Evaluación y comparación de los métodos IEC 60034-

2, IEEE112 y CSA390 para la medición de la

eficiencia energética en motores de inducción de baja

potenciaJoan S. Chamorro, Daniel M. Cruz

Departamento de electrónica y sistemas, Pontificia Universidad Javeriana Cali, Colombia

Joan.chamorro@javerianacali.edu.co Daniel.cruz@javerianacali.edu.co

Abstract— There are various international, regional and

national classification standards, test procedures and labeling of

energy efficiency of induction motors, such as IEEE112,

IEC60034, CSA390 among others. Each of these standards deliver

different results, so it is difficult to determine the actual efficiency

and therefore pose a model of energy management, this in turn

hinders trade engines and does not allow a direct comparison

between these. Because of this a comparative table of IEC60034,

IEEE112 and CSA390 standards has been made to characterize

each of these and know their differences. Keywords—Induction

motors, efficiency, standards.

I. INTRODUCCIÓN

Los motores de inducción son un componente crítico de

muchos procesos industriales y se integran con frecuencia en

equipos disponibles en el mercado y los procesos industriales

[1]. Estos representan más del 90% de los motores de la

industria [2], de los cuales la industria consume alrededor del

50% de la energía a nivel mundial y el 68% de la energía de la

industria se transforma en motores.

Existen diferentes normas internacionales, regionales y

nacionales de clasificación, de procedimientos de prueba y de

etiquetado de la eficiencia energética de motores de inducción.

Algunas de estas son IEEE, IEC, NEMA, IEC, APEC, entre

otros [3], Cada una de estas normas entrega distintos

resultados, por lo cual es difícil determinar cuál es la eficiencia

real y por lo tanto plantear un modelo de gestión de energía,

esto a su vez obstaculiza el comercio de los motores y no

permite una comparación directa entre estos.

II. CONCEPTOS GENERALES

A. Eficiencia en motores de inducción.

Para un motor la eficiencia es la relación de la potencia de salida

del eje de motor a la entrada de alimentación en los terminales

del motor. Durante la conversión de energía eléctrica a

mecánica se tienen cuatro categorías de pérdidas, las cuales son

las pérdidas en el cobre, pérdida en el núcleo, pérdidas

mecánicas y las pérdidas misceláneas. Las pérdidas siempre

están presentes cuando se toma energía eléctrica para producir

potencia mecánica, por tal razón medir eficiencia es un factor

importante [4].

B. Pérdidas eléctricas.

Se presentan por calentamiento resistivos en los devanados del

estator y el rotor de la máquina. Las pérdidas eléctricas en el

estator se hallan teniendo en cuenta la corriente que fluye por

cada una de las fases del inducido, además de la resistencia de

cada fase. Para el rotor se tiene en cuenta la corriente que fluye

en el devanado de campo en el rotor y la resistencia de ese

devanado. Las pérdidas eléctricas totales serán la suma de las

pérdidas de estator y rotor.

C. Pérdidas en el núcleo.

Estas se presentan por histéresis y por corrientes parásitas que

se presentan en el metal del motor.

D. Pérdidas mecánicas.

Estas se presentan por fricción y rozamiento, la primera es

causada por la fricción en los cojinetes de las maquinas. Las

pérdidas por rozamiento se presentan por el rozamiento con el

aire que presentan las partes móviles de un motor dentro de la

caja de este mismo.

E. Pérdidas misceláneas.

Son aquellas que no pueden ser ubicadas en alguna de las

anteriores categorías.

F. Circuito equivalente.

Un motor de inducción eléctrico puede verse como un

transformador eléctrico, solo que la potencia de entrada y la de

salida están invertidas. Para facilitar el análisis de este tipo de

máquinas está el método de circuito equivalente, que se basa en

el modelo de un transformador, pero teniendo las

consideraciones necesarias el cual contiene resistencias e

impedancias asociadas al modelo de un transformador. Para

obtener una aproximación adecuada de dichos valores se deben

realizar dos pruebas, prueba de circuito abierto y prueba de

corto circuito como lo muestra la figura [5]

Fig. 1. Modelo de un motor de inducción.

III. MATERIALES Y MÉTODOS

Al momento de realizar las pruebas para ejecutar los estándares

de eficiencia, se hizo selección de dispositivos que pudieran

brindar mediciones confiables, para este caso se usaron los

siguientes elementos.

Variador de velocidad con frecuencia

constante

Multímetro fluke

Analizador de calidad de potencia HDPQ

marca Dranetz.

Termocupla

4 resistencias de 2KW a 220 v cada una

Tacómetro

4 fuentes variables DC de 0-30v Y 0-3A cada

una

Generador DC de 3 hp

Motor de 5 hp su eficiencia está clasificada

según IE1 que como lo muestra la figura 4.1

es de aproximadamente 85 a 86%.

Transformador de 220V a 440V

Al aplicar los estándares se buscó evidenciar cuales eran sus

principales similitudes y diferencias, luego de realizar un

proceso de caracterización del motor, junto con las

particularidades de cada estándar que se aplicó.

IV. CARACTERIZACIÓN DEL MOTOR

Para poder aplicar los estándares para la medición de eficiencia

energética en un motor, lo que primero se hizo fue caracterizar

el motor mediante el circuito equivalente, es decir, hallar la

curva del torque inducido en función de la velocidad, esto con

el fin de poder determinar los puntos de carga y su respectiva

curva de potencia en función de la velocidad.

A. Ensayo DC

Inicialmente se realiza el ensayo de corriente continua este

ensayo permite encontrar la resistencia DC del devanado del

estator. Consiste en alimentar el motor con una fuente DC que

sea capaz de brindar la corriente nominal del motor, iniciando

desde un voltaje casi cero, se va aumentando gradualmente

hasta alcanzar la corriente nominal, al llegar a este punto se

mide voltaje (Vcc) y corriente (Icc), para calcular la resistencia

DC usando ecuación 1.

𝑅𝐷𝐶 =𝑣𝐶𝐶

2𝐼𝐶𝐶 (1)

B. Ensayo en vacío.

En este orden de ideas, luego se debe realizar el ensayo de

vacío. Este consiste en alimentar el motor con voltaje y

frecuencia nominal sin carga y medir voltajes de fase, corrientes

de fase, potencia activa, potencia aparente y frecuencia; Como

lo muestra la tabla I.

TABLA I. Resultados de la prueba de vacío

C. Ensayo de rotor bloqueado.

Por último para el ensayo de roto bloqueado, el objetivo es

encontrar los parámetros faltantes del estator y del circuito de

rotor. Consiste en bloquear el rotor de la máquina y alimentarlo

desde una fuente de tensión variable empezando en cero y

aumentando hasta tener corriente nominal por el devanado. Al

momento de la variación del voltaje la frecuencia debe

permanecer fija; Como se ilustra en la tabla II.

TABLA II. Resultados de la prueba de rotor bloqueado.

V. CURVA DE POTENCIA

Con los resultados anteriores se procede a hacer la curva

característica del torque y de potencia teniendo en cuenta la

ecuación 2 Y 3. Donde se debe calcular el equivalente Thevenin

al modelo del motor de la figura 1 y 𝜔𝑠𝑖𝑛𝑐 hace referencia a la

velocidad en rad/s. Las figuras 2 y 3 muestran las curvas

características de torque y potencia respectivamente.

𝜏𝐼𝑁𝐷 =3𝑉𝑡ℎ

2 𝑅2𝑠⁄

𝜔𝑠𝑖𝑛𝑐[(𝑅𝑡ℎ + 𝑅2𝑠⁄ )

2+ (𝑋𝑡ℎ + 𝑋2)2]

(2)

𝑝 = 𝑣𝜏𝑖𝑛𝑑

𝜋

30 (3)

Fig. 2. Curva característica del torque en función de la velocidad del motor

Fig. 3. Curva de la potencia en función de la velocidad del motor

Después de obtener estas curvas se procedió a determinar los

diferentes puntos de carga que se iban a usar como lo muestra

la tabla III, donde Psal es la potencia de salida, que se

garantizará con la figura 3.

Carga (%) Psal(W) Velocidad(rpm)

66 2429 1749

57 2116 1757

50 1857 1764

40 1477 1772

29 1064 1780

20 755 1787 Tabla III. Puntos de carga a utilizar para las pruebas.

VI. MÉTODO IEEE112

Para el método IEE112 lo que se hizo fue calcular las

respectivas pérdidas que este define para calcular la eficiencia

energética en un motor de 5 hp.

A. Pérdidas en el estator (Pscl).

Estas pérdidas se calculan mediante la resistencia calculada del

ensayo DC y la corriente promedio de línea (I), aplicando la

ecuación 4 y una respectiva variación de diferentes voltajes en

vacío junto con una corrección de temperatura de la resistencia

(Rcorr) usando la ecuación 5

𝑃𝑠𝑐𝑙 = 3𝐼2𝑅𝑑𝑐 (4)

𝑅𝑐𝑜𝑟𝑟 = 𝑅𝑎(𝑡𝑏 + 𝑘1)

𝑡𝑎 + 𝑘1 (5)

Donde:

𝑅𝑎 Es la resistencia medida a temperatura 𝑡𝑎.

𝑡𝑏 Es la temperatura a la cual la resistencia va a ser

corregida.

𝑡𝑎 Es la temperatura a la cual fue medida la resistencia

𝑅𝑎.

𝑘1 Es de 234,5 para el 100% de la conductividad IACS de

cobre, o 225 para el aluminio, sobre la base de un

volumen de conductividad del 62%.

B. Pérdidas por fricción y ventilación (Pwind)

Después de obtener las pérdidas en el estator, se debe proseguir

a obtener las pérdidas por fricción, para esto se debe graficar

𝑃𝑒𝑛𝑡 − 𝑃𝑠𝑐𝑙 𝑣. 𝑠. 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒2, para la cual se obtuvo la figura 4, de

aquí se debe hacer una regresión lineal y hallar la intersección

con el eje Y, en este caso da como resultado Pwind=44,253W.

Fig. 4. Gráfica de los puntos para hallar las pérdidas por ventilación.

C. Pérdidas en el núcleo.

Para obtener las pérdidas en el núcleo la norma dice que se debe

restar de Pent-Pscl, se toman las pérdidas por fricción y

ventilación Pwind y se grafican frente a voltaje como en la

figura 5. De aquí se obtiene la ecuación característica de este

polinomio de grado 2, el cual representa las pérdidas en el

núcleo en todos los niveles de voltaje.

Fig. 5. Gráfica para hallar la ecuación característica de las pérdidas en el núcleo en función del voltaje.

D. Pérdidas misceláneas.

Para el cálculo de estas pérdidas el método E1 permite

asumirlas según la tabla 6, para el caso del motor de 3,7W se

asume como el 1,8% de la carga.

E. Cálculo de la eficiencia.

Para el cálculo de la eficiencia se usará la ecuación 6 donde

𝑃𝐸𝑁𝑇 es la potencia de entrada medida y 𝑃𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿𝐸𝑆 es la suma

de las pérdidas anteriormente calculadas, en donde se obtienen

las diferentes eficiencias en los puntos de carga de la tabla IV.

𝜂 = 𝑃𝐸𝑁𝑇 − 𝑃𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿𝐸𝑆

𝑃𝐸𝑁𝑇 (6)

TABLA IV. Cálculo de la eficiencia para cada punto de carga

VII. MÉTODO CSA390.

Para este método se calcularon las pérdidas necesarias para

calcular la eficiencia. Como para este estándar es necesario

hacer pruebas con carga además tener en cuenta la variable de

torque, primero se tomaron valores de carga del 92% de carga

hasta el 20% para la prueba de variación de voltaje y para el

torque se hizo uso de la curva de torque de la figura 2.

A. Pérdidas en el estator.

Para calcular estas pérdidas se realiza el mismo procedimiento

que para el estándar ya mencionado IEEE112, es decir usando

la ecuación 4. Se obtienen los resultados de la tabla V.

TABLA V. Pérdidas del estator con carga usando CSA 390.

B. Pérdidas por fricción y ventilación.

Estas pérdidas se calculan con el mismo procedimiento que en

el estándar IEEE112 para las pérdidas sin carga, pero con la

diferencia de que se deben tener en cuenta solo los puntos de

carga entre 50% y 20% y adicionalmente se debe calcular las

pérdidas en el estator, obteniendo la figura 6.

Fig. 6. Gráfica de Pent-Pscl V.S. Voltaje2.

Con la figura 6, se puede hallar la intersección con el eje Y que

son las pérdidas por ventilación, se tiene que Pwind=39,56 W.

C. Pérdidas en el núcleo.

Para estas pérdidas la norma solo tiene en cuenta los puntos de

carga desde el 125% hasta el 50%, a estos se les aplica el mismo

procedimiento que en la norma IEEE112, obteniendo la figura

7. Según la norma se debe ubicar el voltaje nominal y mirar el

valor en Y, a este valor se le debe restar las pérdidas por fricción

y ventilación (Pwind) y estas serían las pérdidas en el núcleo.

teniendo en cuenta esto, el punto más alto que se logró alcanzar

en la prueba fueron 404V. Por lo tanto, se tiene como resultado

Ph= 127,08W.

D. Pérdidas en el rotor

Las pérdidas en el rotor según la CSA390 se calcula de la

misma forma que IEEE112, pero la diferencia es que esta

norma pide hacer corrección de temperatura al deslizamiento

mediante la ecuación.

𝑆𝑐𝑜𝑟𝑟𝑆(𝑡𝑠+𝐾1)

𝑡𝑡+𝑘1 (5)

𝑆 Es el deslizamiento calculado.

𝑡𝑠 Temperatura del estator corregido a 25°C. ts=tdev+25-

tamb

𝑡𝑡 Es la temperatura medida en el estator (tdev)

k1 Es de 234,5 para el 100% de conductividad IACS de

cobre, o 225 para el aluminio, sobre la base de un

volumen de conductividad del 62 %.

Fig. 7. Gráfica de Pent-Pscl VS Voltaje con CSA390.

E. Pérdidas Misceláneas

Para el cálculo de las pérdidas misceláneas el estándar primero

dice que se deben calcular los kilowatts residuales que se

definen mediante la siguiente ecuación.

𝐾𝑟𝑒𝑠(𝑤) = 𝑃𝑒𝑛𝑡 − 𝑃𝑠𝑎𝑙 − 𝑃𝑠𝑐𝑙 − 𝑃ℎ − 𝑃𝑤𝑖𝑛𝑑 − 𝑃𝑃𝐶𝐵 (7)

Después de obtener los Killowatts residuales para cada punto

de carga se debe graficar los Kilowatts residuales v.s. torque y

realizar una regresión lineal. Como lo muestra la figura 8 y

aplicar la ecuación obtenida a cada punto

Figura 8.Grafica de Kres vs Tind

F. Calculo de la eficiencia.

Para el cálculo de la eficiencia se debe calcular la potencia

de salida con la ecuación 7 y calcularse de la misma forma

que IEEE112, obteniendo la tabla VI.

𝑃𝑆𝐴𝐿(𝑤) = 𝑃𝑒𝑛𝑡 − 𝑃𝑠𝑎𝑙 − 𝑃𝑠𝑐𝑙 − 𝑃ℎ − 𝑃𝑤𝑖𝑛𝑑 (7)

TABLA VI. Eficiencia para cada punto de carga usando CSA 390.

VIII. METODO IEC 60034-2

El estándar IEC 60034-2 para calcular la eficiencia en un motor

de forma indirecta no da una secuencia, simplemente lo que

hace es separar cada tipo de pérdidas y su forma de cómo

calcularlas.

A. Pérdidas en el estator

Las pérdidas en el estator se calculan de la misma manera que

los anteriores estándares, es decir usando la ecuación 4 de

pérdidas en el cobre.

B. Pérdidas por ventilación

Las pérdidas por ventilación se calculan de la misma manera

que se hace en IEEE112 para la prueba en vacío y realizando el

mismo procedimiento. A partir de los resultados se obtuvo la

gráfica 9 donde se realiza la interpolación y se obtienen las

pérdidas por ventilación Pwind=40,5W.

Fig. 9. Grafica de Pent-Pscl VS Voltaje2 Con IEC 60034-2.

C. Pérdidas en el núcleo

La norma IEC 60034-2 dice que para calcular las pérdidas en el

núcleo se debe graficar como en IEEE 112, obteniendo la figura

10. Pero la diferencia es que se toman los porcentajes de carga

de 60% y 125% y adicionalmente se tiene en cuenta la caída de

tensión en el devanado primario, es decir se calcula cada nivel

de tensión según la ecuación 8.

𝑉𝑟(𝑉) = √(𝑉 −√3

2∗ 𝐼 ∗ 𝑅 ∗ 𝑐𝑜𝑠𝜙)2 + (𝑉 −

√3

2∗ 𝐼 ∗ 𝑅 ∗ 𝑠𝑒𝑛𝜙)2 (10)

Fig. 10. Gráfica de Pent-Pscl V.S. voltaje con IEC60034-2

D. Pérdidas en el rotor

Las pérdidas en el rotor se calculan de la misma forma que

calculan en la IEEE112, teniendo en cuenta la respectiva

corrección de temperatura en el deslizamiento como se hizo en

la norma CS390.

E. Pérdidas misceláneas

Para el cálculo de las pérdidas misceláneas el estándar sigue el

mismo procedimiento que CSA390, es decir calcular los

Kilowatts residuales y graficarlo v.s. torque, como lo muestra

la figura

Fig. 10. Gráfica de Kres vs Tind por IEC60034-2.

F. Calculo de la eficiencia

Para el cálculo de la eficiencia se calcula de la misma forma

que en los estándares anteriores. Los resultados se pueden

evidenciar en la tabla VII.

TABLA VII. Cálculos para determinar eficiencia IEC 60034-2.

IX. CONCLUSIONES.

Un factor que vale la pena resaltar es que las

normas IEC 60034 y CSA390 exigen medición

de torque directo en el rotor, esto con la finalidad

de calcular manualmente las pérdidas

misceláneas, a diferencia de IEEE112 que es

mucho más permisivo y deja asumir estas

pérdidas como un porcentaje de la potencia de

entrada.

A pesar que IEEE112 y CSA390 son estándares

internacionalmente aceptados, se pudo evidenciar

que estos no tienen en cuenta muchos aspectos

que teóricamente se deberían de tener en cuenta,

como lo hace IEC60034. Pero a pesar de esto,

IEEE112 es un estándar que requiere muchos

menos elementos para lograr medir la eficiencia

energética con un error tolerable.

Muchos estándares al no ser muy específicos con

el procedimiento que se debe seguir puede llegar

a generar confusión con quien desea medir la

eficiencia energética de un motor, ya que el

cálculo de algunas pérdidas son dependientes de

otras que se deben calcular previamente.

Al hacer los respectivos cálculos para

caracterizar un motor, permite determinar ciertas

medidas como el torque o la potencia de salida

sin necesidad de tener un instrumento de

medición, lo cual puede llegar a ser un recurso

muy importante.

A la hora de querer medir la eficiencia energética

de un motor es muy importante que se siga el

debido procedimiento que se sigue en la norma,

ya que cualquier cambio puede afectar

significativamente el resultado.

X. REFERENCIAS

[1] A. M. a. P. A. Diaz D, «Inter-turn short-circuit analysis in

an induction machine by,» de XXth International

Conference on Electrical Machines, 2012.

[2] O. Baez, «Javier de la morena cancela,» 2012. [En línea].

Available:

http://www.fenercom.com/pdf/formacion/e3plus2012/15-

eficiencia-energetica-en-motoreselectricos..

[3] L. C. a. R. J., «Normas de eficiencia energética de motores

de inducción, ¿está preparada latinoamérica?,» ISSN 0123-

7799, vol. (30), p. 117–147, 2013.

[4] H. C. R. Li, «Motor efficiency, efficiency tolerances and

the factors that influence them.,» IEEE Industry

Applications Magazine, p. 1–6, 2010.

[5] S. J. et al CHAPMAN, Máquinas eléctricas, Fifth edition,

2012.

[6] M. Benbouzid, «A review of induction motors signature

analysis as a medium for faults,» de IEEE Energy

Conversion Congress and Exposition, 1998.

[7] C. S. Asssociation, «Energy Efficiency Test Method for

three-phase induction motors,» Washington D.C, 1993.

[8] N. T. Colombiana, «Máquinas eléctricas rotatorias,

métodos para la determinación de las pérdidas y de la

eficiencia a partir de ensayos (excluyendo las máquinas

para vehículos de tracción),» ICONTEC, Bogotá D.C,

2008.

[9] I. STANDARDS, «IEEE Standards Test Procedure for

Polyphase Induction Motors and Generators,» New York,

2004.