PROGRAMA INTEGRAL DE “ASISTENCIA TÉCNICA Y CAPACITACIÓN PARA LA FORMACIÓN DE ESPECIALISTAS EN AHORRO Y USO EFICIENTE DE ENERGÍA ELÉCTRICA DE GUATEMALA”
Motores eléctricos de Alta Eficiencia
Los motores eléctricos son los usuarios de mayor consumo de energía eléctrica en plantas industriales. Aproximadamente entre el 60 y 70 % del consumo de energía eléctrica de una industria corresponde a equipos electromotrices tales como ventiladores, bombas, compresores, bandas transportadoras, etc.
Es evidente el gran impacto de los motores eléctricos en el consumo de energía en el sector industrial, por tanto, resalta la importancia de identificar y evaluar oportunidades de ahorro de energía en ellos. Sin embargo, es necesario determinar con precisión el estado energético actual de los mismos (factor de carga, eficiencia, factor de potencia, antigüedad, etc.) y conocer sistemas alternativos como son motores de alta eficiencia y variadores de frecuencia entre otros.
- Pérdidas de energía y eficiencias
La función de un motor eléctrico es convertir la energía eléctrica en energía mecánica para realizar un trabajo útil. En la transformación una parte de la energía eléctrica tomada de la red se convierte en calor, constituyendo una pérdida inherente al motor, ver figura.
Las pérdidas de un motor de inducción, pueden ser desglosadas en 5 principales áreas, cada una de estas depende del diseño y construcción del motor. Estas pérdidas se clasifican en aquellas que ocurren cuando el motor esta energizado y permanecen para un voltaje y velocidad dados, y las que se dan en función de la carga del motor.
- Eficiencia
La eficiencia de un motor es la relación entre la potencia mecánica de salida y la potencia eléctrica de entrada. Este es el concepto más importante desde el punto de vista del consumo de energía y del costo de operación de un motor eléctrico. La eficiencia se puede expresar de las siguientes maneras:
El valor mas alto de eficiencia sería la unidad, si acaso las pérdidas fueran cero, como lo indica la segunda expresión. Por ello los fabricantes de motores están haciendo innovaciones tecnológicas tendientes a disminuir las pérdidas al máximo posible y lo están logrando con un diseño mejorado empleando materiales de alta calidad y un mejor proceso de fabricación. Conforme la eficiencia pueden considerarse tres géneros de motores eléctricos:
- Motores de Eficiencia Estándar
- Motores de Alta Eficiencia
- Motores de Eficiencia Premium
Los motores estándar no consideran la eficiencia como la principal cualidad, mas bien privilegian la funcionalidad y precio, prácticamente los motores con mas de 15 años podrían considerarse de eficiencia estándar. El concepto alta eficiencia surge en la década de los años noventa, como consecuencia de contrarrestar los altos precios de la energía y por la necesidad ya existente de hacer un uso eficiente y racional de la energía. La innovación de los Premium se da en la actual década con la pretensión de elevar aun más la eficiencia de los motores eléctricos, para ellos se ha perfeccionado el proceso de manufactura y se utilizan materiales muy superiores, ello acarrea que el diferencial en precio sea también mas elevado.
- Factor de Carga
La potencia nominal de un motor eléctrico indica la potencia mecánica de salida o en el eje que es capaz de entregar el motor, el factor de carga es un índice que indica la potencia que entrega el motor cuando se encuentra ya en operación con relación a la que puede entregar. Así un motor de potencia nominal 40 HP que trabaja entregando solo 20 HP, estará trabajando al 50%.
- Factor de servicio
El factor de servicio es un indicador de la capacidad de sobrecarga que puede soportar un motor eléctrico, como ejemplo el valor de 1.1 significa que el motor puede trabajar al 110%; sin embargo esto no quiere decir que tenga que trabajar continuamente a ese valor, el factor de servicio debe entenderse como una capacidad adicional que posiblemente se llegue a ocupar en muy raras ocasiones, de hecho los motores sobrecargados reciben mayor corriente eléctrica que la nominal, calentándose en mayor medida y reduciendo notablemente su vida útil, además de bajar la eficiencia de su operación.
- Potencia adecuada del motor
En virtud de que la mayoría de los motores eléctricos presentan su mayor eficiencia al 75% de factor de carga, es conveniente que la elección de la potencia de un motor sea para que este trabaje al 75 % de carga. Así trabajara en el rango de alta eficiencia y tendrá un 25% de capacidad adicional para soportar mayores cargas de trabajo, evitando también el sobrecalentamiento del motor. La potencia del motor eléctrico la determina el equipo acoplado, que la indica en BHP, Brake Horse Power o Caballo de Potencia en la Flecha; supongamos que tenemos un ventilador que indica que la potencia que debe recibir es 15 BHP, la potencia de motor que debemos acoplar a este ventilador debe ser:
- El Par en Motores de Inducción
Existen varios tipos de motores, cada uno con características particulares que permiten obtener un servicio específico y particular, el par es uno de los factores que los caracteriza. El término par del motor se refiere al torque desarrollado por éste. El par motor se expresa y se mide en Newton por metro (Nm); un par de 20 Nm, es igual al esfuerzo de tracción de 20 Newtones, aplicado a un radio de un metro. Por otro lado, la potencia puede ser calculada si se conoce el torque requerido por el equipo, mediante la siguiente ecuación:
donde: K es constante, igual a 7,124 sí T esta en Nm; y 5,250 sí T esta pie- libra.
- Par a Plena Carga
El par a plena carga es el necesario para producir la potencia de diseño a la velocidad de plena carga. El par a plena carga de un motor es a la vez base de referencia, el par de arranque y el par máximo se comparan con él y se expresan en la forma de un cierto porcentaje del par a plena carga.
- Par de Arranque
El par de arranque o a rotor bloqueado es el torque que el motor desarrolla cuando deja de estar parado.
- Par Máximo
Es el máximo torque que desarrolla el motor, es usualmente expresado como un porcentaje del torque a plena carga. El par máximo de los motores ordinarios varía entre 1.5 y 3 veces del par de plena carga.
Determinación de Factor de Carga Y Eficiencia por El Método de Deslizamiento
- Motores de corriente alterna
Los motores de corriente alterna se clasifican de dos maneras; motores asíncronos (o de inducción) y motores síncronos. Los motores asíncronos basan su funcionamiento en la creación de un campo magnético giratorio en el entrehierro, debida a la circulación de corriente alterna trifásica por los devanados trifásicos del estator. La velocidad de giro de este campo magnético en revoluciones por minuto (r.p.m.) es:
donde:
f = Frecuencia de alimentación
p = Número de polos del devanado del estator
- Deslizamiento
El rotor a una gran velocidad “n”, que no llega a ser la velocidad de sincronismo, sin embargo es muy próxima ésta. Se le llama deslizamiento “ s”, a la diferencia entre la velocidad de sincronismo ns y la del rotor n, expresada en % de la velocidad de sincronismo:
Determinación del factor de carga referido a la potencia de placa
En este método es necesario conocer la curva del comportamiento del motor, es decir, eficiencia y factor de potencia contra factor de carga.
El factor de carga se determina mediante la siguiente ecuación:
La eficiencia se determinará interpolando en la curva de comportamiento del motor con base al factor de carga obtenido en la sección anterior. Las ecuaciones de interpolación utilizadas son las siguientes:
Ajustes de eficiencia
La eficiencia se debe ajustar por los siguientes factores:
• Variación de voltaje.
• Desbalanceo de voltaje.
• Motor re-embobinado.
- Variación de voltaje
La variación porcentual es la relación entre el voltaje nominal con respecto al voltaje de operación, se obtiene mediante la siguiente ecuación:
Una vez obtenido este valor, con ayuda de la gráfica siguiente se determina el porcentaje de cambio en la eficiencia, factor de potencia y corriente.
- Desbalanceo de voltaje
El desbalanceo de voltaje está definido como la máxima desviación del voltaje de línea y el voltaje promedio en un sistema trifásico, dividido entre el voltaje promedio, se obtiene mediante la siguiente ecuación:
Si los voltajes están desbalanceados, la eficiencia del motor disminuirá a medida que aumente el desbalanceo de voltaje, tal como se muestra en la siguiente gráfica:
Sustitución de un motor estándar por otro de alta eficiencia
La siguiente gráfica presenta las curvas de eficiencia en función del factor de carga para 6 motores eléctricos de 1800 rpm. Las curvas superiores corresponden a motores de alta eficiencia de 20, 30 y 40 Hp, las otras tres curvas son de motores estándar de la mismas potencias.
La potencia eléctrica que demande un motor esta totalmente relacionada con la eficiencia del mismo y con el factor de carga:
De tal manera que al mejorar la eficiencia del motor la demanda eléctrica para la misma operación disminuye.
Observando la gráfica anterior resulta que es factible el sustituir motores estándar por motores de alta eficiencia bajo las siguientes circunstancias.
- Aplicación de Motores de Alta Eficiencia de Menor Tamaño. Cuando el motor estándar esta trabajando con bajo factor de carga.
- Aplicación de Motores de Alta Eficiencia del Mismo Tamaño. Cuando el motor estándar esta trabajando con un factor de carga entre 60 y 90%.
- Aplicación de Motores de Alta Eficiencia de Mayor Tamaño. Cuando el motor estándar esta trabajando con un factor de carga mayor al 95%. En todos lo casos de sustitución deben tomarse muy en serio las condiciones de arranque y tipo de motor requerido.
Por otro lado la sustitución debe estar avalada por un estudio minucioso de las condiciones de operación del motor, en el que se investigue sobre todos los parámetros eléctricos que alimentan al motor, sobre todo debe tenerse principal precaución en medir el factor de potencia por cada fase ya que una medición simple de corrientes puede llevar a resultados aberrantes.
Otras alternativas de ahorro en motores son:
- La reubicación de motores procurando aprovechar al máximo la eficiencia. El factor de carga óptimo para motores estándar se ubica en un rango del 65 al 85%, de tal manera que los motores que se encuentren más lejanos de este rango son candidatos a ser aprovechados en otros puntos de aplicación, donde operen en mejor forma.
- Mejorar sus condiciones de alimentación eléctrica. Como son el desbalanceo de fases, las variaciones de voltaje, los sistemas sin tierra o mal aterrizados y el bajo factor de potencia.
