Pérdidas de hierro en el motor de inducción
Cuando los propietarios de las plantas de fabricación y los gestores de las instalaciones buscan formas de reducir el consumo de energía, suelen ver la iluminación como la principal oportunidad, por lo que es la primera mejora que realizan. En realidad, el porcentaje de energía total que se utiliza en una planta para la iluminación es mucho menor que el que se emplea para alimentar los equipos y la maquinaria.
En los entornos industriales, los sistemas accionados por motor utilizan entre el 60% y el 90% de la energía total. El precio de compra de un motor eléctrico es sólo un 2 por ciento del coste de la vida útil (véase la figura 1). Casi el 98% del coste de la vida útil procede del coste de la electricidad que utiliza el motor. Para ponerlo en perspectiva, el precio de compra de un motor eléctrico equivale al coste de la electricidad para hacer funcionar ese motor de forma continua durante aproximadamente un mes.
La eficiencia energética se basa en las pérdidas que se producen en el interior del motor durante la conversión de energía eléctrica en mecánica (véase la figura 2). La principal pérdida es la de la resistencia del estator (I2R del estator), que es el producto del cuadrado de la corriente multiplicado por la resistencia del devanado del estator. El rotor también experimenta pérdidas I2R en las barras del rotor de jaula de ardilla, denominadas pérdidas de resistencia del rotor (I2R del rotor). También se producen pérdidas en el núcleo, que se originan en el acero laminado. Las pérdidas en el núcleo incluyen las pérdidas por histéresis, que resultan de la reorientación del campo magnético dentro del acero de las láminas del motor, y las pérdidas por corrientes parásitas que resultan de las corrientes eléctricas producidas entre las láminas debido a la presencia de un campo magnético cambiante.
Pérdidas del motor de inducción
Un generador de corriente continua convierte la potencia mecánica en eléctrica y un motor de corriente continua convierte la potencia eléctrica en mecánica. Así, en un generador de corriente continua, la potencia de entrada es mecánica y la de salida eléctrica. Por otro lado, en un motor de corriente continua, la potencia de entrada es eléctrica y la de salida es mecánica. En una máquina práctica, toda la potencia de entrada no se puede convertir en potencia de salida, ya que se pierde algo de potencia en el proceso de conversión. Esto hace que la eficiencia de la máquina se reduzca. La eficiencia es la relación entre la potencia de salida y la potencia de entrada. Por lo tanto, para diseñar máquinas rotativas de CC (o cualquier máquina eléctrica) con mayor eficiencia, es importante estudiar las pérdidas que se producen en ellas. Las distintas pérdidas en una máquina de corriente continua rotativa (generador de corriente continua o motor de corriente continua) pueden caracterizarse como sigue:
Como el núcleo de la armadura está hecho de hierro y gira en un campo magnético, se induce una pequeña corriente en el propio núcleo. Debido a esta corriente, se producen pérdidas por corrientes parásitas y pérdidas por histéresis en el núcleo de hierro del inducido. Las pérdidas en el hierro también se denominan pérdidas en el núcleo o pérdidas magnéticas.
Pérdidas por fricción motor eléctrico
La eficiencia anunciada de los motores es un tema importante en el mercado. La eficiencia del motor es una relación de lo bien que el motor convierte la energía eléctrica en energía mecánica y se calcula dividiendo la potencia que entra en el motor por la potencia que sale de él. Entender las pérdidas de eficiencia del motor es importante porque las unidades menos eficientes conllevan mayores costes de funcionamiento a lo largo de la vida del motor.
Entonces, ¿qué ocurre con la energía que no se convierte en energía mecánica? La Ley de Conservación de la Energía dice que la energía no puede crearse ni destruirse, pero puede cambiar de forma. La diferencia entre la potencia de entrada y la de salida, a menudo denominada pérdida de vatios, se convierte en calor. De esto se pueden extraer varias conclusiones. Un motor más eficiente costará menos de operar. Podría funcionar más frío o podría convertir más potencia por volumen que un motor de tamaño similar.
Estas pérdidas se atribuyen a la fuerza que se necesita para superar la resistencia asociada a la rotación del rotor o el inducido del motor. Ejemplos de pérdidas por fricción son el rozamiento de los rodamientos, los casquillos o las escobillas en un motor de corriente continua de tipo universal o con escobillas. En general, las pérdidas por fricción son proporcionales a la velocidad del rotor.
Pérdidas en máquinas eléctricas
Las pérdidas en el núcleo se producen en el núcleo del estator y en el núcleo del rotor. También se denominan pérdidas en el hierro. Estas pérdidas incluyen las pérdidas por corrientes parásitas y las pérdidas por histéresis. Las pérdidas por corrientes parásitas se minimizan utilizando una construcción laminada, mientras que las pérdidas por histéresis se minimizan seleccionando acero al silicio de alta calidad como material para el estator y el rotor.
Las pérdidas en el hierro dependen de la frecuencia. La frecuencia del estator es siempre la frecuencia de alimentación, por lo que las pérdidas en el hierro del estator son dominantes. Por el contrario, en el circuito del rotor, la frecuencia es muy pequeña, es decir, se desliza por la frecuencia de alimentación. Por lo tanto, las pérdidas en el hierro del rotor son muy pequeñas y generalmente no se tienen en cuenta en las condiciones de funcionamiento.
Las pérdidas mecánicas incluyen las pérdidas por fricción en los rodamientos y las pérdidas en los bobinados. La fricción cambia con la velocidad, pero prácticamente la caída de la velocidad es muy pequeña, por lo que se supone que estas pérdidas forman parte de las pérdidas constantes.