Cinco formas de maximizar la conservación de energía en bombas circuladoras con motores conmutados electrónicamente

Jul 24, 2023

El Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE) propuso recientemente nuevos estándares de conservación de energía para bombas circuladoras, lo que llevó a los fabricantes a diseñarlas para lograr una mayor eficiencia.

Las bombas circuladoras son omnipresentes y la oportunidad de reducir su consumo de energía es enorme. Un informe del Instituto de Investigación de Energía Eléctrica (EPRI) estimó que el potencial de ahorro de energía para los aproximadamente 30 millones de instalaciones de bombas circuladoras es superior al 50%.

Las bombas circuladoras se encuentran en una variedad de aplicaciones de edificios comerciales, como unidades de tratamiento de aire (AHU), bombas de refuerzo de serpentín de enfriamiento, pequeños sistemas radiantes, bombas de calor geotérmicas y circuitos de recirculación de agua caliente sanitaria (ACS). Hasta la fecha, las bombas circuladoras se han pasado por alto en las mejoras de eficiencia energética, en parte debido a los ciclos de diseño largos y intensivos en capital inherentes al diseño de las bombas, pero las nuevas tecnologías están haciendo que valga la pena.

Actualmente, más del 90% de las bombas circuladoras en EE. UU. son bombas de volumen constante impulsadas por motores de inducción estándar, según la Administración de Servicios Generales de EE. UU. Para lograr los objetivos de conservación de energía, el DOE recomienda utilizar tecnologías de motores más avanzadas.

El análisis del DOE encuentra que los motores con conmutación electrónica (EC) son generalmente mucho más eficientes que los motores de inducción y pueden mejorar la eficiencia general del sistema de bombeo. La mayoría de los motores EC utilizan un estator tradicional con núcleo de hierro con devanados de cobre, pero las nuevas topologías de motor con núcleo de aire utilizan un estator innovador de placa de circuito impreso (PCB), que tiene la ventaja de eliminar las pérdidas en el núcleo y aumentar la eficiencia. A medida que los fabricantes de bombas circuladoras consideran nuevas tecnologías de motores EC en sus diseños, hay varios factores a considerar para la optimización.

Los motores EC son generalmente un 30% más eficientes que los motores de inducción porque su construcción minimiza las pérdidas entre los componentes del rotor y el estator. En los motores EC, la pérdida de calor por laminación y cobre se reduce en un 50%, lo que los hace más eficientes. Los motores EC que cumplen con los estándares internacionales de eficiencia (IE) 5 ofrecen algunos de los niveles de eficiencia más altos posibles, pero es importante tener en cuenta que la eficiencia de los motores EC puede variar según diferentes velocidades y cargas. Al elegir un motor EC, identifique un motor que tenga una curva de eficiencia plana en una amplia gama de condiciones de carga para optimizar la eficiencia y las operaciones generales del sistema de bomba (Imagen 1). Hacer esto garantizará que el sistema de bomba se beneficie de una eficiencia óptima en una variedad de condiciones operativas.

Los motores EC avanzados que utilizan estatores de PCB pueden aumentar aún más la eficiencia y eliminar las pérdidas en el núcleo. Los estatores de PCB de cobre están grabados directamente en la PCB, lo que aumenta la confiabilidad y reduce la cantidad de material de cobre. Los motores que cuentan con un estator compuesto por un núcleo de acero con devanados de cobre experimentarán corrientes parásitas que provocarán pérdidas en el motor. Reemplazar el núcleo y los devanados de cobre con el estator de PCB elimina estas pérdidas, lo que resulta en un motor de mayor eficiencia a la potencia y velocidad nominales, así como en todo el rango operativo.

La recomendación del DOE indica que las mejoras en la eficiencia del motor y los controles de velocidad variable basados ​​en la demanda pueden producir mayores ahorros de energía que los de una eficiencia hidráulica mejorada, ahorrando más del 65 % del uso de energía según la aplicación. Las bombas que varían de velocidad pueden reducir su consumo de energía al reducir la velocidad de la bomba para satisfacer los requisitos de carga. Los controles de velocidad variable integrados también pueden eliminar la necesidad de regular las válvulas aguas abajo para satisfacer la demanda, ahorrando energía y desgaste de la infraestructura. Además, esto se puede hacer sin tener que instalar, cablear y poner en marcha un espacio de aire acondicionado separado para un variador de frecuencia (VFD) convencional, lo que puede tener un costo prohibitivo.

Si bien todos los motores EC tienen algún nivel de tecnología de velocidad variable incorporada, es importante tener en cuenta que sus capacidades de control varían desde opciones básicas de control de velocidad hasta funciones de control más sofisticadas que se encuentran en los VFD típicos, como conectividad MODBUS y capacidades para comunicar el rendimiento del motor. y datos de salud a un controlador o sistema de control centralizado. Estos motores EC avanzados permiten el monitoreo remoto de la vibración, la temperatura, la velocidad y la eficiencia, lo que retroalimenta a los controladores de bombas y permite que los motores se ajusten y protejan según sea necesario.

En comparación con los motores de inducción y otros motores asíncronos, los motores EC generan menos calor, lo que evita la tensión en los componentes y da como resultado una vida útil más larga. Sin embargo, en todos los motores con núcleos de hierro devanados en cobre, los coeficientes de expansión térmica del hierro, los devanados de cobre, los materiales aislantes y el barniz son todos diferentes, lo que lleva a expansiones y contracciones a distintos ritmos en todos los materiales, lo que en última instancia conduce a la falla. del motor. Los estatores de PCB en motores EC de flujo axial avanzados solo constan de dos materiales primarios, el cobre grabado y el laminado de vidrio y epoxi, los cuales tienen los mismos coeficientes de expansión térmica. Esto significa que las tensiones térmicas se minimizan y permiten que el cobre mantenga su forma original y su protección dentro del material de la PCB. En un programa de prueba de vida acelerada de varios años en el que se probaron bobinas de estator de PCB junto con bobinas de cobre preformadas convencionales en condiciones similares para determinar la robustez y confiabilidad, los resultados indicaron que la vida útil del estator de PCB es al menos 10 veces más larga y 10 veces más confiable que una bobina de forma. estator de bobina.

El diseño de un motor EC es un factor importante, ya que el espacio suele ser escaso. La mayoría de los diseños de motores para bombas requieren infraestructura para soportes de patas y espacio asignado alrededor de las bombas para el mantenimiento y el motor en sí. Los motores EC que aprovechan diseños de flujo axial más compactos y estatores de PCB delgados pueden dar como resultado factores de forma un 50% más pequeños y livianos y reducir el espacio total requerido para un sistema de bomba (Imagen 2). Estos motores EC más pequeños y livianos también pueden simplificar los procesos de diseño para los fabricantes de bombas y facilitar la instalación.

Los motores EC altamente eficientes pueden reducir el uso de energía y los costos operativos durante la vida útil del motor y, en algunos casos, pueden amortizarse dentro del primer año de funcionamiento. Además de reducir la demanda de energía, el diseño sostenible que minimice el uso de materias primas e incorpore la gestión del final de su vida útil puede respaldar iniciativas para reducir los residuos. La mayoría de los motores terminan en vertederos después de 10 a 20 años, pero los avances en el diseño de motores circulares están permitiendo prolongar la vida útil y la reutilización de los componentes. Considere un motor que aproveche el diseño modular para que sea fácil de mantener y permita que los componentes se reutilicen varias veces para servir a las generaciones futuras, manteniendo el motor en servicio y fuera de los vertederos.

A medida que los fabricantes de bombas circuladoras planifican los nuevos estándares de conservación de energía del DOE y seleccionan motores EC para nuevos equipos, la eficiencia, los controles, la confiabilidad, el diseño y la sostenibilidad deben tenerse en cuenta en la toma de decisiones para lograr operaciones y vida útil óptimas. Seleccionar el motor EC adecuado puede ayudar a que los sistemas alcancen la máxima eficiencia energética y conservación de energía hoy, al tiempo que contribuye a un futuro más sostenible para la próxima generación.

Anthony Lou es director senior de desarrollo empresarial de Infinitum. Ha estado en la industria de la robótica y los motores eléctricos durante casi 20 años, enfocándose en brindar servicios a fabricantes de equipos de HVAC, ventiladores y bombas. Puede ser contactado en [email protected]. Para obtener más información, visite goinfinitum.com.