Determinación de pérdidas eléctricas en motores de inducción modelados electromagnéticamente con el método de los elementos finitos

Determining electrical loss in electromagnetically-modelled induction motors using the finite element method

Este artículo presenta el comportamiento de las pérdidas eléctricas en un motor de inducción de jaula de ardilla de 7,5 kW de potencia operando con alimentación balanceada y desbalanceada, modelando al motor con el método de los elementos finitos y comparando los resultados con pruebas en laboratorio del motor seleccionado. Se analiza la variación de la densidad de flujo magnético en cuatro lugares de la máquina en diversas situaciones de carga y desbalance. Los resultados obtenidos muestran que desde el punto de vista de las pérdidas totales del motor, la operación desbalanceada con subvoltajes es la situación más crítica para la máquina. En cuanto a la variación de las pérdidas en las partes del motor, se encontró que las pérdidas en el hierro tienen un comportamiento constante al variar la carga para cada tipo de alimentación, y en el lugar que las pérdidas pre- sentan mayor aumento es en el rotor de la máquina.

Introducción

El ahorro de energía es un factor importante en el crecimiento económico de un país (Muravlev et al., 2005). Más del 50% del consumo de electricidad en Estados desarrollados y aproximadamente el 65% de la electricidad usada en la  industria  es  consumida por motores eléctricos (Belmans et al., 2005a, Belmans et al., 2004A). Aunque esta conversión de energía tiene una alta eficiencia, una pequeña mejora en la capacidad  por el uso de  motores  más eficientes puede conducir a ahorros significativos de energía eléctrica (Slaets et al., 2000). El tema de la eficiencia de motores toma cada vez más importancia, como lo muestra la construcción   de la base de datos de eficiencia de motores de la Comisión  Europea, llamada Eurodeem (Mertens, 2007).

En general, las máquinas eléctricas son eficientes y confiables cuando se usan apropiadamente, pero muchos factores en el diseño y operación de sistemas de maquinaria eléctrica pueden desperdiciar energía y causar fallas prematuras. Debido a su gran importancia económica y energética, es esencial optimizar la eficiencia y confiabilidad de los sistemas de máquinas eléctricas (Litman, 1995). Aún más: un reporte del centro de investigación adjunto a la Comisión Europea propone siete sistemas para que se pueda ahorrar cantidades sustanciales de energía, donde se identifica un potencial de ahorro total de 435TWh/año  en  Europa,  equivalente  a 200 millones de toneladas de emisiones de CO₂ (Bertoldi y Atanasio, 2007). Sorpresivamente, casi la mitad del potencial de ahorro reside en sistemas de motores eléctricos (De Keulenaer,  2007), de los cuales aproximadamente el 80% del consumo en  países desarrollados se debe a motores de inducción.  Considerando este potencial con respecto a los otros, se muestra la importancia que toma cada vez más este tema. Ahora bien, la mayoría de estos estudios se sitúan en la Comunidad  Europea; sin embargo, es de esperarse resultados similares en países en vía de desarrollo.