La eficiencia energética nunca ha sido tan importante como en la actualidad y en la agenda industrial ocupa un puesto destacado. La introducción de la Directiva 2005/32/CE ya lleva recorrido un largo camino para reducir la huella de carbono pero, al entrar en vigor la siguiente fase de la normativa en enero de 2015, los ingenieros están revisando las diferentes tecnologías disponibles que les permitan mejorar la eficiencia en el futuro.

Desde junio de 2011 y hasta ahora, la normativa estipulaba que los motores no podían ser menos eficientes del nivel IE2. Sin embargo, las nuevas regulaciones van un paso más allá, al estipular que, a partir del 1 de junio de 2015, los motores con una potencia nominal de 7,5-375 kW no deben ser menos eficientes que IE3 o cumplir con la eficiencia IE2 y estar equipados con un variador de velocidad (Variable Speed Drive - VSD).

Los motores desempeñan un papel clave a la hora de mejorar la eficiencia energética en las aplicaciones de fluidos hidráulicos, como bombas, compresores o soplantes. Los motores de inducción siguen siendo los más populares para estas aplicaciones, pero las tecnologías de motor de imán permanente (PM) y de motor de reluctancia conmutado/síncrono tienen cada vez más cuota de mercado. En el presente artículo, Siegfried Kreutzfeld, presidente director general de WEG Motors, compara las tres tecnologías de motores y explica cómo pueden contribuir a aumentar la eficiencia energética en los sistemas de bombeo.

Cada vez hay más tecnologías de motor en el mercado: desde las más asequibles hasta las más eficientes o compactas. En función de la aplicación, los motores tendrán que cumplir con gran variedad de requisitos concretos, como la gama de velocidades, la posición de montaje, la seguridad, la fiabilidad, los niveles de vibración y de bajo nivel de ruido, la durabilidad y el mantenimiento. No obstante, los motores de inducción siguen siendo los de uso más extendido, en especial cuando no se requiere una velocidad variable.

Una razón por la que los motores de inducción son tan populares es su robustez, fiabilidad y facilidad de manejo. Se pueden conectar a los cilindros principales y no requieren electrónica de potencia. Los recientemente introducidos motores de inducción IE4, y entre ellos los motores W22 Super Premium de WEG, ofrecen la mayor eficiencia para aplicaciones de velocidad fija. En comparación con los motores IE3, los motores IE4 pueden alcanzar una reducción de las pérdidas de energía que varía entre el 10 y el 24%. IEC también está concibiendo para el futuro un nivel de eficiencia mayor, el IE5, que se espera que tenga un 20% de menos pérdidas que el nivel IE4. Sin embargo, cuando se alimenta con variadores de frecuencia, presenta una disminución importante en su eficiencia, incluso en aplicaciones de par constante. En algunas aplicaciones, también puede haber que sobredimensionarlo o equiparlo con ventilación forzada.

Los importantes avances en la electrónica de potencia y las técnicas de control han llevado a un aumento en el uso de los VSD como manera de aumentar las eficiencias energéticas en aplicaciones de flujo hidráulico. Con aplicaciones que exigen velocidades variables, los motores de PM y los motores síncronos pueden alcanzar niveles IE4 o incluso una eficiencia superior en los mismos tamaños de carcasa que los motores de inducción. En particular, los motores de PM WMagnet IE4 pueden tener hasta dos tamaños menos de carcasa que los motores de inducción y los de reluctancia, mientras que los motores de PM WMagnet pueden estar en los mismos tamaños de carcasa que los motores de inducción, pero pesan menos, ya que contienen menos material activo.

Por lo tanto, los motores de PM pueden contribuir a aumentar la eficiencia en los procesos, ya que facilitan una eficiencia superior a la de los motores de inducción a velocidades inferiores y no necesitan sobredimensionarse ni ventilación forzada. Asimismo, esta tecnología de motor ofrece unas relaciones par/corriente y par/volumen superiores, a la vez que compacticidad y respuesta dinámica rápida. Los motores de PM también presentan la mayor eficiencia de todos los motores con alto factor de potencia, debido a la ausencia de pérdidas por efecto Joule en el rotor y al flujo de excitación de los imanes permanentes. Todas estas ventajas han llevado a un aumento significativo en el uso de los motores de PM en gran variedad de aplicaciones: desde electrodomésticos (lavadoras) hasta unidades industriales (compresores, bombas y soplantes), servomotores y vehículos eléctricos. Sin embargo, los motores de PM cuentan con un mayor coste de inversión en comparación con los motores de inducción porque están equipados con imanes permanentes de tierras raras. Los imanes de ferrita podrían utilizarse en aplicaciones con poco consumo, donde es obligatorio reducir costes.

En comparación con los motores de inducción y los de PM, los motores de reluctancia conmutados han concentrado los bobinados en el núcleo de la bobina y el acero laminado con diente saliente en el rotor, sin estructura de aluminio ni imanes permanentes. Un beneficio constatado de este diseño es que –de manera similar a los motores de PM– esta tecnología motora garantiza que no haya pérdidas por efecto Joule en el rotor. Asimismo, de modo parecido a los motores de inducción, los motores de reluctancia conmutados ofrecen sencillez mecánica, solidez y fiabilidad. No obstante, exigen un control electrónico más sofisticado que los motores de inducción. Estas características los hacen particularmente aptos para gran variedad de aplicaciones, desde electrodomésticos y unidades industriales hasta vehículos eléctricos. Los motores de reluctancia conmutados también encajan muy bien en gamas amplias de velocidad y en funcionamiento a altas velocidades, como en compresores y herramientas mecánicas. Para dichas aplicaciones, estos motores podrían ofrecer una eficiencia mayor así como mejor densidad de potencia que los motores de inducción de potencia equivalente. Sin embargo, su importante rizado de par podría traducirse en mayor vibración y ruido acústico.

Al contrario que los motores de reluctancia conmutados, los motores de reluctancia síncronos se pueden diseñar con más facilidad para aportar menores niveles de rizado de par y ruido acústico y funcionamiento AC sinusoidal (campo rotatorio). Estos motores utilizan un estator AC de polifase convencional y el rotor incluye barreras de flujo en lugar de una estructura de aluminio o imanes permanentes. Dadas estas características, los motores de reluctancia síncronos –que se controlan electrónicamente– se pueden usar en una amplia gama de aplicaciones industriales y comerciales cuando se necesita velocidad variable. Similares a los motores de reluctancia conmutados, encajan muy bien en gamas de velocidad amplias. Sin embargo, el funcionamiento a máxima velocidad y el rendimiento del motor dependen en gran medida de la geometría de las barreras de flujo en la laminación del rotor.

Estos motores son atractivos porque el coste del material activo es comparable al de los motores de inducción y menor que el de los motores de PM de alta energía. Asimismo, estos motores ofrecen sencillez en la inclinación del rotor, capacidad de debilitación del flujo (lo que es importante a la hora de alcanzar gamas de velocidad altas) e idoneidad ante grandes sobrecargas. Los motores de reluctancia síncronos pueden alcanzar niveles de eficiencia energética similares a aquellos de los motores de inducción, aunque su factor de potencia es relativamente bajo, actualmente un 40% superior a un motor de inducción equivalente.

En conclusión, determinar qué tecnología es la mejor para una aplicación en concreto depende de gran variedad de factores como el coste, el tamaño y el peso, la fiabilidad, la gama de velocidades, el ruido, la vibración, la sencillez de mantenimiento y el rendimiento en general. No obstante, cuando se trata de eficiencia energética, los motores de PM tienen el mayor rendimiento, ya que no presentan pérdidas en el rotor y, por lo tanto, ofrecen una mayor eficiencia a menores frecuencias para un par constante. Los motores de reluctancia síncronos pueden alcanzar también la eficiencia IE4, pero con mayor corriente y a menor factor de potencia, lo que puede afectar al tamaño y al coste del dispositivo. No obstante, los motores de inducción, cuando se diseñan y se fabrican adecuadamente también pueden alcanzar niveles de eficiencia IE4, lo que permite a los ingenieros aumentar las eficiencias energéticas de sus sistemas de tracción y cumplir e incluso superar la legislación vigente.  

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