Motores Eléctricos: Motores de Alta Eficiencia
Un motor eficiente es aquel que transforma prácticamente toda la energía eléctrica que consume en energía mecánica útil.
Durante su vida útil un motor eléctrico gasta en su funcionamiento cien veces más de lo que costó su compra. Si se adquieren motores de alta eficiencia se puede pagar mucho menos debido al menor coste de la energía consumida, ahorrando dinero y protegiendo el ambiente.
| Comparación de costes de operación de un motor de 50HP (37,3kW) | ||||
| Base de comparación | Motor estándar | Motor de alta eficiencia | Diferencia | Comentarios |
| Precio de compra (€) | 28.540 | 34.248 | 5.708 | 20% mayor |
| Eficiencia (%) | 89,5 | 93,6 | 4,1 | 4,5% mayor |
| Pérdidas (%) | 10,5 | 6,4 | 4,1 | 39% menor |
| Coste anual de energía (€) | 23.730,3 | 22.690,8 | 1.039,5 | 3,3 y 2,7 veces el coste inicial de los motores |
| Coste anual de pérdidas (€) | 2.491,7 | 1.452,2 | 1.039,5 | 41,7% menor |
| Coste de la energía en 20 años (€) | 474,606 | 453.816,7 | 20.786,4 | 4,6% menor |
| Coste de pérdidas en 20 años (€) | 49.033,7 | 29.044,3 | 20.786,4 | 3,6 veces el coste de la diferencia del precio de compra |
Políticas energéticas
A nivel mundial existen diferentes tipos de normas aplicables a los motores, que dependen del país donde se comercialicen.
| Normativa sobre motores aplicables en cada país | |||
| Normas | Entidad | País | Denominación |
| NEMA | National Electrical Manufacturers Association | EE.UU. |
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| CSA Standards | Canadian Standards Association | Canadá |
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| UL Standards | Underwriters Laboratories Inc. | EE.UU. |
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| IEEE Standards | Institute of Electrical | Internacional |
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| IEC Standards | International Electrotechnical Commission | Internacional |
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| CENELEC | European Committee for Electrotechnical | Unión Europea |
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| Políticas energéticas sobre motores eficientes | ||||
| Título | Denominación | País | Fijación valores mínimos | Norma ensayo |
| Epact | Energy Policy Act | EE.UU. | Ley | NEMA MG1 |
| EEAct |
Energy Efficiency Act Energy Efficiency Regulations |
Canadá | Ley | C390-93 |
| EU Agreement | Acuerdo de los fabricantes europeos y la Dirección General de la Energía DG XVII | Unión Europea | Acuerdo voluntario |
EN 60034-2 IEC-2 |
En Estados Unidos el Departamento de Energía (DOE) promulgó la Ley EPact que obliga a partir del 24 de octubre de 1997 a que los motores que se comercialicen en este país sean según NEMA o Métricos y cumplan con un rendimiento mínimo dependiendo de la potencia y polaridad.
En estas leyes se establecen unos logotipos que indican qué normas cumple el motor.
- C: el motor cumple las normas de Canadá CSA.
- URUS: el motor cumple con la UL de EE.UU.
- ENERGY: se cumple con los rendimientos mínimos indicados en la Energy Efficiency de la Ley EPact.
En Europa existe un acuerdo entre los fabricantes y la Dirección General de Energía, que establece a su vez unos logotipos que indican el rendimiento del motor.
- EFF1: motores de alto rendimiento.
- EFF2: motores de rendimiento mejorado.
- EFF3: motores de bajo rendimiento.
La distribución de las tres clases de rendimientos queda de la siguiente manera:
Fundamentos técnicos de los valores de eficiencia
La clasificación de la eficiencia proporciona al usuario una herramienta sencilla para optimizar la compra de su motor.
Determinación del rendimiento
El rendimiento de un motor se define como la potencia mecánica que se obtiene por unidad de potencia absorbida.
Haciendo una gráfica comparativa de los diferentes métodos para motores de 4 polos de 15kW tenemos:
Los motores eléctricos efectúan la transformación de la energía eléctrica recibida de la red en energía mecánica en su eje.
- Estator fijo: Parte fija del motor.
- Rotor móvil: Parte móvil del motor.
- Entrehierro: Es el espacio comprendido entre el rotor y el estator.
Tipo de motores
- Motor de corriente continua: El rotor se alimenta con corriente continua, a través del colector de delgas, y de las escobillas.
-
Motor asíncrono: Es un motor de corriente alterna y basa su funcionamiento en la creación de un campo magnético giratorio en el entrehierro. Según sea la constitución del Rotor, se distinguen dos tipos de motores:
- Rotor en cortocircuito o jaula de ardilla: El rotor está compuesto por un conjunto de barras conductoras de cobre o de aluminio unidas en sus extremos por anillos.
- Rotor bobinado: El rotor está compuesto por un devanado introducido en las ranuras, similar al del estator.
- Motor síncrono: Es un tipo de motor de corriente trifásica. Su característica principal es la de girar a velocidad constante e igual a la velocidad de sincronismo
Motor EFF1
Como media, un motor EFF1 reduce las pérdidas de energía por encima del 40%. Esto significa que en el caso de muchas horas de utilización, por ejemplo 6000h/año, en un motor de 15kW, se podrán ahorrar más de 4MWh al año o más de 400€ de la factura de electricidad (considerando 0.10€/kWh).
La mejor calidad de los materiales incrementa normalmente la vida útil del motor.
El mayor precio de compra de un motor EFF1 se recupera en un corto plazo de tiempo, comparado con la vida útil del motor eléctrico.
Motor EFF2
Un motor EFF2 reduce las pérdidas de energía hasta un 20%, lo que significa que en el caso de utilización de 2000h/año, un motor de 15kW, puede ahorrar 0,6MWh al año con un coste adicional mínimo.
La clase EFF2 garantiza una eficiencia satisfactoria con un sobrecoste mínimo.
Motor EFF3
En general, los motores de la clase EFF3 presentan una muy baja eficiencia y representan una inversión antieconómica en la mayoría de las situaciones, por lo que no es recomendable.
| Ventajas en la compra de un motor de alto rendimiento | ||
| Tipo | Amhe 200lp2 | Amhe 200lla2 |
| Clase eficiencia (CEMEP) | EFF1 | EFF2 |
| Rendimiento (%) | 93,1 | 91,6 |
| Potencia eje (kW) | 30 | 30 |
| Potencia red (kW) | 32,22 | 32,75 |
| Precio energía (€/kWh) | 0,071238 | 0,071238 |
| Precio motor (€) | 2.422,54 | 2.202,14 |
| Ahorro (€/h) | 0,0376 | 0,0376 |
| Amortización diferencia precio horas | 3.094 horas | 128,9 días |
| Amortización motor EFF1 horas | 64.445 horas | 7,4 años |
Motor EFF1
Los motores de alta eficiencia se utilizan principalmente:
- En instalaciones nuevas.
- Cuando se realicen modificaciones mayores en procesos existentes.
- Para sustituir motores que han fallado.
- En motores estándar que operan sobrecargados o con baja carga.
- En la adquisición de equipos nuevos como: compresores, sistemas de bombeo, etc.
- Cuando se desee reducir los costes de operación por el ahorro del consumo de energía eléctrica y de la demanda máxima.
Mejoras energéticas
Un motor tiene que emplearse siempre para la potencia de accionamiento para la que está diseñado, ya que si no, no trabajará en su punto de rendimiento óptimo.
Las pérdidas de un motor pueden dividirse en:
Pérdidas por efecto Joule en el estator (VCu1): Son las pérdidas originadas por la circulación de corrientes por los devanados estatóricos por Efecto Joule. Para el cálculo de estas pérdidas debe considerarse la configuración de los devanados.
Pérdidas magnéticas (Vfe): Las pérdidas en el hierro se originan por dos causas:
- Por la histéresis producida en los materiales magnéticos sometidos a remagnetización (total o parcial) bien sea por variación del flujo o por rotación en un campo variable: Phis.
- Por la aparición en el seno de la masa del acero de f.e.m.s. que dan origen a unas corrientes denominadas de Foucault: Pf. Las pérdidas totales en el hierro son la suma de las citadas anteriormente: PH = Phis + Pf
Pérdidas por efecto Joule en el rotor (VCu: Las pérdidas en el circuito de inducido están originadas por el paso de las corrientes por los devanados del inducido y por los elementos conectados en serie con el devanado de inducido (polos auxiliares, devanado de compensación, etc.). El cálculo de estas pérdidas se realiza después de conocer la configuración de los devanados.
Pérdidas por ventilación (Vr ventilación): pérdidas mecánicas.
Pérdidas por rozamiento (Vr rozamiento): pérdidas mecánicas.
Pérdidas adicionales (Vad): Las pérdidas adicionales se producen como consecuencia de los procesos electromagnéticos secundarios de carácter no deseado pero inevitable y afectan tanto al cobre como al hierro y se manifiestan como: corrientes parásitas debidas a los campos de dispersión en los arrollamientos y en las piezas metálicas macizas, pérdidas superficiales en el hierro, pérdidas pulsantes en los dientes, etc.
Pueden dividirse en dos tipos:
- Pérdidas constantes o de vacío.
- Pérdidas que dependen de la carga de la máquina.
Para un motor de 18,5kW y 1500min-1, el porcentaje de distribución de pérdidas es el siguiente:
Las mejoras energéticas que se pueden llevar a cabo para reducir estas pérdidas son:
Pérdidas por efecto Joule en el estator:
- Aumentar la cantidad de cobre.
- Mayor tamaño de ranura.
- Disminuir la Cabeza de bobina.
Pérdidas magnéticas:
- Mejorar la calidad de la chapa.
- Disminuir el grosor de las chapas.
- Mejorar los procesos de fabricación.
- Aumento del entrecierro.
- Mejorar el factor de bobinado.
Pérdidas por efecto Joule en el rotor:
- Aumentar la inducción en el entrecierro.
- Aumentar el tamaño de las barras.
- Aumentar la conductividad de las barras.
Pérdidas por ventilación:
- Ventiladores más eficientes.
Pérdidas por rozamiento:
- Rozamientos de bajo nivel de pérdidas.
Pérdidas adicionales:
- Corrientes transversales.
- Corrientes circulares estator.
- Pérdidas armónicas en el rotor en carga.
Mejoras prácticas recomendadas
Evitar el arranque y la operación simultánea de motores, sobre todo los de mediana y gran capacidad, para disminuir el valor máximo de la demanda.
Evitar la operación en vacío de los motores.
Verificar periódicamente la alineación del motor con la carga impulsada. Una alineación defectuosa puede incrementar las pérdidas por rozamiento y en caso extremo ocasionar daños mayores en el motor y en la carga.
Corregir la caída de tensión en los alimentadores. Una tensión reducida en los terminales del motor, genera un incremento de la corriente, sobrecalentamiento y disminución de su eficiencia. Las normas permiten una caída de tensión del 5%. Para ello utiliza conductores correctamente dimensionados.
Equilibrar la tensión de alimentación en los motores trifásicos de corriente alterna. El desequilibrio entre fases no debe exceder en ningún caso del 5%, pero mientras menor sea el desequilibrio, los motores operarán con mayor eficiencia.
Mantener bien ajustado y en óptimas condiciones el interruptor de arranque de los motores monofásicos de fase partida. El mal funcionamiento de este accesorio que se emplea para desconectar el devanado de arranque (y el condensador en los motores de arranque por condensador) provoca un sobrecalentamiento en los conductores ocasionando significativas pérdidas de energía y en caso extremo el fallo del motor.
Utilizar arrancadores a tensión reducida en aquellos motores que realicen un número elevado de arranques. Con esto se evita un calentamiento excesivo en los conductores y se logra disminuir las pérdidas durante la aceleración.
Sustituir en los motores de rotor devanado, los reguladores con resistencias para el control de la velocidad, por reguladores electrónicos más eficientes, porque las resistencias llegan a consumir hasta un 20% de la potencia que el motor toma de la red.
Instalar equipos de control de la temperatura del aceite de lubricación de cojinetes de motores de gran capacidad a fin de minimizar las pérdidas por fricción y elevar la eficiencia.
No se recomienda rebobinar los motores más de 2 veces, porque puede variar las características de diseño del motor, lo cual incrementaría las pérdidas de energía.
Una manera rápida de calcular el ahorro monetario de estos motores sería:
Donde:
- h = tiempo de utilización anual (en horas).
- kW = potencia del motor (en kW).
- %Pot = fracción de plena carga a que trabaja el motor.
- €/kWh = coste de la electricidad (en €/kWh).
- nstd = eficiencia de un motor estándar (EFF3).
- nHEM = eficiencia de un motor de alta eficiencia.
Si no se conoce la eficiencia del motor existente en la actualidad, una estimación razonable será suponer una eficiencia energética en el límite entre las de clases EFF2 y EFF3 para un motor que nunca se ha reparado.
Si el motor se ha reparado, se debe considerar una pérdida adicional de eficiencia del 0,5% por cada reparación.
Si se opera por debajo del 100% de la carga se utilizarán los valores de eficiencia para cargas parciales. Los fabricantes presentan en sus folletos los valores de la eficiencia para el 75% y el 50% de la plena carga.
Ejemplo práctico
Sea un motor de 4 polos y 15kW, que acciona una bomba impulsora de agua de refrigeración, que trabaja a plena carga 6000h/año. Se supone que el coste de la electricidad es de 0.10€/kWh.
Los motores EFF1 y standard presentan una eficiencia del 91,8% y del 88,2% respectivamente.
Ahorro anual = 6000 • 15 • 100% • 0.10 • (1 / 88.2 – 1 / 91.8)
Ahorro anual de energía = 400€
