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Optimización de la eficiencia del motor eléctrico: parte II

En la parte I de esta corta serie de notas de la aplicación, tratamos los puntos de inspección de los motores durante una auditoría de energía u otro programa relativo a la eficiencia. La parte I cubre la estrategia de eficiencia básica del motor y describe las pruebas y las formas de ahorro de costos con respecto a la tensión y el desequilibrio de la corriente, y también en relación al factor de energía.

La parte II abarca los puntos de inspección que se incorporan mejor en el mantenimiento preventivo de largo plazo y regular:

  • Tensión irregular
  • Malas conexiones y puestas a tierra
  • Resistencia de aislamiento

Esta nota de aplicación también explica cómo llevar a cabo una prueba de corriente de arranque, ya sea durante la instalación de un motor de alta eficiencia nuevo o cuando se trabaja en la solución de problemas de instalaciones nuevas.

Tensión irregular

Un motor de inducción trifásico está diseñado para operar dentro del ±10 por ciento de la tensión nominal y esta información se encuentra en su placa de identificación. Operar los motores significativamente sobre o debajo de sus tensiones nominales ("tensión irregular"¹) afecta su eficiencia y otros parámetros de operación.

La baja tensión puede causar daños a los motores si es excesiva. Una carga mecánica fija de un motor requiere cierta cantidad de potencia para hacer el trabajo. Dado que la cantidad de potencia que el motor debe consumir es aproximadamente el producto de la tensión y la corriente, si la tensión disminuye, la corriente (en amperios) debe aumentar para hacer la misma cantidad de trabajo. Si la corriente consumida excede el valor de plena carga especificada en la placa de características del motor, es probable que con el tiempo ocurran daños y sobrecalentamiento.

La baja tensión puede causar paradas de la producción porque los efectos de dicha baja tensión se agravan durante el arranque y la aceleración. Es decir, la baja tensión puede afectar la capacidad de un motor para sobreponerse a la inercia de su carga en el arranque y ralentizar la aceleración hasta llegar a la velocidad de funcionamiento pleno. Normalmente la velocidad de marcha se estabiliza apenas por debajo de lo normal pero dentro de ±10 por ciento del valor de su placa de características. Sin embargo, el llamado par de falla se reduce y el motor es menos capaz de impulsarse durante una sobrecarga de par breve sin bloquearse.

La sobretensión, en situaciones de plena carga y cuando se encuentra dentro del +10 por ciento del rango del valor de la placa de características, en realidad aumenta la eficiencia de un motor. Sin embargo, con la carga reducida, la eficiencia mejora con las tensiones bajas mientras se mantengan dentro del -10 por ciento del valor de la placa de características. Dado que la baja tensión aumenta la corriente, puede parecer que la sobretensión disminuirá la corriente. Ese no es el caso. De hecho, con una sobretensión importante, un motor consume más corriente al intentar compensar el efecto de sobretensión en los devanados. El resultado es el sobrecalentamiento.

La medición de la tensión irregular desde el suministro a los terminales del motor se puede realizar con cierta combinación de un multímetro digital (DMM), una pinza amperimétrica y un analizador de calidad eléctrica. Si las anomalías en la tensión son esporádicas (los picos o las caídas) la mejor manera de identificar su origen puede ser mediante la conexión de un medidor electrónico con capacidades de captura de forma de onda. Esto le permite correlacionar los eventos de tensión irregular con otros eventos en las instalaciones. Sin embargo, la primera indicación de que se trata de una tensión excesivamente baja o de una excesiva sobretensión puede aparecer en una inspección de motores con un termómetro IR o una cámara termográfica.

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

  • Cuando la baja tensión o la sobretensión es constante y consistente en la misma cantidad, cambie el ajuste de derivación del transformador de suministro principal y ajuste el transformador secundario o del ramal.
  • Para corregir las variaciones diarias de tensión en la entrada de servicio instale un transformador con un cambiador de derivación automática.
  • Para las variaciones de tensión a través de una instalación pero no en la entrada de servicio, reemplace o aumente los conductores existentes y reemplace los transformadores según lo encuentre necesario.
  • Para corregir el factor de potencia en los puntos de uso utilice capacitores.

Ahorros y ROI potenciales

Para calcular el ahorro potencial y el ROI que resulte de las acciones para corregir las tensiones irregulares, necesita conocer lo siguiente (los ejemplos de valores están entre paréntesis):

  • cantidad de horas por año en que un motor bloqueado detuvo el proceso (30 h),
  • ingreso anual por el proceso ($2 500 000),
  • cantidad de días por año en que funciona el proceso (365 días/año),
  • cantidad de horas por día en que funciona el proceso (24 h/día),
  • costo del dispositivo o componente correctivo ($7000),
  • tarifas laborales para acciones correctivas o para instalaciones ($ 50/h),
  • cantidad de electricistas por hora, etc. requeridos (2) y
  • horas estimadas para hacer el trabajo (10 h).

Con los ejemplos de números, la pérdida de ingresos anual (L$) por inactividad sería:

L$ = 30 h x [$2 500 000¸ (365 días/año x 24 h/día)] = $8562,

y el costo de la acción correctiva (C$) sería de:

C$ = $7000 + [2 x ($50/h x 10 h)] = $8000.

Entonces, el período de amortización para la inversión se espera que sea menor a un año.

Malas conexiones y problemas de puesta a tierra

La inspección de forma regular de los sistemas de distribución eléctrica en busca de conexiones en mal estado, puestas a tierra deficientes y cortocircuitos de puesta a tierra, ayudará a mejorar el rendimiento de los equipos y a evitar los cortes del sistema y las fallas prematuras de dichos equipos.

La detección de conexiones en mal estado, de puestas a tierra defectuosas y de cortocircuitos de puesta a tierra la debería llevar a cabo un electricista experimentado o un especialista en energía. Estas condiciones se pueden encontrar con frecuencia mediante la inspección visual en busca de piezas sueltas, corrosión o rutas conductoras a tierra. Otro método testigo para encontrar los problemas de las conexiones es buscar el sobrecalentamiento en conexiones que usan un termómetro IR o una cámara termográfica. Busque, también, caídas de tensión en todas las conexiones. Compare las tres fases. Una variación de tensión del dos o tres por ciento entre las conexiones sugiere la necesidad de tomar una acción correctiva.

Las correcciones se pueden realizar al limpiar y ajustar las conexiones con regularidad. También puede usar un multímetro de aislamiento para verificar y controlar los contactos y para medir la resistencia de aislamiento de los circuitos de línea y carga a tierra. Estas últimas pruebas son importantes porque se puede encontrar con que puede volver a tener un motor en funcionamiento con una reparación tan simple como la de reemplazar un cable.

Ahorros potenciales y recuperación de la inversión (ROI)

Los ahorros que provienen de corregir conexiones en mal estado, puestas a tierra deficientes y cortocircuitos de puesta a tierra se pueden calcular si se conoce el costo de tiempo de inactividad del proceso afectado. Si se dejan sin corregir, una conexión suelta o corroída, una puesta a tierra deficiente o un cortocircuito de puesta a tierra podrían quemar un fusible y detener un proceso de producción entero.

Resistencia de aislamiento

El no encontrar el aislamiento degradado en los equipos electromecánicos puede llevar a que el motor falle y se pierda la producción. El mejor método es el de integrar verificaciones de aislamiento regulares en la programación de mantenimiento preventivo.

La medición de la resistencia de aislamiento de forma directa requiere los servicios de un electricista con experiencia o de un especialista en energía y de la emisión de una señal de corriente continua baja y 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 y otros dispositivos. Asegúrese de bloquear y etiquetar la desconexión del arrancador del motor.

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

El DOE (Departamento de energía de EE. UU.) recomienda realizar las pruebas de resistencia de devanados entre fases y de 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 mediciones de resistencia de devanados para obtener un resultado preciso. Es mejor hacer el seguimiento de las mediciones de la resistencia de aislamiento a lo largo del 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

  • Si la diferencia es menor del 25 %, los equipos probablemente aún funcionen de forma aceptable (pinza de fuga de corriente correcta)
  • A un 25-50 %, la mayoría de los profesionales recomiendan realizar pruebas adicionales y con mayor frecuencia (con un medidor de resistencia de aislamiento)
  • A > 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 puesta a tierra de los circuitos de la línea y de carga en el arrancador identificarán la resistencia de la puesta 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 arrancador. Umbrales generales: los dispositivos de corriente alterna pueden funcionar con seguridad con no menos de dos megohmios a tierra y los dispositivos de corriente continua pueden funcionar con seguridad con no menos de un megohmio a tierra. Cuando se mide la resistencia de un motor trifásico entre las fases de carga del motor de arranque, debe ver alta resistencia y mediciones aproximadamente equivalentes entre las fases.

La medición de la resistencia de aislamiento también se puede hacer mientras los equipos se encuentran en funcionamiento, con 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 mordazas especialmente diseñadas para eliminar la influencia de los conductores de corriente adyacentes y minimizar 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 pérdida de corriente 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 medición 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 que no impacte demasiado en 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.

Ahorros y ROI potenciales

Para determinar si la degradación del aislamiento amerita un reemplazo del motor, haga el intento con estas herramientas:

  • Use el software MotorMaster+.
  • Calcule el ahorro potencial a partir de los caballos de potencia (hp) de clasificación del motor, el factor de carga, las horas de funcionamiento anuales, los costos de la energía promedio, la eficiencia del motor que se reemplaza 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 darán como resultado un período de amortización menor a 18 meses.

Corriente de arranque

Si ha reemplazado motores más antiguos por modelos de alta eficiencia, es probable que se encuentre con problemas de corriente de arranque. Por cierto, los modelos más antiguos que se reemplazan probablemente se encontraban fuera de las especificaciones, desgastados y no contaban con ningún sistema electrónico que lo compensara. En cambio, los modelos de alta eficiencia a veces pueden generar sustancialmente más corriente inicial de arranque o corriente de irrupción que la corriente de funcionamiento o de estado permanente.

Mientras que todos los motores consumen corriente de arranque, en los motores de alta eficiencia es 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 1200 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 irrupción 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 medición de la corriente de irrupción 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 una curva de tiempo en función de la corriente que indica cuánta corriente durante cuánto tiempo 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.

Mediciones

Comience por medir la corriente de irrupción en el arranque. Utilice una herramienta diseñada específicamente para la corriente de irrupción, tal como la pinza amperimétrica Fluke 337, la cual sincronizará automáticamente el punto de inicio de la medición con el arranque del motor. La función de corriente de irrupción de su herramienta tomará una gran cantidad de mediciones de muestra durante el período de arranque, fíltrelas y calcule la corriente de arranque real.

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

Corrección de la corriente de irrupción

Si la corriente activa o la temperatura están demasiado cerca de los valores nominales continuos del disyuntor del circuito, entonces el motor comúnmente hará que el disyuntor se dispare en el arranque casi todo el tiempo. Ya que la corriente de irrupción 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 clasificado para el tipo de motor más nuevo con valores 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) redactado para el programa de tecnologías industriales del DOE.
  • ²Hoja informativa del DOE: "Optimizing Your Motor-Driven System". (Optimización de su sistema impulsado por motor)
  • ³Guía de pruebas de aislamiento (.pdf)
  • 4Electric Motors (Motores eléctricos) (.pdf)