Eficiencia y pérdidas de máquinas eléctricas

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Independientemente del tipo de máquina eléctrica elegida para un trabajo en particular, la eficiencia es importante por varias razones.

Primero, y quizás el más obvio, una máquina menos eficiente costará más operar.

En segundo lugar, las pérdidas en la máquina se convierten en calor, lo que eleva la temperatura de funcionamiento de la máquina. La vida útil del aislamiento está fuertemente relacionada con la temperatura de funcionamiento. Por lo tanto, la máquina debe estar diseñada para soportar el calor generado por sus pérdidas.

Finalmente, al analizar el sistema eléctrico, es necesario tener un modelo de la máquina que dé cuenta de las pérdidas.

Como siempre, la eficiencia es simplemente la potencia de salida dividida por la potencia de entrada:

$begin{array}{*{20}{c}}{eta = frac{{ Potencia{rm{ }}out}}{{ Potencia{rm{ }}i}} times 100% = frac{{{P_{salida}}}}{{{P_{entrada}}}} times 100% }&{}&{left(1 right)}end{matriz}$

Definir las pérdidas en la máquina como PpérdidaLa ecuación 1 se puede escribir de otras formas:

$begin{array}{*{20}{c}}{eta = frac{{{P_{out}}}{{{P_{out}} + {P_{loss}}}} times 100 % }&{}&{left( 2 right)}end{matriz}$

$begin{array}{*{20}{c}}{eta = frac{{{P_{in}} – {P_{loss}}}}{{{P_{in}}}} times 100% = left( {1 – frac{{{P_{pérdida}}}}{{{P_{in}}}}} right) times 100% }&{}&{left( 3 right)}end{editar}$

La elección de usar la ecuación 1, 2 o 3 a menudo depende de lo que sabemos sobre el motor y su condición de funcionamiento.

Es importante tener en cuenta que las máquinas eléctricas se clasifican en términos de potencia de salida. Entonces, un motor de 50 HP es capaz de entregar 50 HP a una carga y un generador de 100 kVA es capaz de entregar 100 kVA. Obviamente, la entrada del motor sería de más de 50 HP (37,3 kW) y la entrada del generador sería de más de 100 kVA veces el factor de potencia de carga del generador.

Hay casos en los que se puede medir la potencia de entrada de un motor y calcular las pérdidas aproximadas de la máquina a partir de los datos del fabricante (por ejemplo, pérdidas sin carga y resistencia del devanado).

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Dado que la salida de un motor es trabajo mecánico, es difícil medir la potencia de salida de un motor. Por lo tanto, podríamos estimar la potencia de salida y la eficiencia utilizando cantidades de entrada.

La eficiencia de una máquina eléctrica a menudo se determina midiendo las pérdidas. Los estándares de medición están definidos por ANSI C50, IEEE 112 y NEMA MG1, entre otros.

Las técnicas especificadas en las normas son bastante elaboradas y pocos laboratorios están calificados para implementarlas. Los tipos de pérdidas en una máquina eléctrica son básicamente los mismos independientemente del tipo de máquina. La cantidad de pérdida en cada categoría depende de la cantidad de bobinados, el tipo de núcleo y si la máquina tiene escobillas, etc.

Tipos de pérdida

Pérdidas de cobre

resistente o yo2Las pérdidas R en el devanado de una máquina a menudo se denominan pérdidas de cobre. Como es bien sabido, la resistencia de un conductor varía con la temperatura y la frecuencia. Por lo tanto, por convención, las pérdidas en el cobre de un devanado se calculan utilizando la resistencia de CC del devanado a 75 °C.

La resistencia real, por supuesto, será diferente, por lo que la diferencia entre la pérdida de cobre real y la calculada se incluye en la categoría de pérdidas parásitas (ver «pérdidas parásitas»).

En el caso de máquinas síncronas y de corriente continua con campos devanados, las pérdidas asociadas a los devanados de campo se atribuyen a la máquina; sin embargo, las pérdidas asociadas con las fuentes de alimentación de CC se cargan al resto del sistema.

La pérdida por contacto de la escobilla también se incluye en las pérdidas de cobre para las máquinas de CC, pero generalmente se ignora para las máquinas de CA (rotor síncrono e inductancia devanada). Las pérdidas en el cobre son una función de las corrientes de los devanados, por lo que varían mucho a medida que la máquina pasa de estar sin carga a carga completa.

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Pérdidas mecánicas

Esta categoría incluye pérdidas por fricción y viento.

La fricción se produce en los cojinetes que soportan el eje del rotor y entre las escobillas y los conmutadores o anillos deslizantes.

La deriva es básicamente la fricción del fluido debido a la rotación del rotor y el ventilador en El aire.

Estas pérdidas se pueden determinar conduciendo la máquina a la velocidad nominal sin ninguna carga ni excitación, aunque a menudo se agrupan con la pérdida del núcleo y se determinan juntas.

Para máquinas que operan a velocidad constante o casi constante, las pérdidas mecánicas son esencialmente constantes. La mayoría de las máquinas de CA estarían incluidas aquí a menos que estén impulsadas por un variador de velocidad.

Las máquinas de CC, por otro lado, son capaces de operar en un amplio rango de velocidades, por lo que las pérdidas mecánicas varían con la velocidad.

Pérdidas de núcleo

Las pérdidas en circuito abierto o sin carga incluyen histéresis y pérdidas por corrientes de Foucault en el eje de la máquina, medidas sin carga.

La suma de las pérdidas mecánicas y del núcleo es la pérdida rotacional sin carga. Las pérdidas sin carga se pueden determinar operando la máquina con excitación nominal sin carga y luego midiendo la potencia de entrada.

En las máquinas de CC, la distorsión del campo puede aumentar considerablemente la pérdida del núcleo a medida que aumenta la carga. La diferencia se sitúa en la categoría de pérdidas parasitarias.

pérdidas parasitarias

Las pérdidas parasitarias incluyen todo aquello que no es tenido en cuenta por los métodos utilizados para determinar las categorías anteriores. Por convención, la pérdida parásita se considera igual al 1% de la salida de las máquinas de CC. Se encuentra probando máquinas de CA.

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Consideraciones de eficiencia

Dado que algunas de las pérdidas de la máquina son constantes y algunas varían con la carga, la eficiencia de una máquina determinada variará con la variación de la carga.

Sin ninguna carga, por supuesto, la eficiencia será cero. A medida que se agrega carga a la máquina, la potencia de salida tiende a aumentar más rápido que las pérdidas y la eficiencia aumenta hasta que alcanza un valor máximo para la máquina. A medida que aumenta la carga, la eficiencia disminuye, lo que indica que las pérdidas aumentarán más rápido que la carga.

Por lo general, el punto de máxima eficiencia está alrededor del 70-80% de la carga nominal, especialmente para motores. Afortunadamente, la curva de eficiencia suele ser bastante plana entre el 50 % y el 100 % de la carga nominal. Por lo tanto, un motor ligeramente sobredimensionado no incurrirá en una penalización de rendimiento significativa.

Otra consideración de eficiencia es que los motores se fabrican en líneas de ensamblaje y, como la mayoría de los productos fabricados, se permiten ciertas tolerancias. Esto significa que es probable que dos motores del mismo modelo de un fabricante tengan una eficiencia ligeramente diferente debido a las variaciones en los componentes del motor.

Dado que las pérdidas de calor ocurren en la máquina, es importante considerar los efectos del calor en la vida útil de la máquina y proporcionar medios para eliminar el calor.

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