Motor hertziano es un motor híbrido construido a partir de un inductor (estator) de electrobomba de lavarropas de 220 (V) de corriente alterna (AC) / 50 (Hz) y 47 (W) de potencia activa. Acoplando por una brida, el rotor sincrónico (tipo PMSM), a la turbina o aspas de un motor de polos sombreados (de espira de frager) de potencia aproximada.
Sin la carcaza protectora, se muestra el eje de la turbina sincrónica de un motor de espira partida (espira frager) conectado por una brida al eje del rotor (tipo PMSM) y ensamblada a los inductores de la electrobomba de lavarropas de 50 (W) de potencia activa, montados sobre las armaduras del material ferromagnético.
El proyecto consiste en utilizar un control de potencia de disparo por Triac BT137 (hasta 330 vatios de potencia activa) para regulación de velocidad en los motores de inducción (asincrónicos), en un motor síncrono monofásico de tipo PMSM de 220 (V) y 50 (Hz) de frecuencia de corriente alterna (AC). Variando los valores RMS (Root Mean Square) de la tensión eficaz (Vrms) y la intensidad de la corriente eléctrica eficaz (Irms) consecuentemente se varía la potencia promedio activa (Pavg) monofásica. Por lo que finalmente se REDUCE EL CONSUMO DE ENERGÍA ELÉCTRICA ACTIVA (kWh) sin que se reduzca o afecte la velocidad de giro (RPM) del rotor (conectado por ejemplo a las aspas o paletas del ventilador) debido a la sincronía de la corriente alterna: 50 (Hz). Tal como la ley de proporcionalidad de los ventiladores (Norma UNE 100-230-95) lo especifica.
Motor hertziano NO REDUCE LAS RPMs (revoluciones/minutos) cuando se le reduce la potencia promedio activa (Pavg) eléctrica (medida en Watts o vatios) al variar la tensión y la intensidad de la corriente eficaz RMS (o valor cuadrático medio); manteniendo constante el caudal de fluido (aire) en una turbina. Esa es la gran diferencia o innovación tecnológica.
En el circuito de control de potencia que hemos decidido utilizar (disparo por Triac BT137) el troceador de onda de corriente alterna (AC) no mantiene constante el control escalar de la razón tensión/frecuencia (relación: Volts/Hertz). Haciendo que el motor hertziano reduzca la potencia eléctrica aparente en el triángulo de potencia (voltiamperios) hasta un límite máximo de un 88.5% sin reducir las revoluciones por minuto (RPMs). Sin perder la velocidad de sincronía cercana a las 3000 (RPM). Como consecuencia de los 50 (Hz) de frecuencia de la corriente alterna (AC). No bajan las revoluciones por minutos y el caudal de aire se mantiene constante en aproximadamente 2633 (RPM) de giro de la turbina, superando el rendimiento (Norma UNE 100-230-95) a cualquier ventilador de refrigeración convencional.
Este tipo de diseño de circuito electrónico y electromecánico es mucho más simple que el utilizado por los complejos sistemas de control por drivers o variadores de frecuencia (VDF) mucho más complejos. En segundo lugar es la forma más económica de controlar la potencia de la corriente alterna (por la baja complejidad electrónica de los componentes y sus costos, ya probados en el ámbito electromecánico y electrónico de control de potencia) obteniendo un control de la potencia (no por PWM, sino por troceado de onda de corriente alterna, según el disparo del Triac en los 360 grados).
Lo mejor es su probada simplicidad tecnológica (en motores asincrónicos) a bajo costo. Solo que ahora le hemos buscado una nueva aplicación a los motores sincrónicos de tipo PMSM. Aquí radica la innovación (en la utilización transversal de tecnologías probadas).
Por lo cual aseguramos que no es un invento, sino una innovación tecnológica de acuerdo a la Ley 24.481 de la República Argentina (según el INPI: Instituto Nacional de Propiedad Industrial). Que respeta las leyes internacionales de propiedad intelectual e industrial.
Esta idea disruptiva, nunca ha sido aplicada a un motor monofásico sincrónico (de tipo PMSM) de corriente alterna (AC) de 220 (V) de tensión eficaz (RMS); porque ha sido pensada o desarrollada para su aplicación en motores monofásicos de inducción (asincrónicos).
Nuestro diseño del circuito (simulado en el software Proteus / Isis), es el siguiente:
Para ello hemos diseñador el motor PMSM (motor síncrono con rotor cilíndrico liso de imanes permanentes en este caso de Ferrite), pero se pueden hacer de tierras raras –para mayor potencia-: Nd2Fe14B (neodimio, hierro y boro). Imanes que ya se comercializan en Argentina (con producción nacional de dicha tecnología); material que posee una altísima coercividad (resistencia a ser desmagnetizado) y alta saturación magnética (típicamente es de 1.3 Teslas). El rotor PMSM se encuentra conectado por una brida al motor de corriente continua (DC) conectado por un puente de diodos rectificadores (funciona como motor primario para alcanzar la velocidad de sincronía). También se observa el componente electrónico principal: el Triac BT137.
El motor hertziano funciona con una tensión eficaz (Vrms) de 220 (V) / AC, una frecuencia de 50 (Hz) y una intensidad de la corriente eléctrica (Irms) de 0.18 (A); cuando no se dispara el control de potencia.
De modo tal que cuando, si se dispara el Triac del control de potencia, si se produce la caída de la potencia media activa (medida en vatios o kW).
La potencia media activa Pavg (average power) monofásica es el producto de la tensión eficaz (Vrms) por la intensidad de la corriente eficaz (Irms) con el factor de potencia coseno de fi (Φ): Pavg = Vrms * Irms * cos (ϕ). La potencia promedio o media activa o real (Pavg) es equivalente a decir potencia eficaz. Solo que es más común denominar a la potencia como potencia promedio o potencia activa.
Coseno de fi o coseno (Φ) es el factor de potencia (f.d.p.). El cos (Φ), llamado coseno de fi, no es más que el coseno del ángulo que forman la potencia activa (P) y la aparente (S) en el triángulo de potencias tradicional. En este sentido, el motor hertziano corresponde a un circuito electro-mecánico fuertemente resistivo (coseno de fi, cercano a la unidad: cos Φ = 0.94). Lo cual es un buen indicador de la eficiencia energética.
PublicidadSi la potencia promedio o potencia media (Pavg) se mide en vatios (W) o kilovatios (kW). Si para potencia activa correspondía vatios (W) y kilovatios (kW), para energía activa corresponden watts-hora (Wh) y kilovatios-hora (kWh).Con el control de potencia (disparo de Triac apagado): En la impedancia (Z) del motor de 165 (ohmios) circulan 243 (voltios) de tensión eficaz (Vrms) y 0.18 (amperios) de intensidad de corriente eficaz (Irms). Lo cual equivale a 43.74 (voltiamperios) de potencia aparente. Manteniendo las revoluciones por minuto cercana a 2700 (RPM) de este modo el motor sincrónico se comporta de un modo asincrónico.
Con el control de potencia (disparo de Triac encendido): En la impedancia (Z) del motor de 165 (ohmios) circulan 126 (voltios) de tensión eficaz (Vrms) y 0.04 (amperios) de intensidad de corriente eficaz (Irms). Lo cual equivale a 5.04 (voltiamperios) de potencia aparente. Manteniendo las revoluciones por minuto cercano a 2700 (RPM) de un modo casi constante.
Esta potencia aparente representa una reducción del 88.48 % de la potencia aparente, en el banco de prueba. Manteniendo las revoluciones por minuto (RPM) de un modo casi constante. Por la Ley de los Ventiladores (Norma UNE 100-230-95) el caudal de aire se mantiene constante y si la potencia aparente de consumo en la carga (reactancia inductiva del motor hertziano) ha bajado, entonces consecuentemente ha bajado la potencia activa media o promedio (Pavg). Por consecuencia bajará el CONSUMO DE ENERGÍA ACTIVA medida en (kWh).
Conectado a un medidor monofásico Clase 2 de uso domiciliario equivalente a 1 (kiloWatt-hora) = 750 (revoluciones) se observó que 1 giro completo (1 revolución) con control de potencia apagado lo hacía en 210 (segundos) y con control de potencia encendido lo hacía en 120 (segundos). EL AHORRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA ACTIVA medida en kilovatios-hora (kWh) es de: 42.8 % (sin perder RPM).
Las mediciones con Watimetro (para obtener la POTENCIA ACTIVA) y con Cosímetro se efectuaron en la UTN (Universidad Tecnológica Nacional) – Regional Concordia / Entre Ríos (se agradece al Decano: Ing. Penco y al Profesor del Laboratorio de Mediciones Eléctricas: Ing. Arletazz), los datos fueron los siguientes:
Potencia máxima (control de potencia apagado): Con 0.21 (Amperios RMS)* 220 (Voltios RMS) * 0.93 (coseno de fi) = 43 (Watts) Potencia activa en vatios. El medidor monofásico dio una (1) revolución en 1 (minutos) 30 (segundos). Girando a 2633 (RPMs), comprobado por el fototacómetro laser, aproximadamente las paletas del ventilador (no alcanza la velocidad exacta de sincronismo, hay un defasaje no importante en la práctica).
Potencia mínima (control de potencia encendido): Con 0.05 (Amperios RMS) * 110 (Voltios RMS) = 5,5 (Watts) Potencia activa en vatios. El medidor monofásico dio una (1) revolución en 3 (minutos) 30 (segundos). Girando a 2633 (RPMs), comprobado por el fototacómetro laser, aproximadamente las paletas del ventilador (no alcanza la velocidad exacta de sincronismo, hay un defasaje no importante en la práctica). Coseno de fi no interviene ante la presencia de los armónicos que se generan con el disparo del Triac BT137 (pues solo aplica a ondas senoidales y no cuando se trocea la onda); por lo cual lo hemos retirado de la fórmula del cálculo.
La clave para que el rotor sincrónico no pierda RPMs, como los motores asincrónicos, cuando baja la potencia activa, potencia promedio o potencia media (Pavg) radica en la relación del control escalar (Voltaje/Frecuencia) no-constante.
La estabilidad de la frecuencia (medida en Hercios) de la corriente alterna en la República Argentina (50 Hz), asegura un giro constante a 3000 RPM (revoluciones por minutos aproximadamente) del eje del motor.
Dado que las máquinas síncronas tienen la velocidad de rotación constante y dependiente únicamente de la frecuencia. El principio de que la velocidad síncrona de un motor de corriente alterna (CA) está determinada por la frecuencia de CA suministrada y el número de polos en el estator, de acuerdo con la relación:
n = 60 * f / p
n = (RPM) = Revoluciones por minuto
f = (Hertz) = Frecuencia de suministro de AC (corriente alterna)
p = Número de polos de la máquina síncrona (número adimensional). Ejemplo: 2 polos norte-sur (equivalen a 1 par).
En nuestro caso se trata de un motor PMSM monofásico de corriente alterna de 50 (Hz), con un (1) solo par de polos salientes que cambian (o alternan) 50 ciclos por segundo, deberá girar a una velocidad de sincronía de:
- 3000 (r/min) = 60 * 50 (Hertz) / 1 (par de polos).
- 3000 (r/min) = 3000 (RPMs).
Pero debido al par-resistente, el par-motor (torque máximo) de 0.11 (Nm) solo consigue alcanzar las 2700 (RPM) aproximadamente (es decir que el motor hertziano no termina de comportarse como un motor síncrono, sino como un motor asincrónico).
Recordemos que el motor eléctrico síncrono posee una curva de par-ángulo de potencia diferente a la de un motor eléctrico asíncrono (y esta ventaja fue aprovechada)
Fototacómetro laser registrando revoluciones por minuto (RPMs) de la turbina del motor hertziano, con Triac disparado en el control de potencia (encendido).
Motor hertziano está siendo desarrollado por Profesores y alumnos de la Escuela Técnica Nº 2 "Independencia", Concordia, Entre Ríos, República Argentina. Fue presentado a dos concursos y luego de ser revisado por ingenieros del gobierno clasificó al Programa de Educación para el Uso Responsable de la Energía: Energías alternativas y eficiencia energética (instancia de la Provincia de Entre Ríos, República Argentina).
Ver página web: entrerios.gov.ar
También clasificó al mayor concurso nacional de Ciencia y Tecnología del país: Concurso Innovar 2017 del Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación productiva de la Nación (República Argentina). Ver página web.
Para más información del desarrollo del proyecto (archivos, videos, contactos, etc.) visite la web.
http://ecoinventos.com/