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Un enfoque colectivo para el motor y la eficiencia de conducción para mejorar los resultados

La eficiencia, la confiabilidad y el costo total de propiedad son todos términos que están a la vanguardia de las consideraciones de ingeniería, sin embargo, observar los elementos del equipo de manera individual puede no ofrecer los máximos beneficios. Al observar la imagen más amplia y combinar la mejor tecnología de áreas individuales, es posible lograr ahorros y eficiencias mucho más significativos.

Markus Kutny, Gerente de Producto, Soluciones de Eficiencia Energética en Bauer Gear Motor, explica.

En los últimos años, la mayor parte del énfasis se ha puesto en las mejoras que se han realizado en la eficiencia del motor eléctrico, en parte debido a las regulaciones cambiantes que se han centrado tanto en los fabricantes como en los clientes. Sin embargo, en términos de eficiencia general dentro de los sistemas de accionamiento que funcionan con motores eléctricos, también se debe considerar el sistema mecánico ya que posee un potencial de optimización muy significativo.

Entre el motor eléctrico y el proceso final suele haber una serie de accionamientos mecánicos, engranajes, acoplamientos y cojinetes que transmiten la potencia mecánica suministrada por el motor. Examinando cada componente dentro de esta sección mecánica y optimizando el diseño, se pueden lograr mayores eficiencias y ahorros.

Mejora de la eficiencia del motor

Es bien sabido que los motores eléctricos utilizan 65% de la energía utilizada en la industria, pero un hecho menos conocido es que 96% de los costos de por vida de un motor eléctrico está asociado con el consumo de energía. Esto muestra la importancia de la eficiencia general en comparación con el costo de compra inicial en términos de la importancia del costo total de propiedad (TCO).

Los PMSM (motores síncronos de imanes permanentes) ya cumplen con los requisitos de la clasificación IE4 (Super Premium Efficiency) que pronto se implementará. Esto se evidencia por su potencial de lograr ahorros de energía de hasta 40% en comparación con un motor de jaula de ardilla IE2 impulsado por inversor.

Los motores sincrónicos PMSM ofrecen una eficiencia considerablemente mejorada en comparación con los motores de inducción incluso en condiciones de carga parcial; y extremadamente alta eficiencia bajo condiciones de operación clasificadas. También tienen una densidad de potencia considerablemente mayor, lo que, para motores con engranajes, produce una mayor eficiencia del sistema con un volumen de instalación mínimo.

El diseño sincrónico de los motores PMSM significa que no solo son superiores en la conversión de energía eléctrica en energía mecánica, sino que también ofrecen el beneficio adicional de mantener una velocidad constante independientemente de la carga. Esto significa que la velocidad del motor no varía, a pesar de las variaciones de sobrecarga, o los casos de caída de tensión, siempre que la frecuencia de la red se mantenga constante.

Este diseño ofrece una serie de beneficios clave. Reduce las pérdidas de calor del rotor en 100%, las pérdidas totales en aproximadamente 25% y aumenta la eficiencia total en 10% o más. Para el usuario de PMSM, este rendimiento mejorado se traduce en un menor costo total de propiedad, una reducción en las emisiones de CO2 y ahorros continuos que protegen contra futuros aumentos en los costos de energía.

Los bajos costos de operación y mantenimiento de los motores PMSM significan que proporcionan el disco de ahorro de energía óptimo para su uso en ventiladores, bombas y compresores; y para aplicaciones de par constante como elevadores y transportadores.

A partir de enero 2015 en adelante, la clase de eficiencia energética IE3 (Eficiencia Premium) será el estándar para motores con potencia nominal de 7.5 a 375 kW, y desde enero 2017 en adelante para motores con potencia nominal de 0.75 a 375 kW. Los motores controlados por convertidores de frecuencia están exentos de esta regulación. Para tales motores, IE2 es suficiente.

Demostrando el punto de PMSM

El rendimiento mejorado de un PMSM se traduce en un menor costo total de propiedad, una reducción en las emisiones de CO2 y ahorros continuos que ayudan a proteger contra futuros aumentos en los costos de energía. Esta tecnología y eficiencia mejoradas se traduce en un costo de compra inicial más alto que luego se recupera durante la vida operativa del PMSM. A fin de proporcionar evidencia de apoyo de esto, Bauer Gear Motor acordó participar en una comparación directa donde un Motor asíncrono (ASM) accionado por un inversor y un motor de imán permanente se configuraron para realizar tareas idénticas. La comparación se realizó en una planta operativa de tratamiento de aguas residuales en Alemania con ambos motores alimentando un espesador de disco durante siete horas al día.

El mismo convertidor de frecuencia, que fue programado para monitorear las cargas en cada motor, se usó para asegurar que funcionaran con una eficiencia óptima. Para estar seguro de que las diferencias en la eficiencia solo podían atribuirse a los motores, cada sistema de transmisión usaba la misma caja de engranajes. Una vez completada la misma tarea, los resultados se muestran en la tabla siguiente:

Par (Nm)

Velocidad (RPM) % De eficiencia Consumo de energía (kW / h) Consumo de año 4 (kW)
ASM 2.62 1350 61.5 0.26 2657
PMSM 3.50 1500 87.7 0.16 1635

El ensayo demostró que el PMSM entregó un ahorro de 40% en el consumo de energía contra el ASM, que, cuando se proyectó durante un período de año 4, habría ahorrado 1,022 kW. A medida que el precio de la energía continúa aumentando, también aumentará el valor de este ahorro.

Diseño de transmisión

El diseño de las transmisiones modernas requiere conocimientos especializados y experiencia para producir un producto que no solo cumpla con las especificaciones, sino que también proporcione eficiencia, suavidad y bajas calidades de ruido, además de una excelente confiabilidad. Sin embargo, se pueden obtener beneficios adicionales de un buen diseño asegurando que la transmisión esté integrada correctamente en la aplicación, lo que requiere una comprensión profunda de la industria en cuestión.

Los diseños menos eficientes, como los motores con engranaje helicoidal, se pueden reemplazar con motores con engranajes cónicos helicoidales integrales, que son mucho más eficientes y brindan una mayor vida útil. Este enfoque elimina la necesidad de un acoplamiento y un cojinete proporcionando de ese modo una eficacia de transmisión casi perfecta.

En algunos casos, puede ser beneficioso simplificar este proceso y especificar una solución a medida, que puede construirse a partir de componentes existentes pero integrarse sin problemas en la máquina y, por lo tanto, ofrecer la mejor solución posible. Al involucrar a los diseñadores al inicio de un proyecto, se pueden obtener mayores eficiencias, tanto en términos de costo como de energía.

Acoplamientos de transmisión

Formando un enlace crucial entre el motor eléctrico y el eje de transmisión, el acoplamiento puede tener una influencia significativa en el rendimiento del equipo. Dependiendo de la aplicación, los requisitos de mantenimiento y la especificación del par, el diseño del acoplamiento debe analizarse detenidamente para garantizar un rendimiento confiable y un fácil mantenimiento. Especificar un acoplamiento incorrectamente puede conducir a una transmisión de potencia ineficiente así como a un aumento en los costos de mantenimiento.

Los acoplamientos están diseñados para acomodar la desalineación del eje, que puede estar presente cuando uno de los ejes conectados está ubicado por un rodamiento autoalineable, o cuando se coloca un eje intermedio no soportado entre el impulsor y la carga. Los acoplamientos capaces de superar una verdadera desalineación angular incluyen la junta universal única con su capacidad para manejar grandes compensaciones y amortiguación torsional.

Si ambos ejes están montados en cojinetes autoalineantes, se puede lograr una desalineación cero, lo que permite el uso de un acoplamiento sólido que simplemente soporta el eje en perfecta alineación. Antes de instalar un acoplamiento sólido, una prueba interesante es probar primero un acoplamiento flexible. Con la máquina a temperatura de funcionamiento normal, mida la velocidad y / o la corriente consumida por el motor. La diferencia entre estas lecturas y aquellas con el acoplamiento sólido indican las pérdidas generadas por el acoplamiento flexible. Esto demuestra los ahorros adicionales que se pueden lograr al dedicar un tiempo adicional a lograr la alineación adecuada del eje.

La construcción básica de los acoplamientos flexibles consiste en dos bridas o cubos, que se unen a los ejes que se acoplan y un elemento de conexión que puede ser metálico, tal como en los acoplamientos de disco; también puede ser un manguito hecho de material elastomérico, como caucho EPDM, neopreno, Hytrel o uretano, o puede ser mecánico como en una unión en U o acoplamiento de engranaje.

Un enfoque conjunto

El examen de cada uno de los aspectos discutidos proporciona una idea del ahorro potencial de energía que puede lograrse en los aspectos individuales del diseño de transmisión. La combinación de estas eficiencias en una sola aplicación puede arrojar resultados impresionantes, que se pueden mejorar aún más cuando el diseño general lo lleva a cabo un único fabricante especialista. De esta forma, cada uno de los componentes se combina y se diseña para funcionar con los demás, a la vez que proporciona un único punto de contacto para cualquier problema de capacitación o mantenimiento.

Examinar las eficiencias mecánicas y hacer mejoras significativas en esta área, puede resultar en una reducción en el requerimiento de potencia total del motor eléctrico. Al instalar un motor más pequeño, que está conectado a un mecanismo mecánico más eficiente, el efecto general es reducir el consumo de energía y mejorar la confiabilidad mediante el uso de componentes compatibles.

Cuando se especifican sistemas de accionamiento para aplicaciones con entornos difíciles, es importante hablar con un proveedor de soluciones con la experiencia para comprender las implicaciones de cada escenario individual. Bauer Gear Motor emplea ingenieros con muchos años de experiencia en el diseño de sistemas de transmisión de potencia a medida en muchas industrias. Con experiencia, han aprendido que es importante estudiar la historia de su campo de especialización para continuar su desarrollo.

Finalmente, los motores de engranajes Bauer ofrecen una solución de alta calidad, bien diseñada y sobre todo confiable y eficiente, con capacidades de ingeniería receptivas, prototipos y plazos de entrega, así como una extensa red global de ventas y servicios que proporciona contactos locales y soporte en cualquier lugar del mundo la aplicación final está ubicada.

Markus Kutny Ha trabajado para Bauer Gear Motor GmbH desde 2009. Después de haber trabajado como ingeniero de ventas de campo durante dos años, se ha especializado en tecnología de accionamiento de eficiencia energética con motores síncronos de imán permanente, de los cuales es el Gerente Global de Bauer.

Informador de la industria de procesos

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