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El efecto de la altura en la
eficiencia de un motor eléctrico

Muchas plantas mineras se ubican a elevaciones por sobre los 1.000 metros respecto del nivel medio del mar (m.s.n.m.). Normalmente, los motores de inducción se fabrican para condiciones de instalación en elevaciones de hasta 1.000 m.s.n.m, por lo que para dimensionar motores en instalaciones de mucha altitud, se realiza un derating (decremento o castigo) del motor.

Estos decrementos de la potencia de los motores se realizan por tres factores: la tensión aplicada, la altura de la instalación, y la temperatura. Cuando se permanece en una elevación por sobre un cierto límite inferior (establecido tipícamente en 1.000 m.s.n.m.), existe el efecto de disminución de presión atmosférica por menor peso de la columna de aire. Esto produce dos efectos: la disminución de la tensión de ruptura de un aislante gaseoso, por efecto de la Ley de Parchen (donde la tensión de ruptura es función de la presión y la distancia interelectródica), y la disminución de la densidad del aire.

La Figura 1 muestra la variación de la presión atmosférica terrestre en función de la altitud. La forma de variación es aproximadamente una exponencial decreciente respecto de la altura. Se aprecia que a una altura del orden de 5.000 m.s.n.m. la presión atmosférica es aproximadamente la mitad que a nivel del mar.

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Figura 1.

El aire tiene masa, y a nivel del mar, el peso de una columna de aire de 1 pulgada cuadrada de superficie es de 14,7 libras (es decir, 14,7 psi). Este es el equivalente a "una atmósfera". Como la altura de la columna de aire disminuye cuando se aumenta la altitud, ésta "pesa menos" y se obtiene menor presión, tal como muestra la Figura 2.

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Figura 2.

Un motor industrial genera calor debido a las pérdidas internas (roces, pérdidas Joule, pérdidas de fierro, pérdidas varias, etc), y necesita traspasar este calor hacia el ambiente, por lo que precisa de una masa de aire frío que actúe como vehículo de esta transferencia de calor. Si tenemos un motor de inducción autoventilado, con un ventilador acoplado al eje del rotor (TEFC, Totally Enclosed and Fan Cooled), la potencia que se gasta en impulsar una masa de aire externo hacia el interior de la máquina es:

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donde K es un factor que depende de la geometría del ventilador, ?aire es la densidad del aire, y n, la velocidad de giro del rotor.

Se observa que esta expresión indica que existe proporcionalidad en la potencia requerida para ventilar una cierta masa de aire de refrigeración. Por ello se necesitará una menor potencia para impulsar aire si el motor gira a una misma velocidad en instalaciones de altura que a nivel del mar, pero por otra parte, como el aire será menos denso a una altura mayor, la masa de aire que se ingresa como medio de refrigeración de las masas de fierro y cobre del motor será menor. La velocidad no debiese cambiar notoriamente para una condición de carga constante e independiente de la altitud de montaje, dado que será principalmente función de la frecuencia y tensión de la red.

La paradoja se da en que, al enfriarse menos el motor, si bien se gastará menos potencia en ventilación (y se diminuirán con ello las pérdidas netas en la máquina), no se podrá exigir de él la misma potencia que a nivel del mar. Por esto, necesariamente habrá que "castigar" la potencia máxima que se podrá obtener del eje del motor si se instala la máquina a una gran altura, hablándose entonces del derrateo (derating, en inglés) del motor.

Ha sido costumbre el aplicar factores de derrateo de la potencia de los motores instalados en altura, considerando el factor de servicio (FS). Esta práctica norteamericana busca lograr una mayor potencia en el eje de un cierto motor por tiempo indefinido, dado que la categorización de los "frames" o tamaños de carcasa en los estándares estadounidenses no resultan tan amplios como los establecidos en las normas europeas (IEC), y que esta práctica les permite a los diseñadores contar con potencias intermedias respecto de estas normas.

De esta forma, al instalar en altura un motor capaz de entregar una determinada potencia real a nivel del mar, sólo se podrá lograr una potencia menor debido a las limitaciones de temperatura máxima de sus devanados. Con ello, la carga real del motor será menor en altura que a nivel del mar, por lo que se tendrá que la eficiencia en ambos casos será diferente.

Si la máquina es calculada para lograr eficiencia nominal a nivel del mar, en una condición de funcionamiento en altura, como la carga será menor, la eficiencia estará comprendida entre la eficiencia nominal y la eficiencia máxima, siempre que no se aplique un factor de derrateo que saque el punto de operación fuera de esta zona. En la Figura 3, se muestra un ejemplo de las curvas de eficiencia y factor de potencia respecto de la variación de carga del motor.

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Figura 3.

El decremento de temperatura con la altura de montaje será, sin embargo, un plus a favor del motor porque éste trabajará con temperaturas ambientales más frías que la del diseño del motor, pero ello dependerá de la condición de la instalación.

Por lo señalado, el uso de curvas de eficiencia en un rango amplio de cargas, y los efectos de menor ventilación y limitada capacidad de refrigeración, serán factores fundamentales para determinar exactamente el efecto de la altitud sobre el rendimiento de un motor determinado. Lo relevante es que, al momento de realizar evaluaciones de la conveniencia de reemplazar un motor de eficiencia "Standard" por otro de características de "Alta Eficiencia", podría haber sorpresas en los rendimientos finales de la nueva máquina respecto de la original.

Por Cristián Guevara Vicuña, Ingeniero Civil
Electricista UTFSM, autor del texto “Métodos prácticos
para lograr ahorros de energía eléctrica”, que se
encuentra disponible en su segunda edición.
expertos.eficiencia@gmail.com
Diciembre 2009
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Comentarios acerca de este artículo
Jessica Quispe Ugarte PERUAA DE ENERGIA Y COMBUSTIBLES SAC (14/10/2019)
Quisiera saber cuanto pierde de pontencia un Motor Electrico de 7.5 hp 1800 RPM trifasico, corriente variable, por cada 1000 metros, lo vamos a instalar en Huancayo que esta a mas de 3000 msnm y a una temperatura de entre 5° - 20°. Espéro su respuesta.
german Hidropack (03/06/2019)
consulta como se hace para para derratear la potencia de un motor que va ha trabajar a mas de 1000m.s.n.m
información de potencia v/s altura para motores
ana arcaya pequiven (18/01/2019)
Al igual que el sr Gerardo Lopez, tengo una inquietud sobre el tipo de cubierta externa para el enfriamiento aire/aire en motores electricos
Gerardo Lopez Ab Projects and Inspections (28/09/2018)
Es interesante. Las preguntas relacionadas por otros compañeros son buenas, dónde podremos ver las respuestas de ayuda?, gracias
GUADALUPE JACOBO AGUILAR MEJIA SSERVELEC (22/09/2017)
La potencia de los transformadores eléctricos también es afectada por la altitud?
Freddy Garcia Juarez MMG (03/12/2016)
favor enviar información de potencia v/s altura para motores
Marco Aguas Antofagasta (08/10/2016)
Tengo una investigacion por falla de motor, al cual se le instalo un ventilador mas grande. En este caso por lo que entiendo el motor necesitara mas potencia para ventilar, y con esto se debiera castigar la potencia maxima del motor? Creo q disminuye la eficiencia ademas....que les parece?? Agradecere sus comentarios
regis meza briceño espiasa (23/04/2016)
como se hace para para derratear la potencia de un motor que va ha trabajar a mas de 1000m.s.n.m
Dennis Delgado ZD Service (22/04/2016)
Buena Información.
Consulta: A 3000 msnm la corriente de placa de un motor se debe castigar con algun factor de derrateo por altura ??
roberto gallardo ADM Planing (04/04/2016)
favor enviar información de potencia v/s altura para motores
Luis Alberto Napa Mendoza Golder (01/04/2016)
Muy buena información para los que trabajamos con equipo en alturas sobre los 5,000 msnm
Felix Moises Barrionuevo Olmedo EMMSA (26/09/2015)
muy buena espero que recibir a mi correo mas sobre motores de induccion y transformadores de potencia
Eduardo Cabrera Petrobras (05/08/2015)
Favor si me pueden enviar diagrama de potencia Vs altura . y tambie potencia Vs temperatura ambiente.
carlos camacho prado ESE (21/05/2015)
derrateo de transformadores a los 5600 msnm
wilfredo altamirano ice ingenieros (27/01/2015)
como calcularla eficiencia de un motor para una altura de 5 mil metros sobre el nivel del mar
Carlos AVA Especialistas (27/01/2014)
Cual es el factor de corrección para calcular un motor eléctrico para un ventilador centifugo si el valor en tablas es de 81.6 BHP solo que este valor esta dado al nivel del mar ?
MARCO MECFICOG (18/02/2013)
Una consulta como calcularia un transformador segun la altura de trabajo,
EDGARDO RIVERA VERA RHONA SA (17/12/2012)
Excelente articulo, interesante es complementar con el efecto de altura en los variadores de frecuencia.
Victor M. Fraire ITT (03/10/2012)
Excelente articulo,los felicito da lo detalles justo y claros y sobre todo que explican muy bien con las grafiacas cual es el comportamiento del motor en diferentes circunstancias y eso te hace entender mejor lo que es el famoso deranting.
Si me podrian contactar para ver otros tipos de detalles.
Manuel Tineo Corporacion San Judas Tadeo S.R.L. (22/02/2011)
Me resultó interesante el artículo, eso del derrateo es algo nuevo para m, crees que podrias profundizar en ello, es decir como se aplica el derrateo en motores que trabajarán a altura.
Percy Castillo ILC (31/01/2011)
Muy bueno el artículo, pero tengo la impresión que se considera poca influencia a factores termodinámicos. Considero que la disminución de la temperatura podría compensar la disminución de presión en cuanto a la densidad y disponibilidad de masa para refrigeración.
Claudio Jefe de mantencion. (07/01/2010)
Estimado;
Muy bueno el articulo, lo felicito.
Una pregunta, no tendra algo parecido a esto sobre el efecto de la altura en los Variadores de Frecuencia?.
de antemano, muchas gracias.
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