Lunes 20 de Septiembre de 2021       •      Dólar= $778,88      •      UF=$30.048,36       •      UTM=$52.631
gue1.jpg (7054 bytes)
La eficiencia
energética del conjunto
motor-variador de
frecuencia

En la actualidad, es común encontrar aplicaciones de accionamientos de velocidad variable. También es usual dedicar esfuerzos a mejorar la eficiencia de los motores de inducción de estos sistemas, pero no es frecuente establecer la relación de eficiencia del conjunto motor-variador de frecuencia. En este artículo, se muestra a grandes rasgos, el efecto de esta combinación en la eficiencia neta del sistema.

gue2.jpg (5341 bytes)Los motores de inducción, si bien resultan ser muy robustos en ambientes de alta exigencia, son también sensibles a las condiciones de la energía entregada desde la red de distribución. De esta forma, los desequilibrios de tensión, la presencia de armónicas y otras perturbaciones de su alimentación, producirán efectos de oscilaciones en el eje, calentamiento adicional de los devanados y pérdidas adicionales en el motor. Muchos de estos efectos son despreciables frente a las magnitudes normales de torque, pero su presencia en forma continua durante el funcionamiento de la máquina produce generalmente funestas consecuencias.

Las tensiones armónicas provocan daños en el rotor, debido a que la presencia de dichas tensiones inducen torques oscilatorios que se superponen al torque normal de la máquina. Estas oscilaciones inciden en mayores esfuerzos en rodamientos y descansos y mayores pérdidas de roce asociadas. Como la presencia de cualquier armónico produce mayores temperaturas que su no presencia, el evitar la aparición de armónicos implicará prolongar la vida útil de la máquina. Dado que el aislamiento de los devanados del motor es lo que define su grado de soporte a las temperaturas, un devanado con mejor aislamiento podrá soportar, en general, mayores temperaturas de funcionamiento.

gue3.gif (26086 bytes)
Relación temperatura funcionamiento del motor de inducción contra su vida útil.

En palabras simples, a mayor temperatura de funcionamiento prolongado del motor, menor será la vida útil porque la aislación de los devanados estará sometida a mayor esfuerzo. La prevención de este efecto consiste en realizar un ajuste de la potencia final de la máquina ("derating") si es que opera bajo condiciones de alimentación con tensiones no sinusoidales. En el siguiente gráfico se muestra esta relación aproximada:

Se aprecia que un aumento de 8 grados en la temperatura de una máquina con aislación clase E y 10 grados en la aislación clase B y 12 grados en aislación clase F, reducen la vida útil de la máquina aproximadamente a la mitad. El factor de derating por este efecto será:

El término 1+K indica que se ha incluido la fuente armónica y el término "1" que se ha considerado solamente el modo normal. Similarmente, la presencia de tensiones con mayor distorsión (FDV=Factor de distorsión de Voltaje) producirá menores eficiencias, así como también la presencia de armónicos de orden bajo, debido a que armónicos de ordenes elevados estarán o muy atenuados o inducirán torques de muy alta frecuencia que serán atenuados por el sistema equivalente del motor. De esta forma, los quintos armónicos producirán efectos mucho mayores que otros armónicos de órdenes más elevados. Por ejemplo, para un FDV = 10% la temperatura del motor aumentará para armónicos de órdenes 2, 3,4 y 5 en 23%, 6%, 14% y 8% respectivamente. Resulta obvio que ante el incremento en el orden armónico se minimiza el efecto sobre la máquina.

gue5.jpg (10491 bytes)

Ensayo de eficiencia de un motor de inducción.

Para el caso del sistema variador de frecuencia-motor de inducción, la eficiencia neta del conjunto será el producto de las eficiencias de cada elemento. Por ello, supongamos un ejemplo donde el variador de frecuencia tiene una eficiencia nominal de 97% (dato de placa a carga nominal) y el motor una eficiencia de 91%, entonces, la eficiencia total del sistema será 0,97 x 0,91 = 0,8827. Si hablamos de una máquina de 75 kW por ejemplo, la operación a plena capacidad del motor supondrá que las pérdidas netas del sistema serán de 75 x (1 - 0,8827) = 8,8 kW.

Como se puede apreciar, la potencia de pérdidas no es despreciable, pérdida que se transforma principalmente en calor, que debe ser retirado desde la sala eléctrica que contiene el variador, y desde el sector donde se ubique la máquina. De forma adicional, la curva de eficiencia de un motor no será lineal respecto de la carga en el eje, así como tampoco lo será la eficiencia del variador de frecuencia. Normalmente la pérdida del variador será del tipo:

donde Po es la pérdida de vacío del drive y k es la constante de carga del mismo equipo. Por otra parte, la eficiencia del motor dependerá de la potencia que se le pida en cada instante, de forma que, en general, nogue4.jpg (5821 bytes) será posible la aplicación de un término simple para la eficiencia, a cualquier grado de carga del motor. En términos prácticos, los factores Po y k se determinan por medio de simples ensayos del accionamiento. Una vez más, se verifica que determinar la pérdida de energía de una planta no será una labor trivial.

gue6.jpg (1875 bytes) Por Cristián Guevara Vicuña, Ingeniero Civil Electricista UTFSM, autor del texto “Métodos prácticos para lograr ahorros de energía eléctrica”.
expertos.eficiencia@gmail.com
Abril 2010
.......
Comentarios acerca de este artículo
Ismael WEG México, S. A. De C. V. (23/10/2014)
Mi inquietud es la siguiente: Pueden los armonicos de voltaje o de corriente causar daño al motor de inducción en un tiempo de operación de 4 a 6 meses.
Estamos hablando de distorsión armonica total entre 15 y 38%.
Mario Sherwin Williams C.A. (21/05/2013)
Muy buen post, pero quisiera saber como evaluar motores para saber si sustituirlos o no si estan en un sistema variador-motor. Gracias.
Comenta este artículo
Nombre:
Empresa:
Email:
Comentario:
Notificarme de actividad en este artículo
Ingrese los caracteres de la imagen:
Desayunos
LA MODERNIZACIÓN TECNOLÓGICA DEL SECTOR MINERO: Avanzando hacia la digitalización
AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL INDUSTRIAL: Digitalizar los procesos productivos, la clave para el futuro
LA INDUSTRIA ELECTRÓNICA EN CHILE: Construir redes para fortalecer el ecosistema
Contáctenos
Dirección: José Manuel Infante 919, Of. 203,
Providencia, Chile
Teléfono: (562) 2433 5500
Email: info@emb.cl
Visite también:
© Copyright 2019 Editora Microbyte Ltda.