Métodos para la determinación de la eficiencia energética en los motores de inducción trifásicos

Methods for Energy-Efficiency Determination in Three-Phase Induction Motors

 

Dra. Miriam Vilaragut Llanes
Dr. Angel Costa Montiel
Dr. Armando García Trujillo
TM. Alberto Carlos Ayala Anaya
Centro de Investigaciones y Pruebas Electroenergéticas (CIPEL), La Habana , Cuba
e-mail: miriamv@electrica.cujae.edu.cu


Resumen
Los motores de inducción trifásicos son los principales consumidores de energía eléctrica en el mundo y desde hace algunos años en muchos países se llevan a cabo estudios para la disminución del consumo de energía en estos motores. Como parte esencial de estos estudios está la determinación de su eficiencia y del consumo de energía del motor in situ. En la literatura técnica y en las normas existen diferentes métodos, algunos muy exactos, pero que requieren de equipos más costosos, tales como analizadores de redes y medidores de par, y otros más aproximados pero más sencillos por ser de más fácil realización y más baratos por utilizar un mínimo de instrumentos.

En el trabajo se hace una breve descripción y comparación de estos métodos y se expone uno elaborado por los autores que se basa solamente en la lectura de las corrientes y tensiones del motor en línea, el conocimiento de sus datos de catálogo y la aplicación de un programa en MATLAB, mediante el cual puede determinarse el consumo energético y otras características de comportamiento. Se ejemplifica el método con su aplicación a un motor de la Empresa de Frigoríficos del Ministerio de Comercio Interior (MINCIN).
Palabras clave: Eficiencia energética, motores de inducción trifásica.

Abstract
Three-phase induction motors are the world`s main electric energy consumers and studies have been conducted in many countries for several years for reducing energy consumption in these motors. This paper is focused on determining efficiency and energy consumption of the motor in situ. Technical information and standards refer to different methods, some are very accurate but require more expensive equipments as network analyzers and paIr measurers and others methods which measure with approximate accuracy, which are cheaper and simpler using a minimum set of instruments. Methods are compared and briefly described in this paper. The method here proposed by the authors are based on current readings and tensions of the on-line motor, the knowledge of catalogue data and MATLAB program implementation, by which energy consumption can be applied and other behavior characteristics. Examples are given of this method, applied to a motor belonging to a local enterprise, the Empresa de Frigoríficos from the Ministry of Domestic Trade (MINCIN).
Key words: Energy efficiency, three-phase induction motors.

Introducción
Se ha comprobado que aproximadamente 50 % de la energía eléctrica que se consume
en el mundo es a través de los motores de inducción trifásicos por constituir la fuerza motriz principal de la industria moderna. Esta realidad, unida a la crisis energética de fines del siglo pasado y principios del actual, ha motivado, por una parte, la fabricación de motores cada vez más eficientes, y por otra, la adopción de disposiciones legales por parte de los gobiernos de muchos países tendientes a obligar a los usuarios de los motores a tomar todas las medidas conducentes a la disminución del consumo de energía eléctrica de estas máquinas [De Almeida, 2000; Office..., 1998].

Es fundamental, entonces, poder desarrollar métodos que permitan conocer el consumo de energía de cada motor instalado y el de algún otro que se proponga como alternativa más eficiente. Para esto existen diferentes métodos; algunos son más exactos pero implican la utilización de un equipamiento más caro y la realización de ensayos de relativamente larga duración.

Cuando el objetivo del análisis es justificar desde el punto de vista económico una nueva inversión, debe determinarse la potencia consumida por el motor y la entregada al mecanismo accionado, o sea, la eficiencia. El nivel de exactitud requerido no es grande
y pueden emplearse métodos más sencillos, aunque más aproximados. En el presente trabajo se exponen primeramente los métodos más importantes que se utilizan en la actualidad y se propone uno, desarrollado por los autores, que sólo necesita de las lecturas de tensión y corriente de un instrumento de gancho (hook-on). Finalmente, se ejemplifica con un caso de estudio.

Métodos para la determinación de la eficiencia y la potencia consumida
por un motor
Existen numerosos métodos para la determinación de la eficiencia y la potencia entregada o consumida por un motor trifásico de inducción [Kueck, et al., 1996; Hsu, et al., 1998]. Todos se basan en combinaciones de acciones que pueden ejercerse sobre el motor y se evalúan caracterizando los parámetros que a continuación se enumeran:

1. Invasividad.
2. Tiempo fuera de servicio del motor.
3. Exactitud.
4. Recursos materiales necesarios.

Se entiende por invasividad la mayor o menor necesidad de instalar o conectar algún instrumento o equipo en el motor o el mecanismo.

El tiempo fuera de servicio se refiere a si la acción correspondiente conlleva la necesidad de detener el motor y el tiempo necesario.

La exactitud se evalúa mediante el porcentaje de error cometido en mediciones o estimaciones.

Finalmente, los recursos materiales necesarios evalúan la necesidad de tener que adquirir o disponer de determinado equipamiento para la prueba.

Las acciones que pueden ejercerse para la aplicación de cualquier método se enumeran y explican a continuación:

Lectura del dato de chapa
A partir de los datos de chapa se determina o se lee la eficiencia, y con la lectura de la potencia de entrada se determina la potencia de salida. Esta acción no es invasiva y no requiere sacar el motor de servicio ni de un equipamiento adicional, pero parte de suponer que la eficiencia es constante para cualquier estado de carga e igual a la de la chapa.
En motores medios y grandes el error cometido no es muy grande ya que la curva de eficiencia de estos motores es prácticamente plana; ahora bien, en motores menores de
5 kW la eficiencia baja apreciablemente con la carga y el error cometido puede ser grande, sobre todo si el motor está subcargado.

Medición de velocidad con un estroboscopio o tacómetro óptico
Debido a lo cerca que está la velocidad del rotor de la velocidad sincrónica y a su poca variación con la carga, la medición de velocidad debe hacerse en este caso utilizando este tipo de tacómetro. Su nivel de invasividad es bajo, ya que funciona proyectando un haz de luz sobre el eje del motor y conectándolo a la misma red de alimentación. Es necesario sacar el motor de servicio sólo para hacerle una marca en el eje. Su exactitud está alrededor de 1 r/min en motores de cuatro polos. Ahora bien, es necesario también disponer de este instrumento o comprarlo, en cuyo caso su precio es superior al de un amperímetro de gancho. La medición de la velocidad y el cálculo del deslizamiento pueden ser utilizados para determinar la potencia de salida, ya que el par o momento electromagnético es proporcional al deslizamiento.

Medición de la corriente y la tensión
Un hook-on o instrumento de gancho puede servir para determinar la corriente y la tensión de trabajo del motor, y con ella ayudar a determinar la potencia de entrada. Es poco invasivo aunque la medición de tensión lo es algo más. Estos instrumentos pueden tener un error de hasta 0,5 %. No es necesario sacar el motor de servicio. Si existe una pizarra o panel con amperímetro y (o) voltímetro que lean la corriente y la tensión del motor el método no es invasivo, pero hay que tener en cuenta que la exactitud de los instrumentos de panel no es buena en general.

Medición del consumo mediante un analizador de redes
La conexión de un analizador de redes a la entrada del motor es el método más exacto para determinar la potencia de entrada del motor. También pueden leerse la corriente y la potencia reactiva y determinar el factor de potencia. Es invasivo y, a menos que el instrumento esté conectado permanentemente, es necesario detener el motor para su instalación. Este instrumento es relativamente caro.

Medición directa del par o momento
Puede emplearse un medidor de par cuya medición, unida a la de la velocidad, da la potencia de salida. Es muy exacto, pero también es caro y altamente invasivo, y necesita sacar el motor de servicio para la instalación del medidor, y adicionalmente su costo es elevado.

Realización de ensayos sin carga
Este método necesita desacoplar el motor y conectarle instrumentos de medición para llevar a cabo los ensayos. A partir de estos ensayos y, en combinación con otras acciones, puede determinarse el consumo del motor y la potencia entregada a la carga.

Estimación estadística de pérdidas
Se refiere a estimar el valor de algunas de las pérdidas, tales como las adicionales, las de acero y las mecánicas, a partir de un conocimiento previo del tipo y fabricante del motor del cual se poseen datos relativos de pérdidas. El método es muy sencillo y económico, y no invasivo, pero su exactitud depende del conocimiento que se tenga de la probable distribución de sus pérdidas.

Utilización del circuito equivalente
Si se conocen los parámetros del circuito equivalente pueden determinarse con ellos, y en combinación con otras acciones, la potencia de entrada y la de salida del motor. Su exactitud depende de la de medición o estimación de los parámetros. No es invasivo y sí muy sencillo de aplicar.

Utilización de un inversor de frecuencia variable [Grantham y McKinnon, 2004]
Este método tiene la ventaja de poder determinar la eficiencia y la distribución de pérdidas del motor con bastante exactitud y sin tener necesidad de acoplarle una carga o electrodinamómetro. Es muy apropiado, por tanto, para motores grandes. Ahora bien, es necesario sacar el motor de servicio, conectarlo a un inversor y necesita, evidentemente, de recursos no disponibles con facilidad y de alta inversión inicial. Por ello, no es adecuado para el análisis que se pretende hacer.

Aplicando algunas de estas acciones pueden usarse las normas de la IEEE o de la IEC [IEEE, 1996; IEC, 1994] y obtener, con bastante exactitud, la potencia consumida y la entregada al mecanismo accionado. Ahora bien, requieren del empleo de las acciones más invasivas y necesitadas de recursos materiales y, por lo tanto, no son recomendables para ser empleadas en una caracterización energética del motor in situ.

Método propuesto
El método propuesto es una combinación de la medición de la corriente y la tensión, la estimación estadística de las pérdidas y la utilización del circuito equivalente. Sus resultados preliminares se mostraron por Costa y Vilaragut [2004]. Sólo necesita de las lecturas de corriente y tensión en las tres fases del motor en operación y del conocimiento de sus datos de catálogo. A partir de esta información se aplica el programa CARACMOT, confeccionado en MATLAB para determinar los parámetros del motor, hacer una estimación de pérdidas [Costa, et al., 2004a; Costa, et al., 2004b], calcular la potencia que entrega el motor a la carga y con ella seleccionar en un catálogo un motor de alta eficiencia u otro de ejecución básica, pero de una potencia adecuada al mecanismo que acciona. Mediante el programa PROPMOT, también elaborado en MATLAB, se calculan los parámetros del nuevo motor, se determina cuál sería la corriente que consumiría y la potencia a su entrada.

Con los resultados de estos programas se realiza un análisis económico comparativo para determinar la factibilidad de un cambio de motor.

El programa CARACMOT recibe como información los siguientes datos del motor en uso:

1. Tensión nominal (V).
2. Corriente nominal (A).
3. Velocidad nominal (r/min).
4. Potencia nominal (kW).
5. Eficiencia nominal (%).
6. Factor de potencia nominal (p.u.).

Calcula los parámetros del circuito equivalente del motor de inducción y hace una estimación de sus pérdidas. A partir de la solución del circuito equivalente, y para valores de deslizamiento comprendidos entre 0 y 120 % del nominal, calcula las variables de comportamiento del motor siguientes:

1. Velocidad (r/min).
2. Corriente del estator (A).
3. Eficiencia (%).
4. Factor de potencia (p.u.).5. Potencia de salida (kW).

Después se calculan y grafican las características de la eficiencia, la corriente y el factor de potencia en función de la potencia de salida. Con el valor de corriente leído se interpola en la curva de corriente en función de la potencia de salida (utilizando la instrucción SPLINE de MATLAB) y se obtiene la correspondiente potencia de salida, que es, evidentemente, la potencia que el mecanismo accionado demanda del motor.

Con ella se selecciona en un catálogo un motor de potencia adecuada, en caso necesario, y/o uno más moderno de alta eficiencia.

El programa PROPMOT, por su parte, tiene una estructura muy similar al anterior, con la diferencia de que, en este caso, procesa los datos de catálogo del motor antes seleccionado. Con la potencia de salida ya calculada anteriormente, correspondiente al estado de carga de la máquina, se lleva a cabo la interpolación entrando en las características de potencia de entrada, corriente y factor de potencia del nuevo motor para determinar estos valores.

El método fue validado en [Costa, et al., 2004a] para motores mayores de 15 kW. De acuerdo con este trabajo y a [Hsu, et al., 1998] no son de esperar errores mayores
de 10 %; ahora bien, acorde con los resultados obtenidos de forma experimental en el Laboratorio de Accionamiento Eléctrico del CIPEL, para potencias menores no puede garantizarse un error adecuado.

Caso de estudio
Para aplicar el método se utilizó un motor de inducción que acciona un compresor del frigorífico de La Habana del Este, perteneciente a la Empresa ENFRIGO del MINCIN, cuyos datos nominales se muestran en la planilla preparada al efecto y mostrada en el anexo 1, en la cual se vuelcan también las lecturas tomadas in situ.

Como puede verse, el motor debe ser conectado en delta, pero está conectado en estrella con el objetivo de ahorrar energía, pues trabaja muy por debajo de su carga nominal. Se aprecia, además, que el dato de momento o par máximo no se tenía, cuestión ésta muy frecuente en un motor con varios años de uso. Este valor fue estimado a partir de un catálogo de la firma SIEMENS para un motor de la misma potencia, velocidad, tensión y tipo de ejecución que el analizado.

En la figura 1 se muestra la característica de corriente; en la 2, la de eficiencia; y en la 3, la del factor de potencia, todas en función de la potencia de salida, que se obtiene como resultado de la corrida del programa CARACMOT. La potencia que consume la carga en las condiciones analizadas resultó ser 20,83 kW.


Fig. 1. Corriente en función de potencia
de salida del motor actual del compresor.


Fig. 2. Eficiencia en función de potencia
de salida del motor actual del compresor.


Fig. 3. Factor de potencia en función
de la potencia de salida del motor del compresor.

La eficiencia correspondiente a la potencia de 21,947 kW consumida por el compresor es, en este caso, 92,9 %, y se ahorra 2,26 kW. Esto quiere decir que por cada hora de operación del motor se ahorran 2,26 kWh.

Para tomar una decisión definitiva sobre la factibilidad en la sustitución del motor habría que realizar un procedimiento de cálculo económico.

Con el objetivo de tener una idea de la magnitud de los errores que pueden cometerse con este método aproximado, se partió de la base de suponer un error de 15 % máximo en los datos de catálogo tal y como lo expresan los fabricantes. Considerando que la resistencia del rotor es el parámetro que más influye en sus características se supuso en ella una variación de 15 % para ambos motores, volviéndose a calcular el ahorro en kilowatt,
que en este caso dio 2,545 kW, que comparado con el anterior de 2,265 kW arroja una
diferencia de 12,3 %, lo que puede considerarse un error aceptable por encontrarse
por debajo de 15 % especificado por los fabricantes para los datos de catálogo.

La eficiencia correspondiente a ese valor de potencia de salida fue de 86,04 % y el consumo de potencia del motor, resultado de dividir esta última por la eficiencia, resultó
ser 24,21 kW.

Se propone entonces sustituir este motor por uno de menor potencia y alta eficiencia marca WEG, cuyos datos se muestran en el anexo 2. Las características de corriente, eficiencia y factor de potencia en función de la potencia de salida, resultados de la aplicación del programa PROPMOT, se muestran respectivamente en las figuras 4, 5 y 6. En este caso se supuso la conexión del motor en delta.


Fig. 4. Corriente en función de potencia
de salida del motor seleccionado para el compresor.


Fig. 5. Eficiencia en función de potencia
de salida del motor seleccionado para el compresor.

Fig. 6. Factor de potencia en función de la potencia
de salida del motor seleccionado para el compresor.

 

Conclusiones
Se ha desarrollado un método para evaluar energéticamente el comportamiento de los motores de inducción trifásicos que tiene la ventaja de ser sencillo de aplicar y necesitar solamente los datos de chapa o catálogo del motor y lecturas tomadas con un amperímetro de gancho.

Es un método aplicable a motores mayores de 15 kW y permite hacer de manera rápida y sencilla cualquier análisis de factibilidad técnico-económica, y con la exactitud requerida para este tipo de estudio.

Bibliografía
Costa, A. y M. Vilaragut. «Determinación del comportamiento energético del motor de inducción a partir de sus datos de catálogo y la lectura de las corrientes del estator» ,
III Taller Caribeño de Energía y Medio Ambiente. Cienfuegos: abr., 2004.
Costa, A.; G. Ciumbulea, N. Galán y X. M. López Fernández. «Cálculo de los parámetros del motor de inducción a partir de datos de catálogo», Revista Energía y Computación. Cali: 2004.
Costa, A.; M. Vilaragut, M. de Armas y J. Gómez. «Determinación de las características de comportamiento de los motores de inducción trifásicos». Congreso de Ingeniería Mecánica, Eléctrica e Industrial de la UNAICC , CIMEI 2004. Holguín: jun., 2004.
De Almeida, Aníbal T., et.al. Improvement the Penetration of Energy Efficient Motors and Drives. Proyecto SAVE II, 2000.
Grantham, C. y D. J. McKinnon. A Novel Method for Load Testing and Efficiency Measurement of Three Phase Induction Motors , International Conference on Electrical Machines, Cracovia, Polonia, junio, 2004.
Hsu, J. S.; J. D. Kueck, M. Olszewski, D. A. Casada, P. J. Otaduy y L. M. Tolbert. Comparison of Induction Motor Field Efficiency Evaluation Methods , IEEE Transactions
on Industry Applications, No. 1, ene.-feb., 1998.
IEC-34-2. Methods for Determining Losses and Efficiency of Rotating Electric Machinery from Tests, 1994.
IEEE Standard 112-B. Standard Test Procedure for Induction Motors and Generators , 1996.
Kueck, J. D.; M. Olszewski, D. A. Casada, J. S. Hsu, P. J. Otaduy y L. M. Tolbert. Assesment of Methods for Estimating Motor Efficiency and Load under Field Conditions , Lockheed Martin Energy Research Corp., Oak Ridge, TN, Rep. ORNL/TM -13165,
ene., 1996.
Office of Energy Efficiency and Renewable Energy US Department of Energy. United States Industrial Motor Systems Market Opportunities Assesment , Report, 1998.
Anexo 1

Datos generales

Fabricante

ELPRON ENERGO

Año

 

Posición tecnológica

Compresor 3

Tipo de motor

Jaula de ardilla

Conexión

Delta

No. de serie

 

Otro

 

Datos nominales

Potencia (kW)

55

Velocidad (r/min)

1 175

Tensión (V)

440

Corriente (A)

91

Eficiencia (%)

91,5 %

Factor de potencia

0,87

Clase NEMA

 

Protección

IP 44

Frame

 

Tipo de arranque

Y-?

Aislante

F

Otro

 


Mediciones

Tensiones

Corrientes

Fecha

 

AB

BC

CA

A

B

C

440

440

440

37

37

38

Octubre de 2003

Observaciones:
Está operando en Y por tener baja carga para ahorrar energía


Anexo 2

Resultado del análisis realizado

Potencia solicitada por la carga (kW)

20,833

Potencia consumida (kW)

24,21

Datos del motor nuevo

Marca

WEG

Potencia nominal (kW)

30

Tensión nominal (V)

440

Corriente nominal (A)

51,5

Velocidad nominal (r/min)

1 175

Eficiencia (%)

93

Factor de potencia

0,82

Momento máximo (p.u.)

2,2

Potencia consumida (kW)

21,947

Ahorro de potencia consumida (kW)

2,265