Por Chuck Yung
Especialista Sénior de Soporte Técnico de EASA
Contrariamente a la opinión popular, no siempre, lo más grande es mejor. Un buen ejemplo es el motor eléctrico, el caballo de trabajo de la industria. Existe una tendencia natural a reservar un poco más de potencia, “por si acaso”.
Es por esto que la industria automotriz sigue vendiendo vehículos con motores de 300 hp, a pesar que el límite de velocidad está muchas veces por debajo de las 70 millas por hora. Pero así como sucede con estos depredadores de gasolina, el funcionamiento de un motor sobredimensionado puede costarnos dinero extra; algunas veces, una gran suma. Aquí presentamos un procedimiento sencillo para calcular los hp reales requeridos por una carga, sin emplear equipos e ingeniería costosa. Tenga en cuenta que las cargas se deben calcular, cuando el motor está demandando su máxima carga. Una carga que presenta amplias variaciones, es buena candidata para un variador de velocidad electrónico (VFD).
Calculando la carga real
Como se puede ver en la gráfica (Figura 1), el porcentaje de carga y la corriente, se comportan linealmente desde el vacio hasta la corriente nominal del motor. Un error fácil de cometer, es asumir que, carga cero = corriente cero. Suponer esto induce errores al calcular los hp, donde el error (área sombreada, Figura 1), es inversamente proporcional a la carga. El error más grave lo cometemos, cuando consideramos que la mayoría de los motores necesitan ser “re-potenciados” (ej. el 50% de la corriente a plena carga (FLA) no es lo mismo que el 50% de la carga).
Si bien, es posible calcular el porcentaje de carga del motor gráficamente, la misma información puede obtenerse matemáticamente. Con unos buenos datos de entrada, la carga real del motor se puede estimar utilizando la siguiente fórmula:
hpnecesarios =
hpnominales [ 1- (FLA- amperios reales / FLA – amperios en vacío]
Donde:
FLA es la corriente a plena carga
hp son los Caballos de Potencia
Pruebe el motor desacoplado y registre el valor de la corriente en vacío (0%). En este paso, no tome atajos, si el motor está acoplado, la corriente “en vacío” será mayor que con el motor desacoplado. Para evitar errores, se debe utilizar la corriente del motor desacoplado. Tome nota de la corriente nominal y de la corriente consumida por el motor a carga real.
Ya que un motor más pequeño (sub-dimensionado) ocasiona otros problemas, el método más seguro es registrar el valor de la corriente dentro del ciclo operativo del proceso. Si la carga varía, registre la corriente durante un pico de carga.
Costos Del “Margen de Seguridad”
Para empezar, cuando un motor está muy sub-utilizado, la compañía eléctrica puede cobrar penalidades económicas por concepto de bajo factor de potencia (hablaremos de ello más adelante). Adicionalmente, los usuarios de potencias cíclicas pueden estar sujetos a cargos económicos basados en los consumos de potencia pico. La forma en que esto puede ocurrir, es, un episodio en el cual el alto consumo alcanza el costo de los KW- hora de electricidad, para todo el período de facturación. Esto significa penalidades severas derivadas por el arranque directo de los grandes motores. La identificación de los motores sub-utilizados, ofrece a muchos usuarios la posibilidad de reducir esos cargos económicos, por bajo factor de potencia.
Costos Ocultos De Los Motores Sobredimensionados
La corriente de Irrupción o de Inrush- corriente que consume el motor en el momento del arranque- no depende de la carga.
Para un motor determinado, la corriente de Inrush es la misma, independientemente de su carga real. Esto significa, que un motor de 100 hp que arranca desacoplado, consume la misma corriente de Inrush como si arrancara con una carga de 100 hp.
Ya que la corriente de arranque es más o menos 6 veces la corriente nominal del motor (dependiendo de la letra de código NEMA), esta representa mucha energía. La corriente Inrush real (también conocida como Corriente a Rotor Bloqueado o LRA), puede determinarse de la placa de datos del motor. La norma NEMA establece una letra código (CL) para indicar la LRA de un motor.
Para calcular la corriente a rotor bloqueado de un motor NEMA (LRA), reemplace el valor de la letra de código de la Tabla 1, en la siguiente fórmula:
LRA = CL x hp x 1000/1.732 x Voltaje
Para un motor de 125 hp con letra código G (5.6-6.3), la LRA estará entre 878 y 988 amperios.
[5.6 x 125 x 1000/1.732 x 460 = 878]; [6.3 x 125 x 1000/1.732 x 460 = 988].
Si comparamos este resultado con la corriente a rotor bloqueado de un motor de 25 hp-198 amperios (con la misma letra código G), utilizado como reemplazo - la diferencia en la corriente de Inrush es muy significativa. El desgaste de los arrancadores de los motores, el costo del cambio de los contactos, etc. aumentan considerablemente los costos de mantenimiento de forma innecesaria.
Ejemplo Real
Un motor de 125 hp, impulsaba el ventilador de aire fresco de una fábrica. La corriente nominal del motor era de 148 amperios. El motor desacoplado tomó 44 amperios, un poco por debajo de 1/3 de su corriente a plena carga (FLA). Trabajando a su carga real, el motor consumía 63 amperios.
El cálculo de los caballos de potencia reales, requeridos por el motor, estuvo por debajo de 23 hp.
Hp= 125 [1- (148-63)/148-44)] = 22.8 hp
Reemplazando el motor existente por uno de 25 hp, la corriente de arranque (Inrush), cayó de 890 a sólo 198 amperios. La corriente a “plena carga” bajó de 63 a solo 29 amperios. La fábrica estaba pagando por un gran desperdicio de energía. Adicionalmente, el factor de potencia del motor de 125 hp, funcionando con la carga de 22.8 hp, era muy bajo. (Antes de “re-potenciar” asegúrese que el motor de potencia menor puede vencer la inercia de la carga).
Factor de Potencia Y Eficiencia
El Factor de Potencia (FP) es importante debido a que puede utilizarse para calcular la eficiencia. Para calcular el factor de potencia, utilice la siguiente fórmula:
FP = vatios de entrada / [1.732 x Voltios x Amperios]
La eficiencia también puede calcularse midiendo el factor de potencia con alguno de los instrumentos disponibles actualmente para los electricistas.
Para calcular la eficiencia de un motor trifásico utilice la siguiente fórmula:
Eficiencia = 746 x hp / [1.732 x Voltios x Amperios x FP]
En el motor de 125 hp del ejemplo, el electricista midió un FP de 0.7, con lo cual la eficiencia del motor trabajando con una carga de 22.8 hp era:
Eficiencia = 746 x 22.8 / [1.732x 460 x 63 x 0.7] = 0.48
El motor estaba funcionando con solo un 48 % de eficiencia a comparación con el 94.5 % de eficiencia del motor EPACT utilizado como reemplazo. De acuerdo con el software Maestro de Motores disponible en el Departamento de Energía de los Estados Unidos, si el motor funcionaba 8.760 horas por año (esto es 24 horas al día-7 días a la semana), el motor de 125 hp consumía 457.700 KWh por año, comparado con los 167.200 KWh por año consumidos por el motor EPACT de 25 hp utilizado como reemplazo. A 7 centavos el kW-hora, el ahorro durante el primer año estuvo cerca de los $20.000 Dólares.
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