En los motores que ahorran energía, debido a un aumento en la masa de materiales activos (hierro y cobre), aumentan los valores nominales de eficiencia y cosj. En EE.UU. se utilizan, por ejemplo, motores de bajo consumo que funcionan con carga constante. La viabilidad de utilizar motores que ahorran energía debe evaluarse teniendo en cuenta los costos adicionales, ya que se logra un pequeño aumento (hasta un 5%) en la eficiencia nominal y cosj aumentando la masa de hierro en un 30-35%, la de cobre en un 20- 25%, aluminio entre 10-15%, t .e. aumento del coste del motor en un 30-40%.
En la figura se muestran las dependencias aproximadas de la eficiencia (h) y cos j de la potencia nominal para motores convencionales y de bajo consumo de Gould (EE. UU.).
El aumento de la eficiencia de los motores eléctricos que ahorran energía se logra mediante los siguientes cambios de diseño:
· los núcleos son alargados, ensamblados a partir de placas individuales de acero eléctrico con bajas pérdidas. Estos núcleos reducen la inducción magnética, es decir. pérdidas de acero.
· Las pérdidas en el cobre se reducen gracias al uso máximo de ranuras y al uso de conductores de mayor sección transversal en el estator y el rotor.
· Las pérdidas adicionales se minimizan mediante una cuidadosa selección del número y la geometría de los dientes y ranuras.
· se genera menos calor durante el funcionamiento, lo que permite reducir la potencia y el tamaño del ventilador de refrigeración, lo que conduce a una disminución de las pérdidas del ventilador y, en consecuencia, a una disminución de las pérdidas generales de energía.
Los motores eléctricos con mayor eficiencia reducen los costos de energía al reducir las pérdidas en el motor eléctrico.
Las pruebas realizadas con tres motores eléctricos de “ahorro de energía” mostraron que a plena carga los ahorros logrados fueron: 3,3% para un motor eléctrico de 3 kW, 6% para un motor eléctrico de 7,5 kW y 4,5% para un motor eléctrico de 22 kW.
Los ahorros a plena carga son de aproximadamente 0,45 kW, para un costo de energía de $0,06/kW. h es $0,027/h. Esto equivale al 6% de los costos de operación del motor eléctrico.
El precio de lista de un motor eléctrico normal de 7,5 kW es de 171 dólares estadounidenses, mientras que el motor de alta eficiencia cuesta 296 dólares estadounidenses (una prima de precio de 125 dólares estadounidenses). La tabla muestra que el período de recuperación de la inversión de un motor de mayor eficiencia, calculado sobre la base de los costos marginales, es de aproximadamente 5000 horas, lo que equivale a 6,8 meses de funcionamiento del motor con carga nominal. Con cargas más bajas, el período de recuperación será un poco más largo.
Cuanto mayor sea la carga del motor y cuanto más cercano esté su modo de funcionamiento a la carga constante, mayor será la eficiencia del uso de motores que ahorran energía.
El uso y sustitución de motores por otros que ahorren energía debe evaluarse teniendo en cuenta todos los costes adicionales y su vida útil.
Alrededor del 60% de la electricidad consumida en la industria se gasta en accionamientos eléctricos de máquinas en funcionamiento. Al mismo tiempo, los principales consumidores de electricidad son los motores eléctricos de CA. Dependiendo de la estructura de producción y la naturaleza de los procesos tecnológicos, la proporción del consumo de energía de los motores asíncronos es del 50...80%, y de los motores síncronos del 6...8%. La eficiencia total de los motores eléctricos es de aproximadamente el 70%, por lo que su nivel de eficiencia energética juega un papel importante en la solución del problema del ahorro energético.
En el campo del desarrollo y producción de motores eléctricos, a partir del 1 de junio de 2012 se introdujo la norma nacional GOST R 54413-2011, basada en la norma internacional IEC 60034-30:2008 y que establece cuatro clases de eficiencia energética de motores: IE1 - normal (estándar), IE2 - aumentado, IE3 – premium, IE4 – super-premium. La norma prevé una transición gradual de la producción a clases de eficiencia energética más altas. A partir de enero de 2015, todos los motores eléctricos fabricados con una potencia de 0,75...7,5 kW deben tener una clase de eficiencia energética de al menos IE2, y de 7,5...375 kW, al menos IE3 o IE2 (con un convertidor de frecuencia obligatorio). Desde enero de 2017, todos los motores eléctricos fabricados con una potencia de 0,75...375 kW deben tener una clase de eficiencia energética de al menos IE3 o IE2 (permitida cuando se opera en un variador de frecuencia).
En los motores asíncronos, la mayor eficiencia energética se logra mediante:
El uso de nuevos grados de acero eléctrico con menores pérdidas específicas y menores espesores de láminas del núcleo.
Reducir el entrehierro entre el estator y el rotor y asegurar su uniformidad (ayuda a reducir el componente magnetizante de la corriente del devanado del estator, reduce la disipación diferencial y reduce las pérdidas eléctricas).
Reducir las cargas electromagnéticas, es decir. un aumento en la masa de materiales activos con una disminución en el número de vueltas y un aumento en la sección transversal del conductor del devanado (conduce a una disminución en la resistencia del devanado y las pérdidas eléctricas).
Optimización de la geometría de la zona del diente, uso de modernos aislamientos y barnices de impregnación, nuevas marcas de alambre de bobinado (aumenta el coeficiente de llenado de ranuras con cobre a 0,78...0,85 en lugar de 0,72...0,75 en los motores eléctricos estándar de eficiencia energética ). Conduce a una reducción de la resistencia del devanado y de las pérdidas eléctricas.
El uso de cobre para la fabricación de devanados de rotor en cortocircuito en lugar de aluminio (conduce a una reducción de la resistencia eléctrica del devanado del rotor en un 33% y la correspondiente reducción de las pérdidas eléctricas).
El uso de rodamientos de alta calidad y lubricantes estables de baja viscosidad, mueve los rodamientos fuera del protector del rodamiento (mejora el flujo de aire y la transferencia de calor del rodamiento, reduce los niveles de ruido y las pérdidas mecánicas).
Optimización del diseño y rendimiento de la unidad de ventilación, teniendo en cuenta un menor calentamiento de los motores eléctricos con mayor eficiencia energética (reduce los niveles de ruido y pérdidas mecánicas).
El uso de una clase de aislamiento F de resistencia al calor más alta, al tiempo que garantiza el sobrecalentamiento según la clase B (le permite evitar la sobrecarga de energía en el variador con sobrecargas sistemáticas de hasta el 15%, operar motores en redes con fluctuaciones de voltaje significativas, así como a temperaturas ambiente elevadas sin reducir la carga).
Teniendo en cuenta la posibilidad de trabajar con un convertidor de frecuencia a la hora de diseñar.
La producción en serie de motores energéticamente eficientes está a cargo de empresas tan conocidas como Siemens, WEG, General electric, SEW Eurodrive, ABB, Baldor, MGE-Motor, Grundfos, ATB Brook Crompton. Un gran fabricante nacional es la empresa rusa de ingeniería eléctrica RUSELPROM.
El mayor aumento de la eficiencia energética se puede lograr en motores síncronos con imanes permanentes, lo que se explica por la ausencia de pérdidas principales en el rotor y el uso de imanes de alta energía. En el rotor, debido a la ausencia de un devanado de excitación, solo se liberan pérdidas adicionales debido a armónicos más altos en el núcleo del rotor, imanes permanentes y devanados de arranque en cortocircuito. Para la fabricación de imanes de rotor permanente se utiliza una aleación de alta energía a base de neodimio NdFeB, cuyos parámetros magnéticos son 10 veces superiores a los de los imanes de ferrita, lo que proporciona un aumento significativo de la eficiencia. Se sabe que la eficiencia de la mayoría de los motores síncronos de imanes permanentes corresponde a la clase de eficiencia energética IE3 y, en algunos casos, supera la IE4.
Las desventajas de los motores síncronos de imanes permanentes incluyen: una disminución de la eficiencia con el tiempo debido a la degradación natural de los imanes permanentes y su alto costo.
La vida útil de los imanes permanentes es de 15...30 años, sin embargo, las vibraciones, la tendencia a la corrosión con alta humedad y la desmagnetización a temperaturas de 150° C y superiores (según la marca) pueden reducirla a 3...5 años.
El mayor productor y exportador de metales de tierras raras (REM) es China, que posee el 48% de los recursos mundiales y cubre el 95% de las necesidades mundiales. En los últimos años, China ha limitado significativamente la exportación de metales de tierras raras, creando escasez en el mercado mundial y manteniendo precios altos. Rusia posee el 20% de los recursos de metales de tierras raras del mundo, pero su producción representa sólo el 2% de la producción mundial y la producción de productos de metales de tierras raras es menos del 1%. Por tanto, los precios de los imanes permanentes serán elevados en los próximos años, lo que afectará al coste de los motores síncronos de imanes permanentes.
Se está trabajando para reducir el coste de los imanes permanentes. El Instituto Nacional de Ciencia de Materiales NIMS (Japón) ha desarrollado una marca de imanes permanentes basados en neodimio NdFe12N con un menor contenido de neodimio (17% en lugar del 27% en NdFe12B), mejores propiedades magnéticas y una alta temperatura de desmagnetización de 200°C. Se están trabajando en la creación de imanes permanentes sin metales de tierras raras a base de hierro y manganeso, que tienen mejores características que los metales de tierras raras y no se desmagnetizan a altas temperaturas.
Los motores síncronos de imanes permanentes con clase de eficiencia energética IE4 son fabricados por: WEG, Baldor, Marathon Electric, Nova Torque, Grundfos, SEW Eurodrive, WEM Motors, Bauer Gear Motor, Leroy Somer, Mitsubishi Electric, Hitachi, Lafert Motors, Lönne, Hiosung, Tecnología de generadores de motores, Hannig Electro-Werke, Yaskawa.
Las modernas series de motores eléctricos están adaptadas para funcionar con convertidores de frecuencia y tienen las siguientes características de diseño: cable de bobinado con aislamiento de bobina de dos capas resistente al calor; materiales aislantes diseñados para tensiones de hasta 2,2 de la tensión nominal; simetría eléctrica, magnética y geométrica del motor eléctrico; cojinetes aislados y perno de conexión a tierra adicional en la carcasa; ventilación forzada con un rango de control profundo; Instalación de filtros sinusoidales de alta frecuencia.
Fabricantes como Grundfos, Lafert Motors y SEW Eurodrive, muy conocidos en el mercado, producen motores eléctricos integrados con convertidores de frecuencia para aumentar la compacidad y reducir el tamaño de los variadores de frecuencia.
El coste de los motores eléctricos energéticamente eficientes es 1,2...2 veces mayor que el coste de un motor eléctrico estándar energéticamente eficiente, por lo que el período de recuperación de los costes adicionales es de 2...3 años, dependiendo del tiempo medio de funcionamiento anual. .
Bibliografía
1. GOST R 54413-2011 Máquinas eléctricas rotativas. Parte 30. Clases de eficiencia energética de motores asíncronos trifásicos de jaula de ardilla de una velocidad (código IE).
2. Safonov A.S. Principales medidas para mejorar la eficiencia energética de los equipos eléctricos del complejo agroindustrial // Tractores y maquinaria agrícola. No. 6, 2014. p. 48-51.
3. Safonov A.S. Aplicación de motores eléctricos energéticamente eficientes en la agricultura // Actas de la II Conferencia Científica y Práctica Internacional “Temas actuales de la ciencia y la tecnología”, número II. Rusia, Samara, 7 de abril de 2015. ICRON, 2015, págs. 157-159.
4. Norma IEC 60034-30:2008 Máquinas eléctricas rotativas. Parte 30. Clases de eficiencia de motores asíncronos trifásicos de jaula de ardilla de una velocidad (código IE).
5. Shumov Yu.N., Safonov A.S. Motores asíncronos energéticamente eficientes con devanado de rotor de cobre fundido bajo presión (revisión de publicaciones extranjeras) // Electricidad. No. 8, 2014. p. 56-61.
6. Shumov Yu.N., Safonov A.S. Máquinas eléctricas energéticamente eficientes (revisión de desarrollos extranjeros) // Electricidad. No. 4, 2015. pág. 45-47.
Motores ahorradores de energía
Soluciones inteligentes para ahorrar energía
Los motores Siemens de bajo consumo están disponibles en las clases de eficiencia “EFF1” y “EFF2” según CEMEP.
- Número de polos 2 y 4
- Rango de potencia 1,1...90 kW
- Versión de 50 Hz según IEC 34-2
- EFF1 (Motores de alta eficiencia)
- EFF2 (Motores de eficiencia mejorada)
Para reducir las emisiones de CO 2, los fabricantes de motores se han comprometido a etiquetar los motores según sus clases de eficiencia.
EPACT – motores para el mercado americano
Amplia gama de motores EPACT con dimensiones IEC
- Número de polos: 2,4 y 6
- Rango de potencia: 1 HP a 200 HP (0,75 kW a 150 kW)
- Versión de 60 Hz en IEEE 112b
De acuerdo con la Ley EPACT de octubre de 97, la eficiencia de los motores importados directamente o de otro modo a los Estados Unidos debe cumplir con valores mínimos de eficiencia.
Beneficios para el cliente y el medio ambiente
Los motores que ahorran energía y tienen una eficiencia óptima consumen menos energía con la misma potencia de salida. El aumento de la productividad se consigue mediante una mayor calidad del hierro (fundición, cobre y aluminio) y mejoras técnicas en cada detalle. Las pérdidas de energía se reducen en un 45%. El comprador obtiene enormes ahorros de costos al minimizar los costos operativos.
Al utilizar motores que ahorran energía, se reduce el daño causado al medio ambiente. El potencial de ahorro energético es de hasta 20 TW al año, lo que equivale a la potencia de 8 centrales térmicas y a la emisión de 11 millones de toneladas de dióxido de carbono a la atmósfera.
Los motores eléctricos se encuentran entre los principales consumidores de recursos energéticos. Una de las formas de aumentar la eficiencia de los motores eléctricos es sustituir el antiguo parque de máquinas eléctricas por nuevas modificaciones con características mejoradas de ahorro de energía. Se trata de los llamados motores de alto rendimiento o de bajo consumo energético.
Un motor energéticamente eficiente es aquel en el que la eficiencia, el factor de potencia y la confiabilidad aumentan mediante un enfoque sistemático de diseño, fabricación y operación.
Los motores energéticamente eficientes con clase de eficiencia IE2 son motores eléctricos que son más eficientes que los motores estándar de clase IE1, lo que significa un consumo de energía reducido con el mismo nivel de potencia de carga.
Además de ahorrar consumo energético, el cambio al uso de motores eléctricos clase IE2 permite:
- aumentar la vida útil del motor y equipos relacionados;
- aumentar la eficiencia del motor entre un 2 y un 5%;
- mejorar el factor de potencia;
- mejorar la capacidad de sobrecarga;
- reducir los costos de mantenimiento y el tiempo de inactividad;
- aumentar la resistencia del motor a cargas térmicas y violaciones de las condiciones de operación;
- Reduzca la carga del personal operativo gracias a su funcionamiento prácticamente silencioso.
Los motores eléctricos asíncronos con rotor de jaula de ardilla constituyen actualmente una parte importante de todas las máquinas eléctricas; más del 50% de la electricidad consumida proviene de ellos. Es casi imposible encontrar un área donde se utilicen: accionamientos eléctricos de equipos industriales, bombas, equipos de ventilación y mucho más. Además, tanto el volumen del parque tecnológico como la potencia de los motores crecen constantemente.
Los motores ENERAL energéticamente eficientes de la serie AIR...E están diseñados estructuralmente como motores asíncronos trifásicos de una velocidad con rotor de jaula de ardilla y cumplen con GOST R51689-2000.
El motor energéticamente eficiente de la serie AIR…E ha aumentado su eficiencia gracias a las siguientes mejoras del sistema:
1. Se ha aumentado la masa de materiales activos (devanado del estator de cobre y acero laminado en frío en los paquetes del estator y del rotor);
2. Se utilizan aceros eléctricos con propiedades magnéticas mejoradas y pérdidas magnéticas reducidas;
3. Se ha optimizado la zona diente-ranura del núcleo magnético y el diseño de los devanados;
4. Se utiliza aislamiento con mayor conductividad térmica y resistencia eléctrica;
5. Se ha reducido el entrehierro entre el rotor y el estator mediante equipos de alta tecnología;
6. Se utiliza un diseño de ventilador especial para reducir las pérdidas de ventilación;
7. Se utilizan rodamientos y lubricantes de mayor calidad.
Las nuevas propiedades de consumo del motor energéticamente eficiente de la serie AIR...E se basan en mejoras de diseño, en las que se presta especial atención a la protección contra condiciones adversas y a una mayor estanqueidad.
Así, las características de diseño de la serie AIR…E permiten minimizar las pérdidas en los devanados del estator. Debido a la baja temperatura del devanado del motor, también se prolonga la vida útil del aislamiento.
Se logra un efecto adicional al reducir la fricción y la vibración y, por lo tanto, el sobrecalentamiento, gracias al uso de lubricantes y cojinetes de alta calidad, incluido un bloqueo de cojinete más ajustado.
Otro aspecto asociado con una temperatura más baja del motor en funcionamiento es la capacidad de operar a temperaturas ambiente más altas o la capacidad de reducir los costos asociados con el enfriamiento externo del motor en funcionamiento. Esto también conduce a menores costos de energía.
Una de las ventajas importantes del nuevo motor energéticamente eficiente es la reducción del nivel de ruido. Los motores eléctricos de clase IE2 utilizan ventiladores menos potentes y más silenciosos, lo que también contribuye a mejorar las propiedades aerodinámicas y reducir las pérdidas por ventilación.
Minimización de costos de capital y operación. son requisitos clave para los motores eléctricos industriales energéticamente eficientes. Como muestra la práctica, el período de compensación por diferencias de precio al comprar motores eléctricos asíncronos más avanzados de clase IE2 es de hasta 6 meses solo debido a los menores costos operativos y al menor consumo de electricidad.
AIRE 132M6E (IE2) P2=7,5 kW; Eficiencia=88,5%; In=16,3A; cosφ=0,78AIR132M6 (IE1) P2=7,5kW; Eficiencia=86,1%; En=17,0A; cosφ=0,77
El consumo de energía: P1=P2/eficiencia
Característica de carga: 16 horas por día = 5840 horas al año
Ahorro anual en costos de energía: 1400 kW/hora
Al cambiar a nuevos motores energéticamente eficientes, se tiene en cuenta lo siguiente:
- Mayores requisitos para los aspectos medioambientales.
- Requisitos para el nivel de eficiencia energética y características de rendimiento de los productos.
- La clase de eficiencia energética IE2, junto con el potencial de ahorro, actúa como un "sello de calidad" unificado para el consumidor.
- incentivo financiero: oportunidad de reducir el consumo de energía y los costos operativos soluciones integradas: motor energéticamente eficiente + sistema de control eficiente (variador) + sistema de protección efectivo = mejor resultado.
Por tanto, los motores energéticamente eficientes– estos son motores de mayor confiabilidad para empresas enfocadas en tecnologías de ahorro de energía.
Los indicadores de eficiencia energética de los motores eléctricos AIR...E fabricados por ENERAL cumplen con GOST R51677-2000 y la norma internacional IEC 60034-30 para la clase de eficiencia energética IE2.
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