Autor: Mark Patrick, Mouser Electronics

Los sistemas con motores eléctricos han tenido un enorme impacto en el planeta, pero no solo en sentido positivo. Si usamos un poco nuestra imaginación para mejorar su eficiencia energética, podríamos reducir en un 10 % la demanda global de electricidad, algo realmente valioso desde el punto de vista de la sostenibilidad.

Ya se han tomado muchas medidas para contrarrestar los efectos de la contaminación industrial, y no cabe duda de que habrá muchos más cambios. El sector de la electrónica desempeña un papel esencial en el desarrollo de innovaciones para fomentar la generación de energía verde, reducir el consumo, minimizar el mantenimiento y evitar residuos innecesarios. En este importante rol, uno de los pilares fundamentales es el sistema de accionamiento eléctrico.

El consumo eléctrico global

Según un informe de 2011 de la Agencia Internacional de la Energía (AIE), los sistemas motorizados constituyen el método más común de empleo de energía eléctrica y son responsables de más del 40 % del consumo de esta energía en todo el mundo. Los sistemas de accionamiento eléctrico consumen más del doble que la iluminación. Un informe del Departamento de Energía de los EE. UU. llegó a indicar que los sistemas motorizados eléctricos consumen «más de la mitad de la electricidad en Estados Unidos y más del 70 % de toda la electricidad en muchas plantas industriales».

El informe de la AIE establece que, de no tomar medidas, en 2030 el consumo de energía por parte de los motores eléctricos llegará a 13 360 TWh al año, y que las emisiones anuales de CO₂ alcanzarán los 8570 millones de toneladas (Mt). El usuario final acabará por gastar cerca de 900 000 millones de dólares al año en la electricidad que consumen los sistemas con motores eléctricos. Este mismo organismo también expuso que el sector industrial era, con gran diferencia, el mayor consumidor de electricidad en lo que respecta a estos sistemas (el 64 %, en comparación con el 13 % del sector residencial). Si consultamos las cifras con mayor detenimiento, la AIE también establece que, aunque los motores eléctricos de gran tamaño (más de 375 kW de potencia de salida) constituyen tan solo el 0,03 % del número total de motores, son responsables del 23 % del consumo global entre los motores y de más del 10 % del consumo total de energía (imagen 1).

Figura 1: previsión de consumo energético global en los sistemas con motores eléctricos (fuente: Agencia Internacional de la Energía; editada por Mouser Electronics)

La optimización de los sistemas de accionamiento eléctrico

Un aspecto positivo del informe de la AIE es que parece haber un gran potencial de mejora en la eficiencia energética de estos sistemas, algo que aún no se ha aprovechado. El informe destacó la necesidad de aumentar las operaciones con el objetivo de aprovechar el enorme potencial de ahorro que se generaría al optimizar los sistemas. Según algunos cálculos, los motores más eficientes podrían ahorrar entre el 4 y el 5 % de todo el consumo de los motores eléctricos. Además, si lográramos mejorar la eficacia energética de los sistemas motorizados entre un 20 y un 30 %, la demanda global de electricidad podría reducirse en un 10 %.

El informe iba más allá: es posible lograr un ahorro incluso mayor si se optimizan todos los sistemas de accionamiento eléctrico; la mejora de estos sistemas podría aportar en 2030 un ahorro de 42 000 TWh en la demanda eléctrica, 29 Gt en las emisiones de CO₂ y 2,8 billones de dólares en los costes de electricidad.

Todos estos datos muestran claramente que el diseño del motor eléctrico y el mantenimiento deben desempeñar un papel principal en las estrategias de sostenibilidad de todos los países: es necesario optimizar la eficiencia de los sistemas de accionamiento eléctrico. Esto aumentaría la productividad y ahorraría una cantidad enorme de energía y dinero. Puesto que la mayoría de la electricidad consumida por un sistema de motor eléctrico está destinada al propio motor, los equipos de diseño y mantenimiento deben centrar sus esfuerzos en optimizar el control y el funcionamiento de este. Esta estrategia es la que tendrá el mayor impacto en el consumo energético.

La IA fuera de la nube y los sistemas de accionamiento eléctrico

Uno de los mejores métodos que los equipos de ingeniería pueden emplear a la hora de mejorar la eficiencia de los sistemas de motor eléctrico es aplicar la IA fuera de la nube dentro del contexto del mantenimiento preventivo. El uso de la IA fuera de la nube con detectores en sistemas microelectromecánicos (MEMS, por sus siglas en inglés) nos permite supervisar el funcionamiento de un dispositivo de forma más precisa, reduciendo así el consumo eléctrico. Los datos en tiempo real del sensor, a los que antes no podíamos acceder, nos permiten identificar anomalías de forma temprana y pronosticar cuándo podría dejar de funcionar el dispositivo. Al gestionar con mucha más antelación los problemas en los sensores MEMS con IA fuera de la nube, no solo reduciríamos el costoso tiempo de inactividad, sino que también lograríamos algo aún más importante: mejorar la eficiencia del sistema de motor eléctrico de modo que se reduzca su consumo.

Una herramienta de supervisión basada en el estado y el mantenimiento es la plataforma de desarrollo CN0549 de monitoreo basado en condiciones (CbM) (imagen 2) de Analog Devices Inc. Este dispositivo utiliza la detección por vibraciones para ofrecer una representación exacta del estado del equipo bajo supervisión.

Figura 2: plataforma de desarrollo CN0549 CbM de Analog Devices (fuente: Mouser Electronics)

Por otro lado, en todo el mundo hay ya millones de dispositivos y sistemas para el Internet de las cosas (IdC), las redes neuronales tienen un mayor nivel de sofisticación comercial y la computación paralela y la tecnología 5G/6G están madurando. Todo esto significa que el sector industrial está en mejor posición que nunca para aprovechar los conocimientos que la IA fuera de la nube puede aportar y para reducir los costes operativos.

La eficiencia en el control del motor

El estado y la fiabilidad del motor tienen un impacto directo en la productividad y el tiempo de actividad, así que es imprescindible controlar el motor de un modo eficiente. El informe del Departamento de Energía de los EE. UU. señalaba tres factores principales relacionados con la eficiencia de los sistemas de accionamiento: la calidad de la energía, la eficiencia del motor y la transmisión y el conjunto supervisión/mantenimiento. Según el informe, la «supervisión del estado» es esencial.

El informe de la AIE identificaba también tres maneras principales de lograr un ahorro importante en este campo:

• Utilizar motores del tamaño adecuado y con eficiencia energética.
• Emplear, siempre que sea posible, accionamientos de velocidad ajustable para lograr un par y una velocidad que se ajusten a los requisitos de carga mecánica del sistema.
• Optimizar todo el sistema.

Esta última recomendación incluía disponer de un motor del tamaño adecuado y de transmisiones y engranajes eficientes, así como lograr que el equipo final fuese suficientemente eficiente como para presentar un nivel mínimo de pérdidas energéticas.

El AMT49406 es un CI de controlador de motor FOC (control orientado al campo) que no precisa de programación (imagen 3) y está diseñado por Allegro MicroSystems. Se trata de un controlador de motor CC sin escobillas (controlador de puerta), trifásico y sin sensor, con un rango de funcionamiento de 5,5-50 V. El dispositivo optimiza el arranque del motor mediante modulación de ancho de pulso analógica (PWM) o con entradas de reloj para controlar la velocidad de dicho motor. El control de velocidad con bucle cerrado es opcional y la relación de frecuencia RPM a reloj es programable.

Figura 3: el AMT49406, un CI de controlador de motor CC sin escobillas con FOC de Allegro MicroSystems (fuente: Mouser Electronics)

Requisitos mínimos de rendimiento energético

Una manera de reducir el consumo y aumentar la eficacia en los sistemas de motor eléctrico es establecer un nivel mínimo permitido de rendimiento energético que los diseñadores deban respetar. Según la AIE, en 2010, en la Unión Europea los sistemas residenciales e industriales regidos por un estándar de estas características constituían solo el 38 % de todo el consumo eléctrico de motores.

Otra manera de mejorar la eficiencia de los motores es utilizar la tecnología de semiconductores de banda prohibida ancha, con elementos como el carburo de silicio (SiC) y el nitruro de galio (GaN). Estos semiconductores ofrecen una banda prohibida mayor que la de los semiconductores convencionales, lo que permite usar niveles de tensión más elevados. También aceleran la conmutación, lo que reduce las pérdidas térmicas en motores y aumenta su eficiencia.

El GaN se ha convertido en una elección frecuente para los diseñadores, ya que tiene una banda prohibida de 3,4 eV, mientras que la del SiC es de 1,12 eV. Gracias a esta diferencia en la banda prohibida, el semiconductor puede gestionar tensiones y temperaturas más elevadas que los MOSFET de silicio. El ahorro se logra empleando componentes magnéticos más pequeños y ligeros, así como reduciendo los requisitos de refrigeración del sistema. Los semiconductores de GaN suelen ser los más baratos y generan menos pérdidas que los de SiC; además, ocupan menos espacio porque utilizan componentes pasivos más pequeños. En definitiva, contribuyen a reducir el coste del sistema.

Un ejemplo de esta tecnología es la etapa de potencia de GaN LMG3410R070 de Texas Instruments, que incluye características para simplificar el diseño, maximizar la fiabilidad y optimizar el rendimiento de cualquier fuente de alimentación. Dispone de un control de puerta con conmutación a 100 V/ns, una eliminación casi total de la oscilación no deseada en la Vds y una limitación de corriente de 100 ns como autoprotección frente a los eventos de saturación no deseados. Además, dispone de una señal de interfaz de sistema para la autosupervisión.

Una solución para la energía verde

Los avances en el mantenimiento preventivo para los sistemas con motores eléctricos pueden reducir considerablemente el uso y la demanda energéticos. El informe de la AIE muestra que una mejora de entre el 20 y el 30 % en la eficacia energética de los sistemas con motores eléctricos reduciría en un 10 % la demanda eléctrica global.

Este es el reto de la industria electrónica, que desempeña un papel esencial en la reducción del consumo energético y los residuos, y que debe estar a la vanguardia en la producción de energía verde. Algo especialmente importante es que los diseñadores de sistemas de accionamiento eléctrico deben usar todas las herramientas disponibles para mejorar la eficiencia y reducir el uso energético.