10 Motores y Variadores

Taller de Ahorro de Energía Eléctrica ELÉCTRICA

FIDEICOMISO PARA EL AHORRO DE ENERGÍA

Modulo IV Inducción

Ahorro de Energía en Motores de

FIDEICOMISO PARA EL AHORRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA FIDE CURSO Y TALLER DE APLICACIÓN PRÁCTICA EN AHORRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA

Modulo 4 Ahorro de Energía en Motores Eléctricos de Inducción

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AHORRO DE ENERGÍA EN MOTORES ELÉCTRICOS DE INDUCCIÓN.

Capitulo 1 1.1. Objetivo. Al final del presente módulo, el participante conocerá los distintos tipos de motores y las principales características de operación de los motores de corriente alterna del tipo inducción y como afectan para su correcto funcionamiento y para el ahorro de energía; además de poder evaluar la forma de sustituir motores de eficiencia estándar por motores de alta eficiencia.

1.2. Introducción. Si analizamos el perfil de los consumidores de energía a nivel nacional, aproximadamente el 70% de ellos son del tipo industrial; Mientras que en la industria, entre el 55 y 60% del consumo de energía, se debe a los motores eléctricos. Los motores más comúnmente utilizados en la industria son del tipo inducción o rotor jaula de ardilla, debido a sus características tanto de operación, como constructivas. Por lo tanto, si ellos son los mayores consumidores de energía, es necesario analizarlos más a fondo, para determinar las variadas oportunidades de ahorro ahorro de energía que en ellos se pueden aplicar. Aunque existen muchos tipos de motores, en este curso únicamente profundizaremos profundi zaremos en los motores de corriente corriente alterna del tipo inducción ó rotor jaula de ardilla, del tipo B, ya que son los que se utilizan con mayor frecuencia frecuencia en la industria, industria, además de que son los que podemos encontrar encontrar más comercialmente comercialmente en alta eficiencia.

1.3. Tipos de Motores. Actualmente, existen una gran diversidad de motores utilizados dentro de la industria, sin embargo, todos ellos ellos caen dentro de una clasificación clasificación de acuerdo a la corriente utilizada utilizada o el tipo de fabricación fabricación del motor. De acuerdo a la corriente que utilizan los motores se clasifican como de corriente alterna y de corriente directa. Por el tipo de fabricación, se clasifican como abiertos, cerrados, a prueba de goteo, a prueba de explosión, etc. Por el tipo de d e par, se clasifican como de alto par de arranque, par de arranque normal. Por su forma de operación, se clasifican como motores síncronos, asincronos o de inducción, de rotor devanado, de alto deslizamiento, etc. Por la velocidad, se clasifican como de 2 polos, 4 polos, 6 polos, etc., cuyas velocidades de sincronismo son 3600, 1800 y 1200 r.p.m. respectivamente. 2

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Los motores más utilizados dentro de la industria es el motor asincrono o más conocido como motor de inducción. Esto se debe a que su construcción es muy sencilla pero muy robusta, se adapta bien a marcha a velocidad constante, tiene pocos componentes y por lo tanto su costo de adquisición y de mantenimiento no son muy elevados.

Figura y Tabla 1.1. Diferentes tipos de motores Por ti tipo de corriente De corriente directa De corriente alterna Universales

Por construcción Abiertos Cerrados A: prueba de explosión

Por pa par desarrollado Alto par de arranque Bajo par de arranque Par de arranque normal

Por Velocidad De 2 polos (3600 rpm) De 4 polos (1800 rpm) De 6 polos (1200 rpm), et etc.

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1.4. Características Generales del Motor de Inducción. Su nombre deriva de su principio de operación, ya que el estator, que es donde se ubican los devanados, induce un voltaje en el rotor, debido a la acción de un campo magnético fluctuante. El rotor, está formado únicamente por láminas muy delgadas de acero al silicio, aisladas entre sí por barniz, por su similitud con las jaulas de las ardillas, este motor se conoce como motor con rotor jaula de ardilla. Al variar el valor del campo magnético, varía también el valor del voltaje inducido en el rotor, lo que provoca corrientes circulantes en el rotor y por lo mismo, campos magnéticos, que se van a oponer al campo que las genera, provocando con ello un par motriz y por lo tanto un movimiento giratorio del rotor. Entre el voltaje inducido en el rotor y el campo generado por el estator, existe un defasamiento, esto es lo que provoca la inducción de voltaje. Aunque el rotor sigue al campo magnético del estator, debe existir una diferencia porque de lo contrario no se produce la inducción y el rotor no gira. El rotor, está formado únicamente por láminas muy delgadas de acero al silicio, aisladas entre sí por barniz, por su similitud con las jaulas de las ardillas, este motor se conoce como motor con rotor jaula de ardilla.

Fig. 1.2. Principio de Operación de un Motor de Inducción

1.4.1. Velocidad de Rotación de un Motor La velocidad con la que gira el campo magnético del estator (n s) se conoce como velocidad síncrona (o sincrónica) del motor y se deduce que dicha velocidad síncrona solo se puede cambiar si se modifica la frecuencia o el número de polos. La velocidad de giro de este campo magnético en revoluciones por minuto (r.p.m.), es: 4





ns

donde :

=

120 x f p

f = Frecuencia de alimentación p = Número de polos del devanado del estator.

En la tabla (5.3), se indica la velocidad síncrona de acuerdo al número de polos del motor para una frecuencia de alimentación de 60 Hz.

Tabla 1.3. Velocidad Síncrona de Motores de Inducción Número de Velocidad Síncrona Polos (RPM) 2 3600 4 1800 6 1200 8 900 A esta diferencia entre la velocidad de sincronismo o del campo del estator y la velocidad del rotor se le denomina deslizamiento, y se expresa normalmente como porcentaje. S= Donde: S= deslizamiento Ns= velocidad de sincronismo Nr= velocidad real

1.5. Par en los Motores de Inducción. Existen varios tipos de motores, cada uno con características particulares que permiten obtener un servicio específico y en particular, el par es uno de los factores que los caracteriza. El término par del motor se refiere al torque desarrollado en el eje. El par motor se expresa y se mide en Newton-m (Nm); un par de 20 Nm, es igual al esfuerzo de tracción de 20 Newtons, aplicado a un radio de un metro. Por otro lado, la potencia puede ser calculada si se conoce el torque requerido por el equipo, mediante la siguiente ecuación:

donde:

Torque (Nm) x RPM HP = -----------------------------------------------K K es constante, 7,124 si T (Nm); 5,252 si T (pie-libra).

Ejemplo: Si el torque requerido para un agitador es de 15 Nm, y se requiere una velocidad de 3,600 RPM, cuál será la potencia nominal del motor para satisfacer esta carga. 15 Nm x 3,600 RPM HP = ------------------------------------ = 7.58 HP 7,124 Por lo tanto, un motor de 7.5 HP puede satisfacer dicha carga. 5





Figura 1.4. Gráfica del par de un motor de inducción NEMA B

En donde: a: Par a rotor bloqueado o par de arranque b: Par de aceleración o par mínimo c: Par máximo d: Par nominal 1.5.1. Par a Plena Carga o Par nominal. El par a plena carga es el necesario para producir la potencia de diseño a la velocidad de plena carga. El par a plena carga de un motor se toma como base, el par de arranque y el par máximo se comparan con él y se expresan en la forma de un cierto porcentaje del par a plena carga.

1.5.2. Par de Arranque. El par de arranque o par a rotor bloqueado es el torque que el motor desarrolla cuando el motor está en estado de reposo y comienza a moverse. Es decir, es el par que el motor puede proporcionar, cuando se energiza este, parta romper el reposo de la carga.

1.5.3 Par de Aceleración ó Par Mínimo. Es el par mínimo disponible en el periodo de aceleración del motor.

1.5.4. Par Máximo Es el máximo torque que desarrolla el motor, justo antes de frenarse por exceso de carga. Es usualmente expresado como un porcentaje del torque a plena carga. El par máximo de los motores ordinarios varía entre 1.5 y 3 veces del par de plena carga. 6





1.5.5. Características Par-Velocidad de Motores de Inducción Modificando el diseño de un motor tipo jaula de ardilla es posible controlar hasta cierto punto la corriente y el par de arranque. Dentro de las normas NEMA (National Electrical Manufacturers Association), estos diseños se han agrupado en cuatro clasificaciones principales: 1. Motores de par normal y corriente de arranque normal (diseño NEMA A). 2. Motores de par normal y baja corriente de arranque (diseño NEMA B). 3. Motores de alto par y baja corriente d e arranque con doble jaula en el rotor (diseño NEMA C). 4. Motores de alto deslizamiento (diseño NEMA D.) Los tipos básicos de motores mencionados se derivan de la norma NEMA MGI-1.16. Las curvas par velocidad para cada tipo (o diseño NEMA) se muestran en la figura 1.8 El deslizamiento deslizamiento necesario necesario para producir la fuerza que impulse la carga carga nominal del motor depende depende de las características de este. En general, cuanto mayor sea la corriente que toma el motor en el arranque tanto menor será el deslizamiento a carga plena y mayor será la eficiencia. Cuanto más baja sea la corriente de arranque, tanto mayor será el deslizamiento, y menor la eficiencia. El voltaje de alimentación, la corriente, el par, la velocidad y la impedancia del rotor están directamente relacionados entre sí. Al modificar la resistencia y la reactancia del rotor, también se modifican las características del motor, pero en el caso de un diseño dado de rotor dichas características pueden considerarse fijas. Si se incrementa el voltaje de línea se reduce el deslizamiento, y lo contrario también es valido. En ambos casos, la corriente inducida en el rotor será suficiente para producir la fuerza de impulso de la carga. Una reducción en el voltaje de línea trae consigo un incremento en el calentamiento del motor; por el contrario, un incremento en el voltaje de línea reduce en el calentamiento, de forma que el motor puede soportar una carga mayor. Según el tipo de motor, el deslizamiento a plena carga puede variar entre 3 y 20%. La corriente de arranque (o a rotor bloqueado) y el par resultante son los factores que determinan si el motor puede ponerse en marcha conectándolo directamente a la línea de alimentación, o si es necesario reducir la corriente en el arranque a fin de obtener el funcionamiento requerido. Dependiendo del tipo de motor, la corriente a rotor bloqueado que toma un motor varía normalmente entre 2.5 y 10 veces el valor de su corriente a plena carga, pero existen motores con corrientes de arranque aun mayores. Un voltaje mayor que el normal incrementa la corriente de arranque a razón de un 12% por cada 10% de incremento en el voltaje, mientras que el par de arranque aumentara en un 20% por cada 10% que se incremente la tensión. Una disminución en el voltaje por debajo del normal traerá consigo efectos opuestos. En la figura 1.4 se muestra la curva de comportamiento del par de acuerdo con la velocidad, para un motor NEMA tipo B.

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Figura 1.5.Curvas par-velocidad para motores diseño NEMA A, B,C y D Tabla 1.6.Características de los motores de alta eficiencia de 1 a 100 h.p.

1.6. Corriente Nominal de un Motor. La corriente nominal indicada en la placa de un motor de inducción, se refiere a la corriente absorbida por el motor operando a plena carga.

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La intensidad de corriente de un motor trifásico puede calcularse fácilmente aplicando la siguiente formula:

I=

h. p * 746 3 * V * η * F . P .

Donde: I= corriente η = eficiencia del motor V= Voltaje entre fases FP= factor de potencia h.p.= caballos de potencia Como se puede observar, el factor de potencia es determinante para calcular la corriente del motor de inducción.

1.7. Componentes de un Motor. Las partes principales de un motor de inducción jaula de ardilla son las siguientes:

Estator. Donde se colocan los devanados del motor, esta parte no tiene movimiento y es donde se produce el campo magnético. Comúnmente se fabrica en acero colado y en su interior se colocan paquetes de láminas delgadas de acero al silicio, que es donde se alojan las bobinas para crear el campo magnético. La razón de utilizar acero al silicio es su alta permeabilidad al flujo magnético. Es decir, la facilidad de conducir el flujo, con lo que las perdidas de flujo se disminuyen considerablemente.

Rotor Es la parte giratoria del motor, está formado por láminas delgadas de acero al silicio unidas con barras de aluminio y se coloca encima de la flecha del motor, que es la que trasmite el movimiento. Tapa anterior. Es la que cubre los devanados del estator y aloja el balero de carga del motor. Tapa posterior. Cubre también la p arte posterior de los devanados del estator y aloja el balero posterior. Cubierta del Ventilador. Cubre el ventilador de enfriamiento enfriamiento del motor. Baleros o Rodamientos. Sirven para soportar soportar a la flecha y transmitir el par motor sin fricción. se denomina denomina balero balero lado carga el que se ubica hacía donde se transmite el movimiento y balero posterior al opuesto.

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Figura 1.8 Componentes de un motor. 1.8. Eficiencia de un Motor Una característica fundamental de todo equipo eléctrico es su eficiencia, es decir, su capacidad para convertir en trabajo la energía que reciben. Básicamente un motor es una máquina que convierte la energía eléctrica en energía mecánica. Por lo tanto, es de suma importancia que la energía que recibe de la alimentación, se convierta en trabajo y se transmita en su totalidad a través del movimiento de la flecha del motor. Sabemos que lo anterior es imposible. Ya que durante la operación de cualesquiera equipo eléctrico, se produce pérdida de energía por di ferentes conceptos. Para el caso de los motores eléctricos, en la actualidad se están fabricando motores denominados de alta eficiencia, con lo cual, los motores utilizados normalmente se les llama motores de eficiencia estándar. Estos motores de alta eficiencia, tienen un menor consumo de energía, para transmitir la misma potencia en su flecha que un motor de eficiencia estándar. Para poder hablar de alta eficiencia o eficiencia estándar, es necesario que definamos lo que es eficiencia y que es lo que provoca que esta disminuya o se incremente. La eficiencia de un motor se define como:

Eficiencia =

POTENCIADE SALIDA POTENCIADE ENTRADA

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Los motores estándar tienen una eficiencia que varía entre el 80 y 90%, mientras que en los motores de alta eficiencia, esta varía entre 87 y 96%. La potencia de entregada en la flecha por un motor nunca podrá ser igual a la potencia recibida en la alimentación, esto se debe a que durante el proceso de conversión se producen pérdidas de energía.

1.8.1. Definiciones de la Eficiencia del Motor La palabra eficiencia, aplicada a motores, debe definirse adecuadamente. Enseguida se presenta parte de la terminología empleada en la actualidad.

Eficiencia nominal (o eficiencia media esperada). Valor promedio obtenido al probar una gran cantidad de motores de la misma marca y modelo. Cada uno de los motores puede diferir bastante del valor medio, por lo cual dicho parámetro no es confiable para realizar cálculos económicos.

Eficiencia mínima garantizada . Valor que el fabricante garantiza que alcanzan o exceden todos sus motores de una potencia dada.

Al evaluar diferentes motores deben compararse estos valores mínimos, con el objeto de obtener cifras de costos que sean confiables. Debe tenerse cuidado de no comparar valores mínimos con valores nominales, promedios o valores no garantizados. Uno o dos puntos porcentuales de error en el valor de eficiencia pueden significar a la larga miles de pesos de diferencia en ahorro durante la vida del motor.

1.8.2. Pruebas Estándar para Determinar la Eficiencia del Motor Es importante que las comparaciones de eficiencias de motores sean hechas usando una metodología uniforme para las pruebas. No existe un método estándar para determinar la eficiencia de los motores. Las pruebas más comúnmente utilizadas son: IEEE 112-1984 (Estados Unidos) IEC 34-2 (Comisión Electrotécnica Internacional) JEC –37 (Comité Electrotécnico Japonés) BS –269 (Asociación de Estándar Canadiense) ANSI C50.20 igual que IEEE 112 (Estados Unidos) • • • • •

Casi todos los fabricantes de Estados Unidos prueban la eficiencia de los motores de 1 a 125 HP con dinamómetro, conforme a la norma IEEE 112-1984, método B. Con ello se logra la consistencia de los datos por informar. La norma IEEE contiene cinco métodos para determinar la eficiencia. En el método A se emplea un freno mecánico ajustable para cargar al motor con el par deseado. En el método B la máquina se carga por medio de un dinamómetro para medir la potencia mecánica a la salida. En el método C se utilizan dos motores idénticos acoplados directamente y conectados a dos fuentes de energía eléctrica, una de ellas ajustables en voltaje y frecuencia para producir la carga deseada. Los métodos E y F se conocen como métodos de pérdidas segregadas, y dependen de mediciones y cálculos (método E) o solamente de cálculos basados en el circuito equivalente del motor (método F). 11





1.8.3. Determinación de Eficiencia (Normas NEMA) Las variaciones normales en materiales, procesos de manufacturas y pruebas de motores dan por resultado una amplia gama de valores de eficiencia para una gran población de motores del mismo diseño. Tomando esto en consideración se estableció la norma NEMA MGI-112.53b, basada en la curva normal de distribución estadística (de Gauss), en la cual se supone que para un diseño determinado la mitad de los motores estarán por encima y la otra mitad por debajo del valor medio o nominal de la eficiencia. El fabricante debe determinar la eficiencia por el método B de la norma IEEE-112 modificada por la NEMA MGI-12.53a y b, y estampar posteriormente una letra índice o de código en la placa de datos que indique tanto la eficiencia nominal como la eficiencia mínima que puede esperarse de cualquier motor de este diseño. Algunos fabricantes estampan en la placa la eficiencia en porcentaje, en lugar de la letra de

1.9. Pérdidas en un Motor Son muy variadas las pérdidas que ocurren dentro de un motor eléctrico de corriente alterna, sin embargo básicamente se pueden clasificar como sigue:

a) Pérdidas magnéticas o pérdidas en el hierro. También se denominan pérdidas en el núcleo y se producen al variar la dirección de la corriente alterna, con lo que las moléculas del acero se magnetizan en direcciones opuestas sesenta veces en un segundo. Esta energía perdida se manifiesta en forma de calor. También se denominan pérdidas por histérisis. Una manera de disminuirlas es la utilización de acero al silicio en lugar de acero al carbono y también se disminuyen considerablemente utilizando acero al silicio de grano orientado y mejorando las técnicas de fabricación. También se producen pérdidas por corriente parásitas o corrientes de eddy, ya que como se mencionó anteriormente, el flujo magnético induce voltajes en el rotor, provocando corrientes circulantes las que al encontrar la resistencia del acero, que es muy grande, provoca calentamiento. Estas pérdidas se pueden reducir haciendo más finas las laminaciones del estator y el rotor y aislando mejor entre si dichas láminas o incrementando el tamaño del núcleo, con lo que la densidad de flujo disminuye y con ello también las pérdidas.

b) Pérdidas en los devanados o pérdidas eléctricas. Estas pérdidas se producen por efecto joule, es decir, por efecto i²r, que se produce por la corriente al pasar por el alambre de los devanados, estas representan aproximadamente el 60% del total de las pérdidas en el motor. Para reducir las pérdidas por efecto joule, es necesario incrementar la sección transversal del conductor de los devanados, ya que como se sabe, el efecto piel hace que la mayoría de los electrones se transporten por la superficie del conductor, que es la parte menos densa y menos caliente, con lo que al aumentar dicha superficie las pérdidas disminuyen. En los motores de alta eficiencia, generalmente los devanados utilizan mayor cantidad de cobre.

c) Pérdidas por fricción y ventilación. La energía empleada por el motor para vencer la fricción en los rodamientos y la oposición del aire por el ventilador que proporciona el enfriamiento al motor, se denominan pérdidas por fricción y ventilación y se clasifican como pérdidas mecánicas.

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Los motores de alta eficiencia utilizan baleros antifricción y ventiladores con aspas de diseño mejorado, así como también aletas del estator mejoradas para ofrecer menos oposición al aire suministrado por el ventilador. Estas pérdidas pueden alcanzar valores hasta del 8% del total de las pérdidas del motor.

Pérdidas indeterminadas. Se producen por las variaciones de flujo, provocadas a su vez por desbalanceo de corriente en la alimentación del motor. Estas pérdidas pueden llegar a ser de hasta el 14% del total de l as pérdidas del motor. Una manera de reducirlas es vigilar la fabricación de las laminaciones y el acomodo de las mismas. De manera genérica, las pérdidas se divide n en dos grandes grupos, Pérdidas Fijas o que no dependen de la carga, como las pérdidas en el hierro o magnéticas y las perdidas por fricción y ventilación Pérdidas Variables o que dependen de la carga, como las pérdidas en los devanados, pérdidas en el rotor y las pérdidas indeterminadas. De todo lo anterior se observa, que para el caso de los motores de alta eficiencia, se tiene especial cuidado en reducir las pérdidas en el motor, pero como consecuencia de ello se incrementa el costo de dichos motores, ya que emplean materiales de mejor calidad, estatores más grandes, mayor cantidad de cobre en los devanados, rodamientos especiales, acero de mayor calidad, diseños nuevos en sus componentes, etc. Sin embargo, la aplicación de un motor de alta eficiencia comparativamente con uno de eficiencia estándar es bastante atractiva económica y técnicamente y la diferencia entre la inversión inicial para instalar un motor de alta eficiencia en lugar de uno estándar se amortiza generalmente de manera rápida, con periodos de recuperación que no exceden de 24 meses, si es que el motor está bien seleccionado. Tabla 1.9 Porcentajes de las Pérdidas en los Motores del Tipo Inducción

Pérdidas

Valores Típicos %

Elementos

Factores que las Afectan

MAGNÉTICAS

15 al 25

Estator y Rotor

ELÉCTRICAS

15 al 40

Estator y Rotor

MECÁNICAS

5 al 15

INDETERMINADAS

10 al 20

Ventilador externo, Ventilador Interno, Rodamientos Rotor, Estator, Ventilador, etc.

Calidad y Cantidad del Acero Calibre y Calidad de Conductor de los Devanados Diseño y calidad de Materiales Diseño y Fabricación

1.10. Determinación Práctica de la Eficiencia de un Motor. Anteriormente se mencionaron métodos para medir la eficiencia de motores, sin embargo, estos métodos se utilizan para motores nuevos, es decir, motores prototipo, sin embargo, para cuestiones de diagnósticos energéticos o evaluaciones de motores, es necesario saber como se comportan en cuanto a 13





eficiencia, pero no se pueden ni quitar de la máquina accionada, ni colocarle frenos u otros equipos de medición, por lo que no tienen aplicación práctica. Para calcular la eficiencia de un motor se utilizan básicamente dos formas: El Método del Deslizamiento y El Método de la Eficiencia Ajustada

A Método del Deslizamiento. Usando un multímetro, un tacómetro y un factorímetro, se puede medir el voltaje, la corriente, la velocidad en r.p.m. y el factor de potencia del motor para un motor bajo condiciones normales de operación. El deslizamiento del motor, puede ser usado para estimar la potencia de salida o entregada a la carga y consecuentemente la eficiencia del motor. A partir del deslizamiento calculamos la eficiencia del motor de la siguiente manera: Carga del motor = Potencia de salida = Carga del motor x Potencia nominal del motor Eff= Por ejemplo: La velocidad síncrona de un motor de 25 HP en 4 polos es de 1800 r.p.m., la velocidad de placa de acuerdo al fabricante es de 1750, la velocidad medida por medio de un tacómetro es de 1770 r.p.m. y la potencia demandada o e entrada del motor es de 13.1 KW. Entonces: Ns = 1800 Nr = 1770 Np = 1750 HP de placa = 25 KW medidos = 13.1 Deslizamiento = 1800-1770= 30 r.p.m. Carga del motor =

30 1800 −1750

=

30 50

= 0.6

HP. De salida = 0.6 x 25 = 15 Eficiencia del motor =

0.746 *15 13.1

*100 = 85%

La técnica del deslizamiento para determinar la carga y la eficiencia del motor no debe ser usada con motores reembobinados o que no están operando al vol taje de diseño. Es necesario hacer notar que esta técnica no proporcionara resultados muy precisos en campo, sin embargo para efectos prácticos de mediciones esta técnica es una buena alternativa para evaluar la eficiencia.

b) Método de la Eficiencia Ajustada.

14



En este método, también es necesario medir los principales parámetros eléctricos del motor, tales como, Potencia activa en Kw, Voltaje entre fases, Corriente en las fases, Factor de potencia y la Distorsión armónica. Para con estos valores y con ajustes de acuerdo a cálculos, se determina la eficiencia a la que se encuentra trabajando realmente el motor e n cuestión. Este método se basa evaluar los factores que afectan la eficiencia de un motor y en base a ello afectar la eficiencia de placa por estos ajustes y determinar la eficiencia de trabajo.

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Figura y tabla1.10 Eficiencias de motores Estándar y Alta Eficiencia EFICIENCIA DE MOTORES TOTALMENTE CERRADOS CON VENTILACI N EXTERIOR POTENCIA

2 POLOS

4 POLOS

H.P.

EST.

A.E.

EST.

A.E.

5

86.2

89.5

87.5

90.2

7.5

87.3

91

88.5

91.7

10

88

91.7

89.4

91.7

15

89.2

91.7

90.2

92.4

20

90

92.4

90.9

93

25

90.6

93

91.4

93.6

30

91.2

93

91.9

94.1

40

91.7

93.6

92.4

94.5

50

92.1

94.1

92.7

94.5

60

92.5

94.1

93

95

75

92.8

94.5

93.3

95.4

100

93.8

95

94.3

95.4

125

94

95.4

94.5

95.4

150

94.5

95.4

94.8

95.8

200

94.5

95.8

95

96.2

250

95

95

95.3

95.4

300

95

95.4

95.5

95.8

350

95

95.4

95.5

95.8

95.1

95.4

95.5

95.8

400 500

EFICIENCIA DE MOTORES 95.3 95.8 95.6 95.8 4 polos

98 96

1.10.1.

A I 94 C N 92 E I C I 90 F E E 88 D %86

4 POLOS EST. 4 POLOS A.E.

84 82

H.P.

Factores que Afectan la Eficiencia de un Motor

Variación de voltaje. 16





El voltaje de alimentación del motor debe mantenerse lo más cercano posible al valor indicado en placa, cuando esto no sucede así, se dice que el motor opera con diferencia de voltaje.

8 7 6

r o t o 5 M l e d 4 o t n 3 e i m a 2 n o i c 1 n u F l 0 e n e -1 o i b m-2 a C e -3 d e j a -4 t n e c -5 r o P

Corriente

-15

-12.5

-10

-7.5

-5

-2.5

0

2.5

5

7.5

10

12.5

15

Eficiencia

-6 -7

Factor de Potencia

-8 Variación de Voltaje (%)

Referencia (Energy Efficient Electric Motor Selection Handbook)

Figura 1.11-Variación de la eficiencia con el voltaje

Motor con Sobrevoltaje: Provoca reducción en la eficiencia, incremento en el factor de potencia y se incrementa también la corriente de arranque, ya que las corrientes magnetizantes se incrementan exponencialmen te.

Motor con Bajo voltaje: Provoca un mayor consumo de corriente para compensar la potencia solicitada por el par, se incrementa el factor de potencia, pero el motor se sobrecalienta, dañado prematuramente los aislamientos del motor y disminuyendo su vida útil. El par de arranque de un motor de inducción es proporcional al cuadrado del voltaje, por lo que al disminuir el voltaje el par también disminuye.

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TABLA 1.12 CAMBIOS EN LAS CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN DE MOTORES DE INDUCCIÓN VARIANDO EL VOLTAJE DE ALIMENTACIÓN (Para Motores de 2,4,6 y 8 Polos)

CARACTERÍSTICA PAR AL ARRANQUE PAR OPERANDO VELOCIDAD A PLENA CARGA % DE DESLIZAMIENTO EFICIENCIA A PLENA CARGA 75% DE CARGA 50% DE CARGA FACTOR DE POTENCIA A PLENA CARGA 75% DE CARGA 50% DE CARGA CORRIENTE AL ARRANQUE A PLENA CARGA TEMPERATURA CAPACIDAD DE SOBRECARGA MÁXIMA RUIDO MAGNÉTICO

110% DEL VOLTAJE

90% DEL VOLTAJE

21% DE INCREMENTO

19% DE DECREMENTO

1% DE INCREMENTO 17% DE DECREMENTO

BAJA 1.5% SUBE 23%

AUMENTA 0.5 A 1 PUNTO LIGERO CAMBIO DECRECE 1 A 2 PUNTOS

BAJA 2 PUNTOS LIGERO CAMBIO SUBE 1 A 2 PUNTOS

DISMINUYE 3 PUNTOS DISMINUYE 4 PUNTOS DISMINUYE 5 A 6 PUNTOS

SUBE 1 PUNTO SUBE 2 A 3 PUNTOS SUBE 4 A 5 PUNTOS

SUBE 10 A 12% DISMINUYE 7% DISMINUYE 3 A 4 GRADOS 21% DE INCREMENTO

DISMINUYE 10 A 12% 11% DE INCREMENTO SE INCREMENTA 6 GRADOS DISMINUYE 19%

LIGERO INCREMENTO

LIGERA DISMINUCIÓN

A

7

Desbalanceo de voltaje Cuando los voltajes de alimentación no son iguales entre sí, la eficiencia del motor se disminuye en forma notable, a medida que aumenta dicho desbalanceo. Esto se debe a que el voltaje desbalanceado produce un correspondiente flujo magnético de secuencia negativa que ocasiona una corriente desbalanceada, cuyo valor es mayor al que circularía en condiciones normales. Estas corrientes de secuencia negativa crean torques que se oponen al torque normal del motor, provocando vibraciones y en algunos casos fallas catastróficas. En la fase que conduce la mayor corriente el porcentaje en que se incrementa la temperatura es aproximadamente proporcional a dos veces el cuadrado del porcentaje del desequilibrio de voltaje.

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Ahorro de Energía en Motores de 100%

95%

o t n e i m i a c e d e d r o t c a F

Factores de Decaimiento en la Eficiencia por desbalanceo de Voltaje

90%

85%

80%

Porcentaje de desbalanceo 0.00%

1.00%

2.00%

3.00%

4.00%

75% 5.00%

Figura 1.13.-Variación de la eficiencia con el desbalanceo de voltaje

Indice de carga Los motores eléctricos tienen una curva de comportamiento de eficiencia de acuerdo al factor de carga al que están operando. Esta curva la define el diseño del fabricante y generalmente existen diferencias entre ellos, a veces de gran consideración. Para efectos del presente curso, tomaremos como base de evaluaci ón, la siguiente curva de eficiencia de un motor de inducción típico. Si se tuvieran los datos de eficiencia a diferentes valores de carga, es decir, al 25,50, 75 y 100%, se podría hacer una interpolación, de acuerdo con la si guiente ecuación.

Factor de Interpolación =

FC 1 − FCx FC 1 − FC 2

Donde: FC1 es el factor de carga superior conocido FC2 es el factor de carga inferior conocido FCx es el factor de carga al que se encuentra trabajando el motor 19





Y el factor de ajuste es: Y = Y1-Fac de Int.(Y1-Y2) Donde: Y es la Eficiencia Actual Y1 es la eficiencia al valor superior Y2 es la eficiencia al valor inferior AJUSTE DE EFICIENCIA POR FACTOR DE CARGA 1.05

1

I C N E I C I 0.95 F E E D E T 0.9 S U J A E D R 0.85 O T C A F 0.8

0.75

1 0 .

5 2 0 .

5 3 0 .

5 4 0 .

5 5 0 .

5 6 0 .

5 7 0 .

5 8 0 .

5 9 0 .

5 0 1 .

5 1 1 .

FACTOR DE CARGA

Figura 1.14. Variación de la eficiencia con la carga

Reembobinado del motor Siempre que un motor se reembobina, aunque se realice en un taller de calidad, se produce una disminución en la eficiencia del motor, ya que sus elementos se ven sometidos a sobrecalentamiento, golpes, sobre-esfuerzos mecánicos, mala calidad de las refaccio nes, etc. Se puede asegurar que cuando un motor se repara en un taller adecuado, su eficiencia disminuye de 1 hasta 2%, mientras que si se realiza en un taller de mala calidad, puede disminuir hasta un 6%, sin embargo, es común que se considere un 3% de disminución de eficiencia por cada reembobinado realizado al motor. Cuando hay que decidir entre reembobinar un motor quemado o comprar uno nuevo ya sea estándar o de alta eficiencia; se pueden obtener los ahorros anuales asumiendo que el motor existente opera a la eficiencia promedio de los motores del mercado que se fabricaron en esa época, por lo que se puede 20





obtener dichos valores de la TABLA 1.18 en la cual se muestran los valores de eficiencia de motores fabricados antes de 1985.

PÉRDIDA DE EFICIENCIA POR REEMBOBINADOS 105.00%

100.00%

95.00%

D I D R E 90.00% P E D R O 85.00% T C A F 80.00%

75.00%

70.00% 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

No. DE REEMBOBINADOS

Figura 1.15 Variación de la eficiencia por reembobinados

1.11. Motores de Alta Eficiencia. Las necesidades actuales obligan al uso eficiente de la energía eléctrica. Entre las diferentes formas del uso racional de la energía existe la posibilidad de la sustitución de motores eléctricos con baja eficiencia o estándar por motores de alta eficiencia. Como ya comentamos, el motor eléctrico es un dispositivo que convierte energía eléctrica en energía mecánica giratoria, de la energía total utilizada por el motor, las perdidas son considerables ya que estas ocupan de un 5 a un 25 % de la energía y la parte restante es ocupada para la realización del trabajo. Es por esto, que es necesario la utilización de equipos mucho mas eficientes que reduzcan las perdidas tanto eléctricas como mecánicas. Los factores que hay que tomar en cuenta para que un motor eléctrico sea de alta eficiencia son:

El diseño y fabricación del motor El ahorro de energía eléctrica que se puede obtener de los motores es mediante la reducción de sus perdidas y esto se puede lograr en el diseño, buscando desde su fabricación que este sea lo más eficiente posible. Cuando se diseña un motor y se requiere hacerlo de alta eficiencia se debe recurrir a la optimización de los materiales, es decir, se debe de realizar lo siguiente: 21



Usar acero con mejores propiedades, para reducir las perdidas por histéresis y de corrientes parásitas,

empleando un acero con un alto grado de silicio y también con acero de grano orientado.

Laminaciones más delgadas, para reducir aun mas las perdidas de histéresis y corrientes parásitas, empleando un espesor de 0.457 mm en lugar del típico de 0.559. Aumentar el calibre del conductor, pues las perdidas I²R se reducirán considerablemente. Para compensar el aumento en el tamaño de la ranura y la correspondiente del acero activo, el núcleo del motor debe aumentarse esto reduce la densidad de flujo y mejora el factor de potencia, obteniéndose así algunos beneficios adicionales. Mejorar el diseño de las ranuras, las perdidas I²R en el rotor se reducen al rediseñar la ranura del rotor para incrementar la sección del conductor; al hacer esto la velocidad aumenta ligeramente. Mejorar el sistema de aislamiento del motor , para reducir las perdidas de corrientes entre barras de

las ranuras del rotor, se tratan las laminaciones con un aislamiento inorgánico a base de fosfato de zinc de alta temperatura antes de fundir el rotor

Los rodamientos de la flecha del rotor deben ser de mejor calidad, antifricción y de larga duración.

Diseño del ventilador de enfriamiento eficiente, al reducirle peso con materiales ligeros y optimizando su diseño para que oponga menor resistencia al aire. Aluminio de mejor calidad en el rotor , con lo que se mejora el par y las pérdidas por I²R También se reduce la distancia del entrehierro, con lo que el flujo de dispersión se reduce y con ello las perdidas de flujo magnético. En la carcasa, también se mejoran las aletas de enfriamiento, con lo que se hace más eficiente la operación del motor. La caja de conexiones también es ligeramente mayor, para mejorar las conexiones y evitar puntos calientes. Cabe mencionar, que al incrementar el tamaño del hierro, el motor de alta eficiencia es ligeramente más grande hacia atrás, pero en la base las dimensiones son las mismas que un motor de eficiencia estándar. Sin embargo, si va a substituirse un motor, es necesario asegurarse que no se tendrán problemas para el montaje del nuevo motor de alta eficiencia. También al incrementarse el tamaño del cobre utilizado en los devanados, la corriente de arranque del motor de alta eficiencia se incrementa ligeramente, por lo que se recomienda verificar los ajustes del relevador de protección del arrancador del motor.

22





Tabla No.1.16. Eficiencia Nominal a Plena Carga para Motores de Alta Eficiencia TCCVE(Normas NEMA MG1 Tabla 12-10) h.p. 1 1.5 2 3 5 7.5 10 15 20 25 30 40 50 60 75 100 125 150 200 250 300 350 400 450 500

2 polos 75.5 82.5 84 85.5 87.5 88.5 89.5 90.2 90.2 91 91 91.7 92.4 93 93 93.6 94.5 94.5 95 95.4 95.4 95.4 95.4 95.4 95.4

4 polos 82.5 84 84 87.5 87.5 89.5 89.5 91 91 92.4 92.4 93 93 93.6 94.1 94.5 94.5 95 95 95 95.4 95.4 95.4 95.4 95.4

6 polos 80 85.5 86.5 87.5 87.5 89.5 89.5 90.2 90.2 91.7 91.7 93 93 93.6 93.6 94.1 94.1 95 95 95 95 95 -

8 polos 74 77 82.5 84 85.5 85.5 88.5 88.5 89.5 89.5 91 91 91.7 91.7 93 93 93.6 93.6 94.1 94.5 -

23



1.17 Graficas de características de motores 1.12. SELECCIÓN ADECUADA DE MOTORES. Cuando se va a utilizar un motor ya sea nuevo o por substitución, es conveniente contar con especificaciones. Una buena especificación del motor logrará el mejor comportamiento de acuerdo a todas las características que la operación exija. También es conveniente determinar desde la compra las características requeridas a los componentes, tal como: armazón, carcaza, diseño del rotor, rodamientos, clase de aislamiento, etc. Algunos datos que es conveniente tener antes de seleccionar un motor son: • • • • • • • •

Potencia del motor y factor de servicio Temperatura de operación y clase de aislamiento Carga inercial y número de arranques esperados Torque de arranque Tipo de carcasa Voltaje de operación Eficiencia Tipo de montaje (armazón)

Es importante especificar los requerimientos de los motores, tales como: protección térmica, espacio de calefacción (para prevenir condensación de vapores).

1.12.1. Tipo de Carcasa

Para el tipo de carcasa se debe considerar información sobre el medio ambiente: 24

Taller de Ahorro de Energía Eléctrica ELÉCTRICA Modulo IV Inducción • • • • •


Corrosivo o no corrosivo Altitud Temperatura ambiente Niveles de humedad Peligroso o no peligroso

Existen muchos tipos de carcasas, dependiendo de la aplicación del motor de se elige la más adecuada, algunas de las más comunes son:

1.12.1.1 Carcasa Abierta a) Usos Generales: Las aperturas para ventilación permiten el paso del aire exterior para enfriamiento, sobre y alrededor de los devanados del motor. b) Abierto Aprueba de Goteo: Las aberturas para ventilación están construidas de modo que no haya interferencia en el funcionamiento impidiendo la entrada de líquidos o sólidos en un ángulo de 0 a 15 grados hacia abajo desde la vertical. c) Resguardado o Protegido: Las aberturas que dan acceso directo a partes vivas (energizadas) o rotatorias (excepto los ejes lisos) están limitadas en tamaño por el diseño de las partes estructurales o por pantallas, mallas, etc., para evitar el contacto accidental con las partes giratorias o eléctricas. d) A Prueba de Salpicaduras: Este es un motor abierto en el cual la ventilación impide la entrada de liquido o sólidos a cualquier ángulo menor de 100 grados hacia abajo de la vertical.

1.12.1.2. Carcasa Totalmente Cerrada a) Usos Generales: Es un motor cerrado para evitar el libre intercambio de aire entre la interior y exterior de la cubierta, pero no es hermético. b) Totalmente Cerrado Sin Ventilación : Es un motor totalmente cerrado el cual no esta equipado para ser enfriado por medios externos. c) Totalmente Cerrado con Ventilación Exterior : Es un motor totalmente cerrado con un ventilador para soplar aire a través de la carcasa externa. Esto son comúnmente utilizados en atmósferas; corrosivas, sucias y polvosas. d) A Prueba de Explosión : Es un motor totalmente cerrado, diseñado y construido para impedir una ignición de gas o vapor alrededor de la máquina por chispas provocadas por esta, dentro de la máquina impidiendo que salgan fuera de la carcasa. e) Con Devanados Encapsulados: Es un motor abierto en el cual el devanado esta cubierto con un revestimiento, de material fuerte (resinas) para proporcionar protección contra la humedad, suciedad y contra substancias abrasivas.

f) Para Frecuencia Variable (Inverter Duty): Los fabricantes de motores realizaron cambios de diseño para optimizar los motores para poder utilizarse con variadores de frecuencia. Los motores están diseñados para recibir la potencia con una onda senoidal de 60 Hz, sin embargo, los variadores de frecuencia no entregan una onda senoidal perfecta ya que estos generan una cierta cantidad de distorsión de armónicos. Por esta razón, muchos fabricantes producen líneas de motores para uso con variadores de frecuencia para torque constante o variable, con ventilación fija o enfriamiento mediante ductos externos. 25





Sobre todo es importante verificar en motores que operan a carga constante y baja velocidad, que el enfriamiento que reciba el motor sea el adecuado de acuerdo al tipo de aislamiento del motor.

g) Motores Para Ambientes Especiales: La gran mayoría de fabricantes de motores tienen modelos de motores adecuados para ambiente altamente corrosivos, ambientes sucios, a prueba de agua (lavable) inclusive a chorro de agua. Sin embargo todos ellos caen dentro de la clasificación de motores cerrados.

1.12.3. Clase de Aislamiento Los tipos de aislamiento están clasificados por la NEMA, de acuerdo a la máxima temperatura permisible en operación, se presentan en la tabla siguiente:

Tabla 1.18 Clasificación de Aislamientos en Motores Clase

Máxima Temperatura Permisible (ºC)

A B F H

105 130 155 180

La temperatura máxima del motor se determina al restar la temperatura ambiente aceptada como normal para el diseño de la mayor parte de los motores que es de 40ºC y la temperatura máxima permisible. Cuando se reemplace un motor por otro se debe considerar al menos el mismo aislamiento o uno mejor. Generalmente cuando se comete el error de remplazar un motor y utilizar un aislamiento con menor temperatura permisible, el resultado es la falla prematura del motor. Por cada 10ºC arriba de la temperatura permisible la vida del motor puede disminuir a la mitad.

1.12.4. Temperatura del Ambiente El valor normal de la temperatura de ambiente o ambiental (TA) que se considera al diseñar un motor es de 40ºC. Si el motor debe operar a una TA superior a dicho valor, la elevación de temperatura deberá reducirse conforme a las expresiones de la tabla 1.20. En las expresiones de la tabla mencionada, TA es la temperatura de ambiente real. Si se tiene, por ejemplo, un motor con factor de servicio unitario y aislamiento clase B, que debe trabajar a una temperatura ambiente de 50 ºC, su elevación de temperatura (la cual normalmente podría ser de 80ºC) tendrá que reducirse a: ET= 0.9 x (130 – 50) = 72 ºC

Tabla 1.19 Reducción por Temperatura Ambiente de la ET de un Motor Eléctrico

26





Elevación de Temperatura Permisible A. Para motores con factor de servicio de 1.10 Con Aislamiento B Con Aislamiento F

0.9(130-TA) 0.9(155-TA)

B. Para motores con factor de servicio de 1.15 Con Aislamiento B Con Aislamiento F

0.9(140-TA) 0.9(165-TA)

1.12.5. Altura Sobre el Nivel del Mar (Derating) Además de considerar un valor máximo para la temperatura de ambiente a la que va a operar el motor, debe tenerse en cuenta también la máxima altitud (o altura sobre el nivel del mar, ASM) a la que funcionará, y que se supone de 1000m. A alturas mayores de 1000 metros, la densidad del aire se reduce considerablemente lo cual provoca un decremento de su capacidad de enfriamiento y, por lo tanto, de una mayor temperatura (ET), tanto del aire de enfriamiento, como de las partes del motor. Generalmente no se corrigen valores para ASM de 1000 m, aunque se recomienda hacer en casos especiales. La mayoría de los motores nema B, puede suponerse que la temperatura de operación del motor es directamente proporcional a la elevación de temperatura del aire de enfriamiento. De acuerdo con esto, puede deducirse la siguiente fórmula para calcular la elevación de temperatura corregida de un motor en función de la densidad de aire. ET corregida

  100 = ET normal + ET normal ⋅del ⋅aire X  −1  Densidad ⋅ del ⋅ aire(%) 

La densidad del aire en función de la altitud puede tomarse de la figura 1.18. Considérese, por ejemplo, un motor cuya ET normal es de 80 ºC. Y para la cual la diferencia entre las temperaturas del aire que entra al motor y del que sale es de 43ºC. Si tal motor opera a una ASM de 2,220 metros, su ET efectiva o corregida será: ET corregida

100 = 80 + 43 −1   = 90°C  81 

Lo anterior indica que si el motor va a trabajar a plena carga a la altitud mencionada, la temperatura ambiente deberá reducirse en 10 grados con objeto de no incrementar la temperatura de operación del motor. Cabe mencionar que las pérdidas por ventilación del motor son directamente proporcionales a la densidad del aire, aún cuando tales pérdidas no corresponden al aumento de temperatura de la máquina.

27





Figura 1.20 Variación de la Densidad del Aire con la Altitud A alturas mayores de 1,000 m. La densidad del aire se reduce considerablemente, lo cual se acompaña de un decremento en su capacidad de enfriamiento y, por tanto, de una mayor elevación de temperatura (ET) del propio aire de enfriamiento y de las diversas partes que configuran el motor. No suele ser necesario hacer correcciones para valores de ASM menores de 1,000 m. Aunque esto puede ser conveniente en casos especiales. El mayor parte de los motores de diseño normal, puede suponerse que la temperatura de operación del motor es directamente proporcional a la elevación de temperatura del aire de enfriamiento. Conforme a esta suposición puede deducirse la a una será:

ASM de 2,200 m, su ET efectiva o corregida

100 ETcorregida = 80 + 43 (------ -1) = 90ºC. 81

Lo anterior indica que si el motor va a trabajar a plena carga a la altitud mencionada, la temperatura de ambiente debe reducirse en 10 ºC. Con objeto de no incrementar la temperatura de operación del motor. Cabe mencionar que las pérdidas por ventilación del motor son directamente proporcionales a la densidad del aire. A un cuando tales pérdidas no contribuyen al aumento de temperatura de la máquina .

1.12.6. Operación Intermitente (en ciclos) de un Motor

28





Un método de ahorro de energía y disminuir la demanda consiste en apagar los equipos que trabajan a baja carga o en vacío. Esta acción también mejora el factor de potencia general de la instalación, lo cual a su vez mejora la eficiencia total del sistema. Los ahorros de energía que se logren deben ponderarse contra la posible reducción en la vida útil del motor y del arrancador. La guía para determinar el número máximo de arranques se presenta en la publicación MG-10 de la NEMA, Energy Managment Guide for Selection and Use of Polyphase Motors, suministra los datos para efectuar esos cálculos en motores de diseños NEMA A y NEMA B. El máximo número de arranques por hora y mínimo tiempo de paro para motores de 1800 RPM, diseño B para algunas potencias se indican en la tabl a 1.22. Tabla 1.21 Número de Arranques por Hora de un Motor Número Mínimo Capacidad Máximo de Tiempo de del Motor Arranques Paro (HP) por Hora (Segundos) 5 10 25 50 100

16.3 12.5 8.8 6.8 5.2

42 46 58 72 110

1.12.7. Letras De Código a Rotor Bloqueado de Motores Las letras de códigos de motores NEMA que están sobre la placa del motor, indican la potencia aparente (kVA) en el arranque o a rotor bloqueado de un motor, en la tabla 7.4 se indican los kVA al arranque por HP de acuerdo al código del motor (tabla NEMA MG 1–10.37). Tabla 1.22. Letras de Código para Motores de Inducción

Letras de Código kVA al Arranque NEMA por HP A

0.00 - 3.14

B

3.15 - 3.54

C

3.55 - 3.99

D

4.00 - 4.49

E

4.50 - 4.99

F

5.00 - 5.59

G

5.60 - 6.29

H

6.30 - 7.09

J

7.10 - 7.99

K

8.00 - 8.99

L

9.00 - 9.99

M

10.00 - 11.19

N

11.20 - 12.49

P

12.50 - 13.99

R

14.00 - 15.99

S

16.00 - 17.99

T

18.00 - 19.99

U

20.00 - 22.39

V

22.40 -

Nota: Las letras de código sólo se utilizan en motores hasta de 200 HP. 29





Capitulo 2

MEDICIONES ELÉCTRICAS 2.1. Objetivo. Al finalizar el presente capitulo, el participante conocerá las mediciones que es necesario realizar para poder evaluar los motores eléctricos existentes en una industria, hotel, tienda departamental, etc., y además conocerá la información que es necesario recopilar para poder seleccionar dichos motores a evaluar.

2.2. Mediciones Eléctricas. Es de fundamental importancia conocer los parámetros eléctricos de un motor eléctrico, antes de proceder a avaluarlo como posible oportunidad de ahorro de energía. Ya que de estas mediciones dependerá el determinar si dicho motor es candidato viable para ahorrar energía. Mientras más sofisticado es el equipo de medición, más confiables son las mediciones y es más sencillo seleccionar y determinar si el motor analizado tiene oportunidad de ser sustituido, reemplazado, reubicado, etc. Sin embargo, según se van sofisticando los equipos de medición, su costo se va incrementando llegando algunos a costar hasta veinte mil dólares. Mientras que un analizador de redes sencillo por así decirlo tiene un costo aproximado de dos mil dólares los monofásicos y de cuatro a seis mil dólares los trifàsicos. Las mediciones que son necesarias obtener para la correcta evaluación de los motores, son: Mediciones Instantáneas por fase y trifásicas de: corriente (amperes) voltaje (volts) factor de potencia (cos ø) potencia aparente (kva) potencia reactiva (kvar) potencia activa (kw) factor de distorsión (%) Para esto se recomienda utilizar preferentemente analizadores de redes trifásicos, para obtener la mayor información posible acerca de los parámetros de operación de los motores y demás equipo eléctrico. Se pueden utilizar además, como apoyo, amperímetros de gancho, multímetros digitales, medidores de flujo, etc.

30



31



Modulo IV Inducción 09/08/2005 09/08/2005 09/08/2005 09/08/2005 09/08/2005 09/08/2005 09/08/2005 09/08/2005 09/08/2005 09/08/2005 09/08/2005 09/08/2005 09/08/2005 09/08/2005 09/08/2005 09/08/2005 09/08/2005 09/08/2005 09/08/2005 09/08/2005 09/08/2005 09/08/2005 09/08/2005 09/08/2005 09/08/2005 09/08/2005 09/08/2005 09/08/2005 09/08/2005 09/08/2005 09/08/2005 09/08/2005 09/08/2005 09/08/2005 09/08/2005 09/08/2005 09/08/2005 09/08/2005 09/08/2005 09/08/2005 09/08/2005 09/08/2005 09/08/2005 09/08/2005 09/08/2005 09/08/2005 09/08/2005 09/08/2005 09/08/2005 09/08/2005 09/08/2005 09/08/2005 09/08/2005 09/08/2005 09/08/2005 09/08/2005 09/08/2005 09/08/2005 09/08/2005 09/08/2005 09/08/2005 09/08/2005 09/08/2005 09/08/2005 09/08/2005 09/08/2005 09/08/2005 09/08/2005

Ahorro de Energía en Motores de 11:00:24 11:05:00 11:10:00 11:15:00 11:20:00 11:25:00 11:30:00 11:35:00 11:40:00 11:45:00 11:50:00 11:55:00 12:00:00 12:05:00 12:10:00 12:15:00 12:20:00 12:25:00 12:30:00 12:35:00 12:40:00 12:45:00 12:50:00 12:55:00 13:00:00 13:05:00 13:10:00 13:15:00 13:20:00 13:25:00 13:30:00 13:35:00 13:40:00 13:45:00 13:50:00 13:55:00 14:00:00 14:05:00 14:10:00 14:15:00 14:20:00 14:25:00 14:30:00 14:35:00 14:40:00 14:45:00 14:50:00 14:55:00 15:00:00 15:05:00 15:10:00 15:15:00 15:20:00 15:25:00 15:30:00 15:35:00 15:40:00 15:45:00 15:50:00 15:55:00 16:00:00 16:05:00 16:10:00 16:15:00 16:20:00 16:25:00 16:30:00 16:35:00

L1-L2

L2-L3

L1-L3

A

B

C

A

B

C

218.0 218.0 218.0 216.3 216.3 216.3 218.0 216.3 216.3 216.3 216.3 218.0 218.0 218.0 218.0 218.0 216.3 216.3 218.0 216.3 216.3 216.3 216.3 218.0 216.3 218.0 218.0 216.3 218.0 218.0 218.0 216.3 218.0 218.0 218.0 218.0 216.3 216.3 216.3 216.3 216.3 216.3 216.3 216.3 216.3 218.0 218.0 218.0 216.3 216.3 218.0 218.0 218.0 216.3 216.3 216.3 218.0 216.3 216.3 218.0 218.0 218.0 218.0 218.0 218.0 218.0 218.0 218.0

216.3 218.0 216.3 216.3 216.3 216.3 216.3 216.3 214.5 214.5 216.3 216.3 216.3 216.3 216.3 216.3 214.5 216.3 216.3 216.3 214.5 214.5 214.5 216.3 216.3 216.3 216.3 216.3 216.3 216.3 216.3 216.3 216.3 216.3 216.3 216.3 216.3 216.3 216.3 214.5 214.5 214.5 214.5 214.5 216.3 216.3 216.3 216.3 216.3 216.3 216.3 216.3 216.3 216.3 216.3 216.3 216.3 216.3 216.3 218.0 218.0 216.3 218.0 218.0 218.0 216.3 218.0 218.0

216.3 216.3 214.5 214.5 214.5 214.5 214.5 214.5 214.5 214.5 214.5 214.5 216.3 216.3 216.3 214.5 214.5 214.5 214.5 214.5 214.5 214.5 214.5 214.5 214.5 216.3 214.5 214.5 216.3 216.3 214.5 214.5 216.3 216.3 216.3 216.3 214.5 214.5 214.5 214.5 214.5 214.5 214.5 214.5 214.5 216.3 214.5 216.3 216.3 216.3 216.3 216.3 216.3 216.3 214.5 214.5 214.5 214.5 214.5 216.3 216.3 216.3 216.3 216.3 216.3 216.3 216.3 216.3

179 170 183 180 174 181 173 182 178 184 179 176 176 166 177 169 180 192 178 181 182 184 182 170 170 164 174 183 168 175 175 173 162 160 161 164 172 172 180 192 180 177 181 176 177 170 167 165 179 170 159 155 150 158 150 147 147 147 161 138 151 157 162 156 157 164 157 154

158 151 152 159 160 158 160 159 161 169 162 157 158 151 153 157 158 160 155 160 163 160 167 157 157 154 160 160 154 155 159 160 152 153 153 153 158 156 160 166 162 164 172 165 168 152 154 152 157 154 148 153 144 144 139 139 140 144 144 138 137 145 138 137 140 140 138 135

169 166 170 176 173 172 171 171 171 178 174 167 164 160 160 167 170 173 168 170 171 168 180 160 164 160 169 177 171 172 177 175 169 173 170 170 176 171 176 180 173 173 174 166 163 153 157 151 155 157 147 148 156 160 157 156 154 160 166 148 144 147 152 151 156 167 165 162

20 19 21 21 20 21 20 21 21 22 21 20 20 18 20 19 21 22 20 21 21 21 21 19 20 18 20 21 19 20 20 20 18 18 18 18 20 20 21 22 21 20 21 20 20 19 19 19 21 20 18 18 17 18 17 17 17 17 19 15 17 17 19 17 18 19 18 18

18 16 17 18 18 18 18 18 19 20 19 18 18 17 17 18 18 18 18 18 19 18 19 18 18 17 18 18 17 18 18 18 17 17 17 17 18 18 18 19 18 19 20 19 19 17 17 17 17 17 16 17 16 16 15 15 15 16 16 14 15 16 15 14 15 16 15 15

20 19 20 21 20 20 20 20 20 21 21 19 19 18 19 19 20 20 20 20 20 19 21 18 19 19 20 21 20 20 21 21 20 20 20 20 21 20 21 21 20 20 21 19 19 18 18 17 18 18 17 17 18 19 18 18 18 19 19 17 16 16 17 17 18 19 19 19

3 FASES 3 FASES 3 FASES 58 54 58 60 58 59 58 59 60 63 61 57 57 53 56 56 59 60 58 59 60 58 61 55 57 54 58 60 56 58 59 59 55 55 55 55 59 58 60 62 59 59 62 58 58 54 54 53 56 55 51 52 51 53 50 50 50 52 54 46 48 49 51 48 51 54 52 52

62.4 59.3 62.4 63.8 61.7 62.1 61.7 62.1 63.2 66.3 64.2 61.3 62.0 58.2 60.2 60.9 62.8 63.2 61.7 62.1 63.8 61.7 64.2 59.8 60.6 58.7 61.1 63.2 59.6 61.7 62.8 62.1 59.8 59.8 60.4 59.8 62.8 61.7 63.2 65.3 62.8 62.8 65.3 61.7 61.7 58.7 59.3 57.6 60.2 58.5 55.4 55.9 55.4 57.0 53.8 54.3 54.3 55.9 57.4 51.7 53.9 53.8 55.4 53.9 56.0 58.1 55.9 55.9

0.93 0.91 0.93 0.94 0.94 0.95 0.94 0.95 0.95 0.95 0.95 0.93 0.92 0.91 0.93 0.92 0.94 0.95 0.94 0.95 0.94 0.94 0.95 0.92 0.94 0.92 0.95 0.95 0.94 0.94 0.94 0.95 0.92 0.92 0.91 0.92 0.94 0.94 0.95 0.95 0.94 0.94 0.95 0.94 0.94 0.92 0.91 0.92 0.93 0.94 0.92 0.93 0.92 0.93 0.93 0.92 0.92 0.93 0.94 0.89 0.89 0.91 0.92 0.89 0.91 0.93 0.93 0.93

Figura 2.1.-Formato para medición en motores (SUGERIDO) 32



2.3. Metodología y Criterios de Selección de los Equipos a Medir. a) Se deben realizar mediciones de parámetros eléctricos en los transformadores para determinar las condiciones de carga de estos y de la planta en general. Estas mediciones se deben de realizar como míni mo de 24 horas para cada transformador Con estas mediciones podemos saber si el voltaje que llega a los motores es adecuado, si es necesario ajustar taps, etc. b) Simultáneamente a las mediciones, se debe de recopilar el diagrama unifilar elemental de la planta. c)El siguiente paso es levantar un censo completo de los motores de la planta, apoyándonos en los diagramas unifilares.

d) Mediciones en Motores. Para realizar un diagnóstico confiable es primordial medir los parámetros eléctricos en los motores. No es posible hacer el estudio suponiendo que los motores están trabajando al 100% de carga puesto que, generalmente los motores están sobredimensionados. Además, la eficiencia disminuye en estos casos y puede afectar considerablemente los cálculos de ahorro y por lo tanto, los tiempos de amortización. Para llevar a cabo un estudio profundo de los ahorros que pueden alcanzar por la instalación de variadores de velocidad; es necesario medir durante 24 horas el comportamiento de la carga, para analizar detalladamente la variación de la misma respecto al tiempo, sin embargo sería totalmente impráctico medir en todos los motores de una planta, pues pueden llegar a ser cientos, por lo que de acuerdo con la información recopilada en las hojas anexas y más especificamente las horas de operación, podemos ir eliminando algunos motores. El formulario utilizado para el levantamiento de los motores se muestra a continuación, el se vacían los datos de localización eléctrica del motor, la descripción de la carga, el tipo de la misma. Se incluyó además, la marca del motor, así como todos los datos de placa. Si la eficiencia no estaba en la misma, se supuso conforme a tabla de fabricantes. Se consiguieron además los datos de operación, tales como: Operación diaria en horas punta Operación diaria en horas base Tipo de arrancador Nº de reembobinados Tipo de transmisión, etc. Con dichas mediciones se busca identificar motores con baja nivel de carga, baja eficiencia, con desbalanceo de voltaje, desbalanceo de corriente, para con base en ello, determinar los motores susceptibles de sustitución por baja eficiencia, sobredimensionamiento, reubicación por sobrecarga, aplicación de inversores, o detectar alguna otra recomendación que no implique inversión, pero que ayude a optimizar la utilización de los sistemas electromotrices e incrementar con ello la productividad de la planta. Además de las mediciones tanto, en transformadores como en motores, se debe recabar toda la información particular de cada proceso, que pase desapercibida para los niveles gerenciales, pero que el operador posea, como el caso de la forma de arrancar el proceso, paros por fallas, mantenimiento a los equipos, sobrecalentamiento de los sistemas, etc. Esta información es de vital importancia para realizar aplicaciones de mejoras a los procesos, cambiar rutinas de arranque, etc.,

33





2.4. Formatos para la Evaluación de Motores Eléctricos. Tabla 1 Datos Básicos de Motores Eléctricos Substa ción

Aplica ción

No. de Ref.

Marca

H.P.

RPM

Frame

Volts

Ampe res

Eficien cia %

F.P. %

F.S.

País

Tabla 2 Observaciones y Comentarios del Estado de Los Motores Eléctricos No. de Tipo de Estado de Ref. Transmisión la transm.

Comentarios

Tipo de arrancador

Tipo de Control de Vel.

Variación Carga VS Tiempo

Tabla 3 Información de los Motores Eléctricos No. de Ref.

No. de Veces Reemb.

Princ. Fallas

Años de Uso

Horario de uso H. enc. H. apag.

Horas uso por mes.

Posib. Apag horas pico

Comentarios

Tabla 4 Mediciones en los Motores Eléctricos No. de Ref.

Volts A-B

Volts B-C

Volts A-C

Volts 3F

Amps A

Amps B

Amps C

Amps 3F

F.P. A

F.P. B

F.P. C

Comentarios

Tabla 5 Cálculos de las Mediciones y Datos de Motores Eléctricos No. de Ref.

Dem. KW

Factor de carga

Variación de Voltaje

Desb. de voltaje

Eficiencia

Hrs. uso por año

Cosnumo Kwh/año

Costo opera/año

Tabla 6 Datos de los Equipos Accionados por Los Motores Eléctricos No. de Ref.

Equipo Accionado

Tipo o modelo

Capacidad

Años de Uso

Comentarios

Tabla 7 Cálculos de Ajustes y los Ahorros No. de Ref.

Ajuste Por Ajuste Por F.C. Var. Voltaje

Ajuste Por Desb. de Voltaje

Ajuste por reemb.

Eficiencia ajustada

Kw en flecha

H.P. Motor sugerido

H.P.Motor Real

Valor presente neto.

Costo Financiero/e tc

Tabla 8 Evaluación del Retorno de la Inversión. No. de Ref.

Ahorro en Ahorro Dem Kw en Dem $

Ahorro Kwh/año

Ahorro en Consumo $

Ahorro Total Año

Monto Retorno Inversión Simple

Capitulo 3 34



3.- METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN DE MOTORES 3.1. Introducción.

Como ya mencionamos antes, la eficiencia de un motor está dada por la relación de potencia entregada al sistema entre la potencia demandada de la línea, es decir, la potencia de salida entre la potencia de entrada. La Metodología de Evaluación para saber como se encuentra operando actualmente un motor y definir la mejor solución para ahorrar energía, ya sea substituirlo por otro de alta eficiencia, reubicarlo, desconectarlo en horario punta, etc., se basa en determinar cual es la eficiencia real a la que se encuentra operando el motor evaluado y compararla con la eficiencia de placa o de tablas, para saber cual es su demanda en Kw y cuanta energía consume en exceso, comparado con un motor de alta eficiencia, para poder evaluar los ahorros por estos conceptos y definir los periodos de recuperación de la inversión por dicha substitución o medida de ahorro que se quiera evaluar. Es decir, es necesario ajustar la eficiencia el motor, por eso se denomina esté, Método de la Eficiencia Ajustada. Y básicamente se evalúa el comportamiento del motor afectado por los siguientes factores, de los cuales ya hablamos anteriormente:

A) Factor de Carga. Los motores alcanzan su máxima eficiencia cuando están cargados alrededor del 85% y esta disminuye en cuanto el factor de carga aumenta o disminuye. Un motor sin carga tendrá una eficiencia de 0 ya que no entrega ninguna potencia al sistema. El estado que guarda el motor afecta también a su eficiencia, por ejemplo, rodamientos en muy mal estado harán que el motor demande mas potencia para efectuar el mismo trabajo.

B) Diferencia de Voltaje. Trabajar con voltajes distintos al nominal, además de afectar su vida útil, por dañar los aislamientos, afecta la eficiencia del motor. C) Desbalanceo de Voltaje. Más dañino que la diferencia de voltaje es el desbalanceo, ya que provoca incrementos de corriente en las fases desbalanceadas y además de disminuir drásticamente la eficiencia del motor, pueden provocar la falla prematura del mismo.

D) Reembobinado. Como ya se mencionó, en la industria mexicana se encuentran miles de motores instalados que han sido reembobinados. Los procesos y técnicas de reembobinado de la mayoría de los talleres de reparación de motores son de muy baja calidad y nunca serán iguales a aquellos procesos controlados del fabricante del motor. De forma práctica, consideraremos una disminución de eficiencia en los motores reembobinados de 3% cada vez que se reembobina. Así un motor que ha sido reembobinado 2 veces tendrá como eficiencia máxima un 94.09% de la eficiencia de placa.

3.2. Metodología de Evaluación. 35





La metodología consiste en determinar, de acuerdo con las mediciones realizadas y los cálculos adecuados, la eficiencia real a la que se encuentran trabajando los motores, cuantificando la disminución de la eficiencia a los diferentes parámetros antes mencionados. Y con base en esto, evaluar la viabilidad técnica y económica de la sustitución del motor en cuestión, por otro ya sea igual o menor, pero de alta eficiencia. Se evalúan también, la disminución en demanda y consumo, y los ahorros respectivos, para con esto determinar el tiempo de amortización de la inversión necesaria, para dicha sustitución.

Por todo lo mencionado anteriormente, es indispensable hacer las mediciones correspondientes. voltaje entre fases voltaje trifásico potencia demandada actual corriente por fase Una vez obtenidos los datos anteriores es posible determinar los factores que afectan a la eficiencia nominal determinando primeramente:

3.2.1.- DESBALANCEO DE VOLTAJE: El desbalanceo de voltaje se calcula de la siguiente manera:

% DESB ⋅ DE ⋅VOLTAJE =

Máx. ⋅ Dif ⋅ Re specto ⋅ al ⋅Voltaje ⋅ Pr omedio Voltaje ⋅ Pr omedio

X 100

Donde la Máx. diferencia al voltaje promedio es: Max Dif. = Voltaje Máximo-Voltaje Promedio ó Voltaje Promedio-Voltaje Mínimo, lo que resulte mayor.

3.2.2. DIFERENCIA DE VOLTAJE Y la diferencia de voltaje actual sobre el nominal se calcula de acuerdo con:

DIFERENCIA DE VOLTAJE = (

Voltaje ⋅ Medido Voltaje ⋅ de ⋅ Placa

−1) x100

Conociendo estos porcentajes, recurrimos a las gráficas del capítulo 2 y determinamos el factor de ajuste por desbalanceo y voltaje distinto al nominal

3.2.3. FACTOR DE CARGA El factor de carga se determina midiendo la potencia real entre la nominal. Debido a que es prácticamente imposible medir la potencia real entregada. El factor de carga se calcula dividiendo la potencia real demandada entre la potencia nominal demandada.

Factor ⋅ de ⋅ C arg a

Potencia ⋅ Medida ( Potencia ⋅ de ⋅ Placa / Eficiencia ⋅ a ⋅ Plena ⋅ C arg a)

36

x100





Sin embargo la potencia nominal demandada hay que calcularla ya que la potencia nominal a la que se refieren los fabricantes de motores es la potencia que el motor puede entregar y no la demandada. Sabemos que la potencia nominal entregada se ve afectada en relación a la demandada únicamente por la eficiencia. La potencia nominal demandada será entonces:

Potencia demandada =

ANÁLISIS DE UN CASO PRÁCTICO DESCRIPCIÓN Sustitución de un motor de eficiencia estándar de una bomba de torre de enfriamiento por un motor de alta eficiencia de igual capacidad.

Tabla Resumen. Motor Ventilador Torre de Enfriamiento CONCEPTO Disminución de la demanda en Kw Ahorro en $/año por disminución en demanda Disminución en consumo en Kw/h Ahorro económico en $/año por consumo Ahorro económico total $/año Costo de la implementación Tiempo de recuperación en años.

VALOR 4.414 $6,744.95 38,137 $33,624.18 $40,369.13 $42,700.00 1.05

1.- ACCIÓN CONCRETA. Se propone el reemplazo del motor estándar de 75 h.p. del ventilador de la torre de enfriamiento, por un motor de 75 h.p. del tipo Alta Eficiencia.

2.-DESCRIPCIÓN Y ANTECEDENTES. El motor del ventilador de la torre de enfriamiento, se encuentra trabajando con baja carga, ha sido rebobinado 2 veces se encuentra trabajando con bajo voltaje, por lo que no opera a la eficiencia apropiada.

DATOS DE PLACA DEL MOTOR. 37





Motor Marca IEM de 75 h.p. 1772 rpm. 220 volts, 60 Hz, 182 Amps, Armazón 324T, factor de servicio 1.15, eficiencia 88%

VALORES MEDIDOS PARÁMETRO VOLTAJE DE ALIMENTACIÓN CORRIENTE 3Ø POTENCIA ACTIVA 3Ø FACTOR DE POTENCIA 3Ø DISTORSIÓN ARMÓNICA

VALOR

205.6 Volts (206/206/204.7) 126.46 amperes (124.5/125.1/129.8) 36.7 kw 0.819 3.09%

OPERACIÓN. Este motor opera de manera continua, por lo que consideraremos, 360 días, es decir trabaja, 8,640 horas al año.

3.-BENEFICIOS ESPERADOS. Ahorro por consumos y demanda máxima.

CÁLCULOS A) Calculo de Factor de Carga: Parámetros Actuales con motor estándar. Demanda del Motor Medida: 36.7 kW Eficiencia del Motor de Placa 88% Factor de carga 57.73%

F.C. = 36.7/(75 h.p. x 0.746/ ef. 0.88) B) Cálculo de La Diferencia de Voltaje Dif. de Voltaje= ((Voltaje Trifásico/Voltaje nominal)-1)x100 =

Dif. de Voltaje = ((205.6/ 220) -1)x 100 = - 6.56% C) Calculo del Desbalanceo de Voltaje

% de desbalanceo de voltaje = ((Máxima diferencia al promedio/ Voltaje Promedio))x100 = La máxima diferencia al promedio se calcula como: Max Dif. = Voltaje Maximo-Voltaje Promedio ó Voltaje Promedio-Voltaje Mínimo, lo que resulte mayor. por lo que: % Desb voltaje = ((206-205.6)/205.6)x100 = 0.0019X100 = 0.19%

% Desb. voltaje = ((205.6 -204.7)/205.6)x100= 0.43%

38





Estos cálculos se muestran de manera manual, sin embargo pueden realizarse hojas de calculo en Excel u otros paquetes similares y cargarse estas fórmulas para que calculen de manera más rápida todos estos valores.

AJUSTES DE EFICIENCIA. Como se mencionó con anterioridad, la base de la metodología de evaluación es el ajuste de la eficiencia teórica, tomada de tablas de fabricantes, a la eficiencia real a la que se encuentran trabajando los motores. Estos ajustes principalmente son:

Ajuste Por Factor de carga: De acuerdo con la gráfica del comportamiento de la carga de un motor típico, verificamos la eficiencia a la que trabaja el motor evaluado. Por lo que de acuerdo con ella tenemos, que el motor se encuentra operando al 57.73%, es decir, el factor de ajuste es 0.97.

Ajuste por Diferencia de Voltaje: Según la diferencia entre el voltaje de placa y el voltaje real de operación, existe también una disminución en la eficiencia, la que se calcula basándose en una curva de variación de eficiencia de acuerdo con la diferencia de voltaje. Para el motor evaluado, y de acuerdo con la gráfica, tenemos: Factor de ajuste 0.993

Ajuste por Desbalanceo de Voltaje: Al igual que con la diferencia de voltaje, al existir desbalanceo de voltaje entre fases, existe una disminución de eficiencia, de acuerdo con la gráfica, por lo que tenemos: Factor de ajuste por desbalanceo de voltaje 0.99

Ajuste por Reembobinados: Como el motor evaluado ya fue reembobinado 2 veces y se considera un factor de ajuste de 3% por cada rebobinado, tenemos que el factor de ajuste es de 0.97 x 0.97, es decir, 0.9409 Los valores de ajuste antes descritos, se utilizan tanto para el motor actualmente instalado, como para el motor de alta eficiencia, si es que no se pueden corregir los valores de voltaje para estar más cerca de los nominales; pero sin considerar el factor de ajuste por rebobinado para el motor nuevo.

Por lo que considerando estos ajustes, se tiene Eficiencia Ajustada = Eficiencia teórica (tablas) X factor de ajuste total Se considera el factor de ajuste total, el valor de multiplicar cada factor de ajuste entre sí.

Factor de ajuste total = Factor de ajuste por factor de carga X factor de ajuste por diferencia de voltaje X factor de ajuste por desbalanceo de voltaje X factor de ajuste por reembobinados. 39





Es decir,

Factor de ajuste total = 0.97X0.993X0.99X0.9409 =0.8972 Por lo que la eficiencia ajustada es:

Eficiencia Ajustada = 0.88 X 0.8972 =78.95% Por lo que la potencia entregada en la flecha es de

36.7 kw X 0.7895 = 28.97 kw Por lo que para entregar 28.97 kw la potencia demandada es de 36.7 Kw

Utilizando un motor de alta eficiencia: La eficiencia de un motor de 75 h.p. de alta eficiencia de iguales características al actualmente instalado, es de 94.1% a plena carga. Calculando la eficiencia ajustada tenemos: Eficiencia ajustada motor alta eficiencia = eficiencia teórica X factor de ajuste total sin ajuste por reembobinado Nota: Esto solo si no se pueden hacer los cambios en el voltaje

Eficiencia ajustada del motor de alta eficiencia = 94.1% X0.9535 = 89.73% Por lo que para el caso del motor de alta eficiencia,

Para entregar 28.97 kw requiere demandar: Potencia demandada =

Potencia demandada = 28.97/0.8973 = 32.28 kw Determinación de los Ahorros, considerando tarifa HM región central, enero de 2007

Por lo que el ahorro en demanda es de 36.7-32.28 = 4.414 kw Es decir, ahorro en $ al año = 4.414 X $127.34X 12 meses = $6,744.95 pesos Mientras que el ahorro en consumo es de:

Ahorro en kwh =

4.414 kw X 8640 h/año = 38,137 kw/h

Por lo que los ahorros por cada periodo del día son:

Ahorro en kw/h en horario base =

Ahorro $ en base

0.33X38,137 = 12,585 Kw/h

= 12,585X 0.6430 $/kw/h = $8,092.15 pesos

Ahorro en horario intermedio 40





Ahorro en Kw/h intermedio = 0.576 X 38,137 = 21,967 kw/h

Ahorro en $ en intermedio = 21,967 x $0.7696 kw/h = $ 16,905.80 pesos Ahorro en horario punta Ahorro en kw/h punta =

ahorro $ en punta

0.094X38,137 = 3,585 Kw/h

= 3,585X 2.4062 $/kw/h = $8,626.23 pesos

AHORROS TOTALES: Ahorro total en consumo Ahorro total por demanda

= $8,092.15 +$16,905.80+$8,626.23= $33,624.18 = $6,744.95

AHORRO TOTAL POR ESTE MOTOR

= $40,369.13

4.- MONTO DE LA INVERSIÓN. Para implementar esta medida de ahorro se requiere de la siguiente inversión. Concepto. Costo del Motor de Alta eficiencia de 75 h.p.

$42 ,700.00 pesos

Nota: debido a que se cuenta con personal de mantenimiento, no se consideran gastos de instalación.

5.-PERÍODO DE AMORTIZACIÓN DE LA INVERSIÓN. Por recuperación simple, tenemos: Tiempo de retorno = =

Tiempo de retorno = $42,700/40,369.13= 1.05 años Casi 13 meses 6.-CONTEXTO TÉCNICO. Para realizar la implementación de esta medida no se requieren ajustes técnicos, ya que las bases de ambos motores son de iguales dimensiones, además si se considera que en la planta se cuenta con personal de mantenimiento, se considera que no existe inversión para la instalación.

Nota: Cuando se va a sustituir un motor existente por otro de mayor o menor capacidad, la potencia en la flecha, es necesario dividirla entre 0.85, para que el nuevo motor a seleccionar, trabaje siempre lo más cercano al 85% de carga, es decir; en la forma más eficiente posible

Otras oportunidades de ahorro de energía en motores: Si no se quiere substituir el motor actual por razones técnicas o económicas, una vez determinadas las condiciones de operación del motor, se define que otro procedimiento o medidas de ahorro de energía se aplican al motor. Algunas de ellas se mencionan a continuación: 41



Modulo IV Inducción • • • • • •


Corrección del Desbalanceo de Voltaje. Corrección de la Diferencia de Voltaje. Comprar un Motor de Alta Eficiencia o Rebobinar el Motor Dañado. Comprar un Motor de Alta Eficiencia por una Nueva Adquisición. Reubicación de Motores. Cambio de horario de trabajo del motor o máquina accionada.

Tabla No.1.17. Eficiencia Nominal a Plena Carga para Motores De Alta Eficiencia (NOM- 016-ENER-2002) (Motor Totalmente Cerrados Con Ventilación Exterior TCCVE) Potenci Potenci a a

MOTORES CERRADOS

Nomina Nomina 2 Polos l, kW l Cp

MOTORES ABIERTOS

4 Polos

6 Polos

8 Polos

2 Polos

4 Polos

6 Polos

8 Polos

0,746 1,119 1,492 2,238 3,730

1 1,5 2 3 5

75,5 82,5 84,0 85,5 87,5

82,5 84,0 84,0 87,5 87,5

80,0 85,5 86,5 87,5 87,5

74,0 77,0 82,5 84,0 85,5

75,5 82,5 84,0 84,0 85,5

82,5 84,0 84,0 86,5 87,5

80,0 84,0 85,5 86,5 87,5

74,0 75,5 85,5 86,5 87,5

5,595 7,460 11,19 14,92 18,65

7,5 10 15 20 25

88,5 89,5 90,2 90,2 91,0

89,5 89,5 91,0 91,0 92,4

89,5 89,5 90,2 90,2 91,7

85,5 88,5 88,5 89,5 89,5

87,5 88,5 89,5 90,2 91,0

88,5 89,5 91,0 91,0 91,7

88,5 90,2 90,2 91,0 91,7

88,5 89,5 89,5 90,2 90,2

22,38 29,84 37,30 44,76 55,95

30 40 50 60 75

91,0 91,7 92,4 93,0 93,0

92,4 93,0 93,0 93,6 94,1

91,7 93,0 93,0 93,6 93,6

91,0 91,0 91,7 91,7 93,0

91,0 91,7 92,4 93,0 93,0

92,4 93,0 93,0 93,6 94,1

92,4 93,0 93,0 93,6 93,6

91,0 91,0 91,7 92,4 93,6

74,60 93,25 111,9 149,2 186,5

100 125 150 200 250

93,6 94,5 94,5 95,0 95,4

94,5 94,5 95,0 95,0 95,0

94,1 94,1 95,0 95,0 95,0

93,0 93,6 93,6 94,1 94,5

93,0 93,6 93,6 94,5 94,5

94,1 94,5 95,0 95,0 95,4

94,1 94,1 94,5 94,5 95,4

93,6 93,6 93,6 93,6 94,5

223,8 261,1 298,4 335,7 373

300 350 400 450 500

95,4 95,4 95,4 95,4 95,4

95,4 95,4 95,4 95,4 95,8

95,0 95,0 -------

-----------

95,0 95,0 95,4 95,8 95,8

95,4 95,4 95,4 95,8 95,8

95,4 95,4 -------

----------42





Tabla No. 1.18. Eficiencia Nominal a Plena Carga para Motores Estándar de Fabricación Anterior a 1985 (Totalmente Cerrados Con Ventilación Exterior TCCVE) 2 Polos

4 polos

6 polos

8 Polos

Ef. Nom

Ef. Min

Ef. Nom

Ef. Min

Ef. Nom

Ef. Min

Ef. Nom

Ef. Min

%

%

%

%

%

%

%

%

hp/RPM

3600

3600

1800

1800

1200

1200

900

900

1

74

70

75

71.5

75

71.5

1.5

77

74

79

76

78

75

75

71.5

2

80

77

81

78

79

76

75

71.5

3

81

78

81.5

78.5

80

77

75.5

72

5

83

80.5

84

81.5

81

78

83

80.5

7.5

84

81.5

86

83.5

83

80.5

84

81.5

10

85

82

86.5

84

84

81.5

85

82

15

85.5

82.5

87

85

85

82

85

82

20

86

83.5

87

85

86

83.5

86

83.5

25

86.5

84

89

87

86.5

84

86.5

84

30

87.5

85.5

90

88

87.5

85.5

87.5

85.5

40

88

86

90

88

88

86

88

86

50

88

86

91

89.5

88.5

86.5

89

87

60

89

87

91.5

90

89

87

89

87

75

89.5

87.5

91.5

90

90

88

89

87

100

90

88

92

90.5

90

88

90

88

125

90.5

89

92

90.5

90.5

89

91

89.5

150

90.5

89

92.5

91

91

89.5

91.5

90

200

91.5

90

93

91.5

92

90.5

92

90.5

72

68

Nota: Esta tabla se tomó de las Normas NOM de 1978 y se debe considerar para fines de cálculo la eficiencia mínima

CAPITULO 4 EL VARIADOR DE FRECUENCIA 43



4.1.-Introducción: Un controlador de velocidad es la mejor manera de acoplar un sistema motriz a las condiciones variables de los procesos involucrados. Este control velocidad ha jugado un papel importante en la ingeniería mecánica, desde los inicios de la Revolución Industrial. A principios del siglo XVIII, James Watt desarrolló e incorporó a su máquina de vapor su ya famoso gobernador de velocidad centrífugo. Posteriormente surgieron muchas aplicaciones donde era necesario variar la velocidad de los procesos y se desarrollaron varios métodos para lograrlo, tales como los motorreductors, reductores de catarinas, bandas y poleas, embragues hidráulicos, etc. Todos ellos en su momento fueron la mejor opción mecánicamente hablando, para controlar o reducir la velocidad de un determinado proceso. Sin embargo, se desarrolló también el motor de corriente directa cuyas condiciones de operación lo hacen idóneo para variar su velocidad sin detrimento de sus parámetros de funcionamiento, ya que para operar es necesario un control que alimente voltaje y corriente a su campo y su armadura, lo que provoca, que su velocidad varíe de acuerdo con las condiciones de alimentación de este control. Aunque todos estos procesos son muy confiables y se aplican con mucha frecuencia aún en la actualidad, tienen una característica en común, desperdician mucha energía. Ya sea por la gran cantidad de engranes, poleas, etc., para el caso de los de tipo mecánico, como por el dispendio de energía en devanados, armadura, excitación, etc. de los motores de corriente directa; mientras que para ambos casos el mantenimiento es complicado y costoso, lo que los hace aún mas o nerosos. Debido a todos estos inconvenientes para variar la velocidad en los procesos, se buscó la manera de poder hacerlo de una forma sencilla, confiable y de bajo costo. Esto no fue posible sino hasta finales de los setentas, ya que con el desarrollo de la electrónica de potencia, se pudo lograr el control de velocidad de un motor de corriente alterna de inducción, mediante la utilización de un variador de frecuencia. Este variador alimenta al motor un voltaje modulado, con lo que simula una variación de frecuencia en las terminales del motor y con ello varía la velocidad de dicho motor sin detrimento considerable de sus características de par y manteniendo la simplicidad de operación y facilidad de mantenimiento del motor jaula de ardilla, comparativamente con los motores de corriente directa; además de presentar mejores prestaciones en el control de velocidad, de las que hablaremos posteriormente.

4.2.-¿ QUE ES EL VARIADOR DE FRECUENCIA? El variador de frecuencia (VDF) es un control para el motor de inducción tipo jaula de ardilla Es el único control que suministra la potencia, permite la variación de velocidad en el motor sin ningún accesorio extra entre el motor y la carga, y además es una excelente protección al mismo, por lo que ha llegado a ser uno de los controles mas usados en los últimos años, y es casi seguro que llegará a sustituir casi todas las aplicaciones en donde se usan motores de corriente directa. Una de las serias limitaciones del motor de inducción es la de tener velocidades fijas sin posibilidades de variación como lo permite un motor de corriente directa; siendo que los procesos y aplicaciones requieren diferentes velocidades y torques, se han desarrollado una infinidad de métodos para cambiar y variar las velocidades de placa de los motores de inducción, pero o bien la eficiencia es baja o el costo del equipo y mantenimiento es alto. 44



Uno de estos métodos es el variador de frecuencia (VDF) y aquí veremos cuales son las ventajas de este método por sobre los demás en determinadas aplicaciones. La principal ventaja de los VDF es la posibilidad de disminuir los consumos de energía eléctrica en algunos de los procesos que controla, dando como resultado considerables disminuciones en los costos de operación. La alta confiabilidad en los VDF y la disminución de los precios en los mismos han permitido que cada día se instalen más equipos en México y en todo el mundo; debido a esto y otras ventajas adicionales que más adelante se comentarán en este curso, es necesario para cualquier persona involucrada con el mantenimiento eléctrico, y el ahorro de energía en el sector eléctrico llegar a conocer y entender los principios básicos del funcionamiento y aplicaciones de los VDF. El desarrollo e investigación en el campo de la electrónica de potencia para el control y variación de velocidad en los motores de C.A. ha aumentado mas rápidamente que en el de C.D. por las ventajas que se obtienen.

4.3. TEORIA DEL MOTOR DE CORRIENTE DIRECTA. Anteriormente se comentaron las principales características del motor de inducción y las ventajas del mismo con relacion al mantenimiento y sencillez de operación. Sin embargo, es necesario conocer los principios del motor de corriente directa ya que los variadores de frecuncia de la actualidad tienden a simular las características del motor de CD pero empleando motores de CA.

Figura 4.1 Diagrama delemental de un motor de C.D. Principio de Operación. A diferencia del motor de corriente alterna del tipo inducción, un motor de corriente directa necesita alimentarse de un voltaje continuo, por lo que es necesario rectificar el voltaje alterno y poder alimentar el motor. El motor también esta formado básicamente por dos elementos, el estator y el rotor, pero en este caso reciben el nombre genérico de Campo y Armadura y ambos llevan devanados.

Componentes de un Motor de Corriente Directa: Las diferencias de construcción entre un motor de corriente alterna y un motor de corriente directa es básicamente en el rotor, que en este caso se denomina armadura, ya que a diferencia del motor de corriente alterna, este si tiene devanado ya que tiene que conducir corriente por dicha armadura, para crear el campo, y que la armadura pueda girar. Por lo tanto, necesita un colector, que es un disco de 45





cobre dividido en partes para conectar las diferentes bobinas de la armadura y que reciban su alimentación. Esta alimentación se recibe a travé de las escobillas o carbones. Otra diferencia básica, es que en el motor de corriente directa, se pueden observar los polos y las piezas polares del campo.

Control de un Motor de Corriente Directa. Un motor de corriente directa tiene que ser alimentada a través de un rectificador. Para que el motor de C.D. pueda funcionar, es necesario que pase una corriente por el devanado de armadura, El estator debe producir un campo magnético, con un devanado en derivación o en serie, o buen una combinación de ambos. El par que produce un motor de C.D. es directamente proporcional a su corriente de armadura y al campo del estator. Mientras que la velocidad del motor la determina principalmente el voltaje de armadura y campo del motor. La velocidad del motor aumenta cuando el voltaje aplicado a la armadura se incrementa. La velocidad del motor también se incrementa cuando se reduce el campo del estator y puede aumentar en forma peligrosa si llegara a anularse el campo.

4.4 - CARACTERÍSTICAS FRECUENCIA.

DE OPERACIÓN DE UN VARIADOR DE

TEORÍA DEL VARIADOR DE FRECUENCIA El variador de frecuencia variable es conocido con diferentes nombres; variadores de velocidad, drive, inversor, etc.; pero el nombre correcto es el de variador de frecuencia pues incorpora el término de frecuencia que es lo correcto en este caso, pues variadores de velocidad lo son la mayoría aunque la variación la hagan por métodos mecánicos o por C.D., e inversores solo se refiere a uno de los pasos del VDF. La manera como un VDF convierte voltaje y frecuencia constante en voltaje y frecuencia variable se basa en un proceso de 3 pasos principales. Primero la corriente alterna es rectificada y convertida a voltaje de corriente continua, después la invierte y vuelve a entregar corriente alterna pero con valores de frecuencia y voltaje variables. El suministro de voltaje de un VDF puede realizarse a frecuencias que van desde 0 hz hasta 300 o más hz; por lo tanto la velocidad del motor es variable en la misma proporción que la variación de la frecuencia, así el motor puede girar lento o muy rápido dependiendo de la frecuencia que le suministra el VDF. Al mismo tiempo el voltaje también es variable en la misma proporción que la variación de la frecuencia para asegurar que la relación voltaje/frecuencia se mantenga con el mismo valor en todo el rango de velocidades mientras no pase de 60 hz. Esto es por que el par que entrega el motor según diseño es determinado por esta relación y un motor de 460 volts tendrá una relación volt/frec de 7.6, si este mismo motor lo manejamos a una frecuencia de 30 hz. tendremos que suministrarle un voltaje de 230 volts para mantener la misma relación y el mismo par. Cualquier cambio en esta relación puede afectar el par, temperatura, velocidad o el ruido del mismo.

46




Ahorro de Energía en Motores de RELACION VOLTAJE/FRECUENCIA 500 450 400 350 300

S T L 250 O V 200 150 100 50 0 0

10

20

30

40

50

60

70

80

HERTZ

Figura 4.2 Relación voltaje frecuencia suministrada por un variador de frecuencia. Por lo que se deduce que para producir el par nominal en cada motor a diferentes velocidades, es necesario modificar el voltaje suministrado conforme modificamos la frecuencia. El VDF mantiene esa relación de volt/hertz suministrada al motor de manera automática.

3.2.4.2.-PARTES DEL VARIADOR DE FRECUENCIA Básicamente todos los variadores de frecuencia están formador por tres partes principales 1.-RECTIFICADOR DE C.D.- La parte rectificadora en el VDF convierte el voltaje en C.A. en voltaje en C.D. que es mas fácil internamente para el VFD para generar la frecuencia variable de salida necesaria de una fuente no alterna de voltaje, dependiendo de el tipo de VDF este voltaje de C.D. puede ser fijo o variable. La mayoría de los VDF manufacturados actualmente son del tipo de modulación del ancho del pulso (PWM por sus siglas en inglés ) que operan con un voltaje en C.D. suavizado. Los diodos de potencia son usados para producir el voltaje de C.D. fijo y los rectificadores controlados de silicio (SCR ´s por sus siglas en inglés ) son usados para el de voltaje de C.D. variable. Es importante hacer notar que el voltaje del bus de c.d. es 1.41 veces mayor al voltaje de c.a. pues toma el valor del pico de voltaje y no el voltaje rms, por lo que el voltaje en bus de c.d. de un VDF de 460 volts será de 648 v.c.d. 2.-FILTRO Ó ENLACE.- El cual dependiendo del tipo de variador, es como está conformado; también se denomina a esta parte bus de corriente directa 3.-INVERSOR.- Como se mencionaba, este es sólo uno de los pasos del VDF y no representa la función total del mismo. En esta sección el voltaje en c.d. se invierte y vuelve a tomar la forma alterna por medio de rectificadores controlados de silicio o transistores de potencia conectados directamente al bus de c.d. y controlados por microprocesadores, pero esta vez con una frecuencia y voltaje variables. Esta generación trifásica de c.a. al hacerse a través de aperturas instantáneas de los transistores aunque tiene ciclos positivos y negativos toma una forma cuadrática e interrumpida similar a la alimentación de entrada simulando la onda senoidal, según las necesidades de frecuencia pero que mantiene la misma relación volts/hertz para el motor, a esta tecnología se le llama modulación del ancho del pulso. (Pulse Width Modulation PWM por sus siglas en inglés). Una tarjeta lógica de microprocesadores determina la frecuencia de conmutación de la sección de inversión, permitiendo un rango amplio de frecuencias de salida al motor, que van desde 0 hasta 300 hz o más hertz. 47





Figura 4.3 Principio de operación de modulación del ancho del pulso

3.2.4.3.- TIPOS DE VARIADORES DE FRECUENCIA De acuerdo con la tecnología utilizada, los arreglos de sus componentes y los componentes utlizados, son varios los tipos de variadores de frecuencia que existen, básicamente existen tres tipos, CSI, inversión de la corriente de alimentación (Current Source Inverter), VSI, inversión del voltaje de alimentación (Voltaje Source Inverter) y PWM, Modulación de Ancho de Pulso (Pulse Width Modulation), Aunque los má utlizados son estos ultimos; por lo que hablaremos solamente de estos. VARIADOR TIPO MODULACIÓN DEL ANCHO DEL PULSO ( PWM ) La "Modulación del ancho del pulso" (PWM) ha sido la tecnología mas usada en los VDF pues ha dado buenos resultados para controlar motores desde 1/4 h.p. hasta 1000 h.p. debido a su confiabilidad, adaptación y porque genera la menor cantidad de armónicos a la línea. Aproximadamente 100 fabricantes trabajan con esta tecnología a nivel mundial En esta tecnología la sección de inversión es realizada por un puente de diodos y capacitores de C.D. para crear y mantener un voltaje estable y suavizado en C.D. Esta operación se realiza usando la tecnología de transistores bipolares de compuerta aislada (isolated gate bipolar transistor IGBT por sus siglas en inglés) los cuales regulan el voltaje y frecuencia para simular un voltaje que aunque es cuadrático es muy similar al senoidal. El mismo término "modulación del ancho del pulso" explica como cada transición de voltaje alterno es una serie de pulsos cortos de diferente ancho. Variando el ancho del pulso en cada ciclo el promedio simula la onda senoidal. El número de transiciones del positivo al negativo por segundo determina la frecuencia suministrada al motor. Al tener un mayor número de pulsos en cada medio ciclo, el ruido asociado a los motores controlados por VDF se reduce, al igual que la onda de corriente es suavizada y se eliminan los picos. Las velocidades de switcheo o de resolución de los IGBT`s en un convertidor PWM pueden tener rangos desde 2 khz hasta 18 o más khz. Las ventajas de este método es un excelente factor de potencia debido al voltaje del bus de C.D. suavizado, no hay disfunciones en la operación del motor a bajas velocidades, tiene una eficiencia mayor al 92 %, puede controlar varios motores con un solo VDF, habilidad para sobreponerse a las pérdidas de potencia en frecuencias de 3 a 5 hz, y un costo bajo. Entre las desventajas, y hay que considerarlas es el calentamiento del motor y fallas en el aislamiento en algunas aplicaciones debido a la alta frecuencia de resolución, y la imposibilidad de regeneración; así como generación de armónicas en la línea, en algunas aplicaciones muy espécificas..

48



Figura 4.4Diagrama esquemático del variador tipo modulación del ancho del pulso (PWM)

VARIADORES TIPO FLUJO VECTORIAL. Existe una tecnología que aunque usa los principios de la modulación del ancho de pulso ha sido mejorada con microprocesadores de 32 bits llamados inteligentes y que son usados en los Variadores de Flujo Vectorial o Vector Drives en inglés. Los variadores de C.A. siempre han estado limitados a aplicaciones de par normal mientras que las de alto par, y bajas rpm han sido el dominio de los de C.D. Esto ha ido cambiando recientemente con la introducción de una nueva generación de la tecnología PWM, el variador de flujo vectorial. El método de control de par usado en el VDF de flujo vectorial es similar al usado en los de C.D., incluyendo un amplio rango de velocidades con una rápida respuesta. Este variador tiene la misma sección de potencia que los PWM, pero usa un sofisticado control de lazo cerrado del motor al microprocesador del variador de frecuencia. La posición y velocidad del rotor es monitoreada en tiempo real a través de un posicionador o codificador digital que determina y controla la velocidad, par y potencia del motor. Las ventajas de este tipo de variador son: un excelente control de velocidad, par y potencia, una respuesta rápida a los cambios de carga, velocidad y par demandados; 100 % de par a velocidad 0; costos de mantenimiento relativamente bajos comparados con los controles y motores de C.D. El objetivo es controlar el par del motor en lugar de la velocidad y por lo tanto tienen respuestas más rápidas y precisas a las variaciones del par demandado por la carga. Para lograr esto, el variador “explora” al motor haciendo un autoreconocimiento (autotuning), inyectándole corriente y voltaje par saber como se comporta y cuales son sus valores características, para crear un algoritmo o modelo de sus características de funcionamiento y poder controlarlo de la manera más adecuada. Esto se puede hacer con carga y sin carga del motor; una vez hecho esto se configura en la memoria del VDF un modelo matemático del motor con el que se va a trabajar guardándolo inclusive cuando se desconecta totalmente. Durante la operación, el modelo recibe la información de la corriente en alterna que el motor demanda en sus 3 fases, los valores de voltaje del bus de C.D. además del estado de los switch de potencia. Con estos datos se calcula el flujo en el estator, el par, la frecuencia y la velocidad de cada ciclo; y hay un ciclo cada 10 milisegundos. Además de esto el modelo estima la resistencia en el estator; este valor lo 49





obtiene comparando los datos obtenidos de la identificación inicial y en la subsecuente operación del mismo. La diferencia en el modulo de inversión comparada con la tecnología PWM básica es que, esta tiene una frecuencia de conmutación o comúnmente switcheo fijada de acuerdo a las necesidaes, mientras que en los variadores recientes esta frecuencia de switcheo se modifica de acuerdo con las necesidades de par de la carga, en este tipo de variadores se sigue usando la tecnología de IGBT. Este tipo de variadores de frecuencia es ideal para aplicaciones de una complejidad mayor que generalmente se controlan con motores de C.D. como extrusoras, grúas, elevadores, máquinas centrífugas, máquinas de papel, impresoras, maquinaria de embalaje, embobinadoras, y otras aplicaciones con requerimientos similares. Entre las ventajas de esta tecnología es eliminar el sobrecosto de los elementos de retroalimentación o codificación que en la mayoría de los casos representan del 20 al 30 % del costo de la inversión. Otra de las ventajas es una velocidad de respuesta mayor a los cambios de velocidad y par que los demás variadores incluyendo al de flujo vectorial, 100 % de par a velocidad 0; así como par constante en todo el rango de velocidades. En todas las aplicaciones de VDF hay que tener muy presentes el calentamiento que pueda llegar a sufrir el motor al disminuir la velocidad del ventilador de enfriamiento acoplado al mismo en la parte posterior. Si el motor va a trabajar en rangos de velocidad de 0 a 15-20 Hz durante lapsos prolongados, se recomienda instalar ventilación extra a la del motor para asegurar el enfriamiento adecuado; algunas marcas manejan el motor con ventilación acoplada pero conectada eléctricamente independiente a un alimentador de 120 volts. El VDF ha llegado a ser uno de los métodos de control de motores que más han avanzado tecnológicamente en los últimos años, disminuyendo costos, tamaños y mejorando la simplicidad de operación y ha llegado a normalizarse tanto que casi todas las marcas ofrecen las mismas características de operación; al incluir la electrónica de potencia en base a microprocesadores como el fundamento de operación, las ventajas adicionales que ofrecen algunas marcas son mínimas con respecto a otras pero que deben de ser consideradas al momento de hacer la elección: como el idioma de programación y lectura; facilidad de programación; datos que aporta el equipo como amperaje, % de par, potencia, voltajes, status, etc.; pantallas remotas; reactores de choque para disminuir armónicos; desconectadores internos; fusibles de acción rápida integrados; control PID ;etc. Lo que realmente hace la diferencia entre un equipo y otro es la calidad de los componentes que lo integran y el servicio pre y posventa del mismo.

VARIADORES DE FRECUENCIA QUE NO PRODUCEN ARMÓNICAS. Actualmente la tecnología en la fabricación de variadores de frecuencia para medi a y baja tensión, lleva ya varios años desarrollando variadores de frecuencia que producen bajos contenidos de armónicas tanto hacia el motor como hacia la línea de alimentación. Estos variadores de frecuencia, además de proporcionar los beneficios del control de la velocidad y el ahorrro de energía, no provocan distorsiones a la línea de alimentacion ni daños al motor. Por lo cual, para su aplicación no es necesario degradar la potencia del motor ni sobredimensionar el aislamiento del cable o del motor, para el caso de media tensión. La forma como se consigue eliminar las armónicas es instalando transformadores de alimentación con devanados secundarios aislados entre si y defasados de cierta forma, que las armónicas se eliminan entre ellas.

50





Figura 4.5. Diagrama de bloques de un variador

4.5.- Aplicaciones Industriales de los Variadores de Frecuencia INTRODUCCIÓN La instalación de los VDF nacen básicamente de dos motivos principales; el primero es el mejoramiento en el proceso en sí, mientras que el segundo es el ahorro de energía. Sin embargo, la instalación de los mismos pueden conllevar los dos fines o uno sólo; para esto es importante conocer los procesos industriales y las necesidades de los mismos, y eso implica conocer los tipos y clases de cargas que existen y se divid en en tres, básicamente, y que más adelante se explican. Hay que recordar que el par o torque de la máquina es independiente de la velocidad del motor, y que la potencia requerida por la carga es variable y de incrementa conforme aumentemos la velocidad en rpm.

4.5.2.- TIPOS DE CARGAS. PAR Y POTENCIA Hay que aclarar que la potencia y el par son dos valores diferentes y que nos indican dos características del motor independientes; mientras que el par es un sistema formado por dos fuerzas que obran sobre líneas de acción paralelas no colineales y son iguales y de sentido opuesto y que producen o impiden una rotación; la potencia se define como el trabajo realizado en la unidad de tiempo, y las dos se relacionan y rigen, hablando de motores por la siguiente ecuación: POTENCIA (HP) = PAR ( KG-M ) X RPM / 7124

CARGAS DE PAR CONSTANTE 51





Es la carga que demanda del motor un par o torque constante en cualquier rango de velocidad; ejemplos de este tipo de carga son elevadores, bandas transportadoras, maquinaria textil, impresoras, bombas de desplazamiento positivo y de pistón, extrusoras, mezcladoras, compresores reciprocantes, etc.; y representan el 80 % de los motores instalados. En este tipo de carga el motivo principal para la aplicación de los VDF es la optimización del proceso y rara vez hay ahorros de energía; a menos de que se cumplan estas dos condiciones: que la potencia demandada sea menor a la nominal y que esto sea a velocidades menores. CARGA DE PAR CONSTANTE 120%

R A 100% P Y 80% A I C 60% N E T 40% O P 20% %

PAR POTENCIA

0%

% 0 % 0 % 0 % 0 % 0 % 0 % 0 % 0 % 0 % % 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 0

% DE VELOCIDAD

Figura 4.6 Curva de par y potencia para una carga de par constante

CARGAS DE PAR VARIABLE Es el tipo de carga en la cual las necesidades de par o torque van disminuyendo conforme la velocidad del motor y por consiguiente de la carga también disminuyen. Este tipo de carga se encuentra comúnmente en aplicaciones de flujo variable, como bombas y ventiladores centrifugos. Ejemplos de estos son los ventiladores y bombas centrífugas, agitadores y compresores axiales; y el VDF ofrece grandes oportunidades de ahorro pues sus requerimientos de potencia disminuyen considerablemente conforme la velocidad es menor. CARGA DE PAR VARIABLE 120.000% R 100.000% A P Y 80.000% A I C 60.000% N E T 40.000% O P 20.000% %

PAR POTENCIA

0.000%

% 0 % 0 % 0 % 0 % % % % % % % 0 1 2 3 4 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0

% DE VELOCIDAD

Figura 4.7 Curva de par y potencia para una carga de par variable

CARGAS DE POTENCIA CONSTANTE 52





Es el tipo de carga, que no importa la velocidad a la que esté girando el motor pues siempre va a estar demandando la potencia máxima, pues así lo demanda la carga. Sin embargo, al incrementarse la velocidad, la demanda de par se reduce y viceversa. Estas cargas se encuentran básicamente en máquinas herramientas, bobinadoras, dobladoras, troqueladoras, molinos,bombas centrífugas de alta inercia; en estas cargas difícilmente podremos obtener ahorros de energía, debido a que el proceso exige el máximo de la potencia o en todo caso KW. Como es de vital importancia conocer el tipo de aplicación donde queremos instalar un variador de frecuencia; también es importante conocer algunos otros datos que nos ayudarán a hacer la elección correcta y evitar errores que nos pueden costar dinero y tiempo. Es importante conocer los rangos de velocidades en los que va a trabajar nuestra carga; a que porcentaje de carga está trabajando si es implementación de variador en un proceso ya establecido, cual es la potencia máxima y mínima que la carga demanda, que par necesitamos al arranque, etc. Estos datos se conocen a través de la información técnica proporcionada por los fabricantes de los equipos y a través de mediciones realizadas en campo si es el caso de que el equipo ya esté funcionando y queramos determinar los porcentajes de carga a la que esté trabajando; y una vez conociéndolos dimensionar exactamente las capacidades de nuestros equipos para determinar que es lo que necesitamos y que nuestro sistema trabaje con la mejor eficiencia posible. Muchas de las aplicaciones de velocidad variable utilizan reductores después del motor debido a las necesidades de velocidades bajas y pares altos; ya sea que la reducción se haga por medios mecánicos como engranes, poleas, bandas, etc, es necesario tomar en cuenta las relaciones de reducción y considerar el motor y el reductor exacto para el caso específico.

POTENCIA CONSTANTE 120.0% 100.0% A I C 80.0% N E T O 60.0% P E D 40.0% %

20.0%

PAR POTENCIA

0.0%

% 0 % 0 % 0 % 0 % 0 % 0 % 0 % 0 % 0 % 0 % 0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 2 0

% DE VELOCIDAD

Figura 4.8 Curva par potencia para una carga de potencia constante

4.6.- Ahorro de Energía con Variadores de Frecuencia AHORRO DE ENERGÍA EN CARGAS DE PAR VARIABLE Debido a que la aplicación de VDF en los procesos de par variable son los que nos dan un mayor ahorro de energía, en este capítulo veremos cuales son las características y por que del ahorro en este tipo de cargas. 53



Como ya vimos las cargas de par variable son las que involucran movimientos de fluidos como agua y aire, y el mayor número de estas aplicaciones son bombas y ventiladores centrífugos. Se considera por los potenciales de ahorro de energía que el 70% de las aplicaciones de los accionamientos de velocidad variable son en este tipo de cargas. Primero veremos cuales son las leyes que rigen estos sistemas y que nos permiten tener ahorros de energía en velocidades menores a las nominales. En cualquier sistema de movimientos de fluidos por medio de impulsores centrífugos que en este caso puede ser un ventilador o una bomba; el caudal Q , que es un valor dado en volumen por unidad de tiempo siempre va a estar relacionado proporcionalmente a la velocidad del impulsor; por ejemplo si un ventilador centrífugo que gira a 3600 rpm mueve una cantidad de 2 M³ de aire por segundo, ese mismo ventilador al girarlo a 1800 rpm moverá una cantidad de aire de 1 M³ de aire por segundo, sin importar que es lo que está haciendo girar el ventilador. Ahora este caudal que es proporcional a la velocidad es impulsado a diferentes presiones según cambie la velocidad y la presión es un valor dado en fuerza aplicada por unidad de área y se comporta de una manera cuadrática conforme cambia la velocidad: ( rpm a ) ² Presión a = -----------------( rpm b ) ² Utilizando el mismo caso anterior si suponemos que la presión del aire impulsado a 3600 rpm tiene una presión de 1 kg-m2, cuando esta a 1800 rpm tendrá una presión de 0.25 kg-m2, pues su disminución no es lineal sino cuadrática. Ahora para realizar este trabajo nosotros necesitamos determinada potencia para producir ese caudal con cierta presión, ya sea que nosotros realicemos ese trabajo por medios mecánicos o eléctricos, la demanda de potencia va ser la misma para procesos similares. y la demanda de esta potencia se va a comportar de una manera cúbica. ( rpm a )³ Potencia a = ----------------( rpm b )³ En el caso anterior suponiendo que la potencia demandada para tener un caudal Qa de 2 M³ con una presión de 1kg- m² es de 10 kw; la potencia necesaria para tener un caudal Qb de 1 M³ con una presión de 0.25 kg-m² sería de 1.25 kw. Estas disminuciones de potencia demandada en una relación cuadrática son las que nos permiten tener ahorros de energía en las cargas de par variable a velocidades menores a las nominales; y los VFD son los únicos equipos que nos pueden dar diferentes velocidades según sean las demandadas. En un sistema de manejo de fluidos no tendría ninguna ventaja instalar Convertidor de Frecuencia Variable si las necesidades de caudal y presión no tuvieran variaciones, y siempre se requiriesen las máximas condiciones de trabajo; pero generalmente los sistemas de bombeo e inyección de aire se diseñan originalmente considerando el punto máximo de operación. Todas las partes involucradas en el diseño como: tuberías, impulsores, motores, válvulas, tanques, también se encuentran diseñados para abastecer el volumen máximo requerido. Considerando lo anterior, y que la mayoría de los sistemas tienen variaciones de demanda, se requiere de un sistema de control para regular continuamente el volumen del caudal de acuerdo a las necesidades. Por lo general el promedio del caudal movido, puede ser una fracción de la capacidad máxima del sistema. 54





El control de caudal se puede regular de diferentes maneras usando algunos de los siguientes métodos: recirculación, persianas, válvula de estrangulación, cajas de volumen variable, control de arranque/paro y convertidores de frecuencia. Los métodos que implican poco ahorro de energía serían los de recirculación y arranque/paro, mientras que los métodos de control de obturador o estrangulamiento, que son los más usados pero su eficiencia es muy baja, la disminución en los consumos de energía es casi insignificante, pues el motor continúa trabajando a su velocidad nominal tratando de sobreponerse a las contrapresiones innecesarias. He aquí donde el VDF sustituye a cualquier tipo de control con grandes ventajas; y es el único que reduce la velocidad del equipo sin necesidades de elementos mecánicos extras; los ahorros que se obtienen de la operación son mayores y pueden llegar al 60 %.

AHORRO DE ENERGÍA CON CARGAS DE PAR CONSTANTE Como se mencionó anteriormente, en una aplicación de par constante también es factible ahorrar energía eléctrica durante el arranque y la operación, siempre y cuando se tengan variaciones en la carga y/o el equipo no se encuentre operando a su capacidad nominal. Pongamos el ejemplo de una banda transportadora de material pesado. Las bandas siempre se dimensionan para transportar la máxima capacidad a la que fue diseñada, por lo tanto el motor en determinadas ocasiones va trabajar sobrado pues no siempre va a transportar la máxima carga, e inclusive sin carga pues no se les alimenta de material regularmente; en esos momentos si la velocidad baja el consumo de potencia va a disminuir conforme a lo solicitado por la carga. Una banda medio cargada consume sólo un poco menos de energía que una completamente llena. Una banda parcialmente cargada puede consumir hasta el 80 % de la energía necesaria para transportar la carga completa. Esta relación se empeora si la banda va vacía, pues consume del 50 al 70 % de la energía requerida para la carga nominal, de tal forma que aunque no esté realizando ningún trabajo ni suministrando material hay consumo de energía y un desperdicio del 50 % de la energía instalada. Con un VDF se logra ajustar la velocidad de la banda al material disponible en un momento dado. Regulando la velocidad en base al factor de carga. Viéndolo de otra manera si la cantidad del material por transportar disminuye a la mitad; la velocidad de la banda disminuiría a la mitad; y si la cantidad de material disminuye de tal forma que la banda va vacía, la velocidad de la banda se reduce hasta un mínimo con el correspondiente ahorro de energía.

Figura 4.9 Torque de un motor controlado por variador de frecuencia

55





3.5.3.-APLICACIÓN DE LA LEY CÚBICA. En general en la industria, los procesos requieren de cierta flexibilidad ya que no operan siempre a carga constante, sino que se deben satisfacer necesidades variables dentro de un rango máximo y mínimo de flujos. Estos flujos pueden ser: combustible, agua, materia prima, aire y otros fluidos. Como medio de control de flujo se utilizan ampliamente las válvulas de estrangulación o válvulas de control cuyo principio de control se basa en provocar una caída de presión mayor o menor del flujo a través de ella. Un método alternativo para control de flujo es mediante la variación de velocidad directamente en el equipo, por ejemplo, en una bomba.

Leyes de afinidad. En el caso de sistemas de impulsión de fluidos líquidos y gaseosos cuando las presiones no son muy altas, como es el caso de bombas y ventiladores respectivamente, existen ciertos parámetros y leyes físicas que rigen su funcionamiento; por los fines y el alcance del presente curso no se detallará la teoría de dónde salen las relaciones que a continuación presentamos como las “leyes de semejanza” para fluidos y sus equipos impulsores. Las ecuaciones utilizadas en bombas, ventilado res y compresores centrífugos son las siguientes: D1 / D2 = Q 1 / Q2 = N1 / N2 D1 / D2 = Q 1 / Q2 = (H1 / H2) 1/2 D1 / D2 = Q 1 / Q2 = (P1 / P2) 1/3 Estas ecuaciones pueden ser acomodadas en varias formas diferentes. Q1 / Q 2 = D 1 / D 2 H1 / H2 = (Q1 / Q2) 2 Pot. 1 / Pot. 2 = (Q 1 / Q2) 3 Para determinar una cuarta variable, tres de ellas deben conocerse. Q = Flujo N = Velocidad de la bomba, ventilador, compresor Pot. = Potencia al freno, requerida por el equipo D = Diámetro del impulsor

56



Figuras 4.10 Leyes de afinidad

Ejemplo 1: Determinar el comportamiento de la bomba si esta operando a 65% de la velocidad nominal, si tiene los siguientes calores; N = 3498 rpm Flujo = 0.72 m 3 por minuto H = 70 metros P = 12 kW 57



Inicialmente se calcula la nueva velocidad: N2 = 3498 x 0.65 = 2274 rpm tal que N1/N2 = 1.538 Por tanto, se obtienen los siguientes valores: Q2 = 0.72 / 1.538 = 0.468 m 3 por minuto H2 = 70 / (1.438) 2 = 33.85 metros P2 = 12 / (1.538) 3 =3.29 kW

Ejemplo 2: Una bomba tiene un flujo inicial de 58 m 3 por hora, sin embargo se recirculan 12 m 3 por hora, es decir, se requiere un flujo de 46 m 3. Determinar el comportamiento de la bomba si trabaja únicamente con el flujo requerido. N = 1765 rpm Flujo = 58 m 3 por hora H = 80 metros P = 17 kW Mediante las relaciones de afinidad se determinan los siguientes parámetros: N2 = (46 / 58) x 1765 = 1399 RPM H2 = 80 / (58 / 46) 2 = 50.35 metros P2 = 17 / (58 / 46) 3 = 10.69 kW

4.7.- Desventajas de la Aplicación de Variadores de Frecuencia. Son innegables las ventajas de aplicar variadores de frecuencia en los distintos procesos productivos en la industria, en aplicaciones en aire acondicionado en edificios, etc, ya que además de proporcionar ahorros considerables de energía, mejoran en la mayoría de los casos, las condiciones del proceso involucrado. Es poco común, que un variador correctamente seleccionado e instalado adecuadamente falle, sin embargo, algunas veces llega a suceder. Sin embargo, cuando no son seleccionados adecuadamente, cuando en la planta donde se instalen se tienen equipos de control muy sofisticados y delicados, tales como PLC´s, control distribuido, etc, es necesario evaluar antes de instalar variadores de frcuencia, la repercusión que pudieran tener en las instalaciones la aportación de corrientes armónicas y radiofrecuencias Una desventaja de la aplicación de variadores de frecuencia, es la cantidad de armónicas que generan; aunque existen formas de mitigar sus efectos nocivos, ya sea por medio de reactores de linea, reactores de carga, etc, estos generalmente no vienen incluidos en el precio de los variadores y se cotizan a petición del cliente.

58



Otro problema que se llega a presentar, es que al disminuir la velocidad del motor, al ser autoenfriados, disminuye también la capacidad de ventilación y por lo tanto, puede sobrecalentarse el motor, con los riesgos conocidos. Por este motivo, para que no se tengan sorpresas desagradables una vez instalados los variadores de frecuencia, es necesario evaluar adecuadamente los efectos que se producirán en los equipos asociados a la operación del variador de frecuencia. No obstante, la instalación de variadores de frecuencia a nivel mundial va en aumento y generalmente ya los fabricantes de equipo original, los incorporan como equipo de línea en muchas aplicaciones tales como, compresores, máquinas de llenado, cabinas de pintura, máquinas extrusoras, equipos de bombeo, torres de enfriamiento, etc. Tabla 4.10 Información técnica de variadores de frecuencia

4.8. Casos Prácticos de Aplicación de Variadores de Frecuencia. Ejemplo 1: A continuación analizaremos la instalación de un variador de 25 h.p. en una bomba de agua helada, que es parte del sistema de refrigeración instalado en un hotel de la ciudad de Cancún, y los ahorros que se están obteniendo, además de las ventajas adicionales que se obtuvieron. 59



El sistema de bombeo de agua helada está conformado por 2 bombas centrífugas que son impulsadas por motores de 3550 r.p.m de velocidad y la descarga puede estar conectada en paralelo o independiente según sea la apertura una válvula de by-pass. Su horario de funcionamiento antes de instalarse los VDF era de aproximadamente un total de 38 horas al día, trabajando una bomba las 24 horas continuas y la otra 14 horas, cuando las temperaturas ambientales son altas en el transcurso del día. El sistema de arranque/paro era manual y se hacía por diferenciales de temperatura del agua helada, al entrar y al salir de las compresoras reciprocantes, que también se hacía por mediciones visual es.

Se determinó que se podrían conseguir ahorros substanciales si se implementaba un VDF en una de las bombas y la otra se dejaba como bomba auxiliar en caso de que sea necesario trabajar mas de una bomba; mientras que la bomba controlada por VDF haría el trabajo fraccional requerido. En las áreas públicas del hotel como restaurantes, lobby, salones; al igual que en las habitaciones se regula la temperatura por medio de termostatos, y la entrada de agua helada a las unidades manejadoras de aire o ventiladores se controla por medio de válvulas de 3 vías; si en determinado momento la temperatura desciende por debajo del nivel de confort; las válvulas cierran para permitir que la temperatura se regulare. Al igual en las habitaciones al momento de apagar el aire acondicionado automáticamente la válvula cierra y no hay flujo de agua helada. Esto hace que en determinados momentos cuando la temperatura ambiente sea fría, como en la madrugada, o cuando la ocupación es baja, la bomba o bombas estén trabajaran innecesariamente pues el caudal de agua helada necesario para acondicionar el edificio es menor al nominal. Para resolver este problema se determinó cual es la presión necesaria para que el agua helada llegue hasta el punto más remoto del sistema de enfriamiento; se colocó un transductor de presión en la tubería que controla el VDF para que siempre mantenga esa presión o en su defecto baje su velocidad cuando la presión aumenta por cierre de válvulas. La bomba auxiliar entra cuando no es suficiente que la bomba con VDF trabaje a su velocidad nominal para mantener la presión requerida; este arranque lo hace automáticamente el VDF por medio de relevadores internos. La bomba de velocidad variable oscila desde un 75% hasta un 100 % de la velocidad nominal; y en cambio el promedio de horas que trabaja la otra bomba disminuyó de 14 a 5 horas únicamente al día; haciendo la aclaración que los valores dados en este ejemplo tanto antes de la instalación del VDF como después se tomaron en la temporada de verano que es cuando las condiciones climáticas son más drásticas en la ciudad de Cancún. A continuación se presentan los horarios y consumos en kwh del sistema de bombeo que arrojaron en promedio antes y después de la instalación del VDF y aclarando que son variables dependiendo de la temporada del año.

60





COMPORTAMIENTO DE LA DEMANDA ANTES DE INSTALAR EL VARIADOR DE FRECUENCIA E N UN LAPSO DE 24 HORAS 40 KW

2 BOMBAS 20 KW

1 BOMBA 00:00

04:00

08:00

12:00

16:00

20:00

24:00

20:00

24:00

*DEMANDA MÁXIMA 40 KW

COMPORTAMIENTO DE LA DEMANDA DESPU S DE INSTALAR VARIADOR DE FRECUENCIA EN UN LAPSO DE 24 HORAS 40 KW

20 KW

2 BOMBAS 1 BOMBA CON VDF 00:00

04:00

*DEMANDA MÁXIMA

08:00

12:00

27 KW

HORAS CONSUMO POR DÍA Y MES E N KWH ANTES DE INSTALAR CFV

KW

KWH

14

40*

560

10

20

TOTAL KWH POR DÍA TOTAL KWH POR MES

HORAS CONSUMO POR DÍA Y MES EN KWH DESPUÉS DE INSTALAR CFV

16:00

200

760 22,800

KW

4

KWH

27*

108

14

16

224

16

11

66

TOTAL KWH POR DIA TOTAL KWH POR MES

AHORRO POR DEMANDA

398 11,940

= 40 KW - 27 KW 13 KW MENSUAL

AHORRO POR CONSUMO = 760 KWH - 398 KWH 362 KWH POR DÍA 10,860 KWH POR MES

RECUPERACIÓN DE LA INVERSIÓN

8 MESES

61



Ejemplo 2 : Antecedentes. Una planta de tratamiento de aguas residuales domesticas, cuenta con cinco sopladores, los cuales distribuyen aire a las áreas de Digestores constituida por 2 tanques, y a la de Tratamiento de aguas que cuenta con 4 tanques. El suministro de aire a los tanques 1 y 2 de digestores se realiza mediante los sopladores 1 y 2, mientras que los sopladores 3, 4 y 5 suministran aire a l os 4 tanques de aireación. Se tiene un sistema de control automático mediante dampers . La regulación de flujos es muy importante, ya que de esta manera se puede satisfacer con la cantidad de oxigeno requerida de acuerdo a la carga orgánica en Digestores y Tratamien to. Cabe señalar que las válvulas como máximo se abren a un 80% dependiendo de los flujos requeridos, esto trae consigo un considerable incremento en las pérdidas de carga totales. Por otro lado, los actuadores pueden operar de manera manual o en automático, para está modalidad se tiene un PLC que controla la apertura de las válvulas de los cinco sopladores.

Tratamiento. La propuesta consiste en instalar un variador de frecuencia en el motor de los sopladores 3, 4 y 5 el cual estará operando solamente uno de los tres motores. La operación del sistema propuesto estará en función de la carga orgánica y nivel registrado mediante los sensores de oxigeno, éstos enviarán una señal al convertidor para que modifique la velocidad del soplador y con ello los CFM. En el caso de un incremento en las necesidades de oxigeno, deberá incrementarse la velocidad del soplador, y si disminuyen las necesidades de flujo, se disminuye la velocidad del soplador. En caso de no ser suficiente el suministro de aire de un soplador, se puede arrancar otro el cual trabaje a plena carga, mientras que el otro opere a carga parcial controlado con el convertidor de frecuencia.

Evaluación de Flujo Promedio de Operación. En tratamiento se tiene una potencia promedio de 315 kW y un flujo de aire de 9,839 CFM (SCFM 6,922). Características del Soplador.

Los sopladores son marca LAMSON, modelo 1850, de 5 etapas, para una velocidad de 3,570 RPM y tiene acoplado un motor de 450 HP de 3565 RPM. Las dimensiones del impu lsor son 30.5”. Los sopladores están diseñados para entregar un flujo de 8,000 SCFM a una presión atmosférica de 0.722 (10.61 PSIA) y a una temperatura de entrada al soplador de 26°C (79 °F) con una potencia al freno de 428 BHP.

Para pasar de condiciones estándar a condiciones de operación o viceversa se utilizan las relaciones de gas ideal: P1 V1 P2 V2 -------- = --------T1 T2 62





Condiciones de Operación en Sitio, 26°C (79°F), 0.722 Atm (10.61 Psi) Condiciones Estándar, 25°C (77°F), 1 Atm (14.7 Psi)

Las curvas de comportamiento de los sopladores se muestran a continuación. 9

Curvas de Sopladores Carga Total del Sistema contra Flujo de Aire

8.5

8

7.5

7

I S P ( n6.5 ó i s e r P

3,570 RPM 3,520 RPM 3,470 RPM 3,420 RPM 3,370 RPM 3,320 RPM 3,270 RPM 3,220 RPM 3,170 RPM 3,120 RPM 3,070 RPM 3,020 RPM

6

5.5

5

4.5

4 4000

5000

6000

7000

8000

9000

SCFM (Condiciones Standart)

En la gráfica anterior se presentan unidades Inglesas puesto que los valores de diseño del soplador así están dados, además en este caso son las unidades más utilizadas. El flujo de aire esta dado bajo condiciones estándar (25°C y 1 Atmósfera). Carga Estática.

En tratamiento se consideró una carga estática de 0.44 Atmósferas o 6.5 PSI, estos valores se determinaron en función de la profundidad promedio de los tanques. Carga total del sistema.

Para determinar las pérdidas de fricció n se consideran los siguientes datos: Tratamiento: Diámetro interior: Distancia de la tubería: Diámetro interior: Distancia de la tubería: Diámetro interior: Distancia de la tubería: Diámetro interior: Distancia de la tubería: Fluido:

36 pulgadas (0.91 metros) 5 metros 30 pulgadas (0.76 metros) 52 metros 18 pulgadas (0.46 metros) 10 metros 14 pulgadas (0.36 metros) 88 metros Aire 63





Presión Manométrica: Temperatura:

0.51 Atm (7.5 PSI) 90 °C (194 °F)

Construcción de la curva característica. A continuación se construye una gráfica que incluye las curvas de comportamiento del ventilador y la carga total del sistema (carga estática + perdidas de carga). El resultado de esta gráfica permitirá determinar la carga necesaria en el sistema para el flujo promedio de operación y la velocidad a la que debe operar el soplador para satisfacer estos valores. 9

Curvas de Sopladores contra Carga Total del Sistema de Aire de Tratamiento

8.5

8

Carga Total del Sistema 7.5

Velocidad 3,333 RPM

Presión 7.15 PSI 7

I S P ( n ó6.5 i s e r P

Carga Estática 3,570 RPM 3,520 RPM 3,470 RPM 3,420 RPM 3,370 RPM 3,320 RPM 3,270 RPM 3,220 RPM 3,170 RPM 3,120 RPM 3,070 RPM 3,020 RPM

6

5.5

5

4.5

Flujo Promedio 6,922 SCFM 4 4000

5000

6000

7000

8000

9000

SCFM (Condiciones Standart)

El flujo promedio de operación es (6,922 SCFM) o (9,839 CFM), la carga requerida por el sistema es 7.15 PSI (0.48 atm.). Por otra parte, el soplador requiere operar a una velocidad de 3,333 RPM para satisfacer estos valores.

Determinación de los ahorros de energía. De igual manera que se construyo las curvas de comportamiento de carga contra flujo de aire, se construye una gráfica de potencia (kW) contra flujo de aire (CFM en esta gráfica se presenta el flujo a las condiciones de operación en sitio) y Velocidad del Soplador (RPM). En esta gráfica se incluye la eficiencia del motor del soplador la cuál es de 95.4%. Conociendo el flujo de aire y la velocidad del soplador la cuál se determino en el procedimiento anterior, se calcula la potencia requerida por el motor.

64




Ahorro de Energía en Motores de 3,570 RPM 3,520 RPM 330

3,470 RPM 3,420 RPM 3,370 RPM

k ( r 280 o t o M 252 kW a d i m u 251 kW s n o C230 a i c n e t o P

3,320 RPM 3,270 RPM

Velocidad 3,200 a 3,300 RPM

3,220 RPM 3,170 RPM 3,120 RPM 3,070 RPM 3,020 RPM

180

Digestores Flujo Promedio 9,436 CFM

Tratamiento Flujo Promedio 9,839 CFM

130 5500

6500

7500

8500

9500

10500

11500

12500

13500

CFM (Condiciones de Operación)

El flujo promedio actual es 9,839 CFM, por otro lado, la potencia requerida se determina interpolando en la curva correspondiente a la velocidad actual (3,570 RPM) para el flujo promedio y se obtiene 309.53 kW y una presión de descarga de 8.2 PSI. Para satisfacer la presión de 7.15 PSI y el flujo de 9,839 CFM se requiere una velocidad de 3,333 RPM de acuerdo con las curvas de comportamiento del soplador. Finalmente aplicamos las leyes de afinidad para determinar la potencia requerida por el motor, a la nueva velocidad.

La potencia a la velocidad actual: Pot. Actual = 309.53 kW La potencia esperada se determina utilizando las leyes de afinidad: P2 P1

donde

 Q =   Q

3

2 1

   

N1 = 3,570 RPM N2 = 3,333 RPM P1 = 309.53 kW P2 = (Q 2 / Q1)3 x P1 = (3,333 / 3,570) 3 x 309.53 = 251.88 kW Potencia esperada = 251.88 kW

Finalmente el ahorro en potencia se determina con la diferencia entre la potencia empleada actualmente y la esperada al controlar el flujo con el variador de frecuencia. Ahorro en potencia = Potencia actual - Potencia esperada La potencia requerida por el soplador es 309.53 kW. Ahorro en potencia = 309.53– 251.88 = 57.65 kW

Tiempo de Operación: 65





Horas día: 24 horas Días año: 365 Base: 2,930 horas al año Intermedia: 5,034 horas al año Punta: 796 horas al año Total: 8,760 Ahorro por Consumo = Ahorro en Potencia x Horas de Operación Ahorro por Consumo = 57.65 kW x 8,760 Horas = 505,014 kWh por año

AHORROS ECONOMICOS, INVERSION Y TIEMPO DE RECUPERACION. Tipo de tarifa: HM, Región Central, Enero de 2007. Costo de kW: Costo del kWh en horas base: Costo de kWh en horas intermedia: Costo de kWh en horas punta: Tiempo de Operación: Horas día: Días año: Base: Intermedia: Punta: Total:

$127.34 $0.6430 $0.7696 $2.4062

24 horas 365 2,930 horas al año 5,034 horas al año 796 horas al año 8,760 EVALUACIÓN DE LOS AHORROS

Potencia promedio motor sin variador de frecuencia = 309.53 kW Potencia promedio motor con variador de frecuencia = 251.88 kW Ahorro en potencia = 57.65 kW Ahorro económico por demanda = 57.65 x 127.34 = $7,341 por mes = 12 meses = $88,093.81 anuales Ahorro económico por energía = (Ahorro energía horas base x Costo kWh en base + Ahorro energía horas punta x Costo kWh en intermedi a + Ahorro energía horas punta x Costo kWh en punta)

= (57.65 x 2,930 x 0.6430 + 57.65 x 5,034 x 0.7696+57.65 x 796x 2.4062) = $442,376.9 pesos al año

Ahorro total = Ahorro demanda + Ahorro Energía = 88,093.81 + 442,376.90 = $530,470.63 pesos al año Inversión y Tiempo de Recuperación La inversión corresponde a un variador de frecuencia para un motor de 450 HP.

Inversión Requerida.

66

10 Motores y Variadores

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