Definiendo el factor de servicio del motor

Comprender las aplicaciones apropiadas del factor de servicio del motor (SF) para maximizar la esperanza de vida y el rendimiento de un motor.

Existe cierta confusión en la industria sobre qué es el factor de servicio de un motor (SF) y cómo debe aplicarse. Algunos interpretan que se trata de un indicador para tolerar sobrecargas temporales, mientras que otros lo ven como una licencia para una sobrecarga constante. La realidad es que el factor de servicio no se ajusta completamente a ninguna de estas visiones. La norma NEMA MG 1-2014: Motores y Generadores define el factor de servicio como: " Un multiplicador que, cuando se aplica a la potencia nominal, indica una carga de potencia permisible que puede ser llevada bajo ciertas condiciones de servicio ".

Según la perspectiva de NEMA sobre el SF, un motor está térmicamente preparado para manejar sobrecargas hasta el punto indicado por el factor de servicio dentro de su clase de aislamiento y bajo condiciones normales de operación.

El incremento en la carga conlleva un aumento en la corriente, lo que a su vez eleva la temperatura de funcionamiento del motor, reduciendo así su vida útil. Es conocido que cada incremento de 10°C recorta a la mitad la esperanza de vida esperada del aislamiento del bobinado del motor, independientemente de la causa, ya sea sobrecarga, ventilación deficiente, bajo voltaje o altas temperaturas ambientales, entre otras.

Fuente de calor en motores eléctricos

Aunque los motores transforman la energía eléctrica en trabajo mecánico de manera eficiente, como cualquier dispositivo electromecánico, generan pérdidas de energía en forma de calor. Estas pérdidas no sólo tienen un costo económico sino que también suscitan debates sobre la eficiencia energética de los motores. La eficiencia de estos puede expresarse como:

% Eff = Pout / Pin = (Pin - L) / Pin

Donde:

Pin = Entrada de energía

Pout = Salida de energía

L = Pérdidas

Las pérdidas (L) representan la ineficiencia. Aunque algunas de estas pérdidas se deben a la fricción y al bobinado, la mayor parte se debe a las pérdidas en el núcleo y en el bobinado. La principal fuente de ineficiencia es la pérdida de bobinado, la cual se puede calcular como:

Pérdidas = I2R

Donde: Plosses = Energía perdida

I = Corriente del motor bajo carga

R = Resistencia del bobinado del motor

La resistencia del bobinado (R) se mantiene relativamente constante y es un factor menor en comparación con la corriente de carga (I). Esta ecuación muestra que las pérdidas de calor se incrementan exponencialmente con el cuadrado del aumento de la corriente de carga. Por ello, para un SF de 1,15, la corriente de carga aumentará en aproximadamente un 15%. Los vatios adicionales generados serán 1.152 o 1.32 (un aumento del 32%), resultando en un incremento proporcional de la temperatura. La tabla de factor de servicio en motores eléctricos muestra este incremento para distintos ejemplos de motores totalmente cerrados y enfriados por ventilador (TEFC). Estos motores también experimentan un aumento de la temperatura en los rodamientos mayor que los motores abiertos debido a su método de enfriamiento.

Como se mencionó, cada 10°C de incremento en la temperatura del bobinado reduce a la mitad la vida útil del sistema de aislamiento (Figura 1). Por lo tanto, temperaturas de operación más altas debido al SF pueden acortar significativamente la vida del motor. Por ejemplo, si un motor de 50 hp (37,5 kW) tiene un aumento de temperatura de 75°C bajo carga plena, al operar con un SF de 1,15, la temperatura aumenta a 102°C - un incremento de 27°C. Esto implicaría que la vida útil del motor podría reducirse a tan solo el 15% de lo esperado inicialmente:

Vida1.15 = Vida1.0 X 0.5(ΔT/10) = 1 X 0.527/10 = 0.154

Si la vida teórica de este motor fuera de 10 años, se podría esperar que dure aproximadamente 1,5 años operando continuamente con la carga del SF. Aunque hay otros factores que pueden influir en la vida útil del motor, este ejemplo destaca la importancia de tener en cuenta las temperaturas al aplicar el factor de servicio de manera adecuada.

Un motor con aislamiento de clase F puede ser rebobinado con material de clase H para resistir temperaturas más altas, mejorando así su vida útil. Sin embargo, esta mejora no compensa los efectos de la sobrecarga. Por ejemplo, la vida teórica podría aumentar a 15 años, pero operando con SF, el motor solo duraría alrededor de 2,3 años.

Aplicación práctica del factor de servicio en motores eléctricos

Como se ha indicado, la definición de NEMA del factor de servicio implica operar bajo "condiciones normales de servicio". Estas condiciones incluyen voltaje y frecuencia nominales, un ambiente con temperatura de hasta 40°C y una altitud máxima de 3,300 pies. Bajo estas condiciones, el motor puede manejar la sobrecarga indicada por el SF. NEMA también señala que los motores pueden operar con éxito con una variación de ±10% del voltaje nominal, pero advierte que operar fuera del voltaje nominal puede afectar el rendimiento, incluyendo el SF.

El factor de servicio de un motor puede verse como una protección para su rendimiento y vida útil durante condiciones de servicio atípicas. Si un motor con un SF de 1,15 opera con carga nominal, una tensión por debajo de lo normal no debería impactar significativamente en su rendimiento. Sin embargo, sería un error de diseño permitir que el motor opere continuamente en condiciones de SF.

La operación en SF afecta el rendimiento del motor de otras maneras. Según NEMA MG 1-2014, 14.37.1:

" Cuando el motor opera con un factor de servicio mayor que 1, puede presentar una eficiencia, factor de potencia y velocidad diferentes a los de la carga nominal, pero el par del rotor bloqueado y el par de arranque y de falla permanecen inalterados. Un motor que opere continuamente a un factor de servicio superior a 1 tendrá una expectativa de vida reducida comparada con el funcionamiento a la potencia nominal indicada en la placa. La vida útil del aislamiento y los rodamientos se reducen debido a la carga del factor de servicio".

Para una aplicación que requiere 110 HP (82 kW), podría ser tentador elegir un motor de 100 hp (75 kW) y operarlo en SF para reducir el costo inicial. Sin embargo, una mejor opción sería un motor de 125 hp (93 kW) adaptado correctamente a la carga, lo cual asegura una operación eficiente, confiable y de bajo costo. Además, se prolongaría significativamente la vida útil del motor en comparación con uno que opere continuamente en SF. Es importante mencionar que muchos diseños de motores alcanzan su máxima eficiencia cerca del 80% de su carga nominal, por lo que es recomendable seleccionar un motor con una potencia superior en lugar de operar constantemente con un factor de servicio motor eléctrico.

Consideraciones adicionales sobre el factor de servicio en motores eléctricos

Aunque los centros de servicio no participan directamente en el diseño y especificaciones de aplicaciones de motores, es valioso informarles sobre los fallos asociados con aplicaciones problemáticas. A menudo, pueden rediseñar un motor para cumplir con los requisitos de la aplicación o proporcionar un reemplazo adecuado.

Muchos centros de servicio tienen la capacidad de reducir la pérdida del devanado y el aumento de temperatura bajo cargas específicas al rebobinar motores más antiguos. Muchos de estos motores tienen espacio suficiente en las ranuras del bobinado para usar un cable de mayor tamaño, lo cual permite operar con sobrecargas mayores o un SF elevado. No obstante, es importante recordar que aumentar el tamaño del cable o mejorar la clasificación de temperatura del sistema de aislamiento no incrementa la potencia (kW) ni el torque. Cambios en el número de vueltas del bobinado y su paso son necesarios para lograr dicho aumento.

Una interpretación errónea de para qué sirve el factor de servicio en un motor puede llevar al diseñador del sistema a comprometer la fiabilidad y aumentar los costos operativos en favor de un menor costo inicial. Un poco de previsión y una inversión ligeramente mayor pueden rendir beneficios a lo largo de la vida útil de la aplicación.

Jim Bryan es un especialista en apoyo técnico de la Asociación de Servicios de Aparatos Eléctricos (EASA), St. Louis, MO. EASA, un socio de contenido de CFE Media, es una asociación comercial internacional de más de 1.800 empresas en casi 80 países que venden y dan servicio a aparatos electromecánicos.