Desequilibrio de tensión de 2.3 % que destruye un motor de 150 hp rebobinado
Una bomba centrífuga de pozo profundo es accionada por un motor de inducción trifásico de 150 hp, 480 V, 180 A a plena carga, 4 polos, factor de servicio 1.15, clase de aislamiento F, arranque directo. Tras un año sin problemas, el devanado falló en la fase B. Se rebobinó y a los cuatro meses el cuerpo del motor está a 92 °C, frente a 71 °C de los registros históricos, con ambiente estable de 30 °C; el relevador de sobrecarga dispara de forma ocasional. El electricista midió tensiones entre fases: A-B 487 V, B-C 471 V, C-A 489 V, y concluyó que «están dentro de ±10 %, así que no es problema de alimentación». La carga de la bomba no ha cambiado y la corriente medida es 176 A. El registro de calidad de energía muestra un desequilibrio persistente desde que se conectó una nueva acometida de alumbrado monofásico en el mismo ramal de distribución.
1. Calcule el desequilibrio de tensión, estime la capacidad efectiva del motor y evalúe si el desequilibrio explica por sí solo el incremento de temperatura observado.
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Cálculo del desequilibrio (definición NEMA MG-1): Vprom = (487 + 471 + 489)/3 = 482.3 V Desviación máxima = 482.3 − 471 = 11.3 V %D = (11.3/482.3) × 100 ≈ 2.35 %
Derrateo. La tabla NEMA da 0.95 para 2 % y 0.88 para 3 %; interpolando, a 2.35 % la capacidad disponible es ≈ 0.925. Es decir, el motor de 150 hp solo puede entregar ≈ 139 hp sin exceder su elevación de temperatura de diseño. La carga actual es 176/180 = 98 % de la corriente nominal, por encima de lo que el motor puede sostener con esa calidad de tensión.
Incremento térmico esperado. La regla de NEMA estima un aumento de la elevación de temperatura de aproximadamente 2 × (%D)² = 2 × 5.5 ≈ 11 % adicional. Con ambiente de 30 °C, el salto observado es de 39 K a 62 K, es decir ~59 %, muy por encima de lo que el desequilibrio explica.
Conclusión de juicio. El desequilibrio de 2.35 % es real, está fuera del límite de 1 % recomendado por NEMA y sí degrada el motor, pero no alcanza a explicar el salto térmico. Hay un segundo factor: muy probablemente el rebobinado no reprodujo el diseño original (calibre, número de vueltas, paso, o un circuito mal conexionado), o existe una resistencia desbalanceada entre fases. El diagnóstico correcto no es excluyente: se atienden ambos frentes.
2. Explique el mecanismo por el cual el desequilibrio de tensión calienta el motor de forma desproporcionada y por qué falló precisamente la fase B.
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Teoría de componentes simétricas. Un juego de tensiones desbalanceadas se descompone en secuencia positiva, negativa y cero. El motor de inducción responde a las dos primeras:
- La secuencia positiva gira al deslizamiento normal s (≈ 0.02) y produce el par útil.
- La secuencia negativa gira en sentido contrario, de modo que el rotor la ve con un deslizamiento de (2 − s) ≈ 1.98, prácticamente el de rotor bloqueado.
Consecuencia: la corriente de secuencia negativa es varias veces mayor que la componente de tensión que la origina (del orden de la relación de corriente de arranque). Un 2.35 % de tensión negativa puede producir del orden de 6–10 % de corriente negativa en el estator, y esa corriente induce corrientes de frecuencia doble en el rotor, que se concentran en la superficie de las barras por efecto piel. El calentamiento del rotor crece aproximadamente con el cuadrado del desequilibrio y se suma al del estator.
Por qué la fase B. B-C es el par con menor tensión (471 V), por lo que la fase B y la C son las que quedan desplazadas del centro del triángulo de tensiones. En un sistema desbalanceado la fase que más se aleja de la tensión promedio absorbe la mayor corriente y opera con el peor factor de potencia; es la que primero agota el margen térmico de la clase F. Que la falla original y el calentamiento actual se concentren ahí es consistente con un desbalance crónico, no con una causa aleatoria.
Sobre el criterio del electricista. La tolerancia de ±10 % aplica a la regulación de tensión de servicio, no al desequilibrio entre fases. Para motores, NEMA recomienda no exceder 1 % de desequilibrio y nunca operar por arriba de 5 %.
3. Proponga el plan de corrección, ordenado por efectividad y costo, e indique qué haría antes de volver a poner el motor en servicio.
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1. Corregir la causa raíz en la red (mayor efectividad, menor costo). Redistribuir la nueva acometida de alumbrado monofásico entre las tres fases hasta bajar el desequilibrio por debajo de 1 %. Verificar el banco de transformación y los taps: si el ramal está crónicamente desbalanceado, un ajuste de tap no lo corrige, solo lo disfraza.
2. Verificación del motor antes de energizar. Medir resistencia de aislamiento y, sobre todo, resistencia óhmica de los tres devanados (índice de polaridad); una diferencia mayor a 5 % entre fases apunta a un rebobinado defectuoso y es motivo de rechazo. Verificar también el entrehierro y el estado del rotor (barras rotas producen corriente de secuencia negativa propia, indistinguible de la de red si solo se mide tensión).
3. Protección y monitoreo. Instalar un relevador monitor de tensión (secuencia y desequilibrio) que dispare por encima de 2 % sostenido, y verificar el ajuste del relevador de sobrecarga contra la corriente nominal corregida por temperatura ambiente y por altura si aplica.
4. Operación mientras se corrige. Limitar la carga a la capacidad derrateada (~139 hp): recortar el impulsor, reducir la velocidad con variador o estrangular la descarga. Es preferible perder algo de gasto que repetir el rebobinado.
Orden de ejecución: no volver a arrancar hasta tener el desequilibrio por debajo de 1 % y el informe de resistencias del devanado. El desequilibrio es gratuito de corregir comparado con un motor de 150 hp.