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TEMA

: MOTORES ELECTRICOS DE ALATA EFICIENCIA

ALUMNO: SEGUNDO ROMELIO CORONEL GAVIDIA

DOCENTE: ING. SEGUNDO FEDERICO SALAZAR CUBAS

BAGUA GRANDE 07/07/17

ROMELIO [Dirección de correo electrónico]

INTRUDUCCION El constante incremento de los costos de la energía eléctrica y las restricciones establecidas sobre la conservación del medio ambiente hicieron que en los países industrializados como USA y algunos países europeos se dictaran políticas y se aprobaran legislaciones respecto al uso de la energía. Considerando que, de la energía total generada en el mundo, aproximadamente el 60% la consumen los motores eléctricos y que el motor eléctrico más usado es el asincrónico 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. Esta idea fue reforzada cuando un estudio realizado en 1990 por el Departamento de Energía de los Estados Unidos de América mostró que para el año 2010, la industria podría ahorrar 240 mil millones de Kwh anualmente reemplazando motores y accionamiento de eficiencia estándar, por otro que fueran solo de 2 a 6% más eficientes. En los países subdesarrollados, este tipo de política energética ha demorado en establecerse y las cifras que se encuentran en cuanto al uso de motores más eficientes son notablemente inferiores a las de los países industrializados. Una de las razones es que en las prácticas tradicionales de compra no se evalúa el costo real de la energía, entre otras cosas, porque no se comprende la relación entre la eficiencia y los costos totales durante la vida útil del equipo. Así, los compradores se concentran con frecuencia en el bajo costo inicial. No se comprende suficientemente que los motores y acondicionamientos con mayor eficiencia, aunque son más caros inicialmente, gracias a los costos de operación más bajos, compensan la diferencia en un plazo normalmente apropiado. Otra razón es la poca información que tienen los ingenieros y técnicos respecto a los motores de alta eficiencia. Este desconocimiento da inseguridad en el momento de la aplicación y en algunos casos puede ocasionar inconvenientes en la operación de los motores. Es importante entonces conocer cuáles son las características electromecánicas de los motores de alta eficiencia, sus ventajas y las limitaciones que pueden presentar en su aplicación. El propósito de este artículo es dar a conocer las características principales de los motores de alta eficiencia, mencionar las ventajas y limitaciones que presentan y mencionar las condiciones más comunes en que su aplicación es aconsejable.

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HISTORIA Hasta el año 1960 los diseñadores y fabricantes de motores de inducción siguieron la tendencia de diseñar los motores con el objetivo de conseguir una alta eficiencia, a pesar de que en ese entonces los materiales no tenían un gran desarrollo el diseño electromagnético centrado en la eficiencia consiguió que se fabriquen motores de eficiencias aceptables. El bajo costo de la energía eléctrica en aquella época hacía que la eficiencia no fuera un parámetro que incidiera en los costos de operación. Por eso durante el periodo de 1960 hasta 1975 los fabricantes cambiaron su tendencia y se centraron a diseñar motores para conseguir un costo mínimo, sobre todo en el rango de 1 a 250 HP. Con este objetivo se disminuyó la cantidad de material activo, y los materiales fueron seleccionados para cumplir En 1992 en USA se expidió el documento Energy Policía Act of 1992 (EPACT'92). En cuanto a los motores el EPACT cubre motores de inducción de jaula de ardilla de 1 a 200 HP, de 2,4 y 6 polos y de propósito general diseños nema A y B. Las eficiencias mínimas exigidas por el EPACT están escritas en la Tabla 12-10 de la Norma NEMA MG1. 1997.La Tabla 5 muestra las eficiencias para algunas potencias extraídas de la Tabla 12-10.

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1. EFICIENCIA ENERGETICA EN MOTORES ELECTRICOS. NORMATIVA IEC 60034-30 Que es la eficiencia de un motor eléctrico: La eficiencia del motor eléctrico es la relación entre la potencia de salida (mecánica) y la potencia de entrada (eléctrica). La salida de potencia mecánica se calcula en base al par y la velocidad requerida (es decir, la potencia requerida para mover el objeto conectado al motor) y la entrada de energía eléctrica se calcula en base al voltaje y la corriente suministrados al motor.

La salida de potencia mecánica es siempre inferior a la entrada de energía eléctrica, ya que la energía se pierde durante la conversión (eléctrica a mecánica) en diversas formas, como el calor y la fricción. El diseño de un motor eléctrico tiene como objetivo minimizar estas pérdidas para mejorar la eficiencia. La mayoría de los motores eléctricos están diseñados para funcionar entre el 50% y el 100% de la carga nominal. La eficiencia máxima suele estar cerca del 75% de la carga nominal. Así, un motor de 10 caballos de fuerza (hp) tiene la eficiencia máxima a 7,5 hp. La eficiencia de un motor tiende a disminuir drásticamente por debajo del 50% de carga. Sin embargo, el rango de buena eficiencia varía con los motores individuales y tiende a extenderse en un rango más amplio para motores más grandes, como se muestra en la Figura 1.

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Un motor se considera cargado cuando está en el rango donde la eficiencia disminuye significativamente con la disminución de la carga. Los motores sobrecargados pueden sobrecalentarse y perder eficiencia. 1.2. Consumo de energía mundial (tendencia)

1.3. Consumo energético por segmento.

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1.3.1. Consumo energético por de aplicación en el sector industrial

se estima que hay mas de 300 millones de motores a nivel mundial, los cuales consumen cerca de 7.400 Twh por año equivalente al 40% de la producción mundial de energía. 1.3. IEC 60034-30 1.3.1. Cubre los siguientes equipos Motores de inducción eléctrico trifásico, de velocidad única, de jaula de ardilla, de 50 HZ O 50/60Hz, que. ➢ Tenga de 2 a 6 polos ➢ Se alimenta a una tensión nominal de hasta 1.000V ➢ Con una potencia nominal de entre 0.75kw y 375kw Esta pensado para un servicio en funcionamiento continuo.

1.3.2. Tabla reguladora de eficiencia para la IEC 60034-30

1.4. Etapas de entrada en vigor

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➢ A partir del 16 de junio del 2011, el nivel de rendimiento de los motores con una potencia nominal 0.75-375kw no podrá ser inferior al nivel de rendimiento IE2 ➢ A partir de 01 de enero del 2015, los motores con una potencia nominal de 7,5-375kw no podrán tener un nivel de rendimiento inferior al nivel de clasificación IE3 o al nivel IE2 y estar equipados de un mando de regulación de velocidades. ➢ A partir de 01 de enero del 2017, todos los motores con una potencia nominal de 0.7375kw no podrán tener un nivel de rendimiento inferior al nivel de clasificación IE3 o al nivel de clasificación IE2 y estar equipados de un mando de reguladores de velocidades.

2. NATURALEZA DE LAS PÉRDIDAS EN LOS MOTORES ELÉCTRICOS 6

Se tiene por pérdidas la potencia eléctrica que se transforma y disipa en forma de calor en el proceso de conversión de la energía eléctrica en mecánica que ocurre en el motor. Las pérdidas por su naturaleza se pueden clasificar en 5 áreas: pérdidas en el cobre del estator, pérdidas en el cobre del rotor, pérdidas en el núcleo, pérdidas por fricción y ventilación y pérdidas adicionales. 2.1

Pérdidas en los conductores.

Las pérdidas en los conductores se dividen en dos zonas: estator ( 𝐼 2 𝑅 en las bobinas del estator) y rotor ( 𝐼 2 𝑅 en los bobinados del rotor). Estas pérdidas dependen del cuadrado de la corriente. 2.1.1. Pérdidas en los conductores del estator. Estas pérdidas son una función de la corriente que fluye en el devanado del estator y la resistencia de ese devanado. Son mínimas en vacío y se incrementan al aumentar la carga. En función del factor de potencia (FP), la corriente de línea en el estator puede expresarse como: 𝐼𝐿 =

𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 √3 𝑣𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑑𝑒 𝑙𝑖𝑛𝑒(𝐹𝑃)

Cuando se desea mejorar el comportamiento del motor, es importante reconocer la interdependencia entre la eficiencia (EF) y el factor de potencia (FP). Si se despeja el factor de potencia la ecuación se reescribe: 𝐹𝑃 =

𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 √3 𝑣𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑑𝑒 𝑙𝑖𝑛𝑒(𝐼𝐿 )(𝐹𝑃)

Por lo tanto, si se incrementa la eficiencia, el factor de potencia tendrá a decrecer. Para que el factor de potencia permanezca constante, la corriente del estator debe reducirse en proporción al aumento de la eficiencia. Si se pretende que el factor de potencia mejore, entonces la corriente debe disminuir más que lo que la eficiencia aumente. Desde el punto de vista del diseño, esto es difícil de lograr debido a que hay que cumplir otras restricciones operacionales como el momento máximo. Por otra parte, la corriente de línea se puede expresar: 𝐼𝐿 =

𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑚𝑒𝑐𝑎𝑛𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 √3 𝑣𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑑𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎(𝐹𝑃)(𝐸𝐹)

La expresión hace evidente que las pérdidas en el estator (𝐼 2 𝑅) serán inversamente proporcionales al cuadrado de la eficiencia y del factor de potencia. Adicionalmente las pérdidas en los conductores del estator dependen de la resistencia del bobinado. Para un motor dado la resistencia del bobinado es inversamente proporcional al peso del bobinado del estator, es decir a más material conductor en el estator menos pérdidas. 2.1.2 Pérdidas en los conductores del rotor. Son directamente proporcionales a la resistencia del bobinado rotó rico, dependen del cuadrado de la corriente que circula en el bobinado rotó rico (barras y anillos) y dependen del flujo magnético que atraviesa el entrehierro. Son prácticamente cero en vacío y se incrementan con el cuadrado de la corriente en el rotor y también se incrementan con la temperatura. Las pérdidas en el rotor se pueden expresar en función del deslizamiento: 𝑃𝑒𝑟𝑑. 𝑟𝑜𝑡𝑜𝑟 =

(𝑃𝑀𝑆 + 𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠𝑓 𝑦 𝑣) 1. 𝑠 7

Donde: PMS: potencia mecánica de salida F Y V: fricción y ventilación S: deslizamiento 2.2 Pérdidas en el núcleo magnético. Estas pérdidas tienen dos componentes, las pérdidas por corrientes de Eddy y las pérdidas por el fenómeno de histéresis, incluyendo las perdidas superficiales en la estructura magnética del motor. Las perdidas en el núcleo del rotor debido al flujo magnético principal, son virtualmente cero. 2.2.1 Pérdidas por Histéresis. Son causadas debido a la propiedad de remanencia que tienen los materiales magnéticos al ser excitados por un flujo magnético en una dirección. Como el flujo de excitación está cambiando de dirección en el núcleo magnético, la remanencia hace que se forme el ciclo de histéresis, cuya área está relacionada por la energía gastada en magnetizar y desmagnetizar el núcleo continuamente. Estas pérdidas dependen del flujo máximo de excitación, de la frecuencia de variación del flujo y de la característica del material que determina el ancho del ciclo de histéresis. 2.2.2 Pérdidas por corrientes de Eddy. Son causadas por las corrientes inducidas o corrientes de Eddy que circulan en las láminas magnéticas del núcleo estatórico las que son inducidas por el flujo magnético giratorio estatórico. En efecto de acuerdo a la ley de Faraday el campo magnético variable en el tiempo crea campos eléctricos de trayectoria cerrada en el núcleo magnético y como el acero es un material conductor estos campos hacen circular corrientes (corrientes de Eddy) a través de su trayectoria cerrada, por esta razón el núcleo magnético se hace de láminas magnéticas. Por lo tanto, estas pérdidas dependen del flujo magnético máximo, de la frecuencia de variación del flujo magnético y de la resistividad del acero magnético. 2.2

Pérdidas por fricción y ventilación.

Las pérdidas por fricción y ventilación son debidas a la fricción en los rodamientos y a las pérdidas por resistencia del aire al giro del ventilador y de otros elementos rotativos del motor. La fricción en los rodamientos es una función de las dimensiones de este, de la velocidad, del tipo de rodamiento, de la carga y de la lubricación usada. Estas pérdidas quedan relativamente fijadas para un tipo de diseño, y debido a que constituyen un porcentaje pequeño de las pérdidas totales del motor, los cambios que se pueden hacer en el diseño para reducirlas no afectan significativamente la eficiencia del motor. 2.4 Pérdidas adicionales en carga. Son pérdidas residuales difíciles de determinar por medio de mediciones directas o de cálculos. Estas pérdidas están relacionadas con la carga y general mente se suponen que varían con el cuadrado del momento de salida. La naturaleza de estas pérdidas es muy compleja. Están en función de muchos factores de diseño y de fabricación del motor. Algunos de los elementos que influyen en estas pérdidas son: el 8

diseño del devanado, la relación entre la magnitud del entrehierro y la abertura de las ranuras; la relación entre el número de las ranuras del estator y del rotor, la inducción en el entrehierro; las condiciones en la superficie del rotor, el tipo de contacto superficial entre las barras y las laminaciones del rotor. 2.5 Distribución de las pérdidas. Dentro de un intervalo limitado de eficiencia, las distintas pérdidas analizadas son independientes unas de las otras. Sin embargo, cuando se procuran mejoras sustanciales en la eficiencia, se encuentra que las mismas están fuertemente entrelazadas. El diseño final de un motor es un balance entre las eficiencias pérdidas, con el objetivo de obtener una eficiencia elevada y aun poder satisfacer otros requerimientos operacionales como el momento de arranque, la corriente de arranque, el momento máximo y el factor de potencia. La forma en que se distribuye relativamente estas pérdidas depende del tipo y tamaño del motor y, para tener una idea general, en la Tabla 1 se muestra cómo se distribuyen las pérdidas en motores de diseño NEMA B de distinta potencia nominal. En esta tabla se puede evidenciar que a potencia nominal resulta relativamente amplio el intervalo que varía cada una de las pérdidas dependiendo de la potencia del motor.

Marcel Dekker, Inc. New York, USA 1992. Es importante para los diseñadores entender la forma en que se distribuyen las pérdidas con el objetivo de realizar cambios para aumentar la eficiencia del motor. En general la distribución de pérdidas promedio para los motores diseño NEMA B puede resumirse en la tabla 2.

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3. INCREMENTO DE LA EFICIENCIA EN LOS MOTORES ASINCRÓNICOS El incremento de la eficiencia en los motores asincrónicos de jaula de ardilla se logra con la reducción de sus pérdidas. Según aumenta la potencia de salida y en consecuencia la eficiencia nominal, se incrementa también el grado de dificultad para mejorar la eficiencia y por lo tanto el costo de mejorar la eficiencia de un motor. Considerando solamente las pérdidas en los conductores del estator y del rotor para mejorar un punto en la eficiencia, se requiere un aumento creciente en la reducción de estas pérdidas, según se puede observar en la tabla 3, confeccionada para valores promedio de los diseños NEMA B.

Las pérdidas en el motor pueden reducirse hasta alrededor de un 50% a través del uso de mejores materiales, optimizando la geometría, ajustando mejor el motor con la carga y mejorando el proceso de fabricación. Cuando se intenta maximizar la eficiencia de un motor, debe considerarse que ésta pueda incrementarse por dos métodos diferentes. Una posibilidad es seguir el camino en el cual la mejoría se logra fundamentalmente a base de adicionar materiales y empleando tecnologías más costosas. La otra posibilidad es optimizar el diseño del motor utilizando métodos de optimización. La diferencia entre los dos enfoques es que en el primer caso la mejoría se alcanza modificando un diseño existente, mientras que en el segundo caso se obtienen diseños totalmente nuevos. En la primera variante, el incremento de los materiales implica fundamentalmente aumentar el volumen del material activo (acero magnético y material conductor de la corriente) y las mejoras tecnológicas significan emplear aceros magnéticos de mejor calidad, utilizar un mayor factor de llenado en las ranuras, incrementar el número de ranuras del estator y del rotor, etc. Las características de diseño de la mayoría de los motores de alta eficiencia son: ➢ Las pérdidas en los conductores del estator disminuyen aumentando el área disponible para los conductores mediante la colocación en las ranuras de conductores de más sección o a través de un incremento de las dimensiones de las ranuras. Una variación en la configuración del devanado puede conducir también a una reducción de estas pérdidas, si se logra disminuir con ello la longitud de las cabezas de bobina y por lo tanto la resistencia del bobinado estatórico. ➢ Las pérdidas en los conductores del rotor pueden reducirse incrementando la cantidad del material conductor (en las barras y en los anillos), utilizando materiales de mayor conductividad, así como aumentando el flujo total que atraviesa el entrehierro. La magnitud de estos cambios está limitada por las siguientes restricciones: momento mínimo de arranque requerido, corriente máxima de arranque permisible y el factor de potencia mínimo aceptable. ➢ Las pérdidas en el núcleo magnético se reducen haciendo que el motor opere con inducciones más bajas que las normales y para compensar se incrementando la longitud 10

de la estructura ferromagnética. Esto reduce las pérdidas por unidad de peso, pero debido a que el peso total aumenta, la mejoría en cuanto a pérdidas no es proporcional a la reducción unitaria de estas. La disminución en la carga magnética también reduce la corriente de magnetización; y esto influye positivamente en el factor de potencia. ➢ Las pérdidas por fricción y ventilación están asociadas a los ventiladores y a la cantidad de ventilación requerida para extraer el calor generado por otras pérdidas en el motor, tal como las pérdidas en el cobre, las del núcleo y las adicionales. Según se reducen las pérdidas que generan calor, es posible reducir el volumen de aire requerido para moverlas y de esta manera, se pueden reducir las pérdidas por ventilación. Esto resulta valido especialmente en el caso de motores cerrados con ventilación externa forzada. Otro camino es el logro de un mejor diseño aerodinámico. Uno de los subproductos importantes de la reducción de las pérdidas de ventilación, es la disminución de los niveles de ruido. ➢ Las pérdidas adicionales se pueden reducir mediante un diseño optimizado del motor y mediante un proceso cuidadoso de producción. Como estas pérdidas están asociadas al procesamiento, tal como las condiciones superficiales del rotor, se pueden minimizar a través de un control cuidadoso del proceso de fabricación. Las pérdidas adicionales son las más difíciles de controlar en el motor, debido al gran número de variables que contribuyen a las mismas.

4. MOTORES DE ALTA EFICIENCIA. Según la fuente (libro fundamentos sobre ahorro de energía pg. 6-25) La eficiencia de un motor eléctrico es la medida de habilidad para convertir la potencia eléctrica que toma de línea, en potencia mecánica útil. En los cuadros 6.2 y 6.3 se reportan las eficiencias de diseño de los motores estándar cerrados y en los cuadros 6,4 y 6,5 las de los motores de alta eficiencia. Esto significa que no toda la energía eléctrica que un motor recibe, se convierte en energía mecánica. En el proceso de conversión se presentan perdidas, por lo que la eficiencia nunca será 100%. Las perdidas comunes solo una fracción de la potencia de entrada. Sin embargo, si sus condiciones de operación son incorrectas o este tiene algún desperfecto, la magnitud de las perdidas puede superarse con mucho las de diseño con la consecuente disminución de la eficiencia. TABLA: 6.2 Valores de eficiencia a plena carga para motores estándar cerrado.

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TABLA: 6.3 Valor de eficiencia a plena carga para motores estándar abiertos

TABLA: 6.4 Valores de eficiencia a plena carga para motores de alta eficiencia cerrados

TABLA: 6.5 Valor de eficiencia a plena carga para motores de alta eficiencia abiertos

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4.1. Características del motor de alta eficiencia. Un ahorro importante de energía en equipos acoplados a motores eléctricos, se puede obtener mediante la reducción de las perdidas. Para lograrlo, diversos fabricantes de motores eléctricos, se han dedicado a mejorar su diseño y manufactura, realizando diversas acciones entre las que se pueden mencionar. ➢ ➢ ➢ ➢ ➢ ➢

La utilización de acero con mejores propiedades magnéticas. Para el motor La reducción del entrehierro La reducción del espesor de la lamina El incremento en el calibre de los conductores La utilización de ventiladores y sistema de enfriamiento de más eficientes La utilización de mejores materiales de aislantes

El resultado ha sido el de disponer de motores con perdidas de hasta 45% menores que las de los motores estándar. Por ejemplo, la reducción del 30% en las perdidas de un motor de 10CP con 82% de eficiencia, incrementa su valor a un 87,4%. Por otro lado, los motores de alta eficiencia, a diferencia del estándar, mantiene su alto nivel de eficiencia en un amplio rango de carga. Esto se puede observar en la siguiente figura, en donde se demuestra que hay una diferencia de la eficiencia con la carga, entre motores estándar y de alta eficiencia. 4.2 comparación de la eficiencia de motores de 10 CP estándar y de alta eficiencia

Por supuesto la fabricación y el uso de materiales mas adecuados tiene un costo mas alto. Los motores de lata eficiencia tienen un precio de alrededor de un 20% mayor que sus similares estándar, pero como se podrá ver mas adelante, este sobreprecio puede ser recuperado en un periodo de tiempo “razonable”. Con los ahorros que se tiene al reducir el consumo de energía eléctrica. Con propósito de comparación, en la siguiente figura se muestran valores promedio de eficiencia en motores estándar y alta eficiencia. Se puede observar que entre mayor es la potencia del motor, la mejoría de la eficiencia se reduce. Los anteriores es debido a las mejoras técnicas que, en la fabricación de motores de gran capacidad se han venido aplicando desde hace varios años.

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4.3 Estimación de los ahorros con motores de alta eficiencia La selección apropiada de un motor eléctrico, debe considerar sus condiciones de operación, incluyendo las restricciones del medio ambiente, así como su costo inicial y de operación. Características de la alimentación eléctrica, requerimientos del par, ciclo de trabajo de la carga, tipo de armazón, etc., son algunos de los factores que deben ser tomados también en cuenta. El siguiente paso es evaluar el nivel de eficiencia deseado, para el uso de que se trate. En este caso, la elección de un motor de alta eficiencia puede considerarse como la mejor alternativa. Sin embargo, debido a su mayor costo inicial, comparado con un motor estándar de características similares, es importante hacer un análisis de los beneficios para asegurar que decisión sea viable. 5. AHORRO DE ENERGIA MEDIANTE MOTORES ELÉCTRICOS DE INDUCCION DE ALTA EFICIENCIA. 5.1. Motores eléctricos de alta eficiencia. Los motores eléctricos son los usuarios de mayor consumo de energía eléctrica en plantas industriales. Aproximadamente entre el 60 y 70 % del consumo de energía eléctrica de una industria corresponde a equipos electromotrices tales como ventiladores, bombas, compresores, bandas transportadoras, etc. Es evidente el gran impacto de los motores eléctricos en el consumo de energía en el sector industrial, por tanto, resalta la importancia de identificar y evaluar oportunidades de ahorro de energía en ellos. Sin embargo, es necesario determinar con precisión el estado energético actual de los mismos (factor de carga, eficiencia, factor de potencia, antigüedad, etc.) y conocer sistemas alternativos como son motores de alta eficiencia y variadores de frecuencia entre otros. 5.1.1. Pérdidas de energía y eficiencias. La función de un motor eléctrico es convertir la energía eléctrica en energía mecánica para realizar un trabajo útil. En la transformación una parte de la energía eléctrica tomada de la red se convierte en calor, constituyendo una pérdida inherente al motor, ver figura.

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Las pérdidas de un motor de inducción, pueden ser desglosadas en 5 principales áreas, cada una de estas depende del diseño y construcción del motor. Estas pérdidas se clasifican en aquellas que ocurren cuando el motor esta energizado y permanecen para un voltaje y velocidad dados, y las que se dan en función de la carga del motor.

5.1.2. Eficiencia. La eficiencia de un motor es la relación entre la potencia mecánica de salida y la potencia eléctrica de entrada. Este es el concepto más importante desde el punto de vista del consumo de energía y del costo de operación de un motor eléctrico. La eficiencia se puede expresar de las siguientes maneras: 𝒆𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 = 𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 =

𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑚𝑒𝑐𝑎𝑛𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎

𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑞𝑢𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 − 𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑞𝑢𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎

El valor más alto de eficiencia sería la unidad, si acaso las pérdidas fueran cero, como lo indica la segunda expresión. Por ello los fabricantes de motores están haciendo innovaciones tecnológicas tendientes a disminuir las pérdidas al máximo posible y lo están logrando con un diseño mejorado empleando materiales de alta calidad y un mejor proceso de fabricación. Conforme la eficiencia puede considerarse tres géneros de motores eléctricos: ➢ Motores de Eficiencia Estándar ➢ Motores de Alta Eficiencia ➢ Motores de Eficiencia Premium Los motores estándar no consideran la eficiencia como la principal cualidad, más bien privilegian la funcionalidad y precio, prácticamente los motores con más de 15 años podrían considerarse de eficiencia estándar. El concepto alta eficiencia surge en la década de los años noventa, como consecuencia de contrarrestar los altos precios de la energía y por la necesidad ya existente de hacer un uso eficiente y racional de la energía. La innovación de los Premium se da en la actual década con la pretensión de elevar aún más la eficiencia de los motores eléctricos, para ellos se ha perfeccionado el proceso de manufactura y se utilizan materiales muy superiores, ello acarrea que el diferencial en precio sea también más elevado. Para mejorar la eficiencia se deben disminuir las pérdidas en el motor, esto se logra con el cambio de diseño, materiales de alta calidad y un mejor proceso de fabricación. Los motores de alta eficiencia a determinada carga entregan mayor o igual cantidad de trabajo con menor consumo de energía que un motor estándar.

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Los motores eléctricos tienen la máxima eficiencia, cuando las pérdidas permanentes o fijas son casi iguales a las pérdidas variables. 5.2. Factor de Carga. La potencia nominal de un motor eléctrico indica la potencia mecánica de salida o en el eje que es capaz de entregar el motor, el factor de carga es un índice que indica la potencia que entrega el motor cuando se encuentra ya en operación con relación a la que puede entregar. Así un motor de potencia nominal 40 HP que trabaja entregando solo 20 HP, estará trabajando al 50%. 𝑓𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 =

𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑟𝑒𝑎𝑙 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑙𝑎𝑐𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟

Factor de servicio. El factor de servicio es un indicador de la capacidad de sobrecarga que puede soportar un motor eléctrico, como ejemplo el valor de 1.1 significa que el motor puede trabajar al 110%; sin embargo esto no quiere decir que tenga que trabajar continuamente a ese valor, el factor de servicio debe entenderse como una capacidad adicional que posiblemente se llegue a ocupar en muy raras ocasiones, de hecho los motores sobrecargados reciben mayor corriente eléctrica que la nominal, calentándose en mayor medida y reduciendo notablemente su vida útil, además de bajar la eficiencia de su operación. ➢ Potencia máxima en sobrecarga = Factor de Servicio x Potencia del Motor 5.3. Potencia adecuada del motor. En virtud de que la mayoría de los motores eléctricos presentan su mayor eficiencia al 75% de factor de carga, es conveniente que la elección de la potencia de un motor sea para que este trabaje al 75 % de carga. Así trabajará en el rango de alta eficiencia y tendrá un 25% de capacidad adicional para soportar mayores cargas de trabajo, evitando también el sobrecalentamiento del motor. La potencia del motor eléctrico la determina el equipo acoplado, que la indica en BHP, Brake Horse Power o Caballo de Potencia en la Flecha; supongamos que tenemos un ventilador que indica que la potencia que debe recibir es 15 BHP, la potencia de motor que debemos acoplar a este ventilador debe ser: 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 =

𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑛 𝑙𝑎 𝑓𝑙𝑒𝑐ℎ𝑎(𝐵𝐻𝑃) 15𝐵𝐻𝑃 = = 20𝐻𝑃 0.75 0.75

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5.4. El Par en Motores de Inducción. Existen varios tipos de motores, cada uno con características particulares que permiten obtener un servicio específico y particular, el par es uno de los factores que los caracteriza. El término par del motor se refiere al torque desarrollado por éste. El par motor se expresa y se mide en Newton por metro (Nm); un par de 20 Nm, es igual al esfuerzo de tracción de 20 Newtones, aplicado a un radio de un metro. Por otro lado, la potencia puede ser calculada si se conoce el torque requerido por el equipo, mediante la siguiente ecuación: 𝐻𝑃 =

𝑇𝑜𝑟𝑞𝑢𝑒 (𝑁𝑚)𝑅𝑃𝑀 𝑘

donde: K es constante, igual a 7,124 sí T está en Nm; y 5,250 sí T esta pie- libra. 5.4.1. Par a Plena Carga. El par a plena carga es el necesario para producir la potencia de diseño a la velocidad de plena carga. El par a plena carga de un motor es a la vez base de referencia, el par de arranque y el par máximo se comparan con él y se expresan en la forma de un cierto porcentaje del par a plena carga. 5.4.2. Par de Arranque. El par de arranque o a rotor bloqueado es el torque que el motor desarrolla cuando deja de estar parado. 5.4.3. Par Máximo. Es el máximo torque que desarrolla el motor, es usualmente expresado como un porcentaje del torque a plena carga. El par máximo de los motores ordinarios varía entre 1.5 y 3 veces del par de plena carga. La siguiente tabla indica cual es el tipo de diseño del motor y la aplicación. (Estándares de diseño eléctrico NEMA)

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6. GUÍA DE SELECCIÓN DE MOTORES DE ALTA EFICIENCIA 6.1 Definición inicial de compra Cuando se considera la posibilidad de compra de un nuevo motor eléctrico, el ingeniero responsable de la decisión debe valorar la rentabilidad económica de pagar un costo adicional por el motor de alta eficiencia frente al ahorro derivado de un menor consumo energético. Un aspecto principal en esta decisión es el tiempo de amortización de la inversión. Normalmente estas iniciativas de ahorro industrial consideran dos o tres años el periodo de tiempo necesario para reintegrar el dinero invertido. Para el especialista el criterio de operación que determina la idoneidad de una u otra elección es el número de horas de trabajo del motor. Los motores escasamente utilizados (por ejemplo, motores de accionamiento de válvulas de control) por baja potencia requerida y/o pocas horas de trabajo no serán candidatos a elegir para ser motores de alta eficiencia. Sin embargo, los que operen de tal forma que determinen un consumo energético elevado serán una buena oportunidad de instalar un motor de alta eficiencia. Considerando valores medios de carga del motor (75%), de mejora de eficiencia entre el motor estándar y el motor de alta eficiencia (entre el 2% al 5%), de costo de compra del motor, de periodo de amortización de tres años y del precio de la energía, puede indicarse que es interesante la compra de un motor de alta eficiencia en los siguientes casos: ➢ En los motores entre 10HP y 75HP cuando operan 2500 horas anuales o más. ➢ En los motores de potencias distintas a las anteriores (pequeños y grandes motores) cuando operan 4500 horas o más. 6.2 ¿Reparar o reemplazar? Cuando un motor falla se presentan tres alternativas: reparar el motor averiado, comprar un nuevo motor de eficiencia estándar o comprar un nuevo motor de alta eficiencia. La alternativa de reparación parece ser, a primera vista, la más oportuna por cuanto su costo es inferior a una nueva compra, sin embargo, está constatado que en la mayoría de las ocasiones el rebobinado de un motor conduce a una pérdida de rendimiento, en algunos casos importante, y adicionalmente una menor fiabilidad de funcionamiento, en cuanto que se disipa mayor calor y el motor soportará mayores exigencias. Todas estas variaciones en las pérdidas de potencia del motor son debidas a los calentamientos necesarios para retirar el bobinado dañado y a errores o modificaciones de dimensionamiento del tamaño del calibre del conductor y de topología del devanado. Estudios de General Electric sobre motores de 3 a 150 HP han determinado que las pérdidas se incrementan un 18%, es decir, que la eficiencia empeora entre 1,5% y 2,5%. La decisión de sustituir el motor averiado por un motor de alta eficiencia es compleja porque depende de varias variables, como el costo de reparación, la variación del rendimiento, el precio del nuevo motor, la eficiencia original del motor instalado, el factor de carga, las horas de operación anuales, el precio de la energía y el criterio de amortización. No obstante, indicaremos algunas claves en esta elección: ➢ Relacionarse con talleres de reparación calificados para la obtención de información fiable. ➢ Los motores menores de 40HP y más de 15 años de utilización, o también los motores menores de 15HP, son candidatos a ser reemplazados. ➢ Si el costo de rebobinado supera el 50% del costo de un motor nuevo, se deberá sustituir por uno nuevo 18

6.3

Motores poco cargados o sobrecargados Los motores industriales no suelen funcionar a plena carga, pruebas de campo de la California Energy Commission llevadas a cabo. en cuatro plantas industriales nos indican que por término medio los motores eléctricos operan al 60% de su carga asignada. Es común que las industrias instalen motores de mayor potencia a la requerida por varias razones prácticas: ➢ ➢ ➢ ➢ ➢

Prevención indirecta de fallos en procesos críticos. Desconocimiento de la carga real del motor en la elección de éste. Previsión de futuras ampliaciones productivas. Por reducciones posteriores de producción. Por sustitución de un motor previamente fallido que era de menor potencia.

En cuanto a los motores poco cargados, debe advertirse que no siempre su eficiencia es menor, excepto cuando la carga sea acentuadamente pequeña (menor del 25%) Por ello, cuando la carga supera el 50% no se pueden dar recomendaciones simples de sustitución de estos motores. En todo caso su factor de potencia es menor y esto afecta a las pérdidas en la distribución eléctrica Los costos extra indeseables de estos motores son: mayor costo de adquisición del motor y su equipamiento y mayor costo de consumo energético por la reducción de la eficiencia del motor y el sistema eléctrico (factor de potencia) En muchas ocasiones resulta económicamente interesante sustituir un motor poco cargado por un motor de alta eficiencia o incluso por un motor de eficiencia normal. 7. VENTAJAS, LIMITACIONES Y APLICABILIDAD DE LOS MOTORES DE ALTA EFICIENCIA 7.1 Ventajas ➢ El hecho de que se tenga una eficiencia mayor significa que se disminuye los costos de operación del motor y se puede recuperar la inversión adicional en un tiempo razonable, sobre todo si se opera a una carga cercana a la potencia nominal. Recuerde que en un año el costo de la energía es aproximadamente seis veces el costo de compra del motor. ➢ Los motores de alta eficiencia poseen generalmente un menor deslizamiento (mayor velocidad de operación) que los motores de eficiencia estándar, debido a los cambios que se producen en los parámetros del motor. La mayor velocidad puede ser ventajosa en muchos casos, pues mejora la ventilación. ➢ Los motores de alta eficiencia son normalmente más robustos y mejor construidos que los motores estándar, lo que traduce en menores gastos en mantenimiento y mayor tiempo de vida. 7.2 Limitaciones ➢ El hecho de que los motores de alta eficiencia operan a una velocidad mayor, puede ocasionar un incremento en la carga, sobre todo cuando se accionan ventiladores o bombas centrífugas, este hecho debe valorarse en cada situación. ➢ El momento de arranque y el momento máximo son en algunos diseños ligeramente mayores y en otros ligeramente menores, por lo tanto, es necesario analizar detalladamente en cada aplicación. ➢ La corriente de arranque suele ser mayor. Esto puede provocar que se sobrepasen los límites máximos de caída de voltaje en la red. También puede influir en la capacidad de los equipos de maniobra, aunque muchas veces se puede operar con los mismos que se 19

usan con los motores estándar y en ocasiones sólo resulta necesario cambiar los elementos térmicos. ➢ La corriente transitoria en el arranque, que tiene su máximo en el primer medio ciclo, se incrementa debido a la tendencia a un mayor valor de la relación X/R. Aunque esta corriente puede no afectar el tamaño del arrancador, si se afecta el disparo instantáneo del interruptor del motor, por lo que hay que buscar un compromiso entre la coordinación del interruptor y los disparos del arranque. ➢ El factor de potencia del motor puede ser menor que un motor estándar. Un estudio reciente realizado por Bonnett (1997) encontró que los motores de alta eficiencia construidos en USA, en el intervalo de 3 a 10 HP tienen un factor de potencia mayor que los estándares, inferior en el intervalo de 15 a 40 HP, aproximadamente igual de 50 a 100 HP y de nuevo menor de 125 HP en adelante. 6.3. Aplicabilidad. ➢ Los motores de alta eficiencia pueden aplicarse favorablemente en los siguientes casos: ➢ Cuando el motor opera a una carga constante y muy cerca del punto de operación nominal. ➢ Cuando se usan para reemplazar a motores sobredimensionados. ➢ Cuando se aplican conjuntamente con Variadores electrónicos de frecuencia (Variable Frecuency Drives) para accionar bombas y ventiladores, pueden lograr ahorros de hasta más del 50% de la energía. ➢ Como parte de un Programa de Uso eficiente de la Energía Eléctrica. ➢ En instalaciones nuevas. El ahorro de dinero al aplicar un motor de alta eficiencia se puede calcular usando la siguiente ecuación: 𝑺 = 𝟎. 𝟕𝟒𝟔 𝑯𝑷 𝑳𝑪 𝑻 (

𝟏𝟎𝟎 𝟏𝟎𝟎 − ) 𝑬𝑨 𝑬𝑩

Donde: S: ahorro en pesos por año HP: potencia de placa en HP L: porcentaje de carga del motor respecto a la potencia nominal C: costo de la energía en pesos por KWh T: tiempo de funcionamiento del motor en horas por año EA: eficiencia del motor estándar EB: eficiencia del motor de alta eficiencia 8. CONCLUSIONES Este artículo presenta un esbozo histórico del desarrollo de los motores de alta eficiencia, además presenta un enfoque conceptual de las características físicas que lo distinguen de motores estándar, a la luz de lo cual podemos enunciar que los motores de alta eficiencia son motores de construcción especial que cumplen con eficiencias mínimas dadas en la legislación cada país como el EPACT92 en USA. 20

Si bien es cierto que los motores eléctricos de alta eficiencia son una alternativa importante para el uso eficiente de la energía eléctrica, su aplicación indiscriminada puede ocasionar la presencia de problemas de arranque o de sobre costo innecesarios. Por lo que es importante conocer sus características electromecánicas, ventajas, limitaciones, para analizar la pertinencia de su aplicación en cada caso. El desconocimiento de las características electromecánicas de los motores de alta eficiencia ha llevado a que los ingenieros y técnicos se formen conceptos errados sobre este tipo de motores, estos conceptos son desmitificados en el Anexo de este artículo. 9. BIBLIOGRACIA ➢ Andreas John C. ENERGY-EFFICIENT ELECTRIC MOTORS. Second Edition. Copyrigh Marcel Dekker, Inc. New York, USA 1992. ➢ Bonnett Austin QUALITY AND RELIABILITY OF ENERGY-EFFICIENT MOTORS. IEEE Industry Applications Magazine. January/February. USA. ➢ 1997 Electrical Apparatus Service Association, Inc. UNDERSTANDING ENERGY EFFICIENT MOTORS. Copyright Electrical Apparatus Service Association, Inc.St. Louis. MO. USA. ➢ 1999. NEMA Standars Publication MG 1.1997 MOTORS AND GENERATORS. National ➢ books.google.com.pe/books?id=ewrmHThYQIUC&pg=SA6PA28&dq=Motores+de+alta+eficiencia&hl ➢ repositorio.unican.es/xmlui/bitstream/handle/10902/1936/Motores%20eléctricos.pdf ?sequence=1 ➢ EficienciaEnergetica/FIDE/004%20Módulo%20IV%20(AEE%20Motores%20de%20Induc ción).pdf

10.ANEXO a. Ejemplo 1 Se realizaron mediciones de voltaje entre fases y se obtuvieron los siguientes valores 462, 463 y 455 Volts, la eficiencia del motor antes de ajustes es de 87.91%. Con el desbalanceo actual determine la eficiencia real del motor. El voltaje promedio = (462 + 463 + 455) / 3 = 460 Volts. La máxima diferencia entre voltaje de línea y el promedio se determina de la siguiente manera: %Desbalance de Voltaje = ((460 - 455) / 460) x 100 = 1.1% De acuerdo a la curva se tiene un factor de ajuste de 0.98 por tanto la eficiencia real se determina como sigue: Eficiencia real = 87.91 x (0.98) = 86.15%. b. Ejemplo 2 Se realizaron mediciones de voltaje entre fases y se obtuvieron los siguientes valores 450, 454 y 445 Volts, la eficiencia del motor antes de ajustes es de 85.9%. Con el desbalanceo actual determine la eficiencia real del motor. Sustitución de un motor estándar por otro de alta eficiencia.

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La siguiente gráfica presenta las curvas de eficiencia en función del factor de carga para 6 motores eléctricos de 1800 rpm. Las curvas superiores corresponden a motores de alta eficiencia de 20, 30 y 40 Hp, las otras tres curvas son de motores estándar de las mismas potencias.

La potencia eléctrica que demande un motor está totalmente relacionada con la eficiencia del mismo y con el factor de carga. 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑚𝑎𝑛𝑑𝑎𝑑𝑎 =

𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎

De tal manera que al mejorar la eficiencia del motor la demanda eléctrica para la misma operación disminuye. Observando la gráfica anterior resulta que es factible el sustituir motores estándar por motores de alta eficiencia bajo las siguientes circunstancias. ➢ Aplicación de Motores de Alta Eficiencia de Menor Tamaño. Cuando el motor estándar está trabajando con bajo factor de carga. ➢ Aplicación de Motores de Alta Eficiencia del Mismo Tamaño. Cuando el motor estándar está trabajando con un factor de carga entre 60 y 90%. ➢ Aplicación de Motores de Alta Eficiencia de Mayor Tamaño. Cuando el motor estándar está trabajando con un factor de carga mayor al 95%. En todos los casos de sustitución deben tomarse muy en serio las condiciones de arranque y tipo de motor requerido. Por otro lado, la sustitución debe estar avalada por un estudio minucioso de las condiciones de operación del motor, en el que se investigue sobre todos los parámetros eléctricos que alimentan al motor, sobre todo debe tenerse principal precaución en medir el factor de potencia por cada fase ya que una medición simple de corrientes puede llevar a resultados aberrantes. Otras alternativas de ahorro en motores son: ➢ La reubicación de motores procurando aprovechar al máximo la eficiencia. El factor de carga óptimo para motores estándar se ubica en un rango del 65 al 85%, de tal manera que los motores que se encuentren más lejanos de este rango son candidatos a ser aprovechados en otros puntos de aplicación, donde operen en mejor forma.

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➢ Mejorar sus condiciones de alimentación eléctrica. Como son el desbalanceo de fases, las variaciones de voltaje, los sistemas sin tierra o mal aterrizados y el bajo factor de potencia. c. Ejemplo. 3 Una bomba de solventes de una industria papelera cuenta con un motor de 40 HP, el cual trabaja las 24 horas del día todos los días del mes. Las mediciones realizadas en un diagnóstico energético indican que la potencia que demanda es de 18.18 kW. Se analizo su sustitución por un motor de alta eficiencia de 30 HP y los resultados son los siguientes:

El reemplazo conduce a un ahorro de 2.15 kW y 1,548 kWh. Los resultados económicos indican un ahorro al año de $8,449, el costo de adquisición del equipo es de $13,440 que se recuperan con los mismos ahorros en 1.6 años.

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