Comparación de motores de inducción de eficiencia IE3 con jaula de rotor de aluminio y cobre
Los motores de inducción trifásicos se utilizan ampliamente en diversas aplicaciones donde la eficiencia es fundamental para controlar el consumo.
El objetivo de este estudio es diseñar y comparar motores de inducción trifásicos con jaula de aluminio y cobre para cumplir con el nivel de eficiencia IE3 según el rendimiento típico y las restricciones estándar. El estudio propuesto se centró en motores de inducción trifásicos de jaula de ardilla TEFC, 400 V, 50 Hz, servicio S1. Los diseños de los motores, con jaula de Al y Cu, se han optimizado para alcanzar el nivel mínimo de eficiencia IE3 con el menor coste de material activo y satisfacer las restricciones físicas y de rendimiento de los diseños, que constituyen las especificaciones del motor. Se seleccionaron dos tamaños de motor: 3 kW y 7,5 kW, motores de inducción de 4 polos.
Introducción
El Reglamento de la Comisión Europea ha introducido los niveles de eficiencia para los motores de inducción trifásicos, y los fabricantes de motores deben adaptar su ciclo de producción e invertir en estrategias de desarrollo para motores innovadores y de alta eficiencia. La mejora de la eficiencia de los motores de inducción requiere el uso de soluciones tecnológicas innovadoras y la optimización del diseño, manteniendo las restricciones de construcción habituales para este tipo de motores. El uso de una jaula de rotor de cobre fundido a presión ofrecería mejoras atractivas en la eficiencia energética del motor y podría representar una alternativa válida a la jaula de aluminio tradicional (de bajo coste). La Figura 1 muestra un prototipo de rotor de cobre fundido a presión.
Comparación de motores de inducción de eficiencia IE3 con jaula de rotor de aluminio y cobre. Fig. 1 – Rotor de cobre fundido a presión.
Este artículo presenta un estudio sobre nuevos diseños de motores de inducción con rotor de aluminio y cobre, especialmente desarrollados para alcanzar el nivel de eficiencia IE3. Se presenta una comparación de los aspectos técnicos y económicos. Se han seleccionado dos tamaños de motor: 3 kW (4 polos) y 7,5 kW (4 polos), jaula de ardilla, TEFC, 400 V, 50 Hz, servicio S1.
La Tabla 1 muestra, para cada tamaño, los niveles mínimos de eficiencia IE3 según el Reglamento CE n.º 60034-30-1/2014.
Los diseños de los motores se han optimizado para alcanzar el nivel mínimo de eficiencia IE3 con el menor coste de material activo y satisfacer las restricciones físicas y de rendimiento de los diseños, que constituyen las especificaciones del motor. El estudio no considera los costes de los procesos de fundición a presión y estampación, ni el coste del utillaje. Para el cálculo del coste del material activo, se han considerado tres escenarios diferentes con diferentes ratios de precio de Cu/Al.
Se ha utilizado un procedimiento de optimización adecuado que ha permitido encontrar el mejor diseño modificando las dimensiones geométricas del estator y la forma del rotor, el devanado del estator y la longitud del apilado, para obtener un diseño final optimizado cuyas dimensiones sean consistentes, en la medida de lo posible, con las de los bastidores comerciales estándar.
El rendimiento del motor se ha evaluado mediante un modelo de parámetros concentrados. El modelo adoptado considera la saturación magnética, el efecto pelicular en los parámetros del rotor y el análisis térmico. La validez del modelo matemático se ha verificado mediante pruebas experimentales en varios motores de inducción trifásicos.
El artículo presenta los resultados de los diseños optimizados para IE3, con jaula de Al y Cu. Estas soluciones se han comparado en términos de rendimiento, coste del material activo y ventajas en tamaño (diámetro/longitud de la pila) y peso total. Además, se ha podido verificar si las tecnologías de Al y Cu permiten superar el nivel de eficiencia de IE3 y ajustarse a dimensiones estándar compatibles con carcasas comerciales.
Procedimiento de optimización del diseño
El procedimiento de optimización se sintetiza en el diagrama de flujo que se muestra en la figura 2, donde X representa el conjunto de variables de diseño del motor y F(X) la función objetivo (coste de material activo) a minimizar.
A partir de un diseño preliminar (diseño inicial), el algoritmo de optimización actualiza iterativamente el conjunto de variables de diseño (X) e intenta identificar un motor óptimo mediante un equilibrio entre los diferentes parámetros de la máquina.
El bloque "Análisis del motor" evalúa el rendimiento del motor, la función objetivo y los valores de las restricciones. La descripción física del motor se reduce a parámetros equivalentes como la resistencia y las inductancias: el modelo adoptado considera la influencia de la saturación en las reactancias del estator y el rotor, así como la influencia del efecto pelicular en los parámetros del rotor. Los efectos de la temperatura en las resistencias del motor se calculan a partir de una red térmica detallada. La validez del modelo matemático se ha verificado mediante pruebas experimentales en varios motores de inducción trifásicos.
Los diseños de los motores, con jaula de Al y Cu, se han optimizado para alcanzar el nivel mínimo de eficiencia IE3 con el menor coste de material activo y satisfacer las limitaciones físicas y de rendimiento de los diseños, que constituyen las especificaciones del motor.
El coste del material activo (CMA) se define como sigue:
Estos costes no tienen en cuenta los costes de fundición a presión, estampación, utillaje ni estructura. Para garantizar la calidad y viabilidad de los diseños optimizados, se han introducido varias restricciones relativas a:
la eficiencia nominal (nivel mínimo de eficiencia para IE3, tabla 1),
el factor de potencia,
el rendimiento de arranque (par y corriente de arranque),
el par de ruptura, el aumento de temperatura del devanado del estator y de las barras del rotor,
el factor de llenado de ranuras.
Los valores de estas restricciones se han fijado con referencia a motores comerciales del mismo tamaño que los motores investigados.
Cada variable de diseño se ha ajustado entre un límite superior e inferior según las sugerencias de los fabricantes, para obtener un diseño final optimizado cuyas dimensiones sean compatibles, en la medida de lo posible, con las carcasas comerciales estándar.
La tabla 2 muestra las dimensiones (longitud de la pila y diámetro interior) de las carcasas comerciales (tipo B3). Se han realizado las siguientes suposiciones de diseño. Para cada tamaño, los motores con jaula de Al y Cu tienen los mismos valores:
Número de ranuras en el estator y el rotor,
Longitud del entrehierro,
Factor de llenado de la ranura,
Abertura de la ranura del estator,
Inclinación del rotor,
Diámetro del eje,
Distribución y factor de bobinado del devanado,
Aislamiento de la ranura del estator y coeficientes térmicos (para la red térmica).
Para los nuevos diseños se ha elegido el acero premium comercial 330-50 AP (0,5 mm de espesor).
En cuanto a los materiales activos, se han fijado los siguientes precios unitarios:
Acero premium: 1,0 €/kg
Hilo de cobre: 8,0 €/kg
Materia prima para la jaula de Al: 2,0 €/kg
El coste de la materia prima para la jaula de cobre se ha relacionado con el de la de aluminio, y se han introducido los siguientes tres escenarios imponiendo una relación de precios diferente entre Cu y Al:
Resultados
Los resultados de los diseños optimizados se muestran en las siguientes tablas y figuras, que incluyen las dimensiones principales del motor, su rendimiento, así como los pesos y costes del material activo para los tres escenarios, calculados según (1).
3 kW, 4 polos
Fig. 3a - 3 kW: Pérdidas (W) Fig. 3a – 3 kW: Pérdidas
La Tabla 3 muestra las dimensiones principales y el rendimiento del motor de 3 kW y 4 polos, mientras que las Figuras 3a, 3b y 3c muestran las pérdidas, el rendimiento (la relación entre la corriente nominal de arranque, el par nominal de arranque y el par nominal de ruptura) y el coste del material activo.
Ambos diseños tienen la misma eficiencia nominal (87,7 %) y su rendimiento es bastante similar y consistente con el rendimiento típico de un motor de aluminio comercial del mismo tamaño. El motor de cobre presenta una ligera reducción de corriente y un ligero aumento del factor de potencia. El rendimiento de arranque es bastante similar al de los motores de jaula de aluminio.
Los diámetros exteriores del estator de ambos diseños permiten el uso de carcasas comerciales. El motor de Cu presenta una ventaja en tamaño (diámetro/longitud de la pila), con una reducción de peso total de aproximadamente un 7 %.
El peso total del cobre en el motor de Cu (bobinado del estator y jaula del rotor) es aproximadamente un 40 % mayor que el del cobre (bobinado del estator) en el motor de Al.
El motor de Cu es ligeramente más caro, con un incremento en el coste del material activo para todos los casos, en el rango entre 3 y 10 euros.
7,5 kW, 4 polos
La Tabla 4 muestra las dimensiones principales y el rendimiento del motor de 7,5 kW y 4 polos, mientras que las figuras 4a, 4b y 4c muestran las pérdidas, el rendimiento y el coste del material activo. Ambos diseños tienen la misma eficiencia nominal (90,4) y el motor de cobre presenta una ligera reducción de la corriente y un aumento del factor de potencia.
El rendimiento de arranque es bastante similar al de los motores de jaula de aluminio. Resulta difícil superar la norma IE3 con tecnología de aluminio debido a las limitaciones de la carcasa y a la imposibilidad de adaptarse a las dimensiones estándar. El diámetro exterior del estator de la jaula de aluminio requiere una carcasa nueva (fuera de línea) y más amplia (tablas 4 y 2).
El motor de Cu puede utilizar carcasas comerciales y presenta una ventaja en tamaño (diámetro/longitud de la pila), con una reducción total de peso de aproximadamente el 9 %. Este porcentaje tiende a aumentar cuando se utiliza una carcasa más grande para el motor de jaula de aluminio. El peso de la jaula del rotor de Cu es un 49 % mayor que el de la jaula de aluminio.
El peso total del cobre en el motor de Cu (bobinado del estator y jaula del rotor) es aproximadamente un 23 % mayor que el del motor de Al (bobinado del estator).
El motor de Cu presenta un menor coste de materiales activos en el Escenario 1, con un incremento en los otros dos casos, de entre 2 y 7 euros.
Si se tiene en cuenta el coste de la nueva carcasa del motor de Al, el motor de Cu resulta sin duda más conveniente (sin contar el coste del proceso de fundición a presión).
Conclusiones
En este estudio, se compararon motores de inducción trifásicos con jaula de aluminio y cobre para cumplir con el nivel de eficiencia IE3, según su rendimiento típico y las restricciones estándar. Se seleccionaron dos tamaños de motor: 3 kW y 7,5 kW, TEFC de 4 polos, 400 V, 50 Hz, motores de inducción.
El rendimiento de los motores de eficiencia IE3 con jaula de Al y Cu es bastante similar y consistente con el rendimiento típico de los motores comerciales de Al del mismo tamaño. Los motores de Cu siempre presentan una ventaja en tamaño (diámetro/longitud de la pila) y peso total. El peso total del cobre en los motores de Cu (bobinado del estator y jaula del rotor) es mayor que el peso del cobre (bobinado del estator) en los motores de Al.
Resulta difícil superar el nivel IE3 con tecnología de Al para los motores de 7,5 kW debido a las limitaciones de la carcasa y a la imposibilidad de adaptarse a las dimensiones estándar de la misma. Para el tamaño de 3 kW, los motores con jaula de cobre son ligeramente más caros que los de aluminio, mientras que para el de 7,5 kW, la diferencia en el material activo podría reducirse si el motor de aluminio necesita una carcasa nueva (fuera de línea). Es importante destacar que el costo de la jaula de cobre también se ve afectado por el coste del proceso de fundición a presión de cobre y el coste de los materiales del molde.
Estos aspectos representan actualmente barreras técnicas que impiden la fabricación y el uso generalizado de rotores de cobre. Si se avanza en la disponibilidad de materiales de molde duraderos y rentables, los motores con rotor de cobre sin duda ganarán cada vez más interés en el mercado, ya que demuestran ser una forma rentable de cumplir con los nuevos estándares de alta eficiencia IE4 e IE5.
Original en: https://www.electricmotorengineering.com
Nota del traductor:
Eficiencia:
IEC 60034-30-1: 2014 define cuatro clases de eficiencia IE (eficiencia internacional) de motores eléctricos de una sola velocidad clasificados según IEC 60034-1 o IEC 60079-0 (atmósferas explosivas) y diseñados para funcionar con voltaje sinusoidal.
IE1 = Eficiencia estándar (niveles de eficiencia aproximadamente equivalentes a EFF2 en Europa en la actualidad)
IE2 = Alta eficiencia (niveles de eficiencia aproximadamente equivalentes a EFF1 en Europa en la actualidad e idénticos a EPAct en EE. UU. para 60 Hz)
IE3 = Eficiencia Premium (niveles de eficiencia actuales en Europa e idénticos a “NEMA Premium” en EE. UU. para 60 Hz)
IE4 = Eficiencia Super Premium (nuevos niveles de eficiencia por encima de IE3)
IE5 = (se prevén niveles de eficiencia inferiores a los previstos para una futura revisión, con el objetivo de reducirlos aún más en un 20% aproximadamente con respecto a IE4)
Servicio:
El servicio S1 en motores eléctricos se refiere al funcionamiento continuo del motor con una carga constante. Este tipo de servicio es ideal para máquinas que deben funcionar de forma constante y continua durante largos periodos de tiempo. El motor funciona con carga constante durante el tiempo suficiente para alcanzar el equilibrio térmico. El arranque del motor tiene un efecto insignificante en su temperatura. Los motores en funcionamiento constante ofrecen un funcionamiento fiable incluso cerca o al máximo de su capacidad nominal.
Ricardo Berizzo
Ingeniero electricista 2025.-
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