La
eficiencia del motor eléctrico
A partir de la revolución industrial se inició una
transición que acabaría con siglos de una mano de obra basada en el trabajo
manual y el uso de la tracción animal, siendo estos sustituidos por maquinaria
para la fabricación y para el transporte
de mercaderías y pasajeros. La introducción de la máquina de vapor de James
Watt en las distintas industrias fue el paso definitivo en el éxito de esta
revolución. El desarrollo en la segunda mitad del siglo XIX del motor de
combustión interna y la energía eléctrica, supusieron un progreso tecnológico
sin precedente……………….. Y de la mano de la energía eléctrica vino el “motor
eléctrico”.
Breve historia
En 1820 el físico y filósofo danés Hans Christian Ørsted
descubrió el efecto magnético de la corriente eléctrica, un fenómeno
fundamental del electromagnetismo. Un año después, Michael Faraday publicó su
trabajo sobre "rotación electromagnética". Construyó un dispositivo
en el que un conductor eléctrico giraba en torno a un imán fijo y, en un contra
experimento, un imán móvil giraba en torno a un conductor fijo.
Hacia 1837/1838 se conocía la base para un motor eléctrico y
se desarrolló en forma de herramienta adecuada para su uso. Werner von Siemens
patentó en 1866 la dinamo, generador de corriente continua (CC) que dio paso al
motor de CC. La construcción de las primeras máquinas eléctricas fue lograda en
parte, sobre la base de experiencia práctica. Con el desarrollo de la corriente
alterna (AC), aparece en escena el motor trifásico de inducción, ideado y
diseñado por Nikola Tesla.
Los motores de inducción
o asíncronos son un tipo de motor de AC cuyo primer prototipo funcional fue
presentado por Tesla en el año 1888 en el antiguo American Institute of
Electrical Engineers, que hoy en día es el IEEE.
Motor de corriente continua
Los motores de corriente
continua se construyen con rotores bobinados y con estatores bobinados o de
imanes permanentes.
Motores con estator bobinado
Si el estator es
bobinado, existen distintas configuraciones posibles para conectar los dos
bobinados de la máquina:
Motor serie o motor de excitación en serie:
el devanado de estator y el devanado de rotor se conectan en serie.
Motor shunt o de excitación en paralelo: el
devanado de estator y de rotor se conectan en paralelo.
Motor de excitación compuesta o motor
compound: se utiliza una combinación de ambas configuraciones anteriores.
Según el tipo de conexión
es la característica externa del motor, principalmente la curva Cupla-
velocidad.
Motor de corriente continua de imán permanente (PM)
El advenimiento de nuevos
materiales que se imanan de forma permanente, han viabilizado la construcción
de este tipo de máquinas.
Motor de inducción trifásico
El principio de
funcionamiento de esta máquina se basa en el campo magnético giratorio que se
crea cuando las tres corrientes eléctricas alternas fluyen por las bobinas del
estator del motor. Esta interacción produce fuerzas que hacen girar el rotor
del motor, generando así un movimiento mecánico.
Motor síncrono de imanes permanentes
Un motor síncrono de
imanes permanentes (PMSM) utiliza imanes permanentes integrados en el rotor
para crear un campo magnético de valor constante. El estator lleva bobinados
conectados a una fuente de electricidad de CA para producir un campo magnético
giratorio (como en un motor asíncrono).
Este motor utiliza el
mismo concepto de un campo magnético giratorio producido por el estator, el rotor
consta de imanes permanentes (PM) que siguen sincrónicamente al campo giratorio
del estator.
Eficiencia de un motor
eléctrico
La eficiencia de un motor
eléctrico es un factor crítico a considerar cuando se busca una operación
sostenible. La eficiencia se refiere a la capacidad del motor para convertir la
energía eléctrica suministrada en trabajo mecánico útil, minimizando así las
pérdidas energéticas. La eficiencia de un motor se puede determinar mediante la
comparación de la potencia de salida (energía útil) y la potencia de entrada
(energía eléctrica suministrada).
Las diferentes clases de
pérdidas que aparecen en la máquina eléctrica, generalizando, son las
siguientes: pérdidas mecánicas, pérdidas magnéticas y pérdidas eléctricas.
Pérdidas Mecánicas. Estas
pérdidas, pueden ser debidas a la fricción y a las propiedades aerodinámicas de
su ventilación. Entre las que destacan las siguientes.
Pérdidas por fricción en
los cojinetes/rodamientos: Estas pérdidas, son debidas a la fricción y a las
propiedades aerodinámicas de su ventilación, se generan debido al continuo roce
que existe en los soportes que permiten girar al eje.
Pérdidas por fricción de
las escobillas: Para un motor de corriente continua, es muy común tener este
tipo de pérdida debido a que los carbones que hacen contacto con las terminales
de la armadura (rotor) se van desgastando con la fricción generada por el giro
de la armadura.
Pérdidas por ventilación:
Para el caso de máquinas que tienen superficies de giro muy veloces, se
considera que podrían generar un flujo de aire capaz de restar potencia de giro
al rotor mismo.
Pérdidas Magnéticas.
Además de poseer una alta permeabilidad, los materiales ferromagnéticos son
también conductores de electricidad, aunque su conductividad sea pequeña en comparación
con la del cobre. Si el campo magnético establecido en un núcleo
ferromagnético, varia con el tiempo, se induce un voltaje en el núcleo,
ocasionando en este una circulación de corriente. El núcleo tiene una
resistencia finita, y por lo tanto se disipa energía debido a pérdidas óhmicas
originando pequeñas corrientes que se le conocen como corrientes de Foucault o
corrientes parásitas.
Pérdidas Eléctricas. Es
la potencia de pérdida que se obtiene debido al paso de corriente en los diferentes
bobinados (Efecto Joule). Se le llama pérdida de cobre.
Eficiencia del motor de corriente continua
De acuerdo a la
definición de eficiencia vista más
arriba, en términos generales , podemos decir que al variar el régimen de
funcionamiento varia tanto la potencia suministrada al motor, como también la
sumatoria de pérdidas y por lo tanto también el rendimiento. La magnitud de la
carga mecánica a la cual el rendimiento alcanza su valor máximo depende de la
relación entre las magnitudes de los
distintos componentes de pérdidas y su variación con la modificación de la
carga mecánica.
Eficiencia del motor trifásico de inducción/sincrónico de imán
permanente
Motor trifásico de inducción para la industria
Los motores eléctricos
trifásicos se utilizan en toda maquinaria industrial. En los últimos años, ha
habido un enfoque creciente en la eficiencia energética de estos motores. Esto
se debe al hecho de que los motores eléctricos representan una parte importante
del consumo mundial de energía eléctrica.
Estándares de eficiencia:
La Comisión
Electrotécnica Internacional (IEC) ha desarrollado un conjunto de estándares de
eficiencia para motores eléctricos trifásicos. Estos estándares se conocen como
clases de eficiencia internacional (IE). Las clases de IE van desde IE1 a IE5,
siendo IE1 la menos eficiente e IE5 la más eficiente.
La clase IE1:
Es el estándar para la
mayoría de los motores eléctricos trifásicos actualmente en uso. Estos motores
tienen una eficiencia de entre el 75% y el 80%. Esto significa que por cada 100
watios de electricidad que se introducen en el motor, solo se utilizan entre 75
y 80 watios de potencia para girar el eje. La potencia restante se pierde en
forma de calor.
La clase IE2:
Es un estándar de mayor
eficiencia que la clase IE1. Estos motores tienen una eficiencia de entre el
80% y el 85%.
La clase IE3:
Es el estándar de
eficiencia más alto disponible actualmente para motores eléctricos trifásicos.
Estos motores tienen una eficiencia de entre el 85% y el 90%.
La clase IE4:
Es un nuevo estándar de
eficiencia que IEC está implementando gradualmente. Estos motores tienen una
eficiencia de entre el 90% y el 92%.
La clase IE5:
Es la clase más eficiente
de motores eléctricos trifásicos que se encuentra actualmente en desarrollo.
Estos motores tienen una eficiencia superior al 92%.
Motor trifásico de inducción /
Síncrono imán permanente para movilidad eléctrica
Algunos ingenieros e
incluso investigadores pueden considerar los motores de tracción similares a los motores industriales. Sin
embargo, los motores de tracción generalmente requieren un arranque / parada
frecuente, una alta tasa de aceleración / desaceleración, un alto par de
torsión y baja velocidad para subir pendientes, un bajo par de torsión y una
alta velocidad de crucero y un rango de velocidad de operación muy amplio,
mientras que los motores de uso industrial generalmente se optimizan en
condiciones nominales. Por lo tanto, los motores de tracción son tan únicos que
merecen formar una clase individual. Los requisitos generales del motor de
tracción son significativamente diferentes de los motores trifásicos para aplicaciones
industriales corrientes.
Las pérdidas eléctricas
incluyen el I2R, o resistencia óhmica convencional, de los devanados, los
cambios dependientes de la frecuencia en esas resistencias debido a efectos
superficiales, sobre conductores, y de proximidad, y las pérdidas incurridas en el circuito magnético
en el estator y el rotor, como la histéresis magnética, cuyas pérdidas aumentan
con la frecuencia, y el flujo de dispersión cuyas pérdidas son más el resultado
de la construcción física del motor.
Las pérdidas mecánicas
incluyen fricción en los rodamientos (una función lineal de las RPM),
desplazamiento de grasa en los rodamientos (una función cúbica de las RPM) y
desplazamiento de aire (o, peor aún, un refrigerante líquido como
anticongelante de glicol, aceite, etc) por el conjunto del rotor (también
conocido como resistencia al viento, que también es una función cúbica de RPM).
En un mapa de eficiencia
del motor/controlador (inversor electrónico) se describe las diferentes curvas
o zonas de eficiencia. La misma se obtiene en función de los parámetros
constructivos del motor, principalmente. La eficiencia de las máquinas
eléctricas es normalmente inferior a la del
inversor y muestra una mayor variabilidad con el punto de funcionamiento
y el tipo de máquina. La figura siguiente muestra que la eficiencia no es
constante en una máquina de tracción. La frecuencia de alimentación y la
velocidad de rotación modifica de manera sustancial las pérdidas y con ello el
rendimiento.
En términos generales es
útil reunir todas las pérdidas diferentes en una sola ecuación que nos permita
modelar y predecir las pérdidas en un motor. Cuando hacemos esto, es útil
combinar los términos de las pérdidas de hierro y las pérdidas por fricción, ya
que ambos son proporcionales a la velocidad del motor.
Las pérdidas totales
están dadas por:
Donde: el primer término
son las perdidas en el cobre, el segundo
las perdidas en el hierro, el tercero las perdidas por ventilación y el
último las perdidas del circuito de control electrónico que se considera
constantes (comparativamente).
En el termino KcT2 la corriente es proporcional al par T
proporcionado por el motor y kc es una constante que depende de las
resistencias y también del flujo
magnético.
La eficiencia encontrada
en cada punto del grafico anterior se obtiene aplicando en cada uno de ellos:
eff
= Psalida mecánica / Psalida mecánica + P pérdidas
Conclusiones
En general, la elección
del motor eléctrico adecuado consiste en
definir no sólo el régimen nominal en kW y la velocidad, sino también el
análisis de la operación y de las
condiciones del entorno en el cual funcionará el motor. Este análisis debe
destacar las condiciones, los accesorios y los requisitos que debe cumplir el
motor.
Desde el 75% hasta el
100% de la carga la eficiencia motor eléctrico se mantiene constante para el
máximo ahorro energético. Aunque el rendimiento se mantiene constante desde el
75% hasta el 100% de la carga, el dimensionado debe buscar siempre la
colocación del motor muy cerca del punto de eficiencia máxima, es decir el
punto de régimen nominal. Esto garantizará que se maximicen los otros valores
de eficiencia, por ejemplo el factor de potencia.
En particular, para la
movilidad eléctrica, como dijo el diseñador responsable de Tesla, Dr. Konstantinos Laskaris:
“Comprender exactamente lo que quiere que haga un motor es lo principal para
optimizar. Necesita conocer las limitaciones exactas, precisamente para qué se
está optimizando. Una vez que sepa eso, puede utilizar modelos informáticos
avanzados para evaluar todo con los mismos objetivos. Esto le brinda una vista
panorámica de cómo funcionará cada tecnología de motor. Luego vas y escoges el
mejor. Con el diseño de vehículos, en general, siempre hay una combinación de
deseos y limitaciones”. Con el objetivo de lograr la mayor eficiencia de motorización/generación
para una mayor autonomía del vehículo.
Ricardo Berizzo
Ingeniero
Eléctricista 2024.-
