Maximizar la eficiencia energética con motores eléctricos

Los motores eléctricos son el motor del mundo industrial y convierten de manera eficiente la energía eléctrica en energía mecánica. Muchos sectores críticos utilizan motores eléctricos, incluidos el industrial, comercial, residencial, agrícola y de transporte.

Por lo tanto, no sorprende que los sistemas impulsados ​​por motores eléctricos consuman actualmente el 50% de la energía eléctrica total en todo el mundo y el 70% de la energía eléctrica utilizada en las industrias (6000 billones de vatios por hora).1

El aumento de las actividades industriales en economías en desarrollo como India, China y muchas otras impulsará aún más el uso de motores. Se prevé que el crecimiento mundial de los sistemas impulsados ​​por motores eléctricos se duplicará para 2040.

La mayor cuota de mercado de los vehículos eléctricos en los países desarrollados y la alta demanda de calefacción y refrigeración en la creciente población de los países en desarrollo están impulsando este crecimiento.

Un sistema impulsado por motor eléctrico (EMDS) normalmente consta de un motor eléctrico y un dispositivo de usuario final: ventilador, bomba, compresor, etc. Cada vez más, los dispositivos de control de potencia de entrada y velocidad/par denominados variadores de velocidad (VSD) también se utilizan cada vez más. convirtiéndose en partes esenciales de EMDS.

La potencia de salida varía desde una fracción de kilovatio (kW) hasta miles de kW. Las industrias química, papelera, de procesamiento de alimentos, metalúrgica y textil utilizan ampliamente motores eléctricos para bombear, comprimir, girar ventiladores, manipular, transportar y procesar materiales. Además, diversos electrodomésticos utilizan motores eléctricos en los sectores comercial y residencial, desde cepillos de dientes eléctricos domésticos hasta grandes sistemas de aire acondicionado de edificios comerciales.

En el sector residencial, los motores eléctricos utilizados en refrigeradores, lavadoras, acondicionadores de aire y diversos tipos de extractores de aire (incluido el pequeño ventilador del disco duro de la computadora) consumen la mayor parte de la energía eléctrica del hogar. La bomba de riego, los vehículos agrícolas electrificados y los electrodomésticos también utilizan motores eléctricos. En el sector del transporte, los trenes eléctricos, los vehículos eléctricos, los drones, los barcos/barcos eléctricos emergentes y los aviones utilizan motores eléctricos.

La mayoría de los motores eléctricos son dispositivos giratorios; la potencia mecánica convertida está disponible como par (fuerza de giro) en el eje del motor para realizar las valiosas tareas de bombear, hacer girar un ventilador o impulsar las ruedas de un automóvil. La interacción entre el campo magnético y la corriente eléctrica produce un par en un motor eléctrico.

Una fuente de CC (corriente continua) o CA (corriente alterna) alimenta un motor eléctrico. Si un motor eléctrico convierte energía mecánica en energía eléctrica, se convierte en un generador y, por tanto, en el nivel de diseño básico, un motor y un generador son lo mismo.

Los motores eléctricos se pueden clasificar según su construcción, fuente de alimentación y tipo de movimiento de salida. Sin embargo, la eficiencia de todos los motores se calcula dividiendo la potencia de salida mecánica por la potencia de entrada eléctrica, y la potencia de entrada menos las pérdidas da la potencia de salida.

Las pérdidas del motor se clasifican en pérdidas de cobre (pérdidas de calor de los devanados que transportan corriente), pérdidas de hierro (pérdidas de calor del núcleo de hierro), pérdidas mecánicas (fricción en las partes móviles) y pérdidas parásitas o excesivas (pérdidas no contabilizadas que ocurren en un motor cargado). Los materiales superiores, la optimización del diseño y los enfoques de diseño orientados a las aplicaciones pueden conducir a una eficiencia de hasta el 99%.

La eficiencia energética es una de las formas más rentables de reducir las emisiones de CO2 relacionadas con la energía y compensar el crecimiento de la demanda de energía mediante ahorros derivados de las ganancias en eficiencia. Un informe de 2022 de la AIE (Agencia Internacional de Energía) sobre eficiencia energética encontró que las medidas acumuladas de ahorro de energía a través de la eficiencia han mantenido estable la demanda de energía de muchos países desarrollados a pesar de las fuertes actividades económicas de las últimas décadas.2

Dado que el sector eléctrico emite un tercio del CO2 mundial relacionado con la energía, la eficiencia energética desempeñará un papel importante para lograr el cero neto.3

Los beneficios de los estándares mínimos de rendimiento energético (MEPS) en motores eléctricos se hicieron realidad en 2008, lo que llevó a la aprobación de la norma IEC 60034-30 (Comité Electrotécnico Internacional) para armonizar las clases de eficiencia de los motores eléctricos a nivel mundial.

La norma IEC 60034-30 clasifica los motores según cuatro grupos de eficiencia internacional (IE): eficiencia estándar IE1, eficiencia alta IE2, eficiencia premium IE3 y eficiencia súper premium IE4. La norma IEC reemplazó a sus clases de eficiencia EEF predecesoras.

La diferencia clave entre ellos es que las pérdidas de motores parásitos se miden indirectamente en la clasificación IE. Por el contrario, en EEF, esta pérdida se estima aproximadamente en un 0,5% de la potencia de producción, lo que resulta en una subestimación. Para cumplir con IEC, la eficiencia debe medirse mediante métodos de prueba descritos en la norma IEEE 112. Muchos países adoptaron MEPS para motores eléctricos según las clases de eficiencia IEC.

El nuevo tipo de motores síncronos altamente eficientes con imanes de tierras raras y algunos diseños más nuevos sin ningún imán alcanzan fácilmente la clase de eficiencia IE4. Algunos de los diseños más nuevos incluso superan IE4, lo que ha llevado a la clase de eficiencia ultra premium IE5.

Los motores IE5 deberían tener un 20% menos de pérdidas que los de clase IE4. La Unión Europea (UE) ya ha hecho obligatorias las clases IE3 e IE4 para determinadas categorías de motores. 4 El énfasis en los requisitos MEPS ha garantizado que la mayoría de los motores industriales vendidos en todo el mundo cumplan con al menos una de las clases de eficiencia IEC.

Dado que los motores típicamente eléctricos son parte de un sistema grande, la atención se está desplazando lentamente hacia la mejora de la eficiencia general del sistema. Por ejemplo, controlar el par y la velocidad del motor según los requisitos del sistema utilizando un VSD puede mejorar la eficiencia general del sistema hasta en un 35%.5

Sin embargo, la ingesta de VSD sigue siendo lenta. Se requiere concienciación, políticas orientadas al clima, incentivos adicionales e inversión para aprovechar al máximo los beneficios potenciales de los VSD y los tipos más nuevos de motores síncronos y de reluctancia de imanes permanentes. El equipo de investigación de sistemas de accionamiento y máquinas eléctricas de la UNSW Sydney está a la vanguardia y contribuye al desarrollo de motores y accionamientos novedosos y altamente eficientes adecuados para muchas aplicaciones.

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