Selección de Motores Eléctricos.

Saludos.

Espero se encuentren muy bien estimados lectores. A continuación les comparto otra de mis publicaciones en Tecnología Eléctrica, un post que trata sobre: La importancia de realizar una selección adecuada de un motor eléctrico.   

Acaso ¿Conoces como afecta a la eficiencia de un motor eléctrico si este está sobre-dimensionado? ó ¿Si este motor afecta los valores del factor de potencia en la instalación? Con este contenido podemos orientar las respuestas a estas preguntas y además ofrecer un material que sirva para la consulta.

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A modo de introducción.

El permanente desarrollo tecnológico ha provocado prácticamente el indetenible incremento de la demanda por parte de los consumidores tanto en el área residencial, como comercial e industrial debido al uso de nuevas tecnologías para acceder a nuevos servicios y comodidades. Añadido a esto una preocupante cultura de despilfarro de la energía eléctrica, ha traído como consecuencia un considerable incremento en el consumo de dicha energía, lo que ha conllevado a presentar este escrito para estudiar una forma de cómo disminuir este consumo en una de las tantas aristas de este problema.

 Las edificaciones constituyen el escenario fundamental de las actividades humanas, a la vez que son grandes consumidoras de energía. Según estadísticas internacionales, alrededor del 42% de la energía total consumida se destina a ellas, y el resto está repartido entre la industria y el alumbrado público 58%. Este hecho hace relevante la necesidad de establecer criterios para diseñar y evaluar el uso racional de la energía en los diferentes sectores.

Figura N° 1. Consumo de energía por sectores.

Fuente: Informativo CTE - Setiembre 2000

Para el caso de Tal como lo muestro la figura 1, corresponde a estadísticas a nivel mundial. Para el caso latinoamericano  el sector residencial y el comercial es el de mayor consumo de energía eléctrica per cápita no escapa a esto Venezuela que representa el 60% del consumo de energía eléctrica. Por lo cual se hace necesario orientar las recomendaciones de diseño hacia estos sectores.

Dado que una directriz con respecto al uso y aprovechamiento de la energía, es  el referente a la implementación de dos métodos combinados: El uso  eficiente y consciente de la energía eléctrica:

·         El consciente: Disminuir el consumo por medio de estudios técnicos para mejorar la eficiencia de la instalación.

·         Proponer estrategias para implementar el uso fuentes alternativas de energía a nivel local para poder satisfacer las necesidades energéticas de la instalación.

En este caso trabajaremos con la evaluación de los equipos existentes para utilizarlos de la forma más eficiente posible, específicamente los motores eléctricos en el sector industrial.

Selección de Motores Eléctricos.

Se estima que los motores eléctricos o maquinas eléctricas rotativas son las cargas de mayor consumo energético en las instalaciones eléctricas en el mundo es por ello que su correcta selección es de suma importancia a la hora del diseño de la instalación, especialmente para las industriales donde aproximadamente el consumo se puede ubicar entre el 60 y 70 % de energía eléctrica de la industria según (CE, 2009; Boglietti, et al., 2003; Brunner, 2009; Walde & Brunner, 2011). Ademas del ahorro energético que se pueda realizar con una buena selección del motor.

A continuación se observa como es el consumo energético debido a la utilización.

Figura N° 2. Consumo energético de los motores eléctricos en el sector industrial.

Fuente: DOE, 1998.

Sin embargo este consumo se puede distribuir entre los diversos motores que conforman los equipos eléctricos de las empresas como ventiladores, bombas, compresores, bandas transportadoras, entre otros.  (Ver figura 3)

Figura N° 3. Distribución consumo energético en los diferentes accionamientos aplicación

Fuente: Brunner 2012

En el gráfico anterior se puede observar cómo se distribuye el porcentaje del consumo energético de los diferentes equipos eléctricos en una industria.

Es evidente el gran impacto de los motores eléctricos en el consumo de energía eléctrica, es por ello que se debe resaltar la importancia de identificar los factores que influyen en el funcionamiento de un motor eléctrico, además de  evaluar oportunidades de ahorro de energía en ellos. Sin embargo, es necesario determinar con precisión el estado energético actual de los mismos (factor de carga, eficiencia, factor de potencia, antigüedad, etc.) y conocer sistemas alternativos como son motores de alta eficiencia y variadores de frecuencia entre otros.

    Dimensionamiento del motor eléctrico. (Sobre y Sub-dimensionado)

El sobre dimensionamiento de motores eléctricos es uno de los principales factores de desperdicio de energía eléctrica, ya que el motor trabaja en una región donde el rendimiento y el factor depotencia no son los óptimos.

Para una aplicación típica los motores están sobre-dimensionados debido a los tamaños en HP disponibles, pero también por la percepción y la escasez de información disponible y la dificultad para definir la potencia solicitada al motor es la causa del sobre-dimensionamiento.

“mayor = mejor”.

·    Esto significa muy alta corriente de arranque, sin posibilidad de variar la velocidad  por sí mismos.

·         Requieren de protecciones, cableado de mayor calibre.

·     Son motores ineficientes por su principio de operación: motor de jaula de ardilla.    

Figura N°4 Ejemplo de como se puede sobre-dimensionar un motor eléctrico.

El sobre-dimensionamiento de un motor origina:

·   Desperdicio de energía por efecto del aumento de las perdidas.

·   Aumento de la potencia solicitada.

·   Reducción del factor de potencia de la instalación.

·  Mayores pérdidas en las redes de distribución de energía y en los transformadores.

·   Mayor costo y tamaño del motor.

·   Mayor intensidad de arranque.

·  Mayor tamaño y costo de elementos de la instalación. (contactor, relé térmico, selección de conductores, …)

·    Menor rentabilidad debido al peor factor de potencia con carga parcial.

·    Menor rendimiento a carga parcial.

Sub-dimensionamiento del motor eléctrico.

Para el caso de sub-dimensionar los motores estos pueden:

·         Funcionar incorrectamente causando averías en la maquina.

·         Tener menor capacidad de sobrecargarse.

·         Calentamiento excesivo del motor disminuyendo su vida útil.

Los motores sobrecargados pueden sobrecalentarse y perder su eficiencia. Muchos motores se han diseñado con un factor de servicio que permite ocasionalmente sobrecarga. El factor de servicio es un multiplicador que indica cuánto puede sobrecargarse bajo condiciones ambientales ideales. 

Por ejemplo, un motor de 10 HP con un factor de servicio de 1.15 puede manejar una carga de 11.5 HP durante cortos periodos de tiempo sin sufrir un daño significativo. Aunque muchos motores tienen factores de servicio de 1.15, hacer funcionar al motor continuamente por encima de su capacidad nominal reduce la vida del motor y su eficiencia. 

Nunca debe operarse un motor sobrecargado cuando el voltaje está por debajo del nominal o cuando la refrigeración está funcionando incorrectamente por altitud, temperatura ambiental alta, o superficies del motor sucias.

Ahorros potenciales ¿Cómo se puede lograr?

·         Medidas de ahorro en el uso de motores eléctricos

·         Uso de motores de alta eficiencia.

·         Selección adecuada de los motores.

·         Operación racional de los motores  eléctricos.

·         Condiciones de operación de los motores eléctricos.

·         Compensación del factor de potencia de motores.

Eficiencia de un motor eléctrico

Figura N°5 Curva de rendimiento vs. carga del motor

    El rendimiento de un motor y el factor de potencia disminuyen cuando el motor trabaja cargado por debajo del 50% de su potencia nominal.

Factores que influyen en la selección de un motor eléctrico

A la hora de seleccionar un motor eléctrico es siempre importante conocer cuál es la necesidad de adquirir dicho motor, para ello uno debe realizarse diversas preguntas como estas: ¿es una instalación nueva o existente?, ¿cuáles son las condiciones de la red eléctrica?, ¿cuál es la carga que el motor va a accionar?, ¿cuáles son las condiciones medioambientales?, ¿cuál va a ser el tiempo de recuperación de la inversión?, ¿qué tipo de normas debe cumplir el motor?, ¿cómo va a ser hecho el arranque del motor? Por supuesto y no menos importante, ¿Cuáles son las características de potencia y velocidad requeridas del motor a considerar?  Estas interrogantes son de mucha ayuda a la hora de obtener el motor eléctrico más adecuado para la aplicación deseada.

Para profundizar: https://tecnologiaelectricaiut.blogspot.com/2021/05/factores-considerar-para-la-seleccion-y.html

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Referencias:

Almeida, A., Boteler, R., Brunner, C., Doppelbauer, M., & Hoyt, W. (2009). MEPS Guide 1st Edition. Zurich.

Bertoldi, P., & Atanasiu, B. (2009). Proceedings of the 6th International Conference EEMOODS 2009: Energy Efficiency in Motor Driven Systems. Nantes, France: European Communities, 2010.  

Boglietti, A., Cavagnino, A., Lazzari, M., & Pastorelli, M. (2003). International Standards for the Induction Motor Efficiency Evaluation: a Critical Analysis of the Stray-Load Loss Determination. Industry Applications Conference, 38th IAS Annual Meeting, 2, págs. vol.2, pp. 841- 848. Politecnico di Torino, Italy

Boglietti, A., Cavagnino, A., Lazzari, M., & Pastorelli, M. (2004). International standards for the induction motor efficiency evaluation: a critical analysis of the stray-load loss determination. IEEE Transactions on Industry Applications, vol.40, No.5, Sept.-Oct. 2004, 40(5), 1294-1301. 

Brunner, C. U. (2007). SEEEM Update International harmonization of motor standards saves energy. En SEEEM (Ed.), APEC Workshop 3 December 2007, Beijing (revised July 2008). Beijing, China.

Brunner, C. U., Waide, P., & Jakob, M. (2011). Harmonized Standards for Motors and Systems. Global progress report and outlook. 7th International Conference on Energy Efficiency in Motor Driven Systems 2011-EEMODS'11. Alexandria, VA: 4E Electric Motor Systems Annex EMSA, Operating Agent.  

Brunner, C. U. (2009). Global Motor Systems Network: The International Energy Agency 4E EMSA Project. En P. B. ATANASIU (Ed.), Proceedings of the 6° International Conference eemods '09: Energy Efficiency in Motor Driven Systems (págs. 3-13). Nantes, FRANCE: European Commission.

CE. (22 de julio de 2009). Reglamento (CE) 640/2009. Requisito de diseño ecológico de motores eléctricos. Por el que se aplica la Directiva 2005/32/CE del Parlamento Europeo y del Consejo en lo relativo a los requisitos de diseño ecológico para los motores eléctricos. CE, Comunidad Europea, 23.7.2009: Diario Oficial de la Unión Europea.

Guardiola de Cabo, L. (s.f.). Análisis de la norma IEC 60034-2-1. Aplicación en la determinación de las pérdidas y el rendimiento de motores de inducción trifásicos.  

Ellis, M. (2007). Experience with energy efficiency regulations for electrical equipment. Paris, France: International Energy Agency, OECD/IEA.     

Maruszczyk, J., Lhenry, M., Helinko, M., & Korendo, Z. (03 de 2009). En armonía. Definición de normas mundiales de eficiencia energética. (A. A. Ltd., Ed.) Revista ABB, 50-55. 

Mahla A., I. (2009). Proyecto piloto de reemplazo de motores eléctricos en la minería de cobre - Chile. Santiago de Chile: Hernán Sierralta Wortsman - International Copper Association, Ltd.

Walde, P., & Brunner, C. (2011). Energy efficiency policy opportunities for electric motor-driven systems. France: InternatIonal energy agency-OECD/IEA.