Eficiencia energética en motores de inducción (1ª PARTE)

En el mundo se produce mucha energía y es probable que más de la mitad de esa energía sea consumida por los motores. Mucha de esta energía es consumida por los grandes motores y casi todos estos son motores de inducción trifásicos.

En el sector industrial, los grandes motores suponen la mayoría del consumo de energía total. En el sector comercial, los motores son más pequeños en tamaño y suponen una fracción más pequeña del consumo de energía total, pero todavía son candidatos principales para mejoras de eficiencia.

Instalar motores de alta eficiencia

La eficiencia de los motores se ha incrementado en décadas recientes por mejora en el diseño de los motores y procesos de fabricación. Actualizar a motores eficientes es normalmente rentable, excepto para las unidades más pequeñas, porque los motores son relativamente baratos en relación al coste de la energía que consumen.

La mejora en la eficiencia ha recibido la mayor parte de la atención en la fabricación de motores trifásicos. La mejora en la eficiencia en los motores monofásicos, que son más pequeños, está limitado actualmente al ofrecimiento de modelos de alta eficiencia pero limitándonos a los rangos de tamaños y tipos disponibles.

El esfuerzo adicional requerido es mínimo. Adicionalmente a la especificación de las características necesarias usuales (velocidad, voltaje, par, etc.), también se especifica la eficiencia del motor.

Actualización a motores eficientes en instalaciones existentes

Si falla un motor, el coste de reemplazar por un motor de alta eficiencia es pequeño en comparación con el coste de energía ahorrado, probado que el motor funciona durante un número razonablemente grande de horas al año.

Pero la duda surge cuando un motor ineficiente, un “viejo” motor, está funcionando bien aún. ¿Merece la pena sustituirlo por un motor de alta eficiencia? La respuesta a esta pregunta es individual a cada motor y debe ser estudiada en cada caso. Para motores más grandes que unos pocos H.P., la respuesta depende de la mejora porcentual de eficiencia alcanzada, el número de horas de operación, los costes de la electricidad, y la tasa de recuperación de información. También hay que considerar que los motores más pequeños son más caros en relación al coste de la energía que consumen.

Características de eficiencia de los motores

Hay diferencias sustanciales en la eficiencia de los motores para un tipo y tamaño dado. En la siguiente figura se indica el rango de eficiencias a plena carga de tipos comunes de motores trifásicos.

La eficiencia en carga parcial es importante en aplicaciones que implican operación extendida a cargas reducidas. El tamaño es un factor principal en eficiencias parciales.

Los motores de potencias fraccionadas son menos eficientes que los grandes motores por razones que son ineludibles. También, los pequeños motores han sido menos eficientes por motivos prácticos y económicos.

Los motores pequeños pueden tolerar pérdidas mayores debido a que pueden disipar mejor el calor que los grandes motores. Esto se debe a que el ratio área de superficie a volumen se incrementa cuando un objeto es más pequeño. Asimismo, tienden a usarse en aplicaciones que permiten construcción abierta ventilada.

Características constructivas de los motores de alta eficiencia

Las mejoras recientes en la eficiencia de los motores eléctricos no son alcanzados por nuevas características, sino mejorando los componentes básicos que todos los motores tienen. Las mejoras en eficiencia incluyen:

·         Cable con una resistencia más baja, que reduce la generación de calor en los bobinados del estator. La resistencia más baja se consigue principalmente haciendo los conductores más gruesos. Esto requiere reducir el espesor del aislamiento, lo cual requiere materiales de aislamiento mejorados. También, el espacio en los bobinados del estator puede incrementarse con una mayor sofisticación en el diseño del núcleo de acero que mantiene los bobinados.

·         Diseño mejorado del circuito eléctrico del rotor. La corriente del rotor en un motor de es inducida por el campo magnético del bobinado del estator. La resistencia de estas corrientes determina la potencia y par del motor. El voltaje inducido es bajo, así que los conductores del rotor deben tener muy baja resistencia para permitir las altas corrientes requeridas. Reduciendo la resistencia de los conductores del rotor reducen las pérdidas de calor e incrementan la producción de energía en relación a la entrada de energía.

·         Permeabilidad más alta en los circuitos magnéticos del estator y rotor: La permeabilidad del núcleo de acero afecta la resistencia del campo magnético que se induce en el acero para una cantidad de excitación dada.

·         Laminación de acero más delgada en los circuitos magnéticos: Esto reduce las corrientes parásitas, que son corrientes eléctricas circulares inducidas en el acero de los circuitos magnéticos. Estas corrientes disipan energía calentando el acero. Esto previene la formación de circuitos magnéticos (el núcleo) en la laminación del acero que es más delgada que el diámetro de las corrientes parásitas.

·         Forma mejorada del núcleo del estator de acero y circuitos magnéticos del rotor, para incrementar la fuerza producida en relación a las pérdidas.

·         Huecos más pequeños entre estator y rotor, para reducir pérdidas de flujo magnético.

·         Diseño de ventiladores internos, aletas de refrigeración, y paso del aire de refrigeración para reducir el requerimiento de energía de enfriamiento. Los motores de alta eficiencia producen menos calor, así que necesitan menos refrigeración. También pueden diseñarse para sobrevivir a temperaturas más altas.

·         Rodamientos con fricción más baja.

Factores de eficiencia adicional en motores monofásicos

La mejora en la eficiencia de los motores monofásicos implica las mismas técnicas listadas arriba. Adicionalmente, el diseño de las características de arranque de los motores monofásicos puede ser mejorado.

El campo magnético del estator de un motor monofásico no rota, al contrario del campo del estator de un motor trifásico. Por lo tanto, cualquier motor monofásico requiere un método separado para conseguir que arranque. Los nombres de los diferentes tipos de motores monofásicos se basan en los métodos de arranque.

Todos los métodos de arranque en motores monofásicos cusan pérdidas de eficiencia, pero difieren significativamente en este sentido. En orden decreciente de eficiencia, los principales tipos de motores monofásicos son:

·         Arranque con condensador.

·         Fase dividida.

·         Polo sombreado.

Este mismo ranking también se aplica al par de arranque, y al coste. En otras palabras, se paga más por una eficiencia más alta y par más alto.

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