Eficiencia energética en motores de inducción (4ª PARTE)

Ver 3ª PARTE

Alto voltaje vs. Bajo voltaje

Los voltajes de operación más bajos permiten eficiencias del motor más altas. Estamos hablando de grandes diferencias en los voltajes, pues podemos encontrar motores que trabajan a 460 voltios y otros trabajan a 2300 voltios.

El voltaje más bajo posibilita un aislamiento más delgado en el devanado, que permite al devanado ser más grande en diámetro. Esto reduce las pérdidas de resistencia e incrementa el flujo magnético. La diferencia de eficiencia está relacionada con este aspecto del rango de diseño del motor de una fracción de un 1 % a tanto como 2 %.

Antes de tomar estas decisiones, sobre el voltaje de los motores debemos también evaluar las tensiones disponibles en nuestras instalaciones. Para obtener tensiones bajas debemos reducir el voltaje y ello significa pérdidas.

Diferencias de voltaje pequeñas

Un motor opera a la mayor eficiencia cuando es abastecido con el voltaje nominal preciso. El voltaje más bajo reduce la eficiencia, reduce el par de arranque, y causa que el motor funcione más caliente. Los voltajes más elevados también reducen la eficiencia, e incrementan la corriente de arranque. Si es posible pueden ajustarse las derivaciones en los transformadores de suministro de potencia para acoplar el voltaje de suministro a la capacidad del motor.

Para reducir los requerimientos de stock, muchos motores están diseñados para operar a un número de voltaje estándar, tal como 208 y 230 voltios. Tales motores tienden a ser menos eficientes que los motores diseñados para operar con un voltaje único.

Los motores que están diseñados para operar a bajos voltajes operan más eficientemente en el voltaje nominal más alto. La diferencia en eficiencia a diferentes voltajes puede ser de varios puntos porcentuales.

Factor de potencia

Los motores eléctricos son la causa principal de un factor de potencia baja (junto con los balastos de iluminación fluorescente magnéticos). El factor de potencia de los motores es bastante alto en altas cargas, pero cae radicalmente a media carga. Los motores más grandes tienen factor de potencia más altos en todos los porcentajes de carga. La eficiencia del motor, en sí misma, no tiene un efecto significativo en el factor de potencia.

El factor de potencia puede tener repercusiones económicas significativas si la compañía eléctrica impone penalizaciones significativas, y si los motores operan con bajas cargas. Sin embargo, no hay mucha diferencia en los factores de potencia de los motores similares. La forma efectiva de tratar con el factor de potencia es incrementar el factor de potencia del sistema eléctrico pero usando condensadores u otros dispositivos previstos para este propósito.

Ampedaje de arranque y rotor bloqueado

Los motores de eficiencia más alta pueden tener corrientes de arranque más altas que los motores ordinarios. Esto es debido a la resistencia más baja del devanado. En retrofits, la corriente de arranque de un motor de reemplazamiento de alta eficiencia puede ser demasiado alta para los fusibles existentes, interruptores automáticos, o el cableado. En proyectos de reacondicionamiento, la corriente de arranque de un motor de alta eficiencia puede ser demasiado alta para los fusibles, interruptores automáticos o secciones existentes.

Si ocurre este problema, una solución bastante barata es usar un arrancador suave. El arrancador limita la corriente del motor hasta que funciona lo bastante rápido como para limitar la corriente absorbida. Un motor más grande puede tener ya un arrancador suave. El arrancador limita la corriente hasta que el motor está funcionando lo bastante rápido para limitar la corriente de entrada.

Equilibrio de fase

Un motor trifásico es servido por tres circuitos de potencia separados o fases. Las diferencias de voltaje entre las fases causan pérdidas de eficiencia mucho mayores que las fluctuaciones en el voltaje total. Los desequilibrios de voltaje de fase típicos pueden reducir la eficiencia del motor en varios puntos porcentuales.

El desequilibrio de voltaje entre las fases puede también causar vibraciones y sobrecalentamiento. El efecto del sobrecalentamiento es lo bastante significativo como para que se requiera reducción de la capacidad cuando el motor trabaja con un desequilibrio superior al 1 %.

Si no podemos poner alarmas para controlar el equilibrio de fase en los motores, debe controlarse regularmente con un voltímetro.

La corrección del desequilibrio de fases es un asunto del sistema de suministro de energía, no del motor en si mismo. Los métodos para corregir el desequilibrio de fase dependen de las causas, que son:

·       Distribución desigual de cargas entre fases. Si se distribuyen cargas monofásicas, como las de iluminación, deben estar divididas entre las fases del circuito trifásico de entrada. Estas diferencias en la corriente de fase producen diferencias en el voltaje de fase, especialmente si los conductores están pesadamente cargados.  La solución apropiada puede ser redistribuir las cargas monofásicas entre las fases, para incrementar la capacidad de los conductores más cargados, o instalar transformadores separados para las cargas trifásicas. No es usualmente una buena idea equilibrar el voltaje de fase usando las tomas del transformador. Si el desequilibrio de fase es tan malo que las tomas del transformador harían una diferencia, el problema es bastante grave así que habría que corregir el problema de fondo.

·       Defectos de fase en los conductores de potencia: Una pérdida de corriente mayor de una fase a tierra, o menos comúnmente, de una fase a otra, pueden causar desequilibrios de voltaje. Un motor trifásico puede continuar funcionando incluso si una de las fases está completamente muerta, pero el motor puede fallar por sobrecalentamiento. La solución es encontrar y corregir defectos de fase inmediatamente. Si falla una fase simple, el equipo monofásico caerá. Si vemos que esto ocurre, reconocemos la implicación de motores trifásicos y pararemos inmediatamente. Una forma fiable de proteger los motores del desequilibrio de fase es instalar un monitor de fase en cada circuito de potencia del motor. Este dispositivo saca fuera a los motores si se pierde una fase o si las fases están seriamente desequilibradas. El dispositivo en si mismo no es caro. La mayoría de los costes son de cableado.

·       Fallo de condensadores de corrección de factor de potencia. Los condensadores de corrección de factor se instalan en cada fase de un sistema trifásico. Los condensadores fallan con la edad, creando un fallo a tierra. Podemos detectar condensadores ensayando el fallo a tierra o controlando el factor de potencia en cada fase.

·       Potencia desequilibrada de la red eléctrica. El desequilibrio de fase en la potencia suministrada por la compañía eléctrica ocurre porque la potencia monofásica proporcionada a sus otros clientes no se divide uniformemente entre las fases. Para solventar este problema debe pedirse a la compañía eléctrica que mejore el equilibrio de fase. El desequilibrio de fase de la alimentación desde la compañía eléctrica puede variar en gran medida con la estación y momento del día, ya que las cargas cambian en las redes públicas. El equilibrio de fase del suministro eléctrico tiende a fluctuar más cuando las instalaciones se alejan de la planta de generación o subestación.

Bibliografía: Energy Efficiency. Donald R. Wulfinghoff. Energy Institute Press. 1999