Tendencias02

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  • 1. 79Instituto de Investigaciones Eléctricas Boletín IIE, marzo-abril del 2001 Revisión de la normatividad en la aplicación de motores, de inducción, de eficiencia alta Higinio Acoltzi A. La eficiencia alta representa ahorros económicos para el usuario final y beneficios sustentables para el país y la sociedad en su conjunto. Resumen E n este trabajo se presentan los elementos conteni- dos en las normas nacionales e internacionales para conseguir los beneficios en la aplicación de moto- res eléctricos de eficiencia alta. Introducción Cuando se elige un motor eléctrico, un parámetro que no se debe pasar por alto es la eficiencia del motor. La efi- ciencia alta representa ahorros económicos para el usua- rio final y beneficios sustentables para el país y la sociedad en su conjunto. La mayor parte del consumo de energía eléctrica en la industria se debe al uso de los motores eléctricos, ya que así lo demuestran las estadísticas de países altamente industrializados y la industria mexicana (Acoltzi, 1994). Con base en lo anterior, sabemos que los motores consumen alrededor del 62% del total de la energía gene- rada y más del 75% de la energía suministrada a la indus- tria. Dichas estadísticas confirman también que el 50% de la energía suministrada a la industria la consumen en su alimentación los motores que van desde 1 a 125 c. p. y el restante 50% lo consumen los motores con potencias de 150 c. p. y mayores (Acoltzi, 1994). De la energía eléctrica que se genera en México, al- rededor del 70% la consumen en su funcionamiento los motores eléctricos, distribuidos en la industria, el comer- cio, los servicios y el hogar (Fide). El hecho de que los motores eléctricos suministren la mayor parte de la energía motriz que mueve a los equi- pos industriales y el uso tan extendido que tienen, represen- tan uno de los campos más fértiles de oportunidades para el ahorro de energía, que se traducirán en una reducción en los costos de producción y en una mayor competitividad. El ahorro de energía comienza desde la selección apro- piada de los motores. Se debe elegir el más adecuado para las necesidades que se tienen, tomando en cuenta las condicio- nes ambientales de operación, condiciones de arranque y regulación de velocidad, así como su tamaño y potencia. Los mayores ahorros de energía se logran cuando el motor opera a su máxima eficiencia. En México se tiene una norma que establece los nive- les de eficiencia nominales y mínimos, el método de prueba para determinarlos, los criterios de acreditación y etiqueta- do para motores de inducción con potencias de 1 a 200 c. p., de uso general. En 1998 entró en vigor la norma NOM-016- ENER-1997 (Secretaría de Energía, 1998). La observación de los criterios de esta norma puede ser un apoyo importan- te para la selección de tales máquinas. Características de los motores de inducción Desde el punto de vista técnico, el desarrollo de los moto- res eléctricos hasta nuestros días, ha sido notable gracias a los avances logrados en muchos campos de la ingeniería Boletín IIE, marzo-abril del 2001
  • 2. 80 Instituto de Investigaciones Eléctricas De la energía eléctrica que se genera en México, alrededor del 70% la consumen en su funcionamiento los motores eléctricos, distribuidos en la industria, el comercio, los servicios y el hogar Tendencias tecnológicas de las máquinas eléctricas, tales como nuevos conceptos de diseño, procesos de manufactura y nuevos materiales disponibles. Esto ha tenido como resultado un mejor fun- cionamiento y una continua reducción en el tamaño. Las características fundamentales de funcionamiento de un motor eléctrico, tales como son velocidad, frecuencia, corriente de arranque, par, tensión nominal, deslizamiento, factor de potencia, factor de servicio, variaciones de frecuen- cia y tensión, son conceptos conocidos que además están normalizados. Sin embargo, existe un parámetro de gran importancia para el ahorro de energía que es la eficiencia, por lo que es necesario que se incluya como un requisito indispensable del motor eléctrico. La clasificación de los motores eléctricos de inducción por su eficiencia es: 1. Eficiencia estándar. 2. Eficiencia alta. El concepto de la eficiencia Se define como: EFICIENCIA (η) =Es la medida de la habilidad de un motor eléctrico para convertir la potencia eléctrica que toma de la línea en potencia mecánica útil. Se obtiene con la relación entre la potencia útil en la flecha del motor y la potencia recibida de la línea. Generalmente se expresa en por ciento y se obtiene de la siguiente relación matemática: (1) En donde se pueden tener las equivalencias siguientes: Potencia de salida = Potencia mecánica en flecha = Potencia de entrada – pérdidas Potencia de entrada = Potencia eléctrica de la línea = Potencia de salida + pérdidas Clasificación de la eficiencia De acuerdo con la NOM-ENER-016-1997, la clasificación y valores de eficiencias son los siguientes: Eficiencia nominal de motores estándar.- Es el pro- medio de eficiencia de un lote de motores estándar del mismo diseño y que cumple con los valores de eficiencia nominal de las Tablas 2 y 3. Eficiencia nominal de motores de eficiencia alta.- Es el promedio de eficiencia de un lote de motores de alta eficiencia del mismo diseño y que cumplen con los valo- res de eficiencia nominal de las Tablas 4 y 5. Eficiencia mínima (motores de eficiencia estándar y alta).- Las variaciones de fabricación, procesado de ma- terial y precisión del método de prueba tienen como re- sultado alteraciones en la eficiencia, para una gran pobla- ción de motores del mismo diseño; por lo tanto, para cada valor nominal de eficiencia cualquier motor de ese diseño debe cumplir con su valor mínimo asociado. La Tabla 1 muestra los valores de eficiencia mínima para cada eficien- cia nominal, de acuerdo con la NOM-ENER-016-1998. Los valores de la eficiencia nominal de la Columna A se obtienen a partir del 99,0%, con incrementos de pér- didas del 10%. Los valores de eficiencia mínima asociada de la Columna B, se obtienen incrementando las pérdidas en un 20%. Eficiencia nominal La National Electrical Manufacturers Association (NEMA) (NEMA, 1998) considera que las variaciones en materiales, procesos de manufactura y pruebas, resultan en una variación de la eficiencia de motor a motor para un mismo diseño. La eficiencia para una población gran- de de motores no es un valor único, sino una banda de valores. Por lo tanto, la Tabla 1 se ha establecido para indicar una serie lógica de eficiencias nominales y míni- mas. La eficiencia que debe incluirse en la placa de datos de los motores se denomina Eficiencia nominal, cuyo va- lor se debe tomar de la Tabla 1, Columna A , y no debe ser mayor que la eficiencia promedio de una población grande de motores de la misma capacidad y mismo dise- ño. La eficiencia nominal representa el valor que debe to- marse para calcular consumos energéticos de un motor o grupo de motores. La eficiencia a carga plena, a tensión y frecuencia eléctrica nominales, no debe ser menor que el va- lor mínimo indicado en la Columna B de la misma tabla. Por ejemplo, un variación del 10% en las pérdidas del acero, que es una tolerancia común para los fabrican- tes de aceros eléctricos, puede producir por sí sola un cam- bio de 0,3% en la eficiencia de un motor de 7,46 kW (10 c. p.) (Nadel, 1992). Las variaciones mecánicas también pue- Potencia de salida Potecia de entrada η = 100
  • 3. 81Instituto de Investigaciones Eléctricas Boletín IIE, marzo-abril del 2001 Tabla 1. Eficiencia nominal y mínima asociada (en porciento). Columna A Columna B Columna A Columna B Eficiencia Eficiencia Eficiencia Eficiencia Nominal Mínima Nominal Mínima 99,0 98,8 94,1 93,0 98,9 98,7 93,6 92,4 98,8 98,6 93,0 91,7 98,7 98,5 02,4 91,0 98,6 98,4 01,7 90,2 98,5 98,2 91,0 89,5 98,4 98,0 90,2 88,5 98,2 97,8 89,5 87,5 98,0 97,6 88,5 86,5 97,8 97,4 87,5 85,5 97,6 97,1 86,5 84,0 97,4 96,8 85,5 82,5 97,1 96,5 84,0 81,5 96,8 96,2 82,5 80,0 96,5 95,8 81,5 78,5 96,2 95,4 80,0 77,0 95,8 95,0 78,5 75,5 95,4 94,5 77,0 74,0 95,0 94,1 75,5 72,0 Tabla2.Valoresdeeficiencianominalaplenacargaparamo- tores cerrados de eficiencia estándar (en por ciento). Potencia 2 polos 4 polos 6 polos 8 polos nominal, kW 0,746 74,0 75,5 75,5 72,0 1,119 77,0 80,5 78,5 75,5 1,492 80,0 81,5 78,5 75,5 2,238 81,5 81,5 80,0 75,5 3,730 82,5 84,0 81,5 82,5 5,595 84,0 86,5 82,5 84,0 7,460 85,5 86,5 84,0 85,5 11,19 85,5 87,5 85,5 85,5 14,92 86,5 87,5 86,5 86,5 18,65 86,5 89,5 86,5 86,5 22,38 87,5 90,2 87,5 87,5 29,84 88,5 90,2 88,5 88,5 37,30 88,5 91,0 88,5 89,5 44,76 89,5 91,7 89,5 89,5 55,95 89,5 91,7 90,2 89,5 74,60 90,2 92,4 90,2 90,2 93,25 91,0 92,4 91,0 91,0 111,9 91,0 92,4 91,0 91,7 149,2 91,7 93,0 91,7 91,7 Tabla 3. Valores de eficiencia nominal a plena carga para motores abiertos de eficiencia estándar. Potencia 2 polos 4 polos 6 polos 8 polos nominal, kW 0,746 72,0 72,0 72,0 72,0 1,119 72,0 74,0 74,0 74,0 1,492 74,0 75,5 75,5 75,5 2,238 80,0 81,5 80,0 78,5 3,730 80,0 81,5 80,0 80,0 5,595 81,5 82,5 81,5 81,5 7,460 82,5 82,5 82,5 82,5 11,19 84,0 84,0 84,0 84,0 14,92 84,0 84,0 84,0 84,0 18,65 86,5 86,5 86,5 86,5 22,38 87,5 88,5 87,5 87,5 29,84 88,5 89,5 88,5 88,5 37,30 89,5 89,5 88,5 89,5 44,76 90,2 90,2 90,2 90,2 55,95 90,2 90,2 90,2 90,2 74,60 90,2 91,0 90,2 90,2 93,25 91,0 92,4 91,0 91,0 111,9 91,0 92,4 91,0 91,0 149,2 91,7 93,0 91,7 91,7 Tabla 4. Valores de eficiencia nominal a plena carga para motores cerrados de eficiencia alta (en por ciento). Potencia 2 polos 4 polos 6 polos 8 polos nominal, kW 0,746 75,5 82,5 80,0 74,0 1,119 82,5 84,0 85,5 77,0 1,492 84,0 84,0 86,5 82,5 2,238 85,5 87,5 87,5 84,0 3,730 87,5 87,5 87,5 85,5 5,595 88,5 89,5 89,5 85,5 7,460 89,5 89,5 89,5 88,5 11,19 90,2 91,0 90,2 88,5 14,92 90,2 91,0 90,2 89,5 18,65 91,0 92,4 91,7 89,5 22,38 91,0 92,4 91,7 91,0 29,84 91,7 93,0 93,0 91,0 37,30 92,4 93,0 93,0 91,7 44,76 93,0 93,6 93,6 91,7 55,95 93,0 94,1 93,6 93,0 74,60 93,6 94,5 94,1 93,0 93,25 94,5 94,5 94,1 93,6 111,9 94,5 95,0 95,0 93,6 149,2 95,0 95,0 95,0 94,1
  • 4. 82 Instituto de Investigaciones Eléctricas Tendencias tecnológicas Tabla 4. Valores de eficiencia nominal a plena carga para motores abiertos de eficiencia alta (en porciento). Potencia 2 polos 4 polos 6 polos 8 polos nominal, kW 0,746 --- 82,5 80,0 74,0 1,119 82,5 84,0 84,0 75,5 1,492 84,0 84,0 85,5 85,5 2,238 84,0 86,5 86,5 86,5 3,730 85,5 87,5 87,5 87,5 5,595 87,5 88,5 88,5 88,5 7,460 88,5 89,5 90,2 89,5 11,19 89,5 91,0 90,2 89,5 14,92 90,2 91,0 91,0 90,2 18,65 91,0 91,7 91,7 90,2 22,38 91,0 92,4 92,4 91,0 29,84 91,7 93,0 93,0 91,0 37,30 92,4 93,0 93,0 91,7 44,76 93,0 93,6 93,6 92,4 55,95 93,0 94,1 93,6 93,6 74,60 93,0 94,1 94,1 93,6 93,25 93,6 94,5 94,1 93,6 111,9 93,6 95,0 94,5 93,6 149,2 94,5 95,0 94,5 93,6 den afectar la eficiencia mediante el cambio de la longitud del entrehierro (una diferencia del 10% en el entrehierro es común) y, como consecuencia, en las pérdidas indeter- minadas. El maquinado preciso de las partes del motor es costoso y los fabricantes hacen un balance entre la preci- sión y el costo del herramental a utilizar en la línea de producción. Bajo estas condiciones, una población grande de motores del mismo modelo pueden caracterizarse estadísticamente mediante la eficiencia promedio y la efi- ciencia mínima de esa población. La Figura 1 muestra una curva en forma de campana (distribución normal), que representa la distribución de la eficiencia de un grupo de motores. El promedio se considera la eficiencia nominal del motor y se utiliza para predecir los requerimientos de energía de una aplicación dada. Eficiencia mínima La eficiencia mínima representa una combinación desfa- vorable de tolerancias en la materia prima y en las tole- rancias de fabricación. Sin embargo, 5% de los motores en una población pueden, dependiendo del fabricante, tener eficiencias menores a la eficiencia mínima. El método de etiquetado de la NOM-ENER-016, define actualmente a la eficiencia mínima a plena carga de un motor como aquél nivel que corresponde a 20% más de pérdidas que el valor nominal enlistado. Cálculo de la eficiencia mínima La eficiencia nominal se define como: erds s nom PP P + =η (2) donde: ηnom es la eficiencia nominal; Ps es la potencia de salida; y Per son las pérdidas en el motor. Las pérdidas del motor se calculan entonces por la relación: (3) Mientras que la eficiencia mínima se calcula median- te la siguiente ecuación: (4) Figura 1. Distribución de eficiencia para motores eléc- tricos según NEMA MG-1 Eficiencia nominal o promedio esperado Eficiencia mínima garantizada Eficiencia máxima esperada Número de motores Perd = Ps X 11 ηnom ( ) ηmin = 1 1+ 1,2X -1[ ]1 ηnom ( )
  • 5. 83Instituto de Investigaciones Eléctricas Boletín IIE, marzo-abril del 2001 Donde el factor 1,2, representa un 20% adicional de pérdidas que el valor nominal. Para la Tabla 1, este criterio se puede ilustrar gráficamente como sigue (NEMA, 1994): Situación de la eficiencia nacional frente a la internacional En México, la eficiencia de los motores eléctricos de co- rriente alterna, de uso general, diseños A y B, que se fabri- can y comercializan están sujetos al cumplimiento de la norma NOM-ENER-016-1997. Sin embargo, ante la diná- mica de la normativa exterior, principalmente la de los Estado Unidos de América, México debe revisar sus nive- les de eficiencia, sobre todo los que se refieren al nivel, denominado por la norma, como "eficiencia estándar". Por ejemplo, en 1989, NEMA desarrolló y adoptó valores de eficiencia y funcionamiento en la norma MG-1 (NEMA 1989). Dichos valores fueron empleados por el Congreso de los EUA, como la base para seleccionar los ni- veles mínimos de eficiencia para el acta de política energética de 1992 (Energy Policy Act, EPAct, 1992). Posteriormente en octubre de 1997, el EPAct, establece niveles de eficiencia mínima,denominados"Energy-Efficient",loscualessonacep- tados por NEMA y por toda la industria (Souzzo, 2000). Los niveles de eficiencia "Energy-Efficient", son similares a los valores para motores de "eficiencia alta" definidos en la norma NOM-ENER-016, la diferencia es que en E.U.A ya no se considera la "eficiencia estándar". Paralelamente, en EUA, el Consorcio para la Efi- ciencia Energética (Consortium for Energy Efficiency, CEE), que está formado por una alianza de grupos públi- cos y privados y por el gobierno, ha desarrollado un con- junto de niveles de eficiencia superiores a los definidos en el EPAct. Dichas eficiencias se han denominado "Premium Efficiency". La diferencia en eficiencia entre motores Premium Efficiency y Energy-Efficient es grande, mientras que la diferencia de precios es pequeña, particularmente para motores totalmente cerrados de cuatro polos. A continuación se presenta gráficamente (Figuras 2 y 3) las eficiencias para motores de cuatro polos, abiertos o cerrados. En dichas gráficas se presentan las eficiencias nominales para las capacidades de potencia definidas en las normas. En las gráficas anteriores se puede ver claramente las diferencias entre los niveles de eficiencia estándar, alta y premium. Siendo el nivel premium el óptimo. Construcción de la curva de eficiencia Generalmente los motores no operan a su carga nominal, por lo que es necesario saber cual es la eficiencia para una Columna A Columna B Eficiencia nominal Eficiencia mínima 99,0 20% pérdidas 93,0 adicionales 10% pérdidas adicionales 98,9 Figura 3. Comparación de eficiencias nominales, para motores de c.a., de inducción, 4 polos abiertos. 75 80 85 90 95 100 0.746 1.119 1.492 2.238 3.730 5.595 7.460 11.19 14.92 18.65 22.38 29.84 37.30 44.76 55.95 74.60 93.25 111.9 149.2 Potencia del motor [kW] Eficiencia[%] Efic. Std. [NOM-016] Efic. Alta [NOM-016 = EPAct-1997 = NEMA-1999] Efic. Premium [CEE] Figura 2. Comparación de eficiencias nominales, para motores de c.a., de inducción, 4 polos, cerrados. 70 75 80 85 90 95 100 0.746 1.119 1.492 2.238 3.730 5.595 7.460 11.19 14.92 18.65 22.38 29.84 37.30 44.76 55.95 74.60 93.25 111.9 149.2 otencia del motor [kW] Eficiencia[%] Efic. Std.[NOM-016] Efic. Alta [NOM-016 = EPAct-1997 = NEMA-1999] Efic. Premium [CEE]
  • 6. 84 Instituto de Investigaciones Eléctricas Tendencias tecnológicas carga dada. El siguiente método, servirá para seleccionar un motor eficiente de acuerdo con la carga a manejar. Para fines de cálculo clasificaremos las pérdidas como sigue: • Pérdidas fijas, las cuales varían de la siguiente forma: - Mecánicas, (5% a 8%). - Magnéticas, (20% a 25%). • Perdidas variables, se distribuyen como sigue: - Eléctricas, (55% a 60%). - Indeterminadas, (11% a 14%). Los fabricantes de motores especifican valores de eficiencia para valores de carga de 100% y 75%. Si tene- mos dichos valores de eficiencia, podremos calcular las pérdidas como sigue: (5) (6) donde: P100% = Pérdidas de potencia al 100% de carga (KW). P75% = Pérdidas de potencia al 75% de carga (KW). 0.746 = Equivalencia en KW de 1 c.p. η100% = Eficiencia a plena carga. η75% = Eficiencia al 75% de carga. Para el cálculo de las pérdidas fijas y variables se procede como sigue: 4375.0 %75%100 PP a − = (7) aPb −= %100 (8) siendo: a = Pérdidas variables (KW) b = Pérdidas fijas (KW) Se definen, a partir de esto, las pérdidas fijas por unidad de potencia a carga plena: %100P b c = (9) Con esto es posible obtener una fórmula para las pérdidas (P), a cualquier valor de carga, desde el vacío has- ta carga plena: ( )[ ]cYcPP −+= 12 %100 (10) donde: Y = Relación de potencia nominalPot. dadesarrollaPot. =Y (11) Ejemplo 1: Supongamos un motor de 100 c.p., Super-Eficiency, 460V, 1780 rpm, TCCV, con eficiencias de: Carga [%] Eficiencia [%] 100 95,0 75 95,4 Partiendo del procedimiento descrito, se obtiene la fórmula para calcular las pérdidas (P), a cualquier valor de carga. 2 80804.2118277.1 YP += (12) Conociendo las pérdidas del motor, es posible graficar la curva de eficiencia. Con dicha curva, tendre- mos una visión clara del comportamiento energético de nuestro motor al operarlo a diferentes valores de carga. La Figura 4 muestra la curva de eficiencia para el motor de 100 c.p. Selección de motores eficientes Para la selección de un motor, además de tomar en cuenta los criterios que marcan las normas de funcionamiento y seguridad de los motores eléctricos, se deben observar las Figura 4.Curva de eficiencia de un motor de 100 c.p. 75 80 85 90 95 100 CARGA [%] EFICIENCIA[%] eficiencia 76.8 86.7 90.5 93.5 94.2 94.7 95.0 95.2 95.3 95.5 95.5 95.4 95.4 95.3 95.3 95.1 95.0 5 10 15 25 30 35 40 45 50 60 65 70 75 80 85 95 100 P100% = 0.746 * c.p.* - 11 η100% ( ) P75% = 0.746 * c.p.* - 11 η75% ( ) [ ]
  • 7. 85Instituto de Investigaciones Eléctricas Boletín IIE, marzo-abril del 2001 normas de eficiencia energética. La información que pu- blican los fabricantes en los catálogos y placas de los mo- tores deben satisfacer la normativa vigente. Ejemplo 2: Se supone que se requiere manejar una carga de 27.229 kW (36.5 c.p.), y que se requiere un motor de uso general, totalmente cerrado con ventilador de enfriamien- to, de 4 polos, a 460 Volts. ¿Cuál es el motor eficientemente adecuado para dicha carga?. Se consideran los motores con los datos siguientes: Motor c.p. Eficiencia @ % carga 100 75 Nivel Cumple Fabricante Norma Fabricante eficiencia con las normas M-40-A 40 94.1 94.1 94.6 Premium CEE M-40-B 93.0 93.0 94.0 Alta NOM-016, NEMA, EPact M-40-C 90.2 90.2 90.4 Estándar NOM-016 M-50-A 50 94.6 84.5 94.7 Premium CEE M-50-B 93.1 93.0 93.2 Alta NOM-016, NEMA, EPact M-50-C 91.0 91.0 91.2 Estándar NOM-016 Con los datos anteriores se observa que los moto- res considerados cumplen con los requerimientos de las normas mexicanas y para el caso de los motores con efi- ciencia "Premium", los valores exceden a dichas normas. Tomando como base el método de cálculo de las pérdidas a cualquier valor de carga, de la construcción de la curva de eficiencia, se calculan las pérdidas por u
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