Optimización de la eficiencia de motores eléctricos: parte 2

En la parte 1 de esta breve serie de notas de aplicación, hablamos de los puntos de inspección en motores durante una inspección de eficiencia energética u otro programa de eficiencia. En la misma, se aborda la estrategia de eficiencia del motor básica y se describen el ahorro y las comprobaciones de desequilibrios de corriente y tensión y del factor de potencia.

En la parte 2 se abordan los mejores puntos de inspección para un mantenimiento preventivo regular a largo plazo:

  • Tensión irregular
  • Conexión a tierra y conexiones incorrectas
  • Resistencia de aislamiento

Además, esta nota de aplicación explica cómo realizar comprobaciones de corriente de arranque, ya sea durante la instalación de un nuevo motor de alta eficiencia o al solucionar problemas en instalaciones nuevas.

Tensión irregular

Un motor de inducción trifásico está diseñado para funcionar dentro del ±10 % de la tensión nominal que se recoge en su placa de identificación. Hacer funcionar los motores muy por encima o por debajo de sus tensiones nominales ("tensión irregular"¹) afecta a su eficiencia y a otros parámetros de funcionamiento.

Si la subtensión es excesiva, puede causar daños a los motores. Una carga mecánica fija en un motor requiere cierta cantidad de energía para hacer el trabajo. Dado que la cantidad de alimentación que el motor debe recibir es aproximadamente el producto de la tensión y la corriente, esta última (en amperios) debe aumentar para asimilar la misma cantidad de trabajo si la tensión disminuye. Si la alimentación que recibe el motor supera el valor de carga máxima recogido en la placa de identificación del motor, es probable que se produzcan daños o sobrecalentamiento con el tiempo.

La subtensión podría causar interrupciones en la producción dado que los efectos de la baja tensión se agravan durante el arranque y la aceleración. Es decir, la subtensión puede afectar a la capacidad de un motor de superar la inercia de su carga en el arranque y a la de ralentizar su aceleración hasta alcanzar la velocidad de marcha máxima. La velocidad de marcha se suele estabilizar ligeramente por debajo de lo normal pero dentro del ±10 % del valor de su placa de identificación. Sin embargo, la denominada avería de la torsión de apriete se reduce y el motor es menos capaz de impulsarse a través de una sobrecarga de la torsión de apriete breve sin bloquearse.

Sorprendentemente, la sobretensión mejora la eficiencia de un motor en situaciones de carga completa y cuando se encuentra dentro del rango de +10 % del valor de la placa de identificación. Sin embargo, con una carga reducida, la eficiencia mejora con las tensiones más bajas siempre que se encuentren dentro del rango de -10 % del valor de la placa de identificación. Dado que la subtensión hace que la corriente aumente, podría parecer que la sobretensión hace que esta disminuya, aunque no es el caso. De hecho, con una sobretensión significativa, un motor recibe más corriente para intentar compensar el efecto de la sobretensión en los bobinados, lo que tiene como resultado el sobrecalentamiento.

La medida de la tensión irregular desde el suministro hasta los terminales del motor puede realizarse combinando un multímetro digital (DMM), una pinza amperimétrica y un analizador de calidad eléctrica. Si las anomalías en la tensión son esporádicas (picos y/o fluctuaciones), la mejor manera de localizar su origen podría ser conectando un medidor electrónico con capacidades para la captura de formas de onda. Esto le permitirá correlacionar los eventos de tensión irregular con otros eventos en las instalaciones. Sin embargo, el primer indicador de que hay subtensión o sobretensión excesiva podría aparecer en una inspección de motores en la que se utilice un termómetro de infrarrojos o una cámara termográfica.

La corrección de la tensión irregular implica intentar las siguientes soluciones:

  • Cuando la subtensión o la sobretensión es constante y consistente en la misma cantidad, cambie la configuración de la llave del transformador de suministro principal y ajuste las configuraciones del transformador secundario o derivado.
  • Para corregir variaciones de tensión diarias en la entrada de servicio, instale un transformador con un conmutador automático.
  • Para variaciones de tensión en unas instalaciones pero no en la entrada de servicio, reemplace o aumente los conductores actuales y reemplace los transformadores según se necesite.
  • Utilice condensadores para corregir el factor de potencia en los puntos de uso.

Ahorro potencial y recuperación de la inversión

Para calcular el ahorro potencial y la recuperación de la inversión (ROI, por sus siglas en inglés) que se derivan de las acciones llevadas a cabo para corregir las tensiones irregulares, necesita saber lo siguiente (los valores de ejemplo se encuentran entre paréntesis):

  • cantidad de horas por año en que un motor bloqueado detuvo el proceso (30 h),
  • ingresos anuales del proceso (2.265.000 €),
  • número de días al año de ejecución del proceso (365 días/año),
  • número de horas al año de ejecución del proceso (24 h/día),
  • coste del componente o dispositivo correctivo (6.344 €),
  • coste de la mano de obra de la instalación o acción correctiva (45 €/h),
  • número de electricistas, etc. requeridos (2) y
  • número de horas estimadas para realizar el trabajo (10 h).

Si tomamos las cifras de ejemplo, la pérdida de ingresos anual (P) del tiempo de inactividad sería:

P = 30 h x [2.265.000 € ¸ (365 días/año x 24 h/día)] = 7.757 €,

y el coste de la acción correctiva (C) sería:

C = 6.344 € + [2 x (45 €/h x 10 h)] = 7.244 €.

Por lo tanto, se espera que el periodo de amortización de la inversión sea de menos de un año.

Malas conexiones y problemas de conexión a tierra

La inspección regular de sus sistemas de distribución eléctrica para comprobar posibles malas conexiones, conexiones a tierra deficientes y cortocircuitos a tierra ayudará a mejorar el rendimiento de los equipos y evitará fallos en estos y cortes en el sistema.

Un electricista experimentado o un especialista en electricidad es quien debería llevar a cabo la detección de malas conexiones, conexiones a tierra deficientes y cortocircuitos a tierra. Estas condiciones suelen encontrarse a menudo mediante una inspección visual para detectar holguras, corrosión o tramos conductivos a tierra. Otro método inequívoco para encontrar conexiones con problemas es buscar aquellas que se sobrecalienten usando un termómetro de infrarrojos o una cámara termográfica. Busque también caídas de tensión en las conexiones. Compare las tres fases. Una variación de tensión del 2 o el 3 % entre las conexiones sugiere la necesidad de llevar a cabo acciones correctivas.

Las correcciones suelen realizarse mediante la limpieza regular y el ajuste de las conexiones. También puede utilizar un multímetro de aislamiento para comprobar los contactos de control y arranque para medir la resistencia de aislamiento de la línea y de los circuitos de carga a tierra. Estas últimas comprobaciones son muy importantes porque puede descubrir que puede volver a hacer funcionar un motor con una reparación tan simple como sustituir un cable.

Ahorro potencial y recuperación de la inversión (ROI)

El ahorro potencial resultante de la corrección de malas conexiones, conexiones a tierra deficientes y cortocircuitos a tierra se puede calcular si conoce el coste del tiempo de inactividad del proceso afectado. Si se dejan sin corregir, una conexión suelta o corroída, una conexión a tierra deficiente o un cortocircuito a tierra podrían quemar un fusible y detener un proceso de producción entero.

Resistencia de aislamiento

La falta de localización del aislamiento degradado en los equipos electromecánicos puede provocar que el motor falle y se pierda producción. El mejor método es integrar verificaciones de aislamiento regulares en la programación de mantenimiento preventivo.

La medida de la resistencia de aislamiento de forma directa requiere de los servicios de un electricista con experiencia o de un especialista en energía y de la emisión de una señal de corriente directa baja de alta tensión a los sistemas a los que se les ha quitado la energía. Tanto los megóhmetros como los multímetros de aislamiento pueden proveer tales pruebas de corriente y localizar la fuerza de avería del aislamiento eléctrico. Antes de hacer cualquier prueba de resistencia de aislamiento, debe aislar del circuito que se encuentra a prueba cualquier control electrónico u otros dispositivos. Asegúrese de bloquear y etiquetar la desconexión del motor de arranque del motor.

Si un motor tiene problemas y está seguro de que cierto suministro de tensión es nominal, use un megóhmetro o un multímetro de aislamiento para verificar la degradación del aislamiento.

El DOE (departamento de energía) recomienda realizar las pruebas de resistencia de devanados fase a fase y fase a tierra en los motores dos veces por año.² Dado que la resistencia de aislamiento varía con la temperatura y la humedad, posiblemente deba realizar varias medidas de resistencia de devanados para obtener un resultado preciso. Es mejor hacer el seguimiento de las medidas de la resistencia de aislamiento con el tiempo de forma independiente, de modo que no lo tomen por sorpresa. La determinación de qué lecturas están bien o mal depende de las circunstancias, sin embargo Fluke ofrece un cuadro de resistencia de aislamiento.³

Instrucciones generales

  • Con menos de un 25 % de diferencia, los equipos probablemente aún funcionen de forma aceptable (pinza de fuga de corriente, correcta).
  • Con un 25-50 %, la mayoría de los profesionales recomiendan realizar pruebas adicionales y con mayor frecuencia (con un comprobador de resistencia de aislamiento).
  • Con >50 %, la mayoría de los profesionales lo vería como una indicación de problemas potenciales, aunque los equipos pueden continuar funcionando durante algún tiempo antes de fallar.

Las pruebas de conexión a tierra de los circuitos de la línea y de carga en el motor de arranque identificarán la resistencia de la conexión a tierra del motor de arranque, de los circuitos de la línea a la desconexión y de las líneas de carga a los devanados del motor y del motor de arranque. Umbrales generales: los dispositivos de corriente alterna pueden funcionar con seguridad con no menos de dos megaohmios a tierra y los dispositivos de corriente continua pueden funcionar con seguridad con no menos de un megaohmio a tierra. Cuando mida la resistencia de un motor trifásico entre las fases de carga del motor de arranque, debe ver una alta resistencia y medidas aproximadamente equivalentes entre las fases.

La medida de la resistencia de aislamiento también se puede hacer mientras los equipos se encuentran en funcionamiento, usando una pinza amperimétrica de fugas de corriente para medir la fuga de corriente del dispositivo. Las pinzas de fugas de corriente tales como la Fluke 360 tienen tenazas especialmente diseñadas para eliminar la influencia de los conductores de corriente adyacentes y minimiza los efectos de los campos magnéticos externos, incluso a corrientes bajas. La corriente de fuga puede ser un indicador de la efectividad del aislamiento de los conductores. Se pueden dar altos niveles de este tipo de corrientes de fuga en circuitos en los que la resistencia de aislamiento es baja o en los que se han usado equipos electrónicos con filtros. Las corrientes de fuga pueden producir perturbaciones en el funcionamiento normal de los equipos y las instalaciones. La gran ventaja de las pruebas de la existencia de corrientes de fuga en comparación con las pruebas del aislamiento reside en que la medida se puede llevar a cabo durante el funcionamiento normal.

La corrección de la resistencia de aislamiento se puede lograr reduciendo la potencia del motor de acuerdo con los estándares NEMA, en caso de que no afecte también a la producción. Bajo cualquier circunstancia, si las condiciones de funcionamiento justifican la actualización, genere un pedido de trabajo para reemplazar el motor lo antes posible por un motor de alta eficiencia.

Ahorro potencial y recuperación de la inversión

Para determinar si la degradación del aislamiento hace que sea necesaria la sustitución del motor, intente usar estos instrumentos:

  • Use el software MotorMaster+.
  • Calcule el ahorro potencial a partir de los caballos de potencia (HP) de la clasificación del motor, el factor de carga, las horas de funcionamiento anual, el coste medio de energía, la eficiencia del motor que se sustituye y la tasa de eficiencia del motor nuevo. (Vea un cálculo de muestra en la sección de Desequilibrios de corriente en la parte I de esta nota de aplicación.4)

Recuerde que los motores de eficiencia superior son aproximadamente un uno por ciento más eficientes que los motores de eficiencia estándar y que los ahorros de energía normalmente dan como resultado un período de amortización menor a 18 meses.

Corriente de arranque

Si ha reemplazado motores anteriores por modelos de alta eficiencia, es probable que se encuentre con problemas de arranque. Seguramente los modelos anteriores reemplazados se encontraban fuera de las especificaciones, desgastados y no contaban con ninguna electrónica que los compensara. Sin embargo, los modelos de alta eficiencia a veces pueden generar sustancialmente más corriente inicial de arranque o corriente de arranque que la corriente en estado detenido o en funcionamiento.

Si bien todos los motores consumen corriente de arranque, los motores de alta eficiencia tienen un consumo mayor. En un motor trifásico, por ejemplo, la corriente de arranque generalmente dura aproximadamente 100 milisegundos con un pico de corriente de entre el 500 y el 1.200 por ciento. Aunque dura poco, esta sobretensión puede causar problemas y, entre los más molestos, se encuentra la activación del dispositivo de protección de sobrecorriente (OPCD).

La corriente de arranque puede ser de cinco a doce veces la corriente activa normal en función del tipo de motor. Por ejemplo, si la corriente activa de un motor es de 8 A y el multiplicador de la corriente inicial es cinco veces la corriente activa, la medida de la corriente de arranque debe mostrar una lectura de unos 40 A, aunque el disyuntor del circuito esté calificado para 20 A.

El motivo por el cual el disyuntor o la unidad de sobrecarga no se disparan es porque ambos dispositivos tienen un curva de tiempo frente a la corriente que indica cuánta corriente y durante cuánto tiempo la conducirán sin abrir el circuito. El disparo también se puede basar en la temperatura; la temperatura se puede acumular lentamente durante el funcionamiento continuo o con mayor rapidez durante el arranque, pero cuando se alcanza el umbral de máxima temperatura, el circuito se dispara.

Medidas

Comience por medir la corriente de arranque en el inicio. Utilice un instrumento diseñado específicamente para la corriente de arranque, como la pinza amperimétrica Fluke 337, la cual sincronizará automáticamente el punto de partida de la medida con el del motor. La función de la corriente de arranque de su instrumento tomará una gran cantidad de medidas de muestra durante el período de inicio. Fíltrelas y calcule la corriente de inicio real.

Nota: No intente usar mínimo/máximo para capturar la corriente de arranque. La corriente máxima puede medir un pico momentáneo de energía, pero la función de corriente de arranque mide la misma energía entregada al motor que mide el APCD y se activa. Las medidas de corriente máxima solían funcionar en los modelos anteriores, pero la electrónica más avanzada implica más ruido en las señales, demasiado para una medida de corriente de arranque precisa.

Corrección de la corriente de arranque

Si la corriente activa o la temperatura están demasiado cerca de la potencia nominal continua del disyuntor del circuito, entonces el motor normalmente hará que el disyuntor se dispare y se inicie casi todo el tiempo. Ya que la corriente de arranque siempre se tiene en cuenta para el tamaño del disyuntor antes de la instalación, cuando se hacen las actualizaciones a motores más eficientes y nuevos, es probable que sea necesario actualizar la protección del circuito del motor con un disyuntor de circuito de potencia del motor más nuevo con configuraciones de disparo instantáneo ajustables.

Notas

¹La información de esta sección también se puede encontrar en el documento de origen: Motor Tip Sheet #9 (junio de 2008), "Improve Motor Operation at Off-Design Voltages" (Mejore el funcionamiento del motor a tensiones irregulares), un documento de Energy Tips - Motor (Sugerencias sobre energía: El motor) escrito para el programa de tecnologías industriales del DOE.
²Hoja informativa del DOE: "Optimizing Your Motor-Driven System" (Optimización de su sistema impulsado por el motor).
³Guía de pruebas de aislamiento (.pdf)
4Motores eléctricos (.pdf)