Todo motor eléctrico asincrónico ya sea trifásico o monofásico tiene o debería tener una placa de datos característica. El fabricante del motor proporciona a través de esta placa, información referente a la marca, modelo, serie, geometría (frame), potencia mecánica, velocidad, etc. Referente a la información eléctrica que debería inscribirse, destaca el voltaje y la frecuencia de alimentación (V/f). En función de la potencia de diseño, estos parámetros eléctricos (V/f), marcan la pauta para el desarrollo de otros como lo son corriente, factor de potencia, velocidad, torque, eficiencia, entre otros.
Si bien es cierto el fabricante del motor indica un voltaje nominal (deseado), el voltaje de alimentación disponible en la red puede “diferir” o no ajustarse a lo indicado en la placa de datos. La normativa NEMA sugiere que esta variación no exceda el ±10% , y la normativa de la IEC el ±5%. Por ejemplo para un motor trifásico, un “voltaje de alimentación diferido” puede presentarse en un mismo valor las tres líneas o un desbalance entre ellas, Un mismo valor en las tres líneas de 205 VAC difiere de los 208 VAC deseados o indicados en placa. Y un desbalance se ejemplifica al tener 208 VAC, 210 VAC y 203 VAC en la alimentación trifásica.
El “voltaje de alimentación diferido” puede deberse a causas externas o interna, o combinación de ambas. Como causa externa se tiene el voltaje de alimentación que proporciona la compañía eléctrica, ante esta situación debe plantearse el debido reclamo para que sea corregido. Como causa interna, se atribuye muchas veces a diseños eléctricos deficientes, un crecimiento desordenado de la instalación y falsos contactos en elementos de seccionamiento y conmutación como en disyuntores, contactores, fusibles, etc.
Antes de indicar los efectos que se presentan en un motor eléctrico en función de la variación del voltaje, es oportuno ampliar con algunas definiciones:
Voltaje: Es la diferencia de potencial eléctrica aplicable sobre los bornes de conexión del motor, de forma tal que la energía eléctrica “fluya” hacia el motor. Para los efectos de este documento técnico se consideran los efectos sobre una variación NEMA del ±10%.
Corriente de plena carga: Es la corriente eléctrica que fluye por un motor cuando a este se le exige la potencia nominal. Por ejemplo, cuando a un motor trifásico de 5 HP se le exige esa potencia mecánica y a su vez se conecta a un voltaje nominal de 208 VAC, la corriente eléctrica en ese momento “probablemente” será de 13,9 A.
Corriente de arranque: Es la corriente eléctrica que fluye por un motor en el instante justo a su arranque durante milisegundos. Dependiendo de la inercia y tamaño del motor, este tiempo puede extenderse a minutos en motores de gran tamaño. Generalmente ronda un valor de 6 a 7 veces la corriente de plena carga. Para el ejemplo anterior se tendría un valor aproximado de 97,3 A.
Incremento de temperatura: Debido al efecto Joule, la resistencia eléctrica que los materiales conductores ofrecen al paso de la corriente, parte de la energía eléctrica se transforma en energía térmica disipaba.
Factor de potencia: Es la relación que existe entre la potencia aparente (disponible en la red eléctrica) y la potencia activa (aprovechable en trabajo útil) despreciando los efectos magnéticos (potencia reactiva). El flujo magnético es requerido por un motor para establecer un efecto inductivo pero esto no agrega trabajo útil. Además este parámetro indica el grado de desfase que existe entre la corriente eléctrica y el voltaje, entre mayor sea este desfase menor es el factor de potencia derivando en una alta potencia reactiva. Oscila entre 0 y 1. Un factor de potencia cercano a 1 indica un alto aprovechamiento de la potencia aparente.
Eficiencia: Es la relación que existe entre la potencia eléctrica activa y la potencia mecánica de salida. Recordar que la potencia eléctrica activa se transforma en energía térmica (por efecto Joule) y energía motriz.
Torque de arranque: Es la fuerza rotacional que debe vencer un motor al momento del arranque. El equipo debe superar las condiciones inerciales estáticas y la carga a la cual se está vinculado.
Velocidad sincrónica: Es la velocidad del campo magnético giratorio que se desarrolla en estator del motor. Esta velocidad es proporcional a la frecuencia e inversa a la cantidad de polos magnéticos obtenidos por el arreglo del bobinado del estator.
Velocidad mecánica: Es la velocidad en el eje del rotor, para motores asincrónicos siempre será menor que la velocidad del campo magnético giratorio. Esto se debe a la dispersión del flujo magnético en el proceso de inducción del estator al rotor, en el cual este último siempre queda “rezagado”.
Porcentaje de deslizamiento: Es la diferencia porcentual que existe entre la velocidad sincrónica y la velocidad mecánica.
En la imagen 1, se muestra un gráfico con el porcentaje de cambio en los parámetros mencionados en función del porcentaje de cambio del voltaje de alimentación. Considérese un porcentaje de cambio de 0% cuando el voltaje de alimentación está aparejado al voltaje nominal del dato de placa.
A continuación, algunas inferencias del gráfico mostrado que a modo de ejemplo se han indicado para el caso de operar un motor a bajo voltaje:
Efecto sobre el toque: El toque es proporcional al flujo magnético que voltaje estable en el estator. Si el voltaje se reduce, el flujo y el toque lo hacen de igual manera. De esta forma un motor que opere a voltaje menor al nominal tendrá cierta dificultad para llevar la carga vinculada a él. Este efecto ocurre tanto al arranque como en condiciones operativas.
Efecto sobre la velocidad: Debido a que la carga vinculada al motor es la que solicita el torque y este equipo pierde capacidad de producirlo por operar a un voltaje menor, la velocidad mecánica disminuye como si estuviera ante un efecto de “frenado”.
Efecto sobre el deslizamiento: Al reducirse la velocidad mecánica en el eje del motor y permanecer la velocidad sincrónica del campo magnético invariable, la brecha entre ambas velocidades se amplía, es por eso que, a bajo las condiciones mencionadas el deslizamiento crece al operar un motor a bajo voltaje.
Efecto sobre la corriente de plena carga: Debido a que al motor se le está llevando a una condición de “frenado”, pues su torque disminuye y la velocidad mecánica también, la única forma de sobrellevar la carga es aumentar la corriente eléctrica por principio de conservación de la energía. Un incremento de corriente deriva por efecto Joule en un incremento de temperatura. Como regla general, por cada 10°C de incremento de temperatura, la vida útil del aislamiento eléctrico se reduce a la mitad.
Efecto sobre la corriente de arranque: Al momento del arranque, la velocidad del campo magnético giratorio en el estator es plena mientras que el rotor está detenido. En ese momento, el voltaje inducido en el rotor el cual es proporcional al voltaje de alimentación del estator es el más alto, derivando en una corriente mayor. Reducir el voltaje de arranque, reduce la corriente de arranque, esto es un principio aplicable en las técnicas de los métodos de arranque de motores.
Efecto sobre el factor de potencia: Como se mencionó, a un menor voltaje el flujo magnético decrece y de igual forma lo hace la potencia reactiva asociada, derivando en un factor de potencia mayor. En contraposición, a un voltaje mayor al nominal, el flujo magnético crece y las pérdidas por efectos magnéticos se incrementan, reduciendo el factor de potencia.
Efecto sobre la eficiencia: Al operar un motor a un voltaje menor el incremento de la corriente produce mayores pérdidas, lo que deriva en desaprovechar una fracción de la energía de entrada en una transformación a energía térmica.
Seguidamente se ofrece un ejemplo numérico de un motor trifásico de 5 HP, 208 VAC, 60 Hz, frame 184TC en el cual se comparan los parámetros mencionados para tres condiciones distintas, voltaje nominal, bajo y sobre voltaje.
Efectos del desbalance de voltajes
Otra forma en la que un motor eléctrico puede operar a un “voltaje diferido”, es el efecto de desbalance. Cuando el voltaje aplicado a las líneas de un motor polifásico no son iguales, se genera un desbalance en las corrientes que circundan el estator, de forma tal que un pequeño porcentaje de desbalance de voltaje deriva en un amplio porcentaje de desbalance en la corriente. Consecuentemente, el incremento de temperatura que experimenta un motor para una carga particular, será mayor con desbalance de voltaje que operando bajo las mismas condiciones pero con un voltaje balanceado.
El principal efecto en un motor polifásico al operar con un voltaje de alimentación en condición de desbalance, es la pérdida de potencia de salida. En el gráfico mostrado en la imagen 2, se muestra el factor de reducción de potencia en función del porcentaje de desbalance. El porcentaje de desbalance se obtiene considerando el valor absoluto de la máxima desviación del promedio de voltajes dividido entre el voltaje promedio.
Un ejemplo numérico. Considere un motor trifásico de 15 HP el cual tiene los siguientes voltajes de línea: 208 VAC, 210 VAC, 203 VAC. Calcular la potencia resultante por efecto de desbalance de voltaje.
Respecto al gráfico de la figura 2, se tiene que a un porcentaje de desbalance de 1,93% se obtiene un factor de reducción de potencia de 0,96, por lo tanto el motor al cual se le podían obtener unos 15 HP nominales de potencia mecánica, ahora provee unos 14,4 HP. Esta reducción de potencia se debe al incremento de corriente que transforma parte de la energía útil para trabajo mecánico en pérdidas por calentamiento. NEMA recomienda no sobrepasar un 5% de desbalance pues la potencia del motor se reduciría en un 25%, sin embargo por un sentido costo – efectivo, en la práctica se evitan desbalances superiores al 3% limitando a un factor de reducción de potencia en el motor del 10%.
Ing. Johnny Garita G.
Gerente de Servicios – VyP Asesores S.A
IMI-28664 (Mantenimiento Industrial y Electromecánica)
Fuentes:
- Electrical Engineering Pocket Handbook. EASA. 2010
- NEMA MG 10-2001
- IEEE PCIC-95-21, Sept 2001.
- NEC 2017.