Los usuarios deben considerar muchas variables para poder elegir la mejor opción
Entre 460 y 4000 voltios hay múltiples tipos de motores y partidores disponibles. ¿Cómo se puede determinar cuál es el mejor? No solo es necesario considerar el costo sino también el rendimiento del producto en el contexto en el que será aplicado.
Aquí se verán algunos supuestos que pueden ayudar a simplificar la discusión: se compararán las capacidades de 500 a 2000 HP (Horse Power) y 460 voltios o baja tensión (BT) versus 4000 voltios (4kV) o media tensión (MT), aunque hay disponibles opciones de BT más grandes y MT más pequeñas. La comparación del motor se basará en 1800 revoluciones por minuto (rpm) y totalmente cerrado, enfriado por ventilador (TEFC) o abierto (ODP) ya que son los más comunes.
Cuando el costo de un motor BT de 500 hp es la mitad de un motor MT, ¿a qué se debe esta diferencia? En tamaño, ambos son similares. A 2000 hp, tienen un costo cercano. ¿Por qué hay una diferencia de costo? Además del costo, ¿hay otras diferencias?
Con respecto al rendimiento, los motores MT generalmente incluyen rotores de barra de cobre en comparación con los rotores de aluminio fundido de los motores BT. El rotor de barra de cobre tiene mayor eficiencia, pero las barras de cobre son una de las principales razones de que un motor MT supere en costo a un motor BT. La diferencia de rendimiento en el rotor de cobre se evidencia en una velocidad ligeramente más rápida a plena carga (menos deslizamiento).
La compensación por una mayor eficiencia y un mayor nivel de rpm es un torque de arranque más bajo. Un torque de arranque alto o las aplicaciones que no pueden iniciarse sin carga, combinadas con una caída de voltaje en la línea de partida, pueden hacer que un motor no alcance la velocidad.
¿Cómo elegir un partidor?
Los amperios de partida del motor de 600 por ciento o más y la capacidad de suministrar esos amperios influyen en la elección de un partidor.
Un motor BT toma aproximadamente nueve veces la corriente de un motor MT. Como referencia, un motor BT de 500 hp estaría designado para 580 amperios versus 70 amperios en el motor MT.
Para determinar el método de partida se debería tener en cuenta la capacidad de la red. Hay tres medios básicos de partida: a través de la línea, también conocido como directo en línea (DOL); partidor suave o arranque con voltaje reducido; y variadores de frecuencia (VFD) para partida solamente u operación continua.
Un partidor mecánico BT, incluso para un motor de 500 hp, no es práctico debido al costo. Pocas redes de energía pueden manejar una entrada de más de 3500 amperios sin una caída de tensión significativa. La opción común para BT por encima de incluso 100 hp es un partidor suave. La corriente se puede reducir de 250 a 450 por ciento de los amperios a plena carga (FLA) dependiendo de la carga del motor al comienzo de la partida.
Los VFD de BT están disponibles incluso a 2000 hp o más. Se hacen tomando el VFD más grande de un proveedor, típicamente alrededor de 500 hp, y juntando dos para lograr 1000 hp o tres para alcanzar 1500 hp. Con cada bloque agregado, el costo sube. Como resultado, el partidor suave, que puede ser solo del 30 al 50 por ciento del costo del VFD, puede ser el elegido por el usuario.
El costo reducido de los VFD en los últimos años y su capacidad para mejorar la eficiencia del proceso los han convertido en una opción muy común. Incluso cuando no se requiere, a menudo se solicitan VFD debido no solo a la familiaridad con la tecnología sino también a su costo reducido y a su flexibilidad, lo que hace que sean fáciles de aplicar.
Para MT, están disponibles las tres opciones: DOL, partidor suave y VFD. A 500 hp, hay una gran diferencia entre el costo de VFD de MT y de BT. El costo se reduce a medida que aumentan los hp. El amperaje del VFD de MT es tan pequeño que la diferencia de costo de 500 hp a 1000 hp puede aumentar un 20 por ciento, mientras que en el caso de BT lo duplica. Para MT, el menos costoso es, en primer lugar, DOL, seguido de partidor suave y VFD para partida solamente.
Un VFD usado para partida solamente es menos costoso que uno usado para operación continua, y esta opción se está volviendo más común en muchas aplicaciones donde el control de velocidad del VFD tiene poca o ninguna ventaja. El mismo concepto se aplica para BT y MT. El VFD parte y luego un contactor coloca el motor en arranque directo. El VFD iniciará una carga con los amperios mínimos para cualquier sistema, utilizando solo el FLA del motor en aplicaciones normales.
El tiempo corto de partida significa que la sobrecarga puede usarse para la partida del motor, mientras que los amperios reales necesarios para la partida son todo lo que se necesita del VFD. Si el motor puede arrancarse descargado, el VFD solo debe dimensionarse a la corriente que el motor usó al arrancar. Se puede calcular la corriente máxima requerida para la partida con una curva de bomba y los datos del motor.
Un motor con carga ligera en la partida puede extraer del 25 al 50 por ciento del FLA del motor utilizando un VFD. Entonces, un motor de 2000 hp solo necesitará un VFD de 500 hp si se requiere un 25 por ciento. El VFD se puede utilizar para arrancar múltiples motores, reduciendo el costo por motor ya sea BT o MT. Los motores grandes que usan un VFD de partida necesitan una transferencia a la línea. El bypass debería incluir un sistema de sincronización de transición cerrada.
Además de los hp y el voltaje hay otras diferencias a considerar. La mayoría de los VFD de BT no cumplen con el estándar 519 del Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE), común en los VFD de MT. La mayoría de las utilidades requieren el cumplimiento de la IEEE 519 de alguna forma. Los VFD de MT pueden incluir protección contra cortocircuitos y una desconexión por un costo relativamente bajo. En el caso de los VFD de BT, esto debe agregarse al switchgear o a un paquete personalizado. Las instalaciones de mayor potencia pueden venir con expectativas de vida operativa más larga, superior a 20 años, por lo que las especificaciones pueden necesitar determinados ajustes.
Todos los motores de inducción son confiables, pero un motor MT con bobinas preformadas, impregnadas al vacío, es más confiable que un motor de bobinado aleatorio BT que se ha sumergido y horneado. Si la confiabilidad es importante para la aplicación, un motor BT tendrá la especificación IEEE 841, que es similar a la especificación del Instituto Americano del Petróleo (API) 547 que tienen los motores MT. Los motores BT no pueden cumplir con la especificación API 541, es por ello que los motores en aplicaciones críticas serán MT incluso a 250 hp.
Como se mencionó anteriormente, los motores BT utilizan un rotor de aluminio fundido que se consideran no reparables en comparación con un rotor de barra de cobre en los motores MT. La presión comercial sobre los VFD de BT y los productos de partida suave significa el reemplazo de una línea de productos en cinco años o menos. Los VFD de MT y los partidores suaves tendrán un ciclo de vida del producto más largo y deberían proporcionar una ruta de actualización a la próxima generación. Nadie quiere encargar un motor de 1000 hp y VFD para descubrir que las piezas estarán disponibles solo por un corto período de tiempo. Es por ello que es importante asesorarse acerca de estas cuestiones y preguntar si todavía hay partes disponibles para el modelo anterior al que se está interesado en comprar.
Si la aplicación se ejecutará 24/7, los VFD de BT tendrán una vida útil de tres a cinco años si se ejecutan cerca de la carga completa. La vida útil de MT debe estar cercana a 20 años. Para poder establecer una comparación, los usuarios deberían solicitar un costo de BT con una vida útil de 20 años. Por lo general, los VFD de BT se saltarán al menos un tamaño y el costo de BT y MT será similar.
El cableado entre el motor y el partidor es otra variable a tener en cuenta. La reducción en el costo del cableado es una razón para usar MT. Si se usa un VFD de forma continua, se debe tener en cuenta el cableado recomendado: un cable largo puede tener un gran impacto en el presupuesto.
Por otro lado, el servicio y el mantenimiento no deben pasarse por alto. Con la gama actual de productos, un partidor suave o un VFD con la misma forma y función no serán muy diferentes en BT y MT. Además, el VFD debe estar montado en la pared y no necesita acceso posterior, lo que aumenta el costo de construcción.
La partida de motores grandes a menudo requiere un nuevo servicio público. Los requisitos para un nuevo servicio público y el costo pueden modificar el cálculo para determinar cuál es mejor. El costo total de establecer un nuevo servicio de 460 voltios para un motor grande puede ser tanto como el motor y el método de partida. Además, la mayoría de los VFD de MT pueden aceptar voltaje de servicio público, como 6.9kV o 13kV, directamente con una salida de 4kV para el motor, evitando el costo de un nuevo transformador.
Centro de control de motores
Los controles de motores grandes requieren de espacio, esto puede dificultar el ajuste del nuevo equipo en una instalación ya existente. En una sala de control ya existente, agregar aire acondicionado puede costar 50000 dólares para manejar un VFD grande. Una opción para BT y MT es un paquete 3R de la Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos: la unidad está afuera, no requiere espacio en la sala de control ni aire acondicionado, las unidades MT pueden designarse para 55 C y no requieren filtros de aire.
Para comprender si es mejor BT o MT, el usuario debe analizar primero los requerimientos del servicio público y luego el motor. Comprender qué requiere la empresa de servicios públicos para conexiones de motores grandes y la capacidad de la red, así como el costo si el servicio necesita mejoras. Conocer esta información reduce las opciones a elegir.
Por otro lado, el usuario debe evaluar los requisitos de aplicación para confiabilidad teniendo en cuenta la aplicación en sí. Si la aplicación es continua, se debe considerar la esperanza de vida de cada voltaje. Los VFD son más comunes y confiables, incluso en aplicaciones de gran potencia. Después de considerar todas estas variables, se podrá reconocer la mejor solución.
