Eficiencia De Motores Eléctricos

EFICIENCIA ENERGÉTICA EN MOTORES ELÉCTRICOS

1. TIPOS Y APLICACIONES

Los motores asíncronos (MA) son máquinas eléctricas, las cuales han tenido

mayor aplicación en la industria y artefactos electrodomésticos. Estas máquinas

son los principales convertidores de energía eléctrica en mecánica (actualmente

los MA consumen casi la mitad de la energía eléctrica generada). Su uso es,

principalmente, en calidad de mando eléctrico en la mayoría de los mecanismos,

ello se justifica por la sencillez de su fabricación, su alta confiabilidad y un alto

valor de eficiencia.

Hay 2 tipos de MA; los de rotor de jaula de ardilla y los de rotor de anillos

rozantes.

2. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

Fig.1.

En el MA se tiene 2 devanados, uno se coloca en el estator y el otro en el rotor.

Entre el estator y rotor se tiene un entrehierro, cuya longitud se trata de, en lo

posible, hacerlo pequeño (s = 0.1 - 0.3 mm), con lo que se logra mejorar el acople

magnético entre los devanados.

A v

R

S

T

V

Bobinas de

Estator

Rotor

Eje del

Rotor

Red

Trifásica

El devanado del estator puede ser monofásico o trifásico (en caso general

polifásico). En lo sucesivo se analiza el motor trifásico, cuyas bobinas se colocan

en las ranuras interiores del estator. Las fases del devanado del estator AX, BY,

CZ se conectan en tipo estrella Y o triángulo Δ, cuyos bornes son conectados a la

red.

El devanado del rotor también es trifásico (o polifásico) y se coloca en la

superficie del cilindro. En el caso simple se une en corto circuito.

Cuando el devanado del estator es alimentado por una corriente trifásica, se

induce un campo magnético giratorio, cuya velocidad (síncrona) es:

60 f1

n1 =

p

Si el rotor está en reposo o su velocidad n < nsinc, entonces el campo magnético

giratorio traspasa los conductores del devanado rotórico e inducen en ellos una

f.e.m. En el gráfico siguiente se muestra por la regla de la mano derecha, la

dirección de la f.e.m. inducida en los conductores del rotor cuando el flujo

magnético gira en sentido contrario. La componente activa de la corriente Irot se

encuentra en fase con la f.e.m. inducida.

Sobre los conductores con corriente, empleados en el campo magnético, actúan

fuerzas electromagnéticas cuya dirección se determina por la regla de la mano

izquierda; estas fuerzas crean un Melmagn que arrastra al rotor tras el campo

magnético. Si este Melmagn es lo suficientemente grande entonces el rotor va a

girar y su velocidad n2 va a corresponder a la igualdad.

Melmagn est = M freno rot.

Este es el funcionamiento de la máquina en régimen de motor y es evidente en

este caso.

0 ≤ n2 < n1

A la diferencia de velocidades entre el campo magnético y el rotor se le llama

deslizamiento y se representa por el símbolo s.

n1 - n2

s =

n1

De donde se deduce que en el régimen de motor

0 < s ≤ 1

En generador : s > 0

En frenado electromagnético s > 1

La principal característica de las MA es la presencia del deslizamiento s, ósea la

desigualdad de velocidades entre el campo del estator y la velocidad del rotor

n2 ≠ n1.

3. DIAGRAMA ENERGÉTICO DEL MOTOR ELÉCTRICO

Cuando el motor está en funcionamiento, el estator se alimenta de la red y

absorbe una potencia:

P1 = m1.V1.I1.cosϕ1

Parte de la P1 se consume (disipa) en la resistencia R del devanado del estator

ocasionando una pérdida eléctrica ΔPel, así como una pérdida magnética en el

campo del estator ΔPmag , deduciendo dichas componentes, al rotor se le aplica

una potencia electromagnética, que se expresa mediante la siguiente ecuación de

balance energético:

Pelmag = P1 - ΔPel1 - ΔPmag

Parte de esta potencia se disipa en cubrir las pérdidas eléctricas del rotor ΔPel2

en su devanado, la potencia resultante es aquella que va a ser convertida en

potencia mecánica, expresado por:

Pmec = Pelmag - ΔPel2

En las máquinas de anillos rozantes, además se tienen pérdidas en las escobillas

de contacto, las cuales se añades a la pérdida ΔPel2.

La potencia mecánica obtenida en el árbol del eje del rotor, se obtiene luego de

vencer su inercia y otras pérdidas adicionales, obteniéndose una potencia P2 :

P2 = Pmec - ΔPfric - ΔPadic

Pérdidas: ΔPel est + ΔPadic Δ Pel rot ΔPfric + ΔPadic

Eje del

Motor

Red P1

Trifásica

PElmag Pmec P2

4. RELACIÓN ENTRE EFICIENCIA (η) Y DESLIZAMIENTO (s) EN

MOTORES

Para definir la relación entre la Eficiencia η y el Deslizamiento s en los motores,

se analiza la eficiencia mediante la relación:

P2 Pelmag P2

η = = ( ).( ) = η1η2

P1 P1 Pelmag

donde η1 y η2 - eficiencias del estator y del rotor

Teniendo en cuenta:

P2 Pelmag - ΔPel2 - ΔPfric - ΔPadic

η2 = =

Pelmag Pelmag

entonces es válida la siguiente relación:

Pelmag - ΔPel2 1 - ΔPel2

η2 < < < (1 - s)

Pelmag Pelmag

Por lo tanto:

η < η2 < ( 1 - s)

Del análisis realizado se puede concluir con lo siguiente:

Para que un motor funcione en su régimen nominal con una alta eficiencia, es

necesario que en este régimen se tenga un deslizamiento s de pequeña

magnitud. Por lo general snom = 0.01 - 0.06, para ello el devanado del rotor lo

diseñan de tal forma que tenga una resistencia óhmica pequeña.

5. DATOS NOMINALES DE LOS MOTORES ELÉCTRICOS

Potencia, kW ó HP

Tensión de servicio, kV ó V

Frecuencia, Hz

Velocidad nominal, r.p.m.

Corriente nominal, Amp.

Corriente de arranque. Amp.

Factor de potencia, cos ϕ

Eficiencia, η %

6. SISTEMA DE FUERZA

En una planta industrial, se denomina sistema de fuerza al conjunto de todos los

equipos e instalaciones que tiene por objeto realizar un trabajo mecánico y/o de

producción. El equipo eléctrico que puede realizar trabajo mecánico es el motor

eléctrico, y por lo tanto son estos equipos los principales dentro del proceso de

producción. El sistema de fuerza a su vez, en una planta es alimentado con energía

desde una subestación de distribución del servicio público de electricidad. De lo

sucintamente descrito se observan la importancia de las máquinas eléctricas en la

industria.

Cabe señalar que los sistemas de refrigeración y calefacción también forman parte

del sistema de fuerza en una instalación eléctrica de tipo industrial.

En el caso de los sistemas de uso residencial - comercial, el sistema de fuerza está

conformado por los circuitos principales de iluminación, aire acondicionado y

sistemas auxiliares (bombas, ascensores, etc.)

Sólo con esta condición en el rotor se va a inducir la f.e.m. y va a surgir un momento

Melmag .funcionando.

El devanado rotor se intercepta con el flujo Φ, originando un deslizamiento ns = n1 -

n2

la fuerza de la f.e.m.

F2 = F1 S

6.1 VARIADORES DE VELOCIDAD

Los controladores de frecuencia variable son dispositivos complejos y hasta hace

poco eran costosos. Sin embargo, trabajan con motores estándar lo cual permiten

su fácil adición a unidades motrices existentes. Varios tipos de ventiladores

(enfriadores de aire, torres de enfriamiento, ventilación y aire acondicionado, etc.)

operan a velocidad variable mediante sistemas de variación de velocidad.

Los sistemas de variación de velocidad alteran la velocidad del motor cambiando el

voltaje y la frecuencia de la electricidad suministrada al motor en base a los

requerimientos del sistema. Esto se logra convirtiendo corriente alterna en continua,

y luego de múltiples mecanismos de cambio, invirtiendo la corriente continua a

corriente alterna sintética con voltaje y frecuencia controlados. Si este proceso es

realizado en forma apropiada, la velocidad del motor puede ser controlada en un

rango amplio (desde cero RPM hasta el doble de la velocidad nominal) con las

características de torque apropiadas para la aplicación.

Para mantener un factor de potencia apropiado y reducir calentamiento excesivo del

motor, debe mantenerse el ratio de voltaje/frecuencia original. Esta es la función

principal del variador de velocidad. Los cuatro componentes principales que hacen

posible la operación de los variadores de velocidad son: convertidor, inversor,

circuito de corriente continua (que sirve de enlace entre ambos), y la unidad de

control, tal como se muestra en la Fig. 1.

El convertidor contiene un rectificador y varios circuitos que convierten la frecuencia

fija de corriente alterna en continua. El inversor convierte la corriente continua en

corriente alterna de voltaje y frecuencia regulables (ambos deben ser regulables

para poder mantener ratios de voltaje/frecuencia constante). Los circuitos de

corriente continua filtran la corriente y la conducen al inversor. La unidad de control

regula el voltaje y la frecuencia de salida en base a la señal proveniente del proceso

(ej. sensor de presión). Los tipos principales de inversor son inversores de voltaje,

inversores de corriente e inversores de modulación de pulsos.

FIG.1

APLICACIONES

Los sistemas de variación de velocidad ofrecen varios beneficios en términos de

ahorro de energía, el cual es logrado mediante la eliminación de pérdidas debido a

estrangulamiento, rendimiento y fricción. La aplicación de un sistema de variación de

velocidad depende fundamentalmente de la carga y requiere de un sólido

conocimiento de las características de la carga para su aplicación exitosa. El tipo de

carga (torque constante, torque variable, potencia constante) debe ser determinado

así como la fracción de tiempo que el sistema opera (o podría operar) por debajo de

la velocidad nominal.

6.2 REDUCCIÓN DE NÚMERO DE BOMBAS

- Variación de caudal con dos motores de potencias diferentes

- Equipar el más grande con variador

- Parar un sistema

- Ahorro de un consumo de un motor

M

Variador de

Frecuencia

Tanque

Elevado

f1 f2

M

7. GUÍA PRÁCTICA DE CÁLCULO: MOTORES ELÉCTRICOS

(Fuente: OLADE – ICAITI)

7.1 POTENCIAS PARA MÁQUINAS

A. POTENCIA PARA EL MOTOR QUE ACCIONA UNA BOMBA

P = Q . d . h/η P- potencia en kW

Q- caudal en m3/S

d- peso específico en N/dm3

h- altura de la elevación en m

η- rendimiento mecánico

B. POTENCIA PARA ELEVACIÓN DE AGUA

P = Q . h/75η P- potencia en CV

Q- caudal en m3/s

h- altura de la elevación en m

η - rendimiento mecánico

C. POTENCIAS PARA MÁQUINAS DIVERSAS (Orientativas)

a) Máquinas herramientas para metales

- Torno revolver ................................................... 3 a 20

- Torno paralelo .................................................... 3 a 45

- Torno automático ............................................... 1 a 15

- Fresadora ............................................................ 1 a 25

- Rectificadora ...................................................... 1 a 30

- Martillos pilón .................................................. 10 a 100

- Cizallas ............................................................... 1 a 40

- Máquinas de cortar y roscar ............................... 1 a 20

- Taladradoras verticales ....................................... 1 a 10

- Taladradoras radiales ......................................... 10 a 40

- Mandrinadoras ................................................... 10 a 30

b) Industria de la construcción

- Hormigoneras ...................................................... 3 a 6

- Muela, perforadoras, sierras ................................ 1 a 3

- Cintas transportadoras ......................................... 2 a 5

c) Máquinas para trabajar madera

- Sierra de cinta .........…....................................…... 0.5 a 6

- Sierra circular ...................................................…...2 a 6

- Taladradoras ..................................…......................2 a 4

- Cepilladoras ...........................................................20.75

- Tornos ...................................................................1 a 15

d) Máquinas agrícolas

- Empacadoras de paja .............................................. 2 a 5

- Trilladoras ...............................................................7 a 15

- Centrifugadoras de leche .......….…........................0.5 a 3

- Elevadores de granos ...............................................1 a 3

- Elevadores de sacos ....................….........................1 a 3

- Limpiadores de grano ..............................................1 a 3

D. POTENCIA DE UN MOTOR PARA MECANISMOS DE ELEVACIÓN

P = F . v/1,000 . η Potencia - potencia mínima del motor en kW

F - fuerza resistente a la marcha en N

F = m . g v - velocidad en m/s

η - rendimiento mecánico

g - aceleración (9.81)

E. POTENCIA DE UN MOTOR PARA UN MECANISMO GIRATORIO

P= M . n/9,550 . η

P- Potencia mínima del motor en kW

M- par de giro en Nm

n - revoluciones por min-1

F. POTENCIA DE UN MOTOR PARA EL ACCIONAMIENTO DE GRÚAS CON

ACCIONAMIENTO UNILATERAL DEL CARRO

P= P1 . mg + 2 (mc + mcar) / Σm

P- potencia en kW

P1 - potencia mínima necesaria en kW

mg - masa de la grúa en Kg

mc - masa del carro en Kg

mcar - masa de la carga en Kg

G. POTENCIA DE UN MOTOR PARA MECÁNICO DE TRASLACIÓN

P = F . w . v/2π. 9,550 . η

P- potencia en kW

F- peso total en N

w- Resistencia de traslación 0.007 cojinetes de rodillo 0.020 de fricción

v- velocidad de traslación en m x min-1

η - rendimiento mecánico

H. POTENCIA DE UN MOTOR PARA UN ASCENSOR

P=1/2 . f . v/1,000 . η

P – potencia en kW

F- fuerza en N

v- velocidad en m/s

η- rendimiento mecánico

En ascensores y montacargas, el

peso de la cabina y la mitad de la

carga útil queda compensado por el

contrapeso

I. POTENCIA DE UN MOTOR PARA MECANISMOS DE ELEVACIÓN

P= F . v/1,000 . η

Esta fórmula es igual a la anterior, suprimiendo 1/2 por los conceptos de peso de la

cabina y la mitad de la carga útil.

J. POTENCIA ABSORBIDA POR UN VENTILADOR

P= Q . P . 9.81/1,000 . η

P - potencia en kW

Q - caudal en m3 /s

P - presión en mm c.d.a. (columna de agua)

η - rendimiento mecánico

K. POTENCIAS PARA MOTORES

1) Potencia necesaria en una máquina

P= M . n/9,550 . ηm

P = FD . v/1,000 ηm

P - potencia en kW

M - par de giro de la máquina en Nm

N - número de revoluciones por minuto

ηm - rendimiento de la máquina

F - fuerza (peso, fricción) en N

V - velocidad en m/s

2) Potencia absorbida por una motor

trifásico

P1 = √ 3 . V . I . cosφ

P2 = √3 . V . I . cosφ/735

P3 = √3 . V . I . cosφ/ 1,000

P1 - en W

P2 - en CV

P3 - en kW

V – tensión nominal en V

I – intensidad nominal en A

cosφ - factor de potencia

3) Potencia desarrollada por un motor

trifásico

P = √3 . V . I . cosφ. η / 1,000 P- en kW

η- rendimiento del motor a la potencia nominal

4) Potencia absorbida por un motor de

corriente

continua

P = V . 1

P1 = V . I/1,000

P - en W

V – tensión de inducido en V

I – intensidad nominal en A

P1 - en kW

5) Potencia absorbida por un motor

monofásico de corriente alterna

P = V . I . cosφ

P1 = V . I . cosφ/ 1,000

P - en W

P1 - en kW

6) Equivalencias

ICV = 736 W (735,4987 W)

IHP = 746 W (745,6999 W), caballo de vapor

Inglés

1kW = 1,36 CV

I MW = 106 W =1,000 kW

7.2. CARACTERÍSTICAS QUE DEFINEN UN MOTOR

1. Tensión (V)

Monofásica, trifásica, corriente contínua,

con diferentes valores (220V, 380V, 500V)

2. Potencia (kW)

En función a la potencia y tensión vendrá dada

la intensidad (A)

3. Frecuencia (Hz)

En Europa, 50 Hz. En América, 60 Hz.

4. Velocidad (n)

Dependerá de la polaridad del motor y

Frecuencia de la red.

5. Nivel de protección del motor (IP--)

6. Forma constructiva

7. Clase de aislamiento (Y...c).

8. Factor de potencia (cosΙ)

9. Tipo de servicio (S1...S7).

10. Ejecución de la caja de bornas.

11. Características particulares del motor, además de las

generales dadas por el constructor.

12. Dimensionado del motor y peso.

13. Diagramas de par, velocidad, consumos.

14. Ensayos particulares, cuando se trata de motores

especiales, no incluidos en el catálogo general del

fabricante.

A continuación se estudian las principales características de los motores con

carácter general y también particular atendiendo al tipo de motor de que se trate:

Tensión (V) Tensiones trifásicas normalizadas a la frecuencia de 50 Hz: 127 V, 220

V, 380 V, 500 V, 1000 V, 3000 V, 15,000 V, 30,000 V, 45,000 V, 66,000 V, etc. De

50 V a 500 V - Tensión usual. De 500 V a 1000 V - Tensión especial. Las tensiones

inferiores a 1,000 V en c.a. se consideran de baja tensión (B.T). Los motores más

usados se alimentan en B.T.

En función a la tensión que se dispone en la red, se pedirá el motor, atendiendo

principalmente a su forma de conexión.

Para motores con dos tensiones (λ- Δ). La tensión menor corresponde a la conexión

triángulo (Δ) y la tensión mayor a la conexión estrella ( λ) . Las fases del motor

deben soportar la misma tensión, tanto que se conecte el motor en estrella, como en

triángulo.

Sea por ejemplo un motor en cuya placa de características se lee V = 220/380 V.

- Con red de 220 V
conexión triángulo (Δ). Vf = VL = 220 V

- Con red de 380 V
conexión estrella (λ). Vf = VL / √ 3 = 380/ √ 3 = 220 V.

- La mínima tensión, 220 V, corresponde a la tensión a que deben trabajar las

fases del motor

A los motores en general se pide que suministren la potencia señalada en la placa

de características, aunque la tensión difiera en más o menos 5% de su valor

nominal.

Una disminución de tensión lleva consigo un aumento de la intensidad necesaria

para conseguir la potencia nominal a la vez que una mejora del factor de potencia y

un aumento del deslizamiento. El calentamiento también será mayor.

Potencia: La potencia de un motor viene dada en kW o en CV (caballo de vapor).

I kW = 1,000 W 1 HP = 746 W 1 CV = 736 W

Frecuencia (F)

En los suministros de energía eléctrica las variaciones de frecuencia están

comprendidas en + 1% de variación. Se suele dar el caso de utilizar motores de 380

V a 50 Hz en redes de 440 V a 60 Hz. La tensión se debería incrementar en un 20%

al pasar de 50 a 60 Hz. Si aplicamos la tolerancia de + 5% para tensión, 440 V

estaría comprendida en dicha tolerancia (-3.5%). El motor incrementaría su potencia

un 20%, como consecuencia del aumento de velocidad en una 20%, al pasar de 50

a 60 Hz.

7.3 RETORNO DE INVERSIÓN CON MOTORES EFICIENTES

EJEMPLO NÚMERO UNO

Un motor grande 200 hp, 1800 rpm (460volts) que opera casi continuamente, en un ambiente

industrial a carga completa.

Ciclo de funcionamiento: 8,000 horas por año):

Motor standard Motor de alta

Eficiencia

Eficiencia 92.4% 96.2%

Potencia de salida (0.7457.kW/hp) 149.1kW 149.1 kW

Potencia de entrada 161.4kW 155.0kW

Pérdida a una carga del 100% 12.3kW 5.9kW

Ahorros de potencia 6.4kW

Costo mayor del motor $2.608

Ahorro de energía a una carga

Del 100%

51,200kWh por año

Ahorro en dólares a $0.0553 por kWh(*)

Recuperación

$2,831.36 por año

11 meses

El ahorro es permanente. Una vez recuperada la inversión, el ahorro continúa durante toda la vida útil

del motor.

EJEMPLO NÚMERO DOS

La recuperación es a corto plazo aun en el caso de un motor industrial mucho mas pequeño y por

consiguiente, menos eficiente, de 5hp, 1800 rpm( 460 volts) porque funciona a tiempo parcial

(aproximadamente 4,000 horas por año).

Motor standar Motor de alta

Eficiencia

Eficiencia 84.0% 89.5%

Potencia de salida 3.73kW 3.73kW

Potencia de entrada 4.44kW 4.17kW

Pérdida a una carga del 100% 0.71kW 0.44kW

Ahorros de energía 0.27kW

Costo mayor del motor $94.80

Ahorro de energía a una carga

Del 100%

$1,080kWh por año

Ahorro en dólares a $0.0553 por kWh(*)

Recuperación

$59.72 por año

1 años 7 meses

Fuente: Copper Development Associación Inc. (Asociación de Desarrollo del Cobre)

Publicación de PROCOBRE - Perú

(*) Precio medio del Sector Industrial a Diciembre de 1998

Fuente: Boletín Nº 1, Noviembre 1999, Dirección General de Electricidad

8. RECOMENDACIONES PARA MEJORAR EL USO DE MOTORES

ELÉCTRICOS

8.1 APLICACIONES DE LOS MOTORES

- Sistemas de bombeo.

- Sistemas de ascensores.

- Sistemas de ventilación.

- Sistemas de aire acondicionado.

8.2 MEJORAS EN LOS MOTORES

- Mejorar la tensión de alimentación.

- Reemplazo por otros de mayor eficiencia.

- Alternancia de uso en caso de ascensores.

- Optimización en sistemas de bombeo.

- Compensación reactiva en todos los casos.

- Uso de variadores de velocidad.

8.3 MEJORAS EN SISTEMAS DE BOMBEO

- Cambio de válvulas y tuberías en el sistema sanitario.

- Reducción de horas de uso de las bombas.

- Reemplazo y Utilización de motores de alta eficiencia.

- Adecuación de motores a la capacidad de trabajo.

- Evitar accionamientos sobredimensionados.

- Programación en el arranque de los motores.

8.4 MEJORAS EN ASCENSORES

- Alternancia en el uso de ascensores, exclusivo para servicio a pisos pares e

impares.

- Utilización y aplicación de arrancadores de estado sólido.

- Aplicaciones de variadores de velocidad.

...