Ahorro de energía
en motores
Por
Julio R. Gómez Sarduy*
y Percy R. Viego Felipe*
¿Cómo ahorrar energía en sistemas electromecánicos accionados por motores asincrónicos?
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Los motores eléctricos son convertidores electromecánicos de energía que se usan como productores de fuerza motriz dentro de un sistema accionado por motor. En estos, la mayor parte de la energía se consume por el propio motor y es transferida a la carga mecánica y al resto del sistema, y solo una pequeña cantidad es utilizada en los circuitos de control u otros circuitos auxiliares. Los motores eléctricos y los sistemas que ellos accionan son los responsables del mayor uso final de la electricidad, consumiendo dos veces más de la que se usa para iluminación, que es el siguiente mayor gasto de uso final en el mundo. Se ha estimado que los sistemas accionados por motores eléctricos representan entre 43 y 46% del consumo de electricidad global, elevando aproximadamente en 6 040 Mt las emisiones de CO2 (Fig. 1).
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Fig. 1. Los sistemas accionados por motores eléctricos representan
entre 43 y 46% del consumo de electricidad global. |
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Para el 2030, de no tomar medidas de eficiencia energética efectivas, el consumo de energía de los motores eléctricos se espera que se incremente a 13 360 TWh/año, y las emisiones a 8 570 Mt/año. Este consumo es el resultado de la sumatoria de la energía que demandan diferentes tipos de motores funcionando dentro de un amplio espectro de aplicaciones en cada sector, estando la mayor oportunidad de ahorro en el sector industrial (Tabla 1).
Tabla 1
Consumo de electricidad por sector en los sistemas accionados por motores eléctricos

Fuente: IEA Statistics, 2006 (National Electricity Demand); A+B International, 2009 (Motors Calculations).
La mayoría de los motores utilizados son de pequeña potencia (menores de 0,75 kW),
en una gran variedad de pequeñas aplicaciones, fundamentalmente dentro de los sectores residencial y comercial, pero su consumo representa aproximadamente solo 9% de todo
el consumo de energía de los motores eléctricos. De manera general, estos motores vienen integrados como una unidad dentro de la aplicación de la cual forman parte, tales como compresores de refrigeradores y acondicionadores de aire, ventiladores, extractores, discos duros de computadoras, etc. Muchas de estas aplicaciones están sujetas a políticas de ahorro de energía que se aplican a nivel de sistema, o al equipo del cual forman parte, y no al motor en sí como componente independiente. Tal es el caso, por ejemplo, del etiquetado de eficiencia energética de los refrigeradores y otros electrodomésticos que se comercializan en nuestro país.
Sin embargo, la mayor proporción de consumo de electricidad debida a los motores eléctricos es atribuible a los motores de media potencia (mayores de 0,75 kW y hasta
375 kW). En este rango de potencias, están disponibles diferentes tipos de diseño y tecnologías, pero los motores asincrónicos son los más frecuentemente usados y consumen la mayor parte de la energía. Estos motores muchas veces son vendidos por los fabricantes de equipos originales, e integrados como parte del equipo como un producto electromecánico (bombas, ventiladores, compresores, etc.), o se venden como motores independientes para que el usuario los utilice en una aplicación específica.
Se producen en grandes cantidades con especificaciones de tamaños y potencias estandarizados en diferentes variantes para el mercado, los cuales se integran en los sistemas electromecánicos. Estos motores también son utilizados ampliamente en el sector comercial y, en menor escala, en el sector residencial.
Por otra parte, los motores de potencia mayor a 375 kW son usualmente motores de corriente alterna de media tensión, y numéricamente constituyen 0,03% de los motores en operación, pero representan 23% de la potencia que demandan todos los motores, lo que los convierte en equipos de uso final significativo en cuanto a potencia global (10,4% de todo el consumo, aproximadamente).
Sistemas electromecánicos
En un sistema accionado por un motor eléctrico tienen lugar pérdidas que ocurren en el propio motor, pero las pérdidas de energía mayores son las que se producen en el resto del sistema al cual el motor está acoplado. Un sistema electromecánico típico involucra
un motor, un sistema de control, un accionamiento de velocidad variable (ASD) y la carga mecánica. La magnitud de las pérdidas de energía depende de la aplicación y de cuán avanzada sea la solución técnica utilizada. Se estima que solo 50% de la energía eléctrica de entrada a los motores es aprovechada como energía mecánica neta. Esto significa que, como promedio, la eficiencia de los sistemas accionados por motores eléctricos es aproximadamente de 50% (Fig. 2). Las pérdidas ocurren en el propio motor y en compuertas, reductores, transmisiones, frenos, variadores de velocidad, etcétera.
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Fig. 2. Eficiencia global estimada y uso de electricidad
para los sistemas electromecánicos. |
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Es importante prestar atención al sistema completo si se quieren lograr ahorros significativos. La figura 3 ilustra cómo los mayores ahorros se alcanzan cuando se analiza el sistema como un todo, y no solo el motor eléctrico.
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Fig. 3. Sistema completo, núcleo
del sistema motor y motor eléctrico. |
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Hay que tener presente que los motores pequeños son menos eficientes que los de mayor potencia. Pueden ocurrir grandes pérdidas debido a las incompatibilidades entre la potencia de salida de motores de velocidad fija y las demandas de potencia mecánica de la carga, especialmente si el motor se usa en una aplicación cuya demanda de potencia mecánica es variable, las cuales tienen una relación no lineal entre la potencia de entrada y la carga mecánica (momento y velocidad), y una relación exponencial entre la potencia de entrada y la potencia mecánica (ejemplo: bombas, ventiladores y compresores).
En estos casos pueden obtenerse considerables ahorros de energía usando accionamientos de frecuencia variable (VFDs) con control inteligente, el cual regula el momento de salida y la velocidad del motor para que se ajuste a las cargas del sistema mecánico. Sin embargo, tales sistemas de control necesitan energía para operar y no deben ser utilizados en aplicaciones de potencia de salida constante. En tales sistemas, ellos incurren en un consumo adicional de energía e imponen mayores costos capitales que un sistema de velocidad constante correctamente dimen- sionado.
Para cualquier potencia nominal, existe actualmente una diferencia de varios puntos porcentuales entre los motores de mayor y menor eficiencias que se encuentran disponibles en el mercado. A pesar de ser ligeramente más costosos que los motores estándar, los motores de alta eficiencia, en dependencia del tiempo de operación anual, son generalmente más efectivos en todas las aplicaciones, ya que el costo de la energía típicamente está por encima de 95% del costo del ciclo de vida del motor. Aunque el uso de motores de alta eficiencia en comparación con motores estándar es a menudo una medida rentable, los usuarios finales raramente exigen aplicaciones con motores de alta eficiencia, debido a que existen muchas barreras de mercado. En muchos países, la aplicación de normas de obligado cumplimiento es usualmente la mejor forma de asegurar una mayor penetración de mercado de los motores de alta eficiencia, de una manera significativa y oportuna.
Los análisis realizados han definido que utilizando los mejores motores disponibles en el mercado, se ahorra usualmente entre 4 y 5% del consumo energético del motor. Si se combinan estos motores con soluciones electromecánicas mejoradas, el usuario final puede obtener ahorros entre 15 y 25%. Existe potencial para mejorar la eficiencia energética, de manera económicamente viable, de los sistemas accionados por motor entre 20 y 30%, lo que puede significar la reducción de la demanda global de electricidad en 10%, aproximadamente. A continuación se citan las principales oportunidades para alcanzar estos ahorros.
Ajuste de la velocidad de operación del motor
Esta es una de las oportunidades de ahorro más importantes y que se puede llevar a cabo por el propio personal de la planta. Puede realizarse a partir de pequeñas modificaciones
a los diámetros de poleas de ventiladores, extractores, sopladores y agitadores, o de impulsores en bombas centrífugas. En las cargas tipo ventilador, la potencia depende del cubo de la velocidad, mientras el flujo varía linealmente y, por lo tanto, un pequeño cambio en la velocidad del motor se transforma en un significativo cambio en el consumo de energía con variaciones pequeñas de flujo. Por ejemplo, una reducción de 20 rpm en la velocidad del ventilador, equivalente a la cifra de 1 760 a 1 740 rpm, resulta en una reducción de 3,5% en la potencia que tiene que entregar el motor. Una reducción de 40 rpm solo disminuirá el flujo de aire 2,3%, pero el consumo de energía se reduce aproximadamente en 7%.
Ajuste adecuado de la potencia del motor
En condiciones reales, pocos motores operan a su carga nominal, por lo que la eficiencia y el factor de potencia se apartan de los valores de placa y se deterioran.
Los fabricantes tienen disponibles para los usuarios las curvas características de los motores, en las que se muestra cómo varía la eficiencia y el factor de potencia con la carga a la que trabaja el motor. En algunos catálogos se indican los valores de eficiencia
a 25, 50, 75 y 100% de carga. La eficiencia tiene poca variación, aproximadamente desde 50 hasta 100% de la carga nominal, y comienza a disminuir drásticamente a partir de valores menores a 50% de carga. Por esta razón, debe realizarse un estudio de cargabilidad para identificar aquellos motores que se encuentran subcargados y que trabajan con baja eficiencia, y analizar si es factible su sustitución.
Empleo de motores de alta eficiencia
La eficiencia de los motores depende tanto de su tamaño como de su diseño, el cual se caracteriza, entre otros aspectos, por las clases de eficiencia. En el 2008, la
IEC 60034-30, (Comisión Electrotécnica Internacional) introdujo un esquema internacional de clasificación de la eficiencia definido con el uso de las siglas IE1, IE2, IE3 e IE4
(Fig. 4).
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Fig. 4. Clase de eficiencia de motores eléctricos.
Ejemplo para 4 polos, 50 Hz. |
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Actualmente están reconocidas estas cuatro clases de eficiencia estandarizadas, aunque las definiciones y los esquemas de clasificación varían ligeramente de país a país.
Para lograr estos niveles de eficiencia, los fabricantes de motores eléctricos se han dedicado a mejorar su diseño y manufactura, realizando diversas acciones entre las que se pueden mencionar: utilización de acero con mejores propiedades magnéticas, reducción del entrehierro, reducción del espesor de la laminación, incremento en el calibre de los conductores, utilización de ventiladores y sistemas de enfriamiento más eficientes, y utilización de mejores materiales aislantes. Estas mejoras hacen que estos motores lleguen a ser 30 a 35% más costosos que los motores estándar.
Variadores de velocidad
En la actualidad existen configuraciones específicas de control de motores que permiten obtener prestaciones técnicas (precisión, rapidez de respuesta, etc.), así como rendimientos energéticos elevados para amplios márgenes de potencia.
Los variadores de velocidad son dispositivos que permiten variar la velocidad del eje según la carga del motor, reduciendo el consumo de energía. Además, incluyen otras ventajas como mejora del factor de potencia y arranque suave del motor.
Aunque se pueden instalar variadores de velocidad en accionamientos de cualquier potencia y tipo de carga, se presentan tres aplicaciones básicas:
• Bombas, ventiladores y equipos similares con carga variable, para los cuales el momento varía aproximadamente con el cuadrado de la velocidad de rotación del motor. Muchas de estas aplicaciones se controlan con compuertas, estrangulamiento o derivaciones («bypasses»). La carga mecánica sobre el motor variará en función de la velocidad al cubo. Los variadores de frecuencia pueden ajustar la potencia de entrada suave y continuamente para un volumen de flujo requerido, lo cual reduce adecuadamente las pérdidas a cargas parciales.
El control de carga tradicional con motores de varias velocidades, esquemas de operación en paralelo de bombas o ventiladores, o álabes ajustables, pueden ser considerados si son capaces de trabajar con bajo costo y pocas pérdidas. Los beneficios de costo y de eficiencia energética de un variador de velocidad en este grupo es elevado, ya que la potencia se incrementa con la velocidad y es posible adaptarlos muy fácilmente a las necesidades reales.
• Escaleras eléctricas, elevadores, grúas y equipos similares, en los cuales el momento es más o menos independiente de la velocidad. Un variador de velocidad puede ajustar continuamente la velocidad entre el estado de reposo y la velocidad de plena carga sin saltos, y por lo tanto minimizar la potencia requerida en todo momento. Algunas de estas aplicaciones pueden incluir fases de frenaje regenerativo en sus ciclos de operación (ejemplo: elevadores y grúas). En estos casos existen variadores de velocidad que posibilitan estos beneficios, pero pueden tener mayores pérdidas y requerir de filtros de alta frecuencia para evitar problemas de compatibilidad electromagnética con la red. Los beneficios de costo y de eficiencia energética de este segundo grupo de aplicaciones son menores que los del primer grupo, ya que la variación de la potencia es solamente lineal con la velocidad.
• Equipos que tienen mínimos cambios en la carga y la velocidad, pero que pueden beneficiarse de un variador de velocidad de otras maneras, por ejemplo: arranque y paradas suaves, o requerimientos especiales de alto momento de arranque. El beneficio principal no son las mejoras en la eficiencia energética, sino menor desgaste de la maquinaria involucrada, alto factor de potencia y reducidas caídas de tensión en la red, debido al arranque de grandes motores. Algunos sistemas permiten cambiar a un accionamiento directo una vez que se alcanza la carga de operación constante, lo cual elimina las pérdidas en el variador de velocidad. Existen soluciones técnicas más convencionales para el arranque suave. Son menos costosas, pero tales métodos no ahorran energía, aunque pueden reducir picos de carga, y por tanto producir ahorros por demanda en las facturas de electricidad. Los beneficios de costo y de eficiencia energética de este tercer grupo de aplicaciones son pequeños comparados con los dos anteriores. Los variadores de velocidad permiten mejorar la eficiencia del motor si el momento cambia (aun cuando sea necesario mantener la velocidad constante). Estos ahorros pueden ser afectados por las pérdidas que tienen lugar en el propio variador de velocidad.
Reparación eficiente o sustitución por motores nuevos
Los motores grandes son reparados una, dos y hasta tres veces durante su vida útil. En dependencia de la reparación y el devanado, y del procedimiento empleado, se estima que un motor regresa de un rebobinado con una eficiencia entre 1 y 5% menor que antes de ser reparado.
Un motor viejo primero tiene que ser analizado cuidadosamente, por si el daño es mecánico (rodamientos y eje) o eléctrico (devanado del estator) y requiere una valoración de costo beneficio para cualquier reparación. Después de pasadas 40 000 o 100 000 horas de operación (en dependencia del tamaño del motor, velocidad, explotación y mantenimiento), la mayor rutina de mantenimiento es el reemplazo de los rodamientos, lo cual constituye la causa principal de fallas. Esto generalmente no causa pérdidas en la eficiencia, si el motor está bien instalado y alineado.
Cuando la falla es eléctrica (por sobrecarga, vibraciones, cortocircuitos, sobrecalentamiento, daño del aislamiento, etc.), tiene que ser rebobinado. Deben evitarse malas prácticas al extraer el devanado y quemar el material aislante viejo, lo que puede dañar las ranuras y el paquete de láminas. También es necesario reemplazar el devanado con alambres del diámetro adecuado y poner cuidado en el llenado de las ranuras.
Muchas empresas de reparación de motores son pequeños talleres con equipos de prueba de baja calidad, sin posibilidades de realizar ensayos antes y después de la reparación para verificar pérdidas y eficiencia. Usualmente, los bajos costos de mano de obra y los altos costos de materiales en países en desarrollo, hacen más atractivo reparar motores viejos que comprar motores nuevos más eficientes. Hoy en día un motor viejo, con 10 o
20 años de explotación, es típicamente un motor ineficiente. Esto indica que aún con una reparación y rebobinado de alta calidad, ese motor ineficiente puede empeorar.
El costo de reparación de motores pequeños (<10 kW) es usualmente mayor que el costo del reemplazo, y por tanto, prohibitivo. Sin embargo, es una práctica continuar reparándolos y utilizándolos. Motores grandes y especiales a menudo pueden ser reparados y rebobinados en talleres acreditados para ello.
No hay una práctica normada para medir la eficiencia antes y después del rebobinado, lo cual mostraría claramente la pérdida en la calidad del desempeño del motor, pero al menos debe procurarse que la reparación se realice bajo ciertos estándares de calidad (Fig. 5).
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Fig. 5. La reparación debe realizarse bajo ciertos estándares de calidad. |
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Suministro eléctrico de calidad
Los motores eléctricos se diseñan para trabajar en un sistema con tensiones sinu-soidales balanceadas. Sin embargo, en la industria y los servicios en Cuba, existe una gran mayoría de sistemas de suministro eléctrico con desviaciones, desbalances y distorsiones de las tensiones, que a veces está muy por encima de lo aceptable según las normas. Cualquier desviación o asimetría de la tensión o distorsión de la forma de onda, es un problema de calidad de la energía que afecta el desempeño energético de los motores, disminuyendo su eficiencia.
Pueden existir otras manifestaciones indeseables como vibraciones, disminución de la potencia de salida y disminución de la velocidad, que pueden influir negativamente sobre el equipo accionado y el sistema mecánico. Por esta razón, los especialistas encargados de la correcta operación de estas máquinas deben estar atentos a esos problemas de calidad de la energía de carácter permanente, que pueden tener su origen en las redes de transmisión o distribución, o ser producidas por el propio usuario. En cualquier caso, se deben tomar las medidas pertinentes para su mitigación.
Conclusiones
Son varias las medidas para mejorar la eficiencia energética de los sistemas que involucran motores eléctricos; y aunque las consideraciones expuestas están básicamente enfocadas al motor propiamente dicho, los especialistas deben tener un enfoque de integración sistemática y de optimización de todos los componentes eléctricos y mecánicos del sistema para alcanzar los mayores beneficios.
La eficiencia de un sistema con motor eléctrico debe ser mejorada como resultado de una serie de pasos individuales y consecutivos.
Diseñar un sistema total para una aplicación, considerando desde la red de suministro hasta el producto de salida, es una tarea compleja.
Para obtener instalaciones y máquinas con un costo efectivo y que operen segura y confiablemente, el trabajo de ingeniería debe establecer metas altas para la eficiencia energética, y aplicar un modelo integral del diseño.
* Ingenieros Electricistas y Doctores en Ciencias Técnicas, del Centro de Estudios de Energía y Medio Ambiente, de la Facultad de Ingeniería,
de la Universidad de Cienfuegos, Cuba.
e-mail: jgomez@ucf.edu.cu
y pviego@ucf.edu.cu
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