El primer motor eléctrico industrial probablemente se consideró un gran avance en su día, incluso cuando había mucho por mejorar. A medida que la tecnología ha avanzado, los fabricantes de motores han desarrollado mejores motores que utilizan menos energía y reducen costos. Si bien es natural que los fabricantes empleen la última tecnología en la creación de los motores eléctricos, han sido las mejores en los métodos de producción quienes han sido instrumentales para mejorar la eficiencia de estos motores.
Considere las siguientes estadísticas:
- El mercado eléctrico mundial fue valorada en más de $ 70 mil millones de dólares en 2015 y se espera que crezca a una tasa de crecimiento anual compuesta (CAGR) del 4,2% del 2017 hasta el 2025.
- El uso de electricidad en el mundo se estima que alcanzará 35 billones de kilovatios hora en 2035, y casi el 28% será utilizado por los motores eléctricos.
- El noventa por ciento de los motores instalados funcionan continuamente a toda velocidad y utilizan sistemas mecánicos para regular la potencia de salida.
¡El futuro parece prometedor!
Antes de entrar en la eficiencia de los motores eléctricos, es importante entender más acerca de los motores que comúnmente se utilizan en las industrias.
Un motor de CC sencilla convierte corriente eléctrica directa en energía mecánica. Por lo general viene equipado con un alto número de bobinas, que lo hacen eficiente. Sin embargo, puede resultar en una gran cantidad de energía desperdiciada debido a la fricción entre el conmutador y las escobillas, así como la pérdida de torque en ciertos ángulos. Por otra parte, si el motor se queda atascado al intentar levantar una carga pesada, las bobinas del rotor pueden sobrecalentarse y fundirse fácilmente. Esta es la razón por la que muchos aparatos electrodomésticos industriales y pesados utilizan motores eléctricos.
¿Cómo los fabricantes pueden ahorrar electricidad con motores eléctricos?
La forma de un motor eléctrico está diseñado y la forma en que se utiliza son los dos factores determinantes que pueden ayudar a ahorrar electricidad. Veamos el aspecto del diseño en primer lugar.
El uso de cobre en las bobinas del estator
En lo que se refiere a la conductividad del motor, siempre es mejor ir por bobinas de cobre en lugar de los de aluminio. Esto es porque la conductividad del aluminio es inferior a la del cobre. Para seguir el ritmo de bobinas de cobre, cables de imán de aluminio pueden necesitar secciones transversales más grandes para que puedan proporcionar el mismo nivel de conductividad. Los devanados con hilo de aluminio pueden tener un mayor volumen en comparación con un motor de alambre de cobre del mismo tamaño.
Si usted todavía está utilizando bobinados de aluminio, asegúrese de que los extremos del alambre magneto de aluminio están conectados correctamente. El aluminio se oxida mucho más rápido que otros metales, y si el aluminio en polvo se expone al aire, se oxidará completamente en pocos días y dejará atrás polvo blanco muy fino.
Para realizar una conexión adecuada que garantiza una buena conductividad, la capa de óxido del alambre del imán de aluminio debe ser perforada para evitar que el aluminio entre en contacto adicional con el aire.
Lograr la mayor eficiencia del motor es algo más que decidir entre los bobinados de aluminio y cobre. Varios fabricantes han desarrollado conectores de engarce de alta presión para permitir una mayor eficiencia. Esto se ha hecho para ayudar a los bobinados de aluminio mantener el ritmo con sus contrapartes de cobre. Si bien es posible que los motores con bobinados de aluminio alcancen al poder de los de cobre, se requiere tiempo y dinero. El aluminio también requiere más vueltas y un alambre de diámetro más grande, que no siempre puede será más económico.
Si se requiere el motor para trabajar de forma ocasional o de corta duración, y no cuando la eficiencia y el volumen son de la esencia, el uso de alambres esmaltados de aluminio puede tener sentido. De lo contrario, debe preferirse siempre devanados de cobre.
El uso de barras de cobre en el rotor
Cuando se trata de rotores, el cobre ofrece la ventaja de eficiencia. Rotores de cobre son los preferidos para las industrias enfocadas en una mejor gestión de la energía, en los países desarrollados y en vías de desarrollo donde la electricidad es a menudo escasa y costosa. Rotores de cobre son una apuesta mejor en comparación con los de aluminio en términos de calidad del motor, confiabilidad, coste, eficiencia y vida útil.
Maquinado de precisión para piezas móviles
El maquinado implica la remoción de material de otra pieza a una tolerancia mínima. Maquinados de precisión son absolutamente necesarios para lograr la tolerancia necesaria. Ya se trate de corte de metal o minería de carbón, la maquinaria de precisión puede proporcionar la exactitud necesaria para producir materiales en las cantidades deseadas. Las partes móviles de la máquina exigirán el mantenimiento oportuno para un máximo rendimiento y eficiencia. El mantenimiento sólo debe ser realizado por expertos, y se debe exigir una inspección de todas sus partes.
El uso de acero de alta calidad para los rotores y estatores
Acero eléctrico de alta tecnología es esencial para la fabricación de estatores y rotores económicos utilizados en una variedad de aplicaciones de motores eléctricos. Este tipo de acero asegura una alta permeabilidad magnética y bajas pérdidas de potencia un rendimiento de primer nivel. Sin embargo, todavía se pueden producir pérdidas de potencia en acero eléctrico. Las corrientes de Foucault, entran en juego cuando se alterna un campo magnético. Laminación de acero a un calibre más fino controla estas corrientes parásitas y reduce las pérdidas de corriente. Esto sucede especialmente en frecuencias de aplicación más allá del estándar de 50 o 60 hertzios.
Mantener el rotor y el estator lo más cerca posible.
A través de la manufactura de precisión, los fabricantes pueden mantener el rotor y el estator lo más cerca posible sin tocarse. Cuando la velocidad de rotación alcanza varios miles de revoluciones por minuto, el acero eléctrico en el rotor puede experimentar un tremendo estrés. La alta tensión se hace sentir sobre todo en las zonas cercanas a las ranuras para imanes, donde el equipo mantiene los imanes en su lugar.
Con los motores de inducción, la transferencia de energía tiene lugar a través del espacio de aire entre el estator y el motor, el espacio de aire es necesario para minimizar la resistencia. Un pequeño espacio de aire conducirá a una menor pérdida de energía y una mayor eficiencia. El enlace de flujo total entre el estator y el rotor se ensancha mientras el espacio de aire disminuye. Un mejor enlace de flujo resulta en la disminución de pérdidas de energía y mayor eficiencia. Una tolerancia más pequeña también ayuda a evitar el ruido.
Más bobinas = motores más eficientes
Los cables de las bobinas de fase de motores de pequeña potencia son más delgados, sin embargo, el número de vueltas debe ser mayor para aumentar la fuerza magnetomotriz o densidad de corriente. La resistencia de los devanados de fase y la densidad de la pérdida de potencia son también más altos que en los motores de alta potencia. Por lo tanto, los motores de baja potencia con altas velocidades requieren más fuerza magnetomotriz. Esto significa serán necesarios más bobinas junto con un mayor número de vueltas con un alambre fino que produce una mayor densidad de corriente.
El uso de controles de velocidad variable
Controles de velocidad variable (VSDs en inglés) o variadores de velocidad son motores eléctricos industriales pesados. Su velocidad se puede ajustar con un controlador externo. Estas unidades se utilizan en el control de procesos, ya que ayudan a conservar la energía en las plantas que utilizan numerosos motores eléctricos.
Los VSDs se emplean típicamente como ahorradores de energía en bombas y ventiladores, ya que mejoran operaciones de proceso, especialmente cuando es necesario el control de flujo. También proporcionan capacidades de arranque suave que reducen los esfuerzos eléctricos y huecos de tensión de línea que generalmente encontramos al arrancar un motor, sobre todo con cargas de alta inercia.
Cómo puede el usuario asegurar la eficiencia de sus motores eléctricos.
Como se mencionó anteriormente, la forma en motores eléctricos son utilizados por los fabricantes, las industrias y los propietarios de viviendas va a determinar su eficacia. A continuación se presentan algunos pasos específicos usuarios pueden tomar para asegurar la eficiencia del motor y la longevidad:
Uso de motores inteligentes con controladores de arranque apropiados
Mientras que los motores inteligentes son ampliamente utilizados y disponibles, es crucial elegir el adecuado para nuestras necesidades para minimizar el tiempo de paro, mejorar la eficiencia y reducir los costos. Los ingenieros industriales saben el costo que el consumo eléctrico de los motores tiene en sus presupuestos. Para mitigar esto, a menudo se utilizan las tecnologías de control de motores que utilizan sólo la cantidad necesaria de energía para arrancar motores, revelan datos de diagnóstico y reducir el tiempo de inactividad. Conforme los arrancadores de motor ganan aceptación, la tecnología de arranque del motor también está aumentando en importancia.
A continuación se presentan algunas preguntas importantes a considerar antes de decidir sobre las posibles aplicaciones de motores eléctricos:
¿La aplicación requiere control de velocidad, incluso cuando el motor trabaja a cierta velocidad?
Los requisitos de control de velocidad se deben decidir lo más pronto posible. Algunos arrancadores suaves tienen limitado control entre el arranque y la parada. Lo importante para recordar es que la velocidad de funcionamiento del motor no se puede cambiar porque el arrancador suave sólo regula la tensión del motor y no la frecuencia.
¿La aplicación necesita tiempos específicos de arranque y parada?
Por lo general, el arranque y paro con arrancadores suaves son dependientes de la carga. Los algoritmos internos ajustan la tensión en base a los tiempos pre-programadas para aumentar la corriente y el torque del motor para arrancar el motor y / o disminuirlos para detenerlo. Si la carga es ligera, el motor puede tomar menos tiempo para arrancar que el valor programado. Los arrancadores suaves de nueva generación emplean algoritmos avanzados, lo que lleva a arranques más precisos y menos dependientes de la carga y tiempos de parada.
¿La aplicación necesita torque total al arranque?
VFD puede funcionar mejor con aplicaciones que requieren torque completo a velocidad cero. Pueden producir el torque nominal del motor desde cero hasta la velocidad nominal e incluso proporcionar torque completo sin velocidad. Los arrancadores suaves, por otra parte, típicamente operan entre la frecuencia de 50 a 60 hercios, y el torque completo solamente se puede lograr a plena tensión. El torque inicial (disponible a velocidad cero) normalmente oscila de cero a 75 por ciento y se puede programar.
¿La aplicación necesita un torque constante?
Los arrancadores suaves alteran la tensión para controlar la corriente y el torque. En el momento de arranque, la corriente varía en función de la tensión, mientras que el torque del motor varía con el cuadrado de la tensión aplicada. El torque puede no permanecer constante a diferentes voltajes, una condición que puede ser más compleja con cargas variables.
Ciertos arrancadores suaves trabajan en algoritmos de control de torque, pero esto no significa necesariamente un torque constante. Durante la aceleración, VFDs utilizan diferentes frecuencias en el motor mientras se cambia el voltaje. El modo de control VFD se denomina en términos de voltios constantes por hertz y produce un torque constante.
¿Cuáles es el costo, tamaño y preocupaciones térmicas?
En un amperaje de menos de 40 amperes, arrancadores suaves pueden ofrecer un beneficio menor costo en comparación con los variadores de frecuencia. A medida que la corriente y potencia aumentan, el costo de los variadores de frecuencia aumenta más rápidamente que la de los arrancadores suaves y puede alcanzar niveles prohibitivos en altos amperajes.
Cuando se trata de tamaño, los arrancadores suaves tienen una ventaja sobre los variadores de frecuencia en todos los amperajes, gracias a su construcción. A medida que el incremento de corriente y potencia, la diferencia puede llegar a ser más grande. Cuando arrancadores suaves se combinan con un bypass electromecánico interno o externo, son aún más eficaces y pueden producir menos calor. Esto se debe a que los arrancadores suaves tienen un menor número de componentes activos en el circuito durante el arranque, marcha y parada.
¿Cuáles son las consideraciones de instalación y los armónicos?
Las consideraciones de instalación se pueden clasificar en coste, tamaño, temperatura y calidad de la energía. Las instalaciones para arranque suave implican tamaños más pequeños y menores costos, por lo que no son una preocupación.
Además, los armónicos de arranque suave son menores que los de VFD. Corridas en largos tramo de cable VFD necesitan más atención que las de los arrancadores suaves. Por otra parte, pueden no ser necesarios tipos de cables especiales para los arrancadores suaves. La compatibilidad electromagnética también debe ser considerada
Suspender el uso de los motores cuando no se necesitan
Tan simple como suena, la forma más eficaz para ahorrar energía es apagar el motor cuando no está en uso. Más a menudo que no, los usuarios dudan en apagar un motor porque creen que su puesta en marcha en repetidas ocasiones dará lugar a mayor desgaste. Una forma de mitigar esto es mediante el uso de arrancadores suaves, que pueden reducir el desgaste. Un arrancador suave instalado y especificado correctamente puede disminuir la presión sobre los sistemas mecánicos y eléctricos.
Reduce el desgaste
El reducir el desgaste del motor es una de las principales preocupaciones de los usuarios. Una gran cantidad de desgaste tiene lugar cuando se arranca un motor eléctrico, ya que las altas corrientes y las fuerzas iniciales aplican presión en los sistemas mecánicos y eléctricos. Aunque esto puede ser perjudicial, los efectos perjudiciales se pueden controlar con la ayuda de arrancadores suaves. También puede emplear los VSD, pero éstos pueden ser más costosos y menos eficientes.
El uso de motores de alta eficiencia
La eficiencia del motor se puede derivar a partir de dos factores: el tamaño del motor y su calidad eficiencia. En los motores más pequeños, en particular, el tamaño es un factor importante que afecta la eficiencia. En los motores más grandes, son las clases de eficiencia que importan más.
Los motores energéticamente eficientes utilizan menos electricidad, no se calientan con la misma facilidad y duran más. Estos tipos de motores se caracterizan por un mejor diseño, lo que resulta en una menor pérdida de calor y menos ruido. El uso de materiales de alta calidad, tolerancias más estrechas y técnicas de fabricación mejoradas también ayudan a reducir las pérdidas y mejorar la eficiencia.
Para evaluar los beneficios de motores de alta eficiencia, primero debe definir la “eficiencia” para un motor eléctrico. Esto puede ser determinado por la relación de potencia mecánica suministrada por el motor (de salida) a la potencia eléctrica suministrada al motor (entrada).
Por lo tanto:
Eficiencia = (salida de potencia mecánica / potencia eléctrica de entrada) x 100%
Así, si un motor es 80% eficiente, se puede convertir el 80% de la energía eléctrica en energía mecánica. El 20% restante de la energía eléctrica se pierde en forma de calor.
Selecciona el motor del tamaño correcto
Los motores tienden a ser más eficiente entre 60 y 100% de su carga nominal completa y más ineficiente por debajo del 50% de carga. Esto significa que el mero hecho de comprar el tamaño correcto del motor puede aumentar la eficiencia en gran medida.
En general, los motores sobredimensionados operan por debajo del 50% de su carga nominal, que no sólo los hace ineficientes, pero también más caros que los motores del tamaño correcto. Además, también pueden reducir la fuente de alimentación a la máquina, lo que aumenta la carga en el sistema eléctrico.
Pensamientos finales
Con el concepto de “eficiencia energética” utilizándose cada vez más, es importante que este concepto puede integrarse aplicaciones industriales y en el hogar. Los motores de conservación de energía pueden ofrecer muchos beneficios. Con una instalación adecuada, pueden funcionar a menor temperatura, ofrecen condiciones de servicio más altos, duran más tiempo, proporcionan un mejor aislamiento y emiten menos ruido y vibración. Con tantas ventajas, los fabricantes de automóviles harían bien en asegurarse de que están produciendo y empleando los motores de mayor eficiencia energética posible.
Este artículo fue publicado previamente en www.powerjackmotion.com .
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