Cambiar o reparar un motor electrico Oscar Nunez

Cambiar o reparar un motor electrico Oscar Nunez

Motores eléctricos dañados:
¿repararlos o reemplazarlos?
Por: Oscar Núñez Mata, Ing.
[email protected]
T (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.
Temario
Introducción.
Variación de aspectos técnicos del motor:
1.
2.
‰
‰
‰
‰
‰
3.
4.
Eficiencia.
Aislamiento.
Potencia.
Voltaje.
Aspectos mecánicos.
Análisis costo-beneficio.
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 USA
Externos-Ambientales
(16%)
Estator
(16%)
Principales fallas en motores
Roles
(51%)
Desconocidas
(10%)
Rotor
(5%)
Acople-eje
(2%)
„
Resultados de una
muestra de 7,500
en 132 plantas
„
En Costa Rica no
contamos con
estudios similares.
Analizando el motor:
Electricidad
Fuente de alimentación
MOTOR
Ambiente:
Humedad, viento, lluvia.
Transmisión de potencia:
Químicos.
Fajas.
Temperatura.
Conexión directa.
Flujo de aire.
Clutch.
Vibración.
Reductor.
Ruido.
Controles de motor:
Variador de frecuencia.
Base de montaje:
Arrancador suave.
Base rígida.
Estrella-Delta.
Riel.
Sistema mecánico:
Arranque directo.
Cara C.
Bomba.
Abanico.
Sensores.
Protecciones.
Proceso:
Compresor.
Flujo.
Máquina herramienta.
Mezcla.
Molino.
Moler.
Grúa.
Maquinar.
Banda transportadora.
Las más comunes fuentes de falla de los motores
„
Rodamientos:
1.
2.
3.
„
Inapropiada
lubricación.
Contaminación.
Excesiva vibración y
golpes.
„
1.
2.
„
Estator:
1.
2.
3.
Sobrecarga.
Anormalidades
eléctricas.
Contaminación.
Rotor:
Eje:
1.
2.
„
„
Pobre geometría, fuera
de balance.
Defectos o daños en la
jaula de ardilla.
Fatiga.
Incorrecto uso.
Des alineamiento.
Otras.
Motor Falló
Reparar
Cambiar
Opciones
Reparar:
Estándar Eff.
-A condiciones
originales.
Rediseño eléctrico:
Alta Eff.
-Optimizar HP.
-Optimizar Voltaje.
-Cambio velocidad.
-A Inverter Duty.
-Clase de aislamiento.
Modificación Mecánica:
-Carcaza.
-Sellos.
-Rodamientos.
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 decisión
MOTOR FALLÓ
Es el motor para la aplicación?
NO
Investigar la existencia del reemplazo
SI
SI
Es una falla grave?
Daño significativo o altas pérdidas en núcleos
NO
MAL
Cómo está el estator?
Es el costo de reparar mayor que cambiar?
SI
OK
NO
Cómo está el rotor y sus partes mecánicas?
MAL
NO
OK
Existe presupuesto para el reemplazo?
SI
Es un motor de eficiencia aceptable?
SI
NO
NO
Está disponible un reemplazo?
SI
El retorno de la inversión de un motor alta eficiencia es aceptable?
NO
SI
NO
El tiempo de entrega es aceptable?
SI
REPARAR EL MOTOR
CAMBIAR EL MOTOR
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
modificaciones mecánicas.
o
Bobinado:
Variaciones técnicas
-Impactar en el núcleo laminado.
Aspectos mecánicos:
-Optimizar el voltaje.
-Fabricación de eje.
-Cambios en el aislamiento.
-Reparación carcaza o base.
-Optimizar el llenado de la ranura.
-Materiales a utilizar.
-Incluir sensores Temp.
-Cambios en la conexión.
-Calefactores.
Otros cambios:
-Mejorar grado protección.
Rodamientos:
-Protección
corrosión.
-Cambio.
-Mejoras en la ventilación.
-Adicionar sellos.
-Dispositivos lubric. automática.
-Incluir otro tipo de rodamiento.
contra
la
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.
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).
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.
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
Potencia Salida Mecánica (W)
EFF% =
x100
Potencia Entrada Eléctrica (W)
Distribución de pérdidas
„
NEMA dice que la distribución típica de pérdidas es:
Indeterminadas
Fricción-Ventilación
Magnéticas
Rotor
Estator
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:
‰
„
Estator:
‰
„
Calor por efecto Joule (I2R).
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.
% EFF (Motor 4 polos, cerrado)
Comparación
HP
Recomendaciones
„
Aumentar
llenado de
ranura:
‰
‰
‰
el
la
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 controlar
que no excedan los valores
recomendados (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:
Temp.Sistema = Temp. Amb(40C ) + Temp.Levantamiento
Levantamiento de temperatura
Motor de inducción
Tipo de motor
Clase de aislamiento y levantamiento en °C
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 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: Vplaca±10%.
Cambios en el desempeño del motor
Voltios
208
230
Eficiencia (%)
80.6
84.4
Factor de Potencia
0.85
0.83
FLA
30.5 Amp
26.9 Amp
Corriente arranque
129 Amp
148 Amp
91
72
Levantamiento T (ºC)
Motor Diseño B, 4 polos, 208-230/460VCA
% De cambio de la variable del motor
Desempeño
-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.
Voltaje de placa
% De variación de voltaje de motor
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).
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.
Eficiencia vs. Carga: Motor Abierto, 4
polos
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.
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.
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.
% de Eficiencia
Eficiencia
% de Carga del motor
Potencia de un motor
„
Se debe estimar la carga de un motor:
‰
Para corrientes mayores a 50% de la IFLA:
⎡ Imedida ⎤ ⎡ Vmedido ⎤
× 100
C arg a = ⎢
⎢
⎥
⎥
⎣ IFLA ⎦ ⎣ Vplaca ⎦
‰
„
Para corrientes menores a 50% de la IFLA :
⎡ Imedida × Vmedido − I50%Carga ⎤
Vplaca
⎥ × 100
C arg a = 0,5 + 0,5 × ⎢
⎢
⎥
IFLA - I50%Carga
⎢⎣
⎥⎦
I50%Carga es un dato que lo tiene que dar el fabricante o ver adjunto.
I50% Carga / IFLA
Corriente al 50% Carga
HP
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.
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.
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:
100 ⎤
⎡ 100
Ahorro = 0.746 × HP × L × C × T × ⎢
−
⎣ EFFBAJA EFFALTA ⎥⎦
‰
‰
‰
‰
‰
‰
‰
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).
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
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
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
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.
Peso alcanzado
Encuesta a Usuarios en USA
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
r
s
s
a
a
n
or
ga
to
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M
t
a
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l
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C
C
Ca
pa
Do
Hi
e
R
Elemento crítico