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Análisis de procedimientos y ensayos para la determinación del rendimiento en motores de inducción trifásicos

por Noelia Álvarez Fernández - Ing. Técnica Industrial, Especialidad en Electricidad

El presente proyecto analiza diferentes métodos para la determinación del rendimiento de motores de inducción trifásicos hasta 90kW de 2 y 4 polos, basándose en algunas de las diferentes normativas existentes.

En él, se desarrollarán los diferentes protocolos y hojas de cálculo con el objetivo de crear una guía de utilización específica lo más clara y sencilla posible.

las normativas existentes son múltiples, por lo que este proyecto se centrará en las normativas europeas IEC 60034-2 y IEC 61792, y en la normativa americana IEEE112 (métodos B y E).

En cada normativa estudiada se analizarán los diferentes ensayos necesarios para la determinación del rendimiento y posteriormente se prepará una hoja de cálculo que permita obtener el rendimiento del motor mediante distintos métodos con el objeto de poder realizar una posterior comparación entre ellos.

Se han analizado ensayos en tres motores de inducción de 1,5kW y se ha aplicado la normativa estudiada para la determinación de su rendimiento.

Finalmente, se ha realizado una comparación entre los métodos propuestos por las diferentes normas, y se ha elaborado un presupuesto del equipo de medida necesario en cada caso.

Introducción

Los motores eléctricos industriales y sistemas motores en la industria y el sector terciario son responsables de aproximadamente un 40% de la energía consumida en el mundo.

Del total de consumo de electricidad en Europa en el año 2000, un 65% fue consumido por sistemas motores, según datos del Instituto del Cobre. Diversos estudios de ahorro energéticos desarrollados en los últimos años han calculado además que se podría ahorrar alrededor de un 29% de los kWh consumidos por dichos sistemas, lo que equivaldría a un 7% del total de la electricidad consumida en Europa.

En general, los motores eléctricos son componente de un sistema motor, siendo responsables de la conversión de la energía eléctrica en energía mecánica. Por lo tanto, podríamos decir que el consumo de un sistema motor equivale a la electricidad consumida por sus motores.

Pequeñas mejoras en la eficiencia podrían generar un ahorro importante en costes de energía. he aquí algunas sugerencias:

  • Utilización de motores de alto rendimiento. Ello podría mejorar la eficiencia en un valor del orden del 3 al 8 por ciento. 
  • Un apropiado dimensionamiento del motor a los requerimientos de la carga, siendo conveniente trabajar entre un 75% y un 100% de plena carga.
  • El uso de variadores de velocidad, donde sea apropiado, para ajustar la velocidad y el par a los requerimientos de la carga.
  • Optimizando los sistemas en general, incluyendo tuberías, engranajes y la eficiencia de los equipos de uso final (ventiladores, bombas, compresores, etc.)
  • Una política apropiada de mantenimiento y reparación, ayuda a minimizar las pérdidas por rozamiento y calor.
  • Mantener niveles aceptables en la calidad de la alimentación.Una distribución de cargas igual en las tres fases del servicio eléctrico ayudaría a garantizar un correcto suministro, disminuyendo además las pérdidas de voltaje.

Según datos del Instituto Europeo del Cobre, la Industria en la Union Europea podría ahorrar mas de 200 000 millones de kWh / por año, invirtiendo en la mejora de la eficiencia de motores eléctricos, lo que equivale a reducir las emisiones de CO2 en 100 millones de toneladas por año o mas de un 25% de los compromisos europeos para cumplir el protocolo de Kyoto.

Bajo este potencial de ahorro y mejora del medio ambiente, los diferentes países del mundo han desarrollado políticas energéticas para incentivar el uso de motores eléctricos de elevado rendimiento con intención de poder entender su evolución y ayudar al consumidor o al fabricante de maquinaria.

En la siguiente tabla resumen se muestran las diferentes legislaciones y acuerdos voluntarios establecidos en todo el mundo.

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Rendimiento de un Motor

Puede decirse que el rendimiento de un  motor eléctrico es la medida de la capacidad que tiene el motor para convertir la energía eléctrica en energía mecánica. No toda la energía que un motor recibe, se convierte en energía mecánica.

No toda la energía eléctrica que un motor recibe, se convierte en energía mecánica.

En el proceso de inversión se generan pérdidas, por lo que la eficiencia nunca será del 100%. El rendimiento del motor es definido como:

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Pérdidas en los motores de Inducción

Un punto importante por el cuál se tiene muy presente el rendimiento de un motor son las pérdidas que se producen en el mismo. Cuatro tipos de pérdidas son producidas en un motor: 

  • Pérdidas eléctricas (también llamadas pérdidas Joule): éstas son expresadas como I2R, y por consiguiente se incrementan rápidamente con la carga del motor. Éstas pérdidas aparecen en forma de calor consecuencia de la resistencia eléctrica ejercida por los bobinados del estator y las barras conductoras del rotor entre otras.
  • Pérdidas magnéticas: Éstas se producen en las láminas de acero del estator y del rotor y son debidas al ciclo de histéresis y corrientes de Foucault.
  • Pérdidas mecánicas: Éstas pérdidas son debidas a la fricción entre rodamientos y a las pérdidas por resistencia del aire al giro del ventilador y otros elementos rotativos del motor.
  • Pérdidas adicionales en carga: Éstas pérdidas están relacionadas con la carga y generalmente supone que varían con el cuadrado del par de salida. La naturaleza de éstas pérdidas es muy compleja, pero alguno de los elementos que influyen en éstas pérdidas son: el diseño del devanado, la relación entre la magnitud del entrehierro y la abertura de las ranuras; la relación entre el número de las ranuras del estator y del rotor, la inducción en el entrehierro; las condiciones de superficie del rotor, el tipo de contacto superficial entre las barras y las laminaciones del rotor.

La figura siguiente muestra un ejemplo de la distribución de las pérdidas en un motor de 1,5 kW en función de la carga.

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Normas Internacionales para la medición del rendimiento en motores de inducción

Los valores de rendimiento suministrados por el fabricante han de ser determinados de acuerdo con las normativas internacionales. las analizadas en este proyecto son: 

  • IEC 60034-2 (Normativa Europea)
  • IEEE 112 (Normativa Americana)
  • IEC 61972 (Normativa Europea)

A partir del estudio realizado, se han elaborado hojas de cálculo específicas y protocolos de actuación para la aplicación de cada norma.

IEC 34-2: ésta norma incluye varios métodos y procedimientos para la determinación del rendimiento. Éstos métodos pueden ser subdivididos en dos categorías: 

  • Método Directo: la potencia absorbida y la potencia suinistrada en el eje del motor son medidas directamente (método 2 del presente proyecto).
  • Método Indirecto: se mide directamente la potencia absorbida y las pérdidas del motor son determinadas de forma de forma separada para el cálculo de la potencia útil (método 1 del presente proyecto).

Los requisitos de esta norma son:

  • Un ensayo en vacío para medir las pérdidas constantes (pérdidas en el hierro y por rozamiento y ventilación)
  • Las pérdidas joule en el estator son evaluadas utilizando la resistencia medida en corriente continua y corregida a la temperatura de referencia (esta temperatura depende de la clase de aislamiento de la máquina independientemente de la temperatura real alcanzada durante los ensayos en carga).
  • Las pérdidas joule en el rotor quedan definidas como: 

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  • Las pérdidas adicionales son asumidas como el 0,5% de la potencia absorbida a carga nominal.

IEEE 112BEs el más importante método en el campo de la industria. Sus requisitos particulares son los sigueintes:

  •  Ensayo térmico a carga nominal: la máquina trabaja a carga nominal hasta alcanzar la temperatura específica del motor. Al final de este ensayo debe medirse la resistencia del estator.
  • Las pérdidas adicionales obtenidas a partir del ensayo en carga se corrigen mediante una regresión lineal.
  • las correcciones más significativas, para el cálculo del rendimiento, son el deslizamiento, las pérdidas adicionales, y la resistencia en el estator en cada punto.

IEC 61972: Esta norma tiene una estructura similar a la IEEE 112. Sus dos métodos (método 1 y 2) presentan las siguientes diferencias más significativas:

  • Ensayo en vacío: se realiza una correción de las tensiones en vacío y dos rectas de separación de pérdidas.
  • En el método 2 de esta norma, se calculan las pérdidas adicionales nominales mediante una función logarítmica. Para el resto de los puntos, se tiene en cuenta una relación de corrientes (ver Tabla 2).

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 Presupuesto

A continuación se presenta el resultado del presupuesto elaborado para la implementación del banco de ensayos y equipos de medida necesarios de potencia y precisión. 

Para la elaboración del presupuesto se han efectuado tres grupos diferentes, según el rango de potencia del motor a ensayar, y se ha diferenciado básicamente el equipo necesario en función de si es necesario efectuar medida del par en el ensayo en carga.

En la tabla siguiente se compara el presupuesto final de la IEC60034-2 sin medida de par, la IEEE 112B con medida de par, y la IEC 61972 con y sin medida de par para los tres rangos de potencias.

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Conclusiones

Las conclusiones desarrolladas a continuación están basadas en los resultados experimentales obtenidos en el laboratorio tras el ensayo de tres motores de inducción trifásicos de jaula de ardilla de 1,5kW, sigueindo las Normativas Internacionales y métodos detallados en el punto 4 de este documento.

De los motores ensayados, hemos seleccionado el motor Siemens de 1,5 kW como base para este análisis. Como punto de partida queda claro que el rendimiento obtenido tras los diferentes ensayos presenta variaciones significativas como queda de manifiesto en la figura 2.

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Sabemos que el cálculo del rendimiento es la relación existente entre la potencia útil del motor y su potencia absorbida. Según los métodos analizados en este proyecto la potencia útil se puede calcular a partir de la medida directa del par o a partir de un sumatorio de pérdidas.

En la figura 2 queda de manifiesto esta diferencia de cálculo (ver IEC 34-2 método 2). Éste método directo es el único que calcula la potencia útil sin tener en cuenta ningún tipo de pérdidas. Por este motivo no será incluído en el siguiente análisis.

Análisis de las pérdidas

En la gráfica presentada a continuación se pueden ver las pérdidas obtenidas tras la realización de los diferentes métodos de ensayo.

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Como se puede observar, las pérdidas debidas al rozamiento y ventilación son constantes independientemente del método utilizado.

Una cosa parecida ocurre con las pérdidas en el hierro, aunque en el caso de la IEC 61972, para el cálculo de éstas pérdidas las tensiones obtenidas en el ensayo en vacío son corregidas, a fin de compensar la influencia de la caída e la tensión en la resistencia del estator, cosa que no se tiene en cuenta en los otros métodos.

Las pérdidas joule en el rotor, representan aproximadamente el 20% de las pérdidas totales (ver figura 4). Podemos observar ligeras variaciones debido a las correcciones que se realizan, en el deslizamiento y en la resistencia del estator a causa de la temperatura en los métodos de las normas IEEE 112 e IEC 61972.

las pérdidas joule en el estator representan un valor muy importante en el total de las pérdidas, aproximadamente un tercio de las pérdidas totales.

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 Podemos observar que la diferencia más significativa, entre los diferentes métodos, se encuentra en el valor de ls pérdidas adicionales , las cuales son determinadas de forma diferente, ver tabla adjunta.

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 Pérdidas adicionales y rendimiento del motor

En base a la siguiente comparaativa, queda claro que en general, la IEC 60034-2 infravalora el valor real de las pérdidas adicionales ya que las impone en lugar de calcularlas (ver tabla 2). Esto sucede en forma clara en pequeñas potencias, mientras que para potencias más elevadas esta diferencia se corrige ligeramente.

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Como se puede observar en la figura 6, el hecho de asumir un valor prefijado del o,5%, de la potencia absorbida para el cálculo de las pérdidas adicionales en el método 1 de la IEC 60034-2, hace que los valores de rendimiento obtenidos mediante la IEEE 112 B y esta norma sean diferentes.

El método empleado en la norma IEC 34-2 nos hace obtener un valor de rendimiento sobrestimado ya que en la mayoria de los casos, particularmente en los motores de rango bajo y medio, las pérdidas asumidas están por encima del 0,5%.

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Esta diferencia en cuanto al cálculo de las pérdidas adicionales junto con las correcciones realizadas en los diferentes métodos (ver tabla 5), hace que la clasificación de los motores varíe en función de la norma aplicada para el cálculo del rendimiento.

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Por otro lado, queda claro que la nueva norma IEC 61972 trata de seguir el camino establecido por la norma IEEE 112 B confirmando esta norma como el método más importante internacionalmente en el cálculo de la determinación del rendimiento de motores de inducción trifásicos.