Recomendaciones para la aplicación de motores de alta eficiencia

Resumen. La aplicación de los motores de alta eficiencia es una de las medidas principales para el ahorro de la energía eléctrica en el sector industrial. Sin embargo, su aplicación sin un análisis técnico y económico previo puede ocasionar inconvenientes técnicos en los procesos productivos e incluso ser económicamente perjudicial para la empresa. El propósito de este artículo es dar recomendaciones prácticas para la aplicación adecuada de motores de alta eficiencia y así evitar inconvenientes técnicos ó económicos para la empresa. El artículo también considera las recientes tecnologías de los motores de alta eficiencia que han sido normalizadas en la Norma IEC y NEMA.

1. Introducción

Los sistemas accionados con motores eléctricos son los principales usuarios finales de la energía eléctrica, según el reporte de la International Energy Agency [IEA 2011] y les corresponde aproximadamente el 68% de la demanda del sector industrial y el 46% de la demanda global de electricidad. En la Figura 1 se muestra la distribución de la demanda de la energía eléctrica por usuario final. Adicionalmente si sumamos a esta situación que el 68% de la energía eléctrica mundial se produce mediante combustibles fósiles, cuya combustión genera emisiones de gases efecto invernadero (principalmente dióxido de Carbono CO2), se puede observar la gran importancia que tiene para la reducción del impacto sobre el medio ambiente el realizar acciones encaminadas al uso eficiente de los motores eléctricos.

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El motor trifásico de inducción es el motor eléctrico de mayor aplicación mundial en la industria, el comercio y prácticamente en cualquier sector donde se necesite un motor eléctrico [Quispe 2003].

La crisis energética iniciada en 1970 y las restricciones establecidas sobre la conservación del medio ambiente, hicieron que el Congreso de Estados Unidos aprobara el Energy Policy Act en 1992 (EPAct92), que estableció el uso obligatorio de los motores de alta eficiencia a partir de 1997. Posteriormente en el 2007 se firmó en Estados Unidos el Energy Independence and Security Act (EISA2007 por sus siglas en inglés), con la participación de la National Electrical Manufacturers Association (NEMA, por sus siglas en inglés) que estableció un nivel superior de eficiencia denominado Premium y posteriormente proyectó el motor Super Premium.

Algo similar ocurrió en Europa con el Motor Challenge Programme (MCP, por sus siglas en inglés) en 1998, que estandarizó los motores de alta eficiencia pero declaró su uso voluntario. El 2014 la IEC emitió la Norma IEC 60034-30-1, “Efficiency classes of line operated AC motors (IE code)”, que estableció una equivalencia entre los motores europeos y los americanos, y las clases de eficiencia IE1, IE2, IE3 e IE4.  

2. Motores de alta eficiencia

Los motores de alta eficiencia son motores especiales tanto en su diseño como en el material que usan. A continuación se presenta cual fue su génesis y las medidas que se aplican para mejorar la eficiencia.

A. Breve historia

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, y a pesar de que en ese entonces los materiales no tenían un gran desempeño el diseño electromagnético centrado en la eficiencia logró que se fabricaran motores de eficiencias altas.

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 tal razón, 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, la cantidad de material activo fue disminuido, y los materiales fueron seleccionados para cumplir mínimos requerimientos de eficiencia. En este contexto, en 1977, la NEMA recomendó marcar la placa de los motores trifásicos con una Eficiencia Nominal Nema, definiéndose un rango de eficiencia para cada potencia y una eficiencia mínima en la Norma MG1.1997 para motores trifásicos de Diseño NEMA B.

La crisis energética que ocurrió en la década del 70 hizo que los costos de la energía eléctrica empezasen a incrementarse a un ritmo de aproximadamente12% anual. En este contexto los costos de operación de un motor por consumo de energía hicieron que la eficiencia fuera un parámetro importante en la selección del motor. En este marco, 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 diseñó 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.

Considerando que de la energía total utilizada a nivel industrial, aproximadamente el 66 % la consumen los motores eléctricos y que el motor eléctrico más usado es el de inducción de jaula de ardilla, surgió entre las medidas más prometedoras para el ahorro de energía, establecer el incremento de la eficiencia de este tipo de motores (Quispe 2003).

En este contexto un estudio realizado en 1990 por el Departamento de Energía de los Estados Unidos de América mostró el potencial de ahorro que se podía obtener reemplazando motores de eficiencia estándar, por otros que fueran de 2 a 6% más eficientes. Los hechos anteriores y las restricciones establecidas sobre la conservación del medio ambiente, hicieron que en Estados Unidos se aprobara el Energy Policy Act en 1992 (EPAct92), que estableció el uso obligatorio de los motores de alta eficiencia a partir de 1997. Las eficiencias mínimas exigidas por el EPACT están  escritas en la Tabla 12-10 de la Norma NEMA MG1.1997. Algo similar ocurrió en Europa con el Motor Challenge Programme (MCP) en 1998, que estandarizó los motores de alta eficiencia pero de uso voluntario.

En el 2007 se firmó en Estados Unidos el Energy Independence and Security Act (EISA2007), con la participación de la NEMA que estableció un nivel superior de eficiencia denominado Premium. Aquí se estableció que el motor Premiun sería obligatorio en Estados Unidos a partir de 2015 para motores de hasta 375 kW y a partir de 2017 para todos los motores. Asimismo, la NEMA proyecto el motor Super Premium.

En el 2014 la IEC emitió la Norma IEC 60034-30-1, “Efficiency classes of line operated AC motors (IE code)”, que estableció una equivalencia entre los motores europeos IEC y los motores NEMA, y estableció las clases de eficiencia IE1, IE2, IE3 e IE4. 

B. Como se logra elevar la eficiencia en los motores de alta eficiencia

La idea principal para incrementar la eficiencia en los motores de inducción de jaula de ardilla es reducir sus pérdidas, que 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. Las pérdidas en el motor pueden reducirse hasta alrededor de un 50% a través del uso de mejores materiales, optimizando la geometría, ajustando

mejor el motor con la carga y mejorando el proceso de fabricación (Emadi 2005)

Un problema que se presenta en este proceso es que incrementar la eficiencia es más difícil a medida que aumenta la potencia nominal del motor, incrementando así el costo de mejorar la eficiencia. Por ejemplo, considerando solamente las pérdidas en los conductores del estator y del rotor para mejorar un punto en la eficiencia, se requiere un aumento creciente en la reducción de estas pérdidas, por lo tanto, mientras en un motor de 5HP las pérdidas en los conductores deben reducirse 11%, para un motor de 100 HP éstas deben reducirse 28% (Quispe 2004).

Las características de diseño y fabricación que presentan los motores de alta eficiencia, son:

1. Las pérdidas en los conductores del estator disminuyen aumentando el área disponible para los conductores mediante la colocación en las ranuras de conductores de más sección o a través de un incremento de las dimensiones de las ranuras.
2. Las pérdidas en los conductores del rotor pueden reducirse incrementando la cantidad del material conductor (en las barras y en los anillos), utilizando materiales de mayor conductividad.
3. Las pérdidas en el núcleo magnético se reducen diseñando el motor con una densidad de flujo menor que las normales, para compensar se incrementa la longitud de la estructura ferromagnética. La disminución en la carga magnética también reduce la corriente de magnetización; y esto influye positivamente en el factor de potencia.
4. Las pérdidas por fricción y ventilación están asociadas a los ventiladores y a la cantidad de ventilación requerida para extraer el calor generado por otras pérdidas tales como las pérdidas en el cobre, las del núcleo y las adicionales. Un camino es lograr un mejor diseño aerodinámico. Uno de los subproductos importantes de la reducción de las pérdidas de ventilación, es la disminución de los niveles de ruido.
5. Las pérdidas adicionales se pueden reducir mediante un diseño optimizado del motor y mediante un proceso cuidadoso de producción.
6. Las nuevas tecnologías de motores de reluctancia, o de imán permanente, al no necesitar devanados en el rotor para su operación no tienen en los conductores del rotor, disminuyendo drásticamente las perdidas y aumentando la eficiencia por encima del motor de eficiencia Premium.

C. Normas sobre motores de alta eficiencia

En marzo de 2014 la IEC expidió la Norma IEC 60034-30-1, “Efficiency classes of line operated AC motors (IE code)”. Esta norma establece una equivalencia entre los niveles de eficiencia dadas en la Norma NEMA con la IEC (IEC 2014).
La Tabla 1 muestra las clases de eficiencia y la correspondencia que existe entre la denominación dada por las norma IEC y la norma NEMA.

Tabla 1. Clase de eficiencia de motores y su equivalencia en las normas internacionales IEC y NEMA.

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Es importante precisar que el motor Premium NEMA ó su equivalente IE3, presenta 15% menos de pérdidas respecto al motor EPAct 92 ó IE2. El motor IE3 corresponde a un motor de inducción de jaula de ardilla.

Asimismo, el motor Super-Premium ó IE4 está diseñado para tener 15% menos de pérdidas respecto al motor Premium ó IE3. El motor IE4 puede fabricarse muy difícilmente con motores de inducción de jaula de ardilla y normalmente se está usando para su fabricación motores de reluctancia conmutados SRM (Swichted Reluctance Motor), motores sincrónicos de imán permanente y arranque directo LSPM (Line Start Permanent Magnet), y el motor sincrónico de reluctancia.

3. Recomendaciones para la Aplicación de motores de alta eficiencia

La decisión de comprar un motor de alta eficiencia puede  presentarse cuando éste se requiera en una instalación nueva ó para reemplazar un motor existente. A continuación se presentan criterios de selección para ambos casos:

A. Selección de un motor para una instalación nueva ó para reemplazar un motor dado de baja.

En este caso es importante considerar en primer lugar si el motor cumple las especificaciones de la carga y del sistema: par de arranque, corriente de arranque, tiempo de arranque.

Cumplidas las especificaciones de la carga y del sistema eléctrico, un segundo paso es valorar la rentabilidad económica de pagar un costo extra del motor de alta eficiencia frente al ahorro derivado de un menor consumo energético. Un aspecto principal en esta decisión es el tiempo de amortización de la inversión. Normalmente se considera que el periodo de tiempo necesario para reintegrar el dinero invertido debe ser de dos a tres años.

El ahorro de dinero al aplicar un motor de alta eficiencia se puede calcular usando la siguiente ecuación:

 

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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

La evaluación económica, adicionalmente a la ecuación (1), debe considerar el costo del dinero en el tiempo, la depreciación del motor, el alza del costo de la energía y los impuestos a las utilidades.

El criterio de operación que determina la idoneidad de una u otra elección es el número de horas de trabajo del motor.

Las evaluaciones que se han realizado al respecto, considerando que los motores operan con carga de 75%, un precio de la energía de  0.05 US$/KWH  y  un periodo de amortización de tres años, indican que es recomendable la compra de un motor de alta eficiencia en los siguientes casos:

• En los motores entre 10HP y 75HP cuando operan 2500 horas anuales o más.
• En los motores de potencias distintas a las anteriores (pequeños y grandes motores) cuando operan 4500 horas o más.

Es importante considerar que si los motores de alta eficiencia se aplican conjuntamente con variadores electrónicos de frecuencia ( Variable Frecuency Drives) para accionar bombas y ventiladores, pueden lograr ahorros de energía de hasta mas del 50%.

B. Reparar o reemplazar por un motor nuevo

Cuando un motor falla se presentan tres alternativas: reparar el motor averiado, comprar un nuevo motor de eficiencia estándar o comprar un nuevo motor de alta eficiencia.

La alternativa de reparación parece ser, a primera vista, la más oportuna por cuanto su costo es inferior a una nueva compra, sin embargo, está constatado que en la mayoría de las ocasiones el rebobinado de un motor conduce a una pérdida de rendimiento, en algunos casos importante, y adicionalmente una menor fiabilidad de funcionamiento, en cuanto que se disipa mayor calor y el motor soportará mayores exigencias. Estas variaciones en las pérdidas de potencia del motor son debidas a los calentamientos utilizados para retirar el bobinado dañado y a errores de dimensionamiento del calibre de los conductores y de la topología del devanado. Estudios han determinado que las pérdidas se incrementan un 18%, es decir, que la eficiencia empeora entre 1,5% y 2,5. Por esta razón, se recomienda un procedimiento especial para

el proceso de rebobinado de motores de alta eficiencia (Quispe 2003).

La decisión de sustituir el motor averiado por un motor de alta eficiencia es compleja porque depende de varias variables, como el costo de reparación, la variación del rendimiento, el precio del nuevo motor, la eficiencia original del motor instalado, el factor de carga, las horas de operación anuales, el precio de la energía y el criterio de amortización. A continuación indicaremos algunas claves en esta elección:

• Los motores menores de 40HP y más de 20 años de utilización son candidatos a ser reemplazados, igualmente los motores menores de 7.5 HP, independientemente de los años de explotación.
• Si el costo del rebobinado supera el 50% del costo de un nuevo motor se recomienda sustituirlo por uno nuevo.

C. Reemplazo de motores poco cargados

Los motores industriales no suelen funcionar a plena carga, la experiencia industrial muestra que por término medio los motores eléctricos operan al 60% de su carga asignada. Es común que las industrias instalen motores de mayor potencia a la requerida por varias razones prácticas:

• Desconocimiento de la carga real del motor en la elección de éste.
• Previsión de futuras ampliaciones productivas.
• Por reducciones posteriores de producción.
• Por sustitución de un motor previamente fallido que era de menor potencia.

En cuanto a los motores poco cargados, debe advertirse que no siempre su eficiencia es menor, excepto cuando la carga sea acentuadamente pequeña (menor del 30%) ó cuando el motor es de una velocidad menor o igual a 900 RPM. Por ello, cuando la carga supera el 50% no se pueden dar recomendaciones simples de sustitución de éstos motores. En todo caso su factor de potencia es menor y esto afecta a las pérdidas en la distribución eléctrica.

Antes de sustituir el motor debe de estimarse su eficiencia de operación. Generalmente resulta económicamente interesante sustituir el motor poco cargado por un motor de alta eficiencia.

4. Desmitificando las falsas ideas sobre motores de inducción

Entre las personas que trabajan en el sector industrial existen falsas ideas sobre motores eléctricos que se encuentran muy arraigadas y que muchas veces hacen tomar decisiones erradas en la aplicación de motores eléctricos. Aquí se presenta un análisis de éstas falsas ideas.

A. Un motor sobredimensionado es menos eficiente
Existe la falsa idea de que la máxima eficiencia del motor ocurre cuando el motor opera a potencia de placa y que por lo tanto el motor debe de operar a una potencia muy cercana a la potencia nominal, pues de lo contrario el motor trabajará con una eficiencia menor.

Un análisis de las pérdidas en los motores nos permiten observar que ellas disminuyen al disminuir la potencia del motor, fundamentalmente las pérdidas en los conductores dependen del cuadrado de la corriente. Esto hace que la máxima eficiencia del motor se presente entre el 75% y el 80% de su carga nominal y que la eficiencia del motor prácticamente se mantenga constante entre un rango del 50% al 100% de la carga nominal, exceptuando los motores de baja velocidad como de 8 polos. Por ejemplo para una carga que requiere 3 HP a 1800 RPM, un motor de 5 HP operará con mayor eficiencia que usar un motor de 3 HP, debido a que la eficiencia nominal de un motor de 5 HP es mayor a la de 3 HP.

 

B. Un motor alta eficiencia tiene un factor de potencia alto.

Debido a que los motores de alta eficiencia deben dar mas espacio al cobre, pueden presentar un menor factor de potencia, sin embargo, los nuevos diseños han logrado mejorar el factor de potencia.

Por lo tanto, no debe considerarse que al elegir un motor de alta eficiencia éste tendrá un factor de potencia mayor al motor estándar, lo más recomendable es revisar en el catálogo del fabricante el valor del factor de potencia de los motores.

C. La reparación siempre degrada la eficiencia del motor.

Los errores más comunes que se cometen al reparar un motor son el calentamiento a que son sometidos el núcleo para retirar el bobinado dañado y a errores o modificaciones de dimensionamiento del calibre de los conductores y de la topología del devanado. Estudios realizados en Estados Unidos han determinado que una inadecuada reparación puede hacer que las pérdidas en el hierro se incrementan entre un 15% y 20%, es decir, que la eficiencia baje entre 1,5% y 3,5%.

Las principales medidas para que la eficiencia no se afecte en la reparación son: usar un horno de pirólisis para calentar el devanado a una temperatura menor a 350 grados, reparar o reemplazar las laminaciones defectuosas, conservar el calibre y las longitudes de bobina del devanado original, y usar equipos de medición  y prueba calibrados.