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Motores eléctricos de alta eficiencia: Motores síncronos de imán permanente y motores de reluctancia sincrónica.
Según algunos estudios, los motores eléctricos son responsables de aproximadamente el 45% del consumo total de energía eléctrica [1]. Si enfocamos el análisis en uno de los más energéticos-comer los ámbitos, el industrial, el porcentaje atribuible a los motores aumenta a alrededor de dos tercios. Considerando que varias de las máquinas actualmente en funcionamiento son obsoletas, es evidente que la sustitución por nuevos motores más eficientes daría lugar a importantes ventajas para el medio ambiente y la explotación de los recursos, así como en los costes de fabricación y luego en la competitividad. Estiman, por ejemplo, que en la única Europa, el uso de tecnologías de accionamiento de vanguardia en lugar de las obsoletas puede determinar una reducción de los consumos anuales en 135 TWh y de las emisiones de CO2 en 69 millones de toneladas [2]. Evaluando el ciclo de vida completo de un motor en funcionamiento constante, podemos verificar que el gasto relacionado con el consumo de energía representa con mucho el mayor porcentaje en el costo total (incluso más del 90%, [3]).
Por estas razones, en la Unión Europea, así como en los Estados Unidos, en China y en otros países, están en vigor planes reglamentarios que preven el cumplimiento obligatorio de los requisitos de eficiencia cada vez mayores para las nuevas instalaciones. Según la norma de rendimiento energético mínimo (MEPS), por ejemplo, los motores comercializados en el mercado de la UE desde enero de 2017 en el rango de potencia de 0,75 a 375 kW deben tener un nivel de eficiencia de IE3 o un nivel de eficiencia de IE2 si se alimentan con un inversor (véase la Fig. 1), con muy pocas excepciones.
Con la tecnología más difundida entre los motores de hoy, el motor asíncrono (o motor de inducción, IM), las mejoras exigidas en el futuro no serán posibles, al menos a costos razonables, y para todos los rangos de potencia. Estos aspectos, combinados con otros factores como la creciente conciencia de la importancia de disminuir el consumo de energía, están llevando a la adopción de motores escasamente difuntos hasta ahora, como los motores permanentes Magneto síncrono, PMSM, y los motores de resistencia sincrónica, SynRM, [4][5]. Esta clase de motores, de hecho, presenta características intrínsecas que permiten una notable mejora de la eficiencia y de la densidad de potencia, en particular muy bajas pérdidas de rotor.
Incluso si ya en los años ochenta los servomotores "sin escobillas" (es decir, Surface MountPMSM, SMPMSM) se han utilizado en la automatización industrial, gracias a su excelente controlabilidad y alta dinámica, la aplicación de máquinas eléctricas síncronas con rotor sin bobinado se ha mantenido limitada a aplicaciones particulares durante mucho tiempo. Por el contrario, en los últimos años, gracias a los factores mencionados en relación con la eficiencia y la disminución de los costes de producción de los motores y los inversores, la adopción de este tipo de motores se está extendiendo notablemente.
Clasificación de motores de CA
La mayoría de los motores de corriente alterna (CA) son trifásicos, incluso si hay algunas excepciones como en el caso de motores monofásicos y de paso (que generalmente son bifásicos). La distinción más importante es generalmente entre máquinas sincrónicas y asíncronas, diferencia basada en el hecho de que la velocidad de rotación mecánica, en estado estacionario, está estrictamente conectada (sincronía) o no con la frecuencia de rotación del campo magnético del estator. Esta diferencia se refleja concretamente en el hecho de que, para generar par en la máquina asíncrona, es necesaria la presencia de corrientes inducidas en el rotor, mientras que no es necesaria (y, por el contrario, no deseada) en las máquinas sincrónicas.
Las máquinas sincrónicas se caracterizan por el hecho de que el campo del rotor magnético está ligado geométricamente a la posición mecánica del propio rotor. El campo del rotor puede ser generado por una corriente que pasa a través de un devanado (motores sincrónicos con rotor bobinado), por imanes permanentes (imán permanente sincrónico) o por la corriente del estator en sí, modulada por la anisotropía magnética del rotor (reluctancia sincrónica).
Estructuralmente, tanto el rotor como el estator de las máquinas de flujo radial (que son, con mucho, la mayoría) se fabrican apilando laminaciones ferromagnéticas oportunamente blanqueadas, solución destinada a obstaculizar las corrientes parasitarias. El rotor es generalmente cilíndrico y puede ser equipado con espacios para alojar imanes permanentes o material conductor. En la Fig. 2 son esquematizados las secciones de los diversos tipos de motores que acaban de enumerar (con la excepción del sincrónico con rotor de la herida). Las áreas más oscuras (ranuras) corresponden a los bobinados, los imanes permanentes se indican en azul mientras que la zona gris de la sección representa el material ferromagnético (laminación). Como puede ver, la diferencia entre los diferentes tipos de motores se concentra en el rotor, mientras que el estátor (a menos que casos particulares) puede ser implementado de la misma manera. En el motor asíncrono, las ranuras del rotor se llenan por una fusión, que constituye la llamada "jaula de ardilla", generalmente de aluminio o, recientemente, de cobre (con costos más altos, para reducir pérdidas). En los motores magnéticos permanentes, en cambio, los imanes pueden introducirse en tallas de aposita dentro de la estructura del rotor (IPMSM y línea de inicio IPMSM) o aplicarse en la superficie en caso de SMPMSM. En el caso de SynRM, en cambio, las tallas dentro del rotor son simplemente nulas y llamadas "barreras de flujo", ya que realizan la función de aumentar la renuencia (es decir, la capacidad de oponerse al paso de flujo magnético) a lo largo de algunas direcciones, favoreciendo en cambio a otros (es decir, los caminos más caracterizados por la presencia de hierro).
A su vez, los motores síncronos pueden subdividirse de acuerdo con el principio de producción de par. En los motores magnéticos permanentes de superficie, la producción de par se produce sólo gracias a la interacción entre el campo generado por los imanes permanentes y la corriente del estátor. Viceversa, en motores de reluctancia, se explota la tendencia del sistema a minimizar la reluctancia de las trayectorias magnéticas, si se somete a excitación. En los motores de imán interno (IPMSM), ambos principios son generalmente explotados.
En la producción de imanes permanentes se utilizan materiales particulares para lograr valores de inducción altos y para evitar el riesgo de desmagnetización (generalmente relacionados con altas temperaturas o campos magnéticos altos). Los materiales más utilizados son el neodimio -hierro-boro, samario -cobalto y aluminio-níquel-cobalto. Especialmente en el caso de SMPMSM, la cantidad de material magnético activo es alta, con un peso fuerte de materias primas en el costo total. Esta condición se ve agravada por la fuerte variabilidad del precio de las llamadas "tierras raras" [7], elementos utilizados en pequeñas cantidades pero muy importantes para la calidad del imán. Además de los problemas de costo y disponibilidad, estos materiales suscitan también importantes cuestiones ambientales, políticas y éticas en relación con su extracción, comercio y eliminación. Por estas razones, se invierten enormes recursos en la investigación y desarrollo de diferentes materiales y, especialmente, en el proyecto de motores que minimicen el uso de imanes permanentes, [8], o que permitan el uso de los llamados ferritas, es decir, materiales magnéticos cerámicos que utilizan materiales menos problemáticos.
Alimentación a través del inversor y control
Un aspecto negativo de los motores sincrónicos deriva de la imposibilidad de alimentarlos simplemente conectándolos con la red (directo en línea, DOL), como ocurre en cambio para los asíncronos. Para el funcionamiento de motores de imán permanente sincrónico o de reluctancia, la presencia de un "accionamiento" es por lo tanto necesario, es decir, el conjunto que consiste en el inversor real (un actuador de potencia electrónico puro), del controlador electrónico y los algoritmos implementados en él. El algoritmo de control, implementado en un dispositivo digital, se actualiza con frecuencias en el orden de 10.000 veces por segundo. A pesar del coste adicional, vale la pena considerar la posibilidad de variar las condiciones de funcionamiento, en particular la velocidad, trae importantes ventajas en varias aplicaciones (especialmente bombas y ventiladores, donde permite ahorros de energía notables).
Control del inversor en PWM (modulación por duración de impulsos) es posible generar de forma eficiente una terna de tensiones que se caracterizan por amplitud, frecuencia y fases arbitrarias. Dado que en los motores sincrónicos el par depende de la amplitud de corriente y de su relación de fase con el eje magnético del rotor, en los algoritmos de control se utiliza generalmente la transformación de coordenadas del parque, llevando así el sistema trifásico a un sistema de referencia integral con el eje del rotor (Fig. 6). El conocimiento de la posición del rotor es entonces esencial para el control sincrónico del motor. En algunas aplicaciones, en las que no se requieren prestaciones de control particulares, es posible eliminar el sensor de posición mecánico, debido al coste y la disminución de la fiabilidad que se derivan de él. De hecho, se han desarrollado técnicas de control "sin sensor", donde se estima la posición del rotor aprovechando las mediciones de corriente y tensión (dentro del inversor y de todos modos necesarias) y el modelo de motor. Las técnicas sin sensor para motores sincrónicos, desarrolladas desde los años noventa, inicialmente encontraron aplicación en algunos casos específicos solamente. En los productos actualmente llamados "inversores", es decir, los accionamientos para uso genérico, los primeros algoritmos de este tipo se introdujeron a finales de 2000s, para convertirse en un equipo casi estándar en los últimos años. Lamentablemente, estas soluciones son todavía poco conocidas por los operadores de automatización, incluso si su validez ha sido demostrada, especialmente en aplicaciones comunes como bombas y ventiladores.
Dado que los datos suministrados por el fabricante del motor son a menudo insuficientes para la calibración de todos los parámetros del algoritmo de control, se han desarrollado métodos de "autopuesta en marcha", es decir, puesta en marcha con la mínima intervención del operador. El primer paso es la identificación automática de parámetros ("autoidentificación"), con métodos cumplidos por el propio accionamiento, para proceder entonces a la calibración real, es decir, la elección de los valores para los parámetros de control. Tanto la industria como el mundo académico investigan activamente estos aspectos, con propuestas muy interesantes también en el ámbito italiano, [10]-[14].
Detalles estructurales
Como ya se ha dicho, la mayor diferencia entre los distintos tipos de motores AC reside principalmente en la estructura del rotor. De hecho, hay varios casos de motores síncronos diseñados para mantener las otras partes casi sin cambios en comparación con una máquina asíncrona correspondiente (eventualmente cambiando los giros de bobinado). Este tipo de enfoque se ha extendido en los últimos años, con el objetivo de satisfacer las aplicaciones genéricas, precisamente como sustitución del motor asíncrono. Además de las evidentes ventajas en los costes de fabricación, el uso de piezas equivalentes en términos de dimensiones globales, soportes y puntos de fijación externos ha permitido adoptar estos motores sin modificar los demás mecánicos. A este respecto, los ejemplos innovadores están representados por productos de empresas italianas, como la serie de motores síncronos de imán permanente interno y motores de reluctancia ilustrados en la Fig. 5.
En los motores síncronos, especialmente en los de imán permanente, es posible implementar un gran número de polos, con una reducción de velocidad con la misma tensión y un aumento de par con la misma corriente. Este grado de libertad en el proyecto puede compararse, por analogía, con el uso de un reductor de velocidad mecánico y por lo tanto, en algunas aplicaciones, permite utilizar una conexión directdrive, con algunas ventajas en términos de eficiencia, dimensiones generales, coste, fiabilidad y precisión de control. Esta solución se ha adoptado durante algunos años en máquinas industriales (por ejemplo, en la producción de papel, [14]), en el sector de la elevación civil (ascensores), en el tratamiento del aire (ventiladores de torre de refrigeración, [15]) y en algunos aparatos domésticos (en particular lavadoras).
En el proyecto considerado en [15], el paquete de estátor (laminaciones) se ha utilizado como elemento estructural, sin la adición de un caso externo.
Fig. 6 informa también del diseño de una laminación del estátor, donde es visible el ala externa para la disipación de calor. Gracias a las dimensiones totales limitadas en altura, este motor se monta en la base de la torre de refrigeración, en eje con el ventilador, evitando así la transmisión en ángulo recto y la reducción de velocidad, que son necesarias en su lugar en la configuración tradicional (con motor asíncrono).
Aplicaciones
Las primeras aplicaciones en el sector civil de los motores síncronos de imán permanente incluyen sistemas de acondicionamiento, debido a la importancia que tiene el consumo de energía en ese caso. En la refrigeración también (tanto industrial como doméstica), la adopción de motores síncronos ha ido creciendo gradualmente. Además, un caso particular está representado por bombas de circulación para plantas de calefacción que, debido a razones de eficiencia, hoy en día están casi totalmente basadas en motores síncronos magnéticos permanentes en control sin sensor.
Entre los electrodomésticos, en las lavadoras el uso de estos tipos de motores se ha vuelto común en los últimos años. El uso de motores síncronos en lugar de asíncronos o universales (con cepillos) ha permitido, por un lado, la reducción de las dimensiones totales y de la cantidad de material usado, por otro lado, una mejor controlabilidad, también vinculada con la adopción de soluciones como la conexión mecánica de accionamiento directo. En este último caso, debido a las restricciones de dimensiones generales y a los requisitos de par, el rotor es generalmente externo y todo el motor es plano y con gran diámetro (Fig. 7). Un detalle de la producción de este tipo de máquinas, compartido también por otras aplicaciones particulares, es el bobinado del diente (un bobinado distinto para cada diente del estator). En este tipo, las piezas de cobre en vacío se reducen, pero se hace más difícil diseñar máquinas con rizado de par bajo. El acoplamiento directo también ofrece ventajas desde el punto de vista de la operación global, facilitando la identificación de la carga en el depósito y su disposición, además del control de velocidad.
Debido al ciclo de trabajo particular de las lavadoras, que incluye el secado por centrifugado, es importante el funcionamiento a alta velocidad (que supera el nominal). Esta modalidad se denomina "desinflamiento", porque, siendo la tensión proporcional al flujo y a la velocidad, el flujo total se reduce a través de un control oportuno, para permitir el funcionamiento a velocidades más altas y tensión fija. En este caso, los motores síncronos de imán permanente internos son los principales candidatos, ya que su par disponible no cae repentinamente más allá de la velocidad nominal.
Un ámbito donde los motores sincrónicos se han convertido en muy presentes son los ascensores, especialmente de gran tamaño. También en este caso se han implementado soluciones específicas, como la de la Fig. 8, permitiendo el movimiento de carga directa (sin engranajes). En este caso, es un motor de flujo axial, es decir, la separación entre el estator y el rotor (separación magnética) es atravesada por líneas de campo paralelas al eje.
Otros campos de aplicación específicos se refieren a las fuentes renovables (por ejemplo, la energía eólica) y la aviónica, en los que persiguen el objetivo de "más aeronaves eléctricas" (sustitución de actuadores hidráulicos o neumáticos). El uso de motores de alta eficiencia y alta densidad también se extiende en la tracción, incluyendo el ámbito de la carretera (desde bicicletas hasta vehículos pesados y máquinas operativas), el sector ferroviario/tranvía y el industrial (carretillas elevadoras y similares).
Bibliografía
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