Eficiencia en la operación de los motores bajo condiciones anormales

Venimos hablando en varios artículos sobre eficiencia en motores y su importancia en el consumo energético. Continuamos con esta serie de artículos y en esta ocasión nos centramos en la eficiencia de los motores cuando trabajan en condiciones de servicio inusuales que pueden originar pérdidas en su eficiencia y en un consumo adicional de energía. Tanto los motores estándar como los motores eficientes energéticamente pueden ver su eficiencia y vida útil reducida con un sistema eléctrico pobremente mantenido. El control del voltaje es especialmente importante para mantener la operación de alta eficiencia y corregir los problemas potenciales antes de que ocurran.

El personal de mantenimiento preventivo periodicamente debe medir y registrar el voltaje en los terminales del motor mientras que la máquina está completamente cargada.

Las condiciones de servicio previstas para los motores son las siguientes:

• Exposición a una temperatura embiente entre 0 ºC y 40 ºC.
• Instalación en áreas donde no haya interferencias serias con la ventilación de la máquina.
• Operación dentro de una tolerancia de +/- 10 % del voltaje nominal.
• Operación con una fuente de voltaje de onda sinusoidal con un factor de desviación que no exceda del 10 %.
• Operación con una tolerancia de +/- 5 % de su frecuencia nominal.
• Operación con un desequilibrio de voltaje del 1 % o menos.

Veamos que ocurre con los motores cuando no se producen esas condiciones:

Sobrevoltaje

Cuando el voltaje se incremente, la corriente magnetizante se incrementa según una función exponencial. En algún punto, dependiendo del diseño del motor, la saturación en el núcleo se incrementa y tiene lugar un sobrecalentamiento del motor. Cuando el voltaje aumenta un 10 - 15 % tanto la eficiencia como el factor de potencia decrecen significativamente a la vez que decrece el deslizamiento a plena carga. La corriente de arranque, el par de arrnque, y el par de avería todos se icnrementan significativamente en condiciones de sobrevoltaje.

Un voltaje que está en el extremo alto de los límites de tolerancia frecuentemente indican que una toma de regulación del transformador se ha movido en  la dirección equivocada. Un relé de sobrecarga no reconocerá esta situación de sobrevoltaje y, si el voltaje es más de un 10 % más alto, el motor puede sobrecalentarse. En operaciones de voltaje con corrientes VAR por encima de los límites aceptables durante periodos de tiempo extensos puede acelerarse el deterioro del aislamiento del motor.



Efectos de la variación del voltaje en el rendimiento del motor



Voltajes bajos

Si un motor opera con un voltaje inferior al previsto, incluso dentro del límite del 10 % permitido, el motor arrastrará una corriente incrementada para producir los requerimientos de par impuestos por la carga. Esto causa un incremento en las pérdidas I2R tanto en el rotor como en el estátor. Los voltajes pueden tambien prevenir que el motor desarrolle un par de arranque adecuado. Los efectos en la eficiencia del motor, factor de potencia, RPM, y corriente de operación fuera del voltaje de diseño nominal se indica en el diagrama anterior.

La eficiencia de operación reducida debida a bajos voltajes en los terminales del motor se deben generalmente a una excesiva caída de voltaje en los sistemas de alimentación. Si el motor está al final de un largo alimentador, puede ser necesaria su reconfiguración. El voltaje del sistema puede también ser modificada por:

• Ajustando la configuración de la regulación del transformador.
• Instalando equipos de cambio de la regulación automática si las cargas del sistema varían considerablemente en el curso del día.
• Instalando condensadores de corrección del factor de potencia que elevan el voltaje del sistema mientras que corrigen el factor de potencia.

Ya que la eficiencia del motor y la vida de operación se degrada por las variaciones del voltaje, solamente los motores con capacidades de placa de voltaje compatibles deben ser especificados para un sistema.

Por ejemplo, los motores trifásicos están disponibles con voltajes de 440, 460, 480 y 475 v. El uso de un motor diseñado para un servicio de 460 voltios en un sistema de 480 voltios resultará en una eficiencia reducida, calentamietno incrementado y vida de motor reducida. Un motor de 440 voltios será afectado incluso más seriamente.

Desequilibrio de voltaje de fases

Ocurre un desequilibrio de voltaje cuando hay voltajes desiguales en las líneas a un motor de inducción polifásico. Este desequilibrio en voltajes de fase causa también que la corriente de línea esté fuera de equilibrio. Las corrientes desequilibradas causan pulsaciones de par, vibraciones, tenseiones mecánicas incrementadas en el motor, y sobrecalentamiento de uno y posiblemente dos devanados de fase. Esto origina un dramático incremento en las pérdidas del motor y la generación de calor, que hacen decrecer la eficiencia del motor y acortan su vida. El desequilibrio de voltaje en un sistema trifásico dividido por el voltaje promedio.

Un desequilibrio de voltaje de sólo un 3.5 % puede incrementar las pérdidas de motor en aproximadamente un 20 %. Los desequilibrios de un 5 % indican un serio problema. Desequilibrios por encima del 1 % requieren una reducción de potencia del motor, y la mayoría de los fabricantes invalidarán las garantías. Para NEMA MG1-14.35, un desequilibrio de voltaje del 2 % requerirá que se aplique un factor de pérdida de potencia. No hay distinción entre motores eficientes ene energía cuando se seleccione un factor de pérdida de potencia para su operación. Los factores de pérdida de potencia debidos a un voltaje desequilibrado para motores con caballos de fuerza integral se indicandan en el diagrama inferior.

Las causas comunes de desequilibrio de voltaje incluyen:

• Fallos en operación del equipo de conexión del factor de potencia automático.
• Suministro de las redes públicas desequilibrado o inestable.
• Banco de transformadores desequilibrado suministrando a una carga trifásica que sea demasiado grande para el banco.
• Cargas monofásicas distribuidas desigualmente en el mismo sistema de potencia.
• Fallos de una fase a tierra no identificados.
• Un circuito abierto en el sistema de distribución primario.

Para asegurar un correcto equilibrio del sistema deben llevarse a cabo los siguientes pasos:

• Controlar el diagrama unifilar del sistema eléctrico para verificar que las cargas monofásicas están uniformemente distribuidas.
• Controlar regularmente los voltajes en todas las fases para verificar que existe una variación mínima.
• Instalar los indicadores de fallo a tierra requeridos.
• Realizar inspecciones termográficas anualmente.

Bibliografía: Motor Operation Efficiency Under Abnormal Conditions. Csanyigroup. November 2009

http://www.csanyigroup.com/motor-operation-efficiency-under-abnormal-conditions