EFICIENCIA ENERGÉTICA EN MOTORES ELÉCTRICOS

Transcripción

1 UME

2 ELABORADO OR: UNIVERSIDAD DEL ATLÁNTICO GRUO DE GESTIÓN EFICIENTE DE ENERGÍA, KAI: DR. JUAN CARLOS CAMOS AVELLA, INVESTIGADOR RINCIAL. MSC. EDGAR LORA FIGUEROA, COINVESTIGADOR. MSC. LOURDES MERIÑO STAND, COINVESTIGADOR. MSC. IVÁN TOVAR OSINO, COINVESTIGADOR. ING. ALFREDO NAVARRO GÓMEZ, AUXILIAR DE INVESTIGACIÓN. UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE GRUO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍAS, GIEN: MSC. ENRIQUE CIRO QUISE OQUEÑA, COINVESTIGADOR. MSC. JUAN RICARDO VIDAL MEDINA, COINVESTIGADOR. MSC. YURI LÓEZ CASTRILLÓN, COINVESTIGADOR. ES. ROSAURA CASTRILLÓN MENDOZA, COINVESTIGADOR. ASESOR MSC. OMAR RIAS CAICEDO, COINVESTIGADOR. UN ROYECTO DE LA UNIDAD DE LANEACIÓN MINERO ENERGÉTICA DE COLOMBIA (UME) Y EL INSTITUTO COLOMBIANO ARA EL DESARROLLO DE LA CIENCIA Y LA TECNOLOGÍA. FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS (COLCIENCIAS).

3 CONTENIDO ág. 1. TIOS Y ALICACIONES RINCIIO DE FUNCIONAMIENTO DIAGRAMA ENERGÉTICO DEL MOTOR ELÉCTRICO RELACIÓN ENTRE EFICIENCIA ( ) Y DESLIZAMIENTO (S) EN MOTORES SISTEMAS DE FUERZA CÁLCULO DE OTENCIAS ARA MÁQUINAS CARACTERÍSTICAS QUE DEFINEN UN MOTOR RECOMENDACIONES ARA MEJORAR EL USO DE MOTORES ELÉCTRICOS SELECCIÓN CORRECTA DE LA OTENCIA DEL MOTOR MEJORAR LA CALIDAD DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA DE LA INSTALACIÓN Mantener los Niveles de Tensión cercano al Valor Nominal Minimizar el Desequilibrio de Tensiones Disminuir la Distorsión Armónica de la Red REDUCIR LA CARGA MECÁNICA SOBRE EL MOTOR Recomendaciones para Ahorrar Energía en Bombas y Ventiladores Recomendaciones para Ahorro de Energía en el Uso de Sistemas de Transmisión Mecánica USAR MOTORES ELÉCTRICOS DE ALTA EFICIENCIA Ventajas de los Motores de Alta Eficiencia Limitaciones de los Motores de Alta Eficiencia Recomendaciones para la Aplicación de Motores de Alta Eficiencia Evaluación Económica para la Aplicación de Motores de Alta Eficiencia USAR CONTROLADORES ELECTRÓNICOS DE VELOCIDAD Usando Troceadores de Tensión Usando Variadores Electrónicos de Velocidad USAR MÉTODOS DE MANTENIMIENTO CENTRADOS EN LA EFICIENCIA Evaluar la Eficiencia de los Motores Eléctricos en Sitio EFICIENCIA ENERGÉTICA EN MOTORES ELÉCTRICOS i

4 ág Reparación Eficiente de los Motores Eléctricos Remplazando los Motores en Lugar de Rebobinarlos CONCLUSIONES 27 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS.. 28 EFICIENCIA ENERGÉTICA EN MOTORES ELÉCTRICOS ii

5 1. TIOS Y ALICACIONES Los motores de inducción 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 motores de inducción 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 motores de inducción; los de rotor de jaula de ardilla y los de rotor de anillos rozantes. En la siguiente tabla se muestra los Datos Nominales de los Motores Eléctricos. Tabla 1. Datos Nominales de los Motores Eléctricos DATOS UNIDADES otencia kw ó H Tensión de Servicio kv ó V Frecuencia Hz Corriente Nominal Amp. Corriente de Arranque Amp. Factor de otencia Cos Eficiencia % EFICIENCIA ENERGÉTICA EN MOTORES ELÉCTRICOS 1

6 2. RINCIIO DE FUNCIONAMIENTO El motor de inducción esta formado por dos sistemas de 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 ( mm), con lo que se logra mejorar el acople magnético entre los devanados. Figura 1. Motor de Inducción. Red Trifásica V R S T A v Bobinas de Estator Rotor Eje del Rotor 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, 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: n 1 60 f p 1 Si el rotor está en reposo o su velocidad n n sinc, entonces el campo magnético giratorio traspasa los conductores del devanado rotórico e inducen en ellos una Fem. or la regla de la mano derecha se puede deducir la dirección de la Fem., inducida en los conductores del rotor cuando el flujo magnético gira en sentido EFICIENCIA ENERGÉTICA EN MOTORES ELÉCTRICOS 2

7 contrario. La componente activa de la corriente I rot se encuentra en fase con la Fem., 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 Momento electromagnético, M Elmagn que arrastra al rotor tras el campo magnético. Si este M Elmagn es lo suficientemente grande entonces el rotor va a girar y su velocidad n 2 va a corresponder a la igualdad. M M ElmagnEst. Freno Rot. Este es el funcionamiento de la máquina en régimen de motor y es evidente en este caso. 0 n 2 n 1 A la diferencia de velocidades entre el campo magnético y el rotor se le llama deslizamiento y se representa por el símbolo s. s n 1 n 1 n 2 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 los motores de inducción es la presencia del deslizamiento s, ósea la desigualdad de velocidades entre el campo del estator y la velocidad del rotor n 2 n 1. EFICIENCIA ENERGÉTICA EN MOTORES ELÉCTRICOS 3

8 3. DIAGRAMA ENERGÉTICO DEL MOTOR ELÉCTRICO Cuando el motor está en funcionamiento, el estator se alimenta de la red y absorbe una potencia: 1 m1v 1I1 cos 1 arte de la 1 se consume (disipa) en la resistencia R del devanado del estator ocasionando una pérdida eléctrica e l, así como una pérdida magnética en el campo del estator Mag, deduciendo dichas componentes, al rotor se le aplica una potencia electromagnética, que se expresa mediante la siguiente ecuación de balance energético: Elmagn 1 e1 Mag arte de esta potencia se disipa en cubrir las pérdidas eléctricas del rotor e 2 en su devanado, la potencia resultante es aquella que va a ser convertida en potencia mecánica, expresado por: Mec Elmagn e 2 En las máquinas de anillos rozantes, además se tienen pérdidas en las escobillas de contacto, las cuales se añade a la pérdida e 2. 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 2 : 2 Mec Fric Adic Figura 2. Diagrama Energético en un motor eléctrico. ÉRDIDAS: e Est Adic Rot Fric Adic Red Trifásica 1 Elmag mec 2 Eje del Motor EFICIENCIA ENERGÉTICA EN MOTORES ELÉCTRICOS 4

9 4. RELACIÓN ENTRE EFICIENCIA ( ) Y DESLIZAMIENTO (S) EN MOTORES ara definir la relación entre la Eficiencia analiza la eficiencia mediante la relación: y el Deslizamiento s en los motores, se 2 1 Elmagn 1 2 Elmagn 1ºº 2 Donde 1 y 2: Eficiencias del estator y del rotor. Teniendo en cuenta: 2 2 Elmag 2 Elmagn e Elmagn Fric Adic Entonces es válida la siguiente relación: 2 Elmagn Elmagn e 2 1 e2 Elmagn 1 s or lo tanto: 2 (1 - s) Del análisis realizado se puede concluir con lo siguiente: ara 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. or lo general s nom = , para ello el devanado del rotor lo diseñan de tal forma que tenga una resistencia óhmica pequeña. EFICIENCIA ENERGÉTICA EN MOTORES ELÉCTRICOS 5

10 5. SISTEMAS 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.) EFICIENCIA ENERGÉTICA EN MOTORES ELÉCTRICOS 6

11 6. CÁLCULO DE OTENCIAS ARA MÁQUINAS a. otencia para el Motor que Acciona una Bomba. Q. d. donde: : otencia en kw. Q: Caudal en m 3 /s. d: eso específico en N/dm 3. h: Altura de la elevación en m. : Rendimiento mecánico. b. otencia para Elevación de Agua. h Q. 75 donde: : otencia en CV. Q: Caudal en m 3 /s. h: Altura de la elevación en m. : Rendimiento mecánico. c. otencias para Máquinas Diversas (rientativas). Máquinas Herramientas para Metales. h EQUIO OTENCIA Torno Revolver 3 a 20 Torno aralelo 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 EFICIENCIA ENERGÉTICA EN MOTORES ELÉCTRICOS 7

12 Industria de la Construcción. EQUIO OTENCIA Hormigoneras 3 a 6 Muela, perforadoras, sierras 1 a 3 Cintas transportadoras 2 a 5 Máquinas para trabajar Madera. EQUIO OTENCIA Máquinas Agrícolas. Sierra de cinta 0.5 a 6 Sierra circular 2 a 6 Taladradoras 2 a 4 Cepilladoras 20 a 75 Tornos 1 a 15 EQUIO OTENCIA 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. otencia de un Motor para Mecanismos de Elevación. v F donde: : otencia mínima del motor en kw. F: Fuerza resistente a la marcha en N (F= m. g). v: Velocidad en m/s. : Rendimiento mecánico. g: Aceleración, 9.81m/s 2. EFICIENCIA ENERGÉTICA EN MOTORES ELÉCTRICOS 8

13 e. otencia de un Motor para un Mecanismo Giratorio. N M. 9,550 donde: : otencia mínima del motor en kw. M: ar de giro en Nm. N: Revoluciones por min -1. f. otencia de un Motor para el Accionamiento de Grúas con Accionamiento Unilateral del Carro.. m m m c car 1 g 2 donde: : otencia en kw. 1 : otencia mínima necesaria en kw. m g : Masa de la grúa en Kg. m c : Masa del carro en Kg. m car : Masa de la carga en Kg. g. otencia de un Motor para Mecánico de Traslación. v mt. w. 2. 9,550 donde: : otencia en kw. m T : eso total en N. w: Resistencia de traslación cojinetes de rodillo de fricción. v: Velocidad de traslación en m x min -1. : Rendimiento mecánico. h. otencia de un Motor para un Ascensor. m donde: : otencia en kw. F: Fuerza en N v: Velocidad en m/s : Rendimiento mecánico. 1 v F. 2 1,000 En ascensores y montacargas, el peso de la cabina y la mitad de la carga útil quedan compensados por el contrapeso. EFICIENCIA ENERGÉTICA EN MOTORES ELÉCTRICOS 9

14 i. otencia Absorbida por un Ventilador 9,81 Q.r. 1,000 donde: : otencia en kw. Q: Caudal en m 3 /s : resión en mm de columna de agua. : Rendimiento mecánico. j. otencias para Motores. otencia necesaria en una Máquina. N M., 9,550 m v F. 1,000 m donde: : otencia en kw. M: ar de giro de la máquina en Nm. N: Número de revoluciones por minuto. m: Rendimiento de la máquina. F: Fuerza (peso, fricción) en N. otencia Absorbida por un Motor Trifásico 3. V..cos, 1 I donde: 1 : otencia en W. 2 : otencia en CV. 3 : otencia en kw. V: Tensión nominal en V. I: Intensidad nominal en A Cos : Factor de potencia V. I.cos, V..cos 1,000 3 I otencia Desarrollada por un motor Trifásico V. I.cos. 1,000 donde: : otencia en kw. : Rendimiento del motor a la potencia nominal. EFICIENCIA ENERGÉTICA EN MOTORES ELÉCTRICOS 10

15 otencia Absorbida por un Motor de Corriente Continua. V. I, donde: : otencia en W. V: Tensión de inducido en V. I: Intensidad nominal en A. 1 : otencia en kw. 1 I V. 1,000 otencia Absorbida por un Motor Monofásico de Corriente Alterna. V. I.cos, donde: : otencia en W. 1 : otencia en kw. V..cos 1,000 1 I Equivalencias. ICV = 736 W (735,4987 W) IH = 746 W (745,6999 W), caballo de vapor Ingles 1kW = 1,36 CV 1MW = 10 6 W =1,000 kw k. Valores Modificados para un Funcionamiento a 60 Hz. Los motores bobinados para 50 Hz pueden igualmente ser conectados a redes de 60 Hz. Las modificaciones de velocidad, potencia y para se indican en el cuadro siguiente: BOBINADO 50 HZ V V VELOCIDAD % OTENCIA % AR NOMINAL % AR ARRANQUE % Las fluctuaciones de tensión admisibles son del orden de + 5% a la potencia y frecuencia nominales. Los motores bitensión 220/380 V dan el 100% de potencia nominal a 220 V y alrededor del 85% a 380 V. EFICIENCIA ENERGÉTICA EN MOTORES ELÉCTRICOS 11

16 Intensidad Absorbida. La intensidad absorbida por un motor trifásico viene dada por la siguiente fórmula: donde: : otencia en kw. V: en voltios. I V. 3. cos Como norma general, se puede aplicar un consumo de 3 A tensiones de 220 V y motores pequeños y 2,3 A por CV para motores grandes. Cuando se trata de motores conectados a tensiones de 380 V (Vf= 380 V), el consumo es de 1,7 A por CV para motores pequeños y medianos y 1,3 por CV para motores grandes. El rendimiento y el factor de potencia varían con la carga. En todos los casos conviene disponer de las características del motor, entregadas por el fabricante. Velocidad (n) La velocidad de los motores depende del número de polos y de la frecuencia de la red. Seguidamente se señalan las frecuencias de sincronismo para frecuencia de 50 y 60 Hz, así como el cálculo de la velocidad sincrónica y asincrónica. 1. Velocidad sincrónica para motores a 50 y 60 Hz. 60 N f donde: N: Número de revoluciones por minuto. f: Frecuencia de la red en Hertz. : Número de par de polos del motor. Nº DE OLOS 50 HZ 60 HZ 2 polos 3,000 3,600 4 polos 1,500 1,800 6 polos 1,000 1,200 8 polos polos polos polos EFICIENCIA ENERGÉTICA EN MOTORES ELÉCTRICOS 12

17 2. Velocidad Asíncrona. La velocidad nominal del motor n M con potencia nominal, siempre es menor que la velocidad síncrona, cuando funciona como motor. La diferencia entre la velocidad síncrona n s, y la real es el deslizamiento y se define: S n S n S n N x 100% Si se trata de pequeños accionamientos, por ejemplo y de potencia de salida de accionamiento 15 kw, el deslizamiento es del 3% aproximadamente y en los motores de alta eficiencia el deslizamiento es del orden de 1%, lo que se refleja en sus bajas perdidas. La relación entre la velocidad del motor y el deslizamiento es: n ( 1 s ) N n S EFICIENCIA ENERGÉTICA EN MOTORES ELÉCTRICOS 13

18 7. CARACTERÍSTICAS QUE DEFINEN UN MOTOR Tensión (V): Monofásica, trifásica, corriente continua, con diferentes valores (220V, 380V, 500V). otencia (kw): En función a la potencia y tensión vendrá dada la intensidad (A). Frecuencia (Hz): En Europa, 50 Hz. En América, 60 Hz. Velocidad (n): Dependerá de la polaridad del motor y Frecuencia de la red. Nivel de protección del motor. Forma constructiva. Clase de aislamiento (Y...c). Factor de potencia (cos ). Tipo de servicio (S1...S7). Ejecución de la caja de bornas. Características particulares del motor, además de las generales dadas por el constructor. Dimensionado del motor y peso. Diagramas de par, velocidad, consumos. 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: 1. 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. EFICIENCIA ENERGÉTICA EN MOTORES ELÉCTRICOS 14

19 En función a la tensión que se dispone en la red, se pedirá el motor, atendiendo principalmente a su forma de conexión. ara motores con dos tensiones ( - ). La tensión menor corresponde a la conexión triángulo ( ) y la tensión mayor a la conexión estrella ( ). 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=220/380V. Con red de 220 V conexión triángulo ( ). Vf VL 220 V Con red de 380 V conexión estrella ( ). Vf VL 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. 2. otencia: La potencia de un motor viene dada en kw o en CV (caballo de vapor). 1 kw = 1,000 W 1 H = 746 W 1 CV = 736 W 3. 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. EFICIENCIA ENERGÉTICA EN MOTORES ELÉCTRICOS 15

20 8. RECOMENDACIONES ARA MEJORAR EL USO DE MOTORES ELÉCTRICOS Existen varias opciones que permiten lograr el uso eficiente de la energía eléctrica en la aplicación de motores eléctricos y por lo tanto una reducción de los costos asociados al consumo de energía. La Figura 3 muestra alguna de estas opciones: selección correcta de la potencia del motor, mejorar la calidad de la energía eléctrica, reducir la carga mecánica sobre el motor, usar motores de alta eficiencia, usar controladores electrónicos de velocidad, aplicar métodos de mantenimiento centrados en la eficiencia y el usar métodos de reparación que mantengan la eficiencia del motor. Figura 3. Oportunidades de Ahorro de Energía en los sistemas de Accionamiento. 8.1 SELECCIÓN CORRECTA DE LA OTENCIA DEL MOTOR. El primer paso para el ahorro de energía en motores eléctricos es que la potencia nominal del motor sea debidamente seleccionada. Se recomienda que la potencia nominal este sobredimensionada en 5 a 15% respecto a la potencia de operación del motor, con el objetivo de que el motor opere con una eficiencia y un factor de potencia adecuados. Si el motor seleccionado esta sobredimensionado por encima del 25% la potencia de operación, resultara que el factor de potencia del motor disminuirá, lo que incrementara la corriente del motor, aumentando las perdidas en las líneas y el consumo de la potencia reactiva. Los procedimientos para el cálculo de la potencia dependen del tipo de carga del motor, siendo el tipo más común de carga la de servicio continuo. Las tipos de EFICIENCIA ENERGÉTICA EN MOTORES ELÉCTRICOS 16

21 servicio continuo pueden ser de carga constante ó de carga variable. ara las cargas de servicio continuo con carga constante se recomienda seleccionar una potencia nominal de aproximadamente 15 % mayor a la carga constante del motor. Cuando la carga es de servicio continuo con carga intermitente para la selección de la potencia se pueden usar varios métodos de cálculo [7]: método de las pérdidas promedio, método de la corriente equivalente, método del momento equivalente y el método de la potencia equivalente. 8.2 MEJORAR LA CALIDAD DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA DE LA INSTALACIÓN. Los motores eléctricos de inducción están diseñados y fabricados para operar en las condiciones especificadas en la placa de características, llamadas condiciones nominales. Asimismo deben ser alimentados con un sistema trifásico simétrico de tensiones de forma de onda sinusoidal y de magnitud similar a la nominal, es decir el sistema debe tener una calidad de la potencia eléctrica perfecta. Sin embargo los sistemas eléctricos industriales generalmente no presentan las condiciones ideales ni en simetría, forma de onda y magnitud es decir tiene una calidad de potencia eléctrica disminuida, los fenómenos de calidad de la potencia eléctrica que se presentan con mayor frecuencia son: tensión simétrica y de magnitud mayor o menor que la tensión de placa, tensión desequilibrada es decir las tres fases presentan magnitudes diferentes y forma de onda de la tensión distorsionada es decir no es una onda sinusoidal pura. Si la calidad de la potencia eléctrica entregada por la red es baja el motor operara con mayores perdidas y disminuyendo su tiempo de vida. or lo tanto es importante se verifique el grado de calidad de la potencia eléctrica de las instalaciones eléctricas ó en caso contrario se debe conocer las consideraciones a tomar en cuenta para la operación segura del motor Mantener los Niveles de Tensión cercano al Valor Nominal. Cuando el motor opera a potencia nominal es recomendable que la tensión del motor sea muy cercana al valor de la tensión nominal con una desviación máxima del 5%. A pesar que los motores con Normas NEMA están diseñados para operar con una desviación máxima de 10% el voltaje nominal, las variaciones de tensión afectan significativamente la eficiencia, el factor de potencia y el tiempo de vida. EFICIENCIA ENERGÉTICA EN MOTORES ELÉCTRICOS 17

22 Tabla 2. Efectos típicos de los niveles de tensión sobre las características del Motor de Inducción % del Voltaje Nominal Eficiencia a carga nominal Factor de otencia a carga nominal Deslizamiento a carga nominal Corriente a carga nominal Carga para eficiencia máxima Elevación de temperatura a carga nominal Fuente: Linders J. Effects of ower Supply Variations on AC Motor Characteristics. IEEE Transactions on Industry Applications, Vol 1A-8, No.4, July-August Si el motor opera con una tensión del 90% la tensión nominal, la eficiencia del motor puede disminuir entre el 2% y 4%. Las tensiones deben medirse en los terminales del motor porque el voltaje disminuye al aumentar la distancia desde el transformador Minimizar el Desequilibrio de Tensiones. Los factores que crean el desequilibrio de tensión son: cargas monofásicas, cables de diferente calibre, fallas de circuitos, etc. Los sistemas desequilibrados incrementan las pérdidas en el sistema eléctrico industrial y en el motor, aumentan el calentamiento y reducen la eficiencia del motor. or lo tanto para evitar fallas por calentamiento las Normas recomiendan operar el motor con una potencia menor a la potencia nominal. Figura 4. Efectos del desequilibrio de tensiones sobre la otencia nominal del motor. EFICIENCIA ENERGÉTICA EN MOTORES ELÉCTRICOS 18

23 Las normas recomiendan una curva para la desclasificación de la potencia del motor en función del grado de desequilibrio. El desequilibrio de tensiones no debe ser mayor a 2% de acuerdo a la Norma NEMA MG [8] y la IEC [9] Disminuir la Distorsión Armónica de la Red Si la onda de tensión que alimenta el motor está distorsionada, es decir contienen armónicos de tensión, ocasionará un aumento de pérdidas en el motor con el consiguiente calentamiento y disminución de la eficiencia en el motor. Figura 3. Efectos de la distorsión armónica de la red sobre la otencia nominal del motor. ara evitar el calentamiento excesivo del motor las Normas NEMA MG [8] recomiendan disminuir la potencia nominal del motor de acuerdo a una curva en función del contenido de armónicos. Figura 3. Se considera que el HFV (Harmonic Factor Voltaje) no debe ser mayor a Es importante por lo tanto realizar estudios de la calidad de energía del sistema eléctrico de la industria para detectar si la calidad de la potencia eléctrica de la instalación es inadecuada y tomar acciones para mejorarla. En general algunas medidas para mejorar la calidad de la potencia son: cambiar los taps del transformador de distribución, realizar un reacomodo de las cargas monofásicas en el sistema, instalar filtros pasivos y/o activos para atenuar los armónicos de tensión. EFICIENCIA ENERGÉTICA EN MOTORES ELÉCTRICOS 19

24 8.3 REDUCIR LA CARGA MECÁNICA SOBRE EL MOTOR Cuando se analiza la eficiencia de un sistema accionado por un motor, una pregunta fundamental es si la carga que el motor mueve puede ser reducida o incluso si la operación de la carga aun es necesaria dentro del proceso productivo. Sirve de muy poco optimizar el motor y sus controles, si la carga accionada y su proceso son ineficientes [2], [7]. Las recomendaciones para reducir la carga sobre el motor son: Recomendaciones para Ahorrar Energía en Bombas y Ventiladores Las bombas y los ventiladores constituyen más del 55% de las cargas usadas con motores de inducción, por lo tanto lograr que estas operen con la mayor eficiencia posible representa una buena opción para el ahorro de la energía. Se recomienda las siguientes acciones: Seleccione una bomba eficiente y que opere muy cerca de su presión y flujo de diseño nominal. Si la bomba opera muy por debajo de su carga nominal, instale un impulsor más pequeño o redimensione el que existe. Minimice el número de codos agudos en la tubería. Use tuberías de baja fricción y considere cambiar las tuberías viejas. Realice periódicamente el mantenimiento a las bombas, sin mantenimiento la eficiencia puede caer en 10% respecto al valor de eficiencia nominal. Seleccione ventiladores eficientes. Realice un mantenimiento periódico de los ventiladores, por ejemplo limpie regularmente las aspas y mantenga los filtros limpios para reducir las caídas de presión. Instale un control para activar el ventilador solo cuando sea necesario. Si es posible reduzca la velocidad variando los diámetros de las poleas Recomendaciones para Ahorrar Energía en el Uso de Sistemas de Transmisión Mecánica Luego de asegurar la operación eficiente de la carga es importante empezar a analizar los sistemas de transmisión. Los sistemas de transmisión permiten transmitir el torque del motor a las cargas ó equipos (bombas, compresores, etc.) ya sea cambiando o no la velocidad que entrega el motor, lo que se logra EFICIENCIA ENERGÉTICA EN MOTORES ELÉCTRICOS 20

25 mediante acoplamientos al eje de engranajes, poleas. Es importante en la selección del sistema de transmisión conocer las características de cada sistema para realizar una adecuada selección. Se recomienda seguir las siguientes recomendaciones: Acople directo. Asegure un correcto acoplamiento entre el motor y la carga, es recomendable usar la tecnología láser. Correas o Bandas. Se recomienda usar bandas en V y de preferencia bandas en V dentadas; de ser posible usar bandas sincrónicas. También se recomienda hacer el alineamiento usando tecnología láser. Reductores. Es importante seleccionar adecuadamente el tipo de reductor (helicoidal, cónicos, cilíndrico y tornillo sin fin) de acuerdo a la potencia y a la relación de velocidades. or ejemplo los reductores tipo sin fin permiten reducciones elevadas pero con una eficiencia menor que los otros tipos de reductores. Es importante considerar que la eficiencia del reductor cae bruscamente cuando estas transmisiones trabajan con una carga menor al 50% de la carga nominal. Cadenas. No tienen deslizamiento y se recomiendan para transmitir elevadas cargas que pueden llegar hasta los miles de H, la eficiencia puede alcanzar a 98%, pero el desgaste le hace perder un par de puntos porcentuales. 8.4 USAR MOTORES ELÉCTRICOS DE ALTA EFICIENCIA Los motores eléctricos de alta eficiencia, son motores de diseño y construcción especial que presentan menos pérdidas que los motores eléctricos estándares [2], [10], [11]. Una menor perdida de potencia hace que el motor tenga una mayor eficiencia es decir que consuma menos energía para realizar el mismo trabajo que un motor normal. Los estudios técnicos y económicos [2], [10], [12] muestran que si se analiza a 10 años, de los costos totales del motor el costo de compra es de 1%, el costo de la energía es de 95 %, costo de mantenimiento 3 %, el costo de ingeniería y logística 1%. Así el costo de compra del motor es poco significativo respecto al costo total de operación, por eso al seleccionar motores eléctricos debemos de considerar además del costo inicial de compra el análisis económico de la operación. A continuación presentaremos las ventajas y limitaciones que tienen estos motores, para ser considerados para su correcta aplicación: EFICIENCIA ENERGÉTICA EN MOTORES ELÉCTRICOS 21

26 8.4.1 Ventajas de 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. Al tener una eficiencia mayor, 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 Limitaciones de los Motores de Alta Eficiencia. Como operan a una velocidad mayor que los motores estándares, 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 puede ser menores que los motores estándares, cuestión que resulte 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 en el momento de arranque. La corriente transitoria en el arranque se incrementa debido a un mayor valor de la relación X/R. Esta corriente puede afectar 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 en el intervalo de de 15 a 40 H [11] Recomendaciones para la Aplicación de Motores de Alta Eficiencia. Cuando se considera la posibilidad de compra de un motor nuevo se debe evaluar económicamente la rentabilidad de pagar un costo adicional por adquirir un motor de alta eficiencia frente al ahorro obtenido por un menor consumo energético. Generalmente se considera que 2 a 3 años es un periodo aceptable de retorno de la inversión adicional. Luego de realizar un análisis económico se recomienda la compra de motores de alta eficiencia en los siguientes casos: En los motores entre 10 y 75 H cuando operan 2500 horas anuales o mas. En los motores de potencia menor a 10 H ó mayor a 75 H cuando operan 4500 horas o mas. EFICIENCIA ENERGÉTICA EN MOTORES ELÉCTRICOS 22