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Magazine AGUAS Latinoamérica | El magazine de los líderes del agua
PAPELES TÉCNICOS Y CASOS DE ESTUDIO
Motores eléctricos de alta eficiencia en Redes de Distribución de Agua Mateus Moro Lumertz Emerson Hamerschmitt Fernando Jose Luchini Thiago Barbosa
RESUMEN El consumo de energía eléctrica es el principal costo de operación en sistemas de distribución de agua, y la tecnología utilizada en el bombeo de agua tiene un gran impacto en la eficiencia energética de esos sistemas. La utilización de convertidores de frecuencia permite operar con variación de velocidad los motores eléctricos utilizados en alimentar las bombas. Esa variación de velocidad modifica la presión de operación de la bomba, pudiendo ser utilizada para mantener el sistema operando en una condición de alta eficiencia, incluso con un flujo de agua variable. No obstante, los motores de inducción trifásicos, que normalmente son utilizados en la industria, presentan una gran pérdida de eficiencia energética cuando están operando fuera de la eficiencia nominal. Al contrario, los motores síncronos de imanes permanentes, que además de conseguir alcanzar una eficiencia nominal superior, logran mantenerla, incluso con variación de carga y de velocidad. INTRODUCCIÓN Las bombas de agua accionadas por motores eléctricos son utilizadas en diversos puntos dentro de las Redes de Distribución de Agua (RDA): en la captación de agua, en la estación de bombeo de elevación, en el tratamiento y en los depósitos. La energía eléctrica consumida por estas diversas bombas es el principal costo de operación del sistema, ya que en regiones urbanas los horarios con picos de consumo de agua suelen coincidir con los picos de consumo de energía eléctrica [1]. Para proveer un flujo de agua variable, una solución típica es la utilización de varias bombas de menor potencia, accionadas por motores eléctricos conectados directamente a la red eléctrica (del inglés, Direct on Line (DOL)). En esta solución no es posible variar la velocidad de rotación de los motores, de forma que es necesario que esas bombas operen paralelamente y el flujo de
agua resultante no pueda ser variado, sin modificar el número de motores accionados simultáneamente [2] [3][4]. Solamente modificando el número de bombas funcionando posibilita alterar el flujo de agua resultante en un conjunto discreto y limitado de valores, pero produce un gran desperdicio de agua, cuando el consumo no coincide con esos valores. Para reducir ese desperdicio, se utilizan válvulas para regular la presión y reducir la cantidad de agua suministrada. No obstante, la utilización de válvulas produce, por otra parte, un gran desperdicio de energía eléctrica, ya que la eficiencia de la bomba se reduce con la modificación de su presión de operación. Esa matriz de motores DOL necesaria para la producción de un flujo de agua variable puede ser sustituida por un único motor de velocidad variable, que debe ser accionado a través de un convertidor de frecuencia variable (del inglés, Variable Frequency Drive (VFD)). Sin embargo, debido a la conmutación y la modulación de las señales eléctricas, la utilización del VFD introduce pérdidas armónicas en el motor, además de generar pérdidas adicionales en los semiconductores del propio VFD. Entre las soluciones que aprovechan la variación de velocidad, pueden ser utilizadas diferentes tecnologías, y dan como resultado la obtención de diferentes niveles de eficiencia. Por tener una tecnología ya consolidada, los Motores de Inducción Trifásicos (MIT) son los elegidos por gran parte de la industria, al lograr cumplir los índices de rendimiento IE2 e IE3 con menor costo. No obstante, aunque sea posible obtener rendimientos mayores con ese tipo de motor, la tecnología se torna menos competitiva en IE4 e IE5 que la de los Motores Síncronos de Imanes Permanentes (MSIP) conforme Figura 1, principalmente si son considerados los rendimientos en cargas parciales.
