El consumo de los motores eléctricos es el mayor componente del coste en la factura eléctrica de las industrias. Demasiado a menudo encontraremos motores mal alineados o sobredimensionados para la carga que están previstos servir, o han sido rebobinados múltiples veces.
¿Es rentable sustituir los viejos motores o es mejor mantenerlos?
Para comparar los costes de operación de un motor standard existente con otro correctamente dimensionado y eficiente, es necesario determinar las horas de operación, los valores de mejora en eficiencia conseguidos, y la carga. Part-load o carga parcial es un término usado para describir la carga actual servida por el motor comparada con la capacidad a plena carga el motor. Las cargas parciales del motor pueden estimarse usando la energía de entrada, ampedaje, o mediciones de velocidad. Veamos en este artículos varias técnicas de estimación de carga.
Motivos para determinar la carga del motor
La mayoría de los motores eléctricos están diseñados para funcionar a 50 % ó 100 % de su capacidad nominal. La máxima eficiencia se consigue cuando el motor funciona al 75 % de su capacidad nominal. Pero la eficiencia de un motor cae dramáticamente cuando está trabajando por debajo del 50 % de su carga nominal. Sin embargo, el rango de buena eficiencia varía con motores individuales y tiende a extenderse en un amplio rango para los motores más grandes.
La carga de un motor se considera insuficiente cuando está en el rango en el que la eficiencia cae significativamente cuando decrece la carga.
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Los motores sobrecargados pueden sobrecalentarse y perder eficiencia. Muchos motores están diseñados con un factor de servicio que que permite sobrecalentamiento ocasional. El factor de servicio es un multiplicador que indica cúanto puede sobrecargarse el motor en condiciones ambientales ideales. Por ejemplo, un motor de 10 HP con un factor de servicio puede manejar cargas de 11,15 HP durante cortos periodos de tiempo sin incurrir en daños significativos. Aunque muchos motores tienen factores de servicio de 1,15, funcionar el motor continuamente por encima de la carga nominal reduce la eficiencia y vida del motor. Nunca debe operarse un motor sobrecargado cuando el voltaje esté por debajo del nominal o cuando la refrigeración del motor esté descompensada por la altitud, temperaturas ambientales altas, o superficies del motor sucias.
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Si durante la operación se usan equipos con motores que operan durante periodos extendidos por debajo del 50 % de la carga, debemos considerar fehacientemente hacer modificaciones en el proceso. A veces los motores están sobredimensinados porque deben acomodarse a condiciones pico, tales como cuando el sistema de bombeo debe satisfacer ocasionalmente altas demandas. Las opciones disponibles para cumplir con cargas variables incluyen motores de doble velocidad, variadores de velocidad ajustables y estrategias de gestión de carga que mantienen cargas dentro de un rango aceptable.
Determinar si nuestros motores están apropiadamente cargados permite tomar decisiones apropiadas sobre cuando reemplazar los motores y que sustituciones podemos hacer. Medir las cargas de los motores es relativamente fácil cuando se usan las técnicas discutidas en este artículo.
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Recomendamos que se verifiquen todos los motores que operan por encima de 1.000 horas por año, y con los resultados del análisis dividir en las siguientes categorías:
- Motores que están significativamente sobredimensionados o trabajan con poca carga. Estos motores se sustituirán a la primera oportunidad por un modelo apropiadamente dimensionado.
- Motores moderadamente sobredimensionados o poco cargados. Se sustituirán por otros más eficientes cuando fallen.
- Motores apropiadamente dimensionados pero con eficiencia standard. Se suistituirán por otros modelos más eficientes cuando fallen. La efectividad de un motor eficiente en energía depende del número de horas de funcionamiento del motor, del precio de la electricidad y del precio de compra del motor eficienciente en energía.
La mejor forma de medir el consumo energético de los motores es hacerlo en tiempo real calculando la Potencia que el motor absorbe. En el apartado Determining Motor Load se indican las ecuaciones electrotécnicas para llevar a cabo esta operación (ver aquí). Existen varios métodos para ello en función de las medidas que podemos realizar.
Determinación de la eficiencia del motor
Si usamos por ejemplo la definición de NEMA la eficiencia de un motor es el ratio entre la potencia de salida de un motor y la potencia de entrada. La eficiencia puede proporcionarla el fabricante o medirse directamente en motores en uso. En motores rebobinados se realizará la medición directa y veremos que la eficiencia ha disminuido respecto a lo previsto.
Usando métodos más sofisticados
Hay varios métodos sofisticados para determinar la eficiencia de los motores. Estos métodos caen en tres categorías: Dispositivos especiales, métodos de software y métodos analíticos. Los paquetes de dispositvos especiales requieren instrumentación analítica para medir vatios, vars, resistencia, voltios, amperios y velocidad.
Métodos para medir eficiencia energética en motores incluyen aparatos como Vogelsang and Benning Motor-Check, ECNZ Vectron Motor Monitor y Niagara Instruments MAS-1000.
También se han desarrollado métodos analíticos y software que no requiere ensayos de cargas. Uno de los programas es ORMEL (Oak Ridge Efficiency and Load, 1996). Solamente los datos de la placa del motor y una medida de la velocidad del rotor es requerida para computar la eficiencia y el factor de carga. El programa permite medir al usuario medidas de datos opcionales, tales como la resistencia del estátor, para mejorar la exactitud de las estimaciones de eficiencia.
Los valores de eficiencia pueden deteminarse automáticamente cuando se utiliza el software MotorMaster+ del que hablamos en un artículo anterior (Eficiencia mediante mantenimiento preventivo y predictivo de motores).
Bibliografía: Determining electric motor load and efficiency. A Program of the U.S. Department of Energy.
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