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Comparación motores asíncronos con los motores de imanes permanentes

Tras las pruebas en una depuradora se demuestra que los motores síncrono de imanes permanentes tiene un rendimiento mejor que el motor asíncrono

Comparación motores asíncronos con los motores de imanes permanentes

Se ha escrito mucho acerca de las ventajas del empleo de motores eléctricos de clase IE3 y de las mejoras del rendimiento que se pueden obtener respecto a los motores IE2. No obstante, una vez se haya optado por las ventajas del motor eléctrico IE3, a fin de maximizar dichas ventajas es importante también asegurarse de que la construcción y el tipo del motor estén perfectamente indicados para la aplicación.

Realizar la selección correcta es una tarea relativamente sencilla para las aplicaciones de velocidad constante, pero la aplicación de estos principios a una aplicación que requiere velocidades, sentidos de giro y cargas variables es una tarea algo más compleja. En este sentido, los cálculos teóricos que se realicen constituyen sólo un primer paso; estos cálculos deben luego ser demostrados en una situación real para que tengan suficiente credibilidad.

Teniendo esto presente, Bauer Gear Motor, una empresa del grupo Altra Industrial Motion y uno de los principales fabricantes de motorreductores, se dispuso a demostrar las ventajas de un motor síncrono de imanes permanentes en una aplicación industrial real.

Las plantas depuradoras de aguas residuales operan de modo continuo y emplean motores eléctricos en la mayoría de sus procesos. El funcionamiento durante las 24 horas del día significa que cualquier proyecto cuyo objetivo sea el ahorro de energía generará rápidamente resultados y la amortización de la inversión inicial. Además, significa que los equipos deban ser fiables para poder minimizar los tiempos de parada.

Una parte de la depuración de aguas residuales consiste en la deshidratación de los fangos, un tratamiento que facilita posteriormente el transporte eficaz de los sólidos residuales para su conversión en abono agrícola, mientras que el líquido se reprocesa en la planta. En este proceso se emplea un motor eléctrico de 2,2 kW que acciona un tornillo de Arquímedes, el cual prensa el fango y extrae el agua. Es aquí donde Bauer instaló su motor eléctrico para los ensayos.

La disposición inicial de la prensa de fangos comprendía un variador de frecuencia Danfoss y un motorreductor para el accionamiento del tornillo cónico. El variador de frecuencia fue programado para monitorizar las cargas de cada motor y asegurar así un funcionamiento con un rendimiento óptimo. Para estar seguros de que las posibles diferencias de rendimiento pudieran atribuirse a los motores, se empleó el mismo reductor Bauer en cada tren cinemático. Los parámetros de velocidad y presión fueron seleccionados por el operador de la planta en función del contenido de agua indicado para el transporte del material sólido.

En la prensa de fangos se efectúan generalmente dos procesos –prensado y enjuague–, los cuales imponen exigencias muy diferentes en el motor de accionamiento.

En el caso del prensado, el cual ocupa la mayoría del tiempo, el motor funciona a una velocidad reducida, con el variador de frecuencia a 10 20 Hz. La carga del motor depende del contenido de agua que el operador de la planta desee, pero en general suele ser aproximadamente el 70% de la capacidad nominal. En el arranque, la carga puede ser mayor debido a la inercia del tornillo, así como al remanente de fango seco que hubiera quedado en la prensa.

Después de varios ciclos de prensado, debe limpiarse el tornillo y la criba, lo cual se realiza mediante la inversión del giro del motor y la inyección de agua para el enjuague de los órganos internos. La carga del motor en este caso es relativamente reducida –aproximadamente 35% de la capacidad nominal–, pero la velocidad es mucho mayor, con una frecuencia de alimentación de 50 80 Hz.

Para empezar, se instaló un motor asíncrono (ASM en sus siglas inglesas) IE2 de 2,2 kW en la prensa de fangos y se programó el variador de frecuencia Danfoss para realizar el registro de los parámetros de velocidad, carga y rendimiento, lo que permitiría su presentación en forma gráfica para posterior análisis.

Una vez obtenida una cantidad suficiente de datos, se desmontó el motor asíncrono y se instaló en su lugar un motor síncrono de imanes permanentes (PMSM en sus siglas inglesas) IE3 de 2,2 kW para el mismo trabajo en la prensa. Una vez más, se obtuvieron los datos correspondientes en forma gráfica para su análisis.

Los resultados iniciales indicaron que el motor síncrono de imanes permanentes tenía un rendimiento significativamente mayor durante el ciclo de prensado, obtenido con el motor funcionando a 15 Hz con una carga de 10 Nm.

Los datos permitieron también comparar los motores a medida que se incrementaba la carga y se reducía la velocidad hasta una frecuencia de 10 Hz. Esto indicó una ventaja clara del motor síncrono de imanes permanentes, con un rendimiento mucho mayor, especialmente a carga parcial.

En cuanto al ciclo de enjuague, el motor asíncrono estaba en desventaja debido a la carga parcial, mientras que el motor síncrono de imanes permanentes ofrecía los mejores valores. Las prestaciones generales de cada motor pueden ilustrarse mejor mediante una gráfica tridimensional que representa el rendimiento en función de la carga y la velocidad. La figura 3 muestra el rendimiento del motor asíncrono y la figura 4 el rendimiento del motor síncrono de imanes permanentes.

Las mejoras del rendimiento se traducen en economías de costes, las cuales tendrán un efecto significativo en el coste total de propiedad.

Markus Kutny, especialista de productos PMSM de Bauer Gear Motor, comenta: “En el mercado actual, el rendimiento energético es definitivamente uno de los factores clave determinantes a la hora de proyectar sistemas con motorreductores. La tendencia de los precios de la energía es al alza, por lo que es importante considerar los costes de explotación de un accionamiento durante toda su vida útil, en lugar de sólo el coste de adquisición. Hemos desarrollado la nueva gama de motores eléctricos anticipándonos a la nueva clasificación IE4 para ofrecer a nuestros clientes el mejor rendimiento”.

“La amplia gama de velocidades, así como el alto rendimiento a cargas parciales, facilitan la tarea del diseño al proyectista, ya que el sobredimensionamiento no tiene ningún efecto significativo en el rendimiento”.

Además, la tecnología del motor síncrono de imanes permanentes puede reducir considerablemente la cantidad de variantes necesarias, ya que un motor síncrono de imanes permanentes puede suplir entre tres y cinco motores asíncronos, lo que conlleva una reducción de costes de inventario y una menor variedad de motores distintos.

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