Cómo medir el rendimiento de la inversión para el mantenimiento de motores
Por Mark Bakker, Ingeniero de Aplicaciones de Campo, Fluke.
Los motores eléctricos son la columna vertebral del mundo industrial, por lo que existe una clara necesidad de asegurar que funcionen con unos niveles óptimos de rendimiento. El coste de los fallos y los tiempos de inactividad afectan mucho a la rentabilidad, de ahí que sea tan importante comprobar los motores eléctricos de manera periódica. Medir parámetros clave como el desequilibrio de tensión, el desequilibrio de corriente y el factor de potencia ayuda a lograr al máximo tiempo de actividad y a evitar reparaciones costosas. Además, estas medidas pueden dar lugar a acciones correctoras que ofrezcan significativos ahorros de energía y un rendimiento rápido de la inversión. Este artículo trata los tres asuntos citados y deja fuera el efecto de los armónicos sobre el rendimiento del motor.
Desequilibrio de tensión
El desequilibrio de tensión es una medida de las diferencias de tensión entre las fases de un sistema trifásico. Las tensiones de cada fase deberían ser iguales, o casi iguales, para alcanzar el rendimiento óptimo del motor. Unos niveles altos de desequilibrio de tensión no solo provocan un bajo rendimiento del motor sino que también acortan su vida útil.
El desequilibrio de tensión equivale a 100 veces la variación máxima de la tensión respecto al promedio, dividida entre la tensión promedio de las tres fases (el resultado se expresa como un porcentaje, es decir, multiplicado por 100). Por ejemplo, si las tensiones de línea medidas son 452, 457 y 471 V, el promedio es de 460 V, lo cual significa que la variación máxima de la tensión respecto al promedio es 11. El cálculo revela, por tanto, que el desequilibrio de tensión es del 2,4%.
Lo ideal es que el desequilibrio de tensión esté por debajo del 1% y nunca por encima del 5% ya que la eficiencia del motor resulta inaceptable por encima de este umbral. El desequilibrio de tensión se debería medir periódicamente en los terminales del motor mediante un analizador de calidad eléctrica para confirmar que el desequilibrio de tensión es inferior al 5%. Las inspecciones térmicas realizadas con frecuencia también podrían detectar conexiones de alta resistencia en los conmutadores, desconexiones o cajas de conexión del motor que provocaran un desequilibrio de tensión. Otros orígenes potenciales de desequilibrio de tensión pueden ser dispositivos de corrección de potencia defectuosos, bancos de transformadores desequilibrados o tensiones de alimentación irregulares, cargas monofásicas distribuidas de modo desigual, fallos entre una fase y tierra o un circuito abierto en un sistema de distribución primario.
Desde luego, solo un electricista o experimentado o un especialista en potencia debería aplicar las correcciones correspondientes. Lo primero es comprobar las tensiones de alimentación desde el variador de velocidad (si hay uno en el sistema). Hay que comprobar asimismo las entradas de suministro eléctrico de la planta, así como las salidas del transformador al sistema. Si hay fases equilibradas en estas “fuentes”, la estrategia óptima consiste en arrancar el motor y revisar toda la instalación de forma metódica hasta llegar a la fuente inicial: el suministro eléctrico.
Ahorro potencial y rendimiento de la inversión
Para calcular el ahorro energético total tras una acción correctora se necesitan seis parámetros: la potencia del motor en kW, la carga del motor (como porcentaje de la carga máxima), el tiempo de funcionamiento en horas, la eficiencia nominal del motor, la eficiencia del motor para un determinado desequilibrio de tensión y, por supuesto, el precio de la energía en €/kWh.
Supongamos que los parámetros en este ejemplo son:
- Potencia nominal: 150 kW
- Carga: 100%
- Eficiencia nominal: 94%
- Eficiencia con un desequilibrio de tensión del 2,4%: 93%
- Tiempo de funcionamiento: 8000 horas
- Precio de la energía eléctrica: 0,11 €/kWh
Sin desequilibrio de tensión, los costes energéticos serían:
150 *(100/ 94)* 8000*0,11 = 140.425 €/año
Con un desequilibrio de tensión del 2,4% los costes energéticos serían:
150*(100/93)*8000*0,11 = 141.935 €/año
Mejorar el desequilibrio de tensión reduciría los costes energéticos anuales en 1510 €.
En los entornos industriales es posible alimentar muchos motores desde una sola fuente de alimentación desequilibrada. Como resultado de ello el ahorro potencial será mayor que para un solo motor y el ahorro real depende de la potencia, la carga y los tiempos de funcionamiento, entre otros factores. Los motores se calientan más cuando sus fuentes de alimentación están desequilibradas, aproximadamente dos veces el cuadrado del desequilibrio de tensión. Por ejemplo, para un desequilibrio de tensión del 2%, un motor experimentará un aumento de la temperatura de 8°C. Cada incremento de 10°C de la temperatura de funcionamiento reducirá a la mitad la vida útil del aislamiento del devanado del motor.
Desequilibrio de corriente
Por definición, el desequilibrio de corriente es una medida de la diferencia entre la corriente consumida por un motor en cada ramal de un sistema trifásico. Corregir el desequilibrio de corriente ayuda a prevenir el sobrecalentamiento y la degradación del aislamiento del devanado del motor. El consumo de cada ramal debería ser igual o casi igual.
Entre los factores que provocan el desequilibrio de corriente se encuentra en desequilibrio de tensión, que puede generar un desequilibrio de corriente desproporcionado para el propio desequilibrio de tensión. Cuando el desequilibrio de corriente se produce en ausencia de un desequilibrio de tensión hay que buscar otra posible causa, como una fase cortocircuitada a tierra o un aislamiento defectuoso. El desequilibrio de corriente se puede calcular del mismo modo que el desequilibrio de tensión, es decir, multiplicando por 100 la variación máxima de la corriente respecto al promedio, dividida entre la corriente promedio de las tres fases. Por tanto, si la corriente medida es 30, 35 y 30 A, el promedio es 31,7 A, lo cual significa que la variación máxima de la corriente respecto al promedio es 3,3 A. Según estos valores, el desequilibrio de corriente es del 10,4%.
El desequilibrio de corriente no debería ser superior al 10% en los motores trifásicos. Al igual que con el desequilibrio de tensión, un electricista experimentado o un especialista en potencia debería medir el desequilibrio de corriente de forma periódica en los terminales del motor por medio de un analizador de calidad eléctrica. Vale la pena destacar que el electricista puede tomar y guardar las dos medidas de desequilibrio, tensión y corriente, con el mismo instrumento.
Si la causa del desequilibrio de corriente es el propio motor debido, por ejemplo, a un aislamiento defectuoso o a una fase cortocircuitada a tierra, es preciso sopesar las diferentes opciones con atención. La decisión de sustituir el motor por uno nuevo o repararlo (cambiar el devanado), no es sencilla, sobre todo porque el nuevo devanado puede disminuir la eficiencia y la fiabilidad de un motor. Hay que evaluar variables como el coste del nuevo devanado, las pérdidas previstas del nuevo devanado, el precio de compra de un motor nuevo, el tamaño del motor y su eficiencia original, el factor de carga, el número de horas de funcionamiento anuales, el precio de la electricidad, la posibilidad de descuentos de la compañía eléctrica y criterios de amortización sencilla.
En la mayoría de los casos la estrategia pasaría por comprar un motor nuevo si el motor que falla es de menos de 30 kW y tiene más de 15 años de antigüedad. Esto es especialmente válido si ya se instaló un nuevo devanado previamente en el motor, si es un motor no especializado de menos de 11 kW o si el coste del nuevo devanado es superior al 50% del coste de un motor nuevo. En el último caso, los mayores niveles de eficiencia y fiabilidad del nuevo motor deberían proporcionar un rendimiento rápido de la inversión.
Ahorro potencial y rendimiento de la inversión
Hay dos tipos de rendimientos de la inversión: ahorro energético y ahorro de la producción a largo plazo (evitando fallos y tiempos de inactividad del motor). Los posibles descuentos de la compañía eléctrica podrían ser un factor añadido. Por desgracia se ha demostrado que resulta complicado determinar el ahorro energético real, especialmente cuando si se opta por instalar un devanado nuevo. Las pérdidas finales por el nuevo devanado son desconocidas hasta finalizar el proceso.
Si se toma la decisión de comprar un motor nuevo conviene utilizar una herramienta de software para calcular el ahorro energético real previsto para el sustituto. En cambio, para realizar los cálculos manualmente hacen falta estos valores: potencia nominal del motor, factor de carga (porcentaje de la carga máxima dividido entre 100), horas de funcionamiento anuales, promedio de costes energéticos (€/kWh), eficiencia del motor existente y eficiencia nominal del nuevo motor. Los dos últimos valores con porcentajes.
En primer lugar, divida la carga del motor (100%) entre la eficiencia nominal del nuevo motor. De forma parecida, divida la carga del motor entre la eficiencia del motor existente. Luego reste la primera de la segunda. Multiplicando esta cifra por la potencia nominal del motor y luego por el factor de carga, las horas de funcionamiento y el promedio de los costes energéticos se obtiene el ahorro energético anual.
Los motores de alta eficiencia suelen ser un 1% más eficientes que los motores de eficiencia estándar y los ahorros energéticos generalmente dan como resultado un rendimiento de la inversión inferior a 18 meses. Si se comparan con un motor con un nuevo devanado existente, un motor nuevo de alta eficiencia alcanzará una eficiencia significativamente al 1% más.
Factor de potencia
El funcionamiento de algunos tipos de equipos genera un deficiente factor de potencia que provoca penalizaciones por parte de las compañías eléctricas en muchos países. Teniendo esto en cuenta, es preciso evaluar siempre el factor de potencia en todos los circuitos y cargas principales, incluidos los motores. Es aconsejable mantener el factor de potencia cerca del 100% o 1 ya que las compañías eléctricas suelen cobrar una penalización si está por debajo del 95%. El máximo factor de potencia reducirá las facturas de electricidad, aumentará la capacidad del sistema eléctrico y disminuirá la caída de tensión.
Las cargas inductivas (cargas con bobinas), como motores y transformadores, son la causa del factor de potencia. El factor de potencia, expresado como un porcentaje o un número que en el caso ideal es del 100% o 1, es el cociente entre la potencia (operativa) real (kW) y la potencia (total) aparente (kVA). La potencia aparente es la suma de la potencia real y la potencia reactiva (kVAR).
Un incremento de la potencia reactiva provoca el aumento de la potencia aparente y, en consecuencia, que disminuya el factor de potencia. Por tanto, reducir la potencia reactiva incrementa el factor de potencia, lo cual generalmente es algo bueno. Un analizador de calidad eléctrica es la mejor opción para medir el factor de potencia. Antes de empezar es preciso averiguar cuáles son las penalizaciones de la compañía eléctrica por un bajo factor de potencia o por VAR; qué define la compañía eléctrica como promedio del factor de potencia por mes; cuál es la carga demandada; y cómo es medido el factor de potencia o los VAR por la compañía eléctrica: intervalos de pico o promedios.
Los objetivos son identificar las cargas que provocan el retardo de la potencia reactiva y desarrollar una estrategia para mejorar el factor de potencia. Empiece por la acometida de servicio, donde la compañía monitoriza sus datos, y compruebe cada carga. En analizador de calidad eléctrica permitirá que los usuarios obtengan el factor de potencia promedio a lo largo de un determinado período registrado.
Es posible aplicar una serie de estrategias con el fin de corregir el factor de potencia, como reducir el uso de motores en reposo o con una carga pequeña. Conviene evitar asimismo los motores que funcionen por encima de su tensión nominal y sustituir los motores estándar por modelos con un consumo eficiente. Otra opción consiste en instalar condensadores en los circuitos afectados con el fin de disminuir potencia reactiva.
Ahorro potencial y rendimiento de la inversión
Calcule el ahorro a partir de la información proporcionada por la compañía eléctrica y obtenida en la investigación. Supongamos que la compañía eléctrica añada un cargo de la demanda del 1% por cada 1% que el factor de potencia esté por debajo del 97%. Si el factor de potencia promedia el 86% al mes, el funcionamiento está un 11% por debajo del umbral. Si la carga de la demanda es, por ejemplo, de 6.500 € al mes, multiplique esta cifra por el 11% y luego por 12 (meses del año) para conocer el coste anual evitable por medio de la corrección del factor de potencia, que es de 8.580 €.
Un nuevo avance
Efectuar estas comprobaciones una vez es un excelente comienzo y puede ofrecer un notable ahorro a través de varios procesos de corrección. Sin embargo, las prácticas recomendadas y la recompensa continua solo se conseguirán realizando cambios en las estrategias de mantenimiento a largo plazo. Por tanto, es importante tomar medidas para conocer el desequilibrio de tensión, el desequilibrio de corriente y el factor de potencia dentro de la inspección periódica.
Acerca del autor
Markus Bakker es Ingeniero de Aplicaciones de Campo en Fluke Corporation. Lleva 12 años en la empresa y cuenta con más de 25 años de experiencia en el sector de Prueba y Medida, especialmente el ámbito de las medidas de sonido, vibraciones y calidad eléctrica. Gracias a sus amplios conocimientos sobre análisis de vibraciones, Markus ha proporcionado asesoramiento técnico, formación y soporte a los clientes de Fluke al máximo nivel.
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