Hombre, Ciencia y Tecnología ISSN: 1028-0871 Vol. 25, No. 4, oct-dic. pp. 122-131, 2021
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Sustitución de motores eléctricos subcargados en UEB Gráfica Juan Marinello
Substitution of undersized electrical motors in Graphic UEB Juan Marinello
Autores: M.Sc. Raúl Antonio Caramazana Ferrer
1
, https://orcid.org/0000-0002-5695-7341
Ing. Vladimir Barreras Fontanet
2
, https://orcid.org/0000-0002-6066-3194
M.Sc. Osvaldo González Reyes
1
, https://orcid.org/0000-0003-4295-7524
M.Sc. Jorge Jackson Horritiner
1
, https://orcid.org/0000-0002-8193-0212
M.Sc. Rolando Escalante Castillo
1
. https://orcid.org/0000-0002-4137-1030
Organismo: Universidad de Guantánamo, Guantánamo, Cuba
1
. Empresa de servicios a
grupos electrógenos de emergencia (EMER)
2
E-mail: raulacf@cug.co.cu; raul700@nauta.cu
Fecha de recibido: 26 may. 2021
Fecha de aprobado: 30 jul. 2021
Resumen
En el presente trabajo se presenta un
estudio de carga realizado en los motores
eléctricos más consumidores de la UEB
gráfica Juan Marinello con el objetivo de
sustituirlos por motores asincrónicos de alta
eficiencia, mejorando así el comportamiento
de los indicadores de eficiencia de las
máquinas de trabajo y de la UEB en general.
Se realizó el monitoreo de los motores
eléctricos principales de las máquinas de
conversión, impresión y encuadernación
gráficas utilizando un analizador de redes,
determinando en la mayoría de los casos su
subutilización y proponiendo su sustitución.
Se realizó un análisis económico y
medioambiental, demostrando la importancia
de ejecutar esta inversión que ayuda a
disminuir la demanda de energía eléctrica y
la emisión de gases de efecto invernadero
que dañan nuestro medioambiente. En el
futuro cuando se hayan sustituidos los 15
motores propuestos se habrán dejado de
consumir alrededor de 25 MWh en un año
de trabajo.
Palabras clave: estudio de carga, motores
eléctricos subcargados, demanda, portador
energético, medio ambiente, gases de efecto
invernadero.
Abstract
In this work a study of the charge in the most
consuming electric machines of the Graphic
UEB Juan Marinello is carried out with the
objective of substituting them for
asynchronous machines of high efficiency,
increasing the indicators of efficiency of the
working machines and of the UEB in general.
For such purpose the monitoring of the
principal electric machines of the areas of
conversion, impression and graphic
bookbinding was applied using a net
analyzer, defining that in most cases they
are underutilized and suggesting their
replacement. An economic and
environmental analysis was also applied
which helps to diminish electric power
demand and the emission of greenhouse
effect gasses. In the future, when we replace
the 15 machines chosen there will be a
consumption reduction of about 25 MWh in a
year of work.
Keywords: study of the charge, undersized
electrical motors, demand, energetic bearer,
environment, gases of greenhouse effect.
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Introducción
La energía posibilita y facilita toda la actividad humana. Las diferentes fuentes y sistemas de
producción y uso de la energía utilizadas por el hombre han marcado las grandes etapas en
el desarrollo de la sociedad humana, dependiendo el curso de este de las elecciones
energéticas realizadas en cada momento. En el decursar del tiempo el hombre pasó del
empleo de su fuerza muscular al uso de diversas fuentes para satisfacer sus necesidades, el
empleo del fuego, la utilización de la tracción animal, y finalmente, en rápida sucesión, el
dominio de las tecnologías del carbón, del petróleo y el gas natural, y la producción y uso del
vapor y la electricidad. Esta última ha sido la base para el mejoramiento de los niveles de
vida de la población y para el desarrollo industrial, pero sin embargo su utilización sin
racionalización es la causa principal por la cual hoy en día el mundo enfrente una crisis
energética ya que las fuentes de abastecimiento de combustibles fósiles se agotan por el
desenfrenado consumo impuesto al mundo por las sociedades de consumo.
La satisfacción de los principales servicios energéticos del hombre por una vía basada en los
combustibles fósiles (cerca del 80 % del total mundial), conjuntamente con el desarrollo
industrial, el crecimiento de la población y su concentración en grandes urbes, ha alterado
significativamente algunos ciclos vitales en el planeta. Se ha aumentado la circulación del
carbono en un 20 %, del nitrógeno en un 50 % y del azufre en un 100 %.
Ante este panorama nada alentador nuestro país, a partir del año 2006, viene desarrollando
“La Revolución Energética en Cuba”, donde se ha puesto en práctica nuevas concepciones
para el desarrollo de un sistema electroenergético nacional más eficiente y seguro, y un uso
racional y eficiente de la energía en todos los sectores de la sociedad cubana, haciendo del
ahorro de energía el sustento fundamental del desarrollo del país. La UEB Gráfica Juan
Marinello de la provincia Guantánamo, Cuba, se ajusta a este programa y realiza acciones
encaminadas a disminuir su demanda de energía eléctrica y hacer más efectiva su gestión
energética.
Dentro de sus talleres productivos se encuentran instaladas máquinas de impresión y
encuadernación que tienen alrededor de 45 años de explotación, trabajan por debajo de su
capacidad nominal debido al deterioro técnico que han sufrido con el paso de los años.
Los motores eléctricos de estas máquinas trabajan también por debajo de su valor de
potencia nominal debido a las causas explicadas arriba. En la industria, estas máquinas
consumen más del 50 % de la energía eléctrica generada por lo que es preciso trabajar en
las medidas que permitan contribuir al objetivo de ahorrar energía y gastos capitales en este
campo. Es por ello que en este trabajo se plantea como problema científico la baja eficiencia
energética de los motores eléctricos, el objeto de la investigación los accionamientos del
equipamiento tecnológico para la producción de libros y como objetivo principal el determinar
el estado de carga de los motores eléctricos y la viabilidad de su posible sustitución por otros
de alta eficiencia.
Materiales y métodos
Un programa de perfeccionamiento energético difícilmente puede considerarse completo sin
una evaluación de la eficiencia de los motores más potentes y críticos de una instalación. En
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la actualidad, debido a los precios crecientes y las exigencias de ahorro de energía, el valor
de la eficiencia juega un papel fundamental en la industria.
El objetivo de la evaluación está en determinar el estado de carga y la eficiencia operacional
con vistas a identificar el potencial de ahorro y aplicar las herramientas necesarias para
elevar la competitividad. Aunque este tipo de programa se sustenta desde bases
económicas, en la actualidad es necesario considerar, además, su impacto ambiental.
Para la realización del estudio se partió del hecho de que la energía eléctrica es el principal
portador energético que se consume en la UEB como lo demuestra la estructura de consumo
mostrada en el gráfico abajo, como puede verse haciendo hincapié en el ahorro de
electricidad se puede mejorar la eficiencia económica e industrial de la instalación ya que el
mayor porciento de consumo corresponde a este portador, sin olvidar, como es natural, el
impacto que tiene trabajar en la disminución del consumo de los demás portadores
energéticos.
Fig. 1 Estructura de consumo de portadores energéticos
Existen muchos métodos para determinar la eficiencia; por ejemplo: la IEEE-112 establece
cinco métodos denominados A, B, C, E y F con las variantes E
1
, F
1
. En la práctica industrial
los métodos de evaluación toman nombres genéricos y pueden fundarse en la combinación
de varios métodos básicos. Entre ellos se tiene el método de los datos de placa, método de
la corriente equivalente, etc.
En todos los métodos la eficiencia se calcula según la ecuación:
ENTRADA
ELECTRICA
SALIDA
P
P
72.609
4.094
0.960
0.916
0.744
0.000 0.000 0.000 0.000
91.5
96.7
97.9
99.1
100.0 100.0 100.0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Energía
eléctrica
Diesel Kerosén Gasolina
regular
Aceites Nafta Grasas Gas Licuado
de petróleo
Gasolina
especial
Porciento acumulado
TCC
Portador energético
Estructura de consumo 2020
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La potencia de salida es la potencia de entrada menos las pérdidas. De la forma en cómo se
determinan las pérdidas depende la exactitud del método aplicado.
Entre las mediciones necesarias pueden encontrarse la lectura de la placa y el registro de
datos con un analizador de redes, etc.
El equipamiento tecnológico instalado en la planta industrial data de finales de los años 70 y
la mayoría de estos proviene del desaparecido campo socialista. Estas máquinas tienen un
alto grado de obsolescencia técnica ya que debieron haberse cambiado, según las normas
de la propia poligrafía, alrededor de 9 veces. Desde el punto de vista técnico el estado del
equipamiento deja mucho que desear por los años de explotación a que han sido sometidos,
incidiendo en ello, la falta de piezas de repuesto, hecho este que redunda en una
disminución de su capacidad productiva con relación a su capacidad nominal provocando la
subutilización de su motor principal que unido a su deficitario estado técnico provoca paros
improductivos y sobreconsumo energético. Estos motores eléctricos tienen bajo factor de
potencia, baja eficiencia, y adolecen de piezas de recambio para su mantenimiento y como
ya se comentó arriba, más de 40 años de explotación. En la foto puede apreciarse una
máquina impresora planeta con el motor eléctrico que trae de fábrica.
Fig. 2 Máquina impresora planeta y su accionamiento eléctrico original
Para la realización del estudio de carga a los motores eléctricos se utilizó un analizador de
redes de marca CIRCUTOR ARL – 5 como se mencionó arriba. El mismo es capaz de
monitorar, registrar y grabar varias variables de comportamiento de un motor eléctrico en una
unidad de tiempo determinada. Este equipo es capaz de ofrecer en forma tabular y gráfica
los siguientes, entre otros, datos, como la tensión (V), corriente (A), potencia activa (kW),
potencia reactiva (ckVAr), potencia aparente (kVA), factor de potencia (cosφ), frecuencia
(Hz), etc.
Este equipo posee un puerto para después de recopilados los datos poder vaciarlos en la PC
y mediante un software, llamado POWER VISION, visualizarlos y analizarlos en forma gráfica
y/o tubular. En la figura que se muestra a continuación se puede ver el equipo montado en
una máquina de impresión planeta a cuatro colores.
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Fig. 3 Analizador de redes monitoreando datos en el accionamiento eléctrico
El analizador de redes se monta en el motor principal de cada una de las máquinas antes
mencionadas. El mismo posee terminales que varían su calibre de acuerdo a la tensión (V)
del motor a medir. Estos se colocan en la entrada de energía eléctrica al mismo. El
analizador se programa para registrar y grabar valores durante una hora de trabajo a
intervalos de 1 minuto. La máquina impresora o encuadernadora comienza a trabajar y al
cabo de la hora se obtienen alrededor de 60 mediciones que son suficientes para determinar
el comportamiento energético del motor eléctrico. Se retiran los terminales del analizador y
después utilizando un puerto estos valores se llevan a la PC donde se descarga el archivo
correspondiente. De esa forma se procede en todas las máquinas y los archivos creados por
el analizador van siendo guardados en la PC para su posterior análisis. Con estos registros
en máquina, después de verificar que el motor eléctrico analizado consume por debajo de su
valor nominal de chapa, se prepara una hoja de cálculo electrónica en el Microsoft Excel,
siguiendo el siguiente algoritmo de cálculo para proponer el nuevo motor con el nuevo valor
de potencia a consumir:
Se tomó como referencia el cálculo realizado al accionamiento principal de una máquina
impresora planeta de 4 colores. El motor eléctrico original tiene las siguientes características
técnicas:
Utilizando el método de la corriente equivalente cuya fórmula se muestra a continuación
efectuamos:
Potencia = 5 – 25 kW
Voltaje: 440 V
Corriente: 29,5 – 44,5 A
Factor de potencia: 0,38 – 0,99
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Sustituyendo los valores registrados por el analizador de redes se obtiene:
Ieq
= 24,28 A
La cargabilidad del motor se puede calcular por:
Inom
Ieq
C
5,44
28,24
C
%56,54C
Este valor nos dice que de la potencia nominal del motor solo se aprovecha el 54,56 %, por
lo que se puede establecer que el mismo está subutilizado.
Se calcula ahora el valor de la potencia equivalente por la fórmula que aparece a
continuación:
Peq
= 7,15 kW
Este valor se multiplica por la eficiencia real ajustada que es igual a un 85 % después de
tener en cuenta varios factores que influyen en la misma como la variación de tensión,
desbalance de tensión y otros. Al final la potencia real entregada es igual a:
ualtregadaactPotenciaen
= 6,08 kW
Multiplicando este último valor por un factor de seguridad igual a 1,65; se determina que la
potencia que se requiere para energizar esta máquina es igual a 10,03 kW. Ahora se
normaliza este valor de potencia y para ello hay que apoyarse en un catálogo de motores de
la SIEMENS donde se encuentran valores estandarizados de potencia, eligiendo el siguiente
motor con las características que se muestran a continuación:
Motor de alta eficiencia
Trifásico, totalmente cerrado
Tipos RGZE. RGZESD, RGZZESD
440 V
60 Hz
Potencia (kW)
15
Velocidad (rpm)
1755
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Eficiencia nominal
91,7 %
Factor Potencia
0,80
Par (N.m)
81
Par máximo
270 %
Par máximo (N.m)
218,7
A continuación se calcula el momento máximo que pide la carga por la fórmula:
1000*
*
30
rpm
n
Pmáxc
Mmáxc
Mmáxc
= 112,42 N – m
Se calculan los valores de momento nominal y momento máximo absoluto del motor
propuesto utilizando la fórmula que aparece arriba, obteniéndose los resultados siguientes:
Momento nominal de motor propuesto
Mn
81,00
N.m
Mmáxperm
218,70
N.m
Ahora se comprueba si el motor propuesto es capaz de mover la carga, para ello se calcula
si el momento máximo en el ciclo es menor que el momento máximo del motor seleccionado.
Momento máximo en el ciclo < (0,7-0,8) Momento máximo del motor seleccionado
Efectuando se tiene que:
MmáxabsMmáxc )8,07,0(
112,42 < 164,03
Luego se concluye que el motor propuesto resulta adecuado para los requerimientos de
momento máximo. En coordinación con la agencia CEDAI se han importado tres motores de
alta eficiencia y se montaron los mismos en el taller de impresión plana y rotativa
obteniéndose hasta ahora excelentes resultados. A continuación, se muestra la máquina
impresora planeta de cuatro colores con el nuevo accionamiento.
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Fig. 4 Máquina impresora planeta y su nuevo accionamiento eléctrico
Resultados y discusión
El procedimiento antes descrito se llevó a cabo en cada uno de los motores eléctricos
estudiados en los talleres de conversión, impresión y encuadernación de la UEB
obteniéndose los siguientes resultados:
1. Del total de motores eléctricos estudiados se demostró que 15 de ellos están trabajando
por debajo de su capacidad nominal, o lo que es lo mismo, están subcargados bajo las
condiciones de carga actuales.
2. La sustitución de estos motores eléctricos subcargados por motores eléctricos de alta
eficiencia trae consigo un impacto energético considerable.
3. Con la disminución de la demanda eléctrica por este concepto se logra reducir el gasto de
combustible en la fuente principal de generación y con ello una reducción en la emisión de
gases de efecto invernadero.
4. Es considerable, además, la disminución en la facturación eléctrica ya que disminuye el
consumo de energía eléctrica.
5. Con la sustitución de los motores eléctricos subcargados se disminuye el consumo de
energía reactiva ya que al motor eléctrico trabaja en un rango de consumo más próximo a su
valor nominal y mejora el factor de potencia de la instalación.
La aplicación en la UEB Gráfica Juan Marinello de la Tecnología de Gestión Total Eficiente
de Energía (TGTEE) ha permitido identificar el potencial que existe para el ahorro de energía
eléctrica en la misma ya que este portador es el de mayor consumo como se demostró en la
estructura de consumo de portadores energéticos presentada arriba (ver figura 1).
Con la sustitución de estos motores eléctricos por otros de menor consumo energético y más
eficientes se obtiene el siguiente ahorro energético:
Ahorro 16 horas
Ahorro en un mes
Ahorro 1 año
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(kW.h)
(kW.h)
(kW.h)
Total
85,28
2046,72
24 560,64
Por el ahorro conseguido en un año de trabajo (24,56 MW.h) deja de emitirse a la atmósfera
la siguiente cantidad de gases contaminantes:
Reducción de
contaminantes en
Termoeléctricas
Emisiones
de NOx (kg)
Emisiones
de SO
2
(kg)
Emisiones
de CO
2
(kg)
Por cada kWh
ahorrado se deja de
emitir
71,23
368,41
16 406,51
La termoeléctrica Antonio Maceo (Renté) de Santiago de Cuba deja de emitir a la atmósfera,
16,85 toneladas de gases de efecto invernadero en un año de trabajo, además, 6877
kilogramos de combustible dejados de quemar para la generación de energía eléctrica
teniendo en cuenta que su índice de consumo es de 280g/kWh.
En el momento en que se deje de consumir 24,56 MW.h considerando 16 horas de trabajo,
254 días laborables y recontratando la demanda máxima, al año la UEB dejará de pagar por
concepto de facturación eléctrica lo siguiente:
Cargo fijo
Tarifa MIA
Demanda
contratada
Demanda a
contratar
Diferencia
Ahorro ($)
200
190
10 kW
840 CUP
Cargo variable
Tarifa MIA
Precio ($)
Consumo (kWh)
Ahorro ($)
Día
0,021*$/kWh*k+0,064*$/kWh
18 420,48
$ 2809,13 CUP
Pico
0,0481*$/kWh*k+0,064*$/kWh
6140,16
$ 1637,63 CUP
subtotal
-
24 560,64
$ 4446,76 CUP
Total
$ 4866,76 CUP
Conclusiones
La aplicación de este trabajo en la UEB Gráfica Juan Marinello ha posibilitado la
determinación del estado de carga de los motores eléctricos de los talleres de conversión,
impresión y encuadernación concluyéndose que 15 de los mismos están subcargados. En
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coordinación con la agencia CEDAI se ha podido sustituir tres de ellos. Esta solución ha
permitido una disminución en el gasto de la facturación eléctrica, así como una importante
contribución para la disminución en la emisión de gases de efecto invernadero que tanto
dañan nuestro medio ambiente.
Recomendaciones
Esta experiencia puede generalizarse a cualquier instalación industrial con el objetivo de
conocer la cargabilidad de los motores eléctricos instalados en ella, y con la sustitución de
los subcargados, contribuir al ahorro de energía eléctrica que es el portador energético de
mayor consumo en el país.
Referencias bibliográficas
Viego, P.; De Armas, M.; Padrón, E.A. “Ahorro de energía en sistemas eléctricos
industriales”. Universidad de Cienfuegos. Cienfuegos. 2002.
Viego, P. et al. “Temas especiales de sistemas eléctricos industriales. Texto de la Maestría
en Eficiencia Energética. Editorial Universo Sur. Universidad de Cienfuegos, Cuba.
2006.
Viego, P. “Uso final eficiente de la energía eléctrica”. Texto para la Especialización en
Eficiencia Energética. Universidad Autónoma de Occidente, Cali, Colombia. 2006.
Viego, P. “Tecnología de Gestión Total Eficiente de Energía”. Centro de Estudios de Energía
y Medio Ambiente. Universidad de Cienfuegos, Cuba. 2007.
