Eficiencia energética en motores de inducción (3ª PARTE)

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RPM a plena carga

El campo magnético del estator en un motor trifásico rota a una velocidad que se determina por la frecuencia de la línea y por el número de polos. Esta velocidad se llama “velocidad síncrona”. Con energía eléctrica de 60 Hz, esta velocidad es de 3.600 RPM para un motor de dos polos, 1800 RPM para un motor de 4 polos, 1200 RPM para un motor de 6 polos. En los motores monofásicos, la velocidad síncrona se calcula de la misma forma, incluso aunque el campo no rote.

La velocidad actual de un motor de inducción ordinario con carga a capacidad nominal es un porcentaje menor que con velocidad síncrona. Este diferencial de velocidad es necesario para la operación de un motor de inducción. La diferencia de velocidad es necesaria para la operación de un motor de inducción. La diferencia de velocidad entre el rotor y el campo magnético y el estator es que induce la fuerza magnética que hace girar el motor.

La velocidad actual del motor cuando opera con un par a plena carga está indicada en la placa de características. En otras cosas siendo igual, un motor más eficiente tiene menos slip a una carga dada, ya que su velocidad es ligeramente más alta.

La cantidad de slip tiene un efecto muy grande en el par, incluso aunque representa solamente un pequeño cambio fraccional en velocidad.

Puede pensarse que esta diferencia en velocidad es inconsecuente en términos de consumo energético, pero puede ser significativa si el motor se usa para accionar una bomba o ventilador. Con tales cargas, el requerimiento de potencia se eleva profundamente con la velocidad. El caso extremo existe donde un ventilador o bomba descarga en un sistema donde el caudal no está regulado. En este caso, los requerimientos de energía son proporcionales a la tercera potencia de velocidad.

Por ejemplo, esto es verdad para un ventilador descargando en un conducto abierto, o una bomba descargando aguas residuales. En estos ejemplos, si la velocidad se incrementa un uno por ciento, la potencia requerida se incrementa en un tres por ciento. En tales casos, los requerimientos de potencia incrementados pueden cancelar gran parte de las ventajas de eficiencia del motor de mayor eficiencia.

Pero esta relación bien conocida de la tercera potencia no ocurre en todas las aplicaciones. Si la resistencia a la que se enfrenta el ventilador o bomba se mantiene constante, el incremento en la potencia es proporcional a la primera potencia de la velocidad. Por ejemplo, los sistemas de manejo de aire VAV y los sistemas hidrónicos con válvulas de control tienden a mantener una presión constante. En tales sistemas, un incremento de un uno por ciento de la velocidad puede incrementar los requerimientos de potencia entre un uno y un dos por ciento.

Una forma de tratar con este problema es seleccionar el motor de alta eficiencia de reemplazamiento para tener la misma velocidad que el motor original. Sin embargo, es posible que no podemos encontrar tales motores sin comprometer eficiencia o coste. En la práctica, no podemos ajustar la entrada de potencia en bombas o ventiladores con exactitud de un uno por ciento. En vez de hilar fino de esta manera, ajustar el ventilador o bomba para acoplar su requerimiento de carga al mismo tiempo que se actualiza la eficiencia del motor.

Con ventiladores, hay una gran variedad de métodos para reducir la eficiencia de salida. Con las bombas de transmisión directa, el ajuste del impulsor es la única forma de reducir una excesiva potencia de salida en una bomba. Estos métodos típicamente producen reducciones de potencia que van del 10 al 40 %. Con cualquier tipo de equipo impulsado por correas, podemos ajustar la velocidad cambiando el ratio del tamaño de la polea de transmisión.

La velocidad a plena carga del motor está relacionada con sus características de par. El par más alto se alcanza diseñando el motor para tener un mayor slip.

Temperatura de operación

El fallo más común en motores es el fallo de aislamiento y fallo de rodamiento. Ambos están relacionados con la temperatura de operación. La experiencia sugiere que la mitad de todos los fallos del motor declina exponencialmente con el incremento en la temperatura de operación. La experiencia sugiere que la mitad de todos los fallos de los motores tienen lugar por el efecto a largo plazo de la temperatura más alta de los devanados. Se estima que un incremento de 10 º C en la temperatura del devanado reduce la vida del aislamiento a la mitad, y la vida de los rodamientos aproximadamente la cuarta parte.

Cuando usemos motores sometidos a temperatura ambiente elevada debemos plantear la utilización de aislamiento resistente a la temperatura. En Estados Unidos, NEMA estableció cuatro clases de aislamiento, que se basan en la temperatura de operación del motor. Para incrementar la tolerancia a la temperatura, estas clases son A, B, F y H. La Clase B es la más común en los motores convencionales, y la clase F es el motor más común en motores de alta eficiencia.

En la mayoría de las aplicaciones, la temperatura de operación del motor depende más de la carga que de la temperatura ambiente. Los motores totalmente cerrados no pueden librarse del calor por ventilación directa, así que dependen de la conducción a través de la carcasa. Su temperatura interna en gran medida depende de la velocidad de generación de calor en el interior del motor. Cerca de la plena carga, un motor se encuentra bastante caliente. Por ejemplo, un motor de Clase F con factor de servicio de 1,15 tiene una temperatura permitida de 115 ºC por encima de la temperatura ambiente de 40 ºC, con una temperatura máxima de 155 ºC.

Si un motor debe operar en un ambiente de alta temperatura, hay dos formas de conseguirlo con una vida útil normal. Una de las formas es conseguir un motor con un aislamiento clasificado para temperaturas más altas. La otra es conseguir un motor con mayor calificación de potencia, así que el motor opera a un porcentaje inferior de plena carga.

Otros factores que pueden elevar la temperatura del motor son las siguientes:

·         Arranque frecuente: La corriente de arranque de un motor es varias veces la corriente de funcionamiento. El calor generado por un ciclo de arranque es disipado lentamente, así que es frecuente una elevación drástica de la temperatura.

·         Usando el motor con variadores de frecuencia variable: Algunos variadores de frecuencia variable producen una cantidad sustancial de energía distorsionada que el motor convierte en calor. En aplicaciones de par constante los motores se sobrecalientan porque la corriente queda alta ya que el rotor y el ventilador de ventilación funcionan despacio.

·         Pobre calidad de la energía. Un motor no puede usar eficientemente energía eléctrica que esté distorsionada o con ruido eléctrico. El motor convierte mucha de esta energía errática en calor. Si el suministro de energía contiene una cantidad sustancial de distorsión, el motor funciona más caliente.

·         Equilibrio de fase: Pequeños desequilibrios pueden incrementar seriamente la temperatura del motor.

·         Ambiente sucio: Si el motor usa el aire ambiental para ventilación interna, la suciedad en el medio ambiente rápidamente ensucia el interior del motor y reduce la transferencia de calor. Un revestimiento de suciedad reduce el rechazo de calor en un motor totalmente cerrado.

·         Altitudes elevadas: El aire en el interior y exterior del motor se lleva la mayor parte del calor del motor. El aire es menos denso en altitudes elevadas, causando que el motor funcione más caliente.

Los motores de alta eficiencia no funcionan más fríos que los motores convencionales. Aunque los motores de alta eficiencia generan menos calor interno, el tamaño del ventilador de enfriamiento puede reducirse de forma que baje el consumo energético.

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