1. conceptos básicos sobre motores eléctricos · – ventajas similares a las de los motores de...

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1. Conceptos básicos sobre motores eléctricos

Anibal T. De Almeida ISR-Universidad de Coímbra

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Temario • Sistemas de motores: uso de la energía • Definición de sistema de motores • Tipos de motores eléctricos • Eficiencia de los motores eléctricos • Motores eléctricos de alta eficiencia

Sistemas de motores: uso de la energía

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Demanda mundial de electricidad según usos finales Fuente: A+B International 2008

Sistemas de motores: uso de la energía

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Consumo de electricidad en el sector industrial de la Unión Europea Fuente: ISR-Universidad de Coímbra

Sistemas de motores: uso de la energía

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Desglose del consumo de los motores eléctricos según los usos finales, en el sector industrial de la UE Fuente: ISR-Universidad de Coímbra

Sistemas de motores: consumo de electricidad por sector industrial

Consumo de los motores eléctricos industriales según el rango de potencia

Sistemas de motores

Sistemas de motores: uso de la energía La eficiencia de los sistemas de motores depende de

varios factores, entre los que se incluyen: • eficiencia del motor • control de la velocidad y del par del motor • dimensionamiento correcto • calidad del suministro eléctrico • pérdidas por distribución • transmisión mecánica • prácticas de mantenimiento • eficiencia del uso final (bomba, ventilador, compresor,

etc.)

Eficiencia de un sistema de motores eléctricos

ELÉCTRICA

EJE

ENTRADA

ÚTILSALIDA

PP

PP

== )( ηENTRADA

PÉRDIDAS

PP

−=1η ω⋅= TPEJE

ENTRADA

ÚTILFINALUSONTRANSMISIÓMOTORVEVSISTEMA P

P=⋅⋅⋅= −ηηηηη

Oportunidades de ahorros

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Principios operativos Todos los motores tienen dos partes básicas:

– El estátor (parte fija) – El rotor (parte giratoria)

El diseño y la fabricación de estos dos componentes determina la clasificación y las características del motor.

Tipos de motores

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Motores eléctricos

Motores de CC

de conmutación electrónica - de

imanes permanentes sin escobillas

de escobillas

de excitación en serie de excitación en paralelo de excitación mixta de imanes

permanentes

Motores de CA

universal síncrono de inducción

monofásico trifásico

Tipos de motores y usos

0,1 kW 1 kW 10 kW 100 kW 1000 kW Potencia

MOTORES de CC MOTORES de CC CONVENCIONALES

MOTORES de CC de IMANES PERMANENTES

MOTORES de CA MOTORES de INDUCCIÓN de JAULA DE ARDILLA (se usan en más del 90% de las aplicaciones industriales)

MOTORES de INDUCCIÓN de ROTOR DEVANADO MOTORES SÍNCRONOS de IMANES PERMANENTES

MOTORES SÍNCRONOS CON EXCITACIÓN SEPARADA

MOTORES DE RELUCTANCIA CONMUTADA

USOS DOMÉSTICOS TERCIARIOS Y SERVICIOS

SERVICIOS PÚBLICOS (PLANTAS DE BOMBEO Y DE TRATAMIENTO DE AGUA) USOS INDUSTRIALES

Motores de inducción de jaula de ardilla Se usan en más del 90% de los sistemas de motores eléctricos;

Buena eficiencia y alta fiabilidad (mantenimiento reducido); Bajo costo (en comparación con otros tipos de motor); Fáciles de controlar cuando se los alimenta con un VSD.

Motores de inducción de jaula de ardilla

schneider

Motores de inducción de jaula de ardilla

1 X 1

V X m

X 2

R 2 S

I 1 I 2 R m

R1, R2 = Resistencia del estátor y del rotor, Xm = Reactancia de magnetización X1, X2 = Reactancia de fuga del estátor y del rotor Rm = Resistencia de magnetización

s=Deslizamiento del rotor

Motores de inducción - Principios de funcionamiento

Pérdidas del motor • Las pérdidas eléctricas (también llamadas efecto Joule) se

expresan mediante I2R, y en consecuencia, aumentan rápidamente con la carga del motor. Las pérdidas eléctricas aparecen como calor generado por la resistencia eléctrica a la corriente que fluye en el devanado estatórico, y en las barras del conductor y en los anillos de los extremos del rotor.

• Las pérdidas magnéticas ocurren en el laminado de acero del estátor y del rotor. Se deben a la histéresis y a las corrientes de Foucault, y aumentan aproximadamente con la densidad de flujo al cuadrado.

• Las pérdidas mecánicas se deben a la fricción en los cojinetes y a las pérdidas por ventilación y resistencia al viento.

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Pérdidas del motor • Las pérdidas por corrientes de fuga se deben al flujo de fugas, a

los armónicos de la densidad de flujo del entrehierro, a la falta de uniformidad de la distribución de las corrientes entre las barras, a las imperfecciones mecánicas en el entrehierro y a las irregularidades en la densidad de flujo del entrehierro.

• Las pérdidas por contacto de las escobillas (únicamente para

motores con escobillas) se deben a la caída de tensión entre las escobillas y el conmutador, así como a la pérdidas por fricción adicionales.

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Pérdidas en los motores de inducción

Pérdidas del motor

Pérdidas en función de la carga en un motor de inducción

Pérdidas del motor

Fracción típica de las pérdidas de un motor de inducción de 50 Hz, de cuatro polos.

Motores de inducción Premium

Características de los motores Premium

Motores de inducción energéticamente eficientes

• Mayor eficiencia (2-6% más) • Pueden lograr que se reduzcan las facturas de energía y

los costos de mantenimiento; • Más material de mayor calidad – más caros (25-30%) • Vida útil más larga (menor temperatura operativa) • Por lo general, menor par de arranque (depende de la

forma de las ranuras del rotor) • Mayor corriente de arranque (depende del par de arranque) • Menor deslizamiento • Mayor inercia del rotor

Costo del ciclo de vida de los motores de inducción de jaula de ardilla

• En la industria, un motor de inducción puede consumir por año una cantidad de energía equivalente a entre 5 y 10 veces su costo inicial. En toda su vida útil de aproximadamente 12-20 años, representa entre 60 y 200 veces su costo inicial.

• Este hecho justifica un análisis del costo del ciclo de vida (LCC) que incluya la reparación y el mantenimiento.

Sistemas de motores: uso de la energía

Motor IE3 de 11 kW, con 4000 horas de funcionamiento por año, ciclo de vida 15 años 0,0754 € /kWh Fuente: ISR-Universidad de Coímbra

Ejercicio Análisis económico - Amortización simple de un

motor de alta eficiencia en comparación con un motor estándar:

-Aplicación nueva -Retrofit de un motor existente -Cuando falla un motor

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Motores de inducción: clases de eficiencia

Clases de eficiencia de la IEC 60034-30 y clase de eficiencia Super-Premium IE4 de la IEC 60034-31

Etiquetado: Acuerdo CEMEP / UE (1998-2010)

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Motores incluidos en este esquema:

•Motores de inducción de jaula de ardilla de CA trifásicos

• Potencia nominal: 1,1 kW a 90 kW

• Totalmente cerrado ventilado por ventilador

• Tensión de red: 400 V • 50 Hz

• Tipo de servicio S1 (modo continuo)

• En conformidad con IEC 34-2 (método indirecto).

Consideraciones económicas y mercados

Ventas totales de motores en el ámbito de aplicación del acuerdo voluntario del CEMEP

Transformación del mercado europeo después de los acuerdos UE/CEMEP:

Motores de CC • de escobillas con devanado estatórico • de escobillas con estátor de imanes

permanentes • de escobillas Fáciles de controlar Necesitan mucho mantenimiento Escasa fiabilidad

Motores de CC con devanado estatórico

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Servomotor de CC de imanes permanentes convencional

conexiones eléctricas

envoltura (retorno magn.)

devanado

conmutador

sistema de escobillas

núcleo de hierro

imanes permanentes

(externo)

brida

Motores de CC sin escobillas / Motores electrónicamente conmutados

Motor electrónicamente conmutado similar al motor de CA síncrono de imanes permanentes • nombres: Motor EC, motor de CC sin escobillas (BLDC), motor síncrono de

imanes permanentes • comportamiento del motor similar al motor de CC

– diseño similar al motor síncrono (devanado estatórico trifásico, imán rotatorio) – alimentación de las 3 fases según la posición del rotor

• principales ventajas: mayor fiabilidad, velocidades más altas • bobinados sin ranuras

– ventajas similares a las de los motores de CC sin núcleo – sin detención magnética, menos vibraciones

• resulta más atractivo: costos, tamaño, imanes

Motor CC sin escobillas

Motores de CC sin escobillas / Motores electrónicamente conmutados

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Ventajas principales: • Excelente curva par-velocidad • Excelente respuesta dinámica • Alta eficiencia y fiabilidad => bajo mantenimiento • Vida útil más larga • Menor ruido acústico • Capaz de altas velocidades • Alta relación par/volumen o alta densidad de potencia Desventajas principales: Muy caro, y siempre se necesita un controlador (VSD).

Eficiencia a carga parcial de los motores de imanes permanentes

Motores LSPM

• Motor híbrido con rotor de jaula de ardilla equipado con imanes permanentes de alta energía (NeFeB), conveniente para arranque directo.

• Intercambiables por motores de inducción (misma relación potencia x marco).

Motores Super-Premium Norma IEC 60034-30

Motores de reluctancia conmutada (SR)

Un motor SR es un diseño de saliente doble con bobinas de fase montadas alrededor los polos diametralmente opuestos del estátor. La energización de una fase hará que el rotor se mueva para alinearse con los polos del estátor, lo que minimiza la reluctancia del trayecto magnético. Al igual que los variadores de velocidad de alto rendimiento, los imanes del motor están optimizados para operar en circuito cerrado. Se usa la información acerca de la posición del rotor para controlar la energización de la fase de manera óptima a fin de lograr un par suave y continuo y alta eficiencia.

Motores de reluctancia conmutada

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ESTÁTOR: 8 POLOS

ROTOR: 6 POLOS

Passo: pi/6

Bobinas

ESTÁTOR: 6 POLOS (trifásico)

ROTOR: 4 POLOS

Motores de reluctancia conmutada • APLICACIONES DE HASTA 75 kW: Máquinas centrifugadoras de

alta velocidad, compresores, lavadoras, aspiradoras, bombas de vacío, HVAC (calefacción, ventilación y aire acondicionado), sistemas variadores de velocidad, máquinas-herramientas, automatización, tracción, etc.

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T(N.m)

n(rpm)

ideal

a

b c

Curva par velocidad

Motores de reluctancia conmutada Ventajas principales: • Alta eficiencia • Capaces de altos pares y de altas velocidades • Alta fiabilidad y larga vida útil • Construcción simple, solidez • Bajo costo • Controlador más simple (un interruptor por fase) • Alta densidad de potencia • Disponibles en distintos tamaños y formas

Desventajas principales: rizado del par y mucho ruido acústico debidos al alto nivel de vibración - se está investigando para mejorar estos aspectos. El controlador siempre es necesario.

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Discusión • 2 o 3 puntos para discutir, o 2 o 3

preguntas para generar una discusión y comprobar la comprensión de los conceptos claves

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Gracias