Determinar la carga de un motor eléctrico es esencial para el rendimiento energético

El análisis es necesario porque no tiene mucho sentido cambiar un motor de CA convencional por otro de mayor rendimiento energético si no se adecúa o si se sobredimensiona el motor con relación a las cargas que haya de soportar. Con demasiada frecuencia, los motores se sobredimensionan o se rebobinan varias veces, lo que lleva a importantes pérdidas de rendimiento en el funcionamiento. Es por ello imperativo, antes de considerar el cambio de algún motor, determinar las cargas reales del motor junto con sus horas anuales de funcionamiento.

La mayoría de los motores se diseñan para funcionar con cargas entre 50 y 100% de la potencia nominal, con el máximo rendimiento aproximadamente al 75% de la potencia nominal. Así pues, un motor de 10 kW tiene un rango de carga aceptable entre 5 y 10 kW, con el rendimiento máximo a 7,5 kW. Como norma general, los motores de alto rendimiento producen los mayores ahorros cuando accionan una carga al 75% de la potencia nominal y funcionan más de 4.000 horas al año.

El problema del rendimiento del motor es que suele disminuir significativamente con cargas inferiores al 50%, lo que revela una realidad negativa si se tiene en cuenta que, debido al sobredimensionamiento, tan sólo el 20% de los motores eléctricos en uso en el Reino Unido están trabajando a plena carga. Esto supone también un perjuicio con relación a los costes del consumo de energía, ya que se ha calculado que un incremento de un punto porcentual en el rendimiento ahorra en coste de energía durante la vida útil el equivalente del precio de compra del motor.

A pesar de que el sobredimensionamiento de motores es el problema más común, el infradimensionamiento puede ser igualmente perjudicial ya que es probable que un motor infradimensionado esté sobrecargado, lo cual produce sobrecalentamiento, pérdida de rendimiento y probablemente el fallo prematuro, con sus costosas consecuencias para la producción. Este problema puede ocurrir cuando los costes de un sistema estén muy ajustados y el usuario interprete los factores de trabajo del motor de una manera demasiado laxa.

El factor de servicio es un multiplicador que indica la cuantía por la que puede sobrecargarse un motor en condiciones ambientales ideales. Por ejemplo, un motor de 10 kW con un factor de servicio de 1,15 puede soportar una carga de 11,5 kW durante cortos periodos de tiempo sin sufrir ningún daño significativo. Aun cuando muchos motores eléctricos tienen un factor de 1,15, hacer funcionar un motor de manera continua con cargas superiores a la nominal reduce el rendimiento y la vida del motor. Además, no se debe hacer funcionar el motor sobrecargado cuando la tensión sea inferior a la tensión nominal, o cuando la refrigeración esté perjudicada por la altitud, una elevada temperatura ambiente o suciedad en las superficies del motor.

También se pierde rendimiento con el motor funcionando con tensiones superiores o inferiores a la tensión nominal. El resultado de una sobretensión es un factor de potencia menor, lo que reduce el rendimiento general del motor. Lo mismo es cierto para el funcionamiento con una tensión inferior al 95% de la tensión nominal. En este caso el motor normalmente pierde entre dos y cuatro puntos porcentuales de rendimiento y sufre un incremento de la temperatura de trabajo de hasta 7 °C, lo que reduce significativamente la vida útil del aislamiento del motor y afecta su fiabilidad.

En base a todos estos datos, se recomienda a los usuarios de motores eléctricos que inspeccionen y ensayen todos sus motores que operen más de 1.000 horas al año. Seguidamente, y en función de los resultados del análisis, deberán agrupar los motores en las categorías siguientes:

• Motores significativamente sobredimensionados e infrautilizados: cámbiense estos motores por otros debidamente dimensionados en la primera ocasión disponible, por ejemplo la próxima parada de planta programada.
• Motores moderadamente sobredimensionados e infracargados: cuando fallen, cámbiense estos motores por otros de mayor rendimiento debidamente dimensionados.
• Motores debidamente dimensionados pero de rendimiento normal: cuando fallen, cámbiese la mayoría de estos motores por otros de alto rendimiento.

Un problema de esta estrategia es que a menudo es difícil poder determinar las características de un motor que haya estado en servicio durante algún tiempo. No es raro que la placa de características del motor se haya caído o esté cubierta de pintura. Además, cuando se haya rebobinado el motor, existe la posibilidad de haberse reducido su rendimiento.

Cuando se haya perdido la placa de características o ésta sea ilegible, el rendimiento debe determinarse en el punto de carga del motor. Para ello se emplean las mediciones tomadas de potencia, corriente y deslizamiento para determinar la carga del motor, y de aquí obtener el valor del rendimiento a carga parcial. Por último, cuando se disponga de mediciones directas de la potencia, puede derivarse una estimación de carga corregida con los valores medidos de la potencia en los terminales del motor y del rendimiento a carga parcial según se indica en la ecuación 1.

Ecuación 1:

En la que:

• Carga = Potencia de salida como porcentaje de la potencia nominal
• Pi = Potencia trifásica en kW
• η = Rendimiento de trabajo en porcentaje
• kW = Potencia nominal según la placa de características

Para los motores rebobinados se han de ajustar los valores del rendimiento para tener en cuenta que el rendimiento de un motor rebobinado es inferior al del motor original. Para reflejar las pérdidas típicas del rebobinado se deducen dos puntos porcentuales del rendimiento normal para motores pequeños de menos de 30 kW, y un punto porcentual para motores de mayor potencia. No obstante, debe indicarse que algunas empresas especializadas en el rebobinado de motores eléctricos con óptimos controles de calidad pueden a menudo realizar el rebobinado sin pérdidas significativas de rendimiento.