre la potencia de entrada y de salida. Una vez se ha determinado la eficiencia del motor y se conoce la energía de entrada, podemos calcular la potencia de salida.

La mayoría de los análisis de ahorro de conservación de energía del motor asumen que el motor existente está operando a la eficiencia de su placa de características. Esta asunción es razonable por encima del 50 % del punto de carga ya que el pico de eficiencia tiene lugar alrededor de 3/4 de la carga. Los motores de potencias más grandes exhiben una curva de eficiencia relativamente planapor debajo del 25 % de plena carga.

Es más difícil determinar la eficiencia de un motor que ha estado en servicio durante largo tiempo. No es difícil que la placa se haya perdido y sea imposible localizar información de eficiencia. El motor puede haber sido rebobinado, y es probable que la eficiencia se haya reducido.


Cuando no está disponible información sobre la eficiencia, podemos determianrla operando en el punto de carga del motor. Esos datos los podemos determinar de la placa o buscando información técnica del motor.

También podemos estimar la eficiencia en las tablas del Attachment C del artículo citado en la bibliografía.

Bibliografía: Determining electric motor load and efficiency. U.S. Department of Energy
Palabras clave: Electrical load management strategies
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