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Susana Paola Cortes Ramírez Estudio Técnico–Económico para  Determinar la Conveniencia entre Reemplazar y Rebobinar un Motor Informe Proyecto de Título de Ingeniero Eléctrico

Escuela de Ingeniería Eléctrica Facultad de Ingeniería Valparaíso, 22 de noviembre de 2017

Estudio Técnico - Económico para Determinar la Conveniencia entre Reemplazar y Rebobinar un Motor Fallado Susana Paola Cortes Ramírez

Informe Final para optar al título de Ingeniero Eléctrico, aprobada por la comisión de la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la Facultad de Ingeniería de la Pontificia Universidad Católica de Valparaíso conformada por

Sr. Jorge Medina Hanke Profesor Guía

Sr. Edmundo López Estay Segundo Revisor

Sr. Sebastián Fingerhuth Massmann Secretario Académico

Valparaíso, 22 de noviembre de 2017

Para mi familia y amigos. En especial a mis padres, quienes siempre me apoyan y confían en mí. A Raúl y a nuestra hija, quienes llenan mi vida de amor. A mis profesores, que compartieron sus conocimientos con gran generosidad.

Agradecimientos Agradezco a todos los profesores, quienes generosamente compartieron sus conocimientos. En especial a mi profesor guía, el Sr. Jorge Medina Hanke, quien siempre estuvo dispuesto a compartir sus valiosos conocimientos y experiencia. Quien, además de ser un excelente profesor, es una gran persona, íntegro y lleno de valores. A mis compañeros, con quienes compartí la hermosa etapa de la universidad, y con quienes formé una gran amistad. Valparaíso, 22 de noviembre de 2017 SPCR

Resumen Se presenta un análisis técnico y económico para determinar la conveniencia entre reemplazar y rebobinar un motor fallado. Se realiza un análisis de los factores incidentes tanto en el funcionamiento del motor, factores técnicos, como en el proceso de producción y características de la empresa a la cual presta servicio, factores económicos. Con lo anterior se determinan criterios, los cuales permiten asesorar al que deba tomar la decisión sobre la mejor alternativa entre reemplazar o rebobinar un motor fallado. Junto con lo anterior, se exponen recomendaciones con el objetivo que el motor funcione en condiciones óptimas, y con esto conseguir los mejores resultados de su prestación de servicio. El proyecto que acá se presenta tiene como fin servir como guía a la hora de la toma de decisión al enfrentarse a un motor fallado, para con esto obtener la mejor opción tanto técnica como económica entre reemplazar y rebobinar el motor en cuestión.

Palabras claves: motor, conveniencia, rebobinar, reemplazar, eficiencia.

Abstract A technical and economic analysis is presented to determine the suitability between replacing and rewind a failed engine. An analysis of factors incidents both engine performance, technical factors such as in the production process and characteristics of the company to which services, economic factors is performed. With the above criteria are determined, which allow advising the need to decide on the best alternative between replacing or rewind a failed engine. Along with this, recommendations are discussed with the aim that the engine runs in optimal conditions, and thereby achieve the best results of their service delivery. The project presented here is intended to serve as a guide when making decision when faced with a failed engine to get the best with this option both technically and economically between replacing and rewind the engine in question.

Key words: engine, convenience, rewind, replace, efficiency.

Índice general Introducción ............................................................................................................... 1 1 Presentación del Proyecto ...................................................................................... 4 1.1 Descripción del Problema. ........................................................................................................... 4

2 Motores Eléctricos .................................................................................................. 5 2.1 El Motor Eléctrico ......................................................................................................................... 5 2.1.1 Motores de Corriente Continua ........................................................................................ 5 2.1.2 Motores de Corriente Alterna ............................................................................................8 2.2 Motores Eléctricos de Eficiencia Estándar .................................................................................9 2.2.1 Características. ................................................................................................................. 10 2.2.2 Utilización. ........................................................................................................................ 11 2.3 Motores Eléctricos de Alta Eficiencia ........................................................................................ 11 2.3.1 Características .................................................................................................................. 12 2.3.2 Utilización ......................................................................................................................... 13

3 Normativa para Motores ...................................................................................... 14 3.1 Norma Chilena ............................................................................................................................ 14 3.2 Norma NEMA .............................................................................................................................. 16

4 Alternativas a Analizar para la Toma de Decisión: Rebobinar o Reemplazar. . 17 4.1 Rebobinar el Motor Fallado ....................................................................................................... 18 4.1.1 Rebobinado Convencional .............................................................................................. 18 4.1.2 Rebobinado Eficiente ....................................................................................................... 19 4.2 Reemplazar el Motor Fallado por uno Nuevo .......................................................................... 23 4.2.1 Motor de Eficiencia Estándar .......................................................................................... 23 4.2.2 Motor de Alta Eficiencia ................................................................................................... 24 4.3 Comparación entre Rebobinar y Reemplazar .......................................................................... 26

5 Necesidad de Realizar un Análisis. ...................................................................... 28 5.1 Factores a Considerar en el Análisis .......................................................................................... 28 5.1.1 Presentación de los Factores a Considerar .................................................................... 29 5.1.2 Clasificación y Análisis de los Factores a Considerar .................................................... 29

Índice general 5.1.3 Análisis de los Factores Considerados en Conjunto ..................................................... 44

6 Criterios y Guías para la Toma de Decisión ........................................................ 47 6.1 Criterios Técnicos ....................................................................................................................... 47 6.1.1 Potencia del Motor ........................................................................................................... 47 6.1.2 Eficiencia ........................................................................................................................... 48 6.1.3 Números de Rebobinados Anteriores a los que ha sido Sometido el Motor Antes de Fallar ........................................................................................................................................... 48 6.1.4 Condiciones de Operación en las que ha Funcionado ................................................. 48 6.1.5 Número de Años que el Motor ha Operado, conjugado con el tamaño del mismo ... 48 6.2 Criterios Económicos ................................................................................................................. 49 6.2.1 Lugar en la Línea de Producción en que Opera el Motor ............................................. 49 6.2.2 Tamaño de la Empresa en que Opera el Motor, conjugado con el tamaño del mismo ..................................................................................................................................................... 49 6.3 Referencias de Empresas ............................................................................................................ 49

7 Evaluación de las Alternativas.............................................................................. 55 7.1 Características del Motor a Evaluar ........................................................................................... 55 7.2 Consideraciones para la Evaluación ......................................................................................... 58 7.2.1 Tarifa de la Empresa ......................................................................................................... 58 7.3 Evaluación Técnica ..................................................................................................................... 61 7.3.1 Comportamiento de cada Factor en cada Opción. ....................................................... 61 7.3.2 Conclusión de la Evaluación Técnica. ............................................................................ 63 7.4 Evaluación Económica ............................................................................................................... 63 7.4.1 Comportamiento de cada Factor en cada Opción. ....................................................... 64 7.4.2 Cálculo del Valor Agregado Neto para cada Alternativa. .............................................. 70 7.4.3 Conclusión Evaluación Económica. ............................................................................... 72 7.5 Conclusión Evaluación del Motor ............................................................................................. 72

8 Programa de Selección Motores: IMSSA ............................................................. 73 9 Recomendaciones ................................................................................................. 74 Discusión y Conclusiones ....................................................................................... 83 Bibliografía ............................................................................................................... 86 Gráficos de la Evaluación del Motor ................................................................... 88 A.1 Costo Inicial Motor 20 HP .......................................................................................................... 88 A.2 Eficiencia Motor 20 HP .............................................................................................................. 89 A.3 Delta de Eficiencia ...................................................................................................................... 90 A.4 Costo Energía Consumida Motor 20 HP ................................................................................... 91 A.5 Costo Energía Ahorrada Motor 20 HP ...................................................................................... 92 A.6 VAN de un Motor 20 HP ............................................................................................................. 93

Índice general

Cálculo y Flujo del VAN de cada Alternativa ...................................................... 95 B.1 VAN de un Motor 20 HP Rebobinado ....................................................................................... 95 B.2 VAN de un Motor Nuevo de Eficiencia Estándar 20 HP .......................................................... 96 B.3 VAN de un Motor Nuevo de Alta Eficiencia 20 HP .................................................................. 97

Introducción El motor eléctrico aparece hace ya más de un siglo, revolucionando completamente la manera de realizar las tareas hasta ese momento desarrolladas. Su antecesora, la máquina a vapor, importante colaboradora en la revolución industrial, tiene un alto costo, y un ineficiente y complejo funcionamiento. Lo anterior, sumado con la mayor disponibilidad de energía eléctrica, hace que el motor eléctrico se impulse como la mejor alternativa de trabajo, comenzando a desplazar gradualmente a la máquina de vapor. En un principio, el rol del motor fue bajo la misma estructura de funcionamiento de la planta en que ejercía funciones la máquina a vapor, es decir, un motor eléctrico que impulsa toda la cadena de tareas de una línea productiva, pero luego de esto, comenzaron a ser fabricados motores eléctricos con una amplia variedad de características, lo que permitieron otorgar a cada máquina el motor más apropiado, dependiendo de las necesidades que esta tuviese, conforme a la función que realizara, haciendo cada tarea de la línea de producción más independiente y eficiente. El motor eléctrico es una máquina que trasforma energía eléctrica en energía mecánica por medios electromagnéticos, impulsando de esta manera el movimiento del aparato conectado a dicho motor. Lo anterior es posible introduciendo una corriente eléctrica en el motor por medio de una fuente externa, la cual interacciona con el campo magnético que se genera por las bobinas, produciendo el movimiento de la máquina conectada. Dicho movimiento normalmente es de rotación. El motor eléctrico es un equipo fundamental en múltiples áreas tales como la industria, transporte, minas, comercio, hogares, entre otros, esto debido a que puede ser construido para una amplia gama de máquinas, y así ser capaz de otorgar variados servicios en diversos ámbitos, funciones que realiza de una forma cómoda, limpia y económica, ya que no emite ningún tipo de sustancia o gas contaminante, y no necesita una ventilación externa. Además otorga una operación segura, lo cual es de gran importancia, sobre todo cuando forma parte de una línea de producción, siendo primordial hacerle el mantenimiento necesario, y con esto asegurar que el motor presente un buen funcionamiento. Los motores eléctricos pueden también ser fabricados en una amplia gama de potencias, permitiendo con esto obtener velocidades constantes, variables o ajustables según lo que se requiera, debiendo escoger su dimensión en función de las necesidades de la tarea a realizar.

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Introducción Las fuentes que alimentan al motor eléctrico pueden ser de corriente alterna o de corriente continua. Cuando los motores eléctricos son alimentados con corriente alterna, las redes o plantas eléctricas son el principal impulso del motor, los cuales, en este caso, se denominan motor asíncrono, de inducción, y motor síncrono. Por otra parte, cuando los motores eléctricos son alimentados con corriente continua, las fuentes que colaboran en el proceso son baterías, rectificadores, paneles solares y dínamos. En este caso, los motores se denominan motor serie, motor compound, motor shunt y motor eléctrico sin escobillas. Existe además un motor eléctrico denominado motor universal, el cual está adecuado para funcionar con alimentación en ambos tipos de corriente. El motor eléctrico cuenta con variadas ventajas, entre las cuales se tiene que éstos están menos expuestos a fallar que sus antecesores, las máquinas a vapor o los motores de combustión interna, esto debido a que los motores eléctricos se componen de un menor número de piezas. Además, son de un tamaño y peso más reducido, y tienen la capacidad de poder variar su potencia y de pasar rápidamente desde el reposo a operación a plena carga. Los motores de corriente alterna son los más utilizados en comparación a los de corriente continua, esto debido a que su fuente de alimentación posee un fácil manejo de transmisión, distribución y transformación. Por lo expuesto anteriormente, y por el avance tecnológico que se ha desarrollado, los motores de corriente alterna representan más del 90 por ciento de los motores instalados. Dentro de la familia de motores eléctricos, el motor de inducción corresponde al motor de corriente alterna más utilizado en la industria, debido a su fortaleza y sencillez de construcción, posee buen rendimiento, es posible de obtener a menor costo, a la ausencia de colector y a que sus características de funcionamiento poseen una alta adaptabilidad a una marcha a velocidad constante. El motor eléctrico es una máquina primordial en múltiples áreas, tal como lo hemos expuesto anteriormente. Sin embargo, la principal consideración que se debe tener al trabajar con ellos es que el motor debe operar en óptimas condiciones, para así poder aportar las ventajas mencionadas, prestando verdaderamente la confianza que conlleva su uso. En atención a lo anterior es que es fundamental, en toda función en la que pueda trabajar un motor eléctrico, diseñar, agendar y realizar las mantenciones necesarias, y así cumplir con los requerimientos del motor dependiendo de dicha función, de su vida útil y de otros factores que puedan incidir. Por su parte, si el motor ya se encuentra frente a una situación de falla, se deben tomar las acciones que permitan que el motor se reintegre a sus funciones en el menor tiempo posible, considerando además con esto el costo que esto conlleva, y el resultado final que se obtenga. Para llegar a tomar la mejor decisión, se deben analizar las acciones a tomar, frente a las diferentes situaciones que puedan darse al momento de la falla, considerando todos los factores que sean posibles. Con el objetivo de tener una guía con la cual se pueda tomar la decisión que sea la más adecuada, y en el menor tiempo posible, dadas las distintas situaciones de funcionamiento, potencia, vida útil, entre otras, es que se realiza un análisis de cada uno de los factores que se 2

Introducción consideran relevantes, tanto desde el punto de vista técnico, como desde el punto de vista económico, y con esto obtener dicha guía, la cual nos permitirá tomar la decisión en forma eficiente, minimizando el tiempo de detención de la línea de producción en que opera el motor fallado. Por todo lo anterior es que en el presente trabajo se analiza la conveniencia, tanto técnica como económica, de rebobinar o reemplazar un motor cuando ha fallado. Para esto se considera el caso de un motor eléctrico de inducción con rotor jaula de ardilla, dado que es ampliamente el más utilizado.

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1 Presentación del Proyecto El proyecto que se realiza, el cual se expone en este estudio, se describe a continuación, esto con el fin de dar a conocer de lo que trata éste y poder entender los puntos que se exponen a lo largo del presente documento.

1.1 Descripción del Problema. En las empresas a menudo se debe enfrentar la situación de tener que tomar una decisión de qué hacer cuando un motor de su línea de producción falla. En este escenario es fundamental determinar cuál es la opción realmente más conveniente entre reparar o remplazar dicho motor, tanto económicamente para la empresa, como técnicamente para la operación del motor y de la línea de producción donde opera éste. Para determinar lo que antecede se desarrolla un estudio de la conveniencia de rebobinar motores, realizando un análisis para decidir qué conviene más, si rebobinar o sustituir el motor que ha fallado, por uno nuevo, ya sea de eficiencia estándar o de alta eficiencia, llevando a cabo una evaluación técnica y económica de las opciones posibles. Para realizar el análisis, anteriormente mencionado, al motor que ha fallado, se consideraron factores de éste y de la empresa a la que presta servicio, los que se agruparon en técnicos y económicos, con el fin de poder realizar una evaluación de esta situación. Uno de los factores fundamentales para la evaluación, es la variación que presenta la eficiencia del motor con respecto a la con que trabaja antes de fallar. Esta variación depende de la opción que se analice, teniendo presente que al optar por rebobinar el motor fallado, la eficiencia de éste disminuye gradualmente en cada rebobinado al que sea sometido, mientras que al optar por reemplazar el motor por uno nuevo, esta se puede mantener o aumentar, dependiendo de la eficiencia que tenga el motor adquirido. La variación de eficiencia que resulte, la cual depende de la decisión que se adopte, determina, entre otras cosas, los costos de operación que presenta el motor, el cual es uno de los factores más importante a la hora de realizar la evaluación económica de cada opción. El proyecto que aquí se presenta, analiza las opciones expuestas, determinando cuál de estas es la más conveniente frente a una situación dada.

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2 Motores Eléctricos Para poder desarrollar el proyecto descrito en el capítulo anterior, es necesario, primeramente, realizar un análisis de los motores eléctricos, denotando la importancia que tienen en la industria en general, lo que conlleva a que estén fuertemente presentes en el mercado. Es por esto que se presenta en este capítulo un esquema de los tipos de motores eléctricos, mostrando sus características de funcionamiento, los servicios que son capaces de entregar al cliente, y las ventajas que presenta la utilización de éstos.

2.1 El Motor Eléctrico Un motor eléctrico es una máquina eléctrica rotatoria, la cual transforma energía eléctrica en energía mecánica. Aun cuando actualmente existen motores lineales, los cuales ejercen tracción sobre un riel, los más utilizados son los que producen movimiento rotatorio. El motor se compone de un estator y un rotor. Su principio de funcionamiento se basa en que el campo magnético generado por la corriente eléctrica que circula por el bobinado del rotor, interactúa con el campo magnético generado por la corriente eléctrica que circula por el bobinado del inductor; esta interacción se produce debido a que el campo magnético del inductor es capaz de ejercer una fuerza sobre el campo magnético del rotor, la cual es aprovechada por el motor para hacer girar su eje, transformando de esta manera la energía eléctrica en movimiento. Puede ser alimentado en forma monofásica o polifásica, siendo los más populares en aplicaciones industriales los de alimentación trifásica.

2.1.1 Motores de Corriente Continua Los motores de corriente continua, como su nombre lo indica, son aquellos motores que se alimentan con corriente continua. Su principal virtud es que son capaces de variar su velocidad, pudiendo esta ser regulada desde el reposo o vacío hasta su funcionamiento a plena carga, siendo esto de gran utilidad cuando es necesario variarla o cambiar el sentido de giro del motor. Ya que son de fácil control, son utilizados en variadas aplicaciones de potencia, como en trenes o tranvías, y en aplicaciones de precisión, como en máquinas, micro motores, entre otros. Sin 5

2 Motores Eléctricos embargo, a causa de su principio de funcionamiento, resultan complejos en su operación y con un alto costo de adquisición y mantenimiento. El principio básico de su funcionamiento es que cuando el devanado por el que circula la corriente continua está bajo la influencia de un campo magnético, se induce sobre éste una fuerza, la cual es perpendicular a las líneas del campo y al sentido con que circula la corriente. En el rotor, las corrientes que circulan por conductores opuestos lo hacen en sentidos opuestos, generando de esta forma que el motor gire debido a la suma de las fuerzas ejercidas sobre los conductores. El conmutador se encarga de invertir el sentido de la corriente que circula por el conductor cuando éste esté en la zona muerta del campo magnético. Esta corriente es proporcional al par que desarrolla el motor, es decir, a la fuerza con que gira. Se tiene entonces que a mayor tensión, mayor corriente y a mayor corriente, mayor par motor. La tensión con que se alimenta al motor de corriente continua se divide entre la tensión que cae en la resistencia de los devanados del motor y la fuerza electromotriz. Esta última es proporcional a la velocidad con que gira el motor y a la intensidad que tiene el campo magnético. Los motores de corriente continua son utilizados principalmente donde se requiere de una amplia variación de la velocidad. Se clasifican según el modo en que estén conectados; en motor serie, motor compound, motor shunt o de excitación independiente y motor sin escobillas. También están los que se utilizan en electrónica, como los motores paso a paso, sin núcleo y servomotores.

Motor Serie El motor serie se caracteriza por que el devanado de campo, estator, el que deberá estar conformado por un conductor que sea capaz de soportar la corriente total de armadura, y el cual conforma el campo magnético principal, se conecta en serie con el devanado de armadura, rotor. Esto producirá un flujo magnético que será proporcional a la corriente de armadura, es decir, a la corriente que circulará por la carga del motor. Debido a esto, cuando el motor se encuentra con una gran carga, se producirá un gran campo magnético, lo que originará que el motor desarrolle un gran esfuerzo de torsión. Su velocidad de giro variará dependiendo de si el motor se encuentra a plena carga o en vacío. La principal característica de este tipo de motores de corriente continua es que poseen un par de arranque muy elevado, además de que les es posible acelerar rápidamente, aun cuando se encuentren con cargas pesadas.

Motor Compound El motor compound se caracteriza por tener una excitación compuesta, la cual se produce por dos devanados inductores independientes, uno conectado en serie con el devanado de campo, 6

2 Motores Eléctricos estator, y el otro conectado en paralelo con el devanado de armadura, rotor. El campo serie que está en el extremo del devanado de campo se compone de un número reducido de espiras hechas de un conductor de gran sección y se conecta en serie con el devanado de armadura, sumándose de esta forma al flujo del devanado de campo, permitiendo que circule la corriente de armadura. El flujo del campo serie varia en forma directa con la corriente de armadura y es directamente proporcional a la carga que esté conectada al motor. El campo puede resultar debilitado, en un rango limitado, si se excede la velocidad segura máxima que tiene el motor cuando funciona sin carga. Estos motores otorgan un par motor constante al aplicarles múltiples velocidades, este par constante se produce por medio del campo independiente al que se suma el campo serie con un valor de carga igual que el del inducido.

Motor Shunt El motor shunt se caracteriza por que el devanado de campo principal, estator, el cual se compone de un conductor delgado, de sección baja, debido a que la resistencia de éste es muy grande, se conecta en paralelo con el devanado de armadura, rotor. El par motor que desarrolla en el arranque este tipo de motor es menor que el que se desarrolla en el motor serie. El devanado de campo de este tipo de motor se encuentra alimentado por una fuente independiente y la velocidad de giro no se ve mayormente afectada cuando la corriente absorbida disminuye.

Motor Sin Escobillas El motor sin escobillas se caracteriza por no emplear escobillas para realizar el cambio de polaridad en el rotor; es decir, su cambio de polaridad no será mecánico sino electrónico, sin contacto. Su funcionamiento se basa en que sólo cuando se esté con el polo correcto la espira será alimentada, en caso contrario, el sistema electrónico no permitirá la circulación de corriente. La posición de la espira del rotor se conocerá utilizando un campo magnético. El motor sin escobillas presenta un rendimiento mucho mayor que un motor con escobillas. El sistema electrónico presente en este tipo de motor será capaz de determinar la velocidad con que éste gira o si se encuentra en reposo, además de cortar la corriente en caso de que éste se detenga, de manera tal que no se sobrecaliente ni corra riesgo de quemarse. Su principal desventaja es que al cambiarles la polaridad, éste no gira en sentido contrario, lo cual sólo se logra al intercambiar los conductores que el sistema electrónico posee. Las desventajas que presentan las escobillas consisten en disminuir el rendimiento, desprender calor, requerir un mayor mantenimiento, y provocar ruido y rozamiento. Además su presencia aporta con partículas de carbón, las cuales pueden resultar conductoras y perjudiciales en la limpieza del motor.

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2 Motores Eléctricos

2.1.2 Motores de Corriente Alterna Los motores de corriente alterna son aquellos que se alimentan con corriente alterna y se clasifican en base a su funcionamiento en motores universales, sincrónicos, de inducción o asincrónicos, entre otros.

Motor Universal Los motores universales son motores en serie de potencia fraccional, son diseñados para utilizarse tanto en corriente continua como en corriente alterna, donde presentan la misma característica de velocidad y par. Los de menor tamaño no necesitan tener devanados compensadores ya que cuentan con un reducido número de espiras en su armadura, por lo que su reactancia de armadura también lo es. Debido a esto su costo es relativamente bajo, por lo que es ampliamente aplicado donde se necesite gran velocidad con cargas pequeñas, o velocidad reducida con un par elevado, como en aparatos domésticos ligeros como aspiradoras, taladros de mano, licuadoras, batidores, ventiladores, sopladores, entre otros. Los de mayor tamaño necesitan compensación.

Motor Sincrónico Los motores sincrónicos se caracterizan por tener velocidad de giro constante, es decir, sincrónica, la que depende de la frecuencia de la alimentación y del número de pares de polos. Si funciona con cargas elevadas, o de importancia, pierde su sincronismo y se detiene.

Motor Asincrónico Los motores asincrónicos, de inducción, se caracterizan por no necesitar escobillas ni colector. El devanado del estator es alimentado con corriente alterna, produciéndose un campo magnético giratorio, el que induce una tensión en el rotor debido a la ley de inducción de Faraday. Del mismo modo induce corrientes en el devanado del rotor, las que por ley de Lenz producen un campo magnético opuesto, por lo que el rotor gira, tendiendo a igualar la velocidad del campo magnético giratorio, sin que esto se llegue a producir, ya que la variación de flujo es imprescindible para la existencia de corrientes en el devanado del rotor. A mayor diferencia entre la velocidad de giro del campo y la del rotor, mayores son las corrientes inducidas y, por ende, su campo. Debido a la estructura de ambos campos se consigue una velocidad permanente. El rotor gira debido al efecto motor, Laplace, el cual indica que: “todo conductor inmerso en un campo magnético por el que circule una corriente eléctrica experimentará una fuerza que lo tiende a poner en movimiento”. Al mismo tiempo, se da el efecto generador, Faraday, el que por su parte indica que: “se inducirá una tensión en todo conductor que se mueva en el seno de un campo magnético”.

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2 Motores Eléctricos El rotor de los motores asincrónicos puede ser de jaula de ardilla o bobinado. El que se estudia a continuación es el ampliamente más utilizado, y corresponde al motor de inducción trifásico con rotor jaula de ardilla. Los motores con rotor jaula de ardilla son compactos y tienen un núcleo de hierro laminado. El rotor se compone de conductores de cobre o aluminio, los cuales están soldados a los extremos circulares de metal, formando una espira con el conductor opuesto. Cuando el rotor se encuentra entre dos polos de campo electromagnéticos que han sido magnetizados por una corriente alterna, se induce una fuerza electromotriz en las espiras de la jaula de ardilla, circulando por ellas una elevada corriente, produciendo un campo lo suficientemente fuerte que interactúa con el flujo que lo produce, generando una fuerza sobre el conductor. Para su arranque es necesario un campo. En este tipo de motores se encuentra una gran variedad y adaptabilidad en los rotores, los cuales se construyen en base a una norma de diseño, perteneciendo a una determinada clase (NEMA). Debido a que el motor de inducción es el más utilizado dentro de la industria, y dentro de éstos el más presente es el trifásico con rotor jaula de ardilla, será éste el que se considera para realizar este estudio.

Figura 2-1: Motor Eléctrico Trifásico

Debido a que el motor de inducción, mostrado en la Figura 2-1, es el más utilizado dentro de la industria, y dentro de éstos el más presente es el trifásico con rotor jaula de ardilla, será éste el que se considera para realizar este estudio.

2.2 Motores Eléctricos de Eficiencia Estándar Los motores estándar son aquellos que tienen una eficiencia menor o igual a los que están definidos por la norma NEMA 12-10 del año 1998. El valor de esta eficiencia también coincide con la denominación EFF2 del “European Labelling Scheme 7”.

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2 Motores Eléctricos En todas las normas se hace distinción entre los motores abiertos y los totalmente cerrados, siendo estos últimos los mayormente utilizados, ya que como este tipo de motor se enfría en forma externa, evita que la contaminación del aire externo deteriore las partes internas de éste. A continuación se muestran los valores de las eficiencias de los motores estándar enteramente cerrados, de dos, cuatro, seis y ocho polos, para distintas potencias, según la norma NEMA MG1-1998 [1]. Tabla 2-1: Tabla NEMA 12-10 Motores Totalmente Cerrados (TEFC) [1]

Potencia (HP) 1 1.5 2 3 5 7.5 10 15 20 25 30 40 50 60 75 100 125 150 200 250 300 350 400 450 500

2 polos Nominal 75.5 82.5 84.0 85.5 87.5 88.5 89.5 90.2 90.2 91.0 91.0 91.7 92.4 93.0 93.0 93.6 94.5 94.5 95.0 95.4 95.4 95.4 95.4 95.4 95.4

4 polos Nominal 82.5 84.0 84.0 87.5 87.5 89.5 89.5 91.0 91.0 92.4 92.4 93.0 93.0 93.6 94.1 94.5 94.5 95.0 95.0 95.0 95.4 95.4 95.4 95.4 95.8

6 polos Nominal 80.0 85.5 86.5 87.5 87.5 89.5 89.5 90.2 90.2 91.7 91.7 93.0 93.0 93.6 93.6 94.1 94.1 95.0 95.0 95.0 95.0 95.0

8 polos Nominal 74.0 77.0 82.5 84.0 85.5 85.5 88.5 88.5 89.5 89.5 91.0 91.0 91.7 91.7 93.0 93.0 93.6 93.6 94.1 94.5

2.2.1 Características. Los motores de eficiencia estándar son aquellos motores que presentan una eficiencia de funcionamiento normal (la primera generación de motores y hasta 1990). Estos se caracterizan por presentar una eficiencia menor a los denominados motores de alta eficiencia.

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2 Motores Eléctricos

2.2.2 Utilización. La utilización de los motores de eficiencia estándar es más conveniente en situaciones cuando éste no opera en forma continua, presentando un número no mayor de horas de operación, o cuando el motor no pertenece a la línea de producción principal de la empresa a la que presta servicio.

2.3 Motores Eléctricos de Alta Eficiencia El constante incremento de los costos de la energía eléctrica y las restricciones establecidas sobre la conservación del medio ambiente, hicieron que, en países industrializados como Estados Unidos y algunos países europeos, se dictaran políticas y se aprobaran legislaciones respecto al uso de la energía. Considerando que aproximadamente el 60 por ciento de la energía total generada en el mundo la consumen los motores eléctricos, y que el más utilizado es el motor de inducción con rotor de jaula de ardilla, surgió entre las medidas más prometedoras para el ahorro de la energía, establecer el incremento obligatorio de la eficiencia de estos motores. Al pensar en un ahorro de energía, la idea más recurrente es disminuir la potencia de los artefactos conectados a una instalación. Debido a esto, se puede creer que el ahorro de energía mediante motores no está tan generalizado, pues resulta evidente que, al reemplazar un consumo por otro de potencia menor, se genera un ahorro. Pero, ya que los motores eléctricos se venden en base a su valor nominal de salida (potencia en caballos de fuerza, HP) y no por su potencia de entrada, la medida usada para evaluar las diferencias entre motores es su eficiencia nominal. Es en base a lo expuesto con anterioridad, es que se pueden obtener importantes ahorros de energía minimizando las pérdidas que la instalación presenta, usando para este fin motores de inducción trifásicos de eficiencia mejorada. Por su diseño, los motores de eficiencia superior reducen los costos de operación a cualquier nivel de carga, incluso al funcionar sin esta. Los motores de alta eficiencia o NEMA Premium son aquellos que cumplen con la norma NEMA Premium 8 [2](NEMA Standards MG 1-2003) y coinciden, muy aproximadamente, con la denominación EFF1 del “European Labelling Scheme". Los motores de alta eficiencia son una gran alternativa a considerar en este estudio, por lo que es importante tener una referencia de la eficiencia que entregan dependiendo de su potencia en caballos de fuerza, HP. A continuación, en la Tabla 2-2, se muestran los valores mínimos de eficiencia que deberán poseer los motores de alta eficiencia de dos, cuatro y seis polos, para distintas potencias, según la norma NEMA Premium.

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2 Motores Eléctricos Tabla 2-2: Tabla de Eficiencia Mínima de Motores según NEMA Premium [2]

Potencia (HP) 3 5 7.5 10 15 20 25 30 40 50 60 75 100 125 150 200

2 polos Nom. 88.5 89.5 91.0 91.7 91.7 92.4 93.0 93.0 93.6 94.1 94.1 94.5 95.0 95.4 95.4 95.8

4 polos Nom 89.5 89.5 91.7 91.7 92.4 93.0 93.6 93.6 94.1 94.5 95.0 95.4 95.4 95.4 95.8 96.2

6 polos Nom 89.5 89.5 91.7 91.7 92.4 92.4 93.0 93.6 94.1 94.1 94.5 95.0 95.4 95.4 95.8 95.8

2.3.1 Características Los motores de alta eficiencia tienen un funcionamiento altamente eficiente debido a que son diseñados y construidos en forma especial, presentando menores pérdidas que los motores de eficiencia estándar, lo que significa que el motor consume menos energía para realizar el mismo trabajo que un motor normal. La primera generación de motores de alta eficiencia logró un 25 por ciento de pérdidas menos que un motor estándar de diseño NEMA B. Usando diseños, materiales y procesos de fabricación mejorados los fabricantes aspiran obtener una alta eficiencia. Entre los fabricantes que están en esta senda se tienen: x General Electric: Energy Saver. x Reliance Electric Co: XE Energy Efficient. x Baldor Electric Co: Super E. x Magnetek/Louis Allis Spartan: High Efficiency. x US Electrical Motors: Corro – Duty Premium Efficiency. x Siemens: Premium Efficiency. x Toshiba: Premium Efficiency, entre otros. Los motores de alta eficiencia presentan entre un 2 por ciento y un 6 por ciento más de eficiencia que los motores de eficiencia estándar.

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2 Motores Eléctricos Es importante considerar que los motores de alta eficiencia presentan numerosas ventajas por sobre la de motores de eficiencia estándar. Entre sus ventajas se tiene que: x Presentan una eficiencia mayor que los motores de eficiencia estándar. x Los costos de operación del motor son menores, posibilitando la recuperación de la inversión adicional en un tiempo razonable, sobre todo si se opera a su carga nominal. x En algunos casos el costo de la energía en un año corresponde, aproximadamente, seis veces el costo de comprar un motor nuevo [2]. x Poseen un menor deslizamiento, operando a una mayor velocidad [2]. x Presentan una mejora en la ventilación, por lo que son capaces de resistir mayores temperaturas ambiente. x Están mejor construidos y normalmente son más robustos. x Producen menos gastos de mantenimiento. x Tienen mayor tiempo de vida útil. x La vida del aislamiento y del lubricante es más larga, lo que produce un menor tiempo improductivo. x Asimismo, por su diseño específico, tienen la capacidad de tolerar mayores variaciones de voltaje. x Presentan un beneficio extra, ya que al generar menor calor residual en el espacio que rodea al motor, es posible reducir, en parte, la ventilación y/o acondicionamiento de aire del lugar donde presta servicio, lo que reporta ahorros adicionales. Como limitación se considera que: x

Puede ser que se ocasione un incremento en la carga, debido a que operan con una mayor velocidad, sobre todo cuando se accionan ventiladores o bombas centrífugas.

x

Aunque tardan más tiempo en fallar, lo hacen por los mismos motivos que los de eficiencia estándar: calor, sobrecargas, peaks de voltajes, problemas mecánicos, entre otros.

2.3.2 Utilización Aun cuando se tiene presente que la utilización de motores de alta eficiencia es una opción bastante conveniente, la inclinación por su aplicación debe provenir de un análisis, para determinar, principalmente, la continuidad con que deberá operar el motor.

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3 Normativa para Motores Existen normativas que buscan regular la construcción de los motores eléctricos, vigilando los materiales y procedimientos con que se realizan, con el objetivo de resguardar su buen funcionamiento. A continuación se muestra las normas Chilenas y NEMA [4].

3.1 Norma Chilena Con el fin que las instalaciones cumplan con los requisitos necesarios para su buen funcionamiento, tanto para la industria como para la sociedad, se crean normas, las cuales deben ser acatadas. Las normas Chilenas están basadas en normas internacionales. Para crear una norma Chilena existe un número de etapas a seguir, las que se exponen a continuación: x

Se solicita un estudio al INN.

x

Se crea un anteproyecto de la norma.

x

Un comité técnico estudia el anteproyecto.

x

El INN realiza una consulta pública.

x

Una vez constituida el comité técnico estudia el proyecto.

x

Se realiza la versión final del proyecto de norma.

x

El consejo del INN lo aprueba como norma Chilena.

x Se oficializa en el ministerio. En base al tema a tratar, las normas que atañen son: x

NCh1437/411.Of2007: Vocabulario Electrotécnico Internacional Parte 411. “Máquinas Eléctricas Rotatorias”. Esta norma se estudió para definir los términos usualmente empleados en las máquinas eléctricas rotatorias, aplicándose a éstas mismas.

x

NCh2096/1. Of2007. IEC 60034-1.2004: Máquinas Eléctricas Rotatorias Parte 1. “Clasificación y Comportamiento”.

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3 Normativa para Motores Esta norma se aplica a todas las máquinas rotatorias con excepción de aquéllas que son objeto de otras normas IEC, como por ejemplo, IEC 60349. Las máquinas comprendidas en el alcance y campo de aplicación de esta norma pueden estar sometidas también a otros requisitos que figuren en otras publicaciones, que anulen, modifiquen y complementen las de esta norma, como por ejemplo en IEC 60079 e IEC 60092. NOTA - Si fuera necesario modificar algunos capítulos de esta norma con el fin de permitir aplicaciones especiales, por ejemplo, máquinas sometidas a radiactividad o máquinas para aplicaciones aeroespaciales, todos los demás apartados son aplicables mientras sean compatibles con esas especificaciones particulares. x

NCh2096/2.Of2007. IEC 60034: Máquinas Eléctricas Rotatorias parte 2. “Determinación de Pérdidas y Eficiencia a partir de Ensayos”. Esta norma es una homologación de la norma internacional IEC 60034-2: 1972, siendo equivalente a la misma. Remplaza y anula la norma Chilena oficial NCh2096 de 1999 “Motores Eléctricos - Clasificación Según la Eficiencia de Motores Eléctricos de Inducción Jaula de Ardilla”. Esta norma establece los métodos de ensayo para determinar las pérdidas de energía eléctrica y la eficiencia energética de las máquinas eléctricas rotatorias, a partir de ensayos, y especifica los métodos que permiten obtener las pérdidas particulares, cuando es necesario conocerlas para otros fines. Se aplica a las máquinas de corriente continua y de corriente alterna, sincrónicas y de inducción, de todas dimensiones, que están dentro del alcance de la publicación IEC 60034-1. Sus principios se pueden aplicar a máquinas de otros tipos, tales como: convertidores rotatorios, motores conmutadores de corriente alterna y motores de inducción monofásicos, para los cuales se aplican en general otros métodos de determinación de pérdidas. Esta norma no se aplica a máquinas para vehículos a tracción. Se establecen métodos de ensayo para medir la eficiencia energética en función de la potencia de entrada, la potencia de salida y las pérdidas. Los organismos participantes en la revisión y elaboración de esta norma fueron: o Comisión Nacional de Energía o Instituto Nacional de Normalización o Centro de Estudios, Medición y Certificación de Calidad o Servicio Nacional del Consumidor o Universidad Técnica Federico Santa María o Ingeniería H. Wallem y Cía. Ltda o ENDESA o Chilectra

x

NCh2096/17.Of2008. IEC/TS 60034-17 2006: Máquinas Eléctricas Rotatorias - Parte 17: Motores de Inducción Jaula de Ardilla Alimentados por Convertidores.

x

NCh3086.Of2008: Eficiencia energética en Motores Eléctricos de Inducción Trifásicos. “Clasificación y Etiquetado”. Esta norma establece el procedimiento de certificación y 15

3 Normativa para Motores etiquetado de eficiencia energética para motores trifásicos de inducción tipo jaula de ardilla. Especifica el rendimiento del motor dependiendo de la potencia y del número de polos que éste posee. Esta norma se aplica a motores que poseen las siguientes características: o Funcionamiento en corriente alterna trifásica en la frecuencia nominal de 50 (Hz) y en baja tensión. o Una sola velocidad nominal. o Potencias nominales menores de 370 (kW) en las polaridades de 2, 4 y 6 polos. o Para funcionamiento continuo, o clasificado como funcionamiento S1, ver NCh2096/1, sea del tipo cerrado con ventilación externa o abierta (• IP21), acoplada o solidaria al propio eje de accionamiento del motor eléctrico. x

NCh3106.Of2007. IEC 61972 2002: Máquinas Eléctricas Rotatorias. Determinación de Pérdidas y Eficiencia de Motores de Inducción de Jaula de Ardilla.

3.2 Norma NEMA La Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos creó un conjunto de estándares con el fin de facilitar la selección de un gabinete, estableciendo algunas clasificaciones de índices de protección del equipamiento. Éste tendrá en su interior, los elementos ambientales que pudieran dañarle, como la suciedad, el polvo, el agua y otros agentes corrosivos. Para asegurar una elección apropiada, se recomienda realizar un análisis de la aplicación que tendrá y del ambiente en que estará funcionando antes de seleccionar el producto. A continuación, en la Tabla 3-1, se muestran los tipos de clasificaciones según la norma NEMA [4]. Tabla 3-1: Tipos de Clasificaciones. [4]

Tipo 1 Tipo 2 Tipo 3 Tipo 3R Tipo 3S Tipo 5 Tipo 6

Para propósitos generales A prueba de goteos Resistente al clima Sellado contra la lluvia Sellado contra la lluvia, granizo y polvo Sellado contra polvo Sumergible

Tipo 6P

Contra entrada de agua durante sumersiones prolongadas a una profundidad limitada

Tipo 7 (A, B, C ó D)

Locales peligrosos, clase I: equipos cuyas interrupciones ocurren en el aire

Tipo 8 (A, B, C ó D) Tipo 9 (E, F, ó G)

Locales peligrosos, clase I: aparatos sumergidos en aceite Locales peligrosos, clase II

Tipo 10

U.S. Bureau for mines: A prueba de explosiones (para minas de carbón con gases)

Tipo 11 Tipo 13

Resistente al ácido o a gases corrosivos: sumergidos en aceite A prueba de polvo

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4 Alternativas a Analizar para la Toma de Decisión: Rebobinar o Reemplazar. Al enfrentarse a un motor que ha fallado resulta imprescindible realizar un análisis de las opciones que se presentan, seleccionando finalmente la más conveniente, tanto del punto de vista técnico como económico. Los motores fallan principalmente debido al desgaste que se produce en su aislación, entre otros problemas. Cuando un motor falla, los usuarios de estos se ven enfrentados a decidir si hay que repararlo, rebobinándolo, o reemplazarlo, adquiriendo uno nuevo, ya sea de eficiencia estándar o de alta eficiencia. Decidir si se debe rebobinar o reemplazar el motor que ha fallado no debe basarse sólo en una comparación de la placa de los motores, pues el motor viejo probablemente funciona con menos eficiencia de la que dice su placa, debido al envejecimiento y al daño producido por rebobinados anteriores. Por otra parte, si el motor viejo está mal dimensionado, al reemplazarlo se tendrá la posibilidad de utilizar un motor dimensionado correctamente, adquiriendo un motor que tenga las características que realmente necesite su carga. Del mismo modo, como en la gran mayoría de los casos los motores están sobredimensionados, reemplazarlos posibilita adquirir motores más pequeños, lo que disminuye la inversión inicial, y, más importante aún, los costos de energía consumida. Por su parte, aun cuando los motores de alta eficiencia fallan por las mismas razones que los de eficiencia estándar, tardan más en hacerlo, por lo que presentan una vida útil más larga. Conjuntamente con lo anterior, si bien es cierto que por lo general el rebobinado de un motor, en comparación al reemplazo, implica un menor costo inicial, especialmente en motores grandes, estos presentan una disminución en la eficiencia, lo que a la larga aumenta la conveniencia de reemplazar por sobre rebobinar.

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4 Alternativas a Analizar para la Toma de Decisión: Rebobinar o Reemplazar.

4.1 Rebobinar el Motor Fallado Al rebobinar el motor que ha fallado se tendrá un motor que presente ciertas características que pueden afectar la producción de la empresa en la que éste opera. Una de las principales preguntas que se tiene presente al momento de inclinarse por la alternativa de rebobinar el motor que ha fallado, es cuánto disminuirá la eficiencia nominal de éste. Esta disminución dependerá de los procesos utilizados para realizar la reparación del motor que ha fallado. Rebobinar un motor consiste en quitar el bobinado existente en el estator que está fallado, debido generalmente al desgaste producido por los años que ha operado, ya que el calentamiento asociado a esto envejece más rápidamente el aislamiento de los conductores de las bobinas, y volver a bobinarlo con alambre nuevo. La tarea más crítica en la mayoría de la reconstrucción de motores es precisamente esta, ya que se debe quitar el viejo bobinado sin dañar las láminas de acero y, a continuación, volver a bobinarlo alrededor de las láminas anteriores. Los factores característicos de la alternativa de rebobinar el motor fallado, los cuales deben ser considerados con mayor atención, son: el porcentaje de disminución de la eficiencia, el tiempo de realización de la reparación y su costo, la confiabilidad, los costos adicionales en que se incurren debido a las reparaciones y mantenciones necesarias posteriores, la vida útil que a éste le resta, la hoja de vida, condiciones de funcionamiento, entre otros. Todos estos factores son detallados en el capítulo 5 del presente estudio, el cual trata de la importancia de realizar un análisis del motor fallado para determinar la alternativa más conveniente, concretamente en la sección 5.1, denominada “Factores Considerados”.

4.1.1 Rebobinado Convencional Los procedimientos y prácticas de rebobinado fueron evaluados en base a la norma ISO, demostrando que la manera tradicional de rebobinar los motores provoca una disminución importante en la eficiencia de estos, debido a que al momento de retirar el bobinado dañado se les somete a un gradiente de temperatura extremo y a golpes. Si un motor es rebobinado en más de una ocasión, la disminución en la eficiencia es mayor aún, aproximándose a un 5 por ciento [5]. El calor, las sustancias químicas, o la fuerza mecánica son las técnicas que se utilizan comúnmente para aflojar y quitar los bobinados viejos. El uso excesivo de cualquiera de estas puede causar daños al núcleo. El trabajo incorrecto de la máquina, los cojinetes de reemplazo, el diámetro del alambre y la técnica con que se bobina, en conjunto, provocan que el motor reparado presente un funcionamiento pobre, con una eficiencia disminuida. Los estudios demuestran que al rebobinar el motor por medio de técnicas inadecuadas, la eficiencia de éste puede disminuir entre un 3 a un 7 por ciento, lo que se traduce en un aumento

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4 Alternativas a Analizar para la Toma de Decisión: Rebobinar o Reemplazar. del consumo eléctrico, por lo que es fundamental, a la hora de rebobinar el motor, prestar el debido cuidado a los procesos que se usarán en la reparación. Considerando entonces que el proceso con que se repara es el adecuado, se adopta, para la opción del rebobinado convencional, una disminución de la eficiencia tras ser sometido a la reparación del 2 por ciento [6], esto debido a que es preciso someterlo a condiciones extremas de temperatura, al aplicarle fuego, y golpes para remover el bobinado dañado, como anteriormente se indicó. Algunas de las características que tiene la opción de rebobinar convencionalmente un motor son: El costo de rebobinar el motor que ha fallado es menor que el de reemplazarlo, sin embargo a este costo se le deben agregar los que se presentan por concepto de reparaciones y mantenciones sucesivas a las que debe someterse el motor rebobinado, pues éstos son mayores de los que se tienen al trabajar con un motor nuevo. Se considera que un motor rebobinado necesita mantenciones por cambio de rodamientos aproximadamente cada 8000 horas de funcionamiento, lo que para un motor que opera en forma continua corresponde a 1 año. Lo anterior indica que no es posible determinar a primera vista que es más conveniente, debiendo realizar el análisis antes mencionado, ya que los costos anexos son importantes a la hora de la evaluación. La probabilidad de falla que presenta un motor tras ser rebobinado aumenta, lo que conlleva a que la confiabilidad con que este opera dentro, del proceso productivo de la empresa en la que presta servicio, disminuye en la misma proporción. El rebobinar un motor implica un plazo de entrega mucho mayor que el de comprar uno nuevo, considerando que se trate de un motor de diseño estándar. El tiempo que tome rebobinar es proporcional al tamaño del motor y al precio que se pague por el trabajo de rebobinado, ya que en algunas empresas de rebobinado es posible pagar un precio extra por el trabajo en virtud del tiempo que tome realizar la reparación. Se considera que la vida útil de un motor rebobinado corresponde a los años de funcionamiento que le quedan, es decir, depende de los años que ha operado el motor hasta el momento de fallar. Esto desde el punto de vista de la placa.

4.1.2 Rebobinado Eficiente La industria de la reparación de motores evolucionó gracias a que la norma ISO forzó a una reevaluación de las prácticas y procedimientos, particularmente en el lado de metrología del negocio. Existen proposiciones que indican que durante el proceso de reparación de motores trifásicos de inducción de baja tensión y de mediana capacidad, es posible mantener e incluso aumentar la eficiencia de su funcionamiento mediante procesos y tecnologías relacionados con la reparación de los devanados y de sus sistemas, los cuales están basados en un proceso de reparación de alta

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4 Alternativas a Analizar para la Toma de Decisión: Rebobinar o Reemplazar. calidad de los devanados, requiriendo la realización de pruebas, las que deben hacerse antes, durante y después del proceso de reparación del motor. Para garantizar una alta calidad en motores reparados, el empleo constante de equipos de pruebas y procedimientos de documentación debe ser parte integral en el proceso de reparación, de modo que la eficiencia del motor y la calidad de sus componentes puedan ser verificadas antes que el motor sea puesto nuevamente en servicio. Durante la reparación de los devanados del motor es posible reducir las pérdidas y aumentar la capacidad de sobrecarga realizando ciertas acciones, como utilizar prácticas menos invasivas de retiro del devanado fallado y rediseñar el bobinado con el fin de aumentar la eficiencia para paliar la disminución de esta, por lo anteriormente mencionado. La tecnología actual demuestra que es posible mantener o incluso mejorar la eficiencia del motor, en un pequeño porcentaje, realizando un determinado procedimiento de rebobinado [5]. Una de las proposiciones dispone que para lograr lo anteriormente mencionado se aplican procesos mejorados durante la reparación, utilizando un horno de Pirolisis, el cual permite someter al bobinado a una temperatura de 350 grados Celsius en forma controlada, para así poder retirarlo del núcleo sin dañar las láminas del núcleo magnético. El calentamiento es hecho en un horno donde las zonas de temperaturas están controladas con una precisión de aproximadamente 10 grados Fahrenheit, con límites de 700 grados Fahrenheit, correspondientes a 370 grados Celsius, distribuidos uniformemente. El hierro principal resulta tanto mecánica como eléctricamente inalterado. Por otra parte, técnicas químicas más seguras han mostrado recientemente que es posible quitar el barniz sin el peligro del daño térmico. Los procedimientos para reparar las bobinas también han cambiado, ahora los reemplazos de estas son hechos con la superposición de capas de cinta aislante que, por si misma, tienen una alta fuerza dieléctrica. Además del aislamiento, esta nueva cinta también proporciona una superficie porosa, la que le otorga adherencia al nuevo barniz de impregnación de vacío/presión. Los materiales usados en los rebobinados se han desarrollado para mejorar el funcionamiento del motor, creando nuevas resinas fuertemente dieléctricas y mecánicas. Hoy en día, el proceso de realizar mediciones y balanceo de piezas rotatorias es más preciso. Incluso en los grandes rotores y armaduras los desequilibrios se mantienen por debajo de 0,1 mil o mejor. Un estudio de la Asociación de Servicios de Aparatos Eléctricos, y la Asociación de Profesionales Eléctricos y Mecánicos, EASA/AEMT, expresó que: “Los buenos métodos de reparación practicados mantienen la eficiencia dentro del rango de certeza que es posible medir usando procedimientos estándares de la industria, aproximadamente 0,2 por ciento, y a veces la puede mejorar”. Esto se cumple tanto para motores eficientes como para estándares. 20

4 Alternativas a Analizar para la Toma de Decisión: Rebobinar o Reemplazar. La nueva tecnología de rebobinado no mejorará un motor estándar al punto que pueda competir con un motor de alta eficiencia, pero hace los rebobinados de ambos tipos de motores más atractivos, particularmente si la nueva eficiencia es incluida en la placa principal. Para motores de alta eficiencia esta alternativa es relativamente buena, fallando por motivos eléctricos, y no mecánicos o térmicos [5]. En base a estos procedimientos, la ganancia de eficiencia reportada después de rebobinar, en motores de alta eficiencia, es de 0,5 por ciento, mientras que en motores estándar puede llegar a ser de hasta un 1,5 por ciento [5]. Es importante a su vez poner cuidado en que el número de vueltas del bobinado y el calibre del conductor no cambie, al igual que la longitud de las bobinas no aumente, para lo cual es primordial medir la longitud de las cabezas de bobina y corroborar que esta permanezca luego del rebobinado. Con estas precauciones se asegura que la resistencia del bobinado se mantenga constante, por lo que las pérdidas en los conductores del estator también se conserven inalterables. También existe la posibilidad de realizar un rebobinado eficiente disminuyendo las pérdidas en los conductores del estator. Éste consiste en reemplazar las bobinas dañadas del estator perteneciente al motor fallado, rediseñando sus parámetros para reducir la longitud del cable del bobinado del estator, haciendo posible con esto la disminución de las pérdidas, y por ende, mejorando en, al menos, un 3 por ciento la eficiencia del motor [6]. Cabe destacar que el rediseño de los parámetros del bobinado del motor debe ser tal que permita disminuir las pérdidas, y con esto aumentar la eficiencia en un grado tal que sea capaz de contrarrestar la disminución que se produce durante el proceso de rebobinado, considerando que éste se realiza en forma convencional. Disminuyendo la resistencia del devanado del estator es posible aumentar la eficiencia, esto se logra reduciendo la longitud de las cabezas de las bobinas y aumentando el área del conductor, es decir, la sección de éste, en, a lo más, un número AWG. Se pueden realizar combinaciones de hilos en paralelo para lograr valores menores., cuidando que el nuevo conductor sea acorde con el grosor de las ranuras. Al reducir las pérdidas en el devanado, la eficiencia aumenta y el incremento de temperatura disminuye, lo que conlleva un aumento de la vida útil del motor. Por otra parte, al reducir las pérdidas y a la vez utilizar un sistema de aislamiento de una clase mayor, es decir, aumentar la temperatura nominal del aislamiento, el motor también es capaz de funcionar con una mayor sobrecarga, debido a que esta depende del momento máximo del motor y de la capacidad térmica nominal que tenga el aislamiento de éste, haciendo posible que la eficiencia varíe en forma favorable o desfavorable, dependiendo de cómo esté diseñado el motor. Cuando el motor opera en condición de sobrecarga, éste presenta un mayor deslizamiento, lo que provoca una corriente más elevada, y por ende, mayores pérdidas, además de un incremento de

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4 Alternativas a Analizar para la Toma de Decisión: Rebobinar o Reemplazar. temperatura, por lo que al evitar que el motor opere bajo esta condición, se logra una reducción en las pérdidas, aumentando de esta forma la eficiencia de funcionamiento del motor. Al aumentar la capacidad de sobrecarga del motor, el factor de servicio también aumenta, ya que éste corresponde al porcentaje de sobrecarga que puede tener el motor antes de que su temperatura de operación exceda la temperatura nominal del sistema de aislamiento. A medida que aumenta la potencia de salida, en base a una misma potencia de entrada, también lo hace la eficiencia nominal, incrementándose con esto la dificultad, y por ende, el costo que significa mejorar la eficiencia. Se debe calcular la eficiencia que resulte del nuevo valor de pérdidas, ya sea por medios experimentales o a partir de las dimensiones. A continuación se muestra, en la Tabla 4-1, la reducción requerida en las pérdidas en los conductores para aumentar la eficiencia en un punto. En esta tabla se puede comprobar que para mejorar un punto en la eficiencia, si se consideran sólo las pérdidas en los conductores del estator y del rotor, es necesario que las pérdidas se reduzcan en forma creciente. Tabla 4-1: Reducción Requerida en las Pérdidas de los Conductores para Aumentar la Eficiencia en un Punto

Potencia (HP)

Eficiencia Nominal

Eficiencia Incrementada

Reducción Requerida en Pérdidas en Conductores

1 5 25 50 100 200

73 83 89 90.5 91.5 93

74 84 90 91.5 92.5 94

8 11 16 19 28 38

Algunos talleres de rebobinado aseguran que, aun cuando se rebobine con un conductor de mayor sección o se mejore la clase del sistema de aislamiento, aumentando con esto la temperatura nominal, no es posible aumentar la potencia nominal sin antes realizar un análisis riguroso, esto debido a que estos cambios no aumentan el momento de arranque ni el momento máximo, siendo las normas NEMA e IEC las encargadas de especificar los valores mínimos de los momentos correspondientes a cada potencia de salida y velocidad nominal. Tanto el momento de arranque como el momento máximo se obtienen en gran proporción de las reactancias y resistencias del estator y del rotor, las cuales permanecen prácticamente constantes si las vueltas efectivas del devanado no varían. Si bien es cierto la opción de rebobinar eficientemente puede llegar a ser, en términos de costo por materiales, interesante económicamente, en comparación a rebobinar convencionalmente, y a adquirir un motor nuevo, se debe considerar que necesita un estudio del devanado del motor

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4 Alternativas a Analizar para la Toma de Decisión: Rebobinar o Reemplazar. para poder rediseñar sus parámetros, como es su convención principal, lo que significa mayor tiempo de trabajo y mayor costo por concepto de estudio. Por otra parte, se necesitan controles estrictos en el procedimiento de retirar los devanados y volver a bobinar el estator, pues, aun cuando se tenga una menor longitud de cable en las bobinas de éste, y por ende, menores pérdidas, las láminas del estator generalmente se dañan al exponerse a situaciones críticas, por lo cual el motor reparado igualmente queda resentido. Los controles se realizan con el fin de poder comprobar si realmente se tiene una eficiencia mayor que con la que operaba el motor antes de someterlo a la reparación, si es que existe registro de esta; si no se tiene registro, se considera como tal la eficiencia de placa, debido a que no es posible obtenerla una vez fallado el motor, lo que significa que presente, a lo más, una leve mejoría. Debido a que la alternativa de rebobinar eficientemente conlleva un rediseño, estudios, pruebas y procedimientos de alta complejidad, encareciendo y dificultando la reparación, esta no se considera entre las posibles soluciones frente a un motor fallado.

4.2 Reemplazar el Motor Fallado por uno Nuevo La otra alternativa, al momento en que se debe decidir qué es lo más conveniente de realizar frente a un motor fallado, es la de reemplazar el motor adquiriendo uno nuevo. El motor que ha fallado puede ser reemplazado por uno de eficiencia estándar o por uno de alta eficiencia. En el caso de optar por reemplazar el motor fallado, se deben considerar con mayor atención los factores que caracterizan esta alternativa, como lo son el costo del motor nuevo, el ahorro de energía que se obtiene al contar con una mayor eficiencia, la amortización con que la empresa determina el tiempo que demorará en recuperar la inversión inicial, entre otros, los cuales son detallados en el capítulo 5 de este documento, el cual hace referencia a la importancia de realizar un análisis del motor fallado para determinar la alternativa más conveniente, más específicamente en la sección 5.1, titulada “Factores Considerados”, como precedentemente se indicó.

4.2.1 Motor de Eficiencia Estándar Al reemplazar el motor que ha fallado, adquiriendo uno nuevo de eficiencia estándar, implica que se tiene una máquina más confiable, con eficiencia de placa, con una vida útil propia de un motor nuevo, entre otras cosas, lo que se traduce en una probabilidad mínima de fallar en la línea de producción de la empresa en la que el motor presta servicio. Lo anterior significa que el motor comienza prestando servicio en la línea productiva con todas sus capacidades en forma óptima, garantizando un buen funcionamiento. La vida útil que presentan los motores de eficiencia estándar es, por lo general, de 15 años, lo que en comparación a la opción de rebobinar, significa más tiempo de funcionamiento a disposición. Como anteriormente se mencionó, al tener un motor nuevo, se tiene una baja probabilidad de falla, lo que significa que la confiabilidad con que opere éste en los procesos productivos, es alta. 23

4 Alternativas a Analizar para la Toma de Decisión: Rebobinar o Reemplazar. El costo de comprar un motor nuevo de eficiencia estándar es mayor que el de realizar el trabajo de rebobinar el motor dañado. Sin embargo, si se le realizan las mantenciones necesarias y en forma oportuna, además de las reparaciones a las que se tiene que someter un motor de estas características, los costos que estas reparaciones significan, son mínimos, tomando en cuenta que se trata de un motor nuevo, e incluso nulas dentro de los primeros años de funcionamiento. En la misma senda, se tiene que el cambio de rodamientos se considera necesario al cumplirse 25.000 horas de operación, lo que en un motor de funcionamiento continuo significa cada 3 años aproximadamente. Siendo éstos los costos que deben sumarse al de comprar un motor nuevo de eficiencia estándar. La eficiencia que esta alternativa presente depende de la que tenga el motor adquirido, lo que en muchos casos implica una mejoría con respecto a la que tenía el motor que ha fallado, si se considera que éste pertenecía a una generación antigua. Si la eficiencia que tiene el motor adquirido de eficiencia estándar es mayor que la que presentaba el motor antes de fallar, desencadena un ahorro por concepto de energía consumida por el motor, el cual es proporcional a la diferencia entre la eficiencia antigua y la actual. El costo de este ahorro es el que determina el tiempo que toma la recuperación de la inversión que significó haber adquirido un motor nuevo de eficiencia estándar. Los tiempos de entrega considerados al inclinarse por esta alternativa, dependen del diseño del motor que se esté reemplazando y de la potencia que éste deba tener, ya que si se trata de un motor de diseño estándar y de una potencia menor a 500 (HP), lo más probable es que se encuentre en stock en las fábricas o distribuidores del rubro, lo que hace posible contar con el nuevo motor en la línea de producción en un tiempo bastante limitado, incluso dentro de 24 horas [7]. Si por el contrario se trata de un motor de diseño especial o de una potencia mayor a 500 (HP), es necesario comprarlo a pedido y con anticipación, pues la mayoría de las empresas de renombre tienen comprometida su producción casi con un año de anticipación, lo que implica que el tiempo de entrega aumenta considerablemente, perjudicando la continuidad en la línea de producción en la que éste presta servicio. Es por lo expuesto anteriormente que resulta importante recomendar poseer un stock en la bodega de la propia empresa, sobre todo si se trata de un motor con funcionamiento permanente y primordial en el proceso productivo de la empresa.

4.2.2 Motor de Alta Eficiencia Por otra parte, reemplazar el motor que ha fallado, adquiriendo uno nuevo de alta eficiencia, implica que se tienen grandes ventajas, ya que presenta una mayor eficiencia. Lo anterior significa una disminución importante en los costos por concepto de energía consumida por el motor, lo que se traduce en una mejoría en el aspecto económico de la empresa en la que el motor eficiente presta servicio. Por tratarse de un motor nuevo, el funcionamiento que éste presenta es con todas sus capacidades en forma óptima, garantizando una buena operación en la línea productiva.

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4 Alternativas a Analizar para la Toma de Decisión: Rebobinar o Reemplazar. Una de las grandes ventajas que tiene esta clase de motores es que presentan una vida útil extensa, debido en gran parte a que operan con una temperatura reducida, lo que hace que el aislamiento de éste se conserve de mejor manera y por más tiempo. La vida útil que presentan es, por lo general, de 20 años, siendo esta opción la que mayor vida útil otorga, lo que implica que la inversión extra que se debe hacer para adquirirlo corresponde, entre otras cosas, a tener un motor en funcionamiento por un tiempo considerablemente mayor, en comparación a las demás alternativas vistas, con el consiguiente ahorro de energía y dinero, como anteriormente se expuso. La confiabilidad con que opera un motor nuevo, que además es de alta eficiencia, es muy elevada, por lo que la probabilidad que éste falle en el proceso productivo al que pertenece, es mínima. Una de las características de reemplazar el motor fallado por uno nuevo de alta eficiencia, que puede convertirse en un desincentivo para optar por esta, es el costo que esto implica, ya que la inversión inicial de adquirir un motor nuevo de estas características es mayor que la de adquirir un motor nuevo de eficiencia estándar, y considerablemente más importante que rebobinar el motor dañado. No obstante, si el motor se mantiene funcionando en forma correcta, con condiciones de operación normales de acuerdo a su diseño, y se le realizan en forma oportuna las mantenciones necesarias; las reparaciones a las que debe someterse, y en consecuencia los costos asociados a estas, son mínimas, considerando que se trata de un motor nuevo de alta eficiencia, incluso, dentro de los primeros años de funcionamiento, estas pueden considerarse nulas. Con respecto a las mantenciones, los rodamientos para esta clase de motores son más costosos que para motores de eficiencia estándar. Sin embargo, en este caso, es necesario realizar el cambio de estos cumplidas las 50.000 horas de operación, lo que en un motor de funcionamiento continuo es cada 6 años, aproximadamente. Son los costos asociados a estas mantenciones, los que se suman a la inversión inicial. La principal característica y ventaja de los motores de esta clase, es que presentan una alta eficiencia, lo que significa que se tiene una importante mejora con respecto al consumo que tenía el motor que ha fallado. La eficiencia con que se cuente depende de la que tenga el motor adquirido. De acuerdo a esta se establece el consumo de energía que esta opción presente. La diferencia que se tenga entre la eficiencia que se tenía antes que fallara el motor y la que se tiene con el motor nuevo de alta eficiencia, determina el ahorro por consumo de energía que se alcanza. Este costo es un agente de gran importancia al momento de determinar la conveniencia de la alternativa más rentable, ya que junto al grado de carga y al precio por energía ($/kW-H), se obtiene con qué rapidez es posible recuperar la inversión inicial extra que fue necesaria para adquirir un motor nuevo de alta eficiencia. Los tiempos de entrega para este caso se comportan de forma similar al que presenta la alternativa de comprar un motor nuevo de eficiencia estándar, es decir, el diseño y la potencia del motor son determinantes a la hora de saber si la fábrica tiene en su stock el motor que se requiere, y por ende, puede hacer entrega de éste en un tiempo limitado. La alternativa de reemplazar un motor fallado con uno nuevo de alta eficiencia puede ser, en la mayoría de los casos, la opción más conveniente tanto técnica como económicamente. Sin 25

4 Alternativas a Analizar para la Toma de Decisión: Rebobinar o Reemplazar. embargo, en ciertas situaciones como cuando el motor que ha fallado ya es lo suficientemente eficiente, o cuando la posición de la línea productiva en que opera no ocupa un lugar preponderante, entre otras, no lo es. Las situaciones aquí mencionadas, son descritas en el capítulo 6, donde se exponen los criterios.

4.3 Comparación entre Rebobinar y Reemplazar Para obtener una relación entre las opciones de rebobinar y reemplazar un motor fallado, es conveniente realizar una comparación del comportamiento que tienen, en cada alternativa, los factores predominantes en el estudio de la conveniencia de rebobinar un motor fallado. Esto con el fin de visualizar la que puede resultar más conveniente, y así percibir las conveniencias e inconveniencias de cada opción, en base a dichos factores. A continuación se muestra, en la Tabla 4-2, el comportamiento de los factores predominantes, tanto en la opción de rebobinar como en la de reemplazar el motor fallado. También son importantes de considerar en el estudio factores como la facturación o tarifa de energía a la que pertenece la empresa, la amortización de la misma, las horas de operación que tenga el motor al momento de fallar, las condiciones con las que ha operado, entre otros. Todos estos factores están expuestos, clasificados y analizados en el capítulo 5 de este documento.

26

4 Alternativas a Analizar para la Toma de Decisión: Rebobinar o Reemplazar. Tabla 4-2: Comportamiento de los Factores Predominantes de Cada Alternativa en el Estudio

Opción Factor

Rebobinar

Tiempo de Entrega

Depende de la potencia y velocidad en rpm del motor, variando entre: 1 ½ y 5 días (1100 rpm), y 3 y 45 días (18003600 rmp)

Costo Inicial

Es ampliamente menor

Costo de Mantenimiento

Costo de Reparaciones

Eficiencia

Costo de Energía Consumida Ahorro de Energía Consumida

El mayor de las opciones, ya que se considera necesario el cambio de los rodamientos cada 8000 horas de funcionamiento. Además de los que son necesarios, tomando en cuenta que es un motor que ha fallado anteriormente. El mayor de las opciones, tomando en cuenta que es un motor que ha fallado anteriormente. Con rebobinado eficiente: aumenta un 0,5 y un 1,5 por ciento en motores de eficiencia alta y estándar, respectivamente. Con rebobinado convencional: disminuye entre un 3 y un 7, y un 2 por ciento, con procedimientos incorrectos y adecuados, respectivamente. Aumenta, ya que la eficiencia disminuye.

Reemplazar Motor Eficiencia Motor Alta Eficiencia Estándar Depende del diseño y potencia del motor. Puede ser limitado si tiene un diseño estándar y es de una potencia menor de 500 (HP), o muy extenso con características inversas. Estimado en 3 Estimado en 4 veces veces el de el de rebobinar. rebobinar. Menor, ya que se El menor de las considera opciones, ya que se necesario el considera necesario cambio de los el cambio de los rodamientos rodamientos cumplidas las cumplidas las 50.000 25.000 horas de horas de operación. operación. Mínimos, considerando que se trata de motores nuevos, e incluso nulos los primeros años. Generalmente mayor

Muy alta

La diferencia entre la eficiencia antigua y la actual depende de la que tenía el motor que ha fallado, y la que presente el motor nuevo. Menor, ya que la eficiencia, generalmente, aumenta.

No hay, debido a que el costo por energía consumida es mayor.

Hay, ya que el costo de energía consumida disminuye.

Potencia

Se mantiene, no existiendo la posibilidad de corregir un posible mal dimensionamiento.

Se tiene la posibilidad de corregir un posible mal dimensionamiento.

Confiabilidad

Mínima, debido a que se trata de un motor que ha presentado una falla severa.

Alta, ya que se trata de un motor nuevo.

Muy alta, ya que además de tratarse un motor nuevo, es de alta eficiencia.

Vida Útil

Años que restan de los que el motor ya ha operado al momento de fallar.

Generalmente 15 años.

Generalmente 20 años.

27

5 Necesidad de Realizar un Análisis. Para poder decidir entre rebobinar o reemplazar el motor que ha fallado es necesario, en la mayoría de los casos, realizar un análisis de las opciones que existen. Cabe destacar que la necesidad de realizar éste análisis depende de las características que tenga el motor, siendo predominante la potencia que posea éste, ya que si se trata de un motor de potencia muy reducida, puede ser que incluso realizar la evaluación técnica y económica no resulte conveniente. Al momento de decidir qué es lo más conveniente, lo que se persigue es encontrar la mejor relación costo – eficiencia.

5.1 Factores a Considerar en el Análisis La creencia convencional sostiene que para motores fallados mayores de 10 (HP) es más conveniente económicamente repararlos que sustituirlos. Mientras esto es verdadero en términos de la inversión inicial, cuando todos los factores relevantes son considerados en la evaluación, en la mayoría de los casos reemplazar con un motor de alta eficiencia toma un gran sentido económico. Antes de la aparición de los motores de alta eficiencia, la decisión de reparar o reemplazar el motor fallado se hacía basándose en el costo del trabajo de rebobinado versus la inversión inicial del reemplazo, esto significaba que, si el costo del trabajo de rebobinado era menor que el 57 por ciento de la inversión inicial del reemplazo, la opción más conveniente era reparar el motor, rebobinándolo. Lo anterior se fundaba en un análisis económico y al hecho que un motor reparado no tiene la misma vida útil que uno nuevo. En definitiva, hasta el 57 por ciento del costo de un motor nuevo era lo que estaban dispuestos a pagar por repararlo. Con la aparición de los motores de alta eficiencia, las variables para decidir cambian, pues, entre otras cosas, se demuestra que a lo largo de la vida útil de los motores, con 2000 o más horas anuales de operación, la mayor parte del costo del ciclo de vida de éste corresponde a la energía que éste utiliza. Con esto es posible visualizar que, al usar un motor de alta eficiencia, el ahorro por energía consumida que se obtiene es importante, resultando factible recuperar en un período limitado la inversión inicial del motor. Es por las ventajas mencionadas con anterioridad que cuando un motor estándar falla, se ve como una posibilidad para convertir una unidad normal en 28

5 Necesidad de Realizar un Análisis. una unidad eficiente. Como referencia, según [5], se tiene que, para un motor de 200 (HP), el ahorro de energía anual puede ser superior a los US$ 1000. Es primordial que la información utilizada en el análisis sea obtenida de empresas y talleres calificados, con una amplia y reconocida experiencia, para que así esta sea una buena base para la toma de decisión.

5.1.1 Presentación de los Factores a Considerar Los factores a considerar en el análisis son los siguientes: x

Potencia del motor.

x

Eficiencia del motor antes de fallar.

x

Confiabilidad con que opera el motor.

x

Rebobinados a los ha sido sometido el motor fallado con anterioridad.

x

Vida útil que presenta el motor en cada opción.

x

Inversión inicial del motor en las opciones de reemplazarlo.

x

Costo del trabajo de rebobinar el motor.

x

Tarifa que rige a la empresa a la que el motor presta servicio. Precio de la energía.

x

Costo de energía consumida por el motor.

x

Energía ahorrada por el motor.

x

Costos asociados a las reparaciones del motor.

x

Costos asociados a las mantenciones del motor.

x

Tiempo de entrega del motor y lucro cesante.

x

Condiciones de operación del motor que ha fallado.

x

Posición en la línea de producción de la empresa en la que opera el motor.

x

Años de funcionamiento que tiene el motor al momento de fallar.

x

Horas al año que opera el motor.

x

Tipo de diseño del motor.

x

Valor residual del motor.

x

Perspectivas de expansión de la empresa.

x

Tasa de amortización de la empresa a la que el motor presta servicio.

Considerando todos estos factores, y habiendo analizado su comportamiento en cada alternativa, es posible establecer, con conocimiento, cuál de estas es la más conveniente. De acuerdo a lo anterior, generalmente se justifica técnica y económicamente, sustituir motores estándar fallados por unidades de alta eficiencia, en vez de rebobinarlos.

5.1.2 Clasificación y Análisis de los Factores a Considerar Para determinar la conveniencia de rebobinar un motor fallado se realiza una evaluación tanto técnica como económica de éste, y de la empresa a la que presta servicio. Para esto que se clasifican los factores que se consideran en dicha evaluación, en técnicos y económicos. Sin embargo, es importante destacar que éstos están asociados unos con otros, no siendo posible 29

5 Necesidad de Realizar un Análisis. mirarlos en forma totalmente independiente. Además, la mayoría de éstos pueden verse desde el punto de vista económico.

Factores Técnicos Potencia del Motor Esta es, en la mayoría de los casos, la variable principal en que los demás factores se miden. Determina, entre otras cosas, el tiempo de entrega en la alternativa que se esté analizando. Un tema muy recurrente en las empresas es que el motor fallado es de mayor tamaño que el necesario para su aplicación, está sobredimensionado, lo que, al inclinarse por la opción de reemplazarlo, presenta la posibilidad de sustituirlo por un motor más pequeño que la unidad original, acorde a su función, reduciendo así los costos extras debidos a esta situación, como los de inversión, de energía consumida y de equipamiento. Además, si operan a plena carga, mejoran su eficiencia y factor de potencia. Para evitar el sobredimensionamiento de motores, se recomienda seleccionarlo considerando más que sólo la inversión inicial, sino que también tomando en cuenta que la potencia y las características que debe tener el motor dependen del servicio que éste deba prestar. En base a lo precedente, si se tiene un motor sobredimensionado, resulta económicamente conveniente reemplazarlo. Reemplazar un motor obsoleto, determinando como tal aquellos que han sido rebobinados al menos dos veces, es más rentable para motores pequeños y para los que trabajan entre 2 y 3 turnos. Esto debido a que como ya presentaron fallas, existe una elevada probabilidad que vuelvan a fallar, comprometiendo la confiabilidad del proceso de producción de la empresa a la que prestan servicio. En cambio, bajo estas mismas condiciones, pero para motores más grandes, es generalmente más conveniente rebobinarlos, siempre y cuando no afecten mayormente la confiabilidad del proceso de producción. Por otra parte, si el motor que ha fallado es de una potencia cercana a los 500 (HP), el tiempo que toma la reparación es muy largo, por lo que el plazo de entrega también lo es, significando un gran costo para el cliente, por lo que bajo esta mirada resulta más conveniente comprar un motor nuevo. Eficiencia del Motor Delta de eficiencia que resulta de comparar la que tiene el motor antes de fallar, con la que presenta en cada opción. La eficiencia de un motor representa en forma porcentual cuánta es la potencia que éste está aprovechando en su funcionamiento en relación a la que está absorbiendo. Es decir, corresponde al porcentaje del cociente de la potencia de salida, mecánica, en relación a la potencia de entrada, eléctrica, como se expresa en la ecuación (5-1).

30

5 Necesidad de Realizar un Análisis. ߟൌ

ܲ‫ݏ‬ ܲ݁

(5-1)

Con el fin de mostrar la obtención de la eficiencia de un motor trifásico de inducción, es que se presenta a continuación, en la Figura 5-1, el circuito equivalente monofásico de éste. Debido a que la rama shunt tiene una alta impedancia, es posible expresar en forma simplificada este circuito, el cual se presenta en la Figura 5-2.

Figura 5-1: Circuito Equivalente Monofásico del Motor de Inducción

Figura 5-2: Circuito Equivalente Monofásico Simplificado del Motor de Inducción

La potencia de entrada se obtiene de la placa característica del motor. Sin embargo, es posible calcularla con la ecuación (5-2). ܲ௘ ൌ ܲ௦ ൅ ܲ௘௦௧ ൅ ܲ௥௢௧ ൅ ܲ௙௘ ሺܹܽ‫ݏݐݐ‬ሻ

(5-2)

Donde: Pe: Potencia de salida (Watts) Pest: Pérdidas en el estator (Watts) Prot: Pérdidas en el rotor (Watts) Pfe: Pérdidas en el hierro (Watts) La potencia de salida se obtiene de la ecuación (5-3). 31

5 Necesidad de Realizar un Análisis. ଶ

ܲ௦ ൌ ͵ ή ‫ݎ‬௥ᇱ ή ‫ܫ‬௥ᇱ ή

ͳെ‫ݏ‬ ሺܹܽ‫ݏݐݐ‬ሻ ‫ݏ‬

(5-3)

Donde: ”୰ᇱ : Resistencia del rotor referida al estator (Ohms) ୰ᇱ : Corriente del rotor referida al estator (Corriente) s: Deslizamiento Las pérdidas en el estator se calculan por medio de la ecuación (5-4). ܲ௘௦௧ ൌ ͵ ή ‫ݎ‬௘ ή ‫ܫ‬௘ଶ ሺܹܽ‫ݏݐݐ‬ሻ

(5-4)

Donde: ”ୣ : Resistencia del estator (Ohms) ୣ : Corriente del estator (Amperes) Las pérdidas en el rotor se calculan por medio de la ecuación (5-5). ଶ

ܲ௥௢௧ ൌ ͵ ή ‫ݎ‬௥ᇱ ή ‫ܫ‬௥ᇱ ሺܹܽ‫ݏݐݐ‬ሻ

(5-5)

Donde: ”୰ : Resistencia del rotor (Ohms) ୰ : Corriente del rotor (Amperes) Las pérdidas en el hierro se calculan medio de la ecuación (5-6). ܲ௙௘ ൌ

ଶ ͵ ή ‫ܧ‬௠ ሺܹܽ‫ݏݐݐ‬ሻ ‫ݎ‬௣

(5-6)

Donde: ୫ : Tensión en la rama de magnetización (Volts) ”୮ : Resistencia de la rama de magnetización (Ohms) A continuación se muestra, en la Figura 5-3, un diagrama de pérdidas del motor.

32

5 Necesidad de Realizar un Análisis.

Figura 5-3: Diagrama de Pérdidas del Motor

Por otra parte, también es posible obtener la eficiencia en sitio del motor por medio de métodos que no perturben el funcionamiento de éste. Los más utilizados son: el método del deslizamiento, el método de la placa, el método de la corriente y el método de evaluación de pérdidas. El método del deslizamiento es el más utilizado, éste relaciona el deslizamiento con la eficiencia del motor, determinando la carga y la eficiencia de éste. Su gran desventaja es que no puede utilizarse en motores rebobinados o en los que no están operando con su tensión de diseño. Por otra parte, aun cuando el método de la placa, o también llamado de eficiencia ajustada, no es capaz de entregar resultados muy precisos en campo, es una técnica aceptable para realizar mediciones, ya que proporciona una aproximación real de la eficiencia y del comportamiento del equipo. Para llevar a cabo este método es preciso medir los principales parámetros eléctricos que afecten la eficiencia del motor como: potencia activa, tensión entre fases, corriente en las fases, factor de potencia y distorsión armónica; con el fin de evaluarlos y en base a esto determinar la eficiencia de trabajo. Con respecto a la eficiencia, aun cuando el rebobinado eficiente plantee que es posible aumentar la eficiencia del motor tras la reparación en 0,5 por ciento en motores de alta eficiencia, y en 1,5 por ciento en los de eficiencia estándar, en este estudio se considera que, si el motor es reparado, se hace con un rebobinado convencional, por lo que su eficiencia disminuye un 2 por ciento. En el caso de reemplazar, ésta es mayor en motores de alta eficiencia que en los de eficiencia estándar, siendo, generalmente, en ambos casos, mayor a la con que operaba el motor antes de fallar. A continuación se muestra, en la Tabla 5-1, la eficiencia nominal promedio que deben tener los motores trifásicos en base a su potencia nominal, de acuerdo a su diseño NEMA.

33

5 Necesidad de Realizar un Análisis. Tabla 5-1: Eficiencia Nominal Promedio de Motores Trifásicos en Base a su Potencia Nominal, de Acuerdo a su Diseño NEMA.

Potencia (HP)

Rango Eficiencia Nominal

Eficiencia Nominal Promedio

5 10 25 50 75 100 150 200 250

71 – 85 81 – 88 85 – 90 88 – 92 89.5 - 92.5 90 – 93 91 - 93.5 91.5 – 94 91.5 - 94.5

82 85 88 90 91 91.5 92.5 93 93.5

Además, como referencia, a continuación se muestra en la tabla 5-2, la eficiencia mínima, de acuerdo a su potencia, que deben tener los motores de inducción nuevos, de tipo TEFC, según normas de Southwire [8]. Tabla 5-2: Eficiencia Mínima de Motores de Inducción Nuevos de Tipo TEFC, de Acuerdo a su Potencia, Según Normas de Southwire [8].

Potencia (HP)

Mínima Eficiencia

Mínima Eficiencia TEFC

5 10 25 50 125 200

89.5 91.7 94.1 94.5 95.4 96.2

90.2 91.7 93.6 94.1 95.4 95.8

Confiabilidad con que Opera el Motor Es un factor muy importante para la continuidad de funcionamiento del motor en la línea productiva de la empresa a la que presta servicio. La confiabilidad del motor está directamente ligada a la probabilidad que éste falle, siendo inversamente proporcional a ésta. Se debe analizar si el motor ha sufrido fallas anteriormente, pues esto establece las condiciones en que se encuentra y si está técnicamente disponible para someterse a un rebobinado. Pues si ya ha sido rebobinado con anterioridad, implica que ha presentado una falla grave, tanto que fue necesario sacarlo de la línea productiva para repararlo. Esto significa que la confiabilidad del motor disminuye, teniendo una alta probabilidad de fallar nuevamente.

34

5 Necesidad de Realizar un Análisis. Es importante mencionar que, si se está analizando un motor que opera con una alta probabilidad de falla, al costo de rebobinado se tienen que sumar los que se deban incurrir si éste se tiene que someter a sucesivas reparaciones y mantenciones, además de considerar que de igual forma se obtiene un motor con alta probabilidad de falla. Para encontrar la mejor alternativa se realiza una comparación entre el costo de rebobinado, más el de las mantenciones, reparaciones y, en caso que el motor fallado detenga la producción de la línea en que operaba, por pérdidas de esta; versus el costo de comprar un motor nuevo, más los de mantenciones y reparaciones. Cabe destacar que dichas mantenciones y reparaciones son considerablemente menores que las de un motor que ha fallado y que ha sido rebobinado. Las pérdidas de producción que resultan son de mayor o menor magnitud dependiendo de si el motor que ha fallado opera en un lugar principal o secundario de la línea productiva de la empresa, si su falla es o no severa y del tiempo que tome ponerlo nuevamente en funcionamiento, o si se cuenta en forma inmediata con una máquina de repuesto, ya sea de forma momentánea o definitiva. En las alternativas de reemplazar el motor fallado por uno nuevo, éste opera con una alta confiabilidad, más aún si se trata de un motor de alta eficiencia, ya que, debido a su robustez, la alta confiabilidad en sus procesos es una de las características de esta clase de motores, por lo que la probabilidad que falle es aún menor que en motores de eficiencia estándar. En consecuencia, al estar frente a un motor con una elevada probabilidad de falla, la continuidad de operación de la línea productiva es poco confiable, por lo que resulta más favorable reemplazar el motor fallado. Esto debido a que resulta más conveniente y rentable trabajar con motores confiables en vez de hacerlo con aquellos que presentan una alta probabilidad de falla, asegurando con esto disminuir la probabilidad de paralizar el proceso de producción, haciendo posible que las utilidades de la empresa no disminuyan. Por último, con el fin de no reducir la confiabilidad de los motores, éstos deben ser sometidos a adecuados y oportunos mantenimientos. Rebobinados a los ha sido sometido el Motor Fallado con Anterioridad Cuando a un motor se le han practicado rebobinados con anterioridad, al ser nuevamente rebobinado, la disminución de su eficiencia es mayor que si no hubiese sido rebobinado en el pasado. El porcentaje de esta disminución depende, entre otras cosas, de la potencia que posea el motor. La eficiencia del motor fallado puede ser varios puntos porcentuales más baja que la de su placa debido a los daños por rebobinados anteriores o al propuesto. Se estima que en un motor de 50 (HP) o más, al someterlo a un primer rebobinado, su eficiencia disminuye entre un 0,9 por ciento y 1 por ciento, mientras que si se le practica un segundo rebobinado, lo hace en un 5 por ciento [5]. Por lo precede se tiene que, si se está frente a un motor de baja potencia que ha sido rebobinado al menos dos veces con anterioridad, se cree más conveniente reemplazarlo por uno nuevo, sobre 35

5 Necesidad de Realizar un Análisis. todo si éste trabaja de dos a tres turnos. Lo último debido a que al tener una máquina operando en estas condiciones, la empresa tiene un alto riesgo de perder continuidad en su producción, ya que como, antecedentemente, ha presentado fallas, tiene una alta probabilidad de volver a hacerlo. Condición de Operación del Motor que ha Fallado Las condiciones de operación con que haya funcionado el motor antes de fallar permite determinar la situación en que se encuentra y si éste está en condiciones de ser sometido a un rebobinado. Esto se obtiene al conocer y analizar la hoja de vida del motor, pues la situación es muy diferente dependiendo de en qué parte de su vida útil se encuentre, si ha fallado o ha sido rebobinado con anterioridad, si ha funcionado en condiciones extremas, como por ejemplo en lugares con polvo, expuesto a temperaturas altas, o a salinidad, entre otros. Se sabe que, si el motor ha trabajado a altas temperaturas, su vida útil se ve disminuida, lo cual también depende de las demás condiciones de operación. Considerando que la vida promedio de un motor, operando continuamente con una temperatura ambiente de 40 grados Celsius, es de 10 años; la vida útil de éste se reduce a la mitad si opera en forma continua con una temperatura de 10 grados Celsius por sobre la temperatura máxima permitida de diseño, por lo que en ese caso se cuenta con una máquina que opera en buenas condiciones por sólo 5 años. Si por el contrario, aplicando el mismo concepto, opera con una temperatura de 10 grados Celsius por debajo de la temperatura máxima permitida, su vida útil se duplica, es decir, se tiene un motor con un buen funcionamiento por cerca de 20 años. Vida Útil que presenta el Motor en cada Opción La vida útil corresponde a los años de funcionamiento que tenga programado el motor. Esta obedece, como anteriormente se expuso, a las condiciones de operación de éste. En el caso de rebobinar el motor fallado, ésta corresponde a los años de funcionamiento que le resten al momento de fallar. Por otra parte, si se reemplaza por uno nuevo, se considera de 15 años si es de eficiencia estándar, y de 20 años si es de alta eficiencia. Años de Funcionamiento que tiene el Motor al momento de Fallar Se reflexiona acerca de en qué momento del ciclo de vida está la unidad, es decir, cuántos años de funcionamiento tiene, esto debido a que si posee pocos años de uso, la opción de rebobinar adquiere preponderancia. Si en cambio, el motor lleva varios años en funcionamiento y ya ha superado la mitad de su ciclo de vida, lo hace la de reemplazar. Ésta última toma aún más fuerzas si además se está frente a un motor poco confiable. Hay que analizar la hoja de vida del motor y determinar las horas anuales que opera, para con esto establecer cuánto de su vida útil le resta, factor primordial para decidir, ya que si está cercano al fin de su vida útil, es conveniente reemplazarlo.

36

5 Necesidad de Realizar un Análisis. Horas al año que Opera el Motor Es importante conocer cuántas horas de uso tiene el motor que está siendo analizado. Resultando primordial conjugarlas con las condiciones de funcionamiento que ha tenido durante estos años. Si ha operado sobrecargado, con temperaturas por sobre la máxima de diseño, si ha presentado fallas anteriores o si ha sido reparado. Si el motor opera más de 2000 horas al año, lo más conveniente es reemplazarlo, en el mejor de los casos, por uno de alta eficiencia. Si por el contrario, opera menos de este número de horas al año, lo más beneficioso es rebobinarlo [5]. Tipo de Diseño del Motor El tipo de diseño del motor que ha fallado determina, como anteriormente se expuso, el stock que hay de éste en las empresas y talleres del rubro, estableciendo con esto el tiempo que tome ponerlo nuevamente en funcionamiento, tardándose mucho menos si es de diseño estándar, que si es de diseño específico. Posición en la Línea de Producción de la Empresa en la que Opera el Motor Determina cuánto tiempo puede estar desconectado el motor sin provocar pérdidas importantes en la producción de la empresa; es decir, cuánto tiempo se está dispuesto a comprometer para que reparen el motor dañado, o entreguen el motor nuevo. Si el motor que ha fallado opera en un lugar principal de la línea productiva, su reposición debe ser lo más expedita posible, pues su desconexión va a representar para la empresa la paralización de la producción. En este caso, lo más favorable es que el motor sea de alta eficiencia. Si es así, el reemplazo no es muy conveniente, pues, si bien es cierto, al rebobinarlo su eficiencia disminuye, como éste ya es eficiente, invertir en uno nuevo de estas características no aumenta significativamente su rendimiento, por lo tanto no se tiene un rápido reembolso de esta inversión. Sin embargo, no debe dejarse sin atención el hecho que al reparar el motor, su confiabilidad también disminuye. Si por el contrario, el motor es de eficiencia estándar, lo más conveniente es reemplazarlo por uno de alta eficiencia. Por otro lado, si el motor que ha fallado es secundario en la línea productiva, se analiza la posibilidad de rebobinarlo considerando el estado del motor, examinando su hoja de vida.

Factores Económicos Costo Inicial La inversión inicial es lo que se desembolsa al inclinarse por reemplazar el motor fallado, adquiriendo uno nuevo; mientras que el costo por reparación corresponde al del trabajo, al optar

37

5 Necesidad de Realizar un Análisis. por rebobinarlo. Siendo este último considerablemente menor que el de adquirir un motor nuevo. En este estudio, de acuerdo a valores conseguidos para un motor de 20 (HP), la inversión inicial es cercana a 3 veces el costo por reparación, si se trata de uno de eficiencia estándar, y a 4 veces, si es de alta eficiencia. Como referencia se tiene que, por lo general, la inversión inicial para motores de alta eficiencia, menores de 125 (HP), es de 2 a 3 veces el costo de repararlo, pudiendo ser de hasta 6 veces en motores con una potencia mayor a ésta [8]. Se debe considerar que para poder realizar una comparación entre las alternativas propuestas, se tienen que sumar a estos costos iniciales los por concepto de reparaciones y mantenciones. A continuación, en la Tabla 5-3, se presenta una lista de precios de motores nuevos de trabajo extra resistente, construidos con rasgos duros, por lo que están mejor preparados para una vida útil larga en ambientes húmedos y contaminados, como plantas químicas, refinerías de petróleo y fábricas de papel. Éstos tienen las siguientes características eléctricas [7]. x

Fases: 3

x

Frecuencia: 60 (Hz)

x

Temperatura Ambiente: 40 grados Celsius

x

Factor de Servicio: 1,15

x

Ciclo de Trabajo: Continuo

x

Aislamiento: Clase F

x

Temperatura de. Subida: Clase B

x

XEX: Motores Primos Eficientes con rasgos Extra Resistentes

38

5 Necesidad de Realizar un Análisis. Tabla 5-3: Precios de Motores Nuevos de Trabajo Extra Resistentes

HP 1/2 3/4

1

1,5

2

3

5

7,5

10

15

RPM

Tensión

Frame

Enclosure

Producto

Eficiencia del Producto

Precio US$

Eficiencia A Carga Total

1800 1200 1800 1200 3600 1800 1200 900 3600 1800 1200 900 3600 1800 1200 900 3600 1800 1200 900 3600 1800 1200 900 3600 1800 1200 900 3600 3600 1800 1800 1200 1200 900 3600 1800 1200 900

230/460 230/460 234/460 230/460 230/460 230/460 230/460 460 230/460 230/460 230/460 460 230/460 230/460 230/460 460 230/460 230/460 230/460 460 230/460 230/460 230/460 460 230/460 230/460 230/460 460 460 230/460 460 230/460 460 230/460 460 230/460 230/460 230/460 460

143T 143T 143T 143T 143T 143T 145T L182T 143T 145T 182T L184T 145T 145 L184T L213T 182T L182T 213T L215T 184T L184T L215T 254T 213T L213T 254T 256T 215T 215T L215T L215T 256T 256T 284T 254T 254T 284T 286T

TENV TENV TENV TENV TENV TENV TEFC TEFC TEFC TEFC TEFC TEFC TEFC TEFC TEFC TEFC TEFC TEFC TEFC TEFC TEFC TEFC TEFC TEFC TEFC TEFC TEFC TEFC TEFC TEFC TEFC TEFC TEFC TEFC TEFC TEFC TEFC TEFC TEFC

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Prem Prem Prem Prem NEMA Prem NEMA Prem NEMA Prem Prem NEMA Prem NEMA Prem NEMA Prem Prem NEMA Prem NEMA Prem NEMA Prem Prem NEMA Prem NEMA Prem NEMA Prem Prem NEMA Prem NEMA Prem NEMA Prem Prem NEMA Prem NEMA Prem NEMA Prem Prem NEMA Prem NEMA Prem NEMA Prem NEMA Prem NEMA Prem NEMA Prem Prem NEMA Prem NEMA Prem NEMA Prem Prem

640 793 681 810 674 690 850 819 760 734 604 967 842 779 675 1,155 600 583 820 1,443 712 684 1,165 1,917 930 924 1,547 2,423 1,09 1,09 1,031 1,031 1,898 1,898 2,828 1,496 1,418 2,525 3,684

84 84 86.5 81.5 87.5 86.5 87.5 82.5 87.5 87.5 87.5 84 87.5 87.5 88.5 85.5 88.5 89.5 89.5 85.5 88.5 89.5 89.5 89.5 90.2 91.7 91 90.2 91 91 91.7 91.7 91 91 90.2 91.7 92.4 92.4 90.2

39

5 Necesidad de Realizar un Análisis.

HP

20

30

40

50

60

75

100

125

150

200

250

300

RPM

Tensión

Frame

Enclosure

Producto

Eficiencia del Producto

Precio US$

Eficiencia A Carga Total

3600 1800 1200 900 3600 1800 1200 3600 1800 1200 3600 1800 1200 3600 1800 1200 3600 1800 1200 3600 1800 1200 3600 1800 1200 3600 1800 1200 3600 1800 1200 3600 1800 1800 1200 3600 1800

230/460 230/460 230/460 460 230/460 230/460 230/460 230/460 230/460 230/460 230/460 230/460 230/460 230/460 230/460 230/460 230/460 230/460 230/460 230/460 230/460 460 460 460 460 460 460 460 460 460 460 460 460 460 460 460 460

256T 256T 286T 324T 286TS 286T 326T 324TS 324T 364T 326TS 326T 365T 364TS 364T 404T 365TS 365T 405T 405TS 405T 444T 444TS 444TS 445T 445TS 445TS 447T 445TS 447T 449T 447TS 447TS 449TS 449T 449TS 449TS

TEFC TEFC TEFC TEFC TEFC TEFC TEFC TEFC TEFC TEFC TEFC TEFC TEFC TEFC TEFC TEFC TEFC TEFC TEFC TEFC TEFC TEFC TEFC TEFC TEFC TEFC TEFC TEFC TEFC TEFC TEFC TEFC TEFC TEFC TEFC TEFC TEFC

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NEMA Prem NEMA Prem NEMA Prem Prem NEMA Prem NEMA Prem NEMA Prem NEMA Prem NEMA Prem NEMA Prem NEMA Prem NEMA Prem NEMA Prem NEMA Prem NEMA Prem NEMA Prem NEMA Prem NEMA Prem NEMA Prem NEMA Prem NEMA Prem NEMA Prem NEMA Prem NEMA Prem NEMA Prem NEMA Prem NEMA Prem NEMA Prem NEMA Prem NEMA Prem NEMA Prem NEMA Prem NEMA Prem NEMA Prem NEMA Prem NEMA Prem NEMA Prem

1,801 1,694 3,133 4,504 2,653 2,525 4,184 3,301 3,272 5,771 4,223 3,836 6,700 5,877 5,755 7,794 7,215 6,977 8,664 9,342 8,617 11,669 12,203 11,337 14,057 14,674 13,190 17,030 18,577 16,545 19,053 23,935 17,425 19,347 24,602 29,681 22,654

91.7 93 92.4 91 93 93.6 93.6 94.1 94.1 94.1 94.1 94.5 94.1 95 95 95 95 95.4 95 95 95.4 95 95.4 95.8 95.4 96.2 96.2 96.2 96.2 96.2 96.2 96.2 96.2 96.2 96.2 95.8 96.5

40

5 Necesidad de Realizar un Análisis. Tarifa que rige a la Empresa a la que el Motor presta Servicio Establece el precio de energía eléctrica que pague la empresa. Esto es primordial para calcular los costos de operación en cada una de las opciones, y, junto con esto, los de ahorro de energía en el caso de reemplazar el motor fallado por uno nuevo. Costo de Energía Consumida por el Motor Corresponde a lo que se denomina costo del ciclo de vida. Está directamente ligada a la eficiencia que tiene el motor, es inversamente proporcional a ésta, es decir, bajo un mismo precio de energía, el motor que tenga menos eficiencia es el que mayor costo de energía consumida tenga. Energía Ahorrada por el Motor Existe energía ahorrada sólo si se tiene una mejoría en la eficiencia con respecto a la que presenta el motor antes de fallar, es directamente proporcional a ésta. Debido a lo anterior, está presente únicamente al reemplazar el motor fallado por uno nuevo. Permite determinar en cuánto tiempo es posible recuperar la inversión inicial que fue necesaria para adquirir el motor nuevo, realizando un análisis simple de reembolso. La opción que mayor ahorro de energía consumida permite, es la de reemplazar por un motor nuevo de alta eficiencia, aún más, cuando opera a carga nominal. Debido a que se trata de un motor nuevo, se considera que éste está dimensionado correctamente, por lo que siempre funciona con esta condición. Al rebobinar el motor, no se tiene un ahorro en la energía consumida, ya que su eficiencia disminuye en un 2 por ciento, por lo que en vez de ahorrar, los gastos por este concepto aumentan. Costo de las Reparaciones del Motor Al reemplazar el motor, estos costos son mínimos, considerándose casi nulos durante los primeros años. Se da lo contrario al optar por rebobinarlo, debido a su alta probabilidad de falla, siendo estos dependientes del tipo de reparación, del tiempo que tome realizarla, materiales y mano de obra. Además, el costo por el trabajo de rebobinado se debe sumar al costo total. Costo por las Mantenciones del Motor Se deben hacer las mantenciones necesarias y en los tiempos adecuados, preferentemente, si es posible, fuera del horario de funcionamiento del motor, para no sumar a estos los costos de pérdida por producción. Generalmente los costos por mantenciones son muy bajos, siendo, en la mayoría de los casos, considerados como costos de mantenimiento propio de la empresa, pues estos consisten en mantener limpia la máquina, sus ventiladores despejados, entre otros. Los correspondientes a 41

5 Necesidad de Realizar un Análisis. cambios de rodamientos si son tomados en cuenta, debiendo sumarse, al igual que los expuestos anteriormente, al costo total. Al rebobinar, las mantenciones por cambio de rodamientos se consideran necesarias cumplidas las 8.000 horas de funcionamiento. Por otra parte, al reemplazar, son necesarias cada 25.000 horas, en motores de eficiencia estándar, y cada 50.000 horas en de alta eficiencia. Tiempo de Entrega del Motor y Lucro Cesante Corresponde al tiempo que toma en estar funcionando nuevamente el motor en la línea productiva en la que opera. El tiempo que se tarda en reparar el motor es proporcional al tamaño de éste, y los plazos de entrega son en base a la potencia y velocidad que éste posea, y al precio que el cliente paga por el rebobinado. Esto último ya que en algunos talleres de rebobinado están dispuestos, dentro de lo posible, a trabajar en sobretiempo, para entregar el trabajo en menos tiempo, pidiendo compensación en dinero por esto. Por otra parte, el tiempo que toma la entrega de los motores adquiridos puede ser muy limitado si se trata de un motor con diseño estándar y de una potencia menor de 500 (HP). Si por el contrario es de un diseño especial, o de una potencia mayor a 500 (HP), debe ser adquirido a pedido, ya que motores con estas características generalmente no están en stock en las fábricas del rubro, lo que implica que el tiempo que demora en volver a operar en la línea de producción es más extenso, por lo que debe analizarse para determinar si las pérdidas por producción detenida durante este tiempo son menores a la inversión en uno nuevo, considerando además las características de cada opción. En consecuencia, el tiempo que demora rebobinar un motor es mucho mayor que el de comprar uno nuevo, si es que se ha tomado la precaución de tener stock de éstos. El tiempo que demora la empresa encargada de realizar el rebobinado del motor es también un aspecto importante a considerar, el cual depende de la potencia del motor y de la velocidad con que operan. A continuación, en la Tabla 5-4, se expone el tiempo en días que demora un taller consultado [9] en realizar el trabajo de rebobinar motores de baja tensión, de 3 (HP) a 300 (HP), mientras que en la Tabla 5-5, se expone el tiempo en días de los de alta tensión, de 400 (HP) a 600 (HP). Ambas con velocidad de giro de 1100 (rpm) y 1800-3600 (rpm).

42

5 Necesidad de Realizar un Análisis. Tabla 5-4: Tiempo en Días que Demora un Taller en Rebobinar Motores de Baja Tensión [9]

Potencia (HP)

Tiempo (días) Motores de 1100 RPM

Tiempo (días) Motores de 1800 – 3600 RPM

3 4 5 6½ 7½ 8 9 10 11 12 15 20 25 30 40 50 60 70 75 100 125 140 150 200 300

3 3 3 3 4 4 4 4 5 6 6 6 7 7 7 8 8 8 10 11 13 15 20 25 30

1½ 1½ 1½ 2 2 2 2 2½ 3 3 3 4 4 4 6 6 6 7 8 9 11 13 14 15 20

Tabla 5-5 : Tiempo en Días que Demora un Taller en Rebobinar Motores de Alta Tensión. [9]

Potencia (HP)

Tiempo (días) Motores de 1100 RPM

Tiempo (días) Motores de 1800 – 3600 RPM

400 500 600

30 45 45

25 30 35

Como era de pensarse, se observa que a mayor potencia que tenga el motor, mayor son los días que la empresa reparadora demora en rebobinarlo. En general, el costo de rebobinado de un motor es menor que el de uno nuevo, sin ser esto suficiente para determinar que es la mejor opción.

43

5 Necesidad de Realizar un Análisis. Valor Residual del Motor Corresponde al valor que tiene el motor una vez acabada su vida útil. Éste depende de las características del motor, de las condiciones de operación que haya tenido y, principalmente, de las condiciones en que se encuentre al terminar su ciclo, pues el motor tiene valor residual sólo si puede ser puesto en funcionamiento. Al tratarse de un motor rebobinado, este valor es bastante escaso, debido a las características propias de un motor que ha fallado. Mientras que si se ha optado por adquirir el motor, éste aumenta al ser de eficiencia estándar, y más aún, si es de alta eficiencia. Producción del Motor Se considera que en las tres opciones el motor produce para la empresa en la cual presta servicio la misma cantidad del bien, por lo que en las tres alternativas corresponde el mismo valor por este concepto, no afectando el cálculo en los métodos que se utilizan en la evaluación económica. Perspectivas de Expansión de la Empresa Al enfrentarse al análisis, es importante saber si la empresa en la que el motor presta servicio tiene intenciones de expansión en un plazo determinado, del mismo modo, los horarios en que esta opera. Si la empresa tiene intenciones de expansión, esta información es de utilidad a la hora de determinar si conviene comprar un motor con una potencia mayor, siempre y cuando esta expansión esté programada a corto plazo, en caso contrario se está frente a un caso de sobredimensionamiento, con las consecuencias que ya se expusieron. Amortización de la Empresa en la que el Motor presta Servicio Corresponde al criterio que utiliza la empresa para amortizar la inversión que hizo al comprar un motor nuevo.

5.1.3 Análisis de los Factores Considerados en Conjunto Es de vital importancia para tomar una decisión, de acuerdo a la conveniencia de rebobinar motores por sobre la compra de los mismos, realizar un análisis de los factores predominantes en conjunto, ya que el comportamiento de éstos están ligados unos con otros. A continuación se exponen relaciones entre algunos de ellos, en base a la opción que se está analizando. Al rebobinar se tiene lo siguiente: x

El tiempo que demora el rebobinado depende de la posición en la línea productiva que tenga el motor, de su potencia y del costo extra que el cliente está dispuesto a pagar para que el trabajo sea más rápido.

44

5 Necesidad de Realizar un Análisis. x

Las pérdidas que tenga el motor dependen de si se trata de uno de eficiencia estándar o de alta eficiencia, pues si se está frente a un motor de 5 (HP), las pérdidas que tiene sin carga son, en el primer escenario, alrededor de 330 (Watts), mientras que en el segundo escenario son alrededor de 215 (Watts).

x

Como se expresa anteriormente, los motores de alta eficiencia presentan menos pérdidas, lo que conlleva a que funcionen a menor temperatura de la que lo hacen los motores estándar con potencia equivalente. Es por lo anterior que su aislamiento y lubricante poseen una vida útil más larga, disminuyendo considerablemente el tiempo improductivo de éstos.

x

El motor rebobinado va a ser un elemento dentro de la línea productiva de la empresa que está más expuesto a las reparaciones, las que conllevan costos que deben adicionarse a los del trabajo de rebobinado.

Por su parte, al reemplazar: x

El tiempo de entrega del motor adquirido depende de la potencia y del diseño que éste sea.

x

El ahorro de energía que se logre está ligado a si el motor es de eficiencia estándar o de alta eficiencia, siendo mayor en este último caso.

x

Al utilizar motores de alta eficiencia es posible obtener un mayor ahorro de energía debido a que presentan, como su nombre lo indica, una alta eficiencia, es decir, menos pérdidas, por lo que aprovechan mejor la energía que consumen, disminuyendo la que utilizan en su funcionamiento.

x

El tiempo en que se recupere la inversión extra que se hizo al adquirir un motor con estas características depende de la amortización que utilice la empresa a la que la máquina preste servicio.

Además de lo expuesto anteriormente, se consideran los costos de operar motores y algunos posibles ahorros, por lo que se presentan algunos ejemplos de lo que precede. Si se tiene una tarifa de energía eléctrica que factura 5 centavos por kilo - Watts - hora, y se sabe que operar un motor a plena carga cuesta 1 peso por caballos de fuerza por día, entonces se tiene que, si la tarifa ahora es de 10 centavos por kilo - Watts - hora, el costo de operar a plena carga es 2 pesos por día. Esta relación es válida y puede modificarse proporcionalmente en el caso de que opere a menos de plena carga, o que lo haga no continuamente, etc. Por otra parte, si se tiene un motor de 100 (HP) que opera continuamente en una zona en que cuesta 10 centavos por kilo - Watts - hora, el costo anual de esta operación es de aproximadamente 70.000 pesos, representando unas 25 veces el costo inicial del motor. Si se adquiere un motor que es en un 2,4 por ciento más eficiente, y su inversión extra corresponde al 30 por ciento, es decir, se desembolsan 750 pesos más, el costo de operación disminuye en aproximadamente 1.800 pesos por año.

45

5 Necesidad de Realizar un Análisis. Del mismo modo, si se tiene un motor con una potencia menor, de 3 (HP), el cual está regido por una tarifa de energía eléctrica que corresponde a 10 centavos por kilo - Watts - hora, el costo anual de operación que se tiene con este motor es de aproximadamente 2300 pesos. Si, bajo estas mismas condiciones, se adquiere un motor más eficiente con una inversión extra del 40 por ciento, el costo de operación que tiene el motor se reduce en 140 pesos por año. Se concluye entonces que al adquirir motores de alta eficiencia, el costo extra que significa la compra de éste puede recuperarse mediante el ahorro de energía. Es posible señalar que a lo largo de la vida útil de los motores de alta eficiencia, lo que significa un número de horas anuales de funcionamiento de 2000 o más, la mayor parte del costo en el ciclo de vida del motor se puede traducir en la cantidad de energía utilizada. Con esto es posible visualizar que, al utilizar un motor de alta eficiencia, el ahorro de energía es bastante importante, convirtiendo el valor inicial del motor en insignificante si se le compara con al ahorro que es posible obtener. Como referencia se tiene que, para un motor de 200 (HP), el ahorro de energía anual puede ser superior a los 1000 Dólares [5]. Es posible además conseguir ahorros adicionales si se considera que en un motor de alta eficiencia, al generar menor calor residual en el espacio que lo rodea, las necesidades de ventilación o acondicionamiento de aire de éste se reducen. La empresa utiliza una cierta amortización, la que sirve para determinar el ahorro de energía consumida que se tiene al utilizar un motor con una mayor eficiencia de la que presenta el motor antes de fallar. Con ésta se determinan los años en que puede ser recuperada la inversión que conlleva la compra de un motor. Generalmente, ya sea que se trate de un motor con eficiencia estándar o de alta eficiencia, se tiene un mejor rendimiento, por lo que se puede aplicar este concepto.

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6 Criterios y Guías para la Toma de Decisión En base a los factores que inciden en el estudio de la conveniencia de rebobinar un motor fallado, el que se realiza con el fin de determinar qué opción resulta mejor entre reemplazar y rebobinar, es posible obtener ciertos criterios generales de alguno de estos factores. Los criterios que acá se describen, tienen como objetivo servir como guía para determinar, en una primera instancia, qué opción tiene más posibilidades de ser la mejor. En concordancia a lo anterior es que a continuación se muestran los criterios obtenidos.

6.1 Criterios Técnicos 6.1.1 Potencia del Motor Es necesario realizar la evaluación del motor dentro de cierto rango de potencia, ya que cuando se trata de motores de potencia muy limitada, no resulta rentable realizar dicha evaluación, siendo llanamente lo más rentable, reemplazar el motor que ha fallado. Si por el contrario, el motor es de una potencia mayor a 500 (HP) o de un diseño especial, lo más probable es que las fábricas del rubro no cuenten con stock, por lo que lo más aconsejable es rebobinar. Si el motor está mal dimensionado, ya sea sobrecargado o subdimensionado, lo más conveniente es reemplazarlo. Esto ya que en este caso se tienen mayores costos en energía consumida y equipamiento. Además que se está consumiendo y cancelando por una energía que no es necesaria, considerando que el motor tiene mayor potencia que la que realmente se requiere. Si por el contrario, el motor está correctamente dimensionado, al momento en que éste falle, y se necesite vislumbrar la alternativa mejor, se debe evaluar. En consecuencia, con respecto a la potencia del motor, si éste está en un rango entre 10 (HP) y 500 (HP), antes de tomar una decisión definitiva, se debe realizar una evaluación del motor que ha fallado y de dónde éste opera, como anteriormente se expuso.

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6 Criterios y Guías para la Toma de Decisión

6.1.2 Eficiencia Si el motor ya es suficientemente eficiente, reemplazarlo por uno nuevo no resulta conveniente, ya que éste probablemente no operará con una eficiencia mayor con la que lo hacía el motor de alta eficiencia que ha fallado. Si la opción es reemplazar por un motor de eficiencia estándar, éste probablemente tendrá una eficiencia menor que la que presentará el motor de alta eficiencia una vez rebobinado, por lo que no se tendrá un ahorro de energía, el cual es directamente proporcional al aumento de la eficiencia, si no por el contrario, un mayor consumo de ésta. Por otra parte, si reemplaza por uno de alta eficiencia, éste tendrá una eficiencia mayor que la del motor fallado de alta eficiencia una vez rebobinado, pero sólo en una cantidad marginal, por lo que el adquirir un motor nuevo de estas características no resulta rentable, ya que el ahorro de energía consumida es poco significativa, no siendo suficiente para recuperar la inversión extra en un plazo acotado, como anteriormente de mencionó. Si por el contrario, el motor que ha fallado se trata de uno de eficiencia estándar, se debe realizar la evaluación correspondiente para determinar qué opción es la más conveniente.

6.1.3 Números de Rebobinados Anteriores a los que ha sido Sometido el Motor Antes de Fallar Si el motor ha sido rebobinado con anterioridad, lo mejor es reemplazarlo, ya que se está frente a una máquina con alta probabilidad de volver a fallar, además de ser menos eficiente. Si por el contrario, no ha presentado fallas graves anteriormente, y no ha sido rebobinado con anterioridad, se debe realizar la evaluación para determinar la mejor opción.

6.1.4 Condiciones de Operación en las que ha Funcionado Si el motor ha operado en condiciones adversas, lo más probable es que su vida útil haya disminuido, por lo que lo más conveniente es reemplazarlo. Si lo anterior no se ha dado, se debe realizar el análisis para determinar qué es lo más conveniente.

6.1.5 Número de Años que el Motor ha Operado, conjugado con el tamaño del mismo Si el motor ha operado 15 años o más y es menor a 40 (HP), se recomienda reemplazarlo. Lo anterior se condice al hecho que si el motor fallado está cercano al fin de su vida útil, no resulta rentable rebobinarlo. Del mismo modo resulta si un motor es menor de 15 (HP), no importando en qué punto de su ciclo de vida esté. Si por el contrario, el motor tiene operando un número reducido de años, y no es de una potencia muy reducida, sólo se puede saber qué resulta más conveniente de realizar haciendo el análisis mencionado.

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6 Criterios y Guías para la Toma de Decisión

6.2 Criterios Económicos 6.2.1 Lugar en la Línea de Producción en que Opera el Motor Si el motor opera en la línea principal de producción, es decir, funciona en forma continua o numerosas horas al día, lo aconsejable es reemplazar el motor fallado. Si por el contrario, lo hace en una línea secundaria o auxiliar de la producción de la empresa, se debe realizar el análisis correspondiente para determinar qué es lo más conveniente.

6.2.2 Tamaño de la Empresa en que Opera el Motor, conjugado con el tamaño del mismo Si el motor presta servicio en una empresa grande y es de una potencia menor a 10 (HP), lo más conveniente resulta reemplazarlo, en lo posible por uno de alta eficiencia, ya que para una empresa grande el costo de inversión inicial de un motor pequeño no resulta un gran sacrificio económico. Distinto es en una empresa pequeña, donde tal vez un motor de estas características sea uno de los más grandes que tenga, y por ende una inversión de estas características signifique una gran decisión.

6.3 Referencias de Empresas Cada empresa presenta sus propios criterios con respecto al límite de potencia, en caballos de fuerza, (HP) que determina si rebobinar o reemplazar el motor fallado. Del mismo modo es con respecto al factor de amortización que aplica para absorber la inversión inicial y los costos adicionales, como mantención y pérdidas por paralización de producción, en el caso de rebobinar, o de ahorro de energía, en el caso de reemplazar con un motor nuevo. Todo lo anterior debido a que los costos de producción poseen muchas variables, y dependen de cada empresa, por lo que cada una cuenta con un criterio determinado, fundamentado principalmente en su experiencia. El tiempo que demore y la frecuencia con que realicen los mantenimientos a el motor, los cuales dependen, como se ha dicho anteriormente, de la hoja de vida del motor analizado, tanto en caso de tomar la opción de rebobinar como de reemplazar el motor por uno nuevo, son de acuerdo a lo que estime más conveniente y rentable la empresa a la que pertenezca el motor fallado. La mayoría de las empresas están bajo la certificación de la normativa ISO9001:2000, reconocida mundialmente, la que presenta una cadena de valores que les impide revelar cifras sobre costos reales de rebobinado ni detalles sobre los procedimientos utilizados para la realización de éste. Sin embargo, se han obtenido algunos criterios utilizados por algunas empresas que sirven de referencia. Siemens tiene plazos de entrega de 14 meses.

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6 Criterios y Guías para la Toma de Decisión ABB por su parte se encuentra en una situación similar, lo cual pretenden revertir en algún grado con la construcción de su mega fábrica en China [10]. En el mismo caso que las anteriores se encuentra la empresa de motores Weg [11]. La empresa Reliance tiene como servicio entregar el motor adquirido en la bodega del cliente en Santiago, minimizando con esto el tiempo de paralización de la producción si se diera el caso [7]. Ferroman s.a. [12] es una empresa que tiene una amplia trayectoria ofreciendo servicios integrales en Ingeniería en máquinas eléctricas rotatorias. Se especializa en máquinas de media tensión, trabajando en motores de baja tensión sólo para algunos de sus clientes de relevancia. Su especialidad son los equipos sincrónicos, para lo cual cuentan con una gran experiencia, infraestructura e ingeniería. Determinar la conveniencia entre rebobinar o comprar un motor depende del criterio que se utilice para definir, desde el límite de potencia con que se analiza, hasta con qué factor de amortiguamiento consideran que se absorbe la inversión inicial y los costos adicionales, criterio que está en manos de cada empresa. Con la finalidad de hacer rentable el negocio de rebobinar motores, es que Ferroman actualmente importa desde las fábricas productoras todos los materiales para las reparaciones. Esta estrategia la lograron tras 10 años de análisis y estudios. Para Ferroman es inviable rebobinar motores con potencias iguales e inferiores a 75 (HP). Por otra parte, el criterio que aplica, en el caso de un motor con potencia menor de 500 (HP) que necesita reparación, ya sea rebobinado, cambio de eje o reparación de chapas, es que el plazo de entrega es muy largo, por lo para el cliente significa un gran costo, teniendo que pagar un alto precio. Debido a esto es que, en este caso, les resulta siempre más conveniente comprar un motor nuevo. La empresa considera directamente proporcional el tiempo que demora en reparar el motor al precio que debe pagar el cliente por este servicio. La empresa especialista en reparar motores Ferroman también está certificada con la ISO9001:2000. Por otro lado, a continuación se presenta la política de una empresa para rebobinar motores fallados. Mientras muchas empresas tienen como política rebobinar los motores fallados de más de 10 (HP), la empresa Southwire [8] generalmente no rebobina ningún motor menor de 125 (HP), teniendo como estrategia reemplazarlos comprando los motores de eficiencia más altos disponibles. Si por el contrario, el motor fallado es mayor de 125 (HP), analizan caso por caso para decidir si se repara o reemplaza.

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6 Criterios y Guías para la Toma de Decisión Por su parte, E Source, asesores de empresas de servicios públicos y grandes usuarios de energía respecto a la eficiencia energética, entre otros, cree que cuando se consideran todos los beneficios del sistema de mejorar los motores de alta eficiencia, el criterio de Southwire representa la mejor relación costo – eficiencia [8]. La conveniencia económica varía de un caso a otro, sin embrago, presentamos algunas herramientas para analizar situaciones individuales. El rebobinado de motor de la firma Southwire y sus directrices de compra son [8]: x

Todos los motores nuevos deben ser motores de alta eficiencia.

x

Reemplazar los motores de corriente alterna estándar hasta 125 (HP).

x

En motores mayores a 125 (HP) realizar una evaluación individual para determinar si la diferencia entre el rebobinar y comprar un motor de alta eficiencia puede ser recuperado en cinco años.

x

Las normas de eficiencia mínima de motores en Southwire para motores de inducción nuevos, se muestran en la Tabla 6-1.

x

Cuando los motores de alta eficiencia fallan, se rebobinan si el costo por éste trabajo es de hasta un 40 por ciento el de un motor nuevo. Requiriendo que todos los motores rebobinados sean probados con la eficiencia documentada.

x

Requerir que los talleres de rebobinado cumplan con las normas de temperaturas sobre hornos de agotamiento, y con esto evitar el estrés térmico sobre los materiales, debido al calor.

x

Mejorar la reserva de motores esenciales y el mantenimiento de registros. Todos los motores en la reserva deben ser de alta eficiencia.

Tabla 6-1: Normas de eficiencia mínima de motores Southwire para motores de inducción nuevos

Potencia HP

Mínima Eficiencia Prueba-Goteo

Mínima Eficiencia TEFC

5 10 25 50 125 200

89.5 91.7 94.1 94.5 95.4 96.2

90.2 91.7 93.6 94.1 95.4 95.8

A continuación, en la Figura 6-1, se expresa la relación entre el costo marginal y la potencia en caballos de fuerza (HP). De esta gráfica se puede desprender que la rentabilidad, costo - eficiencia, de los rebobinados tiende a mejorar en motores de mayor tamaño, porque las exigencias de trabajo para rebobinarlos aumentan levemente con el tamaño del motor, en comparación a los materiales necesarios para nuevos motores. Según lo que muestra la Figura 6-1, los motores nuevos de alta eficiencia energética cuestan de entre 30 y 50 Dólares por caballo de fuerza (HP) más que los motores reparados. 51

6 Criterios y Guías para la Toma de Decisión Existe una gran variedad en costos de rebobinar, y aunque un motor de alta eficiencia nuevo cuesta más que rebobinarlo, esta inversión se recupera rápidamente por el ahorro de energía, obtenido del aumento de la eficiencia con que opera la unidad.

Figura 6-1: Relación entre el Costo Marginal y Potencia en HP [8]

En la Figura 6-2, que a continuación se expone, se muestra una evaluación conservadora de la energía ahorrada obtenida por reemplazar el motor fallado estándar por uno de alta eficiencia, versus rebobinarlo, dependiendo del factor de trabajo con que el motor opera, considerando motores TEFC. Aquí se muestra una energía ahorrada que conlleva a menos de 2,5 centavos de dólar por kilo Watts hora, para motores de hasta 200 (HP), con factores de trabajo de 4000 horas o más por año. Debe tenerse en consideración que el factor medio de trabajo de los motores es mayor de 4000 horas por año. Mientras los números mostrados reflejan la suposición que el motor rebobinado es un 2 por ciento menos eficiente que su placa, debido al daño de rebobinados pasados o al propuesto, el potencial que frecuentemente se reduce en el motor, es ignorado.

52

6 Criterios y Guías para la Toma de Decisión

Figura 6-2: Costo de Energía Ahorrada por Reemplazo de un Motor Estándar por uno de Alta Eficiencia versus uno Rebobinado, considerando Motores TEFC [8]

La creencia convencional, entre muchos gerentes de instalación y distribuidores de motores, es rebobinar todos los motores fallados que son mayores que 10 o 15 (HP), antes que sustituirlos por motores de alta eficiencia. Uno de los programas más agresivos y exitosos de la corporación de eficiencia energética toma un criterio diferente. En consecuencia con lo precedentemente expuesto, rebobinar es a menudo más rentable si se tiene una o más de las siguientes condiciones: x

El motor es de más de 10 o 15 (HP). Ferroman por su parte lo considera si es de más de 75 (HP), mientras que Southwire lo hace si es de más de 125 (HP). La potencia límite para la decisión finalmente depende del criterio de la empresa. Puede pensarse que una potencia razonable para un criterio conservador es 100 (HP), pero en el rango de mayor de 10 (HP) y menor de 500 (HP), antes de tomar una decisión definitiva, debe realizarse una evaluación del motor que ha fallado y dónde éste opera, como anteriormente se expuso.

x

Opera menos de 2000 horas al año.

x

Es ya tan eficiente que reemplazarlo aumenta muy poco su eficiencia.

x

Posee un diseño especial por lo que el reemplazo por uno de alta eficiencia no está disponible en forma inmediata.

x

El precio de la energía que paga la empresa es bajo.

x

El costo de rebobinar es menor al 57 por ciento del costo del motor nuevo, dependiendo del criterio de la empresa.

x

El motor opera en una la línea productiva secundaria o auxiliar de la empresa a la que presta servicio.

x

Es un motor de alta eficiencia y tras fallar, el costo de su reparación es menor del 40 por ciento de adquirir uno nuevo.

x

El motor está próximo al fin de su vida útil.

x

Por el contrario, se vuelve más conveniente reemplazar si: 53

6 Criterios y Guías para la Toma de Decisión x

El motor es de menos de 10 o 15 (HP). Ferroman por su parte lo considera si es de menos de 75 (HP), mientras que Southwire lo hace si es de menos de 125 (HP).

x

El motor es menor de 40 (HP) y ha funcionado por más de 15 años.

x

Opera de 2 a 3 turnos ó más de 2000 horas al año.

x

Las condiciones de funcionamiento han sido adversas.

x

Ha operado en forma continua con 10 grados Celsius por sobre su temperatura de diseño máxima, provocando con esto una reducción de su vida útil a la mitad.

x

Ha sido rebobinado.

x

Ha presentado fallas.

x

Presenta una alta probabilidad de fallar, siendo por ende poco confiable.

x

El precio de la energía que paga la empresa es alto.

x

El motor opera en la línea productiva principal de la empresa a la que presta servicio.

x

El costo del motor nuevo no supera, aproximadamente, el 57 por ciento del costo de rebobinar el mismo.

x

El diseño del motor analizado es estándar.

x

Es un motor sobredimensionado.

x

La empresa tiene expectativas de expansión a corto plazo.

Cabe destacar que la mayoría de las empresas tiene una guía de motores, en la cual, por medio de la experiencia y estudios, determinan si es conveniente rebobinar un motor, dependiendo de los factores que consideran, o si es preferible reemplazarlo por uno nuevo. Una de las fallas que se considera clave al momento de decidir, es si se ha producido un cortocircuito en el estator, lo cual se puede verificar porque se funden los fusibles. En este caso, Se debe rebobinar el motor.

54

7 Evaluación de las Alternativas Para determinar la conveniencia tanto técnica como económica entre rebobinar o reemplazar un motor fallado, es necesario analizar el motor que ha fallado. En este estudio se realizará una evaluación de las alternativas que se presentan cuando falla un motor de inducción trifásico, con rotor jaula de ardilla, de 20 (HP), el cual cumple funciones en una determinada empresa.

7.1 Características del Motor a Evaluar Los parámetros del motor de inducción que se evaluará, los cuales describen el funcionamiento de éste, se basaron en la especificación técnica de un motor de estas características, obtenida de [13], y son los que se presentan a continuación. Potencia nominal: ܲ݊ ൌ ʹͲሺ‫ܲܪ‬ሻ

(7-1)

Tensión nominal: ܸ݊ ൌ ͵ͺͲሺܸሻ

(7-2)

Frecuencia nominal: ᐦ ൌ ͷͲሺ‫ݖܪ‬ሻ

(7-3)

Número de polos: ‫݌‬ൌͶ

(7-4)

Desplazamiento: ‫ ݏ‬ൌ ͲǡͲͷ

(7-5)

55

7 Evaluación de las Alternativas Factor de Potencia Nominal: …‘• ߶ ൌ Ͳǡͻ

(7-6)

Eficiencia: Ꮈ ൌ Ͳǡͻ

(7-7)

Velocidad Síncrona: ݊௦ ൌ

ͳʹͲ ή ᐦ ൌ ͳͷͲͲሺ‫݉݌ݎ‬ሻ ‫݌‬

(7-8)

Velocidad Nominal: ‫ݏ‬ൌ

݊௦ െ ݊ ൌ ͲǡͲͷ ݊௦

(7-9)

ฺ ݊ ൌ ݊௦ ሺͳ െ ‫ݏ‬ሻ ൌ ͳͶʹͷሺ‫݉݌ݎ‬ሻ

Torque Nominal: ܶ௡ ൌ

ܲ௡ ή ͹Ͷ͸ ݊ ൌ ͻͻǡͻͺሺܰ ή ݉ሻ ʹߨ ή ͸Ͳ

(7-10)

Torque de Partida: ܶ௣ ൌ ͳǡͷ ή ܶ௡ ൌ ͳͶͻǡͻ͹ሺܰ ή ݉ሻ

(7-11)

A continuación se muestra, en la Figura 7-1, el circuito equivalente monofásico del motor de inducción.

Figura 7-1: Circuito Equivalente Monofásico del Motor de Inducción

Dada la condición de alta impedancia de la rama shunt, es posible realizar la simplificación del circuito mostrado anteriormente. Este circuito simplificado es el que se presenta en la Figura 7-2: Circuito Equivalente Monofásico del Motor de Inducción 56

7 Evaluación de las Alternativas En base al circuito equivalente monofásico mostrado en la Figura 7-2: Circuito Equivalente Monofásico del Motor de Inducción se obtienen los valores de Eo, R y X, correspondientes a la tensión, resistencia y reactancia del circuito. Resistencia: ܴ ൌ ‫ݎ‬ଵ ή ൬

ଶ ‫ݔ‬௠ ൰ ൌ ͳǡͳ͵ͻͶͳሺπሻ ‫ݔ‬ଵ ൅ ‫ݔ‬௠

(7-12)

Reactancia: ܺൌ

‫ݔ‬ଵ ή ‫ݔ‬௠ ൌ ʹǡͳͷʹ͵ͻሺπሻ ‫ݔ‬ଵ ൅ ‫ݔ‬௠

(7-13)

‫ܧ‬ଵ ή ‫ݔ‬௠ ൌ ͳͺͷǡͲ͹ሺ‫ݒ‬ሻ ‫ݔ‬ଵ ൅ ‫ݔ‬௠

(7-14)

Tensión: ‫ܧ‬௢ ൌ

Figura 7-2: Circuito Equivalente Monofásico del Motor de Inducción

Por su parte, el comportamiento electromecánico que presenta el motor se puede conocer en forma teórica mediante los valores que definen la operación del motor de inducción. Corriente del Estator: ଶ

‫ܫ‬ଵ ൌ

‫ܫ‬ଶƲ ‫ݎ‬Ʋ ඨቆ ଶ ቇ ൅ ሺ‫ݔ‬ଶ ൅ ‫ݔ‬௠ ሻଶ ൌ ͳ͸ǡͳ͸ሺ‫ܣ‬ሻ ‫ݔ‬௠ ‫ݏ‬

(7-15)

Corriente de Rotor referida al Estator:

57

7 Evaluación de las Alternativas ‫ܧ‬௢

‫ܫ‬ଶƲ ൌ

ଶ ‫ݎ‬ଶƲ

ൌ ͳͶǡͶ͸ሺ‫ܣ‬ሻ

(7-16)

ඨቆܴ ൅ ቇ ൅ ሺܺ ൅ ‫ݔ‬ଶ ሻଶ ‫ݏ‬

Tensión en la Rama de Magnetización: ଶ

‫ݎ‬Ʋ ‫ܧ‬௠ ൌ ‫ܫ‬ଶƲ ඨቆ ଶ ቇ ൅ ‫ݔ‬ଶ ଶ ൌ ͳͺ͹ǡͶ͹ሺ‫ݒ‬ሻ ‫ݏ‬

(7-17)

Factor de Potencia: …‘• ߶ ൌ

ܲ௘ ൌ Ͳǡͻ ͵ ή ‫ܧ‬௢ ή ‫ܫ‬ଵ

(7-18)

7.2 Consideraciones para la Evaluación 7.2.1 Tarifa de la Empresa La subsecretaría de economía, fomento y reconstrucción, del ministerio del mismo campo, fija las fórmulas tarifarias aplicables a los suministros sujetos a precios regulados efectuados por las empresas concesionarias de distribución. Esto por medio del informe técnico “Fijación de fórmulas tarifarias para concesionarios de servicio público de distribución”, de Abril de 2014. Debido a que las tarifas de suministro eléctrico son establecidas de acuerdo con fórmulas de cálculo fijadas cada cuatro años, es que el informe señalado anteriormente es vigente hasta Abril de 2018. En este caso, la empresa que se considera es la concesionaria Chilquinta Energía S.A., de la quinta región. Los usuarios sometidos a regulación de precio, denominados clientes, que se encuentren ubicados en zonas de concesión de la empresa que corresponda, están afectos a los niveles tarifarios dados por la clasificación de área típica correspondiente a la empresa que le otorga el suministro. Lo cual en este caso corresponde al área típica 1. Las fórmulas tarifarias que se fijan en el informe, se aplican a los suministros de los usuarios finales cuya potencia conectada es inferior o igual a 2000 kilo - Watts, y que presentan las siguientes características: x

Ubicados en zonas de concesión de servicio público de distribución o que se conecten mediante líneas de su propiedad o de terceros a las instalaciones de distribución de la respectiva concesionaria.

x

Efectuados desde instalaciones de generación o transporte de una empresa, en sistemas eléctricos de tamaño superior a 1500 kilo - Watts en capacidad instalada de generación.

58

7 Evaluación de las Alternativas x

Los clientes pueden elegir libremente cualquiera de las opciones tarifarias, con las limitaciones y condiciones de aplicación establecidas en cada caso, y dentro del nivel que les corresponda.

x

La tarifa AT4.1 corresponde a una tarifa horaria en alta tensión para clientes a los que se les mide la energía mensual total consumida, y tienen contratada la demanda máxima de potencia en horas de punta y la demanda máxima de potencia. Esta tarifa tiene los siguientes cargos: o Fijo Mensual: CFES ($/cliente) o Único por Uso del Sistema Troncal: CU ($/cliente) o Energía: PEAT x Pe ($/kWh) o Demanda máxima contratada en horas de punta: FDFPA x CDAT ($/kW/mes) o Demanda máxima contratada: FNPPA x PPAT x Pp + FDPPA x CDAT – FDFPA x CDAT ($/kW/mes)

Cabe señalar que para este análisis se toman ciertas consideraciones, por una parte correspondientes a las condiciones de funcionamiento que tiene el motor en la actualidad, y las que debe tener en caso de reemplazarlo por uno nuevo. Por otra parte, con respecto a la empresa para la cual éste presta servicio. Estas condiciones son las que se presentan a continuación. El motor a analizar se considera: x

Trifásico de inducción con rotor jaula de ardilla.

x

Diseño estándar.

x

Eficiencia estándar.

x

Potencia nominal: 20 (HP).

x

Correctamente dimensionado.

x

Tensión entre fases: 380 Volts.

x

Tensión entre fase y neutro: 220 Volts.

x

Frecuencia de operación: 50 Hertz.

x

N° de polos: 4.

x

Velocidad sincrónica: 1500 revoluciones por minuto.

x

Factor de potencia nominal: 0.9.

x

Eficiencia nominal: 0.9.

x

Años que ha funcionado: 5 años.

x

Operación: normal, no ha sido sometido a condiciones adversas. Opera a plena carga, pues está óptimamente dimensionado.

x

Temperatura de operación: de acuerdo a su diseño.

x

N° de rebobinados anteriores: No ha sido rebobinado con anterioridad.

x

Fallas: No ha sufrido fallas importantes durante sus años de funcionamiento.

59

7 Evaluación de las Alternativas x

N° de horas de funcionamiento: El motor funciona 12 horas al día, lo que implica 60 horas a la semana, es decir, 3.120 horas anuales.

x

Lugar de operación: Opera en una línea secundaria o auxiliar de producción de la empresa, por lo que la salida de éste en el momento en que falle no presenta un cuello de botella, es decir, no detiene la producción de la empresa.

x

Al optar por el rebobinado del motor, se considera que éste tiene un cierto número de horas de parada no programada. Además, se asume que tras el rebobinado, el motor presenta una mayor probabilidad de falla.

Por su parte, la empresa a la que el motor presta servicio se considera: x

Se rige por la tarifa de cliente regulado AT 4.1, perteneciente a la compañía distribuidora de energía Chilquinta energía.

x

El precio de la energía, en kilowatts – hora, es de 88,256 pesos, lo cual se obtuvo de las tarifas de suministros eléctrico informadas por la compañía en Julio del presente año.

x

El precio de la energía aumenta en un 4 por ciento anual, porcentaje estimado de lo informado en las tarifas de suministro eléctrico de la compañía.

x

Una empresa mediana.

x

Los factores que considera determinantes son los económicos.

x

Tasa de retorno mínima aceptable: 10 %.

x

Los costos asociados a reparaciones son ignorados, aduciendo que, como los motores son mantenidos operando en forma correcta, no requieren de ellas.

x

Los costos por mantenimientos corresponden a cambios por rodamientos, y son dependiendo de la opción que se adopte.

x

En la opción de rebobinar se realizan cumplidas las 8.000 horas de funcionamiento, mientras que en la de reemplazar con un motor nuevo se hacen cumplidas las 25.000 y 50.000 horas de funcionamiento respectivamente, según se trate de un motor de eficiencia estándar o de un motor de alta eficiencia.

x

El costo de los rodamientos se estiman en 14 dólares cada uno, considerando que al realizar la mantención se cambian los dos.

x

El precio que cobra el personal especializado en realizar el trabajo de mantención es de 12 dólares por hora hombre.

En el caso de adquirir un motor nuevo se considera que: x

La potencia nominal del que se adquiera es de 20 caballos de fuerza, pues el motor no requiere de una corrección de ésta, ya que está debidamente dimensionado.

x

La vida útil de un motor nuevo, bajo condiciones de operación normales, es de 15 años, en motores de eficiencia estándar, y de 20 años para motores de alta eficiencia.

En el caso de rebobinar, se considera que: x

La eficiencia que pierde el motor si se somete al rebobinado es de 2 por ciento.

x

El diseño del estator del motor fallado se mantiene, es decir que el cable de las bobinas del estator del motor fallado es del mismo largo que el anterior. 60

7 Evaluación de las Alternativas En resumen, las consideraciones para el motor fallado y para la empresa para la cual éste presta servicio son: x

Motor de inducción trifásico rotor jaula de ardilla

x

Diseño: estándar

x

Eficiencia: estándar

x

Potencia nominal: Pn = 20 (HP)

x

Tensión entre fases: V = 380 (V)

x

Frecuencia: f = 50 (Hz)

x

Nº de polos: p = 4

x

Velocidad sincrónica: s = 1500 (rpm)

x

Factor de potencia: cos = 0.9

x

Eficiencia nominal: = 0.9

x

Años de funcionamiento: Af = 5 años

x

Empresa a la que presta servicio: mediana

x

Fallas anteriores: no

x

Rebobinados anteriores: no

x

Condiciones operación: normales

x

Carga operación: plena

x

Horas funcionamiento: 3.120 (h/año)

x

Tarifa de la empresa: cliente regulado AT 4.1, Chilquinta energía

x

Precio energía: 88,256 (kW/h)

x

Línea de producción en que opera: secundaria

x

Mantenimiento y reparaciones: libre

x

Vida útil motor rebobinado: 10 años

x

Vida útil motor nuevo de eficiencia estándar: 15 años

x

Vida útil motor nuevo de alta eficiencia: 20 años

x

Pérdida eficiencia por rebobinado: 2%.

x

Tasa de retorno mínima aceptable: 10%.

7.3 Evaluación Técnica 7.3.1 Comportamiento de cada Factor en cada Opción. Potencia, se analiza un posible sobre dimensionado El motor está debidamente dimensionado por lo que la potencia de éste no debe ser corregida adquiriendo motores de distinta potencia.

Eficiencia de Operación La eficiencia de operación del motor analizado es de 90 por ciento, la cual decae a un 88 por ciento si éste es rebobinado. Por su parte, al adquirir un motor nuevo de eficiencia estándar, ésta es de un 93,8 por ciento, mientras que si se adquiere uno nuevo de alta eficiencia, es de un 95,1 por ciento. 61

7 Evaluación de las Alternativas Lo anterior implica que la mejor opción en base a la eficiencia que presenta el motor, es la de adquirir un motor nuevo de alta eficiencia.

Pérdidas Presentes tras ser Rebobinado, Disminución de Eficiencia Considerando, como anteriormente se expuso, que el motor no tiene rebobinados anteriores, la disminución de la eficiencia se considera de un 2 por ciento, si se opta por rebobinar el motor fallado. Al optar por adquirir un motor nuevo, ya sea de eficiencia estándar o de alta eficiencia, éste no presenta una disminución de la eficiencia. En base a la disminución de eficiencia, la opción más conveniente es adquirir un motor nuevo.

Delta de Eficiencia En base a la eficiencia que presenta el motor analizado antes de fallar, se produce un delta de eficiencia respecto a la que cada opción presente. Con una eficiencia de 90 por ciento como referencia, al rebobinar el motor, se produce un delta de eficiencia negativo de un dos por ciento, mientras que al adquirir un motor nuevo, el delta de eficiencia producido es de un 3,8 por ciento, si se trata de un motor de eficiencia estándar, y de un 5,1 por ciento si es un motor de alta eficiencia. Entonces, en base a la eficiencia, la opción recomendada es adquirir un motor nuevo de alta eficiencia.

Condiciones de Funcionamiento que ha tenido Las condiciones de operación que ha tenido el motor analizado se consideran normales dentro de su diseño.

Número de Rebobinados Anteriores que Presenta el Motor Fallado Se considera que el motor analizado no ha sido sometido a rebobinados anteriores, esto determina que si se opta por rebobinar el motor fallado, la disminución de la eficiencia es de un 2 por ciento.

Tipo y Cantidad de Reparaciones y Mantenciones Necesarias Tras rebobinar el motor, se considera que éste, aun cuando esté más cercano al final de su vida útil que las opciones de comprar un motor nuevo, está en buenas condiciones de funcionamiento. Si a esto se le agrega que los motores de inducción no necesitan mayor mantenimiento y reparaciones que desembolsen una cantidad significativa de dinero, este gasto se considera despreciable en primera instancia, y es utilizado en el caso que sea determinante en la toma de decisión.

62

7 Evaluación de las Alternativas

Confiabilidad, Probabilidad de Falla La confiabilidad que presenta el motor en el caso de optar por rebobinarlo es menor que la de comprar un motor nuevo de eficiencia estándar, la que a su vez es menor que la que presenta un motor nuevo de alta eficiencia, debido a su mayor robustez. La confiabilidad está directamente relacionada con la probabilidad de falla que tenga el motor, y ésta con el número de horas de parada no programada que presente éste. Todo lo anterior afecta a la producción continua de la empresa para la cual éste presta servicio. En base a la confiabilidad que presenta cada opción, la alternativa más conveniente resulta ser la de comprar un motor nuevo de alta eficiencia, pues es más rentable trabajar con motores confiables que con aquellos que presentan una alta probabilidad de falla, ya que con esto se disminuye la probabilidad de paralizar el proceso de producción.

Número de Años que ha estado en Operación El número de años de operación que tenga el motor determina en qué parte de su vida útil se encuentra. En el caso de optar por rebobinarlo, la vida útil del motor se considera de 10 años, por lo que la inversión tiene que ser absorbida en menos tiempo para que resulte conveniente. En el caso de optar por comprar un motor nuevo, la vida útil del motor se considera de 15 años si se trata de un motor de eficiencia estándar, y de 20 años si es de alta eficiencia. En base al número de años que ha estado en funcionamiento, la opción más conveniente es la de comprar un motor nuevo, de alta eficiencia.

7.3.2 Conclusión de la Evaluación Técnica. En concordancia con los factores considerados, analizados anteriormente en la evaluación técnica, se concluye que la opción más conveniente, de acuerdo al punto de vista técnico, corresponde a la de comprar un motor nuevo de alta eficiencia.

7.4 Evaluación Económica El análisis económico se realiza con el método del valor actualizado neto, VAN, el cual mide la rentabilidad deseada, luego de haber recuperado la inversión inicial que fue necesaria para realizar el trabajo de reparación o de adquisición de un motor nuevo. Este se lleva a cabo considerando la inversión inicial, costos de operación y valor residual. Las ganancias que la empresa recibe por concepto del trabajo que realiza el motor analizado no son plasmadas en el cálculo. Lo anterior no afecta la conclusión, ya que la comparación se hace considerando que el motor produce lo mismo en las tres opciones analizadas, y por lo tanto significan las mismas ganancias para la empresa.

63

7 Evaluación de las Alternativas

7.4.1 Comportamiento de cada Factor en cada Opción. Costo Inicial Conocido también como inversión inicial, el costo inicial es presentado a continuación para cada una de las opciones. Esta inversión inicial se basa en información dada por Incide Sales Engineer, en el caso de adquisición de motores nuevos, y por Cabane en el caso de rebobinar. Los costos de las distintas opciones, de acuerdo a las especificaciones dadas, se presentan a continuación: Costo de un Motor de Inducción Trifásico Nuevo de Eficiencia Estándar Potencia: 20 (HP) Velocidad: 1500 (rpm) Tensión: 380 (V) Frecuencia: 50 (Hz) Carcasa: TEFC Costo: US$ 1.797,00 + iva Costo Motor de Inducción Trifásico Nuevo de Alta Eficiencia Potencia: 20 (HP) Velocidad: 1500 (rpm) Tensión: 380 (V) Frecuencia: 50 (Hz) Carcasa: TEFC Costo: US$ 2.275,00 + iva Costo de Rebobinado de Motor de Inducción Trifásico Potencia: 20 (HP) Velocidad: 1500 (rpm) Tensión: 380 (V) Frecuencia: 50 (Hz) 64

7 Evaluación de las Alternativas Costo: 300.000 a 400.000 ($) Se considera el valor del dólar observado de 690 pesos, el costo de rebobinar un motor de inducción trifásico con las características anteriormente descritas es de: US$ 580,00 + iva A continuación se muestra, en la Tabla 7-1, el costo inicial de cada opción analizada. Tabla 7-1: Costo Inicial de Cada Alternativa Analizada

Opción Compra Motor Eficiencia Estándar Compra Motor Alta Eficiencia Rebobinar Motor

Costo US$ 1.797,00 + iva 2.275,00 + iva 580,00 + iva

Eficiencia El motor que está en funcionamiento, y que actualmente está fallado, tiene una eficiencia del 90 por ciento. Este dato se considera referencial. Al someter el motor fallado al rebobinado, la eficiencia de éste presenta una disminución de un 2 por ciento, correspondiendo finalmente a un 88 por ciento. El motor de eficiencia estándar presenta una eficiencia de 93,8 por ciento. El motor de alta eficiencia presenta una eficiencia de 95,1 por ciento. En la Tabla 7-2, que a continuación se muestra, se indica la eficiencia correspondiente a cada alternativa analizada. Tabla 7-2: Eficiencia de cada Alternativa Analizada

Opción Referencia Compra Motor Eficiencia Estándar Compra Motor Alta Eficiencia Rebobinar Motor

Eficiencia 90% 93,8% 95,1% 88%

Costo de Operación El costo de operación de cada opción depende de la eficiencia que presente el motor en cada una de ellas. Tanto el precio de energía como las características del motor, se consideran iguales para las tres opciones.

65

7 Evaluación de las Alternativas ܿ‫̴݈ܽݑ̴݊ܽ݊×݅ܿܽݎ݁݌݋̴݋ݐݏ݋‬ሺ̈́ሻ ൌ

ܲ ή ݄଴ ή ‫ܥ‬௘ ή ͲǤ͹Ͷ͸ Ꮈ

(7-19)

Donde: P: Potencia requerida por el motor en HP: 20 (HP) Ho: Número de horas de operación anuales: 3.120 (h/año)* Ce: Costo de la energía: 88,256 ($/kWh) Ꮈ: Eficiencia del motor. Dólar observado: 690 ($) (*) El número de horas de operación anuales se obtiene considerando que el motor opera 12 horas al día, 5 días a la semana, lo que enteran 60 horas de operación semanales. Esto se traduce a 3.120 horas anuales de operación. Con respecto al costo de la energía, y de acuerdo a datos extraídos de los informes de tarifas de suministro eléctrico de la compañía eléctrica Chilquinta Energía, desde el año 2014 al año 2017, se considera que ésta aumenta un 4 por ciento anual. Los precios se consideran como precio neto más el impuesto al valor agregado. Todos los costos se consideran en dólares, esto con el fin de poder realizar comparaciones a nivel mundial, ya que en el mercado es fundamental considerar y manejar precios en moneda universal. Motor de Eficiencia Estándar en Funcionamiento Se muestra el cálculo del costo de operación, en base a (7-19), que presenta el motor funcionando antes de fallar. Esto es con una eficiencia de: Ꮈ ൌ ͻͲΨ ܿ‫̴̴݂݈݁݁݉ܽݑ̴݊ܽ݊×݅ܿܽݎ݁݌݋̴݋ݐݏ݋‬ሺ̈́ሻ ൌ

ʹͲ ή ͵ͳʹͲ ή ͺͺǡʹͷ͸ ή Ͳǡ͹Ͷ͸ Ͳǡͻ

ܿ‫̴̴݂݈݁݁݉ܽݑ̴݊ܽ݊×݅ܿܽݎ݁݌݋̴݋ݐݏ݋‬ሺ̈́ሻ ൌ ͶǤͷ͸ͶǤͺ͵ͷǡ͸͹ ܿ‫̴̴݂݈݁݁݉ܽݑ̴݊ܽ݊×݅ܿܽݎ݁݌݋̴݋ݐݏ݋‬ሺܷܵ̈́ሻ ൌ ͸Ǥ͸ͳͷͶǤ͹

(7-20)

Motor Nuevo de Eficiencia Estándar Se muestra el cálculo del costo de operación, en base a (7-19), en caso de optar por la alternativa de comprar un motor nuevo de eficiencia estándar. Esto es con una eficiencia de: Ꮈ ൌ ͻ͵ǡͺΨ

66

7 Evaluación de las Alternativas ܿ‫̴̴݈݁݁݉ܽݑ̴݊ܽ݊×݅ܿܽݎ݁݌݋̴݋ݐݏ݋‬ሺ̈́ሻ ൌ

ʹͲ ή ͵ͳʹͲ ή ͺͺǡʹͷ͸ ή Ͳǡ͹Ͷ͸ Ͳǡͻ͵ͺ

ܿ‫̴̴݈݁݁݉ܽݑ̴݊ܽ݊×݅ܿܽݎ݁݌݋̴݋ݐݏ݋‬ሺ̈́ሻ ൌ ͶǤ͵͹ͻǤͻͲ͸ǡʹͻ ܿ‫̴̴݈݁݁݉ܽݑ̴݊ܽ݊×݅ܿܽݎ݁݌݋̴݋ݐݏ݋‬ሺܷܵ̈́ሻ ൌ ͸Ǥ͵Ͷ͹ǡ͸ͻ

(7-21)

Motor Nuevo de Alta Eficiencia Se muestra el cálculo del costo de operación en caso de optar por la alternativa de comprar un motor nuevo de alta eficiencia. Esto es con una eficiencia de: Ꮈ ൌ ͻͷǡͳΨ ܿ‫̴̴݈݁ܽ݉ܽݑ̴݊ܽ݊×݅ܿܽݎ݁݌݋̴݋ݐݏ݋‬ሺ̈́ሻ ൌ

ʹͲ ή ͵ͳʹͲ ή ͺͺǡʹ͸ͷ ή Ͳǡ͹Ͷ͸ Ͳǡͻͷͳ

ܿ‫̴̴݈݁ܽ݉ܽݑ̴݊ܽ݊×݅ܿܽݎ݁݌݋̴݋ݐݏ݋‬ሺ̈́ሻ ൌ ͶǤ͵ʹͲǤͲ͵͵ǡ͹͸ ܿ‫̴̴݈݁ܽ݉ܽݑ̴݊ܽ݊×݅ܿܽݎ݁݌݋̴݋ݐݏ݋‬ሺܷܵ̈́ሻ ൌ ͸Ǥʹ͸Ͳǡͻʹ

(7-22)

Motor Rebobinado Se muestra el cálculo del costo de operación en caso de optar por la alternativa de rebobinar el motor fallado. Considerando que tiene una disminución en su eficiencia de un 2 por ciento con respecto a la eficiencia del motor antes de fallar. Esto es con: Ꮈ ൌ ͺͺΨ ܿ‫̴ݎ̴݈݉ܽݑ̴݊ܽ݊×݅ܿܽݎ݁݌݋̴݋ݐݏ݋‬ሺ̈́ሻ ൌ

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(7-23)

En base a los cálculos antes realizados, a continuación, en la Tabla 7-3, se presenta el costo de energía consumida anual de cada alternativa analizada. Tabla 7-3: Costo de energía consumida anual de cada alternativa analizada

Opción

Costo de Energía Consumida Anual (US$)

Referencia

6.615,7

Compra Motor Eficiencia Estándar

6.347,69

Compra Motor Alta Eficiencia

6.260,92

Rebobinar Motor

6.766,06

67

7 Evaluación de las Alternativas

Ahorro Energía Para calcular el ahorro de energía que se tiene en cada opción, se considera como base el costo de energía que presenta el motor de eficiencia estándar analizado antes de fallar, calculado en (7-20). Motor Nuevo de Eficiencia Estándar Se muestra el cálculo del costo de ahorro de energía en caso de optar por la alternativa de comprar un motor nuevo de eficiencia estándar. El costo de energía anual correspondiente a esta alternativa fue calculado en (7-21). Esto es: ܿ‫݋ݐݏ݋‬௔௛௢௥௥௢೐೙೐ೝ೒Àೌ

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Motor Nuevo de Alta Eficiencia Se muestra el cálculo del costo de ahorro de energía en caso de optar por la alternativa de comprar un motor nuevo de alta eficiencia. El costo de energía anual correspondiente a esta alternativa fue calculado en (7-22). Esto es: ܿ‫݋ݐݏ݋‬௔௛௢௥௥௢೐೙೐ೝ೒Àೌ

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Motor Rebobinado Se muestra el cálculo del costo de ahorro de energía en caso de optar por la alternativa de rebobinar un motor. El costo de energía anual correspondiente a esta alternativa fue calculado en (7-23). Esto es: ܿ‫݋ݐݏ݋‬௔௛௢௥௥௢೐೙೐ೝ೒Àೌ

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68

7 Evaluación de las Alternativas En este caso se tiene que el costo de energía será mayor si se opta por rebobinar el motor que ha fallado. En base a los cálculos antes realizados, a continuación, en la Tabla 7-4, se presenta el ahorro de energía anual de cada alternativa analizada. Tabla 7-4: Ahorro de Energía en cada Alternativa Analizada

Opción Compra Motor Eficiencia Estándar Compra Motor Alta Eficiencia Rebobinar Motor

Ahorro (US$) 268,0 354,8 -150,4

Valor Residual El valor residual de un motor rebobinado se considera de 2 dólares, mientras que el de un motor de eficiencia estándar de 10 dólares. Por su parte, el valor residual de un motor de alta eficiencia se cree de 20 dólares.

Producción del Motor Tomando en cuenta que el motor continúa prestando el mismo servicio, no importando la opción que se tome, la producción de éste no es incluida en el cálculo de los métodos utilizados en el análisis.

Tiempo de Entrega Considerando que el motor analizado es de un diseño estándar, al optar por comprar un motor nuevo, ya sea de eficiencia estándar o de alta eficiencia, el tiempo de entrega es inmediato, pues se cree disponible en el stock de la fábrica. Si en cambio, se opta por rebobinar el motor fallado, el tiempo que demora la reparación, en base a su velocidad sincrónica y a su potencia, es de 4 días, tiempo que debe considerarse desde el punto de vista de la producción que deje de realizar el motor por no estar en condiciones de operar. En base al tiempo de entrega, la opción más conveniente es adquirir un motor nuevo.

Costos por Mantenimientos Los costos por mantenimiento corresponden a los por concepto de cambio de rodamientos. Considerando que el costo de cada rodamiento es de 10 dólares, y que el tiempo que demora en realizarse el cambio de estos es de 5 horas, con un valor de la hora de mano de obra de 8 dólares, se tiene que el costo por el cambio de cada rodamiento corresponde a 400 dólares. Estableciendo que cada vez que se realice el mantenimiento, se cambien ambos rodamientos a la vez, el costo por mantenimiento finalmente corresponde a 800 dólares, como se aprecia en la ecuación (7-24).

69

7 Evaluación de las Alternativas ܿ‫̴ݏ݋ݐ݊݁݅݉ܽ݀݋ݎ̴݋̴ܾ݅݉ܽܿ݋ݐݏ݋‬ሺܷܵ̈́ሻ ൌ ͳͲ ή ʹ ή ͷ ή ͺ ൌ ͺͲͲ

(7-24)

Dado que el motor sólo opera 12 horas al día, se considera que el mantenimiento es realizado en las horas en que éste no está en funcionamiento.

7.4.2 Cálculo del Valor Agregado Neto para cada Alternativa. Tras haber realizado los cálculos anteriores, es posible evaluar las alternativas mediante el método del Valor Agregado Neto, para lo cual se tuvieron algunas consideraciones como: El valor del precio de la energía se incrementa anualmente en un 2 por ciento, esto en base al incremento que presenta éste en las tarifas de suministro eléctrico informadas por Chilquinta Energía [14]. Los resultados obtenidos del método del Valor Agregado Neto en cada opción son negativos, dado que sólo se considera el costo inicial y el costo de operación, como se explicó anteriormente. Es por esto que la alternativa más conveniente es la menos negativa. Dado que se considera que el precio de la energía aumenta un 2 por ciento anual, el cálculo del costo de operación anual en el VAN se realiza en base a lo estipulado en [15]. Dicho lo anterior se presentan a continuación los cálculos:

ܸ‫ܰܣ‬௎ௌ̈́ ൌ െ‫ܫ‬௢ ሺܷܵ̈́ሻ െ ܿ‫݋ݐݏ݋‬௢௣௘௥௔௖௜×௡ೌ೙ೠೌ೗

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(7-25)

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Donde: Io: inversión inicial (US$). TRMA: 10% Cr: costo de rodamientos (US$). VR: valor residual (US$). N: (*) (años) (*) El Valor Agregado Neto de la opción de rebobinar el motor, se calcula de modo tal de hacer posible la comparación de los resultados obtenidos mediante este método, considerando que la vida útil correspondiente a esta opción es distinta a la correspondiente a la opción de comprar un motor nuevo. Esto se debe a que para el motor rebobinado la vida útil de éste es 10 años, ya que se considera que ha estado en funcionamiento 5 años al momento de fallar, mientras que para el motor nuevo, si se trata de uno de eficiencia estándar, es de 15 años, y si se trata de uno de alta eficiencia es de 20 años.

70

7 Evaluación de las Alternativas

Valor Agregado Neto Motor Rebobinado Con: Io: 580,00 (US$) TRMA: 10% N: 10 (años) Costo operación anual (US$): 6.766,1 Valor residual (US$): 2 ܸ‫̴ݎ̴݉ܰܣ‬ሺܷܵ̈́ሻ ൌ െͺ͹ǤͲͳͷǡͻ

(7-26)

Valor Agregado Neto Motor Nuevo Eficiencia Estándar Con: Io: 1.797,00 (US$) TRMA: 10% N: 15 (años) Costo operación anual (US$): 6.347,69 Valor residual (US$): 10 ܸ‫̴̴݁݁݉ܰܣ‬ሺܷܵ̈́ሻ ൌ െͺͳǤͷ͵ͻǡ͵

(7-27)

Valor Agregado Neto Motor Nuevo Alta Eficiencia Con: Io: 2.275,00 (US$) TRMA: 10% N: 20 (años) Costo operación anual (US$): 6.260,92 Valor residual (US$): 20 ܸ‫̴̴݁ܽ݉ܰܣ‬ሺܷܵ̈́ሻ ൌ െ͹ͺǤͲʹ͵ǡͶ

(7-28)

71

7 Evaluación de las Alternativas

7.4.3 Conclusión Evaluación Económica. En base al análisis económico realizado a cada una de las opciones considerando el método del Valor Agregado Neto se concluye que la alternativa más conveniente, desde el punto de vista económico, en el caso de tener un motor de las características del analizado, es reemplazar el motor por uno nuevo de alta eficiencia.

7.5 Conclusión Evaluación del Motor De acuerdo al hecho que, tras realizarle una evaluación, tanto del punto de vista técnico como económico, al motor que ha fallado, analizando cada factor predominante en cada una de las opciones antes descritas, y habiendo concluido en ambos casos la misma propuesta, es que se puede decir con propiedad que la opción más conveniente entre rebobinar y reemplazar el motor fallado evaluado, es la de reemplazar con un motor nuevo de alta eficiencia. Es recomendable además, para lograr un acabado análisis del motor, realizar un diagnóstico de éste basándose en un estudio de las curvas de perfil de carga, del factor de potencia, de la distorsión armónica que pudiese presentar tanto en voltaje como en corriente, de la eficiencia operativa, de las pérdidas mecánicas presentes en la carga del eje, en el rotor, estator, acero y reactivas, de las protecciones de sobrecorriente que posee, de la sobrecarga y corriente simétrica de cortocircuito, de la Norma en el Código Eléctrico, del tipo de aplicación en que se desarrolla el motor, de las maniobras de encendido y apagado, del análisis de ciclo de vida, además de las posibles mejoras de eficiencia y de la determinación económica de sustitución para motores eficientes que se tenga. A continuación se mencionan las características de la opción más conveniente. Un motor de alta eficiencia presenta las siguientes características: x

Mayor eficiencia que los motores de eficiencia estándar.

x

Costos de operación menores a los motores de eficiencia estándar.

x

Conllevan un mayor ahorro de energía consumida a su funcionamiento eficiente.

x

Rápida recuperación de la inversión inicial adicional debido a su alta eficiencia.

x

Como opera a carga nominal, el tiempo de recuperación de la inversión extra es aún menor.

x

Operan a una mayor velocidad.

x

Se pueden considerar ahorros extra debido a que poseen una mejor ventilación, siendo capaces de tolerar una alta temperatura ambiente y variaciones de tensión debido a su diseño específico.

x

Presentan las mismas fallas que los motores de eficiencia estándar, pero demoran más en fallar, ya que son mejor construidos y más robustos.

x

Puede considerarse que tienen una mayor de vida útil ya que operan a menor temperatura.

x

Siempre es necesario someterlos a adecuados y oportunos mantenimientos para que su confiabilidad no disminuya. 72

8 Programa de Selección Motores: IMSSA Con el objetivo de optimizar tanto técnica como económicamente el seleccionado de motores, y analizar los ahorros que puedan surgir de la toma de decisión entre rebobinar el motor o comprar un motor nuevo en forma eficiente, permitiendo importantes beneficios, como por ejemplo un mayor ahorro de energía, la Corporación Nacional del Cobre (Codelco) junto con la Comisión Nacional de Energía (CNE), realizaron un software para la selección de motores y análisis de ahorros, llamado IMSSA [16]. Este software permite realizar la selección del motor y analizar los ahorros en la moneda del país que se necesite, permitiendo de esta forma tener una posición real y clara para así poder tomar la decisión más adecuada. Además este software se puede configurar en inglés, español y francés, facilitando su uso en un gran número de países. Fundamental es también que este software cuenta con una base de datos interna con más de 43.000 motores disponibles en el mercado alrededor del mundo, con precios e información de éstos. Conjuntamente permite introducir información de motores nuevos y modificar la de los existentes, haciendo posible realizar la comparación entre un motor estándar y un motor eficiente, para así adoptar una postura objetiva a la hora de decidir. Para realizar la selección del motor sólo se requieren las especificaciones de éste, como la tensión con que opera, el tipo de carcasa, su potencia nominal y la velocidad sincrónica con que funciona; ingresando estos datos, el software, entrega una lista de los motores disponibles en el mercado que cumplan con las condiciones en forma ordenada y descendente conforme a su eficiencia a plena carga. Es posible además realizar una comparación de las alternativas disponibles, basándose en la eficiencia que presenta el motor a un grado de carga seleccionado, las horas de operación anual y los costos debidos a la facturación eléctrica. Este software permite insertar nuevos aranceles de importación, estándares de eficiencia mínimos, costos debidos al reemplazo y reparación de motores, para así poder estimar las pérdidas que tendrá la eficiencia debido al rebobinado del motor. 73

9 Recomendaciones A continuación se proporcionan algunas recomendaciones con el fin de lograr el mejor funcionamiento posible de los motores. Para lograrlo, se deben tener presentes ciertas consideraciones, tanto del funcionamiento de estos, como de su mercado. Entre las recomendaciones y consideraciones se tienen: La industria de reparación de motores, y algunas empresas de servicios públicos, están colaborando para desarrollar normas de calidad, establecer la realización de pruebas y la formación adecuada de prácticas de rebobinado de motores, de manera que la eficiencia de estos se mantenga o mejore, en la medida de lo posible. La práctica mejorada de la reparación del motor es crucial si las utilidades y los usuarios finales protegen su inversión en los motores eficientes de energía, ya que estos, algún día, fallarán, y necesitarán ser reparados. El mercado de motores eléctricos es muy extenso. Actualmente, existen aproximadamente 4.100 tiendas de motores en EE UU, las que reparan entre 1,8 y 2,9 millones de motores por año. Con la instalación y mantenimiento apropiado, el motor eficiente de energía probablemente durará más que uno rebobinado. Con el objetivo de determinar si el motor está funcionando en condiciones óptimas, o necesita reparación o recambio, es fundamental, al momento de realizarles mantenimiento, centrarse en la eficiencia que estos presentan. Al evaluar la potencia y la eficiencia con que opera el motor, se está en condiciones de saber si éste necesita acciones correctivas para aumentar la eficiencia de operación. Las mediciones necesarias para determinar dicha eficiencia no deben perturbar el proceso productivo, por lo que no está dentro de las posibilidades sacar un motor de operación, frenarlo o instalarle otros equipos de medición. Los métodos más utilizados para determinar la eficiencia de operación en sitio de un motor, con el fin de no perturbar el funcionamiento del motor en la línea productiva en que opere, son el método de la placa, el método de la corriente, el método del deslizamiento y el método de

74

9 Recomendaciones evaluación de pérdidas, entre otros. Cabe destacar que esto deberá realizarse con un fin preventivo, ya que no será posible obtener la eficiencia del motor si éste ha fallado. Si se determina, mediante cualquiera de los métodos antes nombrados, que el motor está operando con una carga menor al 80 por ciento de la potencia nominal, significa que el factor de potencia es bajo, por lo que es necesario evaluar el cambio del motor por uno nuevo ó por otro de menor potencia nominal. Por otra parte, si se determina que la eficiencia del motor es muy baja, es necesario realizar una evaluación económica, con el objetivo de estudiar la posibilidad de cambiarlo por un motor de alta eficiencia, de eficiencia estándar ó de repararlo. Lo anterior, con el objetivo de tener una operación más eficiente de la presente hasta ese momento. Con respecto a la potencia del motor, es muy importante que éste esté correctamente dimensionado. La potencia del motor depende del servicio que éste presta, y en base a esto debe ser seleccionado, de manera que no opere en forma desproporcionada, ya sea sobredimensionado o con poca carga. En general, los motores industriales no suelen trabajar a plena carga. En promedio, los motores eléctricos operan al 60 por ciento de su carga nominal, esto es porque las industrias optan por instalar motores de mayor potencia a la que realmente necesitan, con el fin de prevenir indirectamente que se produzcan fallas en los procesos críticos, además de adelantarse a futuras ampliaciones productivas de la empresa. En algunos casos también se debe a desconocimiento de la carga real con que el motor operará al momento de seleccionarlo, porque se produjo una reducción de producción posterior a cuando fue seleccionado, ó por sustituir un motor fallado de menor potencia. La eficiencia de los motores poco cargados no necesariamente es menor, a no ser que la carga sea muy pequeña, menor del 25 por ciento. Es por esto que si su carga supera el 50 por ciento, no es recomendable sustituirlos sin un análisis previo. Sin embrago, debido a que su factor de potencia es bajo, afecta a las pérdidas en la distribución eléctrica, lo que es un aspecto a considerar. Es importante señalar que los motores que están operando fuera de su carga nominal, presentan costos extra debido a que tienen un mayor costo de adquisición, de equipamiento y de consumo energético, debido a la reducción de su eficiencia y factor de potencia. Es por todo lo anterior que, en muchos de los casos, resulta económicamente muy interesante sustituir un motor poco cargado por uno de alta eficiencia, o incluso por un motor de eficiencia normal. Dependiendo del servicio que preste el motor, es la potencia y las características que necesita. Para tener una visión de esto, es que a continuación se muestra la determinación de la potencia de algunas máquinas. La potencia necesaria para que un motor accione una bomba se muestra en (9-1).

75

9 Recomendaciones ܲ ൌܳή݀ή

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(9-1)

La potencia necesaria para un motor relacionado con elevación de agua se muestra en (9-2). ܲ ൌܳή݀ή

݄ ͹ͷ ή ݊

(9-2)

La potencia necesaria para motores relacionados a máquinas y herramientas para metales se muestran en Tabla 9-1. Tabla 9-1: Potencia de Máquinas y Herramientas para Metales.

Equipo Torno Revolver Torno Paralelo Torno Automático Fresadora Rectificadora Martillos pilón Cizallas Máquinas de cortar y roscar Taladradoras verticales Taladradoras radiales Mandrinadoras

Potencia (HP) 3 a 20 3 a 45 1 a 15 1 a 25 1 a 30 10 a 100 1 a 40 1 a 20 1 a 10 10 a 40 10 a 30

La potencia necesaria para motores relacionados a máquinas de industria de la construcción se muestran en Tabla 9-2. Tabla 9-2: Potencia de Máquinas de Industria de la Construcción.

Equipo Hormigoneras Muela, perforadoras, sierras Cintas transportadoras

Potencia (HP) 3a6 1a3 2a5

La potencia necesaria para motores relacionados a máquinas para trabajar maderas se muestran en Tabla 9-3. Tabla 9-3: Potencia de Máquinas para trabajar Madera.

Equipo Sierra de cinta Sierra circular Taladradoras Cepilladoras Tornos

Potencia (HP) 0.5 a 6 2a6 2a4 20 a 75 1 a 15 76

9 Recomendaciones La potencia necesaria para motores relacionados a máquinas agrícolas se muestran en Tabla 9-4. Tabla 9-4: Potencia de Máquinas Agrícolas.

Equipo Empacadoras de paja Trilladoras Centrifugadoras de leche Elevadores de granos Elevadores de sacos Limpiadores de grano

Potencia (HP) 2a5 7 a 15 0.5 a 3 1a3 1a3 1a3

La potencia necesaria para motores relacionados a mecanismos de elevación se muestra en (9-3). ܲൌ‫ܨ‬ή

‫ݒ‬ ͳͲͲͲ ή ݊

(9-3)

La potencia necesaria para motores relacionados a mecanismos giratorios se muestra en (9-4). ܲൌ‫ܯ‬ή

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(9-4)

La potencia necesaria para motores relacionados con el accionamiento de grúas con accionamiento unilateral del carro se muestra en (9-5). ܲ ൌ ܲଵ ή ‫ܯ‬௚ ൅ ʹ ή

‫ܯ‬௖ ൅ ‫ܯ‬௖௔௥ σ݉

(9-5)

La potencia necesaria para motores relacionados con el accionamiento mecánico de traslación se muestra en (9-6). ܲ ൌ ்݉ ή ‫ ݓ‬ή

‫ݒ‬ ʹߨ ή ͻǡͷͷ ή ݊

(9-6)

La potencia necesaria para motores relacionados con el accionamiento de un ascensor se muestra en (9-7). ܲ ൌ ͳൗʹ ή ‫ ܨ‬ή

‫ݒ‬ ͳǡͲͲͲ ή ݊

(9-7)

La potencia necesaria para motores relacionados con el accionamiento de un ventilador se muestra en (9-8). ܲ ൌ ܳ ή ܲோ ή

ͻǡͺͳ ݊

(9-8)

Las potencias asociadas a un motor se muestran en (9-9) y (9-10). ܲൌ‫ܯ‬ή

ܰ ͻǡͷͷ ή ݊௠

(9-9)

77

9 Recomendaciones ܲൌ‫ܨ‬ή

‫ݒ‬ ͳǡͲͲͲ ή ݊௠

(9-10)

Las potencias absorbidas por un motor trifásico se muestran en (9-11), (9-12) y (9-13). (9-11)

ܲଵ ൌ ξ͵ ή ܸ ή ‫ ܫ‬ή …‘• ߮ ܲଶ ൌ ξ͵ ή ܸ ή ‫ ܫ‬ή …‘•

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(9-12)

ܲଷ ൌ ξ͵ ή ܸ ή ‫ ܫ‬ή …‘•

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(9-13)

La potencia desarrollada por un motor trifásico se muestra en (9-14). ܲଵ ൌ ξ͵ ή ܸ ή ‫ ܫ‬ή …‘• ߮ ή

݊ ͳͲͲͲ

(9-14)

Por otra parte, un estudio realizado por General Electric determinó que, al rebobinar motores de 3 a 150 HP, las pérdidas aumentan un 18 por ciento, lo que significa que la eficiencia disminuye entre 1,5 y 2,5 por ciento [3]. Debido a que los motores eléctricos consumen una gran cantidad de energía, y que representan casi la mitad de la energía eléctrica que se consume en Chile, es fundamental que estos estén trabajando en las mejores condiciones posibles, con la mayor eficiencia viable, la que depende de si el motor está funcionando con un desbalance de voltaje, con un régimen de carga adecuado, con un tipo de carga apropiada, con una configuración conveniente, a una velocidad correcta, con un mantenimiento oportuno, en condiciones de temperatura favorables; es decir, que esté operando en condiciones óptimas Es por eso que el fin a llegar en este estudio, sobre la conveniencia de rebobinar motores, es asegurar su funcionamiento en el periodo de vida programado y con la eficiencia establecida. Realizando un diagnóstico en base a los factores de los cuales depende la eficiencia operativa del motor, es posible determinar los problemas que causaron la falla o el desgastamiento anticipado del motor, y con esto determinar las correcciones que se deben llevar a cabo, con el fin de lograr ahorros significativos en su operación, tanto energéticos como de mantenimiento. Para tener un mejor conocimiento a la hora de determinar cuál opción es más conveniente, es primordial realizar un diagnóstico basándose en estudios de curvas de perfil de carga, factor de potencia, distorsión armónica tanto en voltaje como en corriente, eficiencia operativa, pérdidas mecánicas en la carga del eje, pérdidas del rotor, estator, acero reactivas y mecánicas, protecciones de sobrecorriente, sobrecarga y corriente simétrica de cortocircuito, Norma del Código Eléctrico, tipo de aplicación en que se desarrolla el motor, maniobras de encendido y apagado, análisis de ciclo de vida, posibles mejoras de eficiencia y la determinación económica de sustitución para motores eficientes. Debido a que los motores eficientes presentan una mayor robustez, teniendo por esto un menor desgaste, provocan que su tasa de falla, temperatura de trabajo y frecuencia de mantención sean menor que la de un motor estándar. Además, presentan una mayor vida útil, por lo que su 78

9 Recomendaciones utilización es una gran alternativa para la empresa, ya que conlleva un aumento en la confiabilidad de sus procesos y la disminución de los costos de producción. Lo anterior cobra mayor importancia al visualizar que el buen funcionamiento de éstos se traduce en un buen aprovechamiento de la energía consumida. Además, haciendo un uso eficiente de la energía se logra un ahorro de esta, permitiendo también una reducción en la emisión de gases de efecto invernadero, en las emisiones de contaminantes locales y en otros daños ambientales producidos por la generación, transmisión y distribución de energía. Estadísticamente las causas de las fallas en los motores eléctricos se deben: x

Un 30 por ciento a sobrecargas.

x

Un 14 por ciento a pérdida de una fase.

x

Un 19 por ciento a contaminantes.

x

Un 13 por ciento a fallas en los rodamientos.

x

Un 10 por ciento al envejecimiento.

x

Un 5 por ciento a fallas en el rotor.

x

Y un 9 por ciento a otras causas.

De las estadísticas anteriores se desprende que prácticamente el 44 por ciento de los problemas de fallas en los motores se debe, principalmente, al sobrecalentamiento, por lo que es primordial que se haga un mantenimiento adecuado y oportuno para evitar tales fallas. Se deben estudiar acabadamente cada uno de los factores que inciden en el rebobinado de motores, y congregarlos para así determinar la real conveniencia de rebobinarlos por sobre reemplazarlos por uno nuevo. Todo esto está enmarcado en obtener la mayor eficiencia posible, tanto en la energía que se utiliza en el funcionamiento de los motores eléctricos, como en la utilización de motores de alta eficiencia. Se persigue que la industria obtenga, a lo menos, las utilidades que se planteó en el principio de su proyecto. Todo lo anterior debe regirse por las normas pertinentes establecidas. Para disminuir la probabilidad de falla de los motores, éstos se deben someter a mantenimientos adecuados y oportunos. Los motores de alta eficiencia presentan ventajas considerables con respecto a los de eficiencia estándar, y aun cuando su utilización sea generalmente la mejor opción, depende, entre otras, de las condiciones específicas en que opera el motor y la empresa para la cual éste presta servicios.

79

9 Recomendaciones Se cree que en un futuro, debido al constante aumento que sufren los precios relacionados con las tarifas de electricidad, las empresas considerarán más rentable y conveniente reemplazar los motores de gran potencia. Puede considerarse como uno de los factores primordiales la relación entre el costo de comprar un motor nuevo y el costo de rebobinar el motor. Cuando el costo de rebobinado supera el 50 por ciento del costo de un motor nuevo, se puede pensar que la decisión más conveniente es invertir en la compra de éste, reemplazando el motor analizado. Sin embargo, como se ha dicho anteriormente, es mejor analizar cada caso. Del presente informe es posible concluir que al estar frente a un motor fallado, la mejor decisión, en cuanto a repararlo o reemplazarlo depende de un gran número de factores técnicos y propios del motor, de la posición en la línea de producción que ocupa, en la empresa que presta servicios, entre otros, por lo que, dentro del rango de potencia estimativo de entre 10 (HP) y 500 (HP), es fundamental realizar un análisis previo a tomar la decisión. Es importante tomar en cuenta que es posible obtener un significativo ahorro de la energía utilizada al invertir en un motor de alta eficiencia, consiguiendo recuperar rápidamente el costo inicial de éste. Al fallar un motor estándar, se presenta la alternativa de convertir una unidad normal en una unidad eficiente de energía. Esto se reafirma con la tendencia que presentan las empresas en invertir en un motor de alta eficiencia, ya que, con el constante aumento en las tarifas eléctricas, éste es un procedimiento que, en un futuro cercano, se torna cada vez más rentable y conveniente. Siempre es importante conservar los equipos en funcionamiento óptimo, realizando las mantenciones y prevenciones correspondientes, y en forma oportuna. Cada empresa tiene, bajo sus propios parámetros, el criterio para decidir frente a un motor fallado, dependiendo, básicamente, en su experiencia, en el lugar de producción que trabaje el motor, además de todos los factores anteriores mencionados. Si se determina, mediante cualquier método, que el motor está operando con una carga menor al 80 por ciento de la potencia nominal, es necesario evaluar el cambio del motor por uno nuevo ó por otro de menor potencia nominal, ya que, entre otras cosas, presenta un bajo factor de potencia. Si se determina que la eficiencia con que está operando el motor es considerablemente más baja que la eficiencia nominal, es necesario realizar una evaluación económica, con el fin de determinar la posibilidad de cambiarlo por un motor de alta eficiencia, de eficiencia estándar ó de realizar una reparación del mismo. Los motores que están operando fuera de su carga nominal, presentan costos extra debido a que tienen mayor costo de adquisición, de equipamiento y de consumo energético, debido a la reducción de la eficiencia del motor y del factor de potencia. Es por lo anterior que con el fin de 80

9 Recomendaciones reducir aquellos costos extras, y la mala selección del motor, es que generalmente resulta económicamente conveniente reemplazar un motor sobredimensionado por uno dimensionado correctamente, ya sea de alta eficiencia o de eficiencia estándar. Es primordial considerar también la eficiencia que se tendrá en el sistema productivo de la empresa por la utilización eficiente de la energía en los motores eléctricos. Los usuarios se benefician directamente al usar los motores en forma adecuada y con tecnología eficiente, ya que los industriales reducen los costos energéticos, mejorando con esto las ganancias, y haciendo posible mantenerse en competencia. Por esto los usuarios finales pueden economizar energía, y con esto minimizar la demanda en inversiones en generación, transporte y distribución de energía eléctrica. En consecuencia, disminuyen los costos de producción y aumentan la confiabilidad en los procesos. Al tener un mejor aprovechamiento de la energía eléctrica, se aminora la generación de energía por petróleo y gas, lo que significa un menor impacto al medioambiente. Debido a que en Chile cerca de la mitad de la energía eléctrica que se consume se hace por medio de motores eléctricos, es que es de suma importancia obtener la mejor eficiencia posible en la energía que éstos consumen, al mismo tiempo que la utilización de motores de alta eficiencia, ya que tiene una gran incidencia en el consumo del país. Existe una serie de factores que inciden en el funcionamiento del motor y, por ende, en tener una mayor eficiencia en la energía consumida por éstos. Uno de ellos es su potencia. El motor trabaja eficientemente cuando alcanza su rendimiento máximo al operar desde el 75 por ciento al 95 por ciento de su potencia nominal. Se debe evitar que trabaje con poca carga o sobrecargado, ya que esto provoca que su rendimiento disminuya considerablemente. Otros de estos factores son el par-motor, la carga, el factor de potencia, el tiempo de arranque, el tiempo mínimo entre arranques sucesivos, la corriente de arranque y el par-motor de arranque; así como también tensiones y corrientes desbalanceadas entre fases o no nominales. También se debe resguardar que la temperatura de trabajo del motor y el calentamiento de éste estén acorde a la clase de aislamiento utilizada, con el fin de asegurar su vida útil. El motor se debe seleccionar de acuerdo a la velocidad y al ciclo de trabajo que se requiera, ya que su mal uso puede recalentar, o incluso quemar, el motor. Se debe tomar en cuenta el medio de instalación del motor, para así seleccionar adecuadamente su armazón. Si la carga lo permite, es mejor seleccionar un motor de alta velocidad, ya que son más eficientes. Así mismo los motores de inducción trifásicos por sobre los monofásicos, de un 3 por ciento a un 5 por ciento, además de aportar con un mejor factor de potencia. Cuando se requiera de una gran potencia y una baja velocidad, el motor síncrono es la mejor opción, ya que aporta una velocidad constante, un mejor factor de potencia y su eficiencia supera al de inducción entre un 1 por ciento a un 3 por ciento.

81

9 Recomendaciones Se debe considerar la norma técnica, tanto al realizar una instalación eléctrica, montar motores ó seleccionar su carga, para así hacerlo en forma óptima. Fundamental resulta también conectar los motores a tierra y evitar instalarlos concentradamente, esto para que no afectar su adecuada ventilación, evitando así un sobrecalentamiento, pues esto disminuye su eficiencia. En conclusión, se tiene que, dependiendo de lo que se requiera, se deben tomar todas las consideraciones necesarias para seleccionar, de manera óptima, los motores que a utilizar. De igual forma, para obtener una mayor eficiencia en la energía que se consume con los motores eléctricos, es necesario reparar o cambiar los motores que estén dañados o desgastados, ya sea por su uso intenso o por tratarse de motores antiguos.

82

Discusión y Conclusiones Al momento en que un motor falla, la producción en que éste participa se ve afectada o paralizada, dependiendo de la función que realice el motor en la línea de producción, es por esto que resulta primordial poder tomar una decisión acertada en el menor tiempo posible, para así contar nuevamente con un motor que pueda cumplir adecuadamente la función que el motor realizara antes de fallar. Dado que el tiempo con que se cuenta para tomar dicha decisión debe ser el menor tiempo posible, debido a que la producción que se vio afectada por el motor fallado debe reanudarse a la brevedad y así cumplir con plazos comprometidos, producción programada, entre otros, es que se vuelve importante contar con una guía que permita conocer la alternativa más conveniente, dependiendo de las circunstancias tanto del motor fallado, como de la empresa a la que presta servicio, y con esto tomar la decisión más acertada. Buscando obtener la guía anteriormente mencionada, es que se analizan aspectos del motor, de la función que cumple, y de la empresa en que funciona, tanto desde el punto de vista técnico, como del punto de vista económico, y así formular dicha guía en base a estos análisis, para con esto, al momento de decidir, revisar cada ítem y conocer que resulta más conveniente. Para obtener el análisis de los diferentes aspectos, se estudia la situación en que un motor de inducción trifásico con rotor jaula de ardilla ha fallado. Para esto se considera que el motor ha estado operando bajo ciertas características, y en una empresa en particular, y a partir de este estudio realizar los análisis correspondientes, puntualizando la mejor alternativa para cada factor analizado. Entonces, al estar frente a la situación en que un motor de la línea de producción falla, del presente informe es posible concluir que para determinar la mejor opción entre rebobinar o reemplazar dicho motor fallado, es necesario primero realizar una evaluación de éste, de su entorno y de su condición de operación, tanto desde el punto de vista técnico como desde el punto de vista económico, considerando todos los factores anteriormente expuestos en el presente trabajo. Al realizar la evaluación de los factores técnicos, se concluye que la mejor opción es reemplazar el motor estudiado que ha fallado por uno nuevo de alta eficiencia, puesto que presenta, como su 83

Discusión y Conclusiones nombre lo indica, mayor eficiencia, menor probabilidad de falla, menores cambios de rodamientos y mayor vida útil. Del mismo modo, al evaluar los factores económicos, también se concluye que la mejor alternativa es reemplazar el motor fallado por un motor nuevo de alta eficiencia, puesto que, si bien es cierto esta elección significa un mayor costo inicial, la mayor eficiencia que posee el motor provoca menores costos anuales de energía, lo que conlleva un ahorro en el costo por este concepto, por lo que se tiene una rápida recuperación de la inversión inicial. Además presenta menores costos por concepto de cambio de rodamientos. Por consiguiente, tras haber realizado una completa evaluación del motor que ha fallado, analizando los factores descritos en el presente informe, se concluye que, tanto técnica como económicamente, la alternativa más conveniente es reemplazarlo con un motor nuevo de alta eficiencia. Por su parte, dado que los motores eléctricos son una herramienta fundamental para los procesos de producción dentro de cualquier medio en que éste funcione, resulta imprescindible adoptar una cultura del correcto funcionamiento del motor, de su correcta elección y de su adecuada mantención, y así con esto aprovechar de forma óptima las características y bondades que conlleva la utilización de los motores eléctricos. Finalmente, con el fin de obtener en la utilización de un motor eléctrico un funcionamiento óptimo, y disminuir la probabilidad de falla, se recomienda como primer paso, al elegir un motor eléctrico, analizar los requerimientos que éste deba cumplir, los que deben estar acorde a las necesidades de la función para lo cual se está eligiendo, y así poder dimensionarlo correctamente, para que sea capaz de realizar la tarea asignada en forma eficiente y segura. Importante también es diseñar un plan de mantenimiento de acuerdo a la tarea que ejecute y las horas de operación en que la haga. Este plan debe ajustarse tanto a los tiempos de funcionamiento del motor, dependiendo de la producción agendada, como a las necesidades de mantenimiento que el motor tenga de acuerdo a su utilización, antigüedad y otros factores. Los mantenimientos deben realizarse con personal que esté calificado, los cuales a su vez puedan garantizar la calidad de los repuestos e insumos utilizados en dichas mantenciones. Los motores deben ser operados para la función que fueron seleccionados. Deben desempeñarse en las condiciones climáticas y de trabajo para las cuales se escogieron, y para las que poseen protección. A su vez, el tiempo continuo de operación a utilizar debe estar de acuerdo a lo permitido por el fabricante del motor. Además, debe respetarse la vida útil para lo cual fue diseñado. Teniendo presente todas las recomendaciones realizadas en el presente trabajo, e implementándolas en el motor, en la línea de producción, y en el sistema de funcionamiento de la empresa para la cual presta servicios el motor, la probabilidad de falla de éste disminuye considerablemente. Si por el contrario, se está en una situación en que los motores ya se encuentran operando, y por lo tanto ya han sido seleccionados, encontrándose inmersos en una 84

Discusión y Conclusiones empresa que tiene un sistema de funcionamiento que difiere con las condiciones ideales, se recomienda, en la medida en que sea posible, y que los compromisos de la empresa lo permita, realizar un completo análisis tanto de la empresa como de los motores en funcionamiento, determinando, por una parte, si estos están correctamente dimensionados y seleccionados para la función que cumplen dentro de la línea de producción, y por otro, las características de la empresa que pudieran mejorarse. Al regularizar estos aspectos, se podrá lograr un sistema de funcionamiento más eficiente y confiable.

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Bibliografía  [1] NEMA, Norma NEMA MG-1- 1998. [2] L. M. Enrique Quispe, Motores Eléctricos Electromecánicas, Ventajas y Aplicabilidad..

de

Alta

Eficiencia,

Características

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Gráficos de la Evaluación del Motor A continuación se muestran gráficos de algunos de los más significativos factores en cada una de las opciones. Estos gráficos tendrán como objetivo visualizar de mejor manera las diferencias de estos factores en cada una de las opciones analizadas.

A.1 Costo Inicial Motor 20 HP Se presenta en la Tabla A-1 el costo inicial de un motor de 20 HP en cada una de las opciones analizadas. Tabla A-1: Costo Inicial US$.

Opción Compra Motor Eficiencia Estándar Compra Motor Alta Eficiencia Rebobinar Motor

Costo US$ 1.797,00 + iva 2.275,00 + iva 580,00 + iva

Se grafica en la Figura A-1 el costo inicial de un motor de 20 HP en cada una de las opciones analizadas.

88

A Gráficos de la Evaluación del Motor

Figura A-1: Costo Inicial US$.

A.2 Eficiencia Motor 20 HP Se presenta en la Tabla A-2 la eficiencia en cada opción analizada, considerando un motor de 20 HP. Tabla A-2: Eficiencia del Motor %.

Opción Referencia Compra Motor Eficiencia Estándar Compra Motor Alta Eficiencia Rebobinar Motor

Eficiencia % 90 93,8 95,1 88

Se grafica en la Figura A-2 la eficiencia en cada opción analizada, considerando un motor de 20 HP.

89

A Gráficos de la Evaluación del Motor

Figura A-2: Eficiencia del Motor %.

A.3 Delta de Eficiencia Se muestra en la Tabla A-3 el delta de eficiencia que tendrá cada alternativa en comparación a la eficiencia de la referencia. Esto es motor nuevo de eficiencia estándar versus el de referencia, motor nuevo de alta eficiencia versus el de referencia y motor rebobinado versus el de referencia. Tabla A-3: Delta de Eficiencia.

Opción Compra Motor Eficiencia Estándar Compra Motor Alta Eficiencia Rebobinar Motor

Eficiencia % 3,8 5,1 -2

Se grafica en la Figura A-3 el delta de eficiencia que tendrá cada alternativa en comparación a la eficiencia de la referencia.

90

A Gráficos de la Evaluación del Motor

Figura A-3: Delta de Eficiencia.

A.4 Costo Energía Consumida Motor 20 HP Se presenta en la Tabla A-4 el costo de energía consumida por el motor en las distintas opciones analizadas. Tabla A-4: Costo de Operación Anual US$. Coa.

Opción Referencia Compra Motor Eficiencia Estándar Compra Motor Alta Eficiencia Rebobinar Motor

Coa US$ 6.615,7 6.347,7 6.260,9 6.766,1

Se grafica en la Figura A-4 el costo de energía consumida por el motor en las distintas opciones analizadas.

91

A Gráficos de la Evaluación del Motor

Figura A-4: Costo de Operación Anual US$

A.5 Costo Energía Ahorrada Motor 20 HP Se muestra en la Tabla A-5 el costo de energía de operación ahorrada que tendrá cada alternativa en comparación a la energía de operación anual de la opción referencial. Esto es el costo de operación anual con un motor nuevo de eficiencia estándar versus el de referencia, motor nuevo de alta eficiencia versus el de referencia y motor rebobinado versus el de referencia. Tabla A-5: Costo Energía Ahorrada Motor 20 HP Año 1. US$.

Opción Compra Motor Eficiencia Estándar Compra Motor Alta Eficiencia Rebobinar Motor

Ahorro US$ 268,0 354,8 - 150,4

Se grafica en la Figura A-5 el costo de energía de operación ahorrada que tendrá cada alternativa en comparación a la energía de operación anual de la opción referencial.

92

A Gráficos de la Evaluación del Motor

Figura A-5: Costo Energía Ahorrada Motor 20 HP Año 1. US$.

A.6 VAN de un Motor 20 HP Se presenta en la Tabla A-6 el VAN obtenido de un motor de 20 HP, en cada opción analizada. Tabla A-6: VAN Motor 20 HP. US$.

Opción Compra Motor Eficiencia Estándar Compra Motor Alta Eficiencia Rebobinar Motor

VAN US$ - 81.539 - 78.023 - 87.016

Se grafica en la Figura A-6 el VAN obtenido de un motor de 20 HP de cada opción analizada.

93

A Gráficos de la Evaluación del Motor

Figura A-6: VAN Motor 20 HP. US$ .

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Cálculo y Flujo del VAN de cada Alternativa A continuación se muestran en detalle los cálculos de los métodos que se utilizan para evaluar las alternativas y así determinar la conveniencia de rebobinar el motor fallado que está siendo analizado. El van se determina con (7-25) como:

ܸ‫ܰܣ‬௎ௌ̈́ ൌ െ‫ܫ‬௢ ሺܷܵ̈́ሻ െ ܿ‫݋ݐݏ݋‬௢௣௘௥௔௖௜×௡ೌ೙ೠೌ೗

ೆೄ̈́

ሺͳ ൅ ͲǤͲʹሻே ሺͳ ൅ ܴܶ‫ܣܯ‬ሻ ή ൮൦ ൪ െ ͳ൲ ൅ ܸܴሺܷܵ̈́ሻ ͲǤͲʹ െ ͲǤͳ

(0-1)

ή ሺܲΤ‫ ܨ‬ǡ ܴܶ‫ܣܯ‬ǡ ܰሻ െ ‫ܥ‬௥ ሺܷܵ̈́ሻ ή ሺܲΤ‫ ܨ‬ǡ ܴܶ‫ܣܯ‬ǡ ܰሻ

Cabe destacar que el cálculo del VAN se realizó considerando que las distintas alternativas acá propuestas tienen vidas útiles distintas.

B.1 VAN de un Motor 20 HP Rebobinado En la alternativa de rebobinar el motor de inducción trifásico que ha fallado, se tiene un VAN de: ܸ‫ܰܣ‬௠௥ೆೄ̈́ ൌ െ‫ܫ‬௢ ሺܷܵ̈́ሻ

(B-1)

ή ൫ͳ ൅ ሺܲΤ‫ ܨ‬ǡ ͳͲΨǡ ͳͲሻ ൅ ሺܲΤ‫ ܨ‬ǡ ͳͲΨǡ ʹͲሻ ൅ ሺܲΤ‫ ܨ‬ǡ ͳͲΨǡ ͵Ͳሻ ൅ ሺܲΤ‫ ܨ‬ǡ ͳͲΨǡ ͶͲሻ ሺͳ ൅ ͲǤͲʹሻ଺଴ ሺͳ ൅ ͲǤͳሻ ൅ ሺܲΤ‫ ܨ‬ǡ ͳͲΨǡ ͷͲሻ൯ െ ܿ‫݋ݐݏ݋‬௢௣௘௥௔௖௜×௡ೌ೙ೠೌ೗ ή ൮൦ ൪ െ ͳ൲ ൅ ܸܴሺܷܵ̈́ሻ ೆೄ̈́ ͲǤͲʹ െ ͲǤͳ ή ൫ሺܲΤ‫ ܨ‬ǡ ͳͲΨǡ ͳͲሻ ൅ ሺܲΤ‫ ܨ‬ǡ ͳͲΨǡ ʹͲሻ ൅ ሺܲΤ‫ ܨ‬ǡ ͳͲΨǡ ͵Ͳሻ ൅ ሺܲΤ‫ ܨ‬ǡ ͳͲΨǡ ͶͲሻ ൅ ሺܲΤ‫ ܨ‬ǡ ͳͲΨǡ ͷͲሻ ൅ ሺܲΤ‫ ܨ‬ǡ ͳͲΨǡ ͸Ͳሻ൯ െ ‫ܥ‬௥ ሺܷܵ̈́ሻ ή ሺሺܲΤ‫ ܨ‬ǡ ͳͲΨǡ ͵ሻ ൅ ሺܲΤ‫ ܨ‬ǡ ͳͲΨǡ ͸ሻ ൅ ሺܲΤ‫ ܨ‬ǡ ͳͲΨǡ ͻሻ ൅ ሺܲΤ‫ ܨ‬ǡ ͳͲΨǡ ͳʹሻ ൅ ሺܲΤ‫ ܨ‬ǡ ͳͲΨǡ ͳͷሻ ൅ ሺܲΤ‫ ܨ‬ǡ ͳͲΨǡ ͳͺሻ ൅ ሺܲΤ‫ ܨ‬ǡ ͳͲΨǡ ʹͳሻ ൅ ሺܲΤ‫ ܨ‬ǡ ͳͲΨǡ ʹͶሻ ൅ ሺܲΤ‫ ܨ‬ǡ ͳͲΨǡ ʹ͹ሻ ൅ ሺܲΤ‫ ܨ‬ǡ ͳͲΨǡ ͵Ͳሻ ൅ ሺܲΤ‫ ܨ‬ǡ ͳͲΨǡ ͵͵ሻ ൅ ሺܲΤ‫ ܨ‬ǡ ͳͲΨǡ ͵͸ሻ ൅ ሺܲΤ‫ ܨ‬ǡ ͳͲΨǡ ͵ͻሻ ൅ ሺܲΤ‫ ܨ‬ǡ ͳͲΨǡ Ͷʹሻ ൅ ሺܲΤ‫ ܨ‬ǡ ͳͲΨǡ Ͷͷሻ ൅ ሺܲΤ‫ ܨ‬ǡ ͳͲΨǡ Ͷͺሻ ൅ ሺܲΤ‫ ܨ‬ǡ ͳͲΨǡ ͷͳሻ ൅ ሺܲΤ‫ ܨ‬ǡ ͳͲΨǡ ͷͶሻ ൅ ሺܲΤ‫ ܨ‬ǡ ͳͲΨǡ ͷ͹ሻ ൅ ሺܲΤ‫ ܨ‬ǡ ͳͲΨǡ ͸Ͳሻሻ ܸ‫ܰܣ‬௠௥ೆೄ̈́ ൌ െͺ͹ǤͲͳ͸

(B-2)

95

B Cálculo y Flujo del VAN de cada Alternativa

Figura B-1: Flujo Van de la Opción de Rebobinar el Motor.

Figura B-2: Detalle Flujo Van de la Opción de Rebobinar el Motor.

B.2 VAN de un Motor Nuevo de Eficiencia Estándar 20 HP En la alternativa de reemplazar el motor de inducción trifásico que ha fallado, comprando un motor nuevo de eficiencia estándar, se tiene un VAN de: ܸ‫ܰܣ‬௠௘௘ೆೄ̈́ ൌ െ‫ܫ‬௢ ሺܷܵ̈́ሻ ή ൫ͳ ൅ ሺܲΤ‫ ܨ‬ǡ ͳͲΨǡ ͳͷሻ ൅ ሺܲΤ‫ ܨ‬ǡ ͳͲΨǡ ͵Ͳሻ ൅ ሺܲΤ‫ ܨ‬ǡ ͳͲΨǡ Ͷͷሻ൯

(B-3)

଺଴

െ ܿ‫݋ݐݏ݋‬௢௣௘௥௔௖௜×௡ೌ೙ೠೌ೗

ೆೄ̈́

ሺͳ ൅ ͲǤͲʹሻ ሺͳ ൅ ͲǤͳሻ ή ൮൦ ൪ െ ͳ൲ ൅ ܸܴሺܷܵ̈́ሻ ͲǤͲʹ െ ͲǤͳ

ή ൫ሺܲΤ‫ ܨ‬ǡ ͳͲΨǡ ͳͷሻ ൅ ሺܲΤ‫ ܨ‬ǡ ͳͲΨǡ ͵Ͳሻ ൅ ሺܲΤ‫ ܨ‬ǡ ͳͲΨǡ Ͷͷሻ ൅ ሺܲΤ‫ ܨ‬ǡ ͳͲΨǡ ͸Ͳሻ൯ െ ‫ܥ‬௥ ሺܷܵ̈́ሻ ή ሺሺܲΤ‫ ܨ‬ǡ ͳͲΨǡ ͺሻ ൅ ሺܲΤ‫ ܨ‬ǡ ͳͲΨǡ ͳ͸ሻ ൅ ሺܲΤ‫ ܨ‬ǡ ͳͲΨǡ ʹͶሻ ൅ ሺܲΤ‫ ܨ‬ǡ ͳͲΨǡ ͵ʹሻ ൅ ሺܲΤ‫ ܨ‬ǡ ͳͲΨǡ ͶͲሻ ൅ ሺܲΤ‫ ܨ‬ǡ ͳͲΨǡ Ͷͺሻ ൅ ሺܲΤ‫ ܨ‬ǡ ͳͲΨǡ ͷ͸ሻሻ

96

B Cálculo y Flujo del VAN de cada Alternativa ܸ‫ܰܣ‬௠௘௘ೆೄ̈́ ൌ െͺͳǤͷ͵ͻ

(B-4)

Figura B-3: Flujo VAN de la Opción de Comprar un Motor Nuevo de Eficiencia Estándar.

Figura B-4: Detalle Flujo VAN de la Opción de Comprar un Motor Nuevo de Eficiencia Estándar.

B.3 VAN de un Motor Nuevo de Alta Eficiencia 20 HP En la alternativa de reemplazar el motor de inducción trifásico que ha fallado, comprando un motor nuevo de alta eficiencia, se tiene un VAN de:

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B Cálculo y Flujo del VAN de cada Alternativa ܸ‫ܰܣ‬௠௔௘ೆೄ̈́ ൌ െ‫ܫ‬௢ ሺܷܵ̈́ሻ ή ൫ͳ ൅ ሺܲΤ‫ ܨ‬ǡ ͳͲΨǡ ʹͲሻ ൅ ሺܲΤ‫ ܨ‬ǡ ͳͲΨǡ ͶͲሻ൯ െ ܿ‫݋ݐݏ݋‬௢௣௘௥௔௖௜×௡ೌ೙ೠೌ೗

ೆೄ̈́

(B-5)

଺଴

ሺͳ ൅ ͲǤͲʹሻ ሺͳ ൅ ͲǤͳሻ ή ൮൦ ൪ െ ͳ൲ ൅ ܸܴሺܷܵ̈́ሻ ͲǤͲʹ െ ͲǤͳ ή ൫ሺܲΤ‫ ܨ‬ǡ ͳͲΨǡ ʹͲሻ ൅ ሺܲΤ‫ ܨ‬ǡ ͳͲΨǡ ͶͲሻ ൅ ሺܲΤ‫ ܨ‬ǡ ͳͲΨǡ ͸Ͳሻ൯ െ ‫ܥ‬௥ ሺܷܵ̈́ሻ ή ሺሺܲΤ‫ ܨ‬ǡ ͳͲΨǡ ͳ͸ሻ ൅ ሺܲΤ‫ ܨ‬ǡ ͳͲΨǡ ͵ʹሻ ൅ ሺܲΤ‫ ܨ‬ǡ ͳͲΨǡ Ͷͺሻሻ

ܸ‫ܰܣ‬௠௔௘ೆೄ̈́ ൌ െ͹ͺǤͲʹ͵

(B-6)

Figura B-5: Flujo VAN de la Opción de Compra de un Motor de Alta Eficiencia.

Figura B-6: Detalle Flujo VAN de la Opción de Compra de un Motor de Alta Eficiencia.

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