MOTORES ELECTRICOS

1. 1
1. Conceptos básicos sobre
motores eléctricos
Anibal T. De Almeida
ISR-Universidad de Coímbra

2. 2
Temario
• Sistemas de motores: uso de la energía
• Definición de sistema de motores
• Tipos de motores eléctricos
• Eficiencia de los motores eléctricos
• Motores eléctricos de alta eficiencia

3. Sistemas de motores: uso de la
energía
3
Demanda mundial de electricidad según usos finales
Fuente: A+B International 2008

4. Sistemas de motores: uso de la
energía
4
Consumo de electricidad en el sector industrial de la Unión Europea
Fuente: ISR-Universidad de Coímbra

5. Sistemas de motores: uso de la
energía
5
Desglose del consumo de los motores eléctricos según los usos finales, en el sector industrial de la UE
Fuente: ISR-Universidad de Coímbra

6. Sistemas de motores: consumo de
electricidad por sector industrial

7. Consumo de los motores eléctricos
industriales según el rango de potencia

8. Sistemas de motores

9. Sistemas de motores: uso de la energía
La eficiencia de los sistemas de motores depende de
varios factores, entre los que se incluyen:
• eficiencia del motor
• control de la velocidad y del par del motor
• dimensionamiento correcto
• calidad del suministro eléctrico
• pérdidas por distribución
• transmisión mecánica
• prácticas de mantenimiento
• eficiencia del uso final (bomba, ventilador, compresor,
etc.)

10. Eficiencia de un sistema de motores
eléctricos
ELÉCTRICA
EJE
ENTRADA
ÚTILSALIDA
P
P
P
P
==
)(
η
ENTRADA
PÉRDIDAS
P
P
−=1η ω⋅= TPEJE
ENTRADA
ÚTIL
FINALUSONTRANSMISIÓMOTORVEVSISTEMA
P
P
=⋅⋅⋅= −ηηηηη

11. Oportunidades de ahorros
ISR-Universidad de Coímbra 11

12. Principios operativos
Todos los motores tienen dos partes básicas:
– El estátor (parte fija)
– El rotor (parte giratoria)
El diseño y la fabricación de estos dos
componentes determina la clasificación y las
características del motor.

13. Tipos de motores
ISR-Universidad de Coímbra 13
Motores eléctricos
Motores de CC
de conmutación
electrónica - de
imanes permanentes
sin escobillas
de escobillas
de excitación en serie
de excitación en
paralelo
de excitación mixta
de imanes
permanentes
Motores de CA
universal síncrono de inducción
monofásico trifásico

14. Tipos de motores y usos
0,1 kW 1 kW 10 kW 100 kW 1000 kW Potencia
MOTORES de CC
MOTORES de CC CONVENCIONALES
MOTORES de CC de IMANES PERMANENTES
MOTORES de CA
MOTORES de INDUCCIÓN de JAULA DE ARDILLA (se usan en más del 90% de las aplicaciones industriales)
MOTORES de INDUCCIÓN de ROTOR DEVANADO
MOTORES SÍNCRONOS de IMANES PERMANENTES
MOTORES SÍNCRONOS
CON EXCITACIÓN SEPARADA
MOTORES DE RELUCTANCIA CONMUTADA
USOS DOMÉSTICOS
TERCIARIOS Y SERVICIOS
SERVICIOS PÚBLICOS (PLANTAS DE BOMBEO Y DE TRATAMIENTO DE AGUA)
USOS INDUSTRIALES

15. Motores de inducción de jaula de ardilla
Se usan en más del 90% de los sistemas de motores eléctricos;
Buena eficiencia y alta fiabilidad (mantenimiento reducido);
Bajo costo (en comparación con otros tipos de motor);
Fáciles de controlar cuando se los alimenta con un VSD.

16. Motores de inducción de jaula de ardilla
schneider

17. Motores de inducción de jaula de
ardilla
1
X1
V Xm
X2
R2
S
I1 I2
Rm
R1, R2 = Resistencia del estátor y del rotor, Xm = Reactancia de magnetización
X1, X2 = Reactancia de fuga del estátor y del rotor Rm = Resistencia de magnetización
s=Deslizamiento del rotor

18. Motores de inducción - Principios
de funcionamiento

19. Pérdidas del motor
• Las pérdidas eléctricas (también llamadas efecto Joule) se
expresan mediante I2R, y en consecuencia, aumentan rápidamente
con la carga del motor. Las pérdidas eléctricas aparecen como calor
generado por la resistencia eléctrica a la corriente que fluye en el
devanado estatórico, y en las barras del conductor y en los anillos
de los extremos del rotor.
• Las pérdidas magnéticas ocurren en el laminado de acero del
estátor y del rotor. Se deben a la histéresis y a las corrientes de
Foucault, y aumentan aproximadamente con la densidad de flujo al
cuadrado.
• Las pérdidas mecánicas se deben a la fricción en los cojinetes y a
las pérdidas por ventilación y resistencia al viento.
ISR-Universidad de Coímbra

20. Pérdidas del motor
• Las pérdidas por corrientes de fuga se deben al flujo de fugas, a
los armónicos de la densidad de flujo del entrehierro, a la falta de
uniformidad de la distribución de las corrientes entre las barras, a
las imperfecciones mecánicas en el entrehierro y a las
irregularidades en la densidad de flujo del entrehierro.
• Las pérdidas por contacto de las escobillas (únicamente para
motores con escobillas) se deben a la caída de tensión entre las
escobillas y el conmutador, así como a la pérdidas por fricción
adicionales.
ISR-Universidad de Coímbra 20

21. Pérdidas en los motores de
inducción

22. Pérdidas del
motor
Pérdidas en función de la carga
en un motor de inducción

23. Pérdidas del
motor
Fracción típica de las pérdidas de un motor de
inducción de 50 Hz, de cuatro polos.

24. Motores de inducción Premium
Características de los motores Premium

25. Motores de inducción
energéticamente eficientes
• Mayor eficiencia (2-6% más)
• Pueden lograr que se reduzcan las facturas de energía y
los costos de mantenimiento;
• Más material de mayor calidad – más caros (25-30%)
• Vida útil más larga (menor temperatura operativa)
• Por lo general, menor par de arranque (depende de la
forma de las ranuras del rotor)
• Mayor corriente de arranque (depende del par de arranque)
• Menor deslizamiento
• Mayor inercia del rotor

26. Costo del ciclo de vida de los motores
de inducción de jaula de ardilla
• En la industria, un motor de inducción puede
consumir por año una cantidad de energía
equivalente a entre 5 y 10 veces su costo inicial.
En toda su vida útil de aproximadamente 12-20
años, representa entre 60 y 200 veces su costo
inicial.
• Este hecho justifica un análisis del costo del
ciclo de vida (LCC) que incluya la reparación y el
mantenimiento.

27. Sistemas de motores: uso de la energía
Motor IE3 de 11 kW, con 4000 horas de funcionamiento por año, ciclo de vida 15 años 0,0754 € /kWh
Fuente: ISR-Universidad de Coímbra

28. Ejercicio
Análisis económico - Amortización simple de un
motor de alta eficiencia en comparación con un
motor estándar:
-Aplicación nueva
-Retrofit de un motor existente
-Cuando falla un motor
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29. Motores de inducción: clases de eficiencia
Clases de eficiencia de la IEC 60034-30 y clase de eficiencia Super-Premium IE4 de la IEC 60034-31

30. Etiquetado: Acuerdo CEMEP / UE (1998-2010)
ISR-Universidad de Coímbra 30
Motores incluidos en este
esquema:
•Motores de inducción de jaula
de ardilla de CA trifásicos
• Potencia nominal: 1,1 kW a 90
kW
• Totalmente cerrado ventilado
por ventilador
• Tensión de red: 400 V
• 50 Hz
• Tipo de servicio S1 (modo
continuo)
• En conformidad con IEC 34-2
(método indirecto).

31. Consideraciones económicas y
mercados
Ventas totales de motores en el ámbito de aplicación del acuerdo voluntario del CEMEP
Transformación del mercado europeo después de los acuerdos UE/CEMEP:

32. Motores de CC
• de escobillas con devanado estatórico
• de escobillas con estátor de imanes
permanentes
• de escobillas
Fáciles de controlar
Necesitan mucho mantenimiento
Escasa fiabilidad

33. Motores de CC con devanado
estatórico
ISR-Universidad de Coímbra

34. Servomotor de CC de imanes permanentes
convencional
conexiones
eléctricas
envoltura
(retorno magn.)
devanado
conmutador
sistema de escobillas
núcleo de
hierro
imanes
permanentes
(externo)
brida

35. Motores de CC sin escobillas / Motores
electrónicamente conmutados
Motor electrónicamente conmutado similar al motor de CA síncrono de imanes
permanentes
• nombres: Motor EC, motor de CC sin escobillas (BLDC), motor síncrono de
imanes permanentes
• comportamiento del motor similar al motor de CC
– diseño similar al motor síncrono (devanado estatórico trifásico, imán rotatorio)
– alimentación de las 3 fases según la posición del rotor
• principales ventajas: mayor fiabilidad, velocidades más altas
• bobinados sin ranuras
– ventajas similares a las de los motores de CC sin núcleo
– sin detención magnética, menos vibraciones
• resulta más atractivo: costos, tamaño, imanes

36. Motor CC sin escobillas

37. Motores de CC sin escobillas / Motores
electrónicamente conmutados
ISR-Universidad de Coímbra 37
Ventajas principales:
• Excelente curva par-velocidad
• Excelente respuesta dinámica
• Alta eficiencia y fiabilidad => bajo mantenimiento
• Vida útil más larga
• Menor ruido acústico
• Capaz de altas velocidades
• Alta relación par/volumen o alta densidad de potencia
Desventajas principales: Muy caro, y siempre se necesita un
controlador (VSD).

38. Eficiencia a carga parcial de los motores
de imanes permanentes

39. Motores LSPM
• Motor híbrido con rotor de jaula de ardilla equipado
con imanes permanentes de alta energía (NeFeB),
conveniente para arranque directo.
• Intercambiables por motores de inducción (misma
relación potencia x marco).

40. Motores Super-Premium
Norma IEC 60034-30

41. Motores de reluctancia conmutada (SR)
Un motor SR es un diseño de saliente
doble con bobinas de fase montadas
alrededor los polos diametralmente
opuestos del estátor. La energización de
una fase hará que el rotor se mueva para
alinearse con los polos del estátor, lo que
minimiza la reluctancia del trayecto
magnético. Al igual que los variadores de
velocidad de alto rendimiento, los imanes
del motor están optimizados para operar
en circuito cerrado. Se usa la información
acerca de la posición del rotor para
controlar la energización de la fase de
manera óptima a fin de lograr un par
suave y continuo y alta eficiencia.

42. Motores de reluctancia conmutada
ISR-Universidad de Coímbra 42
ESTÁTOR: 8 POLOS
ROTOR: 6 POLOS
Passo: pi/6
Bobinas
ESTÁTOR: 6 POLOS (trifásico)
ROTOR: 4 POLOS

43. Motores de reluctancia conmutada
• APLICACIONES DE HASTA 75 kW: Máquinas centrifugadoras de
alta velocidad, compresores, lavadoras, aspiradoras, bombas de
vacío, HVAC (calefacción, ventilación y aire acondicionado),
sistemas variadores de velocidad, máquinas-herramientas,
automatización, tracción, etc.
ISR-Universidad de Coímbra 43
T(N.m)
n(rpm)
ideal
a
bc
Curva par velocidad

44. Motores de reluctancia conmutada
Ventajas principales:
• Alta eficiencia
• Capaces de altos pares y de altas velocidades
• Alta fiabilidad y larga vida útil
• Construcción simple, solidez
• Bajo costo
• Controlador más simple (un interruptor por fase)
• Alta densidad de potencia
• Disponibles en distintos tamaños y formas
Desventajas principales: rizado del par y mucho ruido acústico
debidos al alto nivel de vibración - se está investigando para
mejorar estos aspectos. El controlador siempre es necesario.
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45. Discusión
• 2 o 3 puntos para discutir, o 2 o 3
preguntas para generar una discusión y
comprobar la comprensión de los
conceptos claves
ISR-Universidad de Coímbra 45

46. 46
Gracias