Métodos para optimizar la eficiencia del motor eléctrico

Estimaciones ampliamente publicitadas muestran que los sistemas impulsados ​​por motores eléctricos consumen más de la mitad de la electricidad producida en los Estados Unidos y más del 70 por ciento de la electricidad utilizada en muchas plantas industriales. ¹ Ahora que la energía y los costos operativos son muy importantes, tiene más sentido que nunca aumentar la eficiencia del motor.

Muchas instalaciones consideran que tiene sentido dividir su estrategia de eficiencia de motores en tres fases:

• Evaluación general
• Mejoras inmediatas
• A largo plazo

Este artículo describe brevemente el Paso 1 y proporciona detalles sobre el Paso 2. Un próximo artículo proporcionará detalles para el Paso 3.

Métodos para optimizar la eficiencia del motor eléctrico

Fase 1:evaluación
Esto es lo que implica una evaluación motora:

1. Examine y documente cuántos motores, a qué edad, caballos de fuerza y ​​clasificaciones, con qué nivel de controles están presentes en su instalación.
2. Identifique las cargas más altas y críticas.
3. Para esas unidades clave, use un registrador de energía para evaluar su consumo de energía (consumo de energía).

Esto le dará un mapa general de consumo de energía para motores en su instalación.

Fase 2:mejoras inmediatas
Hay dos tipos de mejoras inmediatas que puede realizar.

1. Cambios en las unidades y en el funcionamiento de la unidad
2. Reparaciones

Los cambios en las unidades pueden incluir reemplazar algunos motores con modelos de mayor eficiencia o de mejor tamaño, agregar controles a otros para obtener la salida del tamaño correcto y reprogramar qué motores funcionan en comparación con la demanda y las tarifas de servicios públicos.

Para determinar si alguno de estos cambios tiene sentido en su instalación, utilice una calculadora de eficiencia de motores como MotorMaster + del Departamento de Energía de EE. UU. Puede ayudarlo a calcular los ahorros por motor y por paso de eficiencia.

De lo contrario, hay tres puntos de inspección que debe realizar en todos los motores que desea mantener operativos:

1. Desequilibrio de voltaje
2. Desequilibrio actual
3. Factor de potencia

Si las pruebas muestran problemas con cualquiera de estas tres variables, corregir esos problemas puede producir mejoras inmediatas en la eficiencia. Lógicamente, también debe incorporar estas pruebas en el mantenimiento regular a largo plazo para mantener las mejoras a corto plazo que realice en esta etapa.

Desequilibrio de voltaje
El desequilibrio de voltaje es una medida de las diferencias de voltaje entre las fases de un sistema trifásico. Para un rendimiento óptimo del motor, los voltajes de fase deben ser iguales o muy cerca de ser iguales. Además de causar un rendimiento deficiente del motor, el desequilibrio de voltaje acorta la vida útil del motor.

El desequilibrio de voltaje es 100 veces la variación máxima de voltaje del promedio dividido por el voltaje promedio de las tres fases. Este cálculo produce el desequilibrio como porcentaje. El Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) presenta el siguiente ejemplo: ² Si los voltajes de línea medidos son 462 V, 463 V y 455 V, el promedio es 460 V. Entonces, el desequilibrio de voltaje es:

[(460 - 455) x 100] ÷ 460 =1.1%

En general, el desequilibrio de voltaje debe ser inferior al 1 por ciento y nunca superior al 5 por ciento. La norma EN50160 requiere menos del 2 por ciento de desequilibrio de voltaje en el punto de acoplamiento común. Las especificaciones de la Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos (NEMA) exigen menos del 5 por ciento para las cargas del motor, pero recomiendan que los desequilibrios de voltaje en los terminales del motor no excedan el 1 por ciento y que los motores se reduzcan para porcentajes más altos. ³

La medición del desequilibrio de voltaje se debe realizar con regularidad en los terminales del motor utilizando un analizador de calidad de energía para verificar que el desequilibrio de voltaje sea inferior al 5 por ciento. Además, las inspecciones térmicas periódicas pueden revelar conexiones de alta resistencia en el tablero de distribución, desconectadores o cajas de conexión del motor, lo que puede causar un desequilibrio de voltaje. Otras posibles fuentes de desequilibrio de voltaje incluyen dispositivos de corrección del factor de potencia defectuosos, voltajes de suministro desequilibrados o inconsistentes, bancos de transformadores desequilibrados, cargas monofásicas distribuidas de manera desigual, fallas monofásicas a tierra o un circuito abierto en un sistema de distribución primario.

Las correcciones deben ser realizadas por un electricista experimentado o un especialista en energía. Comience verificando los voltajes de suministro del variador de velocidad (si se usa uno en el sistema). Además, verifique las entradas de la red pública a la planta y las salidas del transformador al sistema. Si se encuentran fases equilibradas en estas "fuentes", entonces el mejor enfoque es comenzar en el motor y volver sistemáticamente a la fuente inicial, el suministro eléctrico de la empresa de servicios públicos.

Ahorros potenciales y ROI: La mejor forma de calcular los ahorros totales es utilizar una herramienta de software como MotorMaster +. Así es como funciona el cálculo básico, si sabe lo siguiente (los valores de muestra aparecen entre paréntesis):

• Carga en el motor (100%)
• Caballos de fuerza (100 hp)
• Tiempo de ejecución (8.000 horas al año)
• Eficiencia en desequilibrio nominal para la carga (94,4%) ⁴
• Eficiencia en desequilibrio y carga reales (93%)
• Un caballo de fuerza se convierte en 0,746 kilovatios

Con los valores de muestra proporcionados, los ahorros de energía anuales (EA) después de la acción correctiva serían:

EA =100 hp x 0,746 kW / hp x 8.000 h / año x (100 ÷ 93 - 100 ÷ 94,4) =9.517 kWh

Si la electricidad cuesta $ 0.05 por kWh, el ahorro anual en dólares (AS $) será:

AS $ =9,517 kWh x $ 0,50 / kWh =$ 476 / año

En entornos industriales, muchos motores pueden alimentarse con la misma fuente de alimentación desequilibrada. Por lo tanto, los ahorros potenciales serán mucho más que para un solo motor, y los ahorros reales dependerán de la carga, los tiempos de funcionamiento, los caballos de fuerza, etc.

Finalmente, recuerde que los motores se calientan más cuando sus fuentes de alimentación están desequilibradas; aproximadamente el doble del cuadrado del desequilibrio de voltaje (2 x% de desequilibrio de voltaje). Por ejemplo, con un desequilibrio de voltaje del 2 por ciento, un motor experimentará un aumento de temperatura de 8 grados Celsius. Cada aumento de temperatura de funcionamiento de 10 grados C reduce a la mitad la vida útil del aislamiento del devanado del motor.

Desequilibrio actual
El desequilibrio de corriente es una medida de la diferencia en la corriente consumida por un motor en cada rama de un sistema trifásico. La corrección del desequilibrio de corriente ayuda a prevenir el sobrecalentamiento y el deterioro del aislamiento del devanado del motor. El sorteo de cada pierna debe ser igual o casi igual. Una causa del desequilibrio de corriente es el desequilibrio de voltaje, que puede causar un desequilibrio de corriente muy desproporcionado con el desequilibrio de voltaje en sí. Cuando ocurre un desequilibrio de corriente en ausencia de desequilibrio de voltaje, busque otra causa del desequilibrio de corriente (por ejemplo, aislamiento defectuoso o una fase en cortocircuito a tierra).

El desequilibrio de corriente se calcula de la misma manera que el desequilibrio de voltaje. Es 100 veces la variación de corriente máxima de la media dividida por la corriente media de las tres fases. Entonces, si la corriente medida es 30 amperios, 35 amperios y 30 amperios, el promedio es 31,7 amperios y el desequilibrio actual es

[(35 - 31,7) x 100] ÷ 31,7 =10,4%

El desequilibrio de corriente para motores trifásicos no debe exceder el 10 por ciento.

La medición del desequilibrio de corriente debe involucrar a un electricista experimentado o un especialista en energía. Al igual que con el desequilibrio de voltaje, debe realizarse regularmente en los terminales del motor utilizando un analizador de calidad de energía. Las dos mediciones de desequilibrio (voltaje y corriente) se pueden realizar y guardar simultáneamente con el mismo analizador de calidad de energía.

La corrección del desequilibrio actual puede incluir alguna o todas las siguientes estrategias:

• Si el desequilibrio es el resultado de la energía suministrada, un dispositivo de corrección del factor de potencia puede resolver el problema.
• Si el problema es el motor en sí, debido, por ejemplo, a un aislamiento defectuoso o una fase en cortocircuito a tierra, evalúe cuidadosamente sus opciones. La decisión de reparar (rebobinar) un motor frente a reemplazarlo por uno nuevo es difícil. Según el DOE ⁴ …
  • Rebobinar casi siempre reduce la eficiencia y confiabilidad de un motor. Considere variables tales como el costo de rebobinado, las pérdidas de rebobinado esperadas, el precio de compra de un motor nuevo (tanto para los modelos estándar como de eficiencia energética), el tamaño del motor y la eficiencia original, el factor de carga, las horas de funcionamiento anuales, el precio de la electricidad, la disponibilidad de un reembolso de servicios públicos y una recuperación simple criterios.
• En la mayoría de los casos, compre un motor nuevo si:
  1. el motor defectuoso tiene menos de 40 caballos de fuerza y ​​más de 15 años, especialmente si se ha rebobinado previamente,
  2. el motor es un motor no especializado de menos de 15 caballos de fuerza, o
  3. el costo de rebobinado es más del 50 por ciento del costo de un motor nuevo.

En el último caso, una mayor eficiencia y confiabilidad debería proporcionar un rápido retorno de la inversión.

Ahorros potenciales y ROI: El ROI toma dos formas:ahorro de energía y ahorro de producción a largo plazo (evitando fallas del motor y tiempo de inactividad). También entran en juego posibles reembolsos de servicios públicos.

El ahorro de energía puede ser difícil de determinar, especialmente cuando el rebobinado es la solución elegida. Las pérdidas de rebobinado final se desconocen hasta después del rebobinado.

Si decide comprar un motor nuevo, use el software MotorMaster + para calcular el ahorro de energía anual (AS $) que puede esperar del reemplazo. Necesita la siguiente información: ⁶

• Potencia nominal del motor (hp)
• Factor de carga (L =porcentaje de carga completa ÷ 100)
• Horas de funcionamiento anuales (h)
• Costos de energía promedio (C =$ / kWh)
• Eficiencia del motor existente (Estd, como porcentaje)
• Índice de eficiencia del motor nuevo (Eee, como porcentaje)
• El factor de conversión de hp a kW (0,746)

Dada esta información,

AS $ =hp x L x 0.746 x hr x C x [(100 ÷ Estd) - (100 ÷ Eee)]

En general, los motores de eficiencia superior son aproximadamente un 1 por ciento más eficientes que los motores de eficiencia estándar, y el ahorro de energía generalmente dará como resultado un período de recuperación de menos de 18 meses. En comparación con una unidad rebobinada existente, un nuevo motor de eficiencia superior será considerablemente más de un 1 por ciento más eficiente.

Factor de potencia
Algunos tipos de operación de equipos generan un factor de potencia incorrecto y esto genera multas por parte de la empresa de servicios públicos. Evalúe el factor de potencia en todos los circuitos y cargas principales, incluidos los motores. Cuanto más cerca esté su factor de potencia al 100 por ciento, o "1", mejor (las empresas de servicios públicos suelen cobrar una penalización por el factor de potencia inferior al 95 por ciento). Aumentar su factor de potencia:

• Reduzca su factura de electricidad
• Incrementar la capacidad del sistema eléctrico
• Disminuya la caída de voltaje

El factor de potencia (PF) es causado por cargas inductivas (cargas con bobinas) como motores y transformadores. Se expresa como un porcentaje o un número, siendo ideal el 100 por ciento o 1. El factor de potencia es la relación entre la potencia real (de trabajo) (kilovatios kW) y la potencia aparente (total) (kilovoltios-amperios kVA). La potencia aparente es una combinación de potencia real y potencia reactiva (kilovarios kVAR).

Un aumento de la potencia reactiva provoca que la potencia aparente aumente y, en consecuencia, que disminuya el factor de potencia. Por lo tanto, la disminución de la potencia reactiva aumentará el factor de potencia y, en general, eso es algo bueno.

La medición del factor de potencia se realiza mejor con un analizador de calidad eléctrica. Antes de comenzar, averigüe:

• Cómo cobra su empresa de servicios públicos por factores de potencia bajos o VAR
• Lo que dice la empresa de servicios públicos es su factor de potencia promedio por mes
• Cuál es su cargo por demanda
• ¿Cómo mide la empresa de servicios públicos el factor de potencia o los VAR:intervalos máximos o promedios?

El objetivo es identificar las cargas que provocan un retraso en la potencia reactiva y desarrollar una estrategia para mejorar el factor de potencia. ⁶

Comience en la entrada de servicio, donde la empresa de servicios públicos monitorea sus datos, y verifique las cargas individuales. El analizador de calidad de energía le permitirá encontrar el factor de potencia promedio durante un período de registro específico.

Corrija el factor de potencia utilizando las siguientes estrategias:

• Reducir o disminuir el uso de motores en ralentí o con poca carga
• Evite operar motores por encima de su voltaje nominal
• Reemplace los motores estándar averiados por modelos de bajo consumo.
• Instale condensadores en los circuitos afectados para disminuir la potencia reactiva

Ahorros potenciales y ROI: Utilice la información de la empresa de servicios públicos y de su investigación para calcular sus ahorros. Supongamos que su empresa de servicios públicos agrega un cargo de demanda del 1 por ciento por cada 1 por ciento de su factor de potencia es inferior al 0,97 por ciento. Si su factor de potencia promedia el 86 por ciento cada mes, entonces su operación está 11 por ciento (97 por ciento menos 86 por ciento) por debajo del umbral del 97 por ciento. Si su cargo por demanda es de $ 7,000 por mes, entonces su costo anual evitable a través de la corrección del factor de potencia es igual a:

(11% x $ 7,000 por mes) x 12 meses =$ 9,240

Pasos siguientes
Al concluir su investigación inmediata sobre la eficiencia del motor, evalúe sus prácticas de mantenimiento a largo plazo y comience a hacer cambios allí también. Incluya estas mismas verificaciones de desequilibrio de voltaje y corriente en inspecciones regulares. También considere la posibilidad de inspeccionar regularmente las conexiones y las tierras, el voltaje fuera de diseño y la resistencia del aislamiento, para obtener mejoras adicionales de rendimiento a largo plazo.

Este artículo es cortesía de Fluke Corporation. Para obtener más información sobre este tema, visite www.fluke.com.

Notas
¹ Hoja de datos:"Optimización de su sistema impulsado por motor". un Desafío motor documento. Motor Challenge es un programa del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE). Para obtener más detalles, visite http://www1.eere.energy.gov/industry/bestpractices.

² Hoja de consejos n. ° 7 de Motor Systems (septiembre de 2005):"Eliminación del desequilibrio de voltaje", un Consejos sobre energía:sistemas de motor documento escrito para el Programa de Tecnologías Industriales del DOE.

³ Determinar fuera del laboratorio la eficiencia de un motor es difícil e implica una gran cantidad de mano de obra y equipo. Además, ± 1% en eficiencia tendrá un impacto significativo en los ahorros de dólares calculados. (Consulte la hoja de consejos n. ° 2 de Motor Systems (septiembre de 2005):"Estimación de la eficiencia del motor en el campo", y Consejos sobre energía:sistemas de motor documento escrito para el Programa de Tecnologías Industriales del DOE). Cuando se conoce el porcentaje de carga, el software MotorMaster + 4.0 elige automáticamente la eficiencia de carga según los datos disponibles.

⁴ Hoja informativa:"Optimización de su sistema impulsado por motor".

⁵ De la hoja de datos del DOE:"Comprar un motor eléctrico energéticamente eficiente", un documento del Desafío del motor; Pregunta 5:"¿Cuándo es rentable un motor de eficiencia energética?"

⁶ Consulte la hoja de datos del DOE:"Reducir el costo del factor de potencia", un Desafío motor documento.