20 febrero 2010

Eficiencia energética en detalle de los motores eléctricos (I)



(PRIMERA PARTE)
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Los sistemas de motor son el tipo de carga eléctrica más importante, pues los motores están acoplados desde a pequeños aparatos a bombas que impulsan motores multi-megavatios y ventiladores en plantas de potencia. Los motores eléctricos consumen la mitad de la electricidad total, y la industria es responsable de aproximadamente dos tercios del consumo de electricidad. En los sectores residencial y comercial consumen ligeramente menos de la mitad de la electricidad. El coste energético es inmenso; aproximadamente $100.000 millones solamente en Estados Unidos. Hay un gran potencial de ahorro energético y dinero incrementando la eficiencia de motores y sistemas de motor
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En muchos artículos hemos venido hablando de aspectos específicos de la eficiencia energética en motores eléctricos, y en esta ocasión nos centraremos en hacer una descripción de la disciplina de eficiencia energética aplicada a los motores. En primer lugar citamos los artículos en los que hemos hablado de motores:
Tipos de motor
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Hay una gran variedad de motores, basándonos en el tipo de suministro de energa (AC o DC) que alimenta los bobinados, así como las diferentes tecnologías que generan los campos magnéticos en el rotor y en el estátor.
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Los motores síncronos se usan en aplicaciones que requieren velocidad constante, alta eficiencia de operación y factor de potencia controlable. La eficiencia y el factor de potencia son particularmente importantes por encima de 100 HP. Aunque los motores de corriente continua son fáciles de controlar, tanto en términos de velocidad y par, su producción es cara y fiabilidad más modesta. Los motores de corriente continua se usan para algunas aplicaciones industriales y aplicaciones de tracción eléctrica, pero su importancia está menguando.
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Eficiencia de sistemas de motor
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La eficiencia de un proceso de transmisión de motor depende de varios factores que pueden incluir:
  • Eficiencia de motores.
  • Controles de velocidad del motor.
  • Dimensionado apropiado.
  • Calidad del suministro energético.
  • Pérdidas de distribución.
  • Transmisión.
  • Mantenimiento.
  • Eficiencia mecánica del equipo de impulsión (bomba, ventilador, etc).
Es muy importante decir que el diseño del proceso en si mismo influye en la eficiencia total del proceso (unidades producidas/kWh o servicio producido/kWh). En realidad, en muchos sistemas la oportunidad más grande para la eficiencia energética está en el uso mejorado de la energía mecánica (usualmente en forma de fluidos o materiales sólidos en movimiento) en el proceso.
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Si nos fijamos en los motores de inducción, es importante indicar que las pérdidas son una función de la carga. En cargas bajas las pérdidas magnéticas del núcleo (histéresis y corrientes parásitas) son dominantes, mientras que las pérdidas resistivas del cobre a altas cargas son las más importantes. Las pérdidas mecánicas también están presentes en forma de fricción en rodamientos y en ventilación.
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Eficiencia energética y motores premium
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Desde la II guerra mundial hasta principios de los 70, la tendencia fue diseñar motores ineficientes que minimizasen el uso de materias primas (cobre, aluminio y acero de silicio). Estos motores de inducción tienen costs iniciales más bajos y son más compactos que las generacioens previas de motores, pero sus costes de funcionamiento son más altos. A finales de los 90 comenzaron a desarrollarse motores premium cuya eficiencia mejorada iba del 4 % para un motor de 1 hp al 2 % en el motor de 150 hp. Los motores premium cuestarn aproximadamente un 15-25 % más que los motores standard. En nuevas aplicaciones, y para motores con un gran número de operaciones, los paybacks son normalmente inferiores a 4-2 años para los motores premium.
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Eficiencia en los motores rebobinados
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Cuando un motor falla, el usuario tiene la opción de tener que reconstruir, o comprar un motor eficiente. Excepto para los grandes motores con bajo número de operaciones anuales, es típicamente muy efectivo en costes sustituir un motor que ha fallado por otro eficiente. Aunque la reconstrucción de un motor es una alternativa de bajo coste, la eficiencia de un motor reconstruido puede disminuir por el uso de métodos inapropiados al desmontar el viejo bobinado. En promedio, la eficiencia de un motor decrece alrededor de un 1 % cada vez que el motor es rebobinado.
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El uso de altas temperaturas (por encima de 350 ºC) puede dañarse el aislamiento interlaminar y distorsionar el circuito magnético con impacto particular en la forma del hueco de aire, que lleva a un núcleo substancialmente más grande y corrientes perdidas. Antes de rebobinar cualquier motor, se controlará por daños mecánicos y la condición del circuito magnético se ensayará con un medidor electrónico de pérdidas del núcleo de aceero. Hay técnicas disponibles para eliminar los viejos bobinados, incluso los revestidos con barnices expoxy, que no exceden de 350 ºC.
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Otros desarrollos de motores eficientes
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En los motores de baja potencia, recientes tecnologías eficientes son la tecnología de imanes permanentes y los motores de reluctancia. Estos motores avanzados no tienen pérdidas en el rotor y se caracterizan por par y ratio de potencia/peso más altos. En motores de potencia fraccionaria, tales como los de los electrodomésticos dle hogar, las mejoras de eficiencia pueden alcanzar un 10 % - 15 % comparado con los motores de inducción mono-fásicos. Comparados con los motores de polo sombreado comúnmente usados en pequeños ventiladores, los tipos de motor mejorados pueden tener más del doble de eficiencia.
  • Motores de iman permanente: En las últimas décadas, ha habido progreso sustancial en el área de los materiales de imán permanente. Están disponibles materiales de imán permanente de alto rendimiento tales como las aleaciones de neodimio-hierro-boro, con una gran densidad de energía y coste moderado, que ofrecen la posibilidad de conseguir motores de alta eficiencia y motores compactos de peso ligero. En los diseños modernos los imanes permanentes se usan en el rotor. Las corrientes en los devanados del estator son conmutadas por dispositivos de potencia semiconductores basados en la posición del rotor, normalment detectados por sensores Hall. El rotor rota en sincronismo con el campo magnético creado por los serpentines del estátor, con la posibilidad también de un control de la velocidad exacto. Debido a que estos motores no tienen escobillas, y con circuitos de control adecuados pueden alimentarse con DC, por lo que a veces se llaman motores DC sin escobillas.
  • Motores de reluctancia conmutada. Los motores de reluctancia conmutada son motores síncronos cuyo devanado del estator es conmutado por un conmutador de potencia con semiconductores que crean un campo rotatorio. el rotor no tiene devanados, está hecho de hierro con polos salientes. Los polos del rotor son magnetizados por la influencia del campo rotatorio del estator. La atracción entre los polos magnetizados y el campo rotatorio crea un par que mantien el rotor moviéndose a velocidad síncrona. Estos motores tienen más eficiencia que los motores de inducción, son simples de construir, robustos, y producidos en masa tienen un precio competitivo con los motores de inducción.
    Estos motores pueden usarse en aplicacones de alta velocidad sin necesidad de engranajes.
(Ver segunda parte aquí).

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Palabras clave: Shaded-pole motor, neodymium-iron-boron alloys, switched reluctance motor .