A la hora de elegir la máquina de tracción adecuada, existen varias variables involucradas que conducen a la selección. ¿A qué prestar atención? Cómo cambia la eficiencia del sistema en función de la variación de ciertos factores.
Para abordar el tema de la eficiencia en el campo de las máquinas elevadoras (gearless o de reductor), primero es necesario tener claros algunos puntos sobre la eficiencia de los motores eléctricos. Un primer punto muy importante.
Muchos se refieren al vínculo entre velocidad y eficiencia: con la misma potencia y tecnología de motor, cuanto más rápido gire el motor, mayor será su eficiencia. Por tanto, un motor asíncrono clásico de 4 polos (típico de los cabrestantes) que gira a 1500 rpm (revoluciones por minuto) tendrá generalmente una mayor eficiencia que un motor asíncrono de 6 polos que gira a 1000 rpm. Esto obviamente también se aplica al síncrono de imán permanente (típico de los gearless) que cuando gira a 160 rpm, ciertamente tiene una eficiencia mayor que uno de igual potencia que gira a 80 rpm. El segundo punto importante se refiere a la comparación de la eficiencia entre motores asíncronos y síncronos de imanes permanentes. Este último, a la misma potencia y revoluciones, siempre tiene una eficiencia mayor que el asíncrono y no tiene pérdidas en el rotor. El tercer y último punto se refiere a la eficiencia total del cabrestante; en este caso, de hecho, además de la eficiencia del motor, también es necesario considerar la del engranaje (tornillo-corona) que, dependiendo de la relación, puede variar en promedio del 65% para los ratios lentos al 85% para los rápidos. En general, cuanto más rápida sea la relación, mayor será el rendimiento. Un cabrestante que tenga una caja reductora con un 70% de eficiencia acoplada a un motor que tenga un 80% de eficiencia tendrá como valor final: 70×80/100 = 56%. En un cabrestante, el motor eléctrico siempre gira a altas velocidades (1000-1500 rpm) y, por tanto, la eficiencia del motor se mantiene en un rango bastante alto (80-92%). A la luz de estas consideraciones, podemos afirmar que: en los peores casos la eficiencia del cabrestante está por encima del 52% mientras que en el mejor de los casos ronda el 78%; la eficiencia máxima del cabrestante es ciertamente menor que máximos sin engranajes; la eficiencia mínima del cabrestante es ciertamente mayor que la mínima del cabrestante. Con un mismo sistema (capacidad, velocidad y equilibrio), la potencia de la máquina elevadora no varía con el tipo de máquina, la tensión, el diámetro de la polea tractora, la relación de reducción, etc., por lo tanto todas las máquinas posibles. que usaremos ciertamente dará la misma potencia de salida (esto se aplica estrictamente solo si descuidamos las diferencias en la fricción del compartimiento en las distintas configuraciones del sistema). Sin embargo, lo que puede cambiar significativamente según la máquina elegida es la potencia eléctrica de entrada. A la misma potencia de salida, cuanto mayor sea la eficiencia de la máquina, menor será la potencia eléctrica de entrada “consumida”. Al respecto, es bueno aclarar un aspecto que muchos confunden: la potencia nominal de todas las máquinas eléctricas rotativas siempre se refiere a la potencia mecánica que se puede entregar al motor y nunca a la entrada eléctrica. El malentendido surge porque la potencia se expresa en kW y muchos la asocian con la potencia eléctrica, pensando erróneamente que es la potencia absorbida por la red. ¡Absolutamente no! La potencia del motor depende únicamente de las características del elevador (capacidad, velocidad, equilibrio, fricción del eje) y de la eficiencia del reductor en el caso del cabrestante. Tomemos un ejemplo típico de un sistema gearless: 480 kg de caudal a 1 m/s equilibrado al 50 % (más contenidos están disponibles en la versión digital de este número, ed.). Suponiendo una eficiencia del eje del 80% debido a la fricción, la potencia necesaria para levantar la carga completa será 3kW: (480[kg] x 9,81[m/s^2] x 50/100 x 1[m/s] /0,8 ). EL 3kW no representa la potencia eléctrica absorbida por la red, sino la potencia mecánica del eje. La potencia eléctrica absorbida de la red dependerá de la eficiencia de la máquina elevadora:
- Si es del 90%, la potencia absorbida de la red será de 3,3 kW;
- Si es el 50% la potencia eléctrica absorbida de la red será de 6 kW.
Como se indicó anteriormente, si el objetivo es maximizar la eficiencia es necesario que el motor gire a la máxima velocidad posible. ¿Cómo lograr este resultado? En el gearless los parámetros sobre los que se puede intervenir son esencialmente 2, a saber, el diámetro de la polea tractora y la tensión:
- Cuanto menor sea el diámetro de la polea de tracción, más rápido girará el motor;
- Cuanto mayor sea el factor de tracción (por ejemplo, 2:1, 3:1, 4:1, 6:1, 8:1, etc.), más rápido girará el motor.
Evidentemente ambas opciones chocan con los aspectos prácticos de la instalación y no pueden elegirse a voluntad: el diámetro de la polea, de hecho, está vinculado al diámetro del cable que a su vez está vinculado a la capacidad del sistema y al número máximo de cables. de cuerdas utilizables.
En la práctica existe un límite inferior para el diámetro de la polea. El factor de tensión, sin embargo, complica el sistema y lo encarece (cables más largos, más poleas, montaje más complicado) y por tanto se busca el mejor compromiso que en la mayoría de los casos resulta en 2:1.
Un gearless en sistema 2:1 con polea de 240 mm, por tanto, seguramente tendrá un mayor rendimiento que un gearless instalado en un sistema de la misma capacidad y velocidad fabricado con tracción directa y polea de tracción de 520 mm. Otro parámetro fundamental que hay que conocer a la hora de configurar el diseño de un sistema de ascensor es el par nominal del motor eléctrico, es decir, su “fuerza”.
En el campo de las aplicaciones de ascensores, aproximadamente el 85%-95% del tamaño del motor depende precisamente de este parámetro y NO, como muchos creen, de la potencia que es el producto del par por la velocidad de rotación (P= C x W). Por este motivo, jugando con el par y las revoluciones puedes tener motores muy pequeños (bajo par y altas revoluciones) que tienen la misma potencia que motores gigantes (alto par y bajas revoluciones).
Con la misma potencia a entregar (que en el caso del ascensor, repetimos, depende del caudal, la velocidad y el equilibrio) se puede, por tanto, elegir si suministrarle más par y menos revoluciones o viceversa. Dado que el tamaño del motor, e indirectamente también el coste, depende principalmente del par, sería más sensato intentar proporcionar esta potencia aumentando las revoluciones para tener un par lo más bajo posible.
Las palancas que tienes para jugar a este juego son nuevamente el diámetro de la polea de tracción y la tensión. De hecho, cuanto más pequeña es la polea de tracción y mayor es la tensión, más disminuye el par. Por tanto, una reducción del diámetro de la polea y un aumento de la tensión tienen a la vez la ventaja de un aumento de las prestaciones (mayores revoluciones) y una reducción del tamaño (menor par), del peso y, en consecuencia, también del precio.
En la Tabla 1 se presenta una comparación entre winche y gearless considerando un elevador con una capacidad de 450 kg y utilizando diferentes configuraciones de tracción y diámetros de poleas de tracción como se describe en las columnas (sistemas 1,2,3,4,5). Sin embargo, al recorrer las líneas surge la comparación hecho a diferentes velocidades del ascensor (0,68 m/s, 1 m/s, 1,5 m/s.
Algunas consideraciones basadas en los datos expresados en la Tabla 1. Cuando el gearless tiene una velocidad de rotación baja debido a la tracción directa y poleas grandes, como es el caso del sistema 2), su eficiencia es menor que la del winche.
Desplazando la tabla horizontalmente puedes ver que para la misma velocidad del ascensor, usando poleas más pequeñas y tirones 2:1:
- el par disminuye;
- el gearless se vuelve más liviano (y por lo tanto tiene un tamaño más pequeño y un costo menor);
- la eficiencia total aumenta aunque la eficiencia del compartimento sea menor (debido a las poleas de retorno).
Desplazando la tabla verticalmente se puede ver que para un mismo sistema, a medida que aumenta la velocidad, aumenta la eficiencia de la máquina, tanto con tracción de caja de cambios (cabrestante) como con tracción sin engranajes, pero la que tiene sistema de tracción sin engranajes aumenta más.
En sistemas gearless la potencia de los frenos (Pfreno) no es despreciable. En efecto, en el modo gearless, el freno actúa directamente sobre el eje de la polea tractora y por tanto debe tener un par de frenado importante que requiere una potencia no siempre despreciable que va a disminuir la eficiencia total de la máquina.
En el cabrestante, el freno está en el eje rápido de la caja de cambios, por lo que el par de frenado requerido es considerablemente menor y el freno requiere menos potencia.
En conclusión, podemos afirmar que una máquina de tracción sin engranajes no es a priori más eficiente que un cabrestante. Esto sucede si el sistema está configurado para aumentar la velocidad de rotación.
Respecto a los sistemas MRL, donde el espacio disponible es limitado, el uso de pequeñas poleas y tiros indirectos da lugar a una máquina de menores dimensiones y por tanto más fácil de instalar.
A la hora de diseñar el sistema de ascensor hay muchos aspectos a tener en cuenta para elegir la distribución adecuada y conviene conocer también aquellos que permitan un ahorro energético real y la optimización de espacios y recursos.
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