Más allá del IE5: estándar ‘oro’ en eficiencia de motores de compresores de aire

Como parte de un esfuerzo concertado en todo el mundo para reducir el consumo de energía, las emisiones de CO2 y el impacto de las operaciones industriales en el medio ambiente, las autoridades reguladoras de muchos países han introducido legislación para fomentar la fabricación y el uso de motores eléctricos de mayor eficiencia. Atlas Copco no solo ha tenido en cuenta estas consideraciones de eficiencia, sino que ha ido más allá para lograr la clase de eficiencia más alta, equivalente a IE5, en su tecnología de compresores de aire.

Veamos primero las regulaciones de la CE y las normas IEC

La Comisión Europea ha aprobado normas que estipulan los niveles mínimos de eficiencia para los motores eléctricos de baja tensión producidos y suministrados en Europa. El contenido de la normativa se centra en el uso de la energía y la eficiencia energética de los motores de inducción utilizados en entornos industriales. En el Reino Unido, se aplica el Reglamento de la UE 640/2009 y el suplemento 04/2014 y define los niveles mínimos de eficiencia para los motores de inducción.

Para ayudar a la conformidad con las regulaciones, la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) prepara y publica estándares internacionales para todas las tecnologías eléctricas, electrónicas y relacionadas. El alcance de estos estándares define los niveles de eficiencia junto con los avances en el desarrollo de la tecnología de motores y la innovación.

En la actualidad, las clasificaciones de eficiencia comprenden cinco niveles, tal como se define en IEC 60034-30-1:

IE1 – Eficiencia estándar

IE2 – Alta eficiencia

IE3 – Eficiencia Premium

IE4 – Eficiencia Súper Premium

IE5 – Eficiencia Ultra Premium

Cuando se trata de motores de accionamiento de compresores, existe una estrecha correlación entre las tecnologías de motores eléctricos y sus capacidades de nivel de eficiencia. En primer lugar, los motores de inducción monofásicos están limitados a los niveles IE1 e IE2, mientras que los motores síncronos de inducción trifásicos y de reluctancia conmutada pueden cumplir los criterios de categoría IE1, IE2, IE3 y, en algunos casos, IE4.

La introducción de motores de imanes permanentes (PM) ha aumentado considerablemente las oportunidades de alcanzar el nivel de eficiencia IE4 Super Premium. Además, la búsqueda del «santo grial» de la clasificación óptima de IE5 ha impulsado desarrollos innovadores de esta tecnología. Pero también ha revelado las limitaciones de ahorro de energía de los principios y diseños de motores más tradicionales.

Tecnología alternativa

Con los motores de inducción de CA que funcionan dentro de la banda de eficiencia superior al 90 % para la mayoría de las clasificaciones de potencia, es posible que no haya mucho más espacio para el desarrollo de este tipo de motor para producir eficiencias energéticas más altas.

Aquí es donde entran en juego los diseños de motores alternativos, como la tecnología de rotor de imanes permanentes (PM). A diferencia de los motores de inducción, que inducen un campo magnético secundario en el rotor, los motores PM utilizan imanes de alto rendimiento adheridos a la superficie externa del rotor para crear un campo magnético que siempre está presente. Esto elimina las pérdidas del rotor que se encuentran en el diseño del motor de inducción, lo que da como resultado una mayor eficiencia y un mejor factor de potencia.

Sin embargo, al ir más allá del motor PM, es posible dar pasos más importantes para cumplir o incluso superar el estándar IE5. Esto se ha logrado con la introducción del concepto de motor iPM (imán permanente interior).

Las ventajas del motor iPM

Un motor PM convencional, o SPM (imán permanente de superficie) para ser precisos, solo utiliza un par magnético para funcionar. Aunque esta tecnología supera las pérdidas del rotor, impone limitaciones de velocidad debido a la necesidad de asegurar los imanes giratorios y reducir el riesgo de que se desprendan por la fuerza centrífuga.

El motor IPM con su rotor de imanes permanentes incorporado no tiene este problema. Puede operar a velocidades más altas, lo que permite el acoplamiento directo al elemento de compresión en una relación de 1:1 y, como resultado directo, tiene hasta un 30% menos de pérdidas en comparación con los motores convencionales.

Hay otras características específicas relacionadas con el motor que contribuyen a la eficiencia general del compresor, incluido el verdadero accionamiento directo. Si el rotor del motor está acoplado directamente al rotor macho del elemento del compresor, no hay pérdidas de transmisión asociadas con engranajes o correas ni sello del eje.

Del mismo modo, si el aceite del compresor enfría el motor, que es efectivo a todas las velocidades de funcionamiento, no hay necesidad de un ventilador de enfriamiento que consuma energía y reduzca la eficiencia del motor. Esto es especialmente evidente cuando el motor funciona a baja velocidad. El aceite que enfría el motor calienta el aceite lubricante antes de que llegue al elemento del compresor y ayuda a evitar la condensación en condiciones de baja carga.

La alta capacidad de torsión de un motor iPM permite que el compresor arranque mientras aún está presurizado, por lo que no es necesario purgar el compresor cuando se detiene en el modo de espera. Como resultado, el aire que ya ha sido comprimido y por el cual el usuario ha pagado en consumo de energía, no se desperdicia.

Los motores de compresores de aire de diseño convencional tienen dos cojinetes, uno para el extremo impulsor del elemento y otro para el extremo opuesto al impulsor. Si el extremo impulsor se apoya en los cojinetes del elemento de compresión, el motor solo necesita un cojinete, lo que resulta en una reducción significativa de las pérdidas por fricción.

Atlas Copco va más allá de IE5

Atlas Copco ha tenido en cuenta todas estas consideraciones de eficiencia en su último avance en tecnología de compresores.

Alrededor del 90% de las aplicaciones de motores eléctricos, como ascensores, grúas o cintas transportadoras, por ejemplo, requieren un par variable y una velocidad constante. Sin embargo, la compresión de aire requiere un par constante y una velocidad variable; ya sea que un compresor VSD esté funcionando al 20% o al 100% de su velocidad, el par es en realidad el mismo. Y este ha sido uno de los principales motivos por los que Atlas Copco ha desarrollado su propio convertidor Neos y motor iPM de forma interna exclusivamente para el funcionamiento de compresores de aire, a diferencia de la mayoría de los demás fabricantes de compresores, que compran motores de uso general a importantes proveedores internacionales para incluirlos en sus ofertas.

Es una innovación cuyo rendimiento supera significativamente el equivalente del estándar mínimo IE5 para Super Premium Efficiency: la clasificación más alta para la eficiencia del motor en el Reino Unido.

En el concepto de Atlas Copco, el motor iPM patentado está directamente acoplado al elemento compresor. Ambos componentes fueron desarrollados específicamente para la gama de compresores estacionarios de tornillo rotativo GA VSD+ líder en la industria de la compañía.

Cuando se combina con el variador de frecuencia Neos integrado de marca propia de la empresa en los modelos de la gama GA37L VSD+ a GA110 VSD+, que ya ha demostrado producir ahorros de energía de hasta un 50%, es posible alcanzar el estándar IES2, que es la clase de eficiencia más alta definida en IEC 61800-9-2 para un motor y variador combinados.

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