Eficiencia de los motores bajo condiciones anormales

La ingeniería de detalle de los motores puede proporcionarnos importantes oportunidades de eficiencia energética. Uno de los aspectos a abordar en el análisis de los motores es la operación bajo condiciones de servicio inusuales, que puede resultar en pérdidas de eficiencia y consumo de energía adicional. Tanto los motores estándar como los eficientes energéticamente pueden tener su eficiencia y vida útil reducidas por un sistema eléctrico pobremente mantenido. La supervisión de voltaje es importante para mantener operación de alta eficiencia y corregir problemas potenciales antes de que ocurra algún fallo.

El personal de mantenimiento preventivo medirá periódicamente y registrará el voltaje en  los terminales del motor mientras que la máquina está completamente cargada.

Los motores deben ser apropiadamente seleccionados de acuerdo con las condiciones de servicio conocidas. Por ejemplo, en NEMA Standards Publication MG1-1987, Motors and Generators las condiciones de servicio usuales incluyen:

• Exposición a temperatura ambiente entre 0 ºC y 40 ºC.
• Instalación en áreas o envolventes que no interfieran seriamente con la ventilación de la máquina.
• Operación con una tolerancia de +/- 10 % del voltaje nominal.
• Operación con una fuente de voltaje de onda sinusoidal (no excederá un factor de desviación del 10 %).
• Operación dentro de una tolerancia de +/-10 % de voltaje nominal.
• Operación de una fuente de voltaje de onda sinusoidal (no excederá un factor de desviación del 10 %).
• Operación con una tolerancia de +/- 5 % respecto a la frecuencia nominal.
• Operación desde una fuente de voltaje de onda sinusoidal (no excederá un factor de desviación del 10 %).
• Operación con desequilibrio de voltaje de un 1 % o menos.

Sobrevoltaje

Cuando el voltaje se incrementa, la corriente magnetizante se incrementa por una función exponencial. En ese punto, dependiendo del diseño del motor, la saturación del hierro del núcleo se incrementará y ocurrirá un sobrecalentamiento. A alrededor del 10 – 15 % de sobrevoltaje eficiencia y factor de potencia decrecerán significativamente mientras que decrece el deslizamiento a plena carga. La corriente de arranque, par de arranque y par máximo se incrementan significativamente con condiciones de sobrevoltaje. Un voltaje que está en los límites superiores de tolerancia frecuentemente indica que una toma 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 % superior, el motor puede sobrecalentarse. La operación en sobrevoltaje con corrientes VAR por encima de los límites aceptables durante periodos de tiempo extendidos pueden acelerar el deterioro del aislamiento del motor.

Sub voltaje

Si el motor opera a velocidad reducida, incluso dentro de los límites permitidos del 10 %, el motor extraerá una corriente incrementada para producir los requerimientos de par impuestos por la carga. Esto causa un incremento tanto en las pérdidas I²R del estator y del rotor. Los voltajes bajos pueden también prevenir que el motor desarrolle un par de arranque. Los efectos en la eficiencia del motor, factor de potencia, RPM, y corriente de operación  fuera del voltaje de diseño nominal se indican en el diagrama con el que abrimos este artículo.

La eficiencia de operación reducida debido a voltajes bajos en los terminales del motor es generalmente debida a unas caídas excesivas en el sistema de alimentación. Si el motor está al extremo de una alimentación de gran longitud, puede ser necesaria la reconfiguración. El voltaje del sistema puede también ser modificado por:

• Ajustando las configuraciones de la toma del transformador.
• Instalando un equipo de cambio de toma automático si las cargas del sistema varían considerable en el curso del día.

Ya que la eficiencia y la vida útil se degradan por variaciones de voltaje, sólo los motores con capacidad de voltaje compatible deben ser especificados para un sistema.

Desequilibrio de voltaje de fase

El desequilibrio de voltaje ocurre cuando hay voltajes desiguales en las líneas a un motor de inducción. Este desequilibrio en los voltajes ocurre cuando hay voltajes desiguales en las líneas a un motor de inducción polifásico. Este desequilibrio en los voltajes de fase también causan que las corrientes de línea están fuera de equilibrio. Las corrientes de desequilibrio causan pulsación del par, vibraciones, tensión mecánica incrementada en el motor, y sobrecalentamiento de uno y posiblemente dos devanados de fase. Esto resulta en un incremento dramático en las pérdidas del motor y generación de calor, y ambos hacen disminuir la eficiencia del motor y acortan su vida. El desequilibrio de voltaje es definido por NEMA como 100 veces la desviación máxima del voltaje de línea desde el voltaje promedio en un sistema trifásico dividido por el voltaje promedio. Por ejemplo, si los voltajes de línea medidos son 462, 463 y 455 voltios, el promedio es 460 voltios. El desequilibrio de voltaje es:

Un desequilibrio de voltaje de sólo un 3,5 % puede incrementar las pérdidas del motor en aproximadamente un 20 %. Desequilibrios de aproximadamente el 20 %. Desequilibrios de alrededor del 5 % indican un serio problema. Desequilibrios por encima de un 1 % requieren reducción de potencia del motor, y anularán la garantía del fabricante. Por NEMA MG1-14.35, un desequilibrio de voltaje del 2,5 % requerirá reducir la potencia por un factor de 0,925 aplicado a la potencia del motor. En el siguiente diagrama se dan los factores para reducción de potencia debidos a desequilibrios de voltaje.

Causas comunes del desequilibrio de voltaje son:

• Operación defectuosa de equipos de conexión de de factor de potencia automático.
• Suministro de la distribuidora inestable o desequilibrado.
• Suministro con banco de transformador desequilibrado a carga trifásica que es demasiado grande para el banco.
• Cargas monofásicas desigualmente distribuidas en el mismo sistema de potencia.
•  Fallos a tierra de fases individuales no identificadas.
• Un circuito abierto en el primario del sistema de distribución.

Los siguientes pasos asegurarán un equilibrio del sistema más apropiado:

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

Bibliografía

·         Motor Operation Efficiency Under Abnormal Conditions. CSANYIGROUP