Análisis técnico: Efectos de operar una bomba centrífuga y motor de inducción IE3 por encima de la velocidad nominal en la zona de debilitamiento de campo

 

Introducción

El aumento de la velocidad de un motor que acciona una bomba centrífuga, con la intención de incrementar el caudal un 10% sobre la nominal, implica trabajar en la zona de debilitamiento de campo, situación que puede afectar tanto la mecánica como la parte eléctrica del sistema y debe ser gestionada con cuidado para evitar daños irreversibles.

---

1. Ley de Afinidad y efectos hidráulicos

Las Leyes de Afinidad describen cómo varían los parámetros principales de una bomba centrífuga al modificar la velocidad. Para velocidad variable, las relaciones son:

• Caudal (Q): Proporcional a la velocidad $N$

  $$\frac{Q_2}{Q_1}=\frac{N_2}{N_1}$$

• Altura o presión $H$: Proporcional al cuadrado de la velocidad

  $$\frac{H_2}{H_1}={\left(\frac{N_2}{N_1}\right)}^2$$

• Potencia $P$: Proporcional al cubo de la velocidad

  $$\frac{P_2}{P_1}={\left(\frac{N_2}{N_1}\right)}^3$$

Donde $N_1$ es la velocidad nominal y $N_2$ es la velocidad operativa.

Si $N_1=3600\mathrm{r}\mathrm{p}\mathrm{m}$ y $N_2=3960\mathrm{r}\mathrm{p}\mathrm{m}$ (un 10% mayor):

• Caudal aumenta un 10%

• Presión o altura aumenta un 21%

• Potencia requerida aumenta un 33%

---

2. Curva torque-velocidad del motor con ejemplo numérico

El torque eléctrico $T$ y la velocidad angular $\omega$ tienen relación con la potencia:

$$P=T\cdot \omega$$

Con el aumento de velocidad $N$, la potencia aumentará si el motor mantiene el torque, pero en la zona de debilitamiento de campo, el torque disminuye. La curva general del par-velocidad para un motor de inducción típico se comporta así:

• Desde 0 rpm hasta la velocidad nominal (3600 rpm), el torque es aproximadamente constante y máximo.

• A partir de la velocidad nominal, si la velocidad aumenta (como en debilitamiento de campo), el torque cae rápidamente.

Ejemplo:

Supongamos Motor nominal con:

• Torque nominal: $T_n=100Nm$

• Velocidad nominal: $N_n=3600rpm$ $\to$ ${\omega }_n=\frac{2\pi \times 3600}{60}=377rad\mathrm{/}s$

• Potencia nominal:

  $$P_n=T_n\times {\omega }_n=100\times 377=37,700W=37.7kW$$

Si el motor sube a $N=3960rpm$ (10% más):

• $\omega =\frac{2\pi \times 3960}{60}=415rad\mathrm{/}s$

• En debilitamiento de campo, supongamos que el torque cae un 25%:

  $T=0.75\times 100=75Nm$

• Potencia disponible:

  $$P=T\times \omega =75\times 415=31,125W=31.1kW$$

Aunque la velocidad aumenta, la potencia útil cae respecto al nominal, limitando la capacidad para subir carga hidráulica.

---

3. Implicaciones para operación segura

• El motor puede no entregar el torque suficiente para la bomba cuando opera por encima de la velocidad nominal.

• Puede existir riesgo de sobrecarga y paro del motor.

• La potencia requerida para la bomba aumentó (Ley de Afinidad), pero la potencia útil del motor disminuye.

• El sistema debe ser protegido mediante configuraciones en el variador.

---

4. Recomendaciones generales

• Limitar la frecuencia máxima en el variador a la nominal salvo que el motor sea específicamente diseñado para trabajo en debilitamiento de campo.

• Limitar corriente máxima para evitar sobrecargas térmicas y daños.

• Utilizar rampas de arranque/parada y controles PID para evitar golpes hidráulicos.

• Implementar sensores para monitorear temperatura, vibración y corriente.

• Validar curvas torque-bomba vs torque-motor en todo el rango operativo.

• Para nuevos proyectos, especificar motores y variadores contemplando operación en rango extendido.