Eficiencia energética en motores de inducción (2ª PARTE)

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Eficiencia energética en motores de inducción (2ª PARTE) 

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Energía y ahorro en costes potencial

Los motores más eficientes ahorran energía, tanto directamente como indirectamente. Las mejores oportunidades de eficiencia con los motores proceden del ahorro energético. La mayoría del ahorro en costes se consigue ahorrando energía, aunque algunos ahorros en costes proceden de la forma como se compra la electricidad.

·         Consumo de energía reducida en el motor.  Los motores eléctricos más grandes anualmente consumen electricidad cuyo coste es varias veces el precio del motor. El ahorro energético conseguido actualizando la eficiencia del motor depende principalmente del tamaño del motor, sus horas de operación, su perfil de carga, su eficiencia y la eficiencia de reemplazamiento potencial. Adicionalmente, el ahorro en costes depende del precio unitario de la electricidad.

·         Demanda eléctrica reducida. En instalaciones donde se usan grandes motores, la factura de la electricidad incluye usualmente un cargo sustancial por demanda. Trabajando con la eficiencia de los motores puede conseguirse un ahorro significativo en los cargos por demanda.

·         Carga de calentamiento y enfriamiento de espacios. Las pérdidas de un motor eléctrico se liberan en el espacio en forma de calor. En los espacios con aire acondicionado los consumos quedan afectados.

Qué considerar al seleccionar un motor

A la hora de seleccionar un motor necesitamos considerar las siguientes características con el objetivo de buscar el motor más conveniente para cada aplicación. La mayoría de estas aplicaciones se expresan por ratings o especificaciones disponibles en catálogos.  Para aplicaciones especializadas, podemos necesitar características adicionales.

Eficiencia a carga máxima.  Usualmente encontraremos que la opción más económica se encuentra cerca del funcionamiento del motor próximo al punto de máxima eficiencia.

Eficiencia en carga parcial: Si los motores operan durante periodos largos a cargas reducidas, debemos estar seguros de estudiar las cifras de eficiencia a tiempo parcial.

Potencia nominal: Cuando sustituimos un motor debemos considerar la opción de cambiarlo por otro con una potencia nominal inferior. Para hacer esto, es posible que haya que reducir la carga. Esta oportunidad aparece como consecuencia de la aplicación de medidas de eficiencia energética. Por ejemplo, podemos ajustar el impulsor de una bomba para eliminar exceso de capacidad, lo cual en gran medida reduce los requerimientos de potencia de la bomba. En muchas ocasiones encontraremos sobredimensionados elevados que hacen que el motor opere a una eficiencia reducida. La eficiencia de un motor ocurre típicamente alrededor del 80 % de plena carga, pero la eficiencia queda cerca de máximos hasta que la carga cae bien por debajo de la mitad, excepto en pequeños tamaños. Además, los motores más grandes son más eficientes en total, y su eficiencia cae menos a bajas cargas. Cuando operamos un motor con un variador de frecuencia variable puede ser deseable sobredimensionar el motor para evitar el sobrecalentamiento.

Factor de servicio: El factor de servicio es el porcentaje más alto de respecto a plena carga al que el motor puede operar continuamente bajo condiciones de ensayo estándar sin sobrecalentamiento. El factor de servicio está relacionado con las temperaturas del motor. El factor de servicio proporciona un margen de error al calcular el tamaño de un motor que se necesita para una aplicación. El factor de servicio más bajo es 1,0. Los motores de alta eficiencia usualmente tienen un factor de servicio de al menos 1,15, pero eso no siempre es verdad. Los motores diseñados para aplicaciones de alto para típicamente tienen factores de servicio más altos, quizás tan alto como 1,40 en los tamaños más pequeños. Un factor de servicio más alto que uno es útil en aplicaciones donde el motor opera durante una gran fracción de tiempo a cargas bajas. Esto permite seleccionar el motor más pequeño posible, y por lo tanto alcanzar la mayor eficiencia a bajas cargas, sin miedo de sobrecalentar el motor durante periodos ocasionales de cargas pico. Un factor de servicio más alto permite operar a temperaturas ambientales más altas.

Características del par: El par es una fuerza rotacional. El par que un motor produce cambia radicalmente con la velocidad. Las aplicaciones del motor varían ampliamente en el par que se requiere a diferentes fracciones de la velocidad nominal. Por lo tanto, se dan nombres diferentes al par que se desarrolla en diferentes partes del rango de velocidad del motor.

·         Par a plena carga. El par a plena carga se mide a la carga nominal del motor. Esta carga ocurre a la velocidad nominal del motor. La calificación es especialmente importante para cargas que desarrollan más resistencia conforme se incrementa la velocidad. Bombas y ventiladores son las cargas más comunes de este tipo.

·         Par con rotor bloqueado: Es el par del motor cuando el eje se mantiene estacionario. Este es el par de arranque disponible del motor. Es importante cuando se selecciona un motor para impulsar una carga que tiene una gran resistencia de arranque, tal como las cintas transportadoras cargadas. También indica lo rápido que el motor puede acelerar una carga que tiene alta inercia, tal como un ventilador centrífugo o un elevador equilibrado. También indica lo rápido que un motor puede acelerar una carga que tiene alta inercia, tal como un ventilador centrífugo o un elevador equilibrado. El par de arranque es menos importante con cargas que se mueven libremente y tienen poca inercia rotacional, tal como las bombas centrifugadoras.

·         Par de tracción: Es el mínimo par que el motor puede producir. Esto típicamente ocurre como una fracción de la velocidad nominal. El motor se para y se quema después de arrancar si la carga requiere más par que esta cantidad, incluso si el motor es capaz de funcionar a la velocidad normal. Esta clasificación es importante cuando se manejan cargas que rápidamente desarrollan resistencia cuando arrancan, tales como los compresores recíprocos.

·         Par de avería: Es el máximo par que el motor puede producir. El motor pasa a través de un par de avería en la transición que va de parada a sobrecarga. El par de avería es importante en aplicaciones que tienen requerimientos de transición para par extremo, tales como las machacadoras de rocas.

Los fabricantes producen motores con diferentes requerimientos para varias características de par. El par tiene poco efecto en la eficiencia si todos los otros factores siguen siendo los mismos. Sin embargo, alcanzar un alto par requieres mayores desafíos en la geometría del motor, y la geometría del motor afecta la eficiencia. El par es el producto que fuerza el brazo del momento, así que los motores de alto par típicamente son más grandes en diámetro.

Entre los motores monofásicos, el par más alto se encuentra en los de arranque con condensador, seguido en orden descendiente por “fase dividida”, “condensadores divididos permanentes”, y motores de “polo sombreado”. Esta secuencia es la misma que el ranking de motores monofásicos en términos de eficiencia. En otras palabras, entre los motores monofásicos, la eficiencia más alta está correlacionada con el par más alto.

 

Eficiencia energética en motores de inducción (1ª PARTE)

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Eficiencia energética en motores de inducción (1ª PARTE) 

En el mundo se produce mucha energía y es probable que más de la mitad de esa energía sea consumida por los motores. Mucha de esta energía es consumida por los grandes motores y casi todos estos son motores de inducción trifásicos.

En el sector industrial, los grandes motores suponen la mayoría del consumo de energía total. En el sector comercial, los motores son más pequeños en tamaño y suponen una fracción más pequeña del consumo de energía total, pero todavía son candidatos principales para mejoras de eficiencia.

Instalar motores de alta eficiencia

La eficiencia de los motores se ha incrementado en décadas recientes por mejora en el diseño de los motores y procesos de fabricación. Actualizar a motores eficientes es normalmente rentable, excepto para las unidades más pequeñas, porque los motores son relativamente baratos en relación al coste de la energía que consumen.

La mejora en la eficiencia ha recibido la mayor parte de la atención en la fabricación de motores trifásicos. La mejora en la eficiencia en los motores monofásicos, que son más pequeños, está limitado actualmente al ofrecimiento de modelos de alta eficiencia pero limitándonos a los rangos de tamaños y tipos disponibles.

El esfuerzo adicional requerido es mínimo. Adicionalmente a la especificación de las características necesarias usuales (velocidad, voltaje, par, etc.), también se especifica la eficiencia del motor.

Actualización a motores eficientes en instalaciones existentes

Si falla un motor, el coste de reemplazar por un motor de alta eficiencia es pequeño en comparación con el coste de energía ahorrado, probado que el motor funciona durante un número razonablemente grande de horas al año.

Pero la duda surge cuando un motor ineficiente, un “viejo” motor, está funcionando bien aún. ¿Merece la pena sustituirlo por un motor de alta eficiencia? La respuesta a esta pregunta es individual a cada motor y debe ser estudiada en cada caso. Para motores más grandes que unos pocos H.P., la respuesta depende de la mejora porcentual de eficiencia alcanzada, el número de horas de operación, los costes de la electricidad, y la tasa de recuperación de información. También hay que considerar que los motores más pequeños son más caros en relación al coste de la energía que consumen.

Características de eficiencia de los motores

Hay diferencias sustanciales en la eficiencia de los motores para un tipo y tamaño dado. En la siguiente figura se indica el rango de eficiencias a plena carga de tipos comunes de motores trifásicos.

La eficiencia en carga parcial es importante en aplicaciones que implican operación extendida a cargas reducidas. El tamaño es un factor principal en eficiencias parciales.

Los motores de potencias fraccionadas son menos eficientes que los grandes motores por razones que son ineludibles. También, los pequeños motores han sido menos eficientes por motivos prácticos y económicos.

Los motores pequeños pueden tolerar pérdidas mayores debido a que pueden disipar mejor el calor que los grandes motores. Esto se debe a que el ratio área de superficie a volumen se incrementa cuando un objeto es más pequeño. Asimismo, tienden a usarse en aplicaciones que permiten construcción abierta ventilada.

Características constructivas de los motores de alta eficiencia

Las mejoras recientes en la eficiencia de los motores eléctricos no son alcanzados por nuevas características, sino mejorando los componentes básicos que todos los motores tienen. Las mejoras en eficiencia incluyen:

·         Cable con una resistencia más baja, que reduce la generación de calor en los bobinados del estator. La resistencia más baja se consigue principalmente haciendo los conductores más gruesos. Esto requiere reducir el espesor del aislamiento, lo cual requiere materiales de aislamiento mejorados. También, el espacio en los bobinados del estator puede incrementarse con una mayor sofisticación en el diseño del núcleo de acero que mantiene los bobinados.

·         Diseño mejorado del circuito eléctrico del rotor. La corriente del rotor en un motor de es inducida por el campo magnético del bobinado del estator. La resistencia de estas corrientes determina la potencia y par del motor. El voltaje inducido es bajo, así que los conductores del rotor deben tener muy baja resistencia para permitir las altas corrientes requeridas. Reduciendo la resistencia de los conductores del rotor reducen las pérdidas de calor e incrementan la producción de energía en relación a la entrada de energía.

·         Permeabilidad más alta en los circuitos magnéticos del estator y rotor: La permeabilidad del núcleo de acero afecta la resistencia del campo magnético que se induce en el acero para una cantidad de excitación dada.

·         Laminación de acero más delgada en los circuitos magnéticos: Esto reduce las corrientes parásitas, que son corrientes eléctricas circulares inducidas en el acero de los circuitos magnéticos. Estas corrientes disipan energía calentando el acero. Esto previene la formación de circuitos magnéticos (el núcleo) en la laminación del acero que es más delgada que el diámetro de las corrientes parásitas.

·         Forma mejorada del núcleo del estator de acero y circuitos magnéticos del rotor, para incrementar la fuerza producida en relación a las pérdidas.

·         Huecos más pequeños entre estator y rotor, para reducir pérdidas de flujo magnético.

·         Diseño de ventiladores internos, aletas de refrigeración, y paso del aire de refrigeración para reducir el requerimiento de energía de enfriamiento. Los motores de alta eficiencia producen menos calor, así que necesitan menos refrigeración. También pueden diseñarse para sobrevivir a temperaturas más altas.

·         Rodamientos con fricción más baja.

Factores de eficiencia adicional en motores monofásicos

La mejora en la eficiencia de los motores monofásicos implica las mismas técnicas listadas arriba. Adicionalmente, el diseño de las características de arranque de los motores monofásicos puede ser mejorado.

El campo magnético del estator de un motor monofásico no rota, al contrario del campo del estator de un motor trifásico. Por lo tanto, cualquier motor monofásico requiere un método separado para conseguir que arranque. Los nombres de los diferentes tipos de motores monofásicos se basan en los métodos de arranque.

Todos los métodos de arranque en motores monofásicos cusan pérdidas de eficiencia, pero difieren significativamente en este sentido. En orden decreciente de eficiencia, los principales tipos de motores monofásicos son:

·         Arranque con condensador.

·         Fase dividida.

·         Polo sombreado.

Este mismo ranking también se aplica al par de arranque, y al coste. En otras palabras, se paga más por una eficiencia más alta y par más alto.


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Motores de inducción trifásicos de alta eficiencia

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Motores de inducción trifásicos de alta eficiencia 

En la última década ha crecido el interés por los motores síncronos de magnetismo permanente (PMSM), pero los motores de inducción trifásicos son aún los motores eléctricos más ampliamente utilizados. La forma más fácil de poner a funcionar un IM es mediante la conexión directa del motor a una red trifásica. Star-Delta Start y Soft-Starter se introdujeron en el pasado para superar las corrientes de arranque extremadamente altas de un arranque directo en línea. Todos los métodos tienen en común que la frecuencia en la transmisión es fijada. Todos los métodos anteriores tienen en común que la frecuencia de la transmisión es fija. Los convertidores de frecuencia permiten ajustar la velocidad y corriente. Para estos propósitos diferentes estrategias de control se adecuan para que sea considerada la respuesta dinámica considerada. La simplicidad del control escalar (control V/f) satisface sólo requerimientos dinámicos moderados. Una respuesta dinámica más alta puede ser alcanzada por control de vectores (control orientado al campo). Para permitir estas transmisiones, los suministradores de combustibles dependen de las soluciones IGBT discretas. Los módulos de potencia inteligentes están ahora reemplazando a estas soluciones discretas. Estas nuevas soluciones permiten a los diseñadores desarrollar soluciones efectivas en costes. IMS es el motor eléctrico más común del mundo en el rango de potencias de 100 w a varios 100 kW. Están caracterizados por una construcción simple y robusta, larga vida útil, relativamente bajo coste y eficiencia bastante alta. IMSs de propósito general constituyen una mayoría del mercado cuya principal característica es que está estandarizado y puede agruparse en diferentes clases de eficiencia. La estandarización de las configuraciones de montaje, el tamaño de los mecanismos, enfriamiento y protección contra contacto y penetración de objetos sólidos contra el agua permite a los motores ser fácilmente cambiados en todo el mundo fabricados por diferentes fabricantes que cumplan los mismos requerimientos. La categoría IM de motores trifásicos puede montarse en el suelo, pared o techo, y está diseñado para una operación ininterrumpida a carga constante, y además está protegido contra chorros de polvo y agua (IP55) y está dimensionado para una elevación máxima de temperatura de 75 ºC. Además de la operación de un IM alimentado con un convertidor de frecuencia, el IM ha capturado el mercado de las aplicaciones servo donde tales transmisiones servo son una solución alternativa si el rendimiento dinámico más alto no es obligatorio. Los servo motores basados en IM ofrecen una respuesta dinámica alta. Su diseño compacto y baja inercia resulta en una excelente densidad de rendimiento. Para este propósito un servo convertidor es obligatorio. El control orientado al campo (Field Oriented control o FOC) es un motor AC trifásico bien popular que alcanza una respuesta dinámica alta en la transmisión, que también es la tecnología clave para aplicaciones servo. La aproximación es imitar la operación de un motor DC. FOC se basa en el desacoplamiento entre los componentes de corriente usados para la generación de par y flujo de magnetización de la jaula de ardilla.

. Beneficios de los módulos de energía inteligentes .

IPMs se usan de forma creciente como convertidores de frecuencia ya que hay algunos beneficios significativos usando soluciones integrados. Usando el ejemplo de módulos Motion-SPM, que contienen un VSI trifásico incluyendo una transmisión de puerta de ajuste fino y funciones de protección adicionales tales como UVLP, OCP y salida de fallos, los beneficios resultan claros

 

Los motores de corriente continua y su alto rendimiento y eficiencia.

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Los motores de corriente continua y su alto rendimiento y eficiencia. 

Los motores de corriente continua fueron olvidados hace mchos años por las ventajas de la corriente alterna. Su aplicación acabó siendo marginal. Pero en los últimos años estos motores han cobrado protagonismo gracias a mejoras técnicas conseguidas que propician una mejora en el rendimiento y la eficiencia.

Los motores de inducción AC trifásicos son el tipo de motor más usado en la industria, debido a su diseño simple, coste de compra bajo, fiabilidad y amplia elección de tamaños y especificaciones. Sin embargo, en aplicaciones donde la velocidad necesita variarse o el par necesita controlarse con mayor exactitud, los motores DC sin escobillas son populares. En estas aplicaciones los motores DC sin escobillas a menudo superan las desventajas asociadas a los motores DC con escobillas.

Además de en aplicaciones industriales, los motores dc con o sin escobillas también se emplean en pequeñas máquinas y equipos donde el control de la velocidad es crítico - por ejemplo los discos duros de los ordenadores - o en máquinas donde la corriente dc está fácilmente disponible: baterías, automóviles, etc.

Actualmente hay varios factores que están influyendo en el incremento de la demanda de los motores eléctricos. Por ejemplo en los automóviles, cada vez se usan más los motores de corriente continua. Los ingenieros buscan mejorar el rendimiento de los equipos que ellos diseñan, y en muchas aplicaciones están sustituyendo los motores AC por equivalentes DC. En particular, los motores DC sin hierro tienen baja inercia así que son útiles donde se requiere alta aceleración.

Por ejemplo, el prototipo ENV motorbike de energía inteligente se caracteriza por una célula de combustible que genera electricidad a partir de hidrógeno y oxígeno. Para hacer un uso mejor deun suministro de energía eléctrica limitada, la bicicleta está equipada con un motor DC axial-gap de Lynch. Este tipo de motor de bajo voltaje, alto par y magnetismo permanente tiene la ventaja añadida de una alta densidad de energía. Para ilustrar las capacidades de estos motores, diríamos que el modelo LEM 130 95s tiene una potencia nominal de 3,02  kW, un par motor de 4,35 Nm y una velocidad nominal de 6624 rpm. La eficiencia pico es del 87 %.

Los motores dc compactos se fabrican en volúmenes cada vez más grandes y para aplicacioens cada vez más pequeñas. Entre sus usos mencionamos dispositivos accionados por energía solar, juguetes y dispositivos móviles.

 

Los motores de corriente continua y sus aplicaciones en eficiencia energética

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Los motores de corriente continua y sus aplicaciones en eficiencia energética 

El motor de corriente continua fue uno de los objetivos centrales de investigación de Thomas A. Edison. Pero por sus ventajas competitivas, los motores de AC pronto llegaron a ser los favoritos de la industria. A pesar de la predominancia de los motores AC trifásicos, los motores DC tienen ventajas en ciertas aplicaciones industriales y son todavía ampliamente usados.

Las ventajas de los motores DC incluyen un excelente control de la velocidad y la capacidad de proporcionar alto par a bajas velocidades. Sin embargo, una mayoría de los motores DC usan escobillas para transferir energía eléctrica al rótor del motor. Los ensamblajes con escobillas no solamente requieren motores más grandes, sino que también se incrementan los requerimientos de mantenimiento. Cuando se desgastan las escobillas, se requiere mantenimiento y se genera polvo de carbón. Las escobillas son también sensibles a la contaminación, especialmente en máquinas que contienen materiales de silicona, y deben ser reemplazados periódicamente.

Ya que la energía eléctrica se suministra como corriente alterna, se requiere un equipo adicional que genere energía DC, tal como un equipo motor generador o un sistema rectificador. Si se utilizan baterías, podemos obtener la energía directamente de ellas. Aunque estas aplicaciones son algo especializadas, se están incrementando ya que la industria cada vez es más sensible a los problemas de calidad de la energía y a los altos costes de la interrupción en la producción.

Hay cuatro clases principales de motores de corriente continua: devanado serie, devanado shunt, devanado continuo y magnetismo permanente. Los devanado serie, devanado shunt, y motores de devanado compuesto todos requieren escobillas para suministrar corriente al estator. Las diferencias entre estos motores se basan en cómo el estator y el rotor se conectan.

Motor serie: En un motor serie, como su nombre indica, el estator y el rotor se conectan en serie y la misma corriente pasa a través de ambos. En esta configuración, el par se incrementa en proporción al cuadrado del incremento de la corriente. Esta relación es verdad hasta que se alcanza la resistencia del motor, una condición conocida como saturación. Más allá de la saturación, cualquier incremento de carga es directamente proporcional al incremento de la corriente.

Motor Shunt: En un motor shunt, los circuitos del rotor y el estator se conectan en paralelo. El par y la velocidad de estos motores son relativamente independientes de la carga. Consecuentemente, ajustando los controles de la resistencia del estator y la resistencia del campo magnético, se obtiene un control relativamente exacto de la velocidad del motor.

Motor compuesto: Un motor compuesto es una combinación de un motor serie y un motor shunt. Tiene dos ramales de circuitos básicos; una envolvente del circuito alrededor del estator, y el otro es un circuito serie que incluye tanto estator como rotor. Una característica de operación clave de este tipo de motor es que puede manejar un incremento repentino de las cargas sin un gran cambio en la velocidad.

Magnetismo permanente (PM): Los motores de magnetismo permanente dependen del magnetismo inherente de los materiales – tales como aleaciones de cobalto, níquel, acero y titanio – para crear un campo magnético con motores que pueden tener hasta 600 HP. Pueden construirse de varias formas diferentes, y en algunas versiones operan con corriente AC. Sin embargo, la mayoría de los motores PM son de tipo DC sin escobillas. Un motor conmutado electrónicamente (ECM) es un tipo de motor sin escobillas que tiene control del par y velocidad. ECMs puede usar corriente alterna monofásica y convertirla en operación trifásica. Y ellos usan sensor de fuerza electromagnética para determinar la posición del rotor y realizar la función de conmutación. Debido a su diseño, ECMs no presentan el desgaste de escobillas y ruido asociado a los motores DC típicos.

Los motores PM tienen ciertas ventajas de rendimiento sobre los motores de inducción AC, especialmente en aplicaciones con amplias variaciones en carga y velocidad. Los motores PM pueden mantener eficiencias relativamente altas a cargas de motor bajas y, como otros motores DC, pueden producir alto par a bajas velocidades del motor. Ya que no requieren escobillas, usando motores PM pueden eludirse muchos problemas de mantenimiento normalmente asociados con los motores DC. Los avances de la tecnología de motores PM han hecho que este tipo de motores sean competitivos con la combinación frecuencia variable/motor de inducción, y por ello son de gran utilidad para desarrollar múltiples aplicaciones de eficiencia energética. Una desventaja de los motores PM es su tendencia a acumular magnetismo, incluso cuando el motor está ocioso.

 

Motores de corriente continua de alto rendimiento ultracompactos

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Motores de corriente continua de alto rendimiento ultracompactos 

Hablamos hoy de los motores de corriente continua de alto rendimiento ultra compactos, y como ejemplo mencionamos el nuevo lanzamiento de Maxon Motor. Según el fabricante se trata de uno de los motores DC más poderosos, versátiles y robustos del mundo, nos referimos a su RE 50 de 200 w.
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La fortaleza de este motor radica en que reparte uno de los más altos niveles de par nominal para su tamaño: 0,38 Nm de una transmisión que mide solamente 50 mm de diámetro por 108 mm de longitud. Este remarcable rendimiento se consigue por medio de un imán permanente doble de neodimio, combinado con cuatro versiones diferentes de tecnología de devanado patentada de Maxon.
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En el corazón de RE 50 está el rotor de acero inoxidable de Maxon que proporciona un movimiento excepcionalmente uniforme debido a su mínima inercia.
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Un bajo voltaje nominal (24-70V DC), una eficiencia de operación de alrededor del 90 %, y una alta densidad de energía hace que el RE 50 sea una buena elección para aplicaciones avanzadas con batería tales como las herramientas eléctricas, equipo de transporte y logística, sistemas móviles y robótica.
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Mientras tanto, el sistema modular probado de Maxon significa que los nuevas transmisiones son compatibles con el cabezal de engranajes de Maxon, sistemas de codificación y control. Ello permite a los clientes crear transmisiones compactas de alto rendimiento para ingeniería mecánica, automatización o tecnología médica.
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El motor contiene rodamientos precargados para reducir la vibración y asegurar un funcionamiento más silencioso para una larga vida de servicio. Combinado con sus cepillos de grafito, Maxon defiende que el nuevo motor es el más robusto creado nunca. El RE 50 es casi ciertamente el motor más poderoso para su tamaño. Una unidad con un par tan resistente y compacto es una excelente oportunidad para los ingenieros que necesitan maximizar fiabilidad y rendimiento en todo un reino de posibilidades.
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Una versión para trabajos más duros está planificada para su fabricación en breve. Se ha diseñado para satisfacer altas demandas bajo condiciones ambientales duras, cumpliendo la clase de protección IP54, y vendrá con un fruto adicional.

 

El uso de motores de corriente continua

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El uso de motores de corriente continua 

Los motores de corriente continua se configuran en muchos tipos y tamaños, entre los que encontramos sin escobillas, servo y motor de engranajes. Un motor consiste en un rotor y un estator de campo permanente. El campo magnético se mantiene usando imanes permanentes o devanados electromagnéticos. Los motores de corriente continua se usan comúnmente en aplicaciones de par y velocidad variable.

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Los motores de corriente continua sin escobillas tienen conmutación integrada, lo que significa que el motor rota, las escobillas mecánicas automáticamente conmutan bobinas en el rotor. Los motores DC sin escobillas usan una transmisión de energía externa que permiten la conmutación de serpentines en el estator. Los motores con escobillas se usan cuando el coste es una prioridad, mientras que los motores sin escobillas se usan para cumplir requerimientos específicos, tales como las operaciones libres de mantenimiento, velocidades altas, y ambientes peligrosos donde el chisporreteo puede ser peligroso.

. Los motores de engranajes de corriente continua se configuran en muchos tipos y tamaños, incluyendo sin escobillas y servo. Un motor de engranajes de corriente continua consiste en un rotor y un estator de campo magnético permanente y una caja de engranajes integral o cabezal de engranajes. El campo magnético se mantiene usando devanados electromagnéticos o magnetismo permanente. Los motores de corriente continua se usan comúnmente en aplicaciones de velocidad variable y de par. .

El movimiento y los controles cubren un amplio rango de componentes que de alguna forma se usan para generar y/o controlar movimiento. Áreas dentro de esta categoría incluyen rodamientos, embragues y frenos, controles y transmisiones, componentes de transmisión, decodificadores, controles de movimiento integrados, interruptores limitadores, actuadores lineales, etapas de posicionamiento lineal, deslizadores y guías, sellos, anillas, solenoides y resortes de transmisión de potencia.

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Los motores son dispositivos que proporcionan la velocidad actual en un sistema de transmisión. Esta familia incluye tipos de motores de corriente continua (motores monofásicos y multifásicos, servo motores, universales, inducción, síncronos, y motores de engranaje) y motores de corriente continua (sin escobillas, servo motores, y motores de engranaje) así como lineal, por pasos y motores de aire, y contactores de motor y arrancadores. .

 

Eficiencia energética mediante lubricación inteligente de motores

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Eficiencia energética mediante lubricación inteligente de motores 

 

 

Muchas décadas de experiencia confirman el éxito de la niebla de aceite en los elementos que se mueven a alta velocidad en motores de las bombas de proceso. En los pasados 40 años, se han empleado datos empíricos para verificar la aplicabilidad de la niebla de aceite en bombas y motores eléctricos. La aplicabilidad de la niebla de aceite se valora en función del tamaño del rodamiento, la velocidad y la carga.

Debido a que los fluidos sintéticos son químicamente diferentes a los aceites minerales, uno puede esperar que sus efectos vayan más allá a los atribuibles solamente a las relaciones de viscosidad. En realidad, las propiedades del lubricante y los métodos de aplicación también afectan la efectividad de la lubricación y el par de fricción a superar.

Cuantificar el potencial de ahorro energético

El ahorro en costes que puede conseguirse actuando sobre la lubricación de motores es realmente sustancial ya que las máquinas industriales consumen el 31 % de la energía total (datos de USA). Estudios experimentales han demostrado que puede reducirse el consumo tanto como un 37 %. En una refinería con 1.000 bombas centrífugas pueden ahorrarse $400.000 al año.

Estas expectativas realistas y el mayor coste de los fluidos lubricantes sintéticos se compensan por unos requerimientos de mantenimiento reducidos.

En resumen, la lubricación de motores eléctricos con niebla de aceite es altamente ventajosa y es una forma de ahorrar tanto energía como costes laborales.

 

Proyecto de eficiencia energética en motores en la industria papelera

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Proyecto de eficiencia energética en motores en la industria papelera 

Continuamos con un nuevo artículo dedicado a la eficiencia energética en motores de uso industrial, y en esta ocasión discutimos un ejemplo real centrándonos en la industria papelera. Son datos de Estados Unidos, así que si el proyecto es rentable allí, en pocos países no será mucho más rentable.

El proyecto se llevó a cabo en Mohawk Paper Mills, Inc., localizado cerda de Albany, NY, un fabricante de papel de alta calidad. Se trata de una fábrica antigua que consiguió evitar el cierre mejorando la productividad invirtiendo en eficiencia energética para reducir los costes de electricidad y conseguir ser competitiva.

El proyecto emprendido por la empresa consistió en analizar todos los motores eléctricos y sustituir por motores eficientes aquellos en los que resultase rentable la operación. El coste inicial de los motores es insignificante comparando con la cantidad de energía que consumen a lo largo de su vida útil, que supera los 15 años.

Aplicando los incentivos públicos a la eficiencia energética existentes en el estado de New York el payback obtenido en la sustitución de los motores fue inferior a dos años, un valor realmente bajo.

 

Selección eficiente de acoplamientos y transmisiones en motores

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Selección eficiente de acoplamientos y transmisiones en motores

La selección de motores para cada aplicación se hace en muchas ocasiones de forma intuitiva y ello genera ineficiencias en el sistema. Para seleccionar el motor apropiado para una aplicación particular, el ingeniero necesita considerar los requerimientos básicos del servicio. Estos incluyen el perfil de carga, las condiciones ambientales, la importancia de la flexibilidad de la operación, y los requerimientos de fiabilidad. Alrededor del 60 % de la energía consumida por las aplicaciones de transmisiones de los motores industriales se usan para impulsar bombas, ventiladores y compresores. Dentro de estas aplicaciones, las bombas y ventiladores centrífugos comparten algunas de las relaciones comunes entre velocidad (comúnmente medida en rpm), caudal, presión y potencia.

¿Un motor más rápido del que necesitamos? ¿Para qué?

Una implicación importante de estas leyes es que el consumo de energía es altamente sensible a la velocidad de operación ya que la relación entre velocidad y consumo no es lineal. Por ello, incrementar la velocidad de un ventilador o una bomba requiere un incremento relativamente grande de la potencia necesaria para hacerlo funcionar. Por ejemplo, doblar la velocidad de una máquina requiere ocho veces más potencia. De forma similar, disminuir la velocidad de un ventilador o bomba quita una carga significativa del motor.

Las curvas de rendimiento de una bomba nos ayudan a entender esta relación entre potencia y velocidad. El punto de operación es la intersección entre la curva del sistema y la curva de rendimiento de la curva. Para conseguir el caudal de operación deseado con una bomba de velocidad fija, se usa una válvula de estrangulamiento para controlar el caudal.

La cantidad de energía que usa una bomba cae drásticamente cuando se reduce la velocidad rotacional. Reduciendo la velocidad de la bomba con un variador de velocidad ajustable (ASD) el consumo cae notablemente, y la bomba opera más eficientemente. Reduciendo la velocidad de la bomba podemos proporcionar el mismo caudal pero mucho más eficientemente y ahorrando energía. No habrá de esta forma tanta caída de presión a través de la válvula de estrangulamiento, de forma que los requerimientos de mantenimiento, ruido del sistema, y la vibración del sistema se reducen.

Reemplazando una válvula de control por un ASD se puede incrementar la eficiencia del sistema y obtener de esa forma un ahorro energético significativo.

Bombas

Las bombas centrífugas son el tipo más comúnmente usado, principalmente por su bajo coste, ser simples de operar, fiables, y fáciles de mantener. Adicionalmente, tienen un periodo de vida relativamente más largo.

Los diseñadores e ingenieros del sistema necesitan comprender las condiciones de operación del sistema para dimensionar correctamente una bomba centrífuga. Muchos ingenieros tienden a ser conservadores en la estimación de los requerimientos del sistema, y a menudo se incrementa el tamaño de la bomba centrífuga y motor para acomodar las incertidumbres de diseño, expansiones de la capacidad potencial, y ensuciamiento o fouling del sistema. Sin embargo, esta aproximación a menudo lleva a sobredimensionar los ensamblajes bomba/motor. El sobredimensionado de las bombas puede incrementar los costes de operación como resultado de un incremento en los requerimientos de energía y mantenimiento y reducir la fiabilidad del sistema debido a las tensiones añadidas en el sistema.

Los sistemas de bombeo operan ineficientemente debido a prácticas de control de caudal incorrecta. Las opciones de control del caudal incluyen válvulas de estrangulamiento, válvulas de bypass, válvulas de velocidad-múltiple, configuraciones de bombas múltiples, y bombas acopladas a ASDs. Cada método de control del caudal tiene ventajas y desventajas, dependiendo de la aplicación particular. Cuando se incorporan apropiadamente en un sistema, estos métodos proporcionan un control de caudal adecuado y eficiente. Sin embargo, el diseño o uso inapropiado puede incrementar los costes del sistema significativamente.

ASDs ayuda a acoplar la energía del flujo transmitida al sistema con las necesidades actuales del sistema. En sistemas de bombeo, VFDs son con mucho las opciones de velocidad ajustable más comúnmente utilizadas. Reduciendo la velocidad de la bomba proporcionalmente reduce el caudal a la vez que exponencialmente se reducen los requerimientos de potencia del sistema. Aunque instalando VFDs puede conseguirse un ahorro sustancial de energía, no es conveniente para otras aplicaciones, en particular para aquellas en las que las bombas operan en alturas estáticas elevadas.

Una herramienta útil para evaluar las mejoras del sistema de bombeo es Pumping System Assessment Tool (PSAT).

Ventiladores

Las curvas de rendimiento del ventilador muestra que el caudal varía con la presión. Los ventiladores pueden agruparse en dos clasificaciones fundamentales, basadas en la forma en que se imparte la energía del flujo: ventiladores axiales y ventiladores centrífugas.

Los ventiladores axiales mueven el aire a lo largo del eje de un ventilador, semejante a un impulsor. Los ventiladores centrífugas usan un impulsor rotatorio para acelerar el movimiento del aire hacia fuera. Esta aceleración incrementa la energía cinética corriente de aire, que se traslada en un incremento en la presión. Estas diferencias tienen varias implicaciones con respecto a los motores. Los ventiladores axiales usualmente operan a velocidades más altas y, en algunos casos, se acoplan directamente al motor. Los ventiladores centrífugos tienden a ser más pesados, y a menudo tienen una inercia de carga más alta. Esta carga de inercia puede afectar al sistema de distribución eléctrica de la planta, especiamente en el arranque. Sin embargo, muchos ventiladores pueden equiparse con dispositivos de arranque suave que evita las tensiones en el arranque de la línea.

La mayoría de los ventiladores tienen motores de inducción que operan a 3600, 1800 y 1200 rpm. Ya que estas velocidades de motor son usualmente demasiado altos para la transmisión directa, se utilizan normalmente transmisiones directas para establecer la velocidad del ventilador deseada. Una importante excepción son los ventiladores vane-axiales. Estos ventiladores son compactos, eficientes, y usualmente están equipados con pequeñas aspas de ventiladores para minimizar las tensiones causadas por las altas velocidades de rotación.

Los diseñadores del sistema de ventilador tienden a ser conservadores, a menudo se especifican ventiladores más grandes que los que requiere el sistema. Sin embargo, los ventiladores sobredimensionados incrementan los costes operacionales y pueden causar problemas que son similares a los originados por las bombas sobredimensionadas. Los ventiladores sobredimensionados son a menudo más ruidosos y también requieren más mantenimiento.

Debido a que los regímenes de caudales de aire requeridos a menudo cambian de acuerdo con la temperatura, nivel de producción, ocupación, y carga de la caldera, los ventiladores frecuentemenet experimentan una demanda variable. La opción más efectiva es usar mecanismos de control de la velocidad, tales como un VFD, para ajustar la salida del ventilador.

 

Software avanzado para diseño electromagnético

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Software avanzado para diseño electromagnético 

 

En la industria, los campos electromagnéticos producen perturbaciones que son peligrosas para otros equipos. Si deseamos fabricar o diseñar productos de alta gama deberemos preocuparnos por la compatibilidad electromagnética y sus efectos. Sin duda daremos mayor credibilidad a nuestros diseños y podremos garantizar su comportamiento en situaciones de elevada responsabilidad. Continuando con el diseño electromagnético, actualizamos este artículo hablando del software de integrated engineering. Básicamente se trata de software de simulación para diseños electromagnéticos que aborda las siguientes aplicaciones:

• Alto voltaje y campos eléctricos: El diseño de equipos de alto voltaje y otros dispositivos que usan campos eléctricos requieren cálculos detallados de las tensiones eléctricas, con la finalidad de reducir el flashover y cumplir otros criterios de diseño. Se han desarrollado métodos como el “boundary element method”, que solucionan estos problemas de una forma sencilla.
• Aplicaciones de trayectoria de partículas: Muchos dispositivos son afectados por el movimiento de partículas cargadas en campos eléctricos y/o magnéticos. Por ejemplo, las aplicaciones que usan haces de electrones o iones hacen uso de este movimiento deliberadamente. El rendimiento del dispositivo puede limitarse por la capacidad para obtener la resistencia de campo o distribución espacial deseada. También puede ser afectado por problemas prácticos cuando se produce la intensidad del haz deseado o se mantiene la intensidad del haz a lo largo de una trayectoria sin excesiva divergencia debido a su propia carga de espacio. El módulo de simulación Lorenz proporciona una poderosa herramienta destinada a calcular regímenes de emisiones, efectos de la carga del espacio del haz, estadísticas de emisión secundarias, emitancia del haz, etc.
• Aplicaciones magnéticas: El diseño de equipos electromecánicos, tales como motores o solenoides, requiere de la utilización de software especialmente diseñado para para el análisis magnético, incluyendo análisis de transitorios. En el diseño de sensores, apantallamientos magnéticos, o aplicaciones específicas como NMR, se requeire una elevada exactitud en los campos.
• Sistemas termoeléctricos: Virtualmente todos los dispositivos eléctricos generan calor para poder operar. En algunos casos este calor no es deseado, como ocurre en motores o circuitos impresos. En algunos casos especiales el calentamiento de piezas es deseable, por ejemplo en aplicaciones de tratamiento térmico. Estas aplicaciones del software aborda aplicaciones multifísicas como el acoplamiento magnético, los campos eléctricos y los campos térmicos.

14/05/08

Tradicionalmente, la principal capacidad de un ingeniero debía ser su facilidad para el cálculo, pero los tiempos han cambiado. Actualmente, un ingeniero en lo que realmente debe estar al día es en herramientas de software. Ya hemos abierto varias secciones dedicadas a software gratuito, pero en esta ocasión nos vamos a centrar en las últimas herramientas que están revolucionando el desarrollo de productos industriales. Como en el resto del blog, nuestros artículos no están patrocinados, no son por ello publicidad. Simplemente expondremos aquellos que nos parecen interesantes y que suelen destacar en las revistas técnicas internacionales. Trataremos sobre todo de aportar información sobre tecnologías que no son muy conocidas en español. En este post explicamos el software desarrollado por Vector Fields, dedicado al diseño electromagnético.

• Opera: Comenzamos con Opera, un software dirigido al diseño de motores y generadores. Permite al usuario definir comportamientos complejos tales como la fricción, carga y par dependiente de la velocidad. Las capacidades multifísicas muestran los efectos de la temperatura y de las tensiones mecánicas que el par de torsión tendrá en las partes del motor. El programa permite el diseño de velocidades mediante un simulador electromagnético utilizando una simple caja de diálogo. Los usuarios seleccionan el motor o generador requerido de una lista que incluye inducción, magnetismo permanente, reluctancia, etc. Posteriormente se eligen diez parámetros para definir la geometría mecánica, propiedades de los materiales, y diseño eléctrico. Finalmente el software crea el modelo. Los parámetros incluyen diámetros de rotor, estator, y eje; anchura de dientes del estator, y número de ranuras del estator.
• Concerto: Concerto es un software dirigido a la automatización del diseño electromagnético. Sus herramientas están pensadas para diseño electromagnético de microondas y campos electromagnéticos RF (radiofrecuencia). El ambiente de diseño que proporciona el programa le permite interaccionar con otros modelos de diseño (por ejemplo importa de los programas CAD), y dispone de un poderoso simulador FDTD (Dominio de Tiempo de diferencia finita). Dispone asimismo de un post procesador para análisis de resultados y una herramienta de optimización automática.

Este software está dirigido al diseño de productos en los siguientes sectores de actividad:

• Máquinas.
• Productos de consumo.
• Transporte y defensa.
• Industria y científico.
• Comunicaciones.