Lo esencial sobre el rendimiento de un motor eléctrico eficiente
En este informe se examinan distintos procedimientos para calcular el rendimiento de motores trifásicos de inducción según la norma IEC 60034-2-1, de origen europeo. Se han elegido principalmente aquellos métodos que la norma considera preferentes. En cada uno de los procedimientos estudiados, se evalúan los ensayos requeridos, el equipo necesario y el proceso de cálculo para determinar el rendimiento. Para esto, se han realizado pruebas en motores de 0,75 kW y 1,5 kW utilizando los diferentes métodos de la norma. A continuación, se presentan algunos de los resultados obtenidos. Se destaca la importancia del rendimiento en los motores eléctricos.
Desgaste y eficiencia en un motor de inducción
El rendimiento de un motor eléctrico puede definirse como la eficiencia en la conversión de energía eléctrica en energía mecánica. En este proceso de conversión, se producen pérdidas que afectan al rendimiento total del motor (1).
Existen distintos tipos de pérdidas en un motor de inducción, entre las que se encuentran: las pérdidas eléctricas, relacionadas con la resistencia eléctrica de los bobinados del estator (Pj1) y de las barras conductoras del rotor (Pj2), y las pérdidas magnéticas, asociadas al ciclo de histéresis y a las corrientes de Foucault en los núcleos de chapa magnética del estator y del rotor (Pfe).
En términos generales, las pérdidas eléctricas aumentan significativamente con la carga del motor, ya que están directamente relacionadas con la corriente que circula por las bobinas. Por otro lado, las pérdidas magnéticas dependen principalmente de la frecuencia y la inducción, por lo que su impacto en el rendimiento se mantiene relativamente constante independientemente del índice de carga.
Sin embargo, este proceso de conversión no es perfecto y se presentan pérdidas que pueden afectar significativamente al rendimiento total del motor (1). Por ello, es importante tener en cuenta y minimizar estas pérdidas para garantizar un rendimiento óptimo y una mayor eficiencia en el funcionamiento del motor.
Características fundamentales de los motores eléctricos
Motores eléctricos para diferentes aplicacionesLos motores eléctricos han sido diseñados para cumplir con diferentes tipos de aplicaciones, dependiendo de la carga requerida. Esto provoca que cada motor tenga particularidades que se clasifican según las normas de la NEMA (Asociación Nacional de Fabricantes de Productos Eléctricos) o IEC (Comisión Electrotécnica Internacional), las cuales afectan directamente su rendimiento y eficiencia. Cada motor tiene una placa de características que describe los principales parámetros de funcionamiento y eficiencia, siguiendo las recomendaciones de la NEMA o la IEC.
Estos datos en la placa de características pueden ser utilizados para comparar los requisitos de diferentes motores y seleccionar el más adecuado para la aplicación deseada, garantizando un funcionamiento óptimo y un consumo eficiente.
Qué es la eficiencia
La eficiencia es un factor clave en el funcionamiento de cualquier máquina, incluyendo los motores eléctricos. Se define como la relación entre la potencia de salida y de entrada. Es decir, la cantidad de energía mecánica producida, dividida por la energía eléctrica utilizada. Es importante mencionar que ambas deben medirse en las mismas unidades físicas para ser precisas.
En todos los casos, la potencia mecánica generada por el motor siempre será menor a la energía eléctrica de entrada. Esto se debe a que parte de la energía se pierde durante la conversión de eléctrica a mecánica, a través de diferentes procesos como fricción y calor.
Por lo tanto, el diseño de los motores eléctricos tiene como objetivo lograr la mayor eficiencia posible, minimizando así las pérdidas. Muchos de ellos están diseñados para operar entre el 50% y el 100% de su potencia nominal, alcanzando su punto máximo de eficiencia alrededor del 75% de su valor nominal.
Optimización del rendimiento y consumo del motor
Controversia sobre el Factor de Potencia
El Factor de Potencia suele ser un tema controvertido, ya que su utilidad como medida para reducir costos energéticos no es ampliamente aceptada. Si un cliente está sujeto a cargos por el uso del Factor de Potencia, mejorar su valor puede resultar en una disminución de costos. Sin embargo, aquellos que solo pagan según su consumo no se verán favorecidos por esta medida.
Beneficios de la corrección del Factor de Potencia
La corrección del Factor de Potencia en un cliente final tiene como objetivo reducir cargas y minimizar la utilización de transformadores y generadores. De esta manera, se busca disminuir pérdidas innecesarias. Las compañías eléctricas, por su parte, promueven el uso eficiente de la energía a través de ciertos parámetros.
Uso de energía reactiva inductiva en cargas comerciales
En las instalaciones comerciales, la gran mayoría de las cargas son motores, que requieren la utilización de potencia reactiva inductiva. Para contrarrestar este tipo de energía, se utilizan condensadores que la generan en dirección opuesta.
Eficiencia mínima
Es comúnmente aceptado, aunque no se mencione explícitamente, que un motor debe alcanzar un nivel mínimo de eficiencia para ser considerado como tal. Algunos motores logran esa eficiencia esperada, otros la igualan y otros la superan.En la actualidad, después de varias generaciones de constantes mejoras en los motores, se pueden encontrar productos en el mercado que superan ampliamente las eficiencias requeridas. Por lo tanto, se ha visto que muchos motores tienen eficiencias por encima del estándar.
La relevancia de la eficiencia en los motores eléctricos
La importancia de los motores eléctricos en la industria y el sector terciario es evidente, ya que consumen una gran cantidad de energía eléctrica a nivel mundial. Estos motores son clave en la transformación de la energía eléctrica en energía mecánica y, por lo tanto, pequeñas mejoras en su eficiencia pueden resultar en grandes ahorros en costes de energía. A continuación, se presentan algunas sugerencias para lograr una mayor eficiencia energética en estos motores:
- Utilizar motores de alta eficiencia: A la hora de elegir un motor, es importante tener en cuenta su rendimiento. Existen diferencias significativas, que pueden oscilar entre el 3% y el 8%, en términos de eficiencia en motores con la misma potencia. Por lo tanto, se recomienda optar por motores de elevado rendimiento para lograr un menor consumo de energía.
- Seleccionar adecuadamente la potencia del motor: Es esencial elegir la potencia del motor según las necesidades de la carga que va a mover. Se recomienda trabajar con una carga entre un 75% y un 100% de plena capacidad, ya que para índices inferiores al 75%, la eficiencia del motor disminuye considerablemente.
- Utilizar variadores de velocidad: Una opción interesante para ahorrar energía es utilizar variadores de velocidad en los motores, especialmente en casos donde se requiere un control preciso de la velocidad o el par. Este enfoque es especialmente efectivo en bombas y ventiladores, ya que su funcionamiento se puede adaptar a las necesidades de la carga.
Directrices globales para medir la eficiencia
Los valores de rendimiento proporcionados por el fabricante deben ser establecidos de acuerdo a las regulaciones internacionales actualmente vigentes. En este ámbito, no existe una armonización clara, destacando especialmente las siguientes normas: IEC 60034-2-11 (Norma Europea) e IEEE 1122 (Norma Americana).
La norma IEC 60034-2-1, publicada en 2007, reemplaza a la IEC 60034-2 (1996) adoptada por la normativa UNE. Aunque esta última edición aún no ha sido adoptada como norma UNE, se prevé que sea adoptada próximamente.
Esta reciente edición de la norma europea presenta grandes similitudes con la norma americana, sobre todo en cuanto al método de determinación de las pérdidas adicionales en carga y la inclusión de nuevos procedimientos para su medición. Dichos procedimientos no se encuentran contemplados en la edición de 1996.
