En este trabajo, se revisará la forma de conocer el
consumo eléctrico de los compresores, los factores que afectan su
funcionamiento, y su costo de operación.
En escritos anteriores se trató el concepto de la Relación de
Eficiencia de Energías (Energy Efficiecy Rating, EER). El mejor ciclo
de enfriamiento y de mayor eficiencia es aquel que toma la mayor
cantidad de calor QC (btu o kcal) de la máquina, con el consumo mínimo
de trabajo mecánico W (Watt-h) del compresor (mínima energía
eléctrica). Por lo tanto, se define como eficiencia de una máquina
frigorífica o Relación de Eficiencia de Energías a la relación de QC
entre W, en las unidades btu/h-W, o kcal./h-W. Dado que el Watt-h es
una unidad de energía eléctrica, equivalente a la energía calorífica de
3.413 btu, se puede también expresar la eficiencia de una máquina
frigorífica en términos de W/W (valor sin unidades, expresado en por la
unidad p/u) el cual se denomina Coeficiente de Funcionamiento (en
inglés Coefficient of Performance, COP). Entonces el Coefficient of
Performance, COP su valor es p/u, y es la relación de la Potencia
Térmica en Watts, entre la Potencia Eléctrica de entrada al Motor del
compresor en Watts.
Dado que el funcionamiento de los compresores y el ciclo de
refrigeración son dependientes de las condiciones termodinámicas
ambientales que son continuamente variables (del condensador y del
evaporador), es necesario establecer los puntos nominales que nos sirvan
para fines comparativos y definir en alguna forma las condiciones de
operación, y un marco de referencia, ya que en otra forma las
condiciones comparativas de operación entre dos compresores no tendrían
significado alguno, y serían confusas.
El mejor ciclo de enfriamiento y de mayor eficiencia es aquel
que toma la mayor cantidad de calor QC (btu o kcal) de la máquina, con
el consumo mínimo de trabajo mecánico W (Watt-h) del compresor (mínima
energía eléctrica).
Para capacidades y para valores comparativos de referencia se usan las siguientes condiciones: Ver tabla. 1
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CONDICIÓN DE EVAPORACIÓN
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Condición del ciclo
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A/A
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Temperatura alta
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Temperatura mediana y media extendida
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Temperatura baja
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Temperatura de Evaporación H, S, D
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45 ºF (7.2 ºC)
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45 ºF (7.2 ºC)
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20ºF (-6.7ºC)
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-25ºF (-31.7ºC)
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Temperatura de Condensación H, S, D
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130ºF(54.5ºC)
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130ºF (54.5ºC)
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120ºF (48.8ºC)
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105ºF (40.5ºC)
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Temperatura de Liquido H, S, D
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115ºF(46.1ºC)
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130ºF (54.5ºC)
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120ºF (48.8ºC)
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105ºF (40.5ºC)
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Temperatura del Gas de Retorno (*) H, S, D
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65ºF (18.3ºC)
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65ºF (18.3ºC)
|
65ºF (18.3ºC)
|
65ºF (18.3ºC)
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H = Hermético; S = Scroll; D = Semiherméticos Discus.
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000
(*) NOTA: Para los
compresores Herméticos en refrigeración la Temperatura del Gas de
Retorno al compresor es de 40 °F (4.4 °C), en aplicaciones de
temperaturas de evaporación para media, media extendida, y baja.
Se puede establecer los rangos de temperatura de evaporación para alta, media, y baja, de acuerdo a:
| Temperatura Alta (incluyendo Aire acondicionado) |
De 0 ºF (-17.8 ºC) a 45 ºF (7.2 ºC) |
| Temperatura Madia |
De 5 ºF (-20.5 ºC) a 25 ºF (-3.8 ºC) |
| Temperatura Madia Extendida |
De -10 ºF (-23.3 ºC) a 25 ºF (-3.8 ºC) |
| Temperatura Baja |
De 0 ºF (-17.8 ºC) a 40 ºF (-40ºC) |
Anteriormente (en 1985) las curvas características de
funcionamiento de los compresores Copeland de EMERSON CLIMATE
TECHNOLOGIES, eran publicadas con Cero grados de subenfriamiento y a
una temperatura del gas refrigerante de retorno al compresor de 65 °F
(18.3 C).
Hoy día, para compresores Copelametic Discus las curvas
características para alta temperatura se presentan basadas con un
sub-enfriamiento de 15 °F (8.33 C). Para media y baja temperatura con un
subenfriamiento de 0 °F (0 C). Para aire acondicionado R-22 con un
sobrecalentamiento de 20 °F (11.1 C).
Dado
que el funcionamiento de los compresores y el ciclo de refrigeración
son dependientes de las condiciones termodinámicas ambientales, es
necesario establecer los puntos nominales para fines comparativos y
definir las condiciones de operación.
Ejemplos:
1. Compresor DISCUS para media temperatura R-22. 3DA3A0750
Se toma el valor en las condiciones de la tabla 1
A: 20 °F Evap; 120 °F Cond.; 65 °F RG; 120 °F Liq
En esta condición maneja 73000 btu/h, consume 8400 Watts, con eficiencia EER 8.6
2. Compresor DISCUS para media temperatura R-404A. 3DA3A075E
Se toma el valor en las condiciones de la tabla 1
A: 20 °F Evap; 120 °F Cond.; 65 °F RG; 120 °F Liq
En esta condición maneja 71200 btu/h, consume 9100 Watts, con eficiencia EER 7.8
3. Compresor DISCUS para baja temperatura R-404A. 3DA3A060E
Se toma el valor en las condiciones de la tabla 1
A: -25 °F Evap; 105 °F Cond.; 65 °F RG; 105 °F Liq
En esta condición maneja 23000 btu/h, consume 4,650 Watts, con eficiencia EER 5.0
4. Compresor DISCUS para baja temperatura R-404A. 3DB3A075E
Se toma el valor en las condiciones de la tabla 1
A: -25 °F Evap; 105 °F Cond.; 65 °F RG; 105 °F Liq
En esta condición maneja 33100 btu/h, consume 6300 Watts, con eficiencia EER 5.2
5. Compresor DISCUS para baja temperatura R-22. 3DB3A0750
Se toma el valor en las condiciones de la tabla 1
A: -25 °F Evap; 105 °F Cond.; 65 °F RG; 105 °F Liq
En esta condición maneja 29000btu/h, consume 5,550 Watts, con eficiencia EER 5.2
Cálculo del Consumo de Energía y su Costo
Debido a que la carga de refrigeración Btu/h, en un equipo ya
instalado es difícil de determinar, es conveniente primeramente
estimar el tiempo promedio diario de operación de un compresor, puesto
que un equipo comercial se estima en su diseño normalmente con tiempos
de operación diario de 16 a 20 horas, por lo tanto el tiempo real de
operación diario podrá ser entre 12 a 18 horas.
Después de considerar o estimar el tiempo de operación de un
compresor instalado, se debe conocer el costo de la energía eléctrica
en la localidad donde se encuentra el compresor.
Dada la dificultad de efectuar comparaciones de consumo y
costos de operación entre dos compresores, se pueden estimar con
bastante precisión basándose en sus eficiencias relativas.
En México la determinación para la aplicación de la tarifa
del costo del kWh es un tanto complicado, ya que existen por parte de
la Comisión Federal de Electricidad más de 144 rangos de tarifas. El
establecimiento y selección de la tarifa correcta, puede redundar en
una gran diferencia en los costos de la energía consumida.
El cálculo del costo del consumo eléctrico depende de la clasificación de la tarifa aplicable, por ejemplo existen:
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Tarifa Doméstica:
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Tarifas Generales (Comerciales, Industriales, etc.):
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1
(límite de 200 kWh/mes), 1A (límite de 300 kWh/mes), 1B (límite de 400
kWh/mes), 1C (límite de 850 kWh/mes), 1C (límite de 1000 kWh/mes), 1E
(límite de 2000 kWh/mes), 1F (límite de 2500 kWh/mes), cuando es
temporada de verano se cobra más. El costo considera un cargo fijo
básico $/mes, en adición un cargo intermedio, más cargo del consumo
excedente. Los precios varían de acuerdo a la temporada del año, por el
lugar, y la hora (la hora punta o pico de las 20 a las 22 horas donde
se demanda mayor cantidad de energía es muy costosa). La hora base es
la más económica, es alrededor de las 0 a las 6 horas. La hora
intermedia de las 6 a las 20 horas y de las 22 a las 24 horas.
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Considerando
el tipo de demanda que se tenga, las especificaciones de los
compresores y los aparatos eléctricos que se vayan a conectar a la red:
de baja tensión (tarifas 2, 3): En mediana tensión (tarifas, O-M, H-M,
H-MC). La demanda en H-M quizás es la más común en negocios como
supermercados del orden de 100 kW instalados. En alta tensión son
tarifas horarias ya que depende el precio del kWh base, los kWh los kWh
intermedios, los kWh de punta, los kWh semi punta, los kW base
instalados y los kw punta base instalados.
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Existen cargos por un bajo factor de potencia 0.9, (ver mi
reporte técnico del 29/06/05 de cómo mejorar el factor de potencia). Se
cobra por mes de acuerdo a la tarifa establecida, a la energía de kWh
consumidos, a la potencia instalada en kW, la energía reactiva kVAh.
Es conveniente al celebrar el contrato de suministro de
electricidad de un nuevo comercio o industria, revisar con la CFE y
seleccionar la mejor opción más económica de tarifa, de acuerdo al
lugar, variación estacional, disponibilidad de energía, características
eléctricas del equipo (voltaje, potencia, frecuencia, horario y factor
de utilización, etc.).
Mediante el siguiente ejemplo, se ilustra la forma de calcular los costos de operación y el ahorro de energía:
Supóngase que se tiene el compresor Semihermético Copeland
modelo 9RS3-0765, para aplicación de R-502 baja temperatura, se estima
que se encuentra operando 16 horas diarias durante los 365 días del
año. Debido a que ni el refrigerante R-502 ni su compresor se producen,
se desea por lo tanto reemplazarlo por un compresor actual Discus
Copeland del ejemplo 4, el 3DB3A075E de baja temperatura para
refrigerante R-404A. Tomando en este ejemplo un costo de la energía de
0.90 pesos por kWh.
(Nota: El costo de la energía $/kWh debe ser una estimación más precisa considerando la tarifa real contratada con la CFE).
Para el compresor existente 9RS3-0765, en aplicación de R-502
baja temperatura en la condición -25 °F Evap; 105 °F Cond.; 65 °F RG;
105 °F Liq. Se tiene una capacidad 34,300 btu/h, con una potencia de
entrada de 7,500 Watts, por lo tanto un EER = 4.57
El costo anual de la energía consumida en pesos se calcula mediante:
16 horas /día x 7500 W x 0.9 $/kWh x 365 días/año ÷ 1000 W/kWh = $ 39420.00 (pesos)
Para el compresor sustituto con R-404A 3DB3A075E con
capacidad de 33100 Btu/h, con una potencia de entrada 6300 Watts y una
eficiencia de 5.2
16 horas /día x 34300 x 6300 W x 0.9 $/kWh x 365 días/año ÷ 1000 W/kWh = $ 34,313.26 (pesos) 33100
Por lo tanto se tiene un ahorro anual estimado en costo de energía de $ 5,107.00 (pesos).
Un aspecto importante de los ciclos térmicos y en particular
el de refrigeración, es que su operación depende de las condiciones
ambientales. En Invierno o meses más fríos el condensador trabaja a una
menor temperatura y por ende a una menor presión, por lo tanto el
compresor demandará menos potencia (menor consumo energético kWh),
entregando una mayor capacidad btu/h, y con menos tiempo de operación
para una carga de refrigeración específica.
En el verano o meses calurosos sucede lo opuesto, el
compresor demandará mayor potencia (mayor consumo energético kWh),
entregará menor capacidad btu/h, y con un mayor tiempo de operación
para una carga de refrigeración específica.
Un aumento de temperatura ambiente o de condensado de 10 °F
(5.5 C), ocasiona una pérdida de capacidad alrededor del 10%, y
desafortunadamente la potencia solamente disminuye en un 7%,
disminuyendo el EER del compresor, aumentado el consumo y el costo de
energía por un triple concepto (a.- Mayor costo del kWh; b.- Mayor
tiempo de operación del compresor para cumplir con la carga de
refrigeración; c.- Mayor consumo eléctrico).
VOLTAJE
Debido a la variación del suministro del voltaje, los motores
de los compresores Copeland han sido diseñados para operar en un rango
de voltaje más que operar en un sólo valor de voltaje. Aún cuando los
motores con un rango de voltaje son más costosos, sus problemas de
operación prácticamente se eliminan, inclusive cuando los voltajes de
alimentación en las líneas son extremadamente bajos.
Los motores de los compresores Copeland de Emerson Climate
Technologies, son desarrollados para operar en condiciones de máxima
carga (o HP, Pleno Par y Velocidad) en los extremos de su rango de
voltaje y la placa de identificación del compresor Hermético debe
mostrar:
1.- La corriente Nominal RLA
Se determina en forma práctica debido a que las condiciones
nominales de prueba son diferentes para cada aplicación a la que el
moto-compresor sea usado, temperaturas de evaporación alta, media o
baja, tipo de refrigerante, temperatura ambiental moderada o clima
caluroso o frío; frecuencia y voltaje eléctricos, entre otras.
Las normas Emerson para compresores Copeland indican que la
Corriente Máxima Continua (MCC) permisible debe superar los límites de
funcionamiento extremos del compresor, y se determina con ensayos
sometiéndolo a operar en condiciones extremas de carga y condiciones
eléctricas para cada condición y aplicación específica, haciendo
descender el voltaje hasta que llegue al disparo del protector térmico.
Para compresores Herméticos se cumplen:
RLA = MCC/1.56 Requerimiento U.L. y N.E.C. (National Electric Code)
Copeland establece para el valor Máximo de Corriente de un
Compresor 140% del RLA. Esto da un mayor margen de seguridad para la
selección de los elementos de los interruptores y alambrado de las
líneas de alimentación, ya que por lo general se determinan a un 125%
(mínimo de 115%) del valor de corriente RLA que se encuentra en la
placa de identificación del compresor.
2.- Corriente a Rotor Bloqueado (Locked Rotor Current, LRA)
Como su nombre lo indica es la corriente en amperes que
resulta al detener el rotor del motor completamente. Nos indica el
valor máximo de corriente de entrada al arrancar el compresor. Este
valor debe ser mostrado en compresores con motores monofásicos a 115
Volts cuando el valor de LRA sea mayor de 9 amperes, o más de 4.5
amperes en voltajes de 230 Volts (NEC 440-4).
El contactor, fusibles, interruptor o medio que desconecta a
un compresor Hermético, debe ser seleccionado en base de los valores
mostrados en la placa de identificación del moto-compresor, el de
corriente nominal (RLA), corriente a rotor bloqueado (LRA), y de su
voltaje nominal.
3.- Tipo de Protección. Todos los compresores Copeland de Emerson, incluyen:
Protección Térmica de Sobrecarga,
Protección de Sobrecarga Externa, Hasta 3 HP. Con Apertura en la Línea
Protección de Sobrecarga Interna, Hasta 15 HP. Con Apertura en la Línea
Protección de Sobrecarga Interna 15 HP. Con Apertura con Circuito Piloto
Protección de Sobrecarga Interna Electrónica. De 20 HP hasta 60 HP. con Apertura Piloto
4.- Frecuencia Eléctrica en Hz.
60 Hertz para Estados Unidos y México
5.- El voltaje de operación.
En México se suministra la energía por la Comisión Federal de Electricidad, con tres voltajes principales:
- 110 Volts + 10%, 60 Hz, Monofásico
- 220 Volts + 10%, 60 Hz, Monofásico y Trifásico
- 440 Volts + 10%, 60 Hz, Trifásico
Existen otros voltajes diferentes y de mayor suministro, dependiendo de la industria o comercio de que se trate.
La placa de identificación del compresor Hermético debe mostrar:
* La corriente Nominal RLA
* Corriente a Rotor Bloqueado
* Tipo de Protección
* Frecuencia Eléctrica en Hz.
* El voltaje de operación
De acuerdo a las normas NEMA, un motor de compresor debe ser
capaz de entregar sin sobrecalentarse, su Potencia Nominal sujeto a
voltajes de + 10%, de lo establecido en su placa de identificación.
Cabe mencionar que es importante tener en cuenta que el voltaje en la
placa terminal del compresor no siempre es igual al voltaje del
sistema, por lo que es necesario considerar la caída de voltaje en las
líneas de alimentación para determinar si el motor está realmente
conectado a su voltaje.
Considerando un motor que su voltaje de placa sea de 230
Volts; calculando el rango de ±10%, nos indica que añadiendo y
substrayendo 23 V para obtener el rango de operación de voltajes del
motor, en este caso es de 207 V a 253 V. Esto nos dice que un motor de
230 V puede ser usado en un sistema de 208 V.
Otra consideración es la variación del voltaje del sistema,
el cual en +5% del voltaje normal (en este caso 208 V), por lo tanto,
el lado bajo del sistema caerá fuera de la tolerancia del voltaje del
motor de 230 V.
Cuando las cifras en una placa de identificación tienen dos o
más valores de voltaje separados por una diagonal (/) se indican dos
esquemas diferentes de valores o conexión, cada valor de voltaje con su
propio rango de operación. Con un rango más amplio que se extiende 10%
abajo del voltaje menor, y 10% del valor mayor de voltaje. Por ejemplo,
para un voltaje de 208-230 el motor será adecuado de 187 V a 253 V.
La única manera de determinar si un motor y su sistema son
compatibles, es midiendo su voltaje en las terminales y durante
condiciones de operación. La compatibilidad del motor del compresor y su
sistema eléctrico de alimentación es esencial para una instalación
exitosa.
FALLAS POR VOLTAJES FUERA DE SU RANGO ESPECIFICADO
BAJO VOLTAJE
Hoy día en la medicina, al hablar de los infartos se menciona
el asesino silencioso, este mismo término se puede aplicar a los
problemas y fallas de compresores por problemas del bajo voltaje. Esto
se debe a que tal situación puede no presentarse continuamente, y puede
no mostrarse cuando el técnico o ingeniero estén presentes causando
cuando menos se piensa la falla total del motor.
El bajo voltaje presenta diferentes síntomas que generalmente
terminan en la destrucción de un motor debido a un sobrecalentamiento.
Inicialmente el problema se manifiesta con insuficiente velocidad del
motor (rpm) o con un inesperado disparo por protección térmica. La
apariencia de un motor sujeto a bajo voltaje es prácticamente semejante
como si estuviese sobrecargado.
Una situación común de bajo voltaje se presenta cuando la
compañía que suministra la energía eléctrica tiende a bajar el voltaje
para que una localidad ahorre energía, o debido a una baja regulación
de voltaje de las líneas alimentadoras. Aún cuando los motores están
diseñados para un + 10% de su voltaje de placa, las variaciones del
bajo voltaje pueden excederlo.
Estas bajas en voltaje ocurren cuando la temperatura
ambiental es la más alta, y la distribución de energía trabaja en sus
límites causando aún más perdidas de voltaje en las líneas de
alimentación. Sobrecargar los circuitos causa una caída de voltaje.
Otra causa de bajo voltaje es la longitud y diámetro de los conductores
de alimentación, que sean demasiado largos.
Cuando se sospeche de un bajo voltaje es muy importante
solucionar este problema, ya que éste puede no mostrarse si el voltaje
se mide en el sistema o la fuente de voltaje o cuando el motocompresor
no esté energizado. La medición del voltaje debe hacerse en las
terminales del motor y cuando éste se encuentre en operación.
El
aumento de corriente causa un incremento en la temperatura de los
devanados, y el protector térmico actuará y protegerá al motor, pero si
esta situación ocurre todos los días durante muchas veces, causará un
daño permanente al motor, y finalmente después de varias repeticiones
se quemará.
Otra causa de sobrecalentamiento de los motores, es la
condición de bajo voltaje, Esto se presenta cuando el voltaje de
suministro está fuera de los límites indicados por el fabricante de los
motores. Para compresores que indican en su placa un sólo valor, por
ejemplo 230 Volts, sus límites de operación son de +10% de 230 Volts
(207V – 253V). Para compresores que indican en su placa un rango de
voltaje, por ejemplo 208/230 Volts, sus parámetros o límites de
operación son 10% abajo del valor inferior de 208V, y 10% arriba del
valor superior de 230V, (o sea de 187V a 253V).
Un bajo voltaje tenderá a aumentar la corriente (A). Como la
potencia requerida en una condición no puede ni debe variar, si el
voltaje decrece en forma desproporcionada fuera de los límites
aprobados, entonces la corriente tendrá que aumentar en la proporción
necesaria para mantener la relación de P. Este aumento de corriente
causará un incremento en la temperatura de los devanados, y el
protector térmico actuará y protegerá al motor, pero si esta situación
continúa ocurriendo todos los días durante muchas veces, cada vez se le
causará un daño permanente al motor, y finalmente después de varias
repeticiones se quemará.
QUEMADURA DEL MOTOR EN FORMA UNIFORME
Todos los devanados son sobrecalentados o quemados,
generalmente causados por un bajo voltaje o desbalance de voltajes, o
por falta de enfriamiento (o ventilación) del motor.
QUEMADURA DE DOS FASES DEL MOTOR
Cuando en un motor trifásico dos fases son sobrecalentadas o
quemadas debido a la apertura o falso contacto de una conexión de un
interruptor (de la fase que no es afectada). Lo que pasa en esta
situación es un desbalance de fases donde en una de las fases el
voltaje es cero, el motor del compresor está operando con una de sus
fases abierta. Por ello, las otras dos fases que operan tomarán la
carga que llevaba la fase abierta.
La corriente que tomarán estas dos fases se aumentará por lo
menos una y media veces en relación a su corriente normal de operación.
Si el compresor está con alta carga, la corriente actuará en la
protección de sobrecarga parando el compresor, posteriormente este
tratará de arrancar, pero su protector de sobrecarga se lo impedirá, se
disparará y no permitirá que arranque, esta situación se repetirá
varias veces hasta que las bobinas se quemen.
Si la carga del compresor es baja, la elevación de corriente
no será suficiente para actuar en la protección de sobrecarga del
motor, continuará operando muy caliente. Si esta situación ocurre
varias veces conducirá a la falla del motor.
En un compresor con motor trifásico, su quemadura puede
ocurrir debido a desbalance de voltaje que ocasionará una elevación de
temperatura. Este problema que causa un incremento en la temperatura,
por lo general no se detecta en largos periodos de tiempo.
DESBALANCE DE VOLTAJES
En un compresor con motor trifásico, su quemadura puede
ocurrir debido a desbalance de voltaje que ocasionará una elevación de
temperatura. Este problema que causa un incremento en la temperatura,
por lo general no se detecta en largos periodos de tiempo.
Para calcular el desbalance de voltaje se toman lecturas de voltaje entre las líneas de alimentación al motor.
Ejemplo de desbalance de fases:
Entre L1 y L2 = 216 V
Entre L2 y L3 = 220 V
Entre L1 y L3 = 225 V
|
El voltaje promedio = 216 + 220 + 225 / 3 = 220.3 V
Desbalance máximo 225 – 220 = 5V
Porcentaje de desbalance = (5 / 220.3) x 100 = 2.27%
|
Un aumento mayor de 2% no es aceptable, y por lo tanto será
necesario tomar acción en alguna forma, ya que el motor operará con
mayor temperatura, pudiendo ocasionar su quemadura eventualmente
ALTO VOLTAJE
En el caso de un alto voltaje, la situación es diferente, el
principal problema que se presenta es el aislamiento del motor, en que
si el voltaje de aplicación sobrepasa la resistencia dieléctrica de los
aislamientos del motor, causará la ruptura dieléctrica, se crea un
arco interno en la parte más débil del aislamiento o en las terminales,
ocasionando su falla o quemadura. |
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