La eficiencia del motor eléctrico

 

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.-