Este documento aparte de responder en forma breve a algunas preguntas frecuentes sobre motores eléctricos, busca orientar al lector para que por su cuenta pueda ampliar conocimientos sobre temas específicos. En esta primera parte, se listan algunas preguntas frecuentes que surgen en el gremio de quienes trabajamos con estas máquinas eléctricas rotativas:
¿Puede un motor eléctrico diseñado a una frecuencia de 50 Hz, operar a 60 Hz y viceversa?
Sí. Siempre y cuando la relación V/f (voltaje / frecuencia) permanezca constante, es posible conectar un mismo motor a esas frecuencias. Todo motor tiene una constante constructiva V/f definida por el fabricante, la cual si es constante, el flujo magnético es constante. El flujo magnético es proporcional al torque en el eje, y proporcional a su vez al voltaje aplicado. Por ejemplo, para que un motor que opera 380 VAC y 50 Hz ( V/f de 7.6 ) opere a 60 Hz, se deberá incrementar el voltaje de alimentación a 460 VAC, para así mantener la relación V/f constante y la corriente invariable. Al pasar de 50 Hz a 60 Hz, se tiene implicaciones claras como un ligero incremento en la velocidad de salida (proporcional a la frecuencia) y en la potencia mecánica, pues esta es el producto del torque (constante) y la nueva velocidad modificada. A modo de ejemplo ver la tabla 1.
Tabla 1. Comparativa de un mismo motor operando a 50 Hz y a 60 Hz
Nota: para un motor de 15 HP (11.1 KW) nominales a 50 Hz, pero operará a 60 Hz. 2.6% deslizamiento.
Flujo magnético (ɸ) ∝ Voltaje de alimentación (VL) ∝ Torque ( τ )
Potencia mecánica (Pm) = Torque ( τ ) x Velocidad mecánica (υm)
Si se hiciera el cambio de frecuencias sin mantener constante la relación V/f (sin incrementar o reducir el voltaje, según corresponda), la corriente de consumo del motor variará pues el bobinado (cableado del estator) tiene una impedancia inductiva que depende de la frecuencia. Si esta corriente sobrepasa el valor de diseño el motor podría dañarse.
Corriente de línea (IL) ∝ Voltaje de alimentación (VL) / Impedancia equivalente (ZL)
Impedancia equivalente (ZL) ∝ ( 2π x Frecuencia ( f ) x Inductancia del bobinado (L) )
Algunas restricciones:
- En motores con carga variables acopladas como bombas y ventiladores centrífugos no se recomienda pues por la ley de afinidad en estas turbomáquinas la potencia es proporcional a la velocidad al cubo. El pasar de 50 Hz a 60 Hz representa un 16.6% de incremento en la velocidad derivando en un incremento del 42% en la potencia mecánica a entregar. Por ejemplo, para el motor anterior acoplado a una bomba centrífuga pasaría de entregar a 11.1 KW a 19.3 KW, lo cual deriva modificaciones en presión, caudal y mayor consumo energético. Una solución para bombas es modificar el tamaño del impulsor y lograr puntos operativos equiparados entre la operación de 50 Hz y 60Hz.
- En ambientes explosivos o con atmósferas peligrosas, entes certificadores como UL (Underwriter Laboratories) no permiten el re-etiquetado de placas, por lo que sobre escribir 60 Hz en lugar de 50 Hz (o viceversa) no está permitido.
- En motores monofásicos con interruptores centrífugos para la conexión y desconexión de capacitores de arranque, la modificación de la frecuencia de 60 Hz a 50 Hz reduce la velocidad y puede generar que la fuerza centrífuga no sea suficiente para activar el interruptor.
¿Cuál es la máxima distancia de cableado sin apantallar a la que puede conectarse un motor eléctrico a un variador de frecuencia?
Los variadores de frecuencia son equipos que toman un voltaje y frecuencia de entrada “fijos” y mediante dispositivos electrónicos modifican estos parámetros juntos a la salida, esto para variar la velocidad de giro del eje de un motor trifásico. Los variadores tiene IGBTs (transistores bipolares de compuerta aislada) los cuales al ser controlados por voltaje proporcionar rápidas frecuencias de conmutación de 2 KHz, 4 KHz, 8 KHz y hasta 16 KHz, derivando en un valor RMS (promedio) a una onda senoidal, la cual varía de forma utilizable por el motor de 0 Hz hasta los 60 Hz, típicamente. Ver imagen 1. Entre mayor sea la velocidad de conmutación más “fino” es el control y regulación de velocidad, sin embargo este beneficio tiene su contraparte: ruido eléctrico que deriva en el efecto de Onda Reflejada. Ver Imagen 2.
La onda reflejada produce sobretensiones transitorias que van desde el 10% a 90% del voltaje nominal, las cuales pueden dañar el cableado entre el variador y el motor , rodamientos y el propio aislante del motor. Para suprimir estos efectos se suelen utilizar filtros dV/ dt y filtros senoidales. Además de cables apantallados como los XLPE (polietileno reticulado) los cuales pueden soportar picos de hasta 1600 V. Estos cables tienen una capa blindada que permite a las corrientes de ruido fluir por baja impedancia hasta el punto de conexión de tierra.
Imagen 1. Señales de entrada y salida (sin filtros) de Variador de frecuencia.
Imagen 2. Señal de onda reflejada
En respuesta a la pregunta, por aspectos costo efectivos, generalmente se dispone sólo de cable estándar THHN; THW; RVK (sin pantalla), el cual puede tener como máximo una longitud de 30 m a 40 m entre el variador y el motor (uso para variador), considerando efectos de caída de voltaje y ampacidad permisible. Esta longitud máxima busca limitar los efectos negativos mencionados que ocasiona la onda refleja. Cuando se utilicen cables sin apantallar, aparte de asegurar un adecuado aterrizado del variador y el motor, se deberá hacer especial énfasis en el aterrizado de las canalizaciones por las que viajan los cables alimentadores al motor.
¿Qué efecto tiene la altitud sobre la operación de un motor eléctrico?
Como es sabido, la densidad del aire disminuye con la altitud, lo cual tiene un efecto a considerar sobre el enfriamiento y la rigidez dieléctrica (para motores de mediana y alta tensión). Típicamente, los fabricantes recomiendan altitudes no mayores a los 1000 m.s.n.m, temperatura ambiental máxima de 40 °C (según el tipo de aislamiento) y una humedad relativa máxima entre el 40% al 60%.
Por efecto Joule y otras pérdidas, un motor eléctrico transforma parte de su energía de entrada en calor, la cual debe ser disipada por acción del ventilador montado en el mismo eje. Sin embargo, a mayor altitud la densidad del aire es menor, lo cual deriva en un enfriamiento deficiente pues el equipo que fue diseñado para operar a menos de 1000 m.s.n,m ahora se somete a condiciones donde la transferencia de calor y la ventilación forzada se ven limitadas. Esto sucede pues la geometría del ventilador, ángulos de ataque, etc tiene una potencia de ventilación calculada a una densidad de aire dada.
Como regla general para motores con la mencionada limitación de altitud, se tiene que sobre los 1000 m.s.n.m, por cada 100 m se considera un 1% de reducción en la temperatura máxima ambiental. Por ejemplo para un motor TEFC (totalmente cerrado y enfriado por ventilador), con aislamiento clase F, con elevación térmica permisible de 80 °C, temperatura máxima ambiente 40 °C que opera a 1200 m.s.n.m, la nueva temperatura máxima ambiental es de:
T amb mod = T amb – ETP x ( h – 1000 m.s.n.m / 100) %
T amb mod = 40 °C – 80 °C x (1200 -1000 / 100 ) %
T amb mod = 40 °C – 80 °C x ( 2 %) = 38,4 ° C
T amb: Temperatura ambiental de diseño.
T amb mod: Nueva temperatura ambiental, modificada
ETP : Elevación térmica permisible
h : altitud sobre los 1000 m.s.n.m
Un factor importante a favor es que a mayor altitud menor es la temperatura ambiental, lo cual favorece al enfriamiento, pero en lugares cerrados y con poca ventilación es un punto a considerar. Para casos donde la altitud es un problema, como estrategía se puede buscar reducir la carga sobre el motor para compensar y consultar con el fabricante del motor.
¿Cómo se invierte el sentido de giro en un motor monofásico?
En los motores trifásicos al dejar una fase fija e invertir la conexión de cualquiera de las otras dos fases el eje del motor invertirá el sentido de giro. Sin embargo en motores monofásicos al tener sólo una o dos fases activas, la inversión del sentido de giro implica reconfigurar el “orden” del bobinado auxiliar y el capacitor permanente; y si aplica el capacitor de arranque también. La intención de esta maniobra es que en el campo magnético pulsante generado en el motor monofásico, se desfase el voltaje / corriente e induzca un campo magnético rotativo. Ver imagen 3
Rara vez es requerido invertir el sentido de giro de un motor monofásico, pues su uso se limita a equipos de baja potencia como en bombas, ventiladores, compresores para sistemas de refrigeración, etc, en los cuales el giro ya viene establecido por el fabricante. Sin embargo en aplicaciones especiales como en motores de equipos de aserradero, portones eléctricos, bandas transportadoras y herramientas especializadas, etc puede requerirse el inversión de giro y operar a bajos y altos nivel de potencial en baja tensión, para ello ver Imagen 4.
Imagen 3. Inversión de sentido de giro en motor monofásico
Imagen 4. Inversión del sentido de giro de motor monofásico, multivoltaje.
¿Cuál es el rango típico de frecuencia para un variador?
Usualmente se recomienda un rango operativo de 30 Hz a 60 Hz. Por debajo de 30 Hz se produce un efecto de calentamiento en el motor ya que el ventilador montado en el eje no tiene la capacidad de enfriar adecuadamente el equipo, para estas condiciones se recomienda ventilación forzada adicional. Por encima de frecuencias de 60 Hz, la relación V/f deja de ser constante pues el variador es incapaz de incrementar el voltaje, y con frecuencias cada vez más altas, la relación V/f decae, lo mismo sucede con el torque, el cual es proporcional a este. Ver imagen 5 y 6.
Imagen 5. Curva de torque y potencia vrs variación de frecuencia.
Imagen 6. Cambio curva característica de motor en función de variación de frecuencia.
¿Cuál es el significado del factor de servicio en un motor eléctrico?
Es el factor de ampliación al cual un motor puede ser sobrecargado de forma continua cuando a este se le aplique el voltaje y frecuencia nominal (indicada en dato de placa). Típicamente hay factores de 1; 1,1; 1,15; 1,2. Lo cual significa que para un motor con factor de potencia de 1.1 puede ser sobrecargado en un 10% adicional. Este factor es comúnmente usado en la normativa NEMA MG-1 y no en motores normados por IEC, por lo cual se recomienda consultar al fabricante respectivo.
Se entiende por sobrecarga del motor eléctrico, como aquel exceso en el requerimiento mecánico y cuyo principal indicador será la reducción de velocidad y el incremento de corriente de consumo. Esto último deriva en un acortamiento de la vida útil del motor ya que el levantamiento de temperatura afecta al aislamiento eléctrico. En resumen utilizar el factor de servició acortará la vida del motor en comparación a no utilizarlo. Ejemplo, para un motor de 10 HP a 230 VAC, 60 Hz, con corriente nominal 25 A y con factor de servicio de 1.15, puede sobre este generarse una sobrecarga mecánica que derive en una corriente de hasta 28.7 A = 25A x 1.15. Si este estuviera alimentado a 460 VAC, la corriente con factor de servicio sería hasta 14.3 A. Ver imagen 7.
Imagen 7. Dato de placa de motor. Ejemplo de factor de servicio.
Algunas consideraciones importantes:
- Motores operados con variador de frecuencia (VDF), deberán considerar un factor de servicio de 1.0, es decir pese a que su placa indique un factor de ampliación, al operar con VDF no podrán ser sobrecargados.
- Motores operados a 208 VAC ó 460 VAC cuando el dato de placa sea 230 VAC y 480 VAC respectivamente, tendrán un factor de servicio de 1.0.
- Motores que no dispongan de dato de placa, o no se indique serán considerados con S.F = 1.0
¿Cuál es el significado de la letra código en un motor eléctrico?
En motores diseñados bajo la normativa NEMA, en la placa se indica una letra referenciada a código o “CODE”. Este código establece un rango de valores en KVA / HP (kilovolt – amperes por caballo de potencia nominal) el cual a través de una tabla (ver Imagen 8) permite conocer al corriente de arranque o corriente de rotor bloqueado, la cual puede oscilar entre 6 a 8 veces la corriente nominal. El valor de corriente de arranque es útil para prospectar las condiciones de alimentación del motor. Por ejemplo en motores con altas cargas inerciales, coordinación de protecciones, etc.
Imagen 8. Letra código Motores diseñados bajo normativa NEMA
Ejemplo, para el motor con el dato de placa mostrado en la imagen 7, se indica voltaje 230 VAC, frecuencia 60 Hz, Potencia 10 HP, letra código “H) se tiene una corriente de arranque como se muestra en la imagen 9.
Imagen 9. Cálculo de corriente de arranque por leta código.
Para los motores diseñados bajo la normativa IEC, en el dato de placa se expresa de forma más directa la corriente de arranque, ya que se establece como una razón entre la corriente de arranque y la corriente nominal. Por ejemplo, como un valor multiplicador que oscila entre 4 a 8 veces la corriente nominal.
Es importante considerar la letra código o el factor indicado por IEC, sobre todo en temas de reemplazo de un motor por otro. Pues un motor con mayor kVA/Hp impacta sobre el cableado, disyuntores, coordinación de protecciones, caídas de voltaje al arranque, etc.
¿Cuál es el tiempo de re lubricación en rodamientos para motores eléctricos?
Alrededor del 40% de las fallas en motores eléctricos se deben a problemas en los rodamientos. De estas fallas alrededor del 50% tiene relación con la lubricación, por ejemplo una selección incorrecta de lubricante, contaminación, falta de lubricante o sobre-engrasado. Elementos a tomar en cuenta en el plan de mantenimiento y lubricación, referente al lubricante son:
- Buenas propiedades de canalización
- Grados NLGI 2 a 3
- Viscosidad del aceite base ISO VG 100 a 150 o más específicamente, 90 a 120 cSt a 40°C
- Alto punto de goteo, mínimo 204°C (400° F)
- Características de bajo “sangrado” o dreno, por D1742 o D6184
- Excelente resistencia a la oxidación en alta temperatura
- Buenas características de torque en baja temperatura
- Buen desempeño antidesgaste
La cantidad de grasa aplicable para rodamientos con sellos metálicos y abiertos se determina por la ecuación empírica mostrada en la imagen 10. Además en la misma imagen se muestra la frecuencia de rel ubricación para este tipo de rodamientos en función del “Frame” del motor, la velocidad mecánica operativa, y el tiempo de operación por día.
Imagen 10. Cantidad de grasa y frecuencia de re lubricación de rodamientos para motores eléctricos.
¿Qué efecto tiene el desbalance de voltaje?
El voltaje nominal indicado en la placa de un motor corresponde a una condición ideal en la cual ese valor de tensión es igual para las 3 líneas (en el caso de un motor trifásico). Sin embargo, típicamente en las instalaciones eléctricas por diversas razones entregan voltajes desiguales lo que genera un desbalance de corrientes en el bobinado del estator. Un pequeño desbalance de voltajes, genera un amplio desbalance de corrientes y esto deriva en un incremento de temperatura, lo cual acorta la vida útil del aislamiento del motor.
Si los voltajes están desequilibrados, la potencia nominal del motor debe multiplicarse por el factor que se muestra en la imagen 11, esto para reducir la posibilidad de daño en el motor. No se recomienda el funcionamiento del motor en condiciones de desequilibrio de tensión superiores al 5%.
Los motores trifásicos de corriente alterna normalmente están diseñados para funcionar correctamente en condiciones de funcionamiento a carga nominal cuando el desequilibrio de tensión en los terminales del motor no supera el 1%. La norma NEMA MG1-2006, 12.45 establece que si el desequilibrio de voltaje excede el 1%, el rendimiento no será necesariamente el mismo que cuando el motor está funcionando con un voltaje de equilibrio en los terminales del motor. Esto puede aumentar la temperatura de funcionamiento, la vibración, picos de corriente y demás fallas.
Por ejemplo, para un motor de 10 HP con los voltajes entre líneas de 460 VAC, 467 VAC, 450 VAC se tiene un factor de reducción de 1.96%, por lo que hay que reducir la potencia mecánica de 10 HP a 9,8 HP, esto para compensar el efecto del desbalance.
Imagen 11. Ejemplo de desbalance de voltaje y factor de reducción de carga.
Ing. Johnny Garita G.
Gerente de Ingeniería y Proyectos
VyP Asesores S.A / Grupo Aquakemi
Fuentes:
- Electrical Engineering Pocket Handbook. EASA. 2010
- NEMA MG 10-2001
- IEEE PCIC-95-21, Sept 2001.
- NEC 2022
- Apuntes Máquinas Eléctricas ITCR, Ing. Oscar Nuñez.