Un motor eficient és aquell que transforma pràcticament tota l’energia elèctrica que consumeix en energia mecànica útil.

Durant la seva vida útil un motor elèctric gasta quan funciona cent vegades més del que va costar quan es va comprar. Si s’adquireixen motors d’alta eficiència es pot pagar molt menys a causa del menor cost de l’energia consumida, amb què s’estalvien diners i es protegeix el medi ambient.

2.1 Polítiques energètiques

A nivell mundial existeixen diferents tipus de normes aplicables als motors, que depenen del país on es comercialitzen.

Als Estats Units, el Departament d’Energia (DOE) va promulgar la Llei EPact que obliga que, a partir del 24 d’octubre de 1997, els motors que es comercialitzin en aquest país compleixin les normes NEMA o Mètrics i tinguin un rendiment mínim en funció de la potència i la polaritat.

En aquestes lleis s’estableixen uns logotips que indiquen quines normes compleix el motor.

• C: el motor compleix les normes de Canadà CSA.
• URUS: el motor compleix la UL dels EUA.
• ENERGY: es compleixen els rendiments mínims indicats a l’Energy Efficiency de la Llei EPact.

A Europa existeix un acord entre els fabricants i la Direcció General d’Energia, que estableix al seu torn uns logotips que indiquen el rendiment del motor.

• EFF1: motors d’alt rendiment.
• EFF2: motors de rendiment millorat.
• EFF3: motors de baix rendiment.

La distribució de les tres classes de rendiments és la següent:

2.2 Fonaments tècnics dels valors d’eficiència

La classificació de l’eficiència proporciona a l’usuari una eina senzilla per optimitzar la compra del motor.

2.3 Determinació del rendiment

El rendiment d’un motor es defineix com la potència mecànica que s’obté per unitat de potència absorbida.

Si es fa una gràfica comparativa dels diferents mètodes per a motors de 4 pols de 15 kW tenim:

Els motors elèctrics efectuen la transformació de l’energia elèctrica rebuda de la xarxa en energia mecànica al seu eix.

• Estator fix: part fixa del motor.
• Rotor mòbil: part mòbil del motor.
• Entreferro: és l’espai comprès entre el rotor i l’estator.

Tipus de motors

• Motor de corrent contínua: el rotor s’alimenta amb corrent contínua, a través del col·lector de delgues i de les escombretes.
• Motor asíncron: és un motor de corrent altern i basa el seu funcionament en la creació d’un camp magnètic giratori a l’entreferro. Segons quina sigui la constitució del rotor, es distingeixen dos tipus de motors:
  • Rotor en curtcircuit o gàbia d’esquirol: el rotor està format per un conjunt de barres conductores de coure o d’alumini unides en els extrems per anells.
  • Rotor bobinat: el rotor està format per un debanat introduït a les ranures, similar al de l’estator.
• Motor síncron: és un tipus de motor de corrent trifàsica. La seva característica principal és la de girar a velocitat constant i igual a la velocitat de sincronisme.

4.1 Motor EFF1

Com a mitjana, un motor EFF1 redueix les pèrdues d’energia per sobre del 40%. Això significa que, en el cas d’un gran nombre d’hores d’utilització, per exemple 6.000 h/any, en un motor de 15 kW, es podran estalviar més de 4 MWh l’any o més de 400 € de la factura d’electricitat (considerant 0,10 €/kWh).

Normalment, la millor qualitat dels materials incrementa la vida útil del motor.

El preu superior de compra d’un motor EFF1 es recupera a curt termini, comparat amb la vida útil del motor elèctric.

4.2 Motor EFF2

Un motor EFF2 redueix les pèrdues d’energia fins a un 20%, el què significa que en el cas d'una utilització de 2.000 h/any, un motor de 15 kW, pot estalviar 0,6 MWh l’any amb un cost addicional mínim.

La classe EFF2 garanteix una eficiència satisfactòria amb un sobrecost mínim.

4.3 Motor EFF3

En general, els motors de la classe EFF3 presenten una eficiència molt baixa i representen una inversió antieconòmica en la majoria de les situacions i, per tant, no són recomanables.

Motor EFF1

Els motors d’alta eficiència s’utilitzen principalment:

• En instal·lacions noves.
• Quan es realitzin modificacions més grans en processos existents.
• Per substituir motors que han fallat.
• En motors estàndard que operen sobrecarregats o amb baixa càrrega.
• En l’adquisició d’equips nous com: compressors, sistemes de bombament, etc.
• Quan es vulguin reduir els costos d’operació per l’estalvi del consum d’energia elèctrica i de la demanda màxima.

6.1 Millores energètiques

Un motor s’ha de fer servir sempre per a la potència d’accionament per a la qual s’ha dissenyat; en cas contrari, no treballarà en el seu punt de rendiment òptim.

Les pèrdues d’un motor es poden dividir en:

Pèrdues per efecte Joule a l’estator (VCu1): són les pèrdues originades per la circulació de corrents pels debanats estatòrics per efecte Joule. Per al càlcul d’aquestes pèrdues s’ha de considerar la configuració dels debanats.

Pèrdues magnètiques (Vfe): Les pèrdues en el ferro s’originen per dues causes:

• Per la histèresi produïda en els materials magnètics sotmesos a remagnetització (total o parcial) bé per variació del flux o bé per rotació en un camp variable: P_his.
• Per l’aparició dins de la massa de l’acer de fems que donen origen a uns corrents anomenats de Foucault: P_f. Les pèrdues totals en el ferro són la suma de les que s’han esmentat anteriorment: P_H = P_his + P_f

Pèrdues per efecte Joule al rotor (VCu): Les pèrdues en el circuit d’induït s’originen pel pas dels corrents pels debanats de l’induït i pels elements connectats en sèrie amb el debanat d’induït (pols auxiliars, debanat de compensació, etc.). El càlcul d’aquestes pèrdues es realitza després de conèixer la configuració dels debanats.

Pèrdues per ventilació (Vr ventilació): pèrdues mecàniques.

Pèrdues per frec (Vr frec): pèrdues mecàniques.

Pèrdues addicionals (Vad): Les pèrdues addicionals es produeixen com a conseqüència dels processos electromagnètics secundaris de caràcter no desitjat però inevitable i afecten tant el coure com el ferro i es manifesten com: corrents paràsits a causa dels camps de dispersió en els enrotllaments i en les peces metàl·liques massisses, pèrdues superficials en el ferro, pèrdues polsants a les dents, etc.

Es poden dividir en dos tipus:

• Pèrdues constants o de buit..
• Pèrdues que depenen de la càrrega de la màquina.

Per a un motor de 18,5 kW i 1500 min-¹, el percentatge de distribució de pèrdues és el següent:

Les millores energètiques que es poden dur a terme per reduir aquestes pèrdues són:

Pèrdues per efecte Joule a l’estator:

• Augmenteu la quantitat de coure.
• Mida més gran de ranura.
• Disminuïu el cap de bobina.

Pèrdues magnètiques:

• Milloreu la qualitat de la xapa.
• Disminuïu el gruix de les xapes.
• Milloreu els processos de fabricació.
• Augment de l’entreferro.
• Milloreu el factor de bobinatge.

Pèrdues per efecte Joule al rotor:

• Augmenteu la inducció a l’entreferro.
• Augmenteu la mida de les barres.
• Augmenteu la conductivitat de les barres.

Pèrdues per ventilació:

• Ventiladors més eficients.

Pèrdues per frec:

• Frecs de baix nivell de pèrdues.

Pèrdues addicionals:

• Corrents transversals.
• Corrents circulars estator.
• Pèrdues harmòniques en el rotor a la càrrega.

6.2 Millores pràctiques recomanades

Eviteu l’arrencada i l’operació simultània de motors, sobretot els de capacitat mitjana i gran, per disminuir el valor màxim de la demanda.

Eviteu l’operació en buit dels motors.

Verifiqueu periòdicament l’alineació del motor amb la càrrega impulsada. Una alineació defectuosa pot incrementar les pèrdues per frec i, en cas extrem, ocasionar danys més greus en el motor i la càrrega.

Corregiu la caiguda de tensió en els alimentadors. Una tensió reduïda en els terminals del motor genera un increment del corrent, sobreescalfament i disminució de l’eficiència. Les normes permeten una caiguda de tensió del 5%. Per aquest motiu utilitzeu conductors correctament dimensionats.

Equilibreu la tensió d’alimentació en els motors trifàsics de corrent altern. El desequilibri entre fases no ha d’excedir en cap cas el 5%, però com més petit sigui el desequilibri, més eficientment funcionaran els motors.

Manteniu ben ajustat i en òptimes condicions l’interruptor d’arrencada dels motors monofàsics de fase partida. El mal funcionament d’aquest accessori que es fa servir per desconnectar el debanat d’arrencada (i el condensador en els motors d’arrencada per condensador) provoca un sobreescalfament en els conductors i ocasiona pèrdues d’energia significatives i, en cas extrem, la fallada del motor.

Utilitzeu arrencadors amb tensió reduïda en els motors que realitzen un gran nombre d’arrencades. D’aquesta manera s’evita un escalfament excessiu en els conductors i s’aconsegueixen disminuir les pèrdues durant l’acceleració.

Substituïu, en els motors de rotor debanat, els reguladors amb resistències per al control de la velocitat per reguladors electrònics més eficients, perquè les resistències arriben a consumir fins a un 20% de la potència que el motor pren de la xarxa.

Instal·leu equips de control de la temperatura de l’oli de lubricació de coixinets de motors de gran capacitat per tal de minimitzar les pèrdues per fricció i elevar l’eficiència.

No es recomana rebobinar els motors més de 2 vegades, perquè poden variar les característiques de disseny del motor, fet que incrementaria les pèrdues d’energia.

Una manera ràpida de calcular l’estalvi monetari d’aquests motors seria:

On:

• h = temps d’utilització anual (en hores).
• kW = potència del motor (en kW).
• %Pot = fracció de plena càrrega a la qual treballa el motor.
• €/kWh = cost de l’electricitat (en €/kWh).
• n_std = eficiència d’un motor estàndard (EFF3).
• n_HEM = eficiència d’un motor d’alta eficiència.

Si no es coneix l’eficiència del motor existent en l’actualitat, una estimació raonable serà suposar una eficiència energètica en el límit entre les classes EFF2 i EFF3 per a un motor que mai no s’ha reparat.

Si el motor s’ha reparat, s’ha de considerar una pèrdua addicional d’eficiència del 0,5% per cada reparació.

Si s’opera per sota del 100% de la càrrega s’utilitzaran els valors d’eficiència per a càrregues parcials. Els fabricants presenten en els fullets els valors de l’eficiència per al 75% i el 50% de la plena càrrega.

Exemple pràctic

Un motor de 4 pols i 15 kW, que acciona una bomba impulsora d’aigua de refrigeració, que treballa a plena càrrega 6.000 h/any. Se suposa que el cost de l’electricitat és de 0,10 €/kWh.

Els motors EFF1 i estàndard presenten una eficiència del 91,8% i del 88,2% respectivament.

Estalvi anual = 6000 • 15 • 100% • 0.10 • (1 / 88.2 – 1 / 91.8)

Estalvi anual d’energia = 400€

Informació complementària: Vegeu Catàleg motors elèctrics.