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Efecto de la temperatura en
la eficiencia de motores industriales

La eficiencia de un motor de inducción es variable respecto de la carga acoplada al eje de la máquina, por lo que si la carga difiere de la nominal indicada en placas, la eficiencia será, en general, menor que dicho valor. La eficiencia nominal -dato de placa- se obtiene en condiciones de laboratorio y bajo clima controlado.

Imagen termográfica que muestra la asimetría de la refrigeración

El aumento de temperatura por efecto de las pérdidas eléctricas y mecánicas está ligado a las condiciones de servicio del motor. Bajo condiciones normales de operación, la máquina puede recalentarse por funcionamiento ininterrumpido, hasta alcanzar en su carcasa 40 o 50°C por sobre la temperatura ambiente.

En el interior de la máquina, los devanados estarán sometidos a temperaturas mucho mayores producto del confinamiento, ya que en ellos se produce la fuente de calor que se disipa hacia el ambiente. Esta temperatura interna puede superar fácilmente los 140°C y debe ser soportada sin problemas por las aislaciones de los devanados, típicamente barnices que, aplicados en una o dos capas, resisten elevadísimas temperaturas en algunos puntos localizados del devanado. Mediante un análisis termográfico se puede verificar la temperatura de una máquina en funcionamiento.

Aunque todos los motores incorporan sistemas de ventilación, por medio de ventiladores adosados al rotor que producen ventilación forzada de aire al interior de la máquina, estos producen intercambio de calor hacia al ambiente por efectos de radiación, eliminando el exceso de calor en su interior y manteniendo la temperatura del motor dentro de parámetros de diseño. Las variaciones de temperatura influyen directamente sobre la temperatura de funcionamiento del motor.

En la actualidad, existen materiales aislantes y diseños que permiten que los motores puedan alcanzar hasta 90°C en las superficies de las carcasas. Esto queda limitado, en general, a las siguientes condiciones:

Temperatura ambiente de hasta 40°C.

Variaciones de tensión menores a ± 10% respecto de su tensión nominal.

Variaciones de frecuencia menores a ± 5% de su valor nominal. Para accionamientos de frecuencia variable, hay que considerar aumentos de temperatura por efecto de corrientes armónicas en los devanados.

Variaciones simultáneas de tensión y frecuencia limitadas.

Que la máquina opere a menos de 1.000 metros sobre el nivel del mar. A mayor altura, la densidad del aire es menor que a nivel del mar y se dificulta la transferencia de calor hacia el ambiente.

Que las condiciones atmosféricas que rodean la máquina (polvo, humedad o gases, exposición a radiación solar directa, etc.) no interfieran seriamente en la ventilación normal del motor.

Si se exceden tales condiciones, se incrementará la temperatura de la superficie de la máquina por sobre el límite, lo que resultará en daño de la máquina o menor vida útil. Asimismo, la condición de altitud en exceso de los 1.000 m.s.n.m. debe considerarse como un aumento de temperatura adicional de 1°C por cada 100 metros, lo que obliga a realizar una disminución de la potencia que es posible obtener en el eje del motor por efectos de instalaciones en altura.


¿Cómo se afecta la eficiencia de un motor?

Un motor que funciona con sobretemperatura permanentemente ve afectada su eficiencia neta de forma severa. Básicamente, las pérdidas de carga de un motor (I²R) se verán incrementadas de forma lineal si el devanado de la máquina tiene una temperatura mayor que la nominal, debido a que existe una relación directa de aumento de resistividad del cobre en función de la temperatura. Normalmente, se cuenta con un valor de resistividad del cobre a 20°C, pero existe la relación:

donde:

R conductor es la resistencia del conductor de cobre a una temperatura cualquiera.

R base es la temperatura del conductor a 20°C.

a es el coeficiente de incremento térmico de la resistividad del cobre.

?t es la diferencia de la temperatura de trabajo respecto de la temperatura ambiente.

Para un conductor de cobre electrolítico casi puro (grado comercial), el coeficiente de expansión térmico de la resistividad es 0,0039 (1/°C), y si suponemos una temperatura ambiente de 40°C y elevaciones de temperatura de 50°C, el incremento de resistencia será del orden de 20%. Este aumento es genérico y se aplicará a cualquier motor, indistintamente si es o no de diseño de alta eficiencia.

Esto indica que en condiciones límites de funcionamiento, sin sobreexigir térmicamente la máquina, se tendrá un 20% de mayores pérdidas Joule en los devanados que en el caso de tener el motor trabajando sin sobretemperatura. El mismo efecto ocurre en las pérdidas del núcleo por corrientes parásitas, dado que el fierro también aumentará su resistividad con la temperatura.

De forma adicional, la mayor disipación de calor al ambiente implica mayores requerimientos de carga térmica en los sistemas de ventilación general del recinto y/o de aire acondicionado.


¿Qué se debe hacer para mejorar la eficiencia del motor?

Algunos vendedores de motores se aprovechan del desconocimiento de algunos usuarios y asignan una eficiencia constante a una máquina.

Normalmente es difícil conocer exactamente la eficiencia de un motor en operaciones, en especial si la carga es variable. Que un motor tenga características de “alta eficiencia” no significa que para una aplicación específica se cumpla esta performance, dándose casos donde un motor de “alta eficiencia” opera con una performance más baja que un motor normal.

De forma genérica, el que un motor trabaje más frío, permite asegurar una larga vida útil, menores problemas de operación del proceso, menor tiempo de parada por reparaciones (que aumentan costos de las mismas al implicar mayor lucro cesante) y menor gasto innecesario de energía. Se puede plantear las siguientes acciones destinadas a mejorar la eficiencia de un motor de inducción:

Dimensionar adecuadamente la potencia del motor, considerando las condiciones de instalación, tipo de servicio, calidad de energía, etc.

Alejar motores de fuentes de calor externas (hornos, radiación solar directa, etc.).

Mantener limpias las carcasas de las máquinas. El polvo, grasa y otros elementos dificultan la transferencia de calor desde la máquina al medioambiente.

Mejorar los esquemas de lubricación de rodamientos y descansos (aumentar frecuencia de engrase, usar lubricantes de base sintética, atenerse a la viscosidad y consistencia de lubricantes recomendados por el fabricante, etc.).

Mantener en buenas condiciones los ventiladores acoplados a los rotores.

No permitir operaciones de motores con desequilibrios importantes de tensiones. La práctica indica que no es aceptable más de un 3% de desviación.

Pintar las superficies de los motores con colores claros.

Verificar si el motor usado es el más adecuado a la función requerida.

En motores de gran potencia, evitar circulación de corrientes parásitas por descansos y rodamientos (usar descansos aislados).

En casos extremos, ventilar de forma adicional el motor. Esto es relevante en especial en máquinas de gran potencia, o en sitios ubicados a gran altura sobre el nivel del mar.

Este artículo ha sido escrito por Cristián Guevara Vicuña, Ingeniero Civil Electricista UTFSM, autor del texto “Métodos prácticos para lograr ahorros de energía eléctrica”, que actualmente se encuentra a la venta en su segunda edición. Mayor información en www.expertoseficiencia.cl o solicitar al e-mail expertos.eficiencia@gmail.com

Marzo 2014
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