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La eficiencia superior es una clase de eficiencia del motor. Como parte de un esfuerzo concertado en todo el mundo para reducir el consumo de energía , las emisiones de CO 2 y el impacto de las operaciones industriales en el medio ambiente, varias autoridades reguladoras de muchos países han introducido, o están planificando, legislación para fomentar la fabricación y el uso de motores de mayor eficiencia . Este artículo analiza el desarrollo del estándar de eficiencia premium (IE3) y motores de eficiencia premium (PEM) y los temas ambientales, legales y relacionados con la energía asociados.
La crisis del petróleo y la necesidad mundial de más energía y, en consecuencia, más centrales eléctricas han creado conciencia sobre la conservación de la energía .
En 1992, el Congreso de los Estados Unidos , como parte de la Ley de Política Energética (EPAct), estableció niveles mínimos de eficiencia (ver Tabla B-1) [ vago ] para motores eléctricos .[1]
En 1998, el Comité Europeo de Fabricantes de Máquinas Eléctricas y Sistemas de Potencia (CEMEP) emitió un acuerdo voluntario de los fabricantes de motores sobre clasificación de eficiencia, con tres clases de eficiencia: [2]
El término eficiencia superior, como se analiza aquí, se refiere a una clase de eficiencia del motor. Se considera necesario introducir este término asociado con motores debido a la próxima legislación en la UE , EE. UU. Y otros países con respecto al futuro uso obligatorio de motores de inducción de jaula de ardilla de eficiencia superior en equipos definidos.
Se han hecho varias declaraciones con respecto al uso de motores y las ventajas de usar motores de eficiencia superior o de mayor eficiencia. Éstas incluyen:
Según los datos del Departamento de Energía de EE. UU. , Se estima que el programa de motores de eficiencia superior de la Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos (NEMA) ahorraría 5,8 teravatios de electricidad y evitaría la liberación de casi 80 millones de toneladas métricas de carbono a la atmósfera durante los próximos diez años. Esto equivale a mantener fuera de circulación a 16 millones de automóviles. [3]
Cada año se venden aproximadamente 30 millones de motores eléctricos nuevos para fines industriales. Aproximadamente 300 millones de motores se utilizan en la industria, la infraestructura y los grandes edificios. Estos motores eléctricos son responsables del 40% de la electricidad mundial que se utiliza para impulsar bombas, ventiladores, compresores y otros equipos de tracción mecánica. La tecnología del motor ha evolucionado durante las últimas décadas. Los productos superiores llamados "premium" están ahora disponibles, listos para cambiar el mercado hacia la eficiencia energética y contribuir a reducir las emisiones de gases de efecto invernadero en todo el mundo. [4]
Con el uso de las mejores prácticas, la eficiencia energética de los motores eléctricos se puede mejorar entre un 20% y un 30% en promedio. La mayoría de las mejoras tienen un período de amortización de 1 a 3 años. Esto, además, significa un gran impacto potencial en la reducción de las emisiones globales de gases de efecto invernadero. [5]
Los sistemas de motores eléctricos consumen grandes cantidades de energía eléctrica y pueden brindar una oportunidad para ahorros de energía significativos. La energía representa más del 97 por ciento de los costos operativos totales del motor durante la vida útil del motor. Sin embargo, la compra de un motor nuevo suele depender del precio, no de la electricidad que consumirá. Incluso una pequeña mejora en la eficiencia podría resultar en ahorros significativos de energía y costos. Invertir un poco más de dinero por adelantado en un motor más eficiente a menudo se amortiza en ahorros de energía. La mejora de la eficiencia energética reduce las emisiones de gases de efecto invernadero que contribuyen al cambio climático . [6]
La eficiencia de un motor eléctrico se define como la relación entre la potencia del eje utilizable y la potencia de entrada eléctrica.
η mot = P eje ÷ P en
η mot = eficiencia del motor [%]
P eje = Potencia del eje [kW] (en EE. UU. HP con factor 1,34)
P in = entrada eléctrica de lafuente de alimentación[kW]
La potencia del eje se transfiere a la máquina accionada; la potencia de entrada eléctrica es lo que se mide y se carga. La pérdida de eficiencia del motor está determinada por la diferencia entre la potencia de entrada y la potencia de salida o del eje.
P pérdida = P en - P eje
P pérdida = pérdidas del motor eléctrico [kW]
La pérdida de energía del motor es principalmente calor causado por muchos factores, incluida la pérdida del devanado de la bobina (resistencia), la pérdida en las barras del rotor y los anillos deslizantes , la pérdida debido a la magnetización del núcleo de hierro y la pérdida por fricción de los cojinetes.
El 19 de diciembre de 2007, el presidente Bush promulgó la Ley de Seguridad e Independencia Energética de 2007 (EISA) (Ley Pública 140-110). La Asociación Nacional de Fabricantes de Electricidad (NEMA) participó activamente en la elaboración de disposiciones importantes sobre EISA. Una disposición fundamental en la que se centró NEMA fue el aumento de los niveles de eficiencia del motor. La sección de Generadores de Motores de NEMA unió fuerzas con el Consejo Americano para una Economía de Eficiencia Energética para redactar y recomendar nuevas regulaciones de eficiencia de motores que cubran tanto motores eléctricos de propósito general como algunas categorías de motores eléctricos de propósito definido y especial.
La Sección de Motores y Generadores de NEMA estableció el programa NEMA Premium por cuatro razones principales:
Visite NEMA Premium Motors para obtener más información. [7]
Un resumen de las normas EISA para motores: [8]
En junio de 2005, la Unión Europea promulgó una Directiva sobre el establecimiento de un marco para establecer requisitos de diseño ecológico (como requisitos de eficiencia energética) para todos los productos que utilizan energía en los sectores residencial, terciario e industrial. [9] Las normas coherentes de diseño ecológico en toda la UE garantizarán que las disparidades entre las normativas nacionales no se conviertan en obstáculos para el comercio dentro de la UE. La directiva no introduce requisitos directamente vinculantes para productos específicos, pero define condiciones y criterios para establecer requisitos relacionados con las características del producto relevantes para el medio ambiente (como el consumo de energía) y permite mejorarlos de forma rápida y eficiente. Le seguirán medidas de ejecución que establecerán los requisitos de diseño ecológico. En principio, la Directiva se aplica a todos los productos que utilizan energía (excepto los vehículos de transporte) y cubre todas las fuentes de energía. [10]
IEC 60034-30 especifica las clases de eficiencia eléctrica para motores de inducción de jaula de una velocidad, trifásicos , 50 Hz y 60 Hz que:
La siguiente tabla muestra las clases de eficiencia IEC 60034-30 (2008) y niveles de eficiencia comparables.
Niveles de eficiencia | Comparación | |
---|---|---|
IE1 | Eficiencia estándar | |
IE2 | Alta eficiencia | Para 50 Hz considerablemente más alta que la EFF2 de CEMEP e idéntica a la EPA de EE. UU. Para 60 Hz |
IE3 | Eficiencia premium | Nueva clase de eficiencia en Europa para 50 Hz, superior a EFF1 en CEMEP y con algunas excepciones idéntica a NEMA Premium en los Estados Unidos para 60 Hz. |
El estándar también reserva una clase IE4 (Super Premium Efficiency) para el futuro. Los siguientes motores están excluidos del nuevo estándar de eficiencia:
El gráfico muestra como ejemplo motores de 50 Hz y 4 polos
Para el funcionamiento a 60 Hz, los valores mínimos de eficiencia de carga completa IE2 e IE3 son prácticamente idénticos a los estándares de motores de eficiencia energética y eficiencia superior de la Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos de América del Norte (NEMA) [11] , respectivamente. (NEMA especifica diferentes valores de eficiencia de carga completa para motores con gabinetes totalmente cerrados refrigerados por ventilador y abiertos a prueba de goteo y de 200HP IEC IE3, la eficiencia es ligeramente superior a la de NEMA Premium Efficiency). Los estándares mínimos de eficiencia de carga completa IEC son más altos para motores de 60 Hz que para motores de 50 Hz. Esto se debe a que mientras el par del motor sea constante, I 2R o las pérdidas por resistencia del devanado son las mismas a 50 Hz y 60 Hz. Sin embargo, la potencia de salida del motor aumenta linealmente con la velocidad, aumentando en un 20% cuando la frecuencia se incrementa de 50 Hz a 60 Hz. En general, la eficiencia de 60 Hz es aproximadamente un 2,5% a un 0,5% mayor que los valores de 50 Hz. La ganancia de eficiencia es mayor para clasificaciones de potencia de motor más pequeñas.
Para demostrar el cumplimiento de estos nuevos estándares de eficiencia, los motores deben probarse de acuerdo con el protocolo de prueba IEC 60034-2–1 recientemente adoptado . Este procedimiento proporciona resultados de prueba que son ampliamente compatibles con los obtenidos por los métodos de prueba IEEE 112B y CSA 390 de América del Norte . La nueva norma también requiere que la clase de eficiencia del motor y la eficiencia nominal del motor se etiqueten en la placa de identificación del motor y se incluyan en la literatura del producto y en los catálogos de motores en el siguiente formato:
IE3 94,5%
El 22 de julio de 2009, el Reglamento (CE) n.o 640/2009 de la Comisión que implementa la Directiva 2005/32 / CE establece que en la UE, con la excepción de algunas aplicaciones especiales, los motores no serán menos eficientes que el nivel de eficiencia IE3 a partir de 1 Enero de 2015.
En detalle:
EC 60034–30, IE3 Premium Efficiency (%) se presenta en la tabla.
Eficiencia Premium IE3
kW | 2 polos | 4 polos | 6 polos | |||
---|---|---|---|---|---|---|
50 Hz | 60 Hz | 50 Hz | 60 Hz | 50 Hz | 60 Hz | |
0,75 | 80,7 | 77,0 | 82,5 | 85,5 | 78,9 | 82,5 |
1.1 | 82,7 | 84,0 | 84,1 | 86,5 | 81,0 | 87,5 |
1,5 | 84,2 | 85,5 | 85,3 | 86,5 | 82,5 | 88,5 |
2.2 | 85,9 | 86,5 | 86,7 | 89,5 | 84,3 | 89,5 |
3 | 87,1 | - | 87,7 | - | 85,6 | - |
3,7 | - | 88,5 | - | 89,5 | - | 89,5 |
4 | 88,1 | - | 88,6 | - | 86,8 | - |
5.5 | 89,2 | 89,5 | 89,6 | 91,7 | 88,0 | 91,0 |
7.5 | 90,1 | 90,2 | 90,4 | 91,7 | 89,1 | 91,0 |
11 | 91,2 | 90,0 | 91,4 | 92,4 | 90,3 | 91,7 |
15 | 91,9 | 91,0 | 92,1 | 93,0 | 91,2 | 91,7 |
18,5 | 92,4 | 91,7 | 92,6 | 93,6 | 91,7 | 93,0 |
22 | 92,7 | 91,7 | 93,0 | 93,6 | 92,2 | 93,0 |
30 | 93,3 | 92,4 | 93,6 | 94,1 | 92,9 | 94,1 |
37 | 93,7 | 93,0 | 93,9 | 94,5 | 93,3 | 94,1 |
45 | 94,0 | 93,6 | 94,2 | 95,0 | 93,7 | 94,5 |
55 | 94,3 | 93,6 | 94,6 | 94,4 | 94,1 | 94,5 |
75 | 94,7 | 94,1 | 95,0 | 95,4 | 94,6 | 95,0 |
90 | 95,0 | 95,0 | 95,2 | 95,4 | 94,9 | 95,0 |
110 | 95,2 | 95,0 | 95,4 | 95,8 | 95,1 | 95,8 |
132 | 95,4 | - | 95,6 | - | 95,4 | - |
150 | - | 95,4 | - | 96,2 | - | 95,8 |
160 | 95,6 | - | 95,8 | - | 95,6 | - |
185 | - | 95,8 | - | 96,2 | - | 95,8 |
200 | 95,8 | - | 96,0 | - | 95,8 | - |
220 | 95,8 | 95,8 | 96,0 | 96,2 | 95,8 | 95,8 |
250 | 95,8 | 95,8 | 96,0 | 96,2 | 95,8 | 95,8 |
300 | 95,8 | 95,8 | 96,0 | 96,2 | 95,8 | 95,8 |
330 | 95,8 | 95,8 | 96,0 | 96,2 | 95,8 | 95,8 |
375 | 95,8 | 95,8 | 96,0 | 96,2 | 95,8 | 95,8 |
El diseño de motores de eficiencia superior requiere conocimientos, experiencia e instalaciones de prueba especiales, equipados con instrumentación de precisión. La tarea del diseño es aumentar la eficiencia minimizando y equilibrando las pérdidas individuales, especialmente las creadas en las bobinas del estator, el hierro del estator (magnetización) y las pérdidas dentro del rotor por deslizamiento. En comparación con los motores eléctricos estándar (por ejemplo, IE1), se utilizan más materiales de hierro y cobre. Los motores IE3 son más pesados y físicamente más grandes que los motores IE1.
Por lo general, el uso de un relleno de ranura más alto en el devanado de cobre, el uso de laminaciones más delgadas de propiedades de acero mejoradas, la reducción del espacio de aire, un mejor diseño del ventilador de enfriamiento, el uso de cojinetes especiales y mejorados, etc. pueden garantizar una mayor eficiencia en los motores.
La alta conductividad eléctrica del cobre frente a otros conductores metálicos mejora la eficiencia energética de los motores. [12] Aumentar la masa y la sección transversal de los conductores en una bobina aumenta la eficiencia energética del motor. Cuando los ahorros de energía son los principales objetivos de diseño, [13] [14] los motores de inducción pueden diseñarse para cumplir y superar los estándares de eficiencia superior de la Asociación Nacional de Fabricantes de Electricidad (NEMA). [13] [14] [7]
El Comité de Recursos Naturales y Energía del Senado de los EE. UU. Adoptó una disposición defendida por NEMA que creó un programa de reembolso de motores de alta eficiencia energética, también conocido como programa de "aplastamiento por crédito", según la Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos (NEMA). El programa proporcionó un reembolso de $ 25 por caballo de fuerza y un reembolso de $ 5 por caballo de fuerza para la eliminación del motor viejo. El último programa era necesario para compensar la diferencia de costo entre los motores nuevos, más caros y eficientes y el menor costo de reparar los motores más antiguos e ineficientes, dice NEMA. Este programa permitió al gobierno federal gastar $ 350 millones en incentivos para la adopción generalizada de motores NEMA Premium.
La disposición sobre "Crush for Credit" contenida en la versión del Senado de la "Ley de Política y Conservación Energética" (EPCA) duró cinco años e incluía la siguiente financiación propuesta: [15]
Dentro de la UE, varios esquemas de asignación de capital alientan a las empresas a comprar equipos que incorporan motores de eficiencia superior. Por ejemplo, en el Reino Unido, el sistema mejorado de asignaciones de capital [16] proporciona un incentivo fiscal a las empresas que invierten en equipos que cumplen los criterios de ahorro de energía publicados. La Energy Technology List (ETL) detalla los criterios para cada tipo de tecnología y enumera los productos en cada categoría que los cumplen. Está gestionado por Carbon Trust , en nombre del Gobierno, y consta de dos partes:
El ETPL también contiene detalles de los valores máximos de declaración [18] para productos calificados que comprenden un componente en una planta y maquinaria más grande, que en sí mismo no califica para ECA.
Las características clave del esquema ECA son
Un sistema similar en Irlanda, Accelerated Capital Allowance (ACA) gestionado por Sustainable Energy Ireland (SEI) [20] permite a una empresa reducir su renta imponible en un 100% del coste de capital de los equipos de eficiencia energética elegibles en el primer año de compra. Esto se compara con solo el 12,5% para plantas y maquinaria no elegibles.
Con la estructura impositiva existente de las asignaciones de capital, cuando se gasta dinero en "bienes de capital", las empresas pueden deducir el costo de este equipo de sus ganancias proporcionalmente durante un período de 8 años, es decir, la utilidad imponible anual solo se reduce en 1/8 de la costo total del equipo.
Con la nueva ACA, cuando se gasta dinero en "Equipo de capital de eficiencia energética elegible", la empresa puede deducir el costo total de este equipo de sus ganancias en el año de compra, es decir, la ganancia imponible en el año uno se reduce por el costo total de el equipamiento.
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