Perspectiva sobre la eficiencia del motor eléctrico en la industria en calidad de
ingeniero mecánico en formación
Ensayo Investigativo
Autor
Juan Miguel Acosta Hernandez
Presentado a:
Profesor Jesús Atencia De La Ossa
Universidad De La Costa
Barranquilla, Atlántico
2023
Perspectiva sobre la eficiencia del motor eléctrico en la industria
en calidad de ingeniero mecánico en formación.
A mediados de 1981 el científico británico Michel Faraday, fue nombrado como autor del
principio de la conversión de la energía eléctrica en energía mecánica por medio de electroimanes.
Este principio como trabajo de investigación, estímulo en la invención de las maquinas eléctricas
como se logran apreciar hoy en día, a mediados de la década de 1880. Karl Marx expreso lo
siguiente: “la electricidad causaría una revolución de mayores alcances que la que se vivía en la
época con las máquinas de vapor.” (Jaime Burbano, 2018).
La idea antes mencionada de Karl Marx, refleja la veracidad partiendo del consumo
energético presente en los equipos encontrados en el sector industrial tales como bombas
hidráulicas, compresores de aire, elevadores, transformadores, etc. (Vieira, 2021).
El presente ensayo de investigación orienta al motor eléctrico como la maquina más
frecuente en las operaciones de los equipos utilizados en la producción, se denomina al motor
eléctrico como una máquina eléctrica que transforma energía eléctrica en energía mecánica por
medio de campos magnéticos, los motores eléctricos se componen de: el estator (Bobinados), la
carcasa, la base, el rotor, la caja de conexiones, las tapas y los cojinetes, sin embargo un motor
puede funcionar solo con el estator y el rotor. (Jaime Burbano, 2018).
El uso de motores eléctricos en el sector industrial es la alternativa más habitual para
trabajar en la mejora de la eficiencia energética debido a que estos motores ofrecen numerosas
ventajas en comparación con los motores de combustión interna. Los motores eléctricos son
energéticamente más eficientes, tienen menor impacto ambiental y en cuanto a su funcionamiento
el motor de inducción trifásico es más suave y silencioso. Estos motores suelen ser altamente
eficientes y esto se debe a su alta relación potencia-peso. Además, estos motores ofrecen la
posibilidad de una mayor precisión en el control del motor y pueden ser fácilmente integrados en
sistemas de control de procesos automatizados, es decir un control más preciso y más rápido de
los procesos industriales, lo que conduce a una mayor eficiencia energética y a una reducción de
los costos.
En este aspecto (OEK Onwunta, 2011), Expone lo siguiente; Un sistema de accionamiento
por motor eléctrico (EMDS) es un sistema cuyo motor principal es un motor eléctrico. A nivel
mundial el EMDS consume al menos 7.000 TWh anuales, lo que representa aproximadamente el
45% del consumo final de electricidad lo que lo convierte en el mayor usuario final de electricidad.
Las estimaciones globales sugieren que el 40% de la electricidad industrial es consumida por
motores eléctricos, y las estimaciones sudafricanas sugieren alrededor del 60%. Dichos sistemas
pueden describirse básicamente como cargas de par variable, par constante o potencia constante,
dependiendo de sus características de carga. El tipo de carga más común tiene características de
par variable, donde la potencia y el par son proporcionales a la velocidad. Este tipo de carga lo
logramos observar en ventiladores, o en bombas centrifugas, esto significa que el par varía a una
tasa proporcional al cuadrado de la velocidad y la potencia varía como el cubo de la velocidad,
alcanzando el 100% de par y potencia de carga a una velocidad definida.
Con una carga de par constante, el par es independiente de la velocidad. Por lo tanto, el
par de carga permanece constante en el rango de velocidad y la salida varía linealmente con la
velocidad para cargas de par constante. Las aplicaciones comunes incluyen sistemas de transporte,
bombas de desplazamiento positivo, montacargas y grúas. Por otro lado una carga de potencia
constante, el par aumenta a medida que disminuye la velocidad y viceversa. Un buen ejemplo de
este tipo de carga son las bobinadoras, donde el aumento del grosor del rollo aumenta el par pero
disminuye la velocidad. Las máquinas herramienta tales como tornos y fresadoras exhiben tales
características operativas. Considerando el ámbito de la ingeniería mecánica, el sector industrial
ha demostrado ser una opción eficaz para mejorar la eficiencia energética. Esto se debe en gran
parte a su capacidad de convertir la energía eléctrica en energía mecánica de manera eficiente,
reduciendo el desperdicio de energía lo que les permite funcionar a velocidades y cargas
específicas, evitando el consumo de energía excesivo. También se pueden utilizar variadores de
frecuencia para mejorar la eficiencia energética de los motores instalados previamente. En general,
el uso de motores eléctricos contribuye a la sostenibilidad y ahorro de costos en el sector industrial.
Las empresas tienen como propósito principal cumplir con el imperativo mundial de
adoptar medidas para reducir el consumo de energía mediante normativas. En Colombia se halla
la normatividad en eficiencia energética se conforma por una formulación de lineamientos para
promover estrategias transversales entre los responsables de la base del desarrollo energético. “La
transición energética también se facilita al promover el crecimiento sostenible, eficiente,
tecnológico, ambiental y social.” (Acosta Marco, 2013).
La caracterización energética y la calidad de la energía eléctrica son una herramienta de
diagnóstico esencial para determinar la eficiencia energética de la propia empresa considerando
los equipos individuales y líneas de proceso. También se detalla el historial cuanto al consumo de
energía eléctrica y detalles de tonelaje entregadas en planta, encontrando diferentes potenciales de
ahorro, por medio de la reducción de la energía no asociada a la producción (ENAP), reducción
en el consumo de energía eléctrica por gestión del mantenimiento afirma. (Acosta Marco, 2013)
De acuerdo de las anteriores afirmaciones el motor eléctrico especialmente el motor
eléctrico trifásico Se ha convertido en una mejor opción y más popular en la industria que los
motores de CC.
Considerando el motor eléctrico trifásico, estos funcionan con energía trifásica. Esto quiere
decir que son impulsados por tres corrientes alternas de la misma frecuencia, alcanzando un valor
máximo alternativamente. Potencias hasta 300 kW y velocidades de 900 a 3600 rpm. Una línea de
3 hilos se usa para transmisión, mientras que una línea de 4 hilos se usa para uso final y representa
tres fases y neutro, En la industria, los motores trifásicos son de uso común pues generan un 150
% más de potencia que los motores monofásicos y el campo magnético giratorio se produce en
tres fases. Los motores monofásicos pueden producir ruido y vibraciones al funcionar, mientras
que los motores trifásicos son más caros, no producen tales vibraciones y son menos ruidosos.
(Enríquez, 1996)
Por otro lado (OEK Onwunta, 2011) Expresa que esto se debe por sus características
únicas, construcción simple, bajo costo, robustez, alta confiabilidad y disponible en un amplio
rango de potencia. “Ampliamente utilizados en procesos industriales, los motores de inducción de
CA se denominan caballos de batalla de procesos industriales. Gracias en gran parte a la
electrónica de potencia y los controles digitales, los motores de inducción han podido agregar el
término 'caballo de carreras de alta tecnología' a su etiqueta de 'caballo de batalla de la industria'.
Los motores de inducción son su propio "peor enemigo", por así decirlo, porque son "invisibles e
inconscientes" porque son confiables, silenciosos y requieren poco o ningún mantenimiento. A
pesar de que los motores de inducción se consideran un producto altamente confiable y maduro,
nos esforzamos constantemente para mejorar la eficiencia y la confiabilidad.”
Por consiguiente la eficiencia es uno de los factores de rendimiento de los motores
eléctricos. Es una medida de la eficiencia con la que la energía eléctrica se convierte en energía
mecánica, expresada como la relación entre la potencia de salida y la potencia de entrada.
Ilustración 1 Eficiencia del motor eléctrico.
La eficiencia del motor generalmente se cotiza a la carga nominal, pero también se puede
cotizar al 75% y al 50% de las cargas. La eficiencia del motor depende principalmente de la carga,
la potencia nominal y la velocidad (OEK Onwunta, 2011)
Considerando la velocidad (Narciso Castro, 2017), nos indica mediante el ensayo de
laboratorio que un motor con la misma potencia nominal, con velocidades altas, tienen más
eficientes a la carga nominal que los motores con velocidades nominales más bajas. A su vez
resalta que “El motor puede estar desalineado o sobredimensionado para la carga esperada en la
operación. Muchas veces se plantea la necesidad de sustituir motores como forma de ahorrar
energía pero estos no tienen en cuenta los costos de operación y el ahorro real que se consigue
aplicando tal medida. Para calcularlo se necesita determinar las horas de operación, los valores de
mejora de la eficiencia y la carga. La carga parcial es un término usado para describir la carga
actual.”
En este contexto, el costo de hacer funcionar un motor debido a su consumo de energía
hace que la eficiencia sea un parámetro importante en la selección del motor. En este marco, en
1974 algunos fabricantes comenzaron a utilizar métodos para diseñar motores con eficiencias
superiores a las exigidas por la norma NEMA. Por lo tanto, se desarrolló una serie de motores de
alta eficiencia con un 25 % menos de pérdidas que el motor NEMA B. Este fue llamado el motor
de alta eficiencia de primera generación, Al respecto, NEMA requirió en 1977 marcar la
clasificación de los motores trifásicos con una eficiencia nominal NEMA, y especificar el rango
de eficiencia para cada clasificación y la eficiencia mínima para el presente motor en cuanto el
diseño, “NEMA B en la norma MG1.1997 recomienda hacerlo”. (Enrique Ciro, Luis Mantilla,
2004).
Mas adelante En 2014, IEC publicó la norma IEC 60034-30-1 "Clase de eficiencia para
motores de CA alimentados por línea (código IE)". Esto estableció la equivalencia entre los
motores IEC y NEMA europeos y las clases de eficiencia designadas IE1, IE2, IE3, IE4. Siendo
IE1 la eficiencia eléctrica estándar, IE2 como alta eficiencia, IE3 Eficiencia Premium e IE4 como
Súper Premium; que mediante la normativa antes mencionada debe cumplir los niveles de
rendimiento servida por el motor en comparación con la capacidad nominal, un ejemplo de ello“Los motores con potencias entre 0,75 kW y 375 kW deben cumplir con la eficiencia IE3 o la
eficiencia eléctrica IE2 cuando se utiliza un convertidor de frecuencia.” (Enrique Ciro, Luis
Mantilla, 2004).
En consecuencia de mejorar la eficiencia del motor eléctrico en el sector industrial, se debe
tener presente algunos factores, una de ellos son las pérdidas, debido a que la eficiencia energética
de un motor eléctrico como convertidor de potencia se ve afectada negativamente por las pérdidas
que se producen durante el funcionamiento. Para profundizar lo expuesto (OEK Onwunta, 2011)
en su estudio menciona algunos factores a continuación que causa pérdidas en el motor eléctrico.
Pérdidas eléctricas (estator y rotor) (varía con la carga): La corriente a través de los devanados del
motor produce pérdidas proporcionales al cuadrado de la corriente multiplicado por la resistencia
del devanado (𝐼 2 𝑅 ). Las pérdidas del rotor también aumentan con el deslizamiento.
Pérdidas de hierro (núcleo) (esencialmente independientes de la carga): estas pérdidas se
limitan principalmente al núcleo del estator y a menor medida al rotor. Los campos magnéticos,
que son esenciales para la generación de par motor, provocan histéresis y pérdidas por corrientes
de Foucault.
Pérdidas mecánicas (fricción y viento) (esencialmente independientes de la carga): Las
pérdidas mecánicas ocurren en cojinetes, ventiladores y sellos del motor. Estas pérdidas suelen
ser pequeñas para motores de baja velocidad, pero pueden ser significativas para motores grandes,
de alta velocidad o completamente cerrados.
Pérdida de carga adicional (pérdida de carga dispersa), Pérdidas fundamentales y de alta
frecuencia adicionales en el hierro. Pérdidas por hilo y corrientes circulantes en las bobinas del
estator. Pérdidas armónicas en los conductores del rotor cargados. Insinuando que estas pérdidas
son proporcionales al cuadrado del par.
En esta medida se puede mejorar la eficiencia “reduciendo las perdidas en el motor.” Es
necesario determinar con precisión el estado energético actual de la maquina (factor de carga,
eficiencia, factor de potencia, antigüedad, etc.) para mejorar la eficiencia, se deben reducir las
pérdidas del motor, y esto se logra mediante cambios en el diseño, materiales de alta calidad y
mejores procesos de fabricación. Un motor que muestra una alta eficiencia a una carga constante
puede hacer más o la misma cantidad de trabajo con menor potencia a la de un motor estándar se
puede observar mediante cálculos como factor de carga, factor de servicio, potencia del motor, de
allí se obtiene la eficiencia en función de la potencia, asevera. (ELECTRICA, 2010)
Otro punto a tener en cuenta según lo sujeto anteriormente es la flexibilidad y la
adaptabilidad de los motores eléctricos. Pues estos permiten una amplia gama de velocidades de
funcionamiento y posibles configuraciones constructivas, lo que los hace idóneos para su uso en
numerosos tipos de dispositivos. Es debido a esto, que los motores eléctricos pueden usarse en
vehículos y en maquinarias con distintas configuraciones y potencias, asegurando su eficiencia en
cada una de ellas. Además, los motores eléctricos están diseñados para tener una larga vida útil y
un bajo costo de mantenimiento. Por lo tanto, son una inversión a largo plazo para cualquier
empresa, con ahorros importantes en consumo de energía y costos de mantenimiento en
comparación con otras tecnologías de propulsión. La característica para mejorar la eficiencia es
para ahorrar energía con mayor producción, esto indica que el motor eléctrico sea una buena
aplicación industrial.
En definitiva, los motores eléctricos son una solución ingenieril compacta, flexible,
eficiente y económica que todavía tiene un gran potencial para la industria. A medida que la
tecnología avanza, los motores eléctricos seguirán evolucionando, mejorando su eficiencia,
rendimiento y facilidad de mantenimiento. Convertirse en un pionero en la adopción de tecnologías
eléctricas reducirá el impacto económico y ambiental de la energía en la industria, además de
ofrecer oportunidades para la innovación y la mejora continua en el sector. En mi opinión como
estudiante de ingeniería mecánica, creo que el uso de motores eléctricos en el sector industrial es
una opción muy atractiva para mejorar la eficiencia energética y reducir el impacto ambiental, En
cuanto a la reducción del impacto ambiental, los motores eléctricos son una excelente opción
porque no emiten gases de escape. A medida que la industria se enfoca cada vez más en la
reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero, los motores eléctricos son una solución
prometedora. También hay una mayor disponibilidad de fuentes de energía renovable como la
energía solar y la energía eólica, lo que significa que la electricidad utilizada para alimentar los
motores eléctricos puede ser generada de manera más sostenible, Sin embargo, para que los
motores eléctricos sean implementados con éxito en el sector industrial, es necesario que se realice
una planificación cuidadosa y que se consideren varios factores los estándares de eficiencia pueden
ser voluntarios u obligatorios en diferentes partes del mundo, considerando la condición de
funcionamiento según IEC, servicio continuo o periódico, potencia y tensión nominal. Uno de los
principales obstáculos es que los motores eléctricos son más caros en comparación con los motores
de combustión interna, lo que significa que se necesita un mayor capital inicial para adquirir y
mantener estos motores. También hay desafíos relacionados con la infraestructura necesaria para
la carga de baterías y la integración de sistemas de control de procesos automatizados dependiendo
de la adecuada eficiencia que trabaja el motor, a la hora de medición en cuanto al mantenimiento,
se debe mantener los mecanismos bien lubricados libre de polvo o impurezas en el material, esto
se trabaja con fines de diseño de fabricación refiriendo al área de formación de la ingeniería
mecánica.
Bibliografía
Acosta Marco. (2013). Diagnóstico de la calidad de la energía eléctrica y caracterización
energética en la empresa alimentos cárnicos S.A.S. sede Barranquilla. Barranquilla:
Ingeneria Electica.
ELECTRICA, P. I. (2010). AHORRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE MOTORES
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DE AHORRO Y EFICIENCIA DE ENERGIA ELECTRICA.
Enrique Ciro, Luis Mantilla. (2004). MOTORES ELECTRICOS DE ALTA EFICIENCIA . Valle
Del Cauca: Revista Energia y computacion .
Enríquez, G. (1996). Curso de transformadores y motores trifásicos de inducción . México :
Limusa Noriega: CDD: 621.314.
Jaime Burbano. (2018). Reparación de una Bicicleta Eléctrica Proyecto Técnico. Quito:
UNIVERSIDAD SAN FRANCISCO DE QUITO USFQ.
Narciso Castro. (2017). Prácticas de Laboratorio de Máquinas Eléctricas para el Análisis de la
Eficiencia. Baranquila Atlantico: Universidad De La Costa.
OEK Onwunta, M. K. (2011). ENERGY EFFICIENCY AND RELIABILITY IMPROVEMENT
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Proceedings of the 8th Conference on the Industrial amd Commercial Use of Energy.
Vieira, R. S. (2021). Energy losses caused by refurbished motors: measurement and policy
proposal. Brazil: SPRINGERVAN GODEWIJCKSTRAAT 30, 3311 GZ DORDRECHT,
NETHERLANDS.
Tabla de imágenes
Ilustración 1 Eficiencia del motor eléctrico. ...................................................................... 5