ados: repararlos o reemplazarlos? Por: Oscar Núñez Mata, Ing. T (506)

Transcripción

1 Motores eléctricos dañados: ados: repararlos o reemplazarlos? Por: Oscar Núñez Mata, Ing. onunezm@hotmail.com T (506)

2 Definiciones Centro de Servicio: Taller de reparación de máquinas eléctricas. EPACT: Ley mandato en USA sobre niveles de eficiencia en motores eléctricos, 1992, incluye sólo ciertos motores estándar. NEMA: Asociación de Fabricantes de Máquinas Eléctricas de USA.

3 Continúa IEC: Comisión Electrotécnica Internacional. IEEE: Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos de USA. EASA: Asociación de Reparadores de Máquinas Eléctricas de USA. FLA: Corriente nominal o de plena carga.

4 Temario 1. Introducción. 2. Variación de aspectos técnicos del motor: Eficiencia. Aislamiento. Potencia. Voltaje. Aspectos mecánicos. 3. Análisis costo-beneficio. 4. Escogencia de un Centro de Servicio.

5 1. Introducción En Costa Rica y el Mundo, los motores eléctricos consumen aproximadamente el 50%-60% de la energía eléctrica a nivel industrial. Esto quiere decir que gran parte de la operación industrial depende de los motores. Debemos: Conocer la operación y mantenimiento de estos equipos. Hacer una buena escogencia de los mismos. Desarrollar una metodología causa-raíz cuando se presente una falla. Tomar una buena decisión: Reparar o reemplazar.

6 Externos-Ambientales (16%) Un estudio en USA Principales fallas en motores Estator (16%) Roles (51%) Desconocidas (10%) Rotor (5%) Acople-eje eje (2%) Resultados de una muestra de 7,500 en 132 plantas En Costa Rica no contamos con estudios similares.

7 Analizando el motor: Electricidad Ambiente: Humedad, viento, lluvia. Químicos. Temperatura. Flujo de aire. Vibración. Ruido. MOTOR Fuente de alimentación Transmisión de potencia: Fajas. Conexión directa. Clutch. Reductor. Controles de motor: Variador de frecuencia. Arrancador suave. Estrella-Delta. Arranque directo. Sensores. Protecciones. Base de montaje: Base rígida. Riel. Cara C. Proceso: Flujo. Mezcla. Moler. Maquinar. Sistema mecánico: Bomba. Abanico. Compresor. Máquina herramienta. Molino. Grúa. Banda transportadora.

8 Las más comunes fuentes de falla de los motores Rodamientos: 1. Inapropiada lubricación. 2. Contaminación. 3. Excesiva vibración y golpes. Estator: 1. Sobrecarga. 2. Anormalidades eléctricas. 3. Contaminación. Rotor: Eje: 1. Pobre geometría, fuera de balance. 2. Defectos o daños en la jaula de ardilla. 1. Fatiga. 2. Incorrecto uso. Des alineamiento. Otras.

9 Reparar Motor Falló Opciones Cambiar Reparar: -A condiciones originales. Estándar Eff. Rediseño eléctrico: -Optimizar HP. -Optimizar Voltaje. -Cambio velocidad. -A Inverter Duty. -Clase de aislamiento. Alta Eff. Modificación Mecánica: -Carcaza. -Sellos. -Rodamientos. Motor especial a la medida

10 Guía Reparar-Reemplazar Establecer una Guía reparar o reemplazar para la toma de decisión es importante. No debemos decidir automáticamente reparar un motor sin analizar el caso particular. Idealmente la Guía se basa en los requerimientos de cada empresa. Uno de los elementos que hoy día tiene especial importancia es la eficiencia del motor. Sin embargo, no es el único que debemos tomar en cuenta.

11 Es el motor para la aplicación? SI Es una falla grave? NO NO SI MOTOR FALLÓ Proceso de decisión Investigar la existencia del reemplazo Daño significativo o altas pérdidas en núcleos Cómo está el estator? OK Cómo está el rotor y sus partes mecánicas? MAL MAL Es el costo de reparar mayor que cambiar? NO NO SI Existe presupuesto para el reemplazo? OK SI Es un motor de eficiencia aceptable? SI NO Está disponible un reemplazo? NO SI El retorno de la inversión de un motor alta eficiencia es aceptable? SI NO El tiempo de entrega es aceptable? NO SI REPARAR EL MOTOR CAMBIAR EL MOTOR

12 Consideraciones Muchas veces la mejor opción será cambiar el motor que falló por uno de mayor eficiencia. Otros casos necesitarán de una reparación que incluya una modificación mecánica o rediseño eléctrico para eliminar la causa raíz de la falla. En otros el motor de reemplazo necesita semanas-meses para llegar a la empresa.

13 Consideraciones Algunas reparaciones no son prácticas por que disminuyen la eficiencia del motor. En algunos casos un Centro de Servicio especializado puede mejorar la eficiencia durante el proceso de reparación. Algunas ventajas de un cambio serán: Un motor de mayor eficiencia puede reducir los costos de operación. Se puede aumentar la confiabilidad de la operación.

14 2. Variaciones en las características técnicas del motor El motor que es intervenido en un Centro de Servicio o por los mismos Departamentos de Mantenimiento de las empresas, puede: Mantener las características originales. Reducir una o más características originales. Ser sometido a rediseño eléctrico o modificaciones mecánicas.

15 Variaciones técnicas Bobinado: -Impactar en el núcleo laminado. -Optimizar el voltaje. -Cambios en el aislamiento. -Optimizar el llenado de la ranura. -Incluir sensores Temp. -Cambios en la conexión. -Calefactores. Aspectos mecánicos: -Fabricación de eje. -Reparación carcaza o base. -Materiales a utilizar. Rodamientos: -Cambio. -Adicionar sellos. -Dispositivos lubric. automática. -Incluir otro tipo de rodamiento. Otros cambios: -Mejorar grado protección. -Protección contra la corrosión. -Mejoras en la ventilación.

16 Mejoras posibles Motores para variador: Calor: Alambre resistente a picos de voltaje. Mejorar bases aislantes. Agregar sensores de temperatura en bobinado y roles. Mejorar ventilación. Mejorar materiales aislantes. Corrosión: Pinturas especiales. Tratamiento con barniz. Eje de acero inoxidable.

17 Mejoras Humedad: Barniz especial. Sellos en eje. Sellos en caja de conexiones. Calefactores. Severas condiciones arranque: Mejorar material del eje. Mejoras en la inmovilización bobinado. Cambios en métodos de arranque (Bobinado).

18 Eficiencia Existen estudios en USA que indican que cada vez que se rebobina un motor su eficiencia cae 1.5 a 2.5 porcentuales de su eficiencia anterior (Estudio por GE, 3-150HP). Por otro lado, la EASA ha realizado estudios que dicen que una reparación llevada a cabo cuidadosamente puede mantener y/o mejorar la eficiencia y confiabilidad del motor. Debemos tomar en cuenta la historia del motor: Edad. Cantidad de veces rebobinado.

19 Definición La eficiencia de un motor eléctrico es la medida de la capacidad que tiene el motor de convertir la energía eléctrica en energía mecánica. La potencia eléctrica entra por los terminales del motor y la potencia mecánica sale por el eje. Pérdidas de potencia EFF% = Potencia Salida Mecánica (W) Potencia Entrada Eléctrica (W) x100

20 Distribución de pérdidas NEMA dice que la distribución típica de pérdidas es: Indeterminadas Fricción-Ventilación Magnéticas Rotor Diseño de motor NEMA B, 4 polos. Estator

21 Pérdidas Fricción y ventilación: Diseño y eficiencia del abanico. Rodamientos. Lubricación. Sellos en los rodamientos. Magnéticas: Calidad y condición de los núcleos laminados. Entrehierro. Saturación de los núcleos. Frecuencia de la alimentación.

22 Continúa Rotor: Calor por efecto Joule (I 2 R). Estator: Calor por efecto Joule (I 2 R). Indeterminadas: Diseño del fabricante del motor (Ej.: Diseño de la ranura). Procesos de fabricación.

23 Tabla de eficiencias de NEMA

24 Aplicación de motores alta eficiencia Cuando el motor opera a una carga constante y muy cerca del punto de operación nominal. Cuando se usan para reemplazar a motores sobredimensionados. Cuando se aplican conjuntamente con Variadores electrónicos de frecuencia para accionar bombas y ventiladores, pueden lograr ahorros de hasta mas del 50% de la energía. Como parte de un Programa de Uso eficiente de la Energía Eléctrica. En instalaciones nuevas.

25 HP Comparación % EFF (Motor 4 polos, cerrado)

26 Recomendaciones Aumentar el llenado de la ranura: Aumenta sección trasversal de conductor. Menor resistencia. Menor Calor.

27 Recomendaciones Cuidar el proceso de extracción del alambre del motor quemado para impactar la calidad de los núcleos: Técnicas de extracción. No exceder 375ºC en núcleos. Desarrollar mediciones de las pérdidas de núcleo para controlar que no excedan los valores recomendados (Menores a 6W/lb).

28 Recomendaciones Cuidar el tamaño de la bobinado: que no exceda el tamaño original. Y que no sea tan pequeña que sea difícil de instalar. Proteger al rotor de golpes y caídas. No cambiar el diseño del abanico si se daña. Instalar roles antifricción con la cantidad de grasa que recomienda el fabricante. No hacer modificaciones en el tipo de rol.

29 Aislamiento NEMA clasificó el sistema de aislamiento de las máquinas eléctricas por su habilidad de proveer adecuada resistencia a la temperatura. Se establece: Temp. Sistema = Temp. Amb(40C) + Temp. Levantamiento

30 Levantamiento de temperatura Motor de inducción Clase de aislamiento y levantamiento en C Tipo de motor Clase A Clase B Clase F Clase H Con Factor Servicio C 80 C 105 C 125 C Todos con Factor Servicio 1.15 o más. 70 C 90 C 115 C - Tipo TENV con Factor Servicio C 85 C 110 C 130 C Bobinados encapsulados y factor servicio 1.0 todo tipo de carcazas. 65 C 85 C 110 C -

31 Materiales aislantes Lo materiales aislantes presentan muchas características, dentro de las más importantes están: Clase térmica: La máxima temperatura que soporta. Rigidez dieléctrica: El voltaje máximo que puede resistir un material sin que se produzca rotura. No todos los materiales muestran valores altos de ambas características.

32 Por ejemplo: Nomex: Papel sintético, polímero resistente a altas temperaturas. Clase de aislamiento: H (180 C). Rigidez dieléctrica: 1500V/mil. Poliéster Film: Es muy fuerte, durable, flexible y absorbe poca humedad. Clase de aislamiento: B (130 C). Rigidez dieléctrica: 3000V/mil. Rag-Mylar: Es una lámina o película de poliéster. - Clase de aislamiento: A (105 C). - Rigidez dieléctrica: 1000 V/mil. Fish Paper (Papel Pescado): Utilizado para propósitos eléctricos y electrónicos. - Clase de aislamiento: A (105 C). - Rigidez dieléctrica: 400V/mil.

33 Cambios en aislamiento La función del Centro de Servicio será usar materiales aislantes con características iguales o superiores a los originales. Si uno sólo de los materiales es de menores características todo el sistema de aislamiento queda reducido. Aumentar la clase de aislamiento que indica la placa no es sencillo, deberá ir acompañado de mejoras en la ventilación, lo que puede aumentar las pérdidas (Menor eficiencia).

34 Motores Inverter Duty (Para variador) Los motores alimentados con variador electrónico se ven sometidos a transitorios de voltaje. Esto puede provocar fallas prematuras. Se pueden emplear materiales y técnicas que mejoren el desempeño. Alambre magneto Inverter Duty (Reforzado). Barnizado por sumersión. Bases aislantes extra. NEMA solicita que los motores Inverter Duty sean capaces de operar en presencia de pulsos de 1600Vpico y 0,1 microsegundos de tiempo de levantamiento.

35 Señal de salida de un variador Un motor original Inverter Duty puede perder esta característica si no se usan los materiales y técnicas adecuadas en su reparación.

36 Cambio de voltaje Veamos algunas situaciones reales: Una compañía se encuentra al final de un circuito de la empresa eléctrica y sufre de bajo voltaje permanente (Situación más crítica en el día). Otra compañía se localiza muy cerca de la subestación de la empresa eléctrica y su nivel de voltaje es alto, a pesar de los ajustes en el transformador alimentador (Situación más grave en la noche). El usuario debe asegurar que el motor será alimentado a: V placa ±10%.

37 Cambios en el desempeño del motor Voltios Eficiencia (%) Factor de Potencia FLA Corriente arranque Levantamiento T (ºC) Amp 129 Amp Amp 148 Amp 72 Motor Diseño B, 4 polos, /460VCA

38 Desempeño % De cambio de la variable del motor -F.L. AMPS: FLA. -P.F.: Factor de Potencia. -EFF: Eficiencia. -Starting Amps: Corriente de arranque. -Starting and Maximun Torque: Torque de arranque y máximo. % De variación de voltaje de motor Voltaje de placa

39 Recomendaciones Se puede hacer rediseños de voltaje para optimizar el desempeño del motor. Motores con niveles de voltaje IEC: 220V, 440V, 380V, 315V, 265V, se puede ajustar el voltaje cuando fallan. Compañías con servicio 120/208V compran todos sus motores 230V, se pueden rediseñar a 208V. Es recomendable dejar sólo las líneas de salida que se necesitan (3 ó 6) para evitar errores en las conexiones (Minimizar posibilidad de falla).

40 Potencia Los motores industriales no suelen funcionar a plena carga, pruebas de campo en USA indican que en promedio los motores eléctricos operan al 60% de su carga nominal. Es común que las industrias instalen motores de mayor potencia a la requerida por varias razones prácticas: Prevención indirecta de fallos en procesos críticos. Desconocimiento de la carga real del motor en la elección de éste. Previsión de futuras ampliaciones productivas. Por sustitución de un motor previamente fallido que era de menor potencia.

41 Eficiencia vs. Carga: Motor Abierto, 4 polos

42 Motores con baja carga Motores poco cargados no siempre su eficiencia es menor, excepto cuando la carga sea acentuadamente pequeña (menor del 25%) Cuando la carga supera el 50% no se pueden dar recomendaciones simples de sustitución de éstos motores. Factor de potencia es menor y esto afecta a las pérdidas en la distribución eléctrica.

43 Continuación Los costos extra indeseables de estos motores son: Mayor costo de adquisición del motor y su equipamiento. Mayor costo de consumo energético por la reducción de la eficiencia del motor y el sistema eléctrico (factor de potencia). En muchas ocasiones resulta económicamente interesante sustituir un motor poco cargado por un motor de alta eficiencia o incluso por un motor de eficiencia normal.

44 Desempeño de un motor El mejor desempeño de eficiencia de un motor eléctrico se alcanza entre 60-80% de carga. El mayor factor de potencia se logra después de 80% de carga.

45 Eficiencia % de Eficiencia % de Carga del motor

46 Potencia de un motor Se debe estimar la carga de un motor: Para corrientes mayores a 50% de la I FLA : C arg a = I I medida FLA V V medido placa 100 Para corrientes menores a 50% de la I FLA : C arg a = I 0,5 + 0,5 medida 100 I 50%Carga es un dato que lo tiene que dar el fabricante o ver adjunto. I V V FLA - medido placa I I 50%Carga 50%Carga

47 Corriente al 50% Carga HP I50% Carga / IFLA

48 Modificaciones mecánicas Mejora en los niveles de vibración por medio de balance dinámico: Muchas compañías solicitan tolerancias especiales en los niveles de vibración cuando se reparan. Motores que operan en ambientes agresivos pueden ser protegidos con pinturas y tratamientos anticorrosivos. Un motor sometido a altas cargas puede ser mejorado su desempeño con materiales especiales en el eje.

49 Mecánicas Mejora en el grado de protección del motor para ambientes muy contaminados: Sellos, tapas, caja de conexiones. Modificación de los tipo de rodamientos: Por ejemplo un motor estándar en aplicación vertical.

50 3. Análisis costo-beneficio El análisis debe incluir una serie de elementos económicos-técnicos-estratégicos. En general, muchos aplican una regla empírica que dice: Si el costo de la reparación excede el 70% de la compra de un nuevo motor de mayor eficiencia, la mejor opción será el reemplazo. Otros bajan este nivel al 55%. Estos valores se determinaron por medio de algunos estudios en USA.

51 Elementos normalmente considerados Reparar rápidamente para iniciar la producción es lo más importante. El costo de la reparación debe ser razonable para optar por esta. No se requiere tomar tiempo para encontrar un reemplazo que se ajuste al motor actual. Mantener los componentes originales de la máquina.

52 Ecuación para la toma de decisiones Ponderar: Costo de la reparación. Costo de un reemplazo de mayor eficiencia. Costo de la energía y retorno de la inversión con motor de mayor eficiencia. Tiempo de entrega del motor reparado. Disponibilidad del reemplazo. Pérdidas por máquina fuera de producción. Calificación del Centro de Servicio.

53 Análisis de eficiencia La ecuación siguiente establece el ahorro anual alcanzado por el uso de un motor de mayor eficiencia: Ahorro = HP L C T L: % de carga estimada. C: Costo KWH. Tiempo de funcionamiento en horas al año. HP: Potencia nominal (Placa). Ahorro: Monto por año. EFF BAJA : Eficiencia del motor estándar (Operación). EFF ALTA : Eficiencia del motor alta eficiencia (Nuevo) EFFBAJA EFFALTA

54 4. Escogencia de un centro de servicio La escogencia de un Centro de Servicio debe ser parte de un Programa de Manejo de Motores, incluye: Identificación-calificación-escogencia de uno o más Centros de Servicio. Identificación de los costos totales que involucran una reparación. Desarrollo de especificaciones para las reparaciones: establece control del costo y calidad de la reparación. Establecimiento de una Guía Reparar-Reemplazar. Mantener bases de datos actualizadas con toda la información (Historial actualizado de cada motor).

55 Centros de Servicio Elemento evaluado 1. Método extracción de alambre y limpieza: 2. Boleta de Inspección y reparación: 3. Prueba a núcleos laminados: 4. Growler y prueba a rotores: 5. Prueba de Impulso a bobinados: 6. Registro de reparaciones: 7. Materiales de Aislamiento: 8. Proceso de barnizado: 9. Método de secado: Descripción

56 Centros de Servicio Elemento evaluado 10. Balance de rotor: 11. Mecánica de precisión (Modificación mecánica): 12. Partes de repuesto en bodega o rápido acceso: 13. Rodamientos: 14. Centro de pruebas de ingreso y salida: 15. Capacidad en manejo de peso: 16. Accesorios (Sensores, calefactores): 17. Capacidad de rediseño: 18. Afiliación a Asociaciones Descripción

57 Evaluación Los elementos evaluados deberán impactar en los siguientes efectos de la reparación: Calidad en la reparación. Confiabilidad de la reparación. Tiempo de entrega. Reparación desarrollada bajo estándares. Garantía. Sistema de documentación según programa de calidad. Historia de reparaciones anteriores. Costo de la reparación. Soporte técnico. Manejo de repuestos.

58 Encuesta a Usuarios en USA Confiabilidad del motor Tiempo de entrega Reparación por estándares Eficiencia del motor Garantía ofrecida Documentación ofrecida Historia de reparaciones Costo de la reparación Soporte técnico Manejo de repuestos Elemento crítico Calidad de la reparación Peso alcanzado