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Breve técnica

Eficiencia energética de motores y generadores eléctricos

Francisco Antonio Carvajal Martínez carvajal@iie.org.mx

La ley de la conservación de la energía establece que ésta no se crea ni se destruye, sólo se transfor-ma. Cuando una forma de energía se transforma en otra, se produce una pérdida de energía apro-vechable, es decir, tales transformaciones no son eficientes.

El concepto de eficiencia energética tiene que ver con la cantidad de energía útil que se puede obte-ner de un sistema o de una máquina. Así también, este concepto se refiere a todas las acciones que ten-gan como objetivo una reducción económicamente factible de la cantidad de energía necesaria para sa-tisfacer las necesidades energéticas de una instala-ción determinada, asegurando un nivel de calidad igual o superior, y una disminución de los impactos ambientales negativos derivados de la generación, distribución y consumo de energía.

Actualmente, en México se han diseñado políticas públicas para el aprovechamiento sustentable de la energía, basadas en el fortalecimiento del marco normativo (Normas Oficiales Mexicanas) en mate-ria de eficiencia energética y por medio de la imple-mentación de programas de transición energética.

El Programa Nacional para el Aprovechamiento Sustentable de la Energía 2014-2018 indica que el mayor impacto de las acciones de eficiencia energé-tica se obtiene a través de la utilización de equipos con mayores niveles de eficiencia energética, y la aplicación de buenas prácticas y hábitos operativos de los equipos en relación al uso de energía. Debi-do a esto y considerando que las máquinas eléctri-cas rotatorias, que incluyen principalmente moto-res y generadores eléctricos, representan el equipo eléctrico de mayor consumo y generador de energía

eléctrica en el país. La Gerencia de Equipos Eléctricos (GEE) del Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) lleva a cabo proyectos relacionados a la evalua-ción de la eficiencia energética de motores de gran capacidad (mayores a 500 C. P.) y generadores eléctricos utilizados en centrales de generación.

La evaluación de la eficiencia energética de motores de gran capacidad forma parte de proyectos para lograr la eficiencia energética por el lado de la deman-da, los cuales incluyen acciones y prácticas dirigidas a reducir la demanda de energía. La evaluación de la eficiencia energética de generadores eléctricos utili-zados en centrales de generación forma parte de proyectos de eficiencia energé-tica por el lado de la oferta, esto es, el conjunto de medidas adoptadas para ga-rantizar la eficiencia a lo largo de la cadena de suministro de energía mediante la mejora de la operación, mantenimiento y rehabilitación, con tecnologías de vanguardia de los equipos actuales.

Fotografía 1. Motor eléctrico de media tensión de una central de generación.

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Boletín IIEjulio-septiembre-2014

Breve técnica

Como parte de las acciones y estrategias necesarias para cumplir con el ob-jetivo de reducir las pérdidas técnicas en las centrales de generación, la GEE realiza diagnósticos energéticos de motores eléctricos de media tensión utili-zados en los servicios propios de estas plantas, mediante metodologías basadas en mediciones en línea de parámetros de operación (fotografía 1). El cálculo de la eficiencia energética de los motores se realiza con base al método Ontario Hydro modificado (IEEE 112 Método “E” de pérdidas segregadas modifica-do). De este análisis energético (consumo motores actuales vs. consumo con motores propuestos) se realiza la propuesta de sustitución de los motores que incrementan la eficiencia y confiabilidad de su operación, y permiten reducir el consumo de energía en los servicios propios de las unidades generadoras. Estas propuestas de ahorro energético se evalúan económicamente para determinar su viabilidad.

En México existen centrales hidroeléctricas cuyos generadores eléctricos cuen-tan con varios años de operación y algunos de éstos han sido rehabilitados, modificados o lo serán a corto plazo, por lo que sus parámetros de diseño ori-ginales han sido o serán cambiados, afectando su eficiencia energética (foto-

grafía  2). Actualmente, la eficiencia energética del generador es un parámetro utilizado para los análi-sis relacionados a la gestión de las centrales genera-doras y se utiliza para dar soporte técnico a la toma de decisiones relativas a las actividades de mante-nimiento, rehabilitación, sustitución y operación eficiente de estos equipos.

La eficiencia de un generador eléctrico es la rela-ción que existe entre su potencia eléctrica de salida y su potencia de entrada, bajo condiciones especí-ficas de operación. En máquinas pequeñas, dichas potencias pueden ser obtenidas de manera directa con medidores de par mecánico y medidores de potencia eléctrica. Sin embargo, en equipos más grandes, donde la potencia mecánica no puede ser medida directamente, se requiere de métodos de prueba distintos para obtener la llamada eficiencia convencional, basada en la cantidad de pérdidas que presenta el generador.

Las normas IEC incluyen cuatro métodos princi-pales para la determinación de la eficiencia ener-gética en generadores eléctricos, uno de los cuales es el método calorimétrico, que puede ser usado en máquinas enfriadas por aire que circula a través de un sistema abierto o cerrado y es descrito en deta-lle en la norma IEC 34-2A. Para la evaluación de la eficiencia de generadores, la GEE utiliza este método que se basa en el hecho de que las pérdi-das en el generador (figura 1) son iguales al calor disipado a través del medio de enfriamiento, más el calor perdido por radiación y convección en la superficie de referencia del equipo. En la práctica, el método calorimétrico cuenta con mayores ven-tajas de aplicación en generadores hidroeléctricos, en comparación con los otros métodos incluidos en la norma, debido principalmente a que es un mé-todo de prueba no intrusivo. Todas las pérdidas de la máquina aparecen en forma de calor. La mayor parte del calor generado en condiciones de carga es removido del generador por el medio refrigerante, lo cual significa que las pérdidas pueden ser deter-minadas principalmente con base en la diferencia de temperatura a la entrada y a la salida del sistema de enfriamiento, más el calor perdido por radiación y convección en las superficies del generador.

Figura 1. Método calorimétrico implementado por la GEE del IIE.

Fotografía 2. Generador eléctrico de una central hidroeléctrica.