Lo más destacado del Estudio de Rebobinado EASA/AEMT

Lo más destacado del Estudio de Rebobinado EASA/AEMT
El Efecto de la Reparación/Rebobinado en la Eficiencia del Motor
Introducción
Los motores eléctricos consumen a nivel mundial dos tercios
de la energía eléctrica empleada en las aplicaciones industriales/
comerciales–generando sólo en Europa y Estados Unidos, unos
costos anuales de más de 100 billones de dólares (U.S.). A pesar
que el coste de la energía consumida por los motores durante su
vida útil, generalmente excede muchas veces su valor de compra original, los fallos de los motores pueden llegar ser aún más
costosos–en pérdidas de producción, incumplimiento de fechas
de entrega y en clientes inconformes.
Claramente, las industrias necesitan un mantenimiento efectivo
de sus motores y estrategias de gestión que les ayuden a minimizar la compra de motores nuevos y los costos de operación,
evitando al mismo tiempo los fallos inesperados de los motores.
Los usuarios más experimentados saben desde hace mucho
tiempo que reparando o rebobinado sus motores en centros de
servicio calificados, reducen los gastos y aseguran la confiabilidad
de operación de sus motores. Pero los elevados costos de la
energía han generado dudas acerca de la eficiencia energética
de los motores reparados/rebobinados.
Para responder a esas preguntas, la Electrical Apparatus Service
Association (EASA) y la Association of Electrical and Mechanical
Trades (AEMT), estudiaron los efectos de la reparación/rebobinado en la eficiencia del motor, como lo explicamos brevemente a
continuación. El informe completo (El Efecto de la Reparación/
Rebobinado en la Eficiencia del Motor), incluye el “Estudio de
Rebobinado EASA/AEMT” y la “Guía de Buenas Prácticas para
Conservar la Eficiencia del Motor” [1].
Antecedentes
Simples, robustos y eficientes, los motores eléctricos de inducción generalmente convierten el 90-95% de la potencia eléctrica de
entrada en trabajo mecánico. Aún así, dada la enorme cantidad de
energía que utilizan, incluso un pequeño cambio de su eficiencia
puede llegar a causar un gran impacto en los costos de operación.
En los años recientes, debido al alza de los costos de energía
y la creación de normas energéticas se han obtenido mejoras significativas en la eficiencia de los motores. En los Estados Unidos,
la Energy Policy Acts de 1992 (EPAct) impuso los niveles mínimos
de eficiencia para motores de propósito general con potencias
comprendidas entre 1 y 200 hp [Nota: En 2007 la Energy and
Security Act (EISA) elevó estos valores mínimos a los niveles
Premium establecidos por NEMA y al mismo tiempo amplió el
alcance de los motores afectados]. Resultados similares se están
produciendo en Europa a raíz de acuerdos voluntarios suscritos
entre los fabricantes de motores y la comisión europea (CE).
Mientras tanto, son más frecuentes las quejas que los trabajos
de reparación/rebobinado causan inevitablemente que la eficiencia
de los motores disminuya. Si nos basamos en gran parte de una
serie de estudios antiguos, principalmente de motores pequeños
(hasta 30 hp/22.5 kW), encontramos con frecuencia que dichos
estudios afirman que cuando se rebobina un motor su eficiencia
disminuye entre un 1-5 %–y aún más si es rebobinado varias veces
[2-6]. Esta mala interpretación persiste a pesar de que existen
evidencias de lo contrario, proporcionadas por un reciente estudio
de energía avanzado [7].
En este contexto, al evaluar la confiabilidad y la eficiencia de
los motores adquiridos o reparados por los usuarios, la toma de
decisiones puede resultar difícil.
Objetivos del estudio
El objetivo principal del estudio EASA/AEMT fue el de determinar el impacto del rebobinado/reparación en la eficiencia de los
motores de inducción, realizando pruebas independientes antes
y después de los trabajos, incluyendo los efectos causados por
las siguientes variables:
• Controles específicos de los procedimientos
• Temperatura de quemado
• Número de rebobinados
• Configuración del bobinado y llenado de las ranuras
• Daño físico (mecánico) en el núcleo del estator
• Diseños de baja tensión vs diseños de media tensión
• Prácticas para lubricar los rodamientos
Otro de los objetivos fue el de identificar procedimientos que
degradan, ayudan a conservar o incluso mejorar la eficiencia de
los motores rebobinados y escribir la “Guía de Buenas Prácticas
para Conservar la Eficiencia del Motor” [1].
El objetivo final fue el de intentar correlacionar las pruebas de
pérdidas en el núcleo dinámicas con las pérdidas en el núcleo
estáticas.
Los resultados de las pruebas realizadas por EASA/AEMT en la
Universidad de Nottingham (UK) demostraron que los métodos de
reparación que emplean buenas prácticas, conservan la eficiencia dentro de un rango de precisión que se puede medir con los
procedimientos de prueba industriales convencionales (± 0.2%)
y en algunos casos se puede mejorar. El siguiente informe también identifica los procesos de reparación que emplean buenas
prácticas y proporciona gran cantidad de información de soporte.
Alcance de los productos evaluados
El estudio EASA/AEMT se centró en 22 motores de inducción
nuevos con un rango de potencias comprendidas entre 50-300
hp/37.5-225 kW). Se escogió este rango de potencias ya que
generalmente estos motores se rebobinan con más frecuencia que
los motores pequeños mencionados en estudios anteriores [2-6].
Otras de las características de los motores sometidos a pruebas son:
• Baja y media tensión
• Diseños IEC y NEMA
• Carcasas abiertas a prueba de goteo (IP 23) y totalmente
cerradas enfriadas por ventilador (IP 54)
• 2 & 4 polos
Para verificar los resultados de los estudios previos, se comprobó también la eficiencia de dos motores pequeños (7.5 hp/5.5
kW), mediante pruebas realizadas antes y después de varios
ciclos de quemado.
Procedimiento para probar la eficiencia del motor
Instalaciones de prueba y protocolo de pruebas independiente. La eficiencia de cada motor se probó de forma separada a
50 y 60 hz, en las instalaciones de la Universidad de Nottingham
(UK), antes y después del rebobinado y de acuerdo con la IEEE
Std.112B [8], utilizando un centro de pruebas con dinamómetro
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1
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Figura 1. Instalaciones de Prueba de la Universidad de Nottingham.
Detector de voltaje del suministro
de C.C. de prueba
Medidor de
resistencia y
enclavamiento para
desconexión de red
Analizador de
Potencia Norma
D6000
Motor bajo
prueba
Maquina C.C.
de carga
Campo
Par
Velocidad
Alternador
Armadura
Motor
sincrónico
Máquina
C.C.
Controlador
de campo
de la
máquina
de carga
Señal de velocidad
Señal de Controlador de
corriente par y velocidad
de la máquina
de carga
Campo
Regulador
automático
de voltaje
(ver Figura 1) y una instrumentación que excede los requisitos
exigidos por la norma. Cada motor fue probado, rebobinado y vuelto
a probar, al menos una vez; algunos motores fueron rebobinados
y probados en dos o tres ocasiones.
Validación de los procedimientos de prueba. Para verificar
la precisión de los instrumentos de prueba y los procedimientos
a utilizar, se realizaron pruebas inter-laboratorio de la eficiencia
(round-robin efficiency test). Primero en la Universidad de Nottingham y después en tres lugares diferentes: U.S. Electrical
Motors (St. Louis, Missouri); Baldor Electric (Fort Smith, Arkansas)
y Oregon State University (Corvallis, Washington)*.
Cada una de las instalaciones probó el motor a 50 y 60 Hz
empleando el procedimiento establecido en la IEEE Std.112 B y
el método de segregación de pérdidas (en vacio y a plena carga).
Para su comparación, las eficiencias también fueron calculadas
de acuerdo con la norma europea BS EN 60034-2 [9].
Resultados comparables con estos, obtenidos previamente en
pruebas inter-laboratorio realizadas por miembros de la National
Electric Manufacturers Association (NEMA), también confirmaron
que el protocolo de prueba estaba conforme con las prácticas
industriales y no estaba desviado por el método de evaluación.
*Nota: Las pruebas inter-laboratorio demostraron que los resultados de las
pruebas pueden verse afectados si se consideran en conjunto factores
como el voltaje de la red, los procedimientos empleados para repetir las
pruebas y la instrumentación.
Resultados de las pruebas de eficiencia en
motores rebobinados
Grupos de prueba. Los 22 motores nuevos del estudio se
dividieron en grupos basados en las variables de prueba. Como ya
lo mencionamos previamente, también se probaron dos motores
2
Inversor
C.A.
de 7.5 hp (5.5 kW), antes y después de varios ciclos de quemado.
• Grupo A. Estos motores fueron rebobinados después de
quemarlos en un horno a una temperatura controlada de
660ºF (350ºC) pero sin emplear ningún control específico de
los procedimientos utilizados para desmantelar y rebobinar
los motores.
• Grupos B, C y D. Estos motores se rebobinaron después de ser
quemados en un horno a una temperatura de 680-700ºF (360370ºC) empleando métodos estrictamente controlados para
desmantelar/limpiar los bobinados y en los procedimientos de
rebobinado (ej. espiras/bobina, longitud media de la espira y
la sección del conductor). Basados en sus efectos positivos
(Figura 2), estos controles constituyen la base de la “Guía de
Buenas Prácticas” que hace parte del informe completo. [1]
La Tabla 1 muestra los rangos de voltaje, los rangos de potencia, el número de pruebas/ciclos de rebobinado y el cambio de
eficiencia promedio de los motores de cada grupo.
Interpretación de los resultados de las pruebas
Como se puede apreciar en la Tabla 1, el estudio de rebobinado/
reparación EASA/AEMT determinó que al emplear los métodos
de reparación que utilizan las buenas prácticas identificadas por
el estudio, la eficiencia original de los motores rebobinados se
conserva dentro de un rango de precisión que permite medirla
utilizando el método de prueba de la norma IEEE Std.112B (+-0.2%)
y en algunos casos es posible mejorarla.
Los resultados de las pruebas para todos los grupos también
estuvieron dentro del rango de desviación de las pruebas interlaboratorio iniciales, indicando que los procedimientos de prueba
concordaban con las prácticas industriales aprobadas (ver “Validación de los procedimientos de prueba”).
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Tabla 1. Resultados de las Pruebas de Eficiencia de los Diferentes Grupos de Motores
Reparados/Rebobinados en el Estudio EASA/AEMT
Procedimientos
controlados
al desmantelar
y rebobinar
Grupo
Cantidad
de
motores
Rango de
Voltaje
Rango de
potencias
A
6
Bajo
100 - 150 hp
(75 - 112 kW)
No
B
10**
Bajo
60 - 200 hp (45
- 150 kW)
C1a
3
Bajo (alambre
redondo)
C1b
2
C2
D
Temperatura
controlada de
quemado
Ciclos de
quemado
Nº
rebobinados
Cambio de
eficiencia promedio
660°F
(350°C)
1
1
-0.4%
(rango -0.3 a -0.5%)*
Sí
680 - 700°F
(360 - 370°C)
1
1
-0.3%
(rango +0.2 a -0.2%)**
100 - 200 hp
(75 - 150 kW)
Sí
680 - 700°F
(360 - 370°C)
3
3
-0.1%
(rango +0.7 a -0.6%)
Bajo (alambre
redondo
100 - 200 hp
(75 - 150 kW)
Sí
680 - 700°F
(360 - 370°C)
2
2
-0.1%
(rango +0.7 a -0.6%)
2
Bajo (alambre
redondo
7.5 hp
(5.5 kW)
Sí
680 - 700°F
(360 - 370°C)
3
1
+0.5%
(rango +0.2 a +0.8%)
1
Medio
(pletina-alambre
redondo)
300 hp
(225 kW)
Sí
680 - 700°F
(360 - 370°C)
1
1
-0.2%
* Inicialmente el Grupo A tuvo un cambio de eficiencia promedio de -0.6% (rango -0.3 a -0.5 %) debido a la lubricación inadecuada de los dos motores. Esta bajó
a -0.4% (rango -0.3 a -0.5%) al corregir el problema.
** En los resultados del Grupo B no se incluyó un motor ya que su aislamiento inter-laminar presentaba defectos de fábrica.
94.16
94.15
94.14
94.13
94.12
94.10
94.13
90
• Protocolo de Pruebas & Resultados EASA/AEMT (Parte
20
Después del rebobinado
30
Antes del rebobinado
40
Después del rebobinado
50
Antes del rebobinado
Porcentaje de eficiencia
80
60
10
0
Los resultados del estudio demuestran claramente que la eficiencia de un motor se puede conservar cuando los proveedores
de reparación/rebobinado emplean los métodos descritos en
la “Guía de Buenas Prácticas para Conservar la Eficiencia del
Motor (Parte 2).”
Listado parcial de la información de soporte
proporcionada en el informe completo
100
70
Conclusión
94.16
93.32
93.75
93.8
93.7
93.6
93.5
93.4
93.3
93.2
93.1
93.0
Para obtener más información sobre el protocolo de prueba,
los datos de prueba, los resultados, la “Guía de Buenas Prácticas
para Conservar la Eficiencia del Motor,” los métodos de prueba
del núcleo y una rica información de soporte, consulte El Efecto
de la Reparación/Rebobinado en la Eficiencia del Motor [1].
Grupo A
Grupo B
Figura 2. Eficiencia promedio.
1). Incluye todos los datos de prueba y los detalles; explica
los cálculos de las pérdidas del motor de la IEEE 112 método
B; resume las diferencias entre las pruebas descritas en las
normas IEC BS EN 60034-2 y la IEEE 112 y demuestra la
eficacia de las pruebas comunes empleadas para determinar
si los procesos de reparación (especialmente el quemado del
bobinado y su desmantelamiento) han afectado la eficiencia
del motor.
• Guía de Buenas Prácticas para Conservar la Eficiencia
del Motor (Parte 2). Describe los métodos de reparación y los
consejos empleados para obtener los resultados del estudio;
Comenta las pérdidas que afectan la eficiencia del motor y
explica las diferencias en las normas IEC e IEEE para el tratamiento de las pérdidas adicionales con carga.
• Apéndice 4: Aceros eléctricos. Describe los diferentes tipos
de aceros eléctricos, los barnices empleados para aislar las
láminas de los núcleos del estator y el rotor y como las buenas
prácticas de reparación pueden prevenir los daños.
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• Apéndice 5: ¿Reparar o Reemplazar? Proporciona exhaustiva información y gráficos/diagramas que ayudan a los usuarios
finales y reparadores a decidir cuándo es mejor reparar o
reemplazar un motor por otro nuevo con mayor eficiencia,
basándose en factores tales como: Horas de operación al año,
disponibilidad de un motor de alta eficiencia de reemplazo,
tiempos muertos y la confiabilidad.
Referencias
[1] “Good Practice Guide to Maintain Motor Efficiency,” The
Effect of Repair/Rewinding on Motor Efficiency, St. Louis,
MO, Electrical Apparatus Service Association, 2003.
[2] William U. McGovern, “High Efficiency Motors for Upgrading
Plant Performance,” Electric Forum 10, No. 2 (1984), pp.
14-18.
[3] Roy S. Colby and Denise L. Flora, Measured Efficiency
of High Efficiency and Standard Induction Motors, North
Carolina State University, Dept. of Electrical and Computer
Engineering (IEL), 1990.
[4] D.H. Dederer, “Rewound Motor Efficiency,” Ontario Hydro
Technology Profile, Ontario Hydro, Nov. 1991.
[5] Markus Zeller, “Rewound High-Efficiency Motor Performance,” Guides to Energy Management, BC Hydro, 1992.
[6] “Rewound Motor Efficiency,” TP-91-125, Ontario Hydro,
1991.
[7] “The Effect of Rewinding on Induction Motor Losses and
Efficiency,” Advanced Energy, EEMODS 02, 2002.
[8] IEEE Std. 112-2004: Standard Test Procedure for Polyphase Induction Motors and Generators, New York, NY,
Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2004.
(Nota: Durante el estudio, la edición vigente de la norma
era la 112-96.)
[9] IEC Std. 60034-2-1: Rotating Machines–Part 2: Methods for Determining Losses and Efficiency for Rotating
Electrical Machinery From Tests (Excluding Machines for
Traction Vehicles), Geneva, Switzerland, International
Electrotechnical Commission, 2007. (Nota: Durante el
estudio la edición vigente de la norma era la de 1996.)
Descargue el informe completo (incluyendo el “Estudio de Rebobinado EASA/AEMT” y “Buenas
Prácticas para Conservar la Eficiencia del Motor”) en el Efecto de la Reparación/Rebobinado en la
Eficiencia del Motor.
4
Electrical Apparatus Service Association, Inc. • 1331 Baur Blvd. • St. Louis, MO 63132 USA
314-993-2220 • Fax: 314-993-2220 • www.easa.com • [email protected]