Motores elMotores elééctricos dactricos daññados:ados:¿¿repararlos o reemplazarlos?repararlos o reemplazarlos?

Por: Oscar Núñez Mata, Ing.onunezm@hotmail.comT (506) 8919 1408

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.

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.

Temario1. 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.

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.

Un estudio en USAPrincipales fallas en motores

Resultados de una muestra de 7,500 en 132 plantas

En Costa Rica no contamos con estudios similares.

ExternosExternos--AmbientalesAmbientales(16%)(16%)

RolesRoles(51%)(51%)

EstatorEstator(16%)(16%)

RotorRotor(5%)(5%)

DesconocidasDesconocidas(10%)(10%)

AcopleAcople--ejeeje(2%)(2%)

Analizando el motor:Fuente de alimentación

MOTORElectricidad

Ambiente:

Humedad, viento, lluvia.

Químicos.

Temperatura.

Flujo de aire.

Vibración.

Ruido.

Controles de motor:

Variador de frecuencia.

Arrancador suave.

Estrella-Delta.

Arranque directo.

Sensores.

Protecciones.

Base de montaje:

Base rígida.

Riel.

Cara C.

Transmisión de potencia:

Fajas.

Conexión directa.

Clutch.

Reductor.

Sistema mecánico:

Bomba.

Abanico.

Compresor.

Máquina herramienta.

Molino.

Grúa.

Banda transportadora.

Proceso:

Flujo.

Mezcla.

Moler.

Maquinar.

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:1. Pobre geometría, fuera

de balance.2. Defectos o daños en la

jaula de ardilla.Eje:

1. Fatiga.2. Incorrecto uso.

Des alineamiento.Otras.

Reparar

Rediseño eléctrico:

-Optimizar HP.

-Optimizar Voltaje.

-Cambio velocidad.

-A Inverter Duty.

-Clase de aislamiento.

Reparar:

-A condiciones originales.

Estándar Eff.

Opciones

CambiarMotor Falló

Modificación Mecánica:

-Carcaza.

-Sellos.

-Rodamientos.

Alta Eff.

Motor especial a la medida

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.

Proceso de decisiónNO

SI

SI

NO

MALSI

OKNO

MAL NO

OK SI

SI NO

NO SI

SI NO

NO SI

Está disponible un reemplazo?

El tiempo de entrega es aceptable?

Es el motor para la aplicación?

Es una falla grave?

Cómo está el estator?

MOTOR FALLÓ

REPARAR EL MOTOR CAMBIAR EL MOTOR

Es un motor de eficiencia aceptable?

Cómo está el rotor y sus partes mecánicas?

El retorno de la inversión de un motor alta eficiencia es aceptable?

Investigar la existencia del reemplazo

Daño significativo o altas pérdidas en núcleos

Es el costo de reparar mayor que cambiar?

Existe presupuesto para el reemplazo?

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.

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.

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.

Variaciones técnicasBobinado:

-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.

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.

Aspectos mecánicos:

-Fabricación de eje.

-Reparación carcaza o base.

-Materiales a utilizar.

Mejoras posibles

Motores para variador:Alambre resistente a picos de voltaje.Mejorar bases aislantes.

Calor:Agregar sensores de temperatura en bobinado y roles.Mejorar ventilación.Mejorar materiales aislantes.

Corrosión:Pinturas especiales.Tratamiento con barniz.Eje de acero inoxidable.

MejorasHumedad:

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).

EficienciaExisten 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.

Definición

Pérdidas de potencia

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.

100(W) Eléctrica Entrada Potencia(W) Mecánica Salida PotenciaEFF% x=

Distribución de pérdidas

NEMA dice que la distribución típica de pérdidas es:

Fricción-Ventilación

Estator

Rotor

Magnéticas

Indeterminadas

Diseño de motor NEMA B, 4 polos.

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.

Continúa

Rotor:Calor por efecto Joule (I2R).

Estator:Calor por efecto Joule (I2R).

Indeterminadas:Diseño del fabricante del motor (Ej.: Diseño de la ranura).Procesos de fabricación.

Tabla de eficiencias de NEMA

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.

Comparación

HP

% E

FF (M

otor

4 p

olos

, cer

rado

)

Recomendaciones

Aumentar el llenado de la ranura:

Aumenta sección trasversal de conductor.Menor resistencia.Menor Calor.

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 controlarque no excedan los valoresrecomendados (Menores a 6W/lb).

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.

Aislamiento

NEMA clasificó el sistema de aislamiento de las máquinas eléctricas por su habilidad de proveer adecuada resistencia a la temperatura.Se establece:

ntoLevantamieTempCAmbTempSistemaTemp .)40(.. +=

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 1.0. 60 °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 1.0. 65 °C 85 °C 110 °C 130 °C Bobinados encapsulados y factor servicio 1.0 todo tipo de carcazas.

65 °C 85 °C 110 °C -

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.

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.

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).

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.

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.

Cambio de voltajeVeamos 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 seráalimentado a: Vplaca±10%.

Cambios en el desempeño del motor

Motor Diseño B, 4 polos, 208-230/460VCA

7291Levantamiento T (ºC)

148 Amp129 AmpCorriente arranque

26.9 Amp30.5 AmpFLA

0.830.85Factor de Potencia

84.480.6Eficiencia (%)

230208Voltios

Desempeño

% De variación de voltaje de motor

% D

e ca

mbi

o de

la v

aria

ble

del m

otor -F.L. AMPS: FLA.

-P.F.: Factor de Potencia.

-EFF: Eficiencia.

-Starting Amps: Corriente de arranque.

-Starting and MaximunTorque: Torque de arranque y máximo.

Voltaje de placa

RecomendacionesSe 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).

PotenciaLos 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.

Eficiencia vs. Carga: Motor Abierto, 4 polos

Motores con baja cargaMotores 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.

ContinuaciónLos 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.

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.

Eficiencia

% de Carga del motor

% d

e Ef

icie

ncia

Potencia de un motor

Se debe estimar la carga de un motor:Para corrientes mayores a 50% de la IFLA:

Para corrientes menores a 50% de la IFLA :

I50%Carga es un dato que lo tiene que dar el fabricante o ver adjunto.

100VV

IIarg

placa

medido

FLA

medida×⎥⎦⎤

⎢⎣⎡⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=aC

100II

IVVI

5,05,0arg50%Carga-FLA

50%Cargaplaca

medidomedida

×⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡×+=

−×

aC

Corriente al 50% Carga

HP

I 50%

Car

ga /

I FLA

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.

MecánicasMejora 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.

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.

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.

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.

Análisis de eficiencia

La ecuación siguiente establece el ahorro anual alcanzado por el uso de un motor de mayor eficiencia:

L: % de carga estimada.C: Costo KWH.Tiempo de funcionamiento en horas al año.HP: Potencia nominal (Placa).Ahorro: Monto por año.EFFBAJA: Eficiencia del motor estándar (Operación).EFFALTA: Eficiencia del motor alta eficiencia (Nuevo).

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ −×××××=

ALTABAJA EFFEFFTCLHP 100100746.0Ahorro

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).

Centros de Servicio

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

DescripciónElemento evaluado

Centros de Servicio

18. Afiliación a Asociaciones

17. Capacidad de rediseño:

16. Accesorios (Sensores, calefactores):

15. Capacidad en manejo de peso:

14. Centro de pruebas de ingreso y salida:

13. Rodamientos:

12. Partes de repuesto en bodega o rápido acceso:

11. Mecánica de precisión (Modificación mecánica):

10. Balance de rotor:

DescripciónElemento evaluado

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.

Encuesta a Usuarios en USA

0123456789

Calidad de la reparación

Confiabilid

ad del motor

Tiempo de entrega

Reparación por está

ndares

Eficiencia de

l motor

Garantía ofre

cida

Documentación ofrecid

a

Historia de re

paraciones

Costo de la re

paración

Soporte té

cnico

Manejo de repuesto

s

Elemento crítico

Peso

alc

anza

do