Eficiencia de motor: Un curso para refrescar
Una revision de las regulaciones de eficiencia energética de EEUU para motores eléctricos
Por John Malinowski, EA Corresponsal Especial
Algunos lectores tal vez no recuerden el embargo de petróleo Saudí de los años 1970, el cual desencadeno el racionamiento que resulto en largas líneas en las estaciones de combustibles y el final de la era del original auto de músculo. No más Femi Cada, SS Chevelle 454 LS6, o BOss 429 Mustang. El Departamento de Energía de EEUU emitió el Decreto de Política Energética de 1975 (EPCA) que determinó estándares de conservación energética para automóviles, varios productos del consumidor, y últimamente, motores eléctricos industriales.
Las regulaciones de eficiencia de EEUU para motores eléctricos industriales comenzó a ser discutido al comienzo de la década del 90 y comenzó a aplicar a motores en octubre de 1997. Hay muchos nuevos actores involucrados en la industria que utilizan motores pero que no están lo suficientemente al tanto de lo que ha sucedido en los últimos 25 años desde que el DOE (ing., Departamento de Energía) comenzó a regular productos y cómo esto afecta a los motores que venden.
El Decreto de Política Energética de 1992 (EPAct 92) estableció niveles de eficiencia mínimos para motores de jaula de ardilla trifásicos de propósito general de 1-200 hp (caballos de fuerza) a Niveles de Eficiencia acordes a la Tabla 12-11 en la Asociación de Fabricantes Eléctricos Nacional (NEMA) MG estándar 1, el cual es equivalente al nivel IEC IE2. Cabe recordar que las regulaciones del DOE no solo cubren motores de cuadro NEMA sino que también motores equivalentes en diseño IEC. Estas reglas son realizadas por un estudio y análisis, comentarios de la industria, y luego la publicación de una Regla Final en el Federal Register (ing., Registro Federal). Existen varias reglas resumidas en el EPCA que deben ser alcanzadas para establecer cual regulación energética, y estas son revisadas por el DOE como también por el OMB. Estas reglas están listadas en la tabla.
Previamente a cualquier regulación sobre un producto, una Regla Final debe ser publicada detallando el procedimiento de testeo para determinar el cumplimiento de la eficiencia. En el caso deseos motores, se alinea con los estándares IEEE 112b y CSA 390.
Cada vez que el DOE emite una regla que modifica la eficiencia de un motor, ha impactado en relación a la forma, el ajuste, y la función, lo que el DOE llama “producto de utilidad” debido a que el nuevo motor posee menos desperdicio de velocidad (funcionar a una velocidad más alta), acarrear más corriente de entrada, y tal vez tener un tamaño mayor. Dispositivos con cargas centrífugas necesitan ajustar el ventilador o impeller para la mayor velocidad; de otra manera el motor operará una carga mayor, negando cualquier ahorro de energía. Los OEMs necesitaron rediseñar y rectificar sus productos. Además, los usuarios finales necesitan abordar esta situación cuando utilizan estos motores de mayor eficiencia
El dectreto EPAct 02 fue modificado ciando la Energy Independence and Security Act (Decreto de Independencia y Seguridad Energética) de 2007 (EISA) comenzó a regir en diciembre de 2010. EISA incrementó el nivel de eficiencia de los motores los motores de 1-200 caballos de fuerza hacia niveles premium (IE3) y aplicó también otros motores de 1-200 y 201-500 caballos de fuerza definidos en el estándar NEMA MG 1-2011 Tabla 12-11 Motores de Eficiencia Energética.
Estas regulaciones del DOE no solo cubren cuales motores están permitidos venderse en EEUU sino también motores que están instalados en maquinaria importada para la venta. Como hace sido la práctica normal, Canada y Mexico siguieron las regulaciones como como aquellas de EEUU. Las regulaciones en Mexico solo aplican a motores vendidos a través de la distribución.
Reglas para motores pequeños y medianos
El Departamento de Energía de los EEUU condujo otro estudio con respecto a qué podría hacerse para incrementar los niveles de eficiencia de “pequeños” motores. Luego de años de estudio y litigación, la Regla de Motor Pequeño fue pasada que solo cubre a los motores de propósito general de 1/3 a 3 caballos de fuerza monofónicos y trifásicos de cuadro NEMA de dos-dígitos en recintos abiertos. TEFC y motores de diseño personalizado no están cubiertos. Esta regulación entro en efecto en abril 9, 2015.
Aunque la regla de Motor Pequeño parezca simple, crea el efecto de crear motores con un mayor impacto, particular en diseños monofónicos, donde los motores que funcionan con capacitador arrancar/inducción pueden ser en gran medida remplazados por diseños que funcionan con capacitador arrancar/capacitador en recintos abiertos. Esta regulación no fue tan efectiva como las regulaciones precias sobre motores trifásicos debido a que los motores cubiertos podían ser reemplazados con un motor TEFC que pudiera ser mejor en la relación costo-efectivo y tener un tamaño de cuadro menor que un motor que siguiera las reglas. O el OEM podría también especificar un motor abierto personalizado que no podría ser alcanzado por la cobertura y mantener el diseño de ante de la regulación.
Luego, el DOE completo otro estudio técnico sobre motores de inducción a-c “medium” de 1-500 caballos de fuerza. En este estudio, el DOE evaluó un posible incremento en la eficiencia de motor nominal de 1-3 bandas NEMA (aproximadamente .4-1.5%) por sobre los niveles de Eficiencia Premium NEMA como esta definido en NEMA MG 1-2011 Tabla 12-12, aproximadamente equivalente a IEC IE4.
Aunque esto suene simple de hacer, un rediseño de motor como este requirió diseños usando nuevas laminaciones, equipo de bobinado, y cuadros que ajustar al diámetro del material extra, lo cual pudo constar a cada fabricante tanto como $500.000 para rediseño, re-quipamiento y re-certificacion. Algunos diseños contarían con cuadros de tamaño más grande que el usual el cual no encajaría en donde los diseños existentes de la misma categoría sí encajan. Los OEMs tendrían que rediseñar su máquina en el caso de que cuadros mas grandes fueran un problema, y los usuarios finales podrían tener problemas encajando el nuevo motor de remplazo de mayor eficiencia en su equipo o recinto existente.
Y de nuevo, las mayores velocidades necesitan ser abordadas por el usuario final. Un motor viejo de 2-polos podría tener una carga completa de 3450 RPM, y con el deslizamiento menor de los nuevos diseños premium, podria ser 3580 RPM. En una carga centrifuga, los caballos de fuerza requeridas para manejar la carga suben al cuadrado del incremento de velocidad. En casos de una conexión cintada, los ratios de polea podrían ajustarse para que la carga sea manejada a la misma velocidad que antes. Si estas directamente acopladas a una bomba, el impeller podría encestar ser recortado. No abordar la mayor velocidad de los motores premium podría negar incremento de eficiencia que era esperado a que el motor está realizando más trabajo.
Una petición para adoptar el NEMA MG 1 Tabla 12-12 para un alcance de motores 1-500 caballos de fuerza, muchos de los cuales no fueron previamente cubiertas por el DOE, fue propuesto en Octubre 2010 para ser adoptado en lugar del estudio técnico del DOE. Esta propuesta cerró muchos vacíos en previas leyes y proveyó una más fácil imposición y cumplimiento. Los peticionarios incluyeron miembros del NEMA Motor Section y un grupo de grupos abocados a la energía con miembros del Concejo Americano para una Economía Enérgico-Eficiente, La Alianza para Ahorrar Energía, el Proyecto de Alerta a Estándares de Dispositivos, Earthjustice, el Consejo de Defensa de Recursos Naturales, la Alianza de Eficiencia Energética del Noroeste, la Asociación de Eficiencia Energética del Nordeste, y el Consejo de Energia y Conservación del Noroeste como también la Asociación de Servicio de Aparatos Eléctricos. Esta propuesta fue aceptada por el DOE y fue la última regulación que el DOE pasó con respecto a motores eléctricos.
Revisión, productos extendidos, y el futuro
El Decreto de Política Energética (EPCA) requiere que le DOE revise estas regulaciones cada seis años. Las Regulaciones de Motor Pequeño fueron estudiadas y revisadas, y el DOE decidió que no se necesitaban futuras acciones. En este punto, las regulaciones del DOE EEUU se mantienen.
Luego de que las regulaciones de motores fueron completadas el DOE observó hacia “productos extendidos” en busca de ahorra energía. Después de observar hacia sistemas accionados por motores, las cargas centrifugas fueron identificadas como las mayores utilizadoras de electricidad donde grandes ganancias en términos de eficiencia podrían ser posibles. Bombas de agua fresca, compresoras centrífugos, y ventiladores fueron los primeros productos extendidos. Un estudio sobre bombas fue completado, y reglas de testeo, clasificación, y etiquetado fueron establecidas y publicadas en el Federal Register. Las bombas cayeron bajo regulación a partir de Junio de 2017. El estudio fue hecho en ambos ventiladores y compresores, y solo una regla de testeo para compresores fue publicada en el Federal Register antes de que la última administración entrara en vigencia. Ningún trabajo adicional fue realizado durante ese tiempo, y el nuevo secretario de la DOE esta esperando a ejercer como tal.
Como se menciono en artículos previos en Electrical Apparatus (“Beyond motor efficiency.” Marzo 2021), el camino hacia adelante no es regular la eficiencia componentes como motores, ya que el uso de su energía depende de como son utilizados en el producto. Power Drive Systems (PDS) es la combination de un motor de eficiencia premium (o mayor) y un manejador de velocidad ajustable. Cuando se tulipa en una carga centrífuga en el lugar de una válvula o damper en una bomba o ventilador, la curva de eficiencia muestra que reducimos caballos de fuerza al cuadrado del cambio de velocidad. Esto significa que un motor de 1 caballo de fuerza funcionando a una velocidad del 50% usa la electricidad de un motor de 1/8 caballo de fuerza, un gran ahorro de energía. Y esa es la clave: Nos alejamos de hablar de componentes eficientes y nos enfocamos el ahorro de energía en el sistema.
