En este articulo mostramos de forma básica la definición de eficiencia eléctrica para motores, ademas de la formula que se debe emplear para calcularla, un ejemplo de calculo y los valores típicos de eficiencia para diferentes tamaños de motores.
Que es la eficiencia de un motor eléctrico
La eficiencia del motor eléctrico es la relación entre la potencia de salida (mecánica) y la potencia de entrada (eléctrica).
La salida de potencia mecánica se calcula en base al par y la velocidad requerida (es decir, la potencia requerida para mover el objeto conectado al motor) y la entrada de energía eléctrica se calcula en base al voltaje y la corriente suministrados al motor.
La salida de potencia mecánica es siempre inferior a la entrada de energía eléctrica, ya que la energía se pierde durante la conversión (eléctrica a mecánica) en diversas formas, como el calor y la fricción.
El diseño de un motor eléctrico tiene como objetivo minimizar estas pérdidas para mejorar la eficiencia.
La mayoría de los motores eléctricos están diseñados para funcionar entre el 50% y el 100% de la carga nominal. La eficiencia máxima suele estar cerca del 75% de la carga nominal.
Así, un motor de 10 caballos de fuerza (hp) tiene la eficiencia máxima a 7,5 hp. La eficiencia de un motor tiende a disminuir drásticamente por debajo del 50% de carga. Sin embargo, el rango de buena eficiencia varía con los motores individuales y tiende a extenderse en un rango más amplio para motores más grandes, como se muestra en la Figura 1.
Un motor se considera cargado cuando está en el rango donde la eficiencia disminuye significativamente con la disminución de la carga. Los motores sobrecargados pueden sobrecalentarse y perder eficiencia.
Formulas de eficiencia para motores
Formula eficiencia motor D.C (Corriente directa):
Formula eficiencia motor Monofásico A.C (Corriente Alterna):
Formula eficiencia motor Bifásico A.C (Corriente Alterna):
Formula eficiencia motor Trifasico A.C (Corriente Alterna):
Ejemplo de calculo de eficiencia para un motor eléctrico trifasico
Ejemplo de calculo de eficiencia para un motor eléctrico trifasicoSe desea calcular la eficiencia de un motor eléctrico de 20hp, con un voltaje de conexión de 480Volt, f.p=0,86 y I=23,4A
Aplicando la formula obtenemos: Ef=(20hpx746)/(√3x480Vx0,86×23,4A)=0,89, lo multiplicamos por 100 y nos da el resultado en porcentaje, osea una eficiencia del 89%.
Factor de potencia y eficiencia de los motores
El Factor de potencia, a menudo es discutido como una medida de reducción de costos de energía, sabiendo que este no es una verdadera medida de ahorro de energía.
Mejorar el F.P puede reducir los costos de energía si el usuario final está sujeto a cargos de utilizacion de F.P. Los usuarios con tarifas de servicios eléctricos basados solo en el uso de energía, sin cargos por demanda (como usuarios residenciales y comerciales pequeños), típicamente no se beneficiarán de las medidas de corrección del Factor de potencia.
La corrección de F.P del usuario final se aplica principalmente para evitar las cargas de servicios eléctricos con un F.P bajo comúnmente inferior a 0,9 y para reducir la demanda de transformadores y generadores de usuario final liberar capacidad de los mismos.
Los servicios eléctricos, a fin de reducir las pérdidas de sus sistemas, alientan a los usuarios de energía a consumir energía eficientemente mediante la definición de sus tarifas en función de ciertos parámetros. Un costo mayor en el servicio eléctrico se da para un bajo P.F, en otras palabras un mayor costo de la factura electrica.
Mejor descrito y entendido al revisar los componentes de un sistema eléctrico, F.P es la relación entre kilovatios (kW) y kilovoltios-amperios (kVA). La potencia eléctrica total kVA tiene dos componentes: potencia real kW y potencia reactiva kilovoltaje-amperios reactivos (kVAR) – matemáticamente descrita como:
kVA2=kW 2+kVAR 2
y
Factor de potencia = kW/ kVA
Muchas cargas de instalaciones comerciales e industriales son motores, cargas inductivas que requieren potencia reactiva inductiva.
Los condensadores proporcionan energía reactiva eléctricamente en la dirección opuesta a la potencia reactiva inductiva. El kVAR inductivo se puede reducir o cancelar agregando kVAR capacitivo. El F.P unitario o 100% PF, es cuando kVA = kW.
Un F.P en retraso es cualquier F.P que es menos de 100% osea kVAR inductivo, y es típico en instalaciones comerciales e industriales.
El F.P con kVAR capacitivo, es cualquier F.P que sea mayor que 100%. El F.P líder es típicamente una condición eléctrica indeseable por una variedad de razones. La variación en el componente de potencia reactiva no tiene ningún efecto sobre la potencia real requerida por la carga.
La potencia reactiva tiene un efecto sobre el kVA que suministra la carga y puede hacer que la carga en el generador sea mayor de lo necesario. Los condensadores fijos en el servicio eléctrico principal son un método común para corregir el F.P retrasado. Las instalaciones con motores grandes también pueden ubicar condensadores en los motores, lo que ayuda a reducir la carga de corriente del conductor y del transformador hasta el motor.
Dado que la potencia reactiva no realiza ningún trabajo, el F.P indica el porcentaje de energía útil de la energía total, y es mejor cuando está lo más cerca posible de la unidad. El bajo F.P puede contribuir a una baja eficiencia, mayores pérdidas y cargos de servicios eléctricos innecesarios.
Los motores de inducción requieren potencia real y reactiva para funcionar. La potencia real (kW) produce trabajo y calor. La potencia reactiva (kVAR) establece el campo magnético en el motor que le permite operar.
El F.P de un motor es menor cuando el motor está subcargado y se reduce significativamente cuando la carga del motor es inferior al 70%. La mejor manera de mantener el F.P cerca del diseño del motor, que normalmente es de 80% a 85% F.P, es hacer coincidir el motor con la carga.
Fuentes comunes de perdidas de eficiencia de un motor eléctrico.
Perdidas de fricción
Estas pérdidas se atribuyen a la fuerza que se necesita para superar el arrastre asociado con la rotación del rotor o armadura del motor. Ejemplos de pérdidas de fricción son la fricción de cojinetes, bujes o escobillas en un motor de corriente continua de tipo universal o cepillado. En general, las pérdidas por fricción son proporcionales a la velocidad del rotor.
Perdidas por inercia
En un motor enfriado por aire, estas pérdidas son causadas por la turbulencia en el aire que actúa contra la rotación del rotor. Ejemplos de estos son ranuras de armadura o geometrías que no son cilíndricas o ventiladores. Las pérdidas por inercia se estiman como proporcionales al cubo de la velocidad del rotor.
Perdidas de hierro
También llamadas pérdidas de núcleo, estas son pérdidas asociadas en las rutas magnéticas del motor. Por lo general, se caracterizan por la pérdida de vatios por masa. Los diferentes aceros tienen diferentes características que afectan estas pérdidas. Para comprender mejor las pérdidas de hierro, podemos dividirlas en pérdidas por histéresis y pérdidas por corrientes parásitas.
Las pérdidas de histéresis se deben a la cambiante polaridad del flujo en el núcleo de acero. Las pérdidas de histéresis se efectúan tanto por la capacidad del material para cambiar la polaridad fácilmente como por la densidad de flujo total en el acero.
Las pérdidas por corrientes de Foucault son corrientes circulantes inducidas en el núcleo de acero por la polaridad cambiante del flujo. Las pérdidas de corriente de Foucault se ven afectadas por la densidad de flujo total, la frecuencia a la que cambia la polaridad del flujo y el área disponible para que fluyan las corrientes parásitas. Los diseños de motores utilizan núcleos de acero laminado para reducir el área disponible para que las corrientes de Foucault fluyan porque los electrones no pueden saltar.
Perdidas ohmicas
Las pérdidas óhmicas o las pérdidas I 2 R se deben a la corriente que fluye a través de los conductores del motor. Estas pérdidas son iguales al cuadrado de la corriente multiplicado por la resistencia del camino a través del cual fluye la corriente.
Otras perdidas
Otras perdidas generalmente se clasifican como pérdidas que no se correlacionan con las pérdidas explicadas anteriormente. Esto a veces se usa como un factor de seguridad en los cálculos de diseño.
Independientemente del tipo de motor, las pérdidas descritas no pueden diseñarse por completo. El ingeniero de diseño necesita ver varios diseños posibles para optimizar el motor para la operación más eficiente. Las concesiones como la minimización de las pérdidas óhmicas podrían causar un aumento en las pérdidas de hierro.
El aumento de la eficiencia generalmente tiene un costo, ya sea de materiales más costosos o procesos de fabricación difíciles. No es importante para todos los ingenieros, que especifican motores, entender las matemáticas detrás de las pérdidas, pero es bueno saber que existen.
Eficiencias mas comunes para motores eléctricos
| Eficiencia para motores de 900 rpm | |||||||||
| Tamaño del motor (Hp) | Porcentaje de carga de los motores | ||||||||
| ODP (Motor con carcaza de respiraderos abiertos que permiten la refrigeración) | TEFC (Motor con carcaza completamente sellada con ventilacion) | ||||||||
| 100% | 75% | 50% | 25% | 100% | 75% | 50% | 25% | ||
| Eficiencia en porcentaje | |||||||||
| 10 | 87,2% | 87,6% | 86,3% | 78,3% | 86,8% | 87,6% | 86,8% | 77,3% | |
| 15 | 87,8% | 88,8% | 88,2% | 79,6% | 87,5% | 88,7% | 88,1% | 79,1% | |
| 20 | 88,2% | 89,2% | 88,0% | 81,8% | 89,2% | 89,9% | 89,2% | 82,6% | |
| 25 | 88,6% | 89,2% | 88,0% | 83,0% | 89,7% | 90,3% | 89,1% | 78,6% | |
| 30 | 89,9% | 90,7% | 90,2% | 84,5% | 89,6% | 90,5% | 86,5% | 84,1% | |
| 40 | 91,0% | 91,8% | 91,7% | 86,2% | 90,5% | 91,4% | 85,5% | 85,0% | |
| 50 | 90,8% | 91,9% | 91,1% | 87,1% | 90,2% | 91,0% | 90,2% | 84,9% | |
| 75 | 91,7% | 92,4% | 92,1% | 86,5% | 91,6% | 91,8% | 91,0% | 87,0% | |
| 100 | 92,2% | 92,2% | 91,8% | 85,8% | 92,4% | 92,5% | 92,0% | 83,6% | |
| 125 | 92,9% | 92,3% | 91,7% | 86,9% | 93,0% | 93,1% | 92,1% | 87,9% | |
| 150 | 93,3% | 93,1% | 92,6% | 89,5% | 93,0% | 93,4% | 92,5% | NA | |
| 200 | 92,8% | 93,5% | 93,1% | NA | 93,7% | 94,1% | 93,4% | NA | |
| 250 | 93,1% | 93,5% | 93,0% | NA | 91,7% | 94,8% | 94,5% | NA | |
| 300 | 93,1% | 93,7% | 92,9% | 92,7% | 94,4% | 94,2% | 93,7% | NA | |
| Eficiencia para motores de 1200 rpm | |||||||||
| Tamaño del motor (Hp) | Porcentaje de carga de los motores | ||||||||
| ODP (Motor con carcaza de respiraderos abiertos que permiten la refrigeración) | TEFC (Motor con carcaza completamente sellada con ventilacion) | ||||||||
| 100% | 75% | 50% | 25% | 100% | 75% | 50% | 25% | ||
| Eficiencia en porcentaje | |||||||||
| 10 | 87,3% | 86,9% | 85,7% | 78,5% | 87,1% | 87,7% | 86,4% | 80,3% | |
| 15 | 87,4% | 87,5% | 86,8% | 80,8% | 88,2% | 88,1% | 87,3% | 80,7% | |
| 20 | 88,5% | 89,2% | 88,8% | 84,1% | 89,1% | 89,7% | 89,4% | 82,8% | |
| 25 | 89,4% | 89,7% | 89,3% | 85,0% | 89,8% | 90,5% | 89,8% | 83,5% | |
| 30 | 89,2% | 90,1% | 89,8% | 87,6% | 90,1% | 91,3% | 90,7% | 84,6% | |
| 40 | 90,1% | 90,4% | 90,0% | 85,8% | 90,3% | 90,1% | 89,3% | 85,3% | |
| 50 | 90,7% | 91,2% | 90,9% | 86,9% | 91,6% | 92,0% | 91,5% | 86,7% | |
| 75 | 92,0% | 92,5% | 92,3% | 88,6% | 91,9% | 91,6% | 91,0% | 87,2% | |
| 100 | 92,3% | 92,7% | 92,2% | 87,4% | 92,8% | 92,7% | 91,9% | 86,5% | |
| 125 | 92,6% | 92,9% | 92,8% | 87,9% | 93,0% | 93,0% | 92,6% | 88,7% | |
| 150 | 93,1% | 93,3% | 92,9% | 89,7% | 93,3% | 93,8% | 93,4% | 91,1% | |
| 200 | 94,1% | 94,6% | 93,5% | 91,5% | 94,0% | 94,3% | 93,6% | NA | |
| 250 | 93,5% | 94,4% | 94,0% | 91,9% | 94,6% | 94,5% | 94,0% | NA | |
| 300 | 93,8% | 94,4% | 94,3% | 92,9% | 94,7% | 94,8% | 94,0% | NA | |
| Eficiencia para motores de 1800 rpm | |||||||||
| Tamaño del motor (Hp) | Porcentaje de carga de los motores | ||||||||
| ODP (Motor con carcaza de respiraderos abiertos que permiten la refrigeración) | TEFC (Motor con carcaza completamente sellada con ventilación) | ||||||||
| 100% | 75% | 50% | 25% | 100% | 75% | 50% | 25% | ||
| Eficiencia en porcentaje | |||||||||
| 10 | 86,3% | 86,8% | 85,9% | 80,0% | 87,0% | 88,4% | 87,7% | 80,0% | |
| 15 | 88,0% | 89,0% | 88,5% | 82,6% | 88,2% | 89,3% | 88,4% | 80,7% | |
| 20 | 88,6% | 89,2% | 88,9% | 83,3% | 89,6% | 90,8% | 90,0% | 83,4% | |
| 25 | 89,5% | 90,6% | 90,0% | 86,6% | 90,0% | 90,9% | 90,3% | 83,4% | |
| 30 | 89,7% | 91,0% | 90,9% | 87,3% | 90,6% | 91,6% | 91,0% | 85,6% | |
| 40 | 90,1% | 90,0% | 89,0% | 86,3% | 90,7% | 90,5% | 89,2% | 84,2% | |
| 50 | 90,4% | 90,8% | 90,3% | 88,1% | 91,6% | 91,8% | 91,1% | 86,3% | |
| 75 | 91,7% | 92,4% | 92,0% | 87,7% | 92,2% | 92,5% | 91,3% | 87,1% | |
| 100 | 92,2% | 92,8% | 92,3% | 89,2% | 92,3% | 92,1% | 91,4% | 85,5% | |
| 125 | 92,8% | 93,2% | 92,7% | 90,7% | 92,6% | 92,3% | 91,3% | 84,0% | |
| 150 | 93,3% | 93,3% | 93,0% | 89,2% | 93,3% | 93,1% | 92,2% | 86,7% | |
| 200 | 93,4% | 93,8% | 93,3% | 90,7% | 94,2% | 94,0% | 93,1% | 87,8% | |
| 250 | 93,9% | 94,4% | 94,0% | 92,6% | 93,8% | 94,2% | 93,5% | 89,4% | |
| 300 | 94,0% | 94,5% | 94,2% | 93,4% | 94,5% | 94,4% | 93,3% | 89,9% | |
| Eficiencia para motores de 3600 rpm | |||||||||
| Tamaño del motor (Hp) | Porcentaje de carga de los motores | ||||||||
| ODP (Motor con carcaza de respiraderos abiertos que permiten la refrigeración) | TEFC (Motor con carcaza completamente sellada con ventilacion) | ||||||||
| 100% | 75% | 50% | 25% | 100% | 75% | 50% | 25% | ||
| Eficiencia en porcentaje | |||||||||
| 10 | 86,3% | 87,7% | 86,4% | 79,2% | 86,1% | 87,2% | 85,7% | 77,8% | |
| 15 | 87,9% | 88,0% | 87,3% | 82,8% | 86,8% | 87,8% | 85,9% | 79,5% | |
| 20 | 89,1% | 89,5% | 88,7% | 85,2% | 87,8% | 89,6% | 88,3% | 79,7% | |
| 25 | 89,0% | 89,9% | 89,1% | 84,4% | 88,6% | 89,6% | 87,9% | 79,3% | |
| 30 | 89,2% | 89,3% | 88,3% | 84,8% | 89,2% | 90,0% | 88,7% | 81,0% | |
| 40 | 90,0% | 90,4% | 89,9% | 86,9% | 89,0% | 88,4% | 86,8% | 79,7% | |
| 50 | 90,1% | 90,3% | 88,7% | 85,8% | 89,3% | 89,2% | 87,3% | 82,0% | |
| 75 | 90,7% | 91,0% | 90,1% | 85,7% | 91,2% | 90,5% | 88,7% | 82,5% | |
| 100 | 91,9% | 92,1% | 91,5% | 89,0% | 91,2% | 90,4% | 89,3% | 83,8% | |
| 125 | 91,6% | 91,8% | 91,1% | 88,8% | 91,7% | 90,8% | 89,2% | 82,6% | |
| 150 | 92,0% | 92,3% | 92,0% | 89,2% | 92,3% | 91,7% | 90,1% | 85,6% | |
| 200 | 93,0% | 93,0% | 92,1% | 87,9% | 92,8% | 92,2% | 90,5% | 84,9% | |
| 250 | 92,7% | 93,1% | 92,4% | 87,1% | 92,7% | 92,5% | 91,2% | 90,3% | |
| 300 | 93,9% | 94,3% | 93,8% | 90,4% | 93,2% | 92,8% | 91,1% | 89,9% | |
Muy buena explicación excelente organización y distribución del tema. Te felicito.
Gracias
quien medice que es un cuadro de cargas
Es un cuadro donde se muestran como su nombre lo dice cargas eléctricas y otros cálculos eléctricos de cableado protecciones y demás, caída de tensión y otras variables
muy bueno que buena explicacion
Muy importante , buenas informaciones, muy útiles en un pequeño resuman.
Tiene las formulas del calculo…… TEFC (Motor con carcaza completamente sellada con ventilacion)
DAniel, Hola!
Realmente que desearías calcular de este tipo de motor?