Eficiencia energética en detalle de los motores eléctricos (III)

3ª PARTE

Un nuevo artículo sobre la serie de eficiencia energética que iniciamos hace unos días ( ver 1ª PARTE Y 2ª PARTE).

SOBREDIMENSIONADO DE SISTEMAS DE MOTORES

Los sistemas de motores a menudo están sobredimensionados como consecuencia de sucesivos factores de seguridad aplicados en el diseño de un sistema. Las pérdidas magnéticas, fricción, y pérdidas de fricción en el aire son prácticamente constantes como función de la carga. Como consecuencia de ello, nos encontraremos en la industria motores sobredimensionados que presentan no solamente baja eficiencia sino también un factor de potencia bajo. La eficiencia cae significativamente cuando un motor opera ligeramente cargado (por debajo de un 40 % para un motor standard). El factor de potencia cae continuamente desde plena carga. La bajada del rendimiento es especialmente observable en los motores pequeños y los motores de eficiencia standard.

Es por lo tanto esencial dimensionar los nuevos motores correctamente para identificar los motores que funcionan con poca carga durante mucho tiempo. En último término, debe considerarse la economía de sustituir por un motor correctamente dimensionado.

CALIDAD DEL SUMINISTRO ELÉCTRICO

Los motores eléctricos, y en particular los motores de inducción, están diseñados para operar con rendimiento óptimo cuando se alimentan por formas de onda sinusoidales trifásicas con el valor del voltaje nominal. Las desviaciones de estas condiciones pueden causar deterioro significativo de la eficiencia del motor y su vida útil. Los problemas de calidad de la energía eléctrica incluyen desequilibrio del voltaje, caída del voltaje o sobrevoltaje, y armónicos e interferencia. Los armónicos e interferencia pueden ser causados por, así como afectar, a los sistemas de motores.

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Desequilibrio de voltaje

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Los motores de inducción están diseñados para operar en sus mejores condiciones con voltaje sinusoidales equilibrados en tres fases. Cuando los voltajes trifásicos no son iguales, las pérdidas se incrementan sustancialmente. El desequilibrio de voltaje lo causa normalmente una distribución desigual de las cargas monofásicas (por ejemplo los circuitos de iluminación) en las tres fases o condiciones de fallo. El sistema rotando en la dirección opuesta al motor induce corrientes en el motor que calientan el motor y decrecen el par. Incluso un desequilibrio modesto del 2 % puede incrementar las pérdidas un 25 %.

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Nivel de voltaje

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Cuando un motor de inducción opera por encima del voltaje nominal, su eficiencia y factor de potencia cambia. Si el motor esta poco cargado, una reducción de voltaje puede ser beneficiosa, pero para un motor apropiadamente dimensionado el mejor rendimiento se consigue al voltaje nominal. Las fluctuaciones de voltaje están normalmente asociadas con las caídas de tensión óhmicas (IR) o con la potencia reactiva (pobre factor de potencai) en la red de distribución.

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Interferencia electromagnética y armónicos

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Cuando hay presentes armónicos en la alimentación del motor, calientan el motor y no producen par útil. Esto afecta a la vida útil del motor y causa una disminución de la capacidad nominal. Esto ocurre también cuando el motor es alimentado por ASDs (variadores de velocidad ajustable electrónicos) que generan armónicos en sí mismos. El uso de motores eficientes puede aliviar estos problemas debido a su mayor eficiencia y capacidad térmica; también hay motores especialmente diseñadso para su uso con ASDs conocidos como "inverter-duty motors" o motores inversores.

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La reducción de los armónicos es también importante para el beneficio de otros equipos. Los armónicos, causados por cargas no lineales tales como conmutadores de semiconductores en ASDs, se reducirán a un nivel aceptable tan cerca como sea posible a la fuente. La técnica más común usa filtros inductivos/capacitivos en el circuito de entrada ASD para proporcionar una trayectoria en puente para los armónicos y realizan la compensación del factor de potencia.

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IEEE Standard No. 519 (IEEE 1992) contiene las guías generales para el control de armónicos y la compensación de la potencia reactiva de los convertidores de potencia. el coste del filtro de armónicos que cumplen con este standard es típicamente alrededor del 5 % del coste del ASD.

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Los conmutadores de semiconductores de potencia ASD operan con rápidas conmutaciones de velocidad que hacen decrecer las pérdida de energía. Las rápidas transiciones en las formas de onda contienen armónicos de alta frecuencia, incluyendo aquellos en el rango de radio-frecuencia. Estos componentes de alta frecuencia pueden producir interferencias tanto por conducción como por radiación.

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PÉRDIDAS EN DISTRIBUCIÓN

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La disminución de las pérdidas en distribución podemos estudiarlas en los siguientes grupos de acciones:

• Dimensionado del cable: Las corrientes suministradas a los motores en cualquier instalación dada producen pérdidas por efecto Joule (I2R) en los cables de distribución y los transformadores del consumidor. El dimensionado correcto de los cables no sólo permitirá una minimización efectiva en costes de las pérdidas, sino que también ayuda a hacer decrecer la caída de voltaje entre el transformador y el motor. El uso de códigos de diseño para dimensionar conductores nos permite obtener a tamaños de cable que previenen el sobrecalentamiento y permiten una corriente de arranque adecuada a los motores, pero estos cálculos pueden estar lejos de un diseño eficiente energéticamente. Cuando se alimenta un motor de 100 HP localizado a 150 m del transformador, alrededor del 4 % de la potencia se perderá calentando el cable. Redimensionar conductores para disminir estas pérdidas es normalmente económico y se obtienen payback de unos 2 años.
• Compensación de la potencia reactiva: Los motores sobredimensionados en la industria son el principal motivo por el que se produce un pobre factor de potencia (ver Mejorando el factor de potencia de los motores utilizando sistemas automáticos). La compensación de la energía reactiva, mediante aplicaciones de condensadores de corrección, no sólo reduce las pérdidas en la red sino que también permite el uso de toda la capacidad de potencia de los componentes del sistema de potencia (cables, transformadores, seccionadodores, etc.). Se reducen también las fluctuaciones de voltaje ayudando al motor a operar más próximo a la tensión de diseño.

Bibliografía: Kreith & Mahajan. Handbook of Energy Efficiency and Renewable Energy.