VENTAJAS, LIMITACIONES Y APLICABILIDAD DE LOS MOTORES DE ALTA EFICIENCIA



Ventajas

· El hecho de que se tenga una eficiencia

mayor significa que se disminuye los costos

de operación del motor y se puede recuperar

la inversión adicional en un tiempo razonable,

sobre todo si se opera a una carga cercana a

la potencia nominal. Recuerde que en un año

el costo de la energía es aproximadamente

seis veces el costo de compra del motor.

· Los motores de alta eficiencia poseen

generalmente un menor deslizamiento (mayor

velocidad de operación) que los motores de

eficiencia estándar, debido a los cambios que

se producen en los parámetros del motor. La

mayor velocidad puede ser ventajosa en

muchos casos, pues mejora la ventilación.

· Los motores de alta eficiencia son

normalmente más robustos y mejor

construidos que los motores estándar, lo que

traduce en menores gastos en

mantenimiento y mayor tiempo de vida.

Limitaciones

· El hecho de que los motores de alta

eficiencia operan a una velocidad mayor,

puede ocasionar un incremento en la carga,

sobre todo cuando se accionan ventiladores

o bombas centrífugas, este hecho debe

valorarse en cada situación .

· El momento de arranque y el momento

máximo son en algunos diseños ligeramente

mayores y en otros ligeramente menores, por

lo tanto es necesario analizar detalladamente

en cada aplicación. 8

Motores Eléctricos de Alta Eficiencia

· La corriente de arranque suele ser mayor.

Esto puede provocar que se sobrepasen los

limites máximos de caída de voltaje en la red.

También puede influir en la capacidad de los

equipos de maniobra, aunque muchas veces

se puede operar con los mismos que se usan

con los motores estándar y en ocasiones sólo

resulta necesario cambiar los elementos

térmicos.

· La corriente transitoria en el arranque, que

tiene su máximo en el primer medio ciclo, se

incrementa debido a la tendencia a un mayor

valor de la relación X/R. Aunque esta

corriente puede no afectar el tamaño del

arrancador, si se afecta el disparo

instantáneo del interruptor del motor, por lo

que hay que buscar un compromiso entre la

coordinación del interruptor y los disparos del

arranque.

· El factor de potencia del motor puede ser

menor que un motor estándar. Un estudio

reciente realizado por Bonnett (1997)

encontró que los motores de alta eficiencia

construidos en USA, en el intervalo de 3 a 10

HP tienen un factor de potencia mayor que

los estándares, inferior en el intervalo de 15 a

40 HP, aproximadamente igual de 50 a 100

HP y de nuevo menor de 125 HP en

adelante.

Aplicabilidad.

Los motores de alta eficiencia pueden aplicarse

favorablemente en los siguientes casos:

· Cuando el motor opera a una carga

constante y muy cerca del punto de

operación nominal.

· Cuando se usan para reemplazar a motores

sobredimensionados.

· Cuando se aplican conjuntamente con

Variadores electrónicos de frecuencia

( Variable Frecuency Drives) para accionar

bombas y ventiladores, pueden lograr

ahorros de hasta mas del 50% de la energía.

· Como parte de un Programa de Uso eficiente

de la Energía Eléctrica.

· En instalaciones nuevas.

El ahorro de dinero al aplicar un motor de alta

eficiencia se puede calcular usando la siguiente

ecuación:

÷ ÷ø

ö

ç çè

æ

= -

A B E E

S 0.746 HP L C T 100 100

S : Ahorro en pesos por año

HP : Potencia de placa en HP

L :Porcentaje de carga del motor respecto

a la potencia nominal.

C : Costo de la Energía en pesos por KWh

T : Tiempo de funcionamiento del motor en

horas por año.

EA : Eficiencia del motor estándar

EB : Eficiencia del motor de alta eficiencia

MOTORES DE ALTA EFICIENCIA



Aunque no existe una definición unificada

mundialmente sobre lo que es un motor de alta

eficiencia, una revisión histórica de su desarrollo

nos permite tener una noción mas clara de este

concepto.

5.1 Desarrollo de los Motores de Alta

Eficiencia

Hasta el año 1960 los diseñadores y fabricantes

de motores de inducción siguieron la tendencia

de diseñar los motores con el objetivo de

conseguir una alta eficiencia, a pesar de que en

ese entonces los materiales no tenían un gran

desarrollo el diseño electromagnético centrado

en la eficiencia consiguió que se fabriquen

motores de eficiencias aceptables.

El bajo costo de la energía eléctrica en aquella

época hacia que la eficiencia no fuera un

parámetro que incidiera en los costos de

operación. Por eso durante el periodo de 1960

hasta 1975 los fabricantes cambiaron su

tendencia y se centraron a diseñar motores para

conseguir un costo mínimo, sobre todo en el

rango de 1 a 250 HP. Con este objetivo se

disminuyo la cantidad de material activo, y los

materiales fueron seleccionados para cumplir

mínimos requerimientos de eficiencia. En este

contexto en 1977 NEMA recomendó marcar la

placa de los motores trifásicos con una

EFICIENCIA NOMINAL NEMA. La Tabla 4

muestra los rangos de eficiencia para motores

trifásicos de Diseño NEMA B, aquí se define un

valor mínimo para la eficiencia para cada nivel de

eficiencia.

Tabla 4. Eficiencia nominal para motores trifásicos

diseño NEMA B

HP Rango de Eficiencia

Nominal

Eficiencia

Nominal

Promedio

5 78 – 85 82

10 81 – 88 85

25 85 – 90 88

50 88 – 92 90

75 89.5 – 92.5 91

100 90 – 93 91.5

150 91 – 93.5 92.5

200 91.5 – 94 93

250 91.5 – 94.5 93.5

La crisis energética que ocurrió en la década del

70 hizo que los costos de la energía eléctrica

empiecen a incrementarse a un ritmo de

aproximadamente 12% anual. En este contexto

los costos de operación de un motor por

consumo de energía hicieron que la eficiencia

sea un parámetro importante en la selección del

motor. En este contexto en el año 1974 algunos

fabricantes empezaron a usar métodos para

diseñar motores con una eficiencia mayor que la

exigida por la Norma NEMA. Así se diseño una

línea de motores de alta eficiencia con perdidas

25% menores que el motor promedio diseño

NEMA B, esto se llamo la primera generación de

motores de alta eficiencia.

Luego del desarrollo de esta primera generación

de motores de alta eficiencia, muchos fabricantes

entraron en la tendencia de diseñar motores con

el objeto de obtener una alta eficiencia, usando

un diseño, materiales y procesos de fabricación

mejorados. Cada fabricante identifico a su motor

con un nombre, entre ellos tenemos:

Fabricante Nombre del motor

General Electric Energy Saver

Realince Electric Co XE Energy Effiicient

Baldor Electric Co Super E

Magnetek/Louis Allis Spartan High Efficiency

US Electrical Motors Corro- DutyPremium

Efficiency

Siemens Premium Efficiency

Toshiba Premium Efficiency

NATURALEZA DE LAS PÉRDIDAS EN LOS MOTORES ELÉCTRICOS

Se tiene por pérdidas la potencia eléctrica que se
transforma y disipa en forma de calor en el
proceso de conversión de la energía eléctrica en
mecánica que ocurre en el motor. Las pérdidas2
por su naturaleza se pueden clasificar en 5
áreas: pérdidas en el cobre del estator, pérdidas
en el cobre del rotor, pérdidas en el núcleo,
pérdidas por fricción y ventilación y pérdidas
adicionales।
Pérdidas en los conductores.
Las pérdidas en los conductores se dividen en
dos zonas: estator ( I 2R en las bobinas del
estator) y rotor ( I 2R en los bobinados del rotor).
Estas pérdidas dependen del cuadrado de la
corriente.

Pérdidas en los conductores del estator.
Estas pérdidas son una función de la corriente
que fluye en el devanado del estator y la
resistencia de ese devanado. Son mínimas en
vacío y se incrementan al aumentar la carga.
En función del factor de potencia (FP), la
corriente de línea en el estator puede expresarse
como:
Voltaje de línea FP
I potencia eléctrica de entrada L 3 * *
=
Cuando se desea mejorar el comportamiento del
motor, es importante reconocer la
interdependencia entre la eficiencia (EF) y el
factor de potencia (FP). Si se despeja el factor de
potencia la ecuación se reescribe:
voltaje de linea I EF
FP Potencia mécanica de salida
L 3 * * *
=
Por lo tanto si se incrementa la eficiencia, el
factor de potencia tendrá a decrecer. Para que el
factor de potencia permanezca constante, la
corriente del estator debe reducirse en
proporción al aumento de la eficiencia. Si se
pretende que el factor de potencia mejore,
entonces la corriente debe disminuir mas que lo
que la eficiencia aumente. Desde el punto de
vista del diseño, esto es difícil de lograr debido a
que hay que cumplir otras restricciones
operacionales como el momento máximo.
Por otra parte la corriente de línea se puede
expresar:
voltaje de salida FP EF

EFICIENCIA DE LOS MOTORES ELECTRICOS

Puede decirse que la eficiencia de un motor
eléctrico es la medida de la capacidad que tiene
el motor de convertir la energía eléctrica en
energía mecánica. La potencia eléctrica
correspondiente medida en watts (w) entra por
los terminales del motor y la potencia mecánica
medida en watts o HP que sale por el eje. La
eficiencia (EF) del motor puede expresarse
como:
% x100
Potencia Eléctrica de Entrada
EF = Potencia Mecánica de Salida
Y como:
Potencia mecánica de salida = Potencia eléctrica
de entrada – Pérdidas
Se tiene que :
) 100
.
% ( 1 x
Pot eléctrica de entrada
EF = - Pérdidas

Motores Eléctricos de Alta Eficiencia

Características Electromecánicas, Ventajas y
Aplicabilidad.
El constante incremento de los costos de la
energía eléctrica y las restricciones establecidas
sobre la conservación del medio ambiente
hicieron que en los países industrializados como
USA y algunos países europeos se dictaran
políticas y se aprobaran legislaciones respecto al
uso de la energía. Considerando que de la
energía total generada en el mundo,
aproximadamente el 60% la consumen los
motores eléctricos y que el motor eléctrico más
usado es el asincrónico de jaula de ardilla, surgió
entre las medidas más prometedoras para el
ahorro de la energía, establecer el incremento
obligatorio de la eficiencia de estos motores. Esta
idea fue reforzada cuando un estudio realizado
en 1990 por el Departamento de Energía de los
Estados Unidos de América mostró que para el
año 2010, la industria podría ahorrar 240 mil
millones de Kwh anualmente reemplazando
motores y accionamiento de eficiencia estándar,
por otro que fueran solo de 2 a 6% más
eficientes.

En los países subdesarrollados, este tipo de
política energética a demorado en establecerse y
las cifras que se encuentran en cuanto al uso de
motores más eficientes son notablemente
inferiores a las de los países industrializados.
Una de las razones es que en las practicas
tradicionales de compra no se evalúa el costo
real de la energía, entre otras cosas, porque no
se comprende la relación entre la eficiencia y los
costos totales durante la vida útil del equipo. Así,
los compradores se concentran con frecuencia
en el bajo costo inicial. No se comprende
suficientemente que los motores y
acondicionamientos con mayor eficiencia,
aunque son mas caros inicialmente, gracias a los
costos de operación más bajos, compensan la
diferencia en un plazo normalmente apropiado.
Otra razón es la poca información que tienen los
ingenieros y técnicos respecto a los motores de
alta eficiencia. Este desconocimiento da
inseguridad en el momento de la aplicación y en
algunos casos puede ocasionar inconvenientes
en la operación de los motores. Es importante
entonces conocer cuales son las características
electromecánicas de los motores de alta
eficiencia, sus ventajas y las limitaciones que
pueden presentar en su aplicación.
El propósito de este articulo es dar a conocer las
características principales de los motores de alta
eficiencia, mencionar las ventajas y limitaciones
que presentan y mencionar las condiciones más
comunes en que su aplicación es aconsejable.
Los motores de alta eficiencia
empezaron a ser fabricados a
mediados de la década de los 70
inicialmente en USA pero su
aplicación se hizo masiva al llegar
el año 2000 también en otros
países industrializados. Sin
embargo su aplicación
indiscriminada puede ocasionar
inconvenientes técnicos en los
procesos productivos cuando no
es evaluada correctamente.
El propósito de este articulo es dar
a conocer las características
principales de los motores de alta
eficiencia, mencionar las ventajas
y limitaciones que presentan y
mencionar las condiciones más
comunes en que su aplicación es
aconsejable.