Además, el Reglamento (CE) Núm. 640/2009 de la legislación de la UE exige que los nuevos motores IE2 (de 7,5 a 375 kW) vendidos después del 1 de enero de 2015 se usen con convertidores de velocidad variable (VSD). Además, la norma EN 50598-2, publicada recientemente, establece el trabajo de base para futuras normativas centradas en las eficiencias conjuntas de motor y convertidor y, finalmente, del sistema accionado completo (por ejemplo, motor, convertidor y bomba).
Para hacer frente a las mayores demandas de eficiencia de los clientes, Kolmeks, un fabricante de bombas finlandés, buscó soluciones con mayores eficiencias de motor y convertidor. Según explica el director de productos Jori Suokorte, “las directivas de Diseño ecológico se limitan al nivel mínimo necesario sobre el terreno. A veces los consultores quieren que seleccionemos productos incluso mejores que los requisitos mínimos establecidos en la legislación”.
A pesar de las reglamentaciones y las normativas, comprender las opciones para obtener una mayor eficiencia del motor y los convertidores es un buen comienzo. Los convertidores de velocidad variable, por diseño, normalmente son muy eficientes energéticamente. En todo convertidor hay pérdidas, pero cuando se comparan con los ahorros de energía frente a los motores con conexión directa a línea, estas pérdidas se compensan fácilmente.
Eso nos deja el motor. La eficiencia del motor se centra en minimizar las pérdidas de calor. Estas pérdidas normalmente provienen del rotor. Al reducir esas pérdidas se ahorra energía. Actualmente hay tres opciones principales para conseguir la eficiencia del motor.
El aumento de la eficiencia del motor de inducción normalmente se consigue al agregar materiales más activos (normalmente cobre) a los bobinados del estátor. La tecnología de inducción y la construcción de motores son las mismas, de modo que no es necesario realizar ningún cambio en los programas de mantenimiento y los talleres usuales. Seguirá habiendo pérdidas de corriente en el rotor, y el calor resultante se transferirá a la carcasa y a los rodamientos del motor. Los fallos en los rodamientos del motor son la causa principal de los problemas de funcionamiento en motores de inducción. Además, el cobre agregado al estátor podría aumentar el tamaño del bastidor y aumentará el peso de motor, que son factores que los fabricantes tienen muy en cuenta.
Aumentar la eficiencia del motor de inducción normalmente requiere agregar más materiales activos. Esto aumenta el peso y el tamaño del motor.
La segunda opción es usar motores de imanes permanentes. Los imanes permanentes de tierras raras están contenidos en el rotor del motor, con lo cual se elimina la necesidad de una magnetización con corriente. Por ese motivo no hay corriente en el rotor y, por lo tanto, se transfiere muy poco calor al resto del motor y a los rodamientos. Esto supone una mejora inmediata de la eficiencia energética del motor. No obstante, a diferencia de los motores de inducción, los motores de imanes permanentes requieren el uso de un convertidor de velocidad variable para controlar el motor. Los convertidores cambian continuamente el campo magnético del estátor resultante del giro. Los imanes de tierras raras están sujetos a las condiciones del mercado, por lo que tienen un precio variable. Además, el mantenimiento resulta más difícil. Es preciso disponer de talleres de servicio certificados que puedan trabajar con grandes fuerzas magnéticas y garanticen que no se dañen los imanes cuando se requiera desmontar el motor. Durante el mantenimiento planificado esto puede dar como resultado un mayor tiempo sin el motor disponible para el proceso. Es importante tener en cuenta estos costes durante toda la vida útil del motor.
Los motores síncronos de reluctancia (SynRM) son una tercera opción. Los motores SynRM aprovechan la demostrada sencillez y fiabilidad de los motores de inducción y la mayor eficiencia de los motores de imanes permanentes, pero sin usar imanes de tierras raras. Esto es posible gracias al diseño del rotor del motor. Utilizando el estátor de un motor de inducción, el rotor se sustituye por un rotor diseñado especialmente que se alinea con el campo magnético del estátor. Igual que los motores de imanes permanentes, los motores SynRM también requieren el uso de un convertidor de velocidad variable para controlar el motor. El convertidor calcula el ángulo de desviación del campo magnético, dando como resultado el giro. En lo que respecta a los costes de la vida útil, los motores SynRM tienen el mismo mantenimiento que los motores de inducción y no requieren talleres certificados porque no usan imanes de tierras raras. Al no incorporar ningún imán de tierras raras se elimina la fluctuación del precio de compra del motor. Al no necesitar una corriente para magnetizar el rotor, este funciona a menor temperatura y ello significa que se transfiere menos calor al motor y a los rodamientos.
El diseño del rotor del SynRM de ABB se alinea con el campo magnético del estátor y el convertidor calcula un ángulo de desplazamiento para girar el eje.
La nueva norma EN 50598-2 define la clasificación IE para Módulos de convertidor completos (CDM), formados por el convertidor de velocidad variable y cualquier equipo auxiliar conectado al convertidor (chopper de frenado, filtro EMC, etc.). También define una clasificación IES (Eficiencia internacional de sistemas) de un Accionamiento eléctrico de potencia (PDS), que es la combinación del motor y el CDM. Es importante tener en cuenta que la clasificación IE de los CDM se determina para una frecuencia del 90% y una intensidad total del 100%. Esto es distinto del caso de los motores, donde la clasificación IE del motor se determina para una velocidad del motor del 100% y un par motor del 100%. Para obtener una clasificación IES no se pueden sumar una clase IE de CDM y una clase IE de motor.
Para obtener la clasificación IES, tanto el motor como el CDM deben considerarse en conjunto para los cálculos o las mediciones. De ello se encarga el fabricante de los motores o convertidores. Aquí la norma define que si un fabricante sólo produce el convertidor o el motor (no ambos), el fabricante deberá usar un modelo de referencia del motor o un modelo de referencia del CDM (como se define en EN 50598-2). En el caso de los fabricantes que producen tanto los convertidores como los motores, pueden determinar el IES sin utilizar modelos de referencia.
Además, para las clasificaciones IES y de CDM hay ocho puntos de funcionamiento definidos para los cuales se proporcionan valores de eficiencia. Estos valores pueden usarse para ayudar a calcular la eficiencia total de una máquina en distintos puntos de funcionamiento, para calcular los plazos de amortización e incluso para estimar posibles ahorros energéticos y reducciones de CO2. Esos puntos pueden incluso ayudar a dimensionar un sistema.
Las bombas son un excelente ejemplo práctico de esto. Las bombas normalmente se hacen funcionar en la zona de mayor eficiencia, con cargas parciales. Si un fabricante de bombas necesita proporcionar información de eficiencia para los sistemas de bombeo completos (motor, convertidor y bomba), el fabricante de bombas consultará la información de IE e IES a los fabricantes de convertidores y motores. Si los productos provienen del mismo fabricante, ese fabricante podría proporcionar el IES directamente.
ABB es el primer fabricante que ofrece valores de eficiencia del conjunto verificados según EN 50598-2 para sus conjuntos de motor SynRM y convertidor IE4. Además de los ocho puntos definidos en la norma, también proporcionamos ocho puntos adicionales, para un total de 16. Los valores de carga parciales en estas declaraciones ayudaron a Kolmeks a tomar su decisión de seleccionar la solución de ABB. En palabras de Jori Suokorte: “Una cosa que he notado en los motores SynRM es que está disponible la carga parcial con una eficiencia muy alta, y eso es lo que nos interesa a los fabricantes de bombas, porque muchas veces, casi siempre, la eficiencia con carga parcial es mucho más importante que la eficiencia con carga máxima”. Y continúa: “Esto se debe a que, cuando se está usando un convertidor para el control de velocidad las bombas funcionan con baja potencia, y cuando se tiene una buena eficiencia en esa posición, se consigue un coste muy bajo durante todo el ciclo de vida”. Según Suokorte “la alta eficiencia es el motivo principal por el cual seleccionamos motores SynRM, porque hoy día todos los clientes exigen alta eficiencia y bajos costes durante el ciclo de vida. Esta es la primera y principal razón por la cual estamos interesados en los motores SynRM”.
El fabricante de bombas finlandés Kolmeks ahora ofrece bombas con un conjunto de motor SynRM y convertidor IE4 de ABB para satisfacer los crecientes requisitos de eficiencia energética de los clientes.
El potencial de ahorro que ofrecen los conjuntos SynRM de ABB no sólo se limita a aplicaciones con ventiladores y bombas, también son excelentes soluciones para compresores y todo tipo de usos industriales, especialmente para aplicaciones de par constante.
Una aplicación de par constante es la extrusión. Los fabricantes buscan modos de ahorrar energía sin tener que cambiar el diseño de los equipos existentes. En Nottinghamshire (Reino Unido), Synseal Extrusions sustituyó un servomotor de una extrusora de 20 años por un conjunto de motor SynRM y convertidor de ABB. En esta aplicación de par constante, la actualización reduce un 20% los costes de funcionamiento de la extrusora, un ahorro de unos 1200 dólares al año, sólo por esa máquina. Las mismas ventajas están disponibles para otros procesos de par constante, como los de las máquinas trefiladoras.
Los conjuntos de motor SynRM y convertidor se usan en aplicaciones tanto de par constante (como extrusión) como de par cuadrático como bombas, ventiladores y compresores.
La mayor eficiencia de los motores y convertidores actuales ofrece muchas opciones a los fabricantes de máquinas. Encontrar la solución que proporcione la eficiencia necesaria a la vez que se mantienen bajos los costes durante toda la vida útil beneficia tanto al fabricante de máquinas como a sus clientes. Las incipientes normativas y reglamentaciones de Diseño ecológico de la UE seguirán insistiendo en una mayor eficiencia, y en ABB seguiremos ofreciendo soluciones que le servirán hoy y en el futuro.