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.

Hay muchos conceptos erróneos sobre el factor de servicio del motor (SF) en la industria. Algunos creen que está destinado a excursiones temporales en condiciones de sobrecarga, otros consideran que es un permiso para la sobrecarga permanente. La verdad es que no es ninguna de las dos cosas. 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 transportada en las condiciones especificadas para el factor de servicio «.

De acuerdo con la teoría de NEMA del SF, un motor es térmicamente capaz de sobrecargarse hasta ese punto dentro de la clase de aislamiento en condiciones normales de servicio.

Como cualquier aumento de la carga aumentará la corriente, la condición de sobrecarga de SF aumentará la temperatura de funcionamiento del motor, lo que acorta su vida útil. De hecho, cada aumento de 10°C disminuye la vida útil esperada del bobinado del motor a la mitad, sin importar la causa, por ejemplo, la sobrecarga, la mala ventilación, el bajo voltaje o la alta temperatura ambiente, por nombrar algunas.

Fuente de calor producida en los motores eléctricos

Aunque los motores convierten la energía de entrada (electricidad) en trabajo mecánico muy eficientemente, ellos, como todos los dispositivos electromecánicos, desperdician algo de energía en el proceso. Esto cuesta dinero y provoca muchos debates sobre la eficiencia de los motores entre los usuarios finales y las empresas de servicios públicos. La eficiencia de los motores puede expresarse como:

% Eff = Pout / Pin o = (Pin – L) / Pin

Dónde:

Pin = Poder en

Pout = Power out

L = Pérdidas

Las pérdidas (L) constituyen la ineficiencia. La fricción y el devanado explican algunas de estas pérdidas, pero la mayor parte de la ineficiencia se debe a las pérdidas del núcleo y del devanado (es decir, al calor disipado). El mayor contribuyente es la pérdida del devanado, que puede expresarse como:

Pérdidas = I2R

Dónde: Plosses = Poder perdido

I = Corriente de carga del motor

R = Resistencia del bobinado del motor

La resistencia del devanado (R) permanece relativamente constante y es un factor menor que la corriente de carga (I). Como muestra esta ecuación, las pérdidas que producen calor aumentan por el cuadrado del aumento de la corriente de carga. El aumento de la corriente en comparación con la carga es casi lineal en los cambios cortos, así que para un SF de 1,15, la corriente de carga aumentará en ≈ un 15%. Los vatios adicionales producidos serán 1.152 o 1.32 (un aumento del 32%), lo que resultará en un aumento similar de la temperatura. La tabla 1 muestra este aumento para varios ejemplos de motores totalmente cerrados enfriados por ventilador (TEFC). Los motores TEFC también tendrán un mayor aumento en las temperaturas de los cojinetes que los motores abiertos debido a la forma en que son enfriados.

Como se mencionó anteriormente, cada 10°C (18°F) de aumento en la temperatura del devanado disminuye la vida térmica del sistema de aislamiento a la mitad (Figura 1), por lo que las temperaturas de funcionamiento más altas en el SF pueden acortar la vida del motor drásticamente. Por ejemplo, el aumento de temperatura del motor de 50 hp (37,5 kW) en la Tabla 1 es de 75°C (135°F) a plena carga; si la carga aumenta al SF de 1,15 (57,5 hp/43 kW), pasa a 102°C (184°F) – un aumento de 27°C (49°F). En ese caso, el motor puede durar sólo el 15% de lo que se esperaba originalmente:

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

Si la esperanza de vida teórica de este motor fuera de 10 años, podría esperarse que durara 1,5 años cuando funcionara continuamente con la carga de SF. Aunque muchos otros factores también pueden afectar a la vida útil del motor, este ejemplo ilustra la importancia de las consideraciones de temperatura en la aplicación adecuada del equipo.

Un motor con aislamiento de clase F puede ser rebobinado con clase H para ayudar a acomodar la temperatura más alta. Esto mejorará la esperanza de vida general del motor, pero no disminuirá el impacto de la condición de sobrecarga. Por ejemplo, puede aumentar la vida útil teórica a 15 años, pero en SF el motor sólo duraría 2,3 años.

Aplicación práctica del SF

Como se mencionó anteriormente, la definición de NEMA de SF contiene la frase «condiciones normales de servicio». Estas condiciones incluyen la operación a voltaje y frecuencia nominal, a un máximo de 40°C (104°F) ambiente, y una altitud máxima de 3,300 pies (1,000 m). Sólo bajo estas condiciones el motor es capaz de manejar la sobrecarga completa de SF. Según la NEMA, el motor puede funcionar con éxito a ±10% del voltaje nominal, añade la advertencia de que el funcionamiento a un voltaje distinto del nominal puede afectar al rendimiento. El SF se incluye en el rendimiento que se ve afectado.

Otra forma de ver el SF es como una protección para el rendimiento del motor y la esperanza de vida durante excursiones en condiciones de servicio diferentes a las normales. Si un motor tiene un SF de 1,15 pero funciona con carga nominal, por ejemplo, una tensión inferior a la nominal no tendrá mucho impacto negativo en el rendimiento. Dado que los motores raramente funcionan a la tensión nominal, es una mala elección de diseño hacer que el motor funcione continuamente en SF.

Operar en el SF también afecta el rendimiento motor de otras maneras. NEMA MG 1-2014, 14.37.1 dice:

» Cuando el motor funciona con cualquier factor de servicio superior a 1, puede tener una eficiencia, un factor de potencia y una velocidad diferentes a los de la carga nominal, pero el par del rotor bloqueado y el par de corriente y de avería permanecerán inalterados. Un motor que funcione continuamente a cualquier factor de servicio superior a 1 tendrá una expectativa de vida reducida en comparación con el funcionamiento a los caballos de fuerza de la placa de características. La vida útil del aislamiento y la vida del rodamiento se reducen por la carga del factor de servicio «.

Si una aplicación requiere 110 HP (82 kW) de freno, puede ser tentador reducir el costo inicial del proyecto utilizando un motor de 100 hp (75 kW) y operándolo en SF. Sin embargo, una opción mucho mejor para esta aplicación sería un motor de 125 hp (93 kW). La correcta adaptación del motor a la carga ayudará a asegurar una operación eficiente, confiable y de bajo costo. El motor también durará mucho más tiempo que uno continuo en SF. Además, dado que muchos diseños de motores alcanzan una eficiencia máxima cercana al 80% de la carga nominal, la mejor práctica es aumentar la potencia del motor en lugar de operar continuamente en SF.

Otras consideraciones

Aunque un centro de servicio no se involucre en el diseño y las especificaciones de las aplicaciones de motores, es bueno hacerles saber las fallas de los motores asociadas con las aplicaciones problemáticas. A menudo, pueden rediseñar un motor para que cumpla con los requisitos de la aplicación o proporcionar un reemplazo adecuado.

Muchos centros de servicio también pueden ser capaces de reducir la pérdida del devanado y el aumento de la temperatura bajo una carga dada cuando rebobinan motores más viejos. Muchos de estos motores tienen un amplio espacio en la ranura de bobinado para un tamaño de cable más grande, lo que permitirá el funcionamiento con una mayor sobrecarga o SF. Sin embargo, tenga en cuenta que el aumento del tamaño del cable o la mejora de la clasificación de la temperatura del sistema de aislamiento no aumentará la potencia (kW) ni el par. Otros factores como el número de vueltas de la bobina y el paso de la misma deben cambiarse para lograr esto.

Al malinterpretar la correcta aplicación del SF, el diseñador del sistema a menudo reducirá la fiabilidad y aumentará el costo de operación en aras de un menor costo inicial del proyecto. Un poco de previsión y un pequeño aumento de la inversión pagará dividendos durante 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.