Introducción
Para cualquier persona que especifica, compra, opera, o repare motores eléctrico hoy en día, el tema acerca de la eficiencia del motor está recibiendo mayor atención-y se está complejizando. Un entendimiento de la eficiencia y de los estándares aplicables es esencial para la selección de productos de acuerdo con su relación costo-eficiencia. La información en esta publicación tiene la intención de mejorar ese entendimiento.
A pesar de que algunos principios son aplicables solo a motores de eficiencia energética, la mayor parte de lo que vemos aquí es válido para todos los motores.
¿Qué es la eficiencia?
La eficiencia de cualquier máquina, incluyendo un motor eléctrico, es su salida de energía dividida por el total de la energía de entrada. Para ser válido, de todas maneras, la entrada y la salida deben ser expresadas en las mismas unidades físicas.
La entrada a un motor AC es la energía eléctrica en watts (o kilowatts). La salida del motor es la energía mecánica entregada por el eje-el torque del eje por la velocidad (rpm). Partiendo del hecho de que la salida del torque del motor no es una cantidad eléctrica, se lo mide normalmente en unidades mecánicas de caballos de fuerza. Para dividir eso por entrada eléctrica en watts, los caballos de fuerza deben ser convertidos al equivalente eléctrico-un caballo de fuerza es igual a 746 watt (en el sistema métrico, el watt o kilowatt es la medida de ambas la salida y la entrada, debido a que diferentes unidades de torque son utilizadas).
La entrada siempre debe exceder a la salida, siendo la diferencia la pérdida interna de energía en el motor (entrada = salida más pérdidas; salida = entrada menos pérdidas). Así, salida dividida por entrada nunca puede ser igual o exceder la unidad (100%).
Midiendo la Eficiencia del Motor
Mientras la eficiencia del motor puede ser determinada simplemente a través de la división de la energía de la salida por la entrada, en la práctica este método es impreciso debido a que los dos números son casi iguales. Los pequeños errores en la medición de cualquier cantidad, pueden tener una considerable influencia en su ratio.
Método Directo de Ratio Entrada/Salida
Por ejemplo, suponga que medimos ambas la salida y la entrada del motor con una precisión de ±3%. Para una verdadera eficiencia de 90%, a una salida nominal de 75 caballos de fuerza (equivalente eléctricamente a 56 kilowatts), la eficiencia del motor aparente derivada de las medidas de salida/entrada podría tener un rango de un bajo 84.8% a un alto de 95.3%. La incertidumbre de ±3% en las cantidades medidas individualmente se convierten casi en el doble que en la eficiencia en sí misma. Mientras mayor sea la verdadera eficiencia, más grande será el error probable en el ratio salida/entrada.
Cálculo de la Eficiencia de la Muestra-Típico motor de 75 hp con “verdadera” eficiencia de carga-plena con 90%.
“Verdadera” energía de entrada = 56 kilowatts divido por eficiencia 0.9, o 62.2 kilowatts. Pero con una tolerancia de ±3% el posible rango de valores medidos seria desde 60.4 a 64.1. El posible rango de salida medida, convertida a unidades eléctricas, sería desde 54.3 a 57.6 kilowatts.
La eficiencia calculada más baja posible es salida mínima dividida por entrada máxima, o 54.3/64.1, que es igual a eficiencia 0.848. La eficiencia más alta posible es salida máxima dividida por entrada mínima, o 57.6/60.4, que es igual a eficiencia 0.953. La eficiencia como se determina por este método tiene un rango desde 84.8% a 95.3%.
Método de Entrada Medida Más Pérdidas Medidas
Es mucho más preciso para comprobar la pérdida de motor total y luego dividir ese número relativamente pequeño por un valor de entrada mucho más grande (salida más pérdida). Substrayendo el resultado de 100 produce la eficiencia del porcentaje.
En el ejemplo presente, asumiendo que la misma tolerancia de ±3% se aplica a la pérdida medida también, este método produce una eficiencia aparente con un rango de 89.4% a 90.6% -una variación mucho más angosta que en los cálculos previos. Este método es obviamente menos sujeto a variación que el simple cálculo de salida/entrada, especialmente desde que la mayoría de las pérdidas pueden medidas con una tolerancia mucho más baja que 3%.
Cálculo de Muestra de Eficiencia-Típico motor de 75 hp con “verdadera” eficiencia de plena-carga de 90%.
El “verdadero” valor es igual a 62.2 menos 56, o 6.2 kilowatts. Si la pérdida es medida con una tolerancia de ±3%, el posible rango de valores es 6.02 a 6.38 kilowatts. El porcentaje de pérdida podría tener un rango de 9.96 hasta 10.56 .
Eficiencia de porcentaje es igual a 100 menos pérdida de porcentaje, y puede tener por lo tanto un rango de 89.4 a 90.1. Eso se aplica al valor mínimo de la entrada medida. Para el valor más grande, 64.1 kilowatts, el rango de la eficiencia similarmente-calculada es de 90.1% a 90.6%.
Efecto de Máquinas Accionadas en la Eficiencia
Los ejemplos provistos hasta el momento asumen que la entrada eléctrica al motor provee solo salida utilizable más pérdida interna. Algunos Accionadores (drives) incluyen otras alternativas. Cualquier correa, engranajes o embragues entre el motor y la máquina accionada tendrán sus propias pérdidas internas que deben ser suministradas desde la energía de entrada del motor, aunque no aparecerá en cualquier test de motor. Otras pérdidas ocurrirán en los conductores de suministro de energía, o en circuitos de campo externos de máquinas DC o síncronas. Esas pérdidas incrementan el costo operativo de accionamiento, pero no son influenciadas por la eficiencia del motor.
¿Qué Son las Pérdidas De motor?
Pérdidas Dependientes-de-Carga
Existen cinco pérdidas internas en un motor de inducción tipo caja de ardilla. Tres de ellas son “dependientes-de-carga,” variando muy cercanamente como el cuadrado de la carga o la corriente de carga. Estas incluyen las pérdidas I2R en el bobinado del estator (“pérdida de cobre”); la pérdida I2R en la caja del rotor (“pérdida de deslizamiento”); y la pérdida de carga parásita (envolviendo numerosos componentes en varias partes de la máquina).
Pérdidas de Carga-Independiente
Las dos pérdidas que quedan son generalmente consideradas pérdidas de “carga-independiente” o “constantes”-pérdida de núcleo o hierro (que decrecerá ligeramente con el incremento de la carga) y la pérdida de fricción y windage.
Las proporciones relativas de estas pérdidas individuales variarán con la velocidad y el tamaño del motor. La Tabla 1 es típica para motores industriales.
Para cualquier máquina (incluyendo cualquier motor eléctrico), la eficiencia alcanzará su máximo valor cuando el total de la pérdida de “carga-dependiente” sea igual a la pérdida de “carga-independiente”. En cualquiera de los otros puntos de carga, la eficiencia decrecerá del valor máximo.
Lo más importante para recordar acerca de la relación de la eficiencia y la carga es que la eficiencia varía solo ligeramente sobre un amplio rango de salida. Eso es porque para los motores de inducción de diseño normal la igualdad de las pérdidas de carga-dependiente y carga-independiente ocurrirán entre carga 60% y 85% (típicamente alrededor de 75%). Por lo tanto, la máxima eficiencia ocurre en ese punto, en lugar de en caballo de fuerza nominal. Aún así, como se muestra en la figura 2, el trazado de la curva de eficiencia vs la carga es bastante “plana”.
Se debe mantener en cuenta, también, que a pesar de que la eficiencia decrece bastante rápido a medida de que la carga decrece por debajo de 50%, la energía que efectivamente se pierde-las mismas pérdidas-es mucho más baja que a plena carga. Esas pérdidas representan costo de energía sin beneficio. Si son pequeñas, su costo es pequeño, a pesar del pobre porcentaje de eficiencia. En otras palabras, un gran porcentaje de una pequeña cantidad de energía es aún una pequeña cantidad. En un punto extremo, la eficiencia más baja posible para cualquier motor es cero-en sin carga. Pero el total de la energía utilizada en ese punto es usualmente insignificantemente pequeño.
Los análisis de costo operativo de equipo, se ocupa más del verdadero uso de la energía que de los valores de eficiencia, por lo que el relacionar la pérdida de watts (W) con la eficiencia (E) es normalmente útil. Aquí está fórmula:
Donde W = pérdida, energía de salida es en watts equivalentes, y E = eficiencia en porcentaje.
Para una salida de un caballo de fuerza o 746 watt:
En cualquier valor de eficiencia, es fácil calcular la pérdida correspondiente en watts por caballo de fuerza. Para un motor de 5 hp, multiplicar W en la fórmula por 5 para obtener pérdida de watts total; para 100 hp, multiplicar W por 100.
y así en adelante. Tales cálculos producen la curva de la Figura 3. Para un motor, en cualquier carga actual, multiplicar los watts de esta curva por el caballo de fuerza actual para obtener la pérdida de motor total.
Esta curva también muestra que mientras más alta sea la eficiencia del motor, menos será el beneficio que se obtiene de aumentarla más. Para exponerlo de forma simple, considere un motor de 1 hp que se somete a dos cambios de eficiencia diferentes. Primero, un cambio de eficiencia en niveles altos, desde 91% a 93%.
El cambio en pérdida de watts por caballo de fuerza es 74 – 56 = 18 watts.
Ahora considere un cambio de eficiencia en niveles más bajos, desde 66% a 68%.
El cambio en pérdida de watts por caballo de fuerza es 384 – 351 = 33 watts.
Por lo tanto, el levantamiento de una baja eficiencia es mucho más beneficioso que levantar una eficiencia alta por la misma cantidad (esto es así porque mientras más alta sea el nivel de eficiencia con el que se comienza, más dificultoso será aumentarlo aún más).
Interpretando la Eficiencia Citada
La discusión que aquí de desarrolla define la eficiencia en general y la eficiencia de motor en particular. El siguiente paso es aprender cómo interpretar los valores de eficiencia de motores que pudiesen aparecer en catálogos y placas.
Valores de Eficiencia de Placa
La práctica de marcar en las placas de motores una eficiencia derivada de un test específico fue originada por la National Electricla Manufacturers Association (NEMA) en 1980. Incluso hoy en día los valores de eficiencia de placas son a menudo entendidos incorrectamente. Estos aplican a máquinas polifásicas AC estándares, pudiendo los motores ser diseños de eficiencia energética o no.
Dos términos que deben ser entendidos son “nominal” y “mínimo” en relación con la eficiencia de plena-carga. NEMA adopto por primera vez la redacción en 1970. Aquí están las últimas definiciones, desde MG 1-1993, Parte 12.58.2:
- Eficiencia de plena-carga Nominal: “. .. no debería ser mayor que la eficiencia promedio de una gran población de motores del mismo diseño.”
- Eficiencia de plena-carga Mínima: Las pérdidas no son más de 20% más grandes que para la eficiencia nominal (de la Tabla 12-8 de NEMA MG 1).
Obviamente, el término “promedio” y “gran población” lleva a una tolerancia inevitable en el valor de eficiencia nominal para cualquier motor. Las variaciones de fabricación y testeo pueden ser minimizadas-nunca eliminadas.
Eficiencia Normal
El promedio de eficiencia nominal no es derivado de cualquier método de testeo que el fabricante podría elegir. Solo un procedimiento es permitido por NEMA y el Acto de Política de Energía de 1992 (EPACT): IEEE Estándar 112, Método B (dinamómetro), versión 1991, como se detalla en MG 1, Part 12.58.1. (la Canadian Standards Association Standard c390 es considerada equivalente.
Ningún estándar alguna vez intento prescribir un valor de eficiencia nominal que tuviera que ser cumplido para que se pudiese vender un motor como una máquina estándar de NEMA. Eso quedaba estrictamente entre comprador y vendedor.
La “crisis energética” de temprano en 1970, de todas maneras, compró un nuevo énfasis en la eficiencia del motor dentro del mercado. NEMA respondió primero requiriendo que valores de eficiencia nominal sean estampados en las placas de las siguientes máquinas estándares: polifásicas, única-velocidad, 900 – 3600 rpm, bajo-voltaje, 1 – 125 caballos de fuerza, Diseños NEMA A o B (o el “equivalente Diseño C,” aunque el significado de “equivalente” aquí no ha sido aclarado). Máquinas multivelocidad, de Diseño NEMA D, de medio-voltaje, síncronas, y de única-fase no estuvieron (y no están) incluidas.
La eficiencia de la placa se requería y aún se requiere que sea un valor elegido de la tabla 12-8 en el estándar NEMA, parte del cual es reproducido aquí en la Tabla 2. En esta tabla, que incluye eficiencias nominales con un rango de 50.5% a 99%, la separación entre dos valores adjuntos cualquiera está basada en las variaciones de fabricación/testeo mencionadas anteriormente. Los números fueron elegidos de manera tal que la variación (establecida en una extensa serie de test round robin en el mismo conjunto de motores por un número de fabricantes) de cualquier número no sería lo suficientemente grande como para ser arrojado al rango del siguiente número. En otras palabras, ninguna superposición era de esperarse. Una diferencia de pérdida de 10% entre números adyacentes en la tabla era considerada adecuada para ese propósito.
El estándar de NEMA con respecto al marcado de placas requiere que la placa identifique la eficiencia marcada como “NEMA Nominal” o la abreviación “NEMA Nom”. No se puede llamar simplemente “eficiencia”.
A pesar del límite de 125 hp en el estándar, los fabricantes comenzaron a marcar eficiencias nominales en placas para motores hasta los 200 hp, y a menudo mucho más alto (ver Figura 4). Desde entonces, NEMA ha revisado sus tablas para establecer límites para motores “enérgicamente eficientes” de hasta 500 hp, dependiendo de la velocidad. De todas maneras, puede los usuarios de motores no puedan confiar tanto en la integridad de esos números cuando los caballos de fuerza del motor caen por debajo del rango gobernante del estándar de NEMA.
Eficiencia mínima
A pesar de que NEMA no incluye la palabra “garantizado”, la interpretación aceptada de la definición “eficiencia mínima” siempre ha sido que cualquier motor individual de ese diseño particular debe alcanzar ese nivel de eficiencia. El valor “nominal” es reconocido como un promedio. Algunos motores lo alcanzan; algunos lo superan; otros pueden no alcanzarlo. Pero el “mínimo” debe ser alcanzado por cada unidad.
En el presente, después del desarrollo de tres generaciones sucesivas de motores más eficientes por algunos fabricantes, muchos productos en el mercado exceden incluso las eficiencias de la Tabla 12-10 por una considerable diferencia. De todas maneras, esa tabla provee un buen punto de referencia con el cual comparar diseños. Es particularmente conveniente para generadores de energía públicos.
Eficiencias Nominales y Programas de Conservación
A través de los Estados Unidos de América y Canadá al menos 150 programas de rebaja alguna vez existieron en los cuales los generadores de electricidad ofrecieron a los clientes incentivos de efectivo para la adquisición de motores más eficientes. La conservación de energía resultante ayudo a los generadores de energía a posponer o eliminar la necesidad de agregar nueva capacidad de generación.
Los generadores de energía rápidamente se dieron cuenta que “cualificar” eficiencias de motores que no pudieron alcanzar los números de placa de alguna tabla de NEMA estaría abierta a cuestionamiento. Si fueran menores que lo que puede alcanzarse con los “estándares” de motores, la rebaja sería difícil de justificar. ¿Por qué pagar a un usuario para comprar un producto que no lleva ningún precio Premium? Si la eficiencia calificativa estuviera justo por encima de lo que Brand X pudiese proveer, luego ese fabricante podría poner el grito en el cielo. Cuando, de todas maneras, un generador de energía elige la Tabla 12-10 como el nivel calificativo, los números se convirtieron en aquellos elegidos por la misma industria del motor para representar máquinas enérgicamente eficientes. Necesitan ser defendidas por el generador de energía ya sea como arbitrario o subjetivo.
Con el advenimiento de la desregulación y la competencia de generadores de energía, la mayor parte de los generadores de energía han reducido o eliminado programas de incentivo, a través de muchos todavía promueven mayor eficiencia de motor de otras maneras. Pero incluso si las rebajas no están involucradas, los valores estandarizados en la Tabla 12-10 de NEMA se han convertido en puntos de referencia lógicos para cualquier evaluación de motor económico. Por esa razón, también, la tabla 12-10 de NEMA fue elegida como el nivel de rendimiento requerido en el Energy Policy Act de 1992 (EPACT), aunque las graduaciones de 250-500 hp, y todos los 900 rpm, fueron excluidos.
Motores de Diseño E: desde 1993, NEMA ha agregado una nueva Tabla 12-11 dando eficiencias para un línea de “Diseño E” de motores de “eficiencia energética”, con rendimiento yendo más allá de los valores legislados. Todavía, pocos motores de Diseño E no están en el mercado, mayormente a causa de sus corrientes de rotor-cerrado mas altas.
Prácticas Cuestionables
Con todo eso como Background, está claro que la eficiencia declarada por el fabricante del motor ha asumido gran importancia. Es necesario para los cálculos financieros el justificar la compra de motores más eficientes. Por un tiempo, también fue importante para obtener un descuento en la compra. En Norte América hoy la eficiencia declarada es requerida por EPACT en los Estados Unidos y el Energy Efficient Act de 1992 en Canadá.
Al mismo tiempo, permanece como una ventaja para el fabricante el presionar la cifra nombrada tan alto como sea posible en comparación con productos competitivos. El usuario debería por lo tanto ser extremadamente cuidadoso en la comparación y obtención de cifras de eficiencia cuando se considera la adquisición de un motor. Muchas son las prácticas cuestionables han provocado incertidumbre a ese proceso.
Una de estas prácticas es la amplia publicación de cifras de catálogo que no concuerdan con ninguna Tabla de NEMA, incluyendo la 12-8. Por ejemplo, dos valores adyacentes en esa tabla son 91.7% y 92.4%. Suponga que un fabricante apropiadamente testea un diseño de 20hp y concluye que la eficiencia de plena-carga es nominal “correcta” de 92.3%. De acuerdo con el estándar de NEMA, el grabado de la placa debe ser el siguiente valor tabulado por debajo de esa cifra de testeo-que sería 91.7%.
Pero el fabricante alega que-como también lo hace el NEMA Technical Committee (Comité Técnico de NEMA)-que la cifra 92.3 es “más cercanamente correcta”. Esto puede ser cierto, pero el estándar de NEMA no permite su uso.
El estándar, de todas maneras, no dice nada acerca de lo declarado en los catálogos. El mismo regula únicamente el grabado de placa. Por lo que el fabricante es perfectamente libre de usar “92.3” en literatura de ventas, mientras usa “91.7” en la placa.
Estudios comparativos han demostrado que, dependiendo de la graduación del motor, hasta un quinto de las eficiencias del catálogo para los motores construidos en EUA no concuerdan con las Tablas de NEMA. A veces estos valores no son siquiera llamados “Nominal NEMA,” que es legítimo. La terminología, como también el número, son requeridos solo en placas de motor.
Por ejemplo, la eficiencia de catálogo podría ser (en porcentaje) 81.0, 82.9, 83.0, o 95.1-valores no tolerados por NEMA. Debido a que no aparecen en la Tabla 12-8 de NEMA, no cumplen con el requisito que dice que deben ser determinados por cualquier test en particular. Más importante es el hecho de que, no cumplen con el requisito que dice que existe una eficiencia “mínima” particular para el diseño. El usuario no puede estar seguro, por lo tanto, de la precisión de un análisis de costo de amortización para ese diseño.
Legislación de Eficiencia Motor
En los Estados Unidos, la eficiencia de motor es solo uno de los muchos temas tratados en el Comprehensive Energy Policy Act de 1992 (Public Law 102-486), referido aquí como “EPACT.” La legislación también cubre los estándares de dispositivo, utilización de gas natural, tecnología de carbón limpio, vehículos eléctricos, incluso cambio climático global, más muchas otras materias.
Hablando ampliamente, de todas maneras, EPACT requiere que a partir del 24 de Octubre de 1997, todos los no-exentos, motores para propósitos generales fabricados para ser utilizados en los Estados Unidos deben alcanzar eficiencias nominales en la Tabla 12-10 NEMA (ver Tabla 4). Estas son Cuadros-T, montado-de-pie horizontal, de velocidad única, Diseño A o B de NIMA de 230/460 volt, a prueba de goteo y totalmente-cerrado, 1200 – 3600 rpm, 1 – 200 hp solamente.
Canadá tiene una legislación similar llamada Energy Efficiency Act (1992). Las Regulaciones de Eficiencia de Energía asociadas fueron publicadas por última vez en Diciembre 1997. En general, esta legislación aplica a motores importados a Canadá y vendidos desde una provincia a otra. Los motores fabricados y vendidos dentro de una provincia son sujetos a una legislación de eficiencia de energía.
La ley Canadiense cubre velocidad-única, motores de inducción de caga de ardilla polifásicos para servicio continuo, abierto o cerrado, Diseño A o B de NIMA. Las eficiencias mínimas son las mismas a aquellas en la legislación EPACT excepto que no se hace ninguna distinción entre cuadros abiertos y cerrados.
Otras características de motores cubiertos por el Canada’s Energy Efficiency Act son: 2, 4 o 6 polos; graduaciones de 600 volts o menos; 50/60 Hz y no más de 200 hp; Cuadro-T con estándar, ejes R o S (cónico o corto); pie, montaje cara-C o brida-D; y código IP 00 a 66 (grado de protección de carcasa).
También están incluidos los Diseño N IEC, motores de servicio S1 con las siguientes características: 2, 4 o 6 polos; graduaciones de 600 volts o menos; 50/60 Hz entre .746 kW y 150 kW; números de cuadro 90 o superior; y código IP 00 a 66.
