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OPORTUNIDADES PARA EL AHORRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA A TRAVÉS DEL USO DE MOTORES DE EFICIENCIA ALTA...
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OPORTUNIDADES PARA EL AHORRO DE ENERGÍAELÉCTRICA A TRAVÉS DEL USO DE MOTORES DEEFICIENCIA ALTA E INVERSORES DE FRECUENCIA
Transformando Energía en Soluciones
PRESENTACIÓN
OPORTUNIDADES PARA EL AHORRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA A TRAVÉS DEL USO DE MOTORES DE EFICIENCIA ALTA E
INVERSORES DE FRECUENCIA
WEG nace en 1961 en la ciudad de Jaragua Do Soul, Estado de Santa Catarina al sur de Brasil,siendo su primera razón social: “ELECTROMOTORES JARAGUA LTDA”
Inicia operaciones el 16 de Septiembre de 1961 con un capital inicial equivalente a $12 000,00 us dlls
PRIMER MOTOR WEG FABRICADOPOR ELECTROMOTORES JARAGUA LTDA
El nombre de WEG nace de la conjunción de las iniciales del nombre de sus fundadores:
W Werner Ricardo Voigt (Ing. Electricista)E Eggon João Da Silva (Administrador)G Gerarldo Werninghaus (Ing. Mecánico)
Del alemán:
WEG = camino
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INVERSORES DE FRECUENCIA
Producción anual de motores:
1961 146 unidades
1965 9 486 unidades
1966 12 987 unidades
1970 45 560 unidades
1971 62 772 unidades
1972 104 134 unidades
1977 458 437 unidades
1978 631 536 unidades
1984 855 557 unidades
1985 1 034 879 unidades
2000 6 826 842 unidades
2001 8 040 700 unidades
2003 10 165 800
unidades
0
1000000
2000000
3000000
4000000
5000000
6000000
7000000
8000000
9000000
1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005
Año
Uni
dade
s pr
oduc
idas
OPORTUNIDADES PARA EL AHORRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA A TRAVÉS DEL USO DE MOTORES DE EFICIENCIA ALTA E
INVERSORES DE FRECUENCIA
JARAGUA DO SUL (BRASIL*):
PARQUE INDUSTRIAL IPARQUE INDUSTRIAL IIFABRICA DE WEG QUIMICA
BLUMENAU (BRASIL):
FABRICA DE TRANSFORMADORES
SAU PAULO (BRASIL):
FABRICA DE APPLIANCE
ARGENTINA:
FABRICA DE ACCIONAMIENTOSFABRICA DE APPLIANCE
PORTUGAL:
FABRICA DE MOTORES DE MEDIA Y ALTA TENSIÓN
MÉXICO:
FABRICA DE MOTORES DE BAJA TENSIÓN
WEG actualmente cuenta con fabricas en:
*Casa matríz y coporativo
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INVERSORES DE FRECUENCIA
WEG en México inicia sus operaciones como fabrica el 1o de Agosto del 2000.
Con una planta ubicada en Tlalnepantla, Edo. de Méxicocon 200 empleados y una producción mensual de 5000Motores trifásicos en baja tensión.
Hasta Agosto del 2004 esta planta fabricaba:
-Motores de inducción trifásicos en baja tensión desde 0,25hphasta 100hp.
-Generadores síncronos de polos salientes desde 21kVA hasta600kVA.
-Tableros de control en baja tensión.
Y comercializaba:
-Motores monofásicos.-Equipo de control (Inversores, Softstarters).-Accionamientos (Relevadores, Interruptores, Capacitores, etc).-Motores en Media y Alta tensión.-Transformadores de Potencia
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INVERSORES DE FRECUENCIA
En Septiembre 17 del 2004, WEG México continúa sus operaciones en una planta nueva ubicada en Huhuetoca, Estado de México.
En su fase inicial esta planta tiene 2 naves industriales con una superficie de 20 000m2 cada una, se preveé en la primera etapa de crecimiento pasar de 200 empleados a 400.
La nueva planta producirá:
Motores monofásicos: 250 000 anualesMotores trifásicos en baja tensión de 1 a 500hp: 100 000 anualesMotores trifásicos en media tensión hasta 5000hp y 4,1kV: 600 anualesGeneradores síncronos desde 21kVA hasta 600kVA: 850 anualesArrancadores a Tensión Reducida*: 500 anuales
Así mismo contará con laboratorios de:
Motores monofásicosMotores trifásicos en baja y media tensiónMetrología e instrumentación
*Convencionales y electrónicos (sofstarters)
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INVERSORES DE FRECUENCIA
Continuando con la comercialización de:
- Motores de Alta Tensión-Transformadores (Potencia, distribución, reactores, etc.)- Accionamientos (contactores, arrancadores, interruptores, etc.)- Equipo de control (Sofstarters, Drives)- Pinturas, Barnices y Resinas
Incrementando su infraestructura para satisfacer las necesidades del mercado de motoresEspeciales, tanto a nivel local como a nivel exportación.
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INVERSORES DE FRECUENCIA
Los motores de inducción tipo jaula de ardilla son los motores eléctricos más populares y utilizados dentro del ámbito industrial y doméstico.
Tradicionalmente a este tipo de motor eléctrico se le ha considerado como “caballos de batalla”y son empleados en un sinúmero de aplicaciones.
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INVERSORES DE FRECUENCIA
Su gran posicionamiento en los mercados lo han ganado gracias a que ofrecen:
-Una alta eficiencia en el proceso de conversión de energía electromecánica-Un bajo costo de mantenimiento-Una excelente relación entre tamaño de armazón y potencia útil de salida-Una vida útil de operación adecuada-Una gran facilidad de adaptación a aplicaciones especiales-Un razonable precio de venta
Solo presentaban hasta hace algunos años dos características que en algunas aplicaciones los dejaban en desventaja frente a otros tipos de motores eléctricos:
-Su comportamiento al arranque-Su control de velocidad
Sin embargo, ahora con la aplicación de los inversores de frecuencia, ambas características hansido controladas
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INVERSORES DE FRECUENCIA
El advenimiento de los inversores de frecuencia probocó en un inicio que se realizaran inversionesen investigaciones para desarrollar motores para “uso con inversores”.
No fueron pocos los esfuerzos, así mismo dentro de estas investigaciones se tuvieron algunoséxitos, pero también muchos fracasos.
Después de estas investigaciones se concluyó que era más rentable adaptar al motor estándarde uso general para ser utilizados con inversores de frecuencia que tener una línea deproducción especializada en motores para “uso con inversores”.
Salvo en aplicaciones muy especiales se puede afirmar que el motor de uso general ha respondidoadecuadamente a las exigencias de los inversores sin necesidad de alteraciones en su fabricación.
Lo anterior y la popularidad cada día más creciente del uso de inversores ha hecho que el motorde inducción tipo jaula de uso general, siga posicionándose cada día más en los mercadosindustrial y doméstico.
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INVERSORES DE FRECUENCIA
Más aún, gracias a su construcción física, el motor de inducción con rotor tipo jaula, tiene un excelente comportamiento dinámico, el cual puede ser utilizado cuando se requieraarranques y paros contínuos, reversiones, control de velocidad, etc.
Lo anterior debido a que poseé un rotor con baja inercia, libre de conmutador, anillos rozantesy escobillas, una gran rigidéz, y un control desde el diseño de la inductancia y resistencia.
Estas características no habían sido explotadas al máximo sino hasta el desarrollo del control vectorial.
Por todo esto se puede afirmar que el motor de inducción tipo jaula junto con los inversoresde frecuencia representan una excelente alternativa de reemplazo contra los sistemastradicionales como puede ser el motor de CD y el motor de inducción con rotor devanado.
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INVERSORES DE FRECUENCIA
PRINCIPIOS BÁSICOS DEOPERACIÓN DEL MOTOR DE
INDUCCIÓN
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INVERSORES DE FRECUENCIA
DEFINICIÓN DEL MOTOR DE INDUCCIÓN: Máquina eléctrica queconvierte energía eléctrica en energía mecánica
WenWsal
Wper
Wen = Energía de entrada en forma eléctricaWsal = Energía de salida en forma mecánicaWper = Energía perdida durante el proceso en forma de calor
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INVERSORES DE FRECUENCIA
PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA:
“LA ENERGÍA NO SE CREA NI SE DESTRUYE, SOLO SE TRANSFORMA”
Este enunciado puede ser expresado:
Wen = Wsal + Wper
La energía eléctrica que entra es igual a la energía mecánica que sale másLas pérdidas que ocurren durante el proceso
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INVERSORES DE FRECUENCIA
WenWsal
Wper
DENTRO DEL MOTOR EXISTE UN SISTEMA QUE CONVIERTELA ENERGÍA ELÉCTRICA EN
MECÁNICA
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INVERSORES DE FRECUENCIA
COMPONENTES DEL SISTEMA DE CONVERSIÓNDE ENERGÍA ELÉCTRICA ENMECÁNICA
ESTATOR:1. NÚCLEO (ACERO)2. BOBINAS
ROTOR:1. NÚCLEO (ACERO)2. JAULA*
*LA JAULA DE ARDILLA ES EL DEVANADO DEL ROTOR, ESTE DEVANADO ESTÁ EN CORTOCIRCUITO PERMANENTEMENTE Y EN MOTORES CHICOS EN COMUNMENTEFABRICADO EN INYECCIÓN DE ALUMINIO SOBRE EL NÚCELO DE ROTORDIRECTAMENTE
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INVERSORES DE FRECUENCIA
Partes constitutivas de un motor de inducción tipo jaula TCCV
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INVERSORES DE FRECUENCIA
MOTOR DE USO GENERAL:
De acuerdo a NEMA MG 1, 2003; un motor de uso general es el correspondiente al motor Diseño B y que cumple con:
Parámetro Símbolo Apartado/valor Tolerancia
Par de arranque TARR 12.38.1 Mín
Par mínimo TMIN 12.40.1 Mín
Par máximo TMAX 12.39.1 Mín
Corriente de arranque IARR 12.35.1 Máx
Deslizamiento s 5% Máx
Eficiencia 12.60 12.59.2
Momento de inercia wk2 12.55.1
Aislamiento F (155ºC)
Factor de servicio f.s. 1,15
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INVERSORES DE FRECUENCIA
CURVA PAR-CORRIENTE V.S. DESLIZAMIENTO DE MOTOR DISEÑO NEMA B
I/In T/Tn
00
1
2
1
2
3
4
5
6
s
1 0,5 0
Tarr(LRT)
Tmin
Tmáx
Iarr(LRC)
In(FLA)
Tn
Iosn
NOMENCLATURA
T = ParTn = Par nominalTarr = Par arranque a rotor
bloqueadoTarro = Par de arranque en
vacíoTmin = Par mínimoTmáx = Par máximoI = CorrienteIn = Corriente nominalIarr = Corriente arranqueIo = Corriente vacíos = deslizamientosn = deslizamiento nominal
Tarro
Condición nominal (de placa de operación)
I/In T/Tn
00
1
2
1
2
3
4
5
6
s
1 0,5 0
Tarr(LRT)
Tmin
Tmáx
Iarr(LRC)
In(FLA)
Tn
Iosn
NOMENCLATURA
T = ParTn = Par nominalTarr = Par arranque a rotor
bloqueadoTarro = Par de arranque en
vacíoTmin = Par mínimoTmáx = Par máximoI = CorrienteIn = Corriente nominalIarr = Corriente arranqueIo = Corriente vacíos = deslizamientosn = deslizamiento nominal
Tarro
Condición nominal (de placa de operación)
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INVERSORES DE FRECUENCIA
MOTORES DE EFICIENCIAALTA
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INVERSORES DE FRECUENCIA
WenWsal
Wper
Wen = Energía de entrada en forma eléctricaWsal = Energía de salida en forma mecánicaWper = Energía perdida durante el proceso en forma de calor
DEFINICIÓN DEL MOTOR DE INDUCCIÓN: Máquina eléctrica queconvierte energía eléctrica en energía mecánica
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INVERSORES DE FRECUENCIA
DEFINICIÓN DE EFICIENCIA
Eficiencia = Potencia de salida / Potencia de entrada
Potencia de entrada = Potencia de salida + Pérdidas
Eficiencia = Potencia de salida / ( Potencia de salida + Pérdidas )
= Psal / ( Psal + Perd)
De esta definición se deduce que las pérdidas y la eficienciatienen una relación inversa.
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INVERSORES DE FRECUENCIA
Las pérdidas en el motor se clasifican en:
1. FIJAS: No dependen del punto de carga de operación del motor.
2. VARIABLES: Si dependen del punto de carga de operación del motor.
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INVERSORES DE FRECUENCIA
Las pérdidas en le motor se clasifican en:
1. FIJAS: 1.1. Pérdidas mecánicas: - Fricción- Ventilación
1.2. Pérdidas magnéticas: - Histéresis- Corrientes Parásitas
2. VARIABLES: 2.1. Pérdidas en el estator2.2. Pérdidas en el rotor2.3. Pérdidas indeterminadas
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INVERSORES DE FRECUENCIA
% DE PERDIDAS* TÍPICAS EN UN MOTOR DE 100HP4 POLOS EFICIENCIA ALTA, TOTALMENTE CERRADO
Pérdidas mecánicas 0,33 kW 7,97 %Pérdidas núcleo 0,74 kW 17,87 %Pérdidas en estator 1,29 kW 31,16 %Pérdidas en rotor 1,41 kW 34,06 %Pérdidas indeterminadas 0,37 kW 8,94%
Total 4,14 kW 100,0 %
*De pruebas de laboratorio
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INVERSORES DE FRECUENCIA
Potencia de salida 74,60 kWTotal de pérdidas 4,14 kW
Eficiencia = ( 74,60 / ( 74,60 + 4,14 ) ) ( 100 ) = 94,74 %
= 94,74 %
% DE PERDIDAS* TÍPICAS EN UN MOTOR DE 100HP4 POLOS EFICIENCIA ALTA, TOTALMENTE CERRADO
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INVERSORES DE FRECUENCIA
PORCENTAJES TÍPICOS DE PERDIDAS EN LALITERATURA ESPECIALIZADA
Tipo de pérdida Prueba Docto 1 Docto2(1999) (1995) (1994)
Pérdidas mecánicas 7,97 % 6,72 % 24 %Pérdidas núcleo 17,87 % 25,37 % 29 %Pérdidas en estator 31,16 % 47,26 % 20 %Pérdidas en rotor 34,06 % 18,66 % 21 %Pérdidas indeterminadas 8,94 % 1,99 % 6 %
Total 100 % 100 % 100 %
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INVERSORES DE FRECUENCIA
POTENCIA Polos2 4 6
kW HP nom nom nom0,746 1,0 75,5 82,5 80,01,1 1,5 82,5 84,0 85,51,5 2,0 84,0 84,0 86,52,2 3,0 85,5 87,5 87,53,7 5,0 87,5 87,5 87,55,6 7,5 88,5 89,5 89,57,5 10 89,5 89,5 89,511,2 15 90,2 91,0 90,215 20 90,2 91,0 90,218,6 25 91,0 92,4 91,722 30 91,0 92,4 91,730 40 91,7 93,0 93,037 50 92,4 93,0 93,044 60 93,0 93,6 93,655 75 93,0 94,1 93,675 100 93,6 94,5 94,193 125 94,5 94,5 94,1111 150 94,5 95,0 95,0150 200 95,0 95,0 95,0
Tabla de eficiencias para motores TCCVEde la NOM-016-2002
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INVERSORES DE FRECUENCIA
COMPARACION DE RESULTADOS V.S. LA NOM-016
Para el motor de 75kW (100HP):
Eficiencia obtenida de laboratorio: 94,7 %Eficiencia nominal de la NOM: 94,5 %Eficiencia mínima asociada (NOM):93,6 %
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INVERSORES DE FRECUENCIA
1. Para motores trifásicos:
NOM-016-ENER-2002; Eficiencia energética de motores de corriente alterna trifásicos, de inducción, tipo jaula de ardilla, de uso general en potencia nominal de 0,746 a 373 kW. Límites, métodos de prueba y marcado.
Publicada en el DOF el 13/ene/03En vigor desde abr/03
2. Para motores monofásicos:
NOM-014-ENER-1997; Eficiencia energética de motores de corriente alterna monofásicos, de inducción, tipo jaula de ardilla, de uso general en potencia nominal de 0,180 a 1,500 kW. Límites, métodos de prueba y marcado.
Publicada en el DOF el 04/feb/97En vigor desde ago/99
DETERMINACION DE LA EFICIENCIA(Método de prueba)
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INVERSORES DE FRECUENCIA
DETERMINACION DE LA EFICIENCIA(Método de prueba)
Pasos en la prueba de eficiencia energética:
a. Medición de resistencia en fríob. Prueba de estabilidad térmicac. Determinación de incremento de temperaturad. Prueba a diferentes cargas ( 150% - 25% )e. Determinación de corrección de dinamómetrof. Prueba sin carga a diferentes tensiones ( 150% - 50% )
Otras pruebas desarrolladas en el laboratorio:
g. Prueba a rotor bloqueado y tensión reducidah. Prueba de arranque a tensión plenai. Curva de par-corriente v.s. deslizamiento (velocidad)j. Vibraciónk. Medición de ruido
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INVERSORES DE FRECUENCIA
DETERMINACION DE LA EFICIENCIA(Método de prueba)
Documentos internacionales:
1. IEEE STD 112-2001, Standard test procedure for polyphase inductionmotors and generators
2. ANSI/IEEE STD 114-1982, Test procedure for single-phase inductionmotors
3. CSA 390-98, Energy Efficiency test methods for three-phase inductionmotors
4. NEMA MG-1/2003, Part 12, Motors and Generators
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INVERSORES DE FRECUENCIA
FACTORES QUE INFLUYEN EN EL NIVEL DE PERDIDAS
PÉRDIDAS
Selección(aplicación)
Diseño
Proceso defabricación
Alimentacióneléctrica
Instalaciónmecánica
Instalacióneléctrica
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INVERSORES DE FRECUENCIA
1. DISEÑO:
a. Acero Eléctrico:- Volumen- Permeabilidad magnética- Diseño de ranuras
b. Bobinados: - Factor de devanado- Factor de relleno
c. Mecánico: - Rodamientos y lubricación- Ventilador- Transferencia de calor- Disipación térmica
FACTORES QUE INFLUYEN EN EL NIVEL DE PERDIDAS
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INVERSORES DE FRECUENCIA
2. PROCESO DE FABRICACION:
a. Automatización de procesosb. Control de Calidadc. Precisión de maquinadosd. Fundicióne. Balanceof. Materia Prima
FACTORES QUE INFLUYEN EN EL NIVEL DE PÉRDIDAS
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INVERSORES DE FRECUENCIA
3. ALIMENTACION ELECTRICA:
a. Calidad en la señalb. Tensiónc. Frecuencia
FACTORES QUE INFLUYEN EN EL NIVEL DE PÉRDIDAS
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INVERSORES DE FRECUENCIA
4. INSTALACION MECANICA:
a. Acoplamientos (ajustes)b. Tensión en bandasc. Sujeción mecánicad. Alineacióne. Ventilación
FACTORES QUE INFLUYEN EN EL NIVEL DE PÉRDIDAS
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INVERSORES DE FRECUENCIA
5. INSTALACION ELECTRICA:
a. Conexión eléctricab. Tierras
FACTORES QUE INFLUYEN EN EL NIVEL DE PÉRDIDAS
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INVERSORES DE FRECUENCIA
6. SELECCION:
a. Nivel de cargab. Tipo de operaciónc. Temperatura ambiented. Altitud
FACTORES QUE INFLUYEN EN EL NIVEL DE PÉRDIDAS
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INVERSORES DE FRECUENCIA
El promedio de la eficiencia de un lote de producción deberá reportar el valor de eficiencia nominal, y una muestra probada en el laboratorio deberá al menos cumplir con el valor mínimo asociado
94,5%
93,6%
Eficiencia()
Muestras del lote A
nom
minasoc
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INVERSORES DE FRECUENCIA
COMPARACIÓN ENTRE DISPOSITIVOS
20
40
60
80
100
0compresor motor
Dieselmotorautomóvil
motor75kWef std
motor75kWef alta
Eficiencia
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INVERSORES DE FRECUENCIA
1. Motores de uso definido o especial2. Motores de alto par de arranque3. Motores de 2 o más velocidades4. Motores de más de 8 polos5. Motores menores a 0,746 kW (1HP)6. Motores superiores a 373 kW (500HP)
QUE MOTORES NO DEBEN CUMPLIR CON LA NOM
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INVERSORES DE FRECUENCIA
1. Instalaciones nuevas2. En la compra de equipo nuevo como: bombas
compresores, ventiladores, etc...3. En el reemplazo de equipo viejo y en mal estado4. En lugar de reembobinar5. Como parte de un programa de ahorro de
eficiencia energética
CUANDO SE JUSTIFICA UN MOTOR DE AE
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INVERSORES DE FRECUENCIA
1. Cargas con operación continua2. Nivel de tensión de acuerdo a placa 3. Tensión balanceada4. Acoplamiento e instalación mecánica correcta5. Buena ventilación6. Instalación eléctrica correcta7. Nivel de carga mecánica entre 85% y 100%8. Mantenimiento de rodamientos
COMO APROVECHAR AL MAXIMO LA AE
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INVERSORES DE FRECUENCIA
1. Motor + Inversor de frecuencia2. Motores Hi-output 3. Arranque Y-D
OTRAS ALTERNATIVAS PARA AHORRO DEENERGIA ELECTRICA
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INVERSORES DE FRECUENCIA
INVERSORES DE FRECUENCIA(conceptos básicos)
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INVERSORES DE FRECUENCIA
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INVERSORES DE FRECUENCIA
DEFINICIÓN DEL INVERSOR DE FRECUENCIA: Dispositivo cuya funciónes la de controlar la velocidad y par del motor a través de la transformación
de tensión y frecuencia fijas de la red de alimentación en tensión yfrecuencia variables
Tensión y frecuencia fijas
Tensión y frecuenciavariablesInversor
MotorCarga
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INVERSORES DE FRECUENCIA
M3~CA/CD Filtro
CD/CA
Sensor de velocidadUnidad de control(mando)
Alimentación senoidaltrifásica
CONFIGURACIÓN GENERAL DE UN INVERSOR DE FRECUENCIA (DRIVE)
Voltaje fijoy frecuencia fija
Voltaje variablefrecuencia variable
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INVERSORES DE FRECUENCIA
Modulación de amplitud de voltaje de salida en una onda PWM
FundamentalFundamental
RMS
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INVERSORES DE FRECUENCIA
Onda fundamental
U
-U
0 2t
u1u2 u3
U/2
U/2
U
u1
u2
u3
i1
Pulsos
Corriente
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INVERSORES DE FRECUENCIA
CONTROL DE PAR
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INVERSORES DE FRECUENCIA
DESLIZAMIENTOS
PART/TN
TMAX
TMIN
TARR
IARR
TN
S=1 S=0SN
Control de par
A través del control depar se logra una mayorpresición en el controlde la velocidad
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INVERSORES DE FRECUENCIA
VELOCIDAD:
p)s1(f120
n 1
DONDE: n = velocidad (min-1)f1 = frecuencia de la red (Hz)s = deslizamiento (pu)p = número de polos
1
1m
2m
fV
IT
DONDE: T = Par mecánico (Nm)m = flujo de magnetización (Wb)I2 = corriente del rotor (A)V1 = Tensión de alimentación en estator (V)
PAR Y FLUJO:
OPORTUNIDADES PARA EL AHORRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA A TRAVÉS DEL USO DE MOTORES DE EFICIENCIA ALTA E
INVERSORES DE FRECUENCIA
Tensión (V)
Par (Nm)
Potencia (kW)
frecuencia (Hz)
frecuencia (Hz)
frecuencia (Hz)
Vn
Tn
Pn
Curvas de salida del motor alimentado con inversor de frecuencia
fn
fn
fn
Parconstante
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INVERSORES DE FRECUENCIA
APLICACIONES DE PAR CONSTANTE
-LAMINADORAS-INDUSTRIA DEL PAPEL-INDUSTRIA CEMENTERA-TRANSPORTADORAS-GRÚAS-ELEVADORES
APLICACIONES DE PAR VARIABLE
-BOMBAS CENTRÍFUGAS-VENTILADORES-COMPRESORES
T/Tn
2
1
0 s1 0,5 0
Tacel
Tcarga
Tmáx
Tarr
T/Tn
2
1
0 s1 0,5 0
Tacel
Tcarga
Tmáx
Tarr
T/Tn
2
1
0 s1 0,5 0
Tacel
Tmáx
Tarr
T/Tn
2
1
0 s1 0,5 0
Tacel
Tcarga
Tmáx
Tarr
Carga constante Aceleración lineal
Aceleración cuadrática Volante de inercia
T/Tn
2
1
0 s1 0,5 0
Tacel
Tcarga
Tmáx
Tarr
T/Tn
2
1
0 s1 0,5 0
Tacel
Tcarga
Tmáx
Tarr
T/Tn
2
1
0 s1 0,5 0
Tacel
Tcarga
Tmáx
Tarr
T/Tn
2
1
0 s1 0,5 0
Tacel
Tcarga
Tmáx
Tarr
T/Tn
2
1
0 s1 0,5 0
Tacel
Tmáx
Tarr
T/Tn
2
1
0 s1 0,5 0
Tacel
Tmáx
Tarr
T/Tn
2
1
0 s1 0,5 0
Tacel
Tcarga
Tmáx
Tarr
T/Tn
2
1
0 s1 0,5 0
Tacel
Tcarga
Tmáx
Tarr
Carga constante Aceleración lineal
Aceleración cuadrática Volante de inercia
OPORTUNIDADES PARA EL AHORRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA A TRAVÉS DEL USO DE MOTORES DE EFICIENCIA ALTA E
INVERSORES DE FRECUENCIA
ASPECTOS PRÁCTICOS EN LAAPLICACIÓN DE INVERSORES
Y MOTORES
OPORTUNIDADES PARA EL AHORRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA A TRAVÉS DEL USO DE MOTORES DE EFICIENCIA ALTA E
INVERSORES DE FRECUENCIA
Cuando un motor es operado por un inversor de frecuencia, existen algunos fenómenos inherentes que deben considerarse, ya sea para limitarlos o controlarlos.
Cada fabricante de motores tiene alternativas propias de acuerdo a su experiencia einvestigaciones que ayudan al Ingeniero Proyectista a lograr una buena selección enla aplicación de motores con inversores.
WEG México recomienda no descuidar estos aspectos para garantizar una mejor operación de los equipos, y pone a disposíción de sus clientes el apoyo de su departamento de Asistencia Técnica para tal efecto.
FENÓMENOS INHERENTES A LA OPERACIÓN DE MOTORES CON INVERSORES DE FRECUENCIA
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INVERSORES DE FRECUENCIA
ELEMENTOS CONSIDERADOS EN EL ESTUDIO DE MOTORES PARA SER USADOS POR INVERSORES DE FRECUENCIA
1. SISTEMA DE AISLAMIENTO (SOBRE TENSIONES)2. SISTEMA DE AISLAMIENTO (ARMÓNICOS)3. CORRIENTE EN RODAMIENTOS4. LÍMITES DE VELOCIDAD MÁXIMOS RECOMENDADOS5. PAR/POTENCIA CONSTANTE6. REFRIGERACIÓN (BAJAS VELOCIDADES)7. INSTALACIÓN ELÉCTRICA8. AHORRO EN EL CONSUMO DE ENERGÍA
OPORTUNIDADES PARA EL AHORRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA A TRAVÉS DEL USO DE MOTORES DE EFICIENCIA ALTA E
INVERSORES DE FRECUENCIA
1. SISTEMAS DE AISLAMIENTO - SOBRETENSIÓN:
Cuando el inversor es utilizado en conjunto con el motor, los pulsos de la señal en combinación con la impedancia en las terminales del motor son causa de sobretensiones, estas sobretensiones pueden ser repetitivas de tal manera que dañen el sistema de aislamiento del motor, siendo la parte másvulnerable el iniciode las bobinas.
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INVERSORES DE FRECUENCIA
PARA MOTORES HASTA 460V E INCLUSO, NO SE REQUIERE DEL USO DE FILTROS BAJO LAS SIGUIENTES CONDICIONES:
Rise time del inversor: tr ≥ 0,1 s*
Máxima tensión pico: VPICO ≤ 3,1 VNOM
Mínimo tiempo entre pulsos consecutivos: tmtep ≥ 6s*
Máxima frecuencia de conmutación: 5kHz
Máxima dv/dt (a la salida del inversor): dV/dt ≤ 5200 [V/s]
4602
4520460280 ,,V
100%
90%
10%
VPICO
t Rise time=0,1s
s
V,,
tV
dtdV
5204104520
Tensión
*información del fabricante
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INVERSORES DE FRECUENCIA
En la operación de motores con inversores de frecuencia, los criterios adoptados porNEMA para evitar una posible degradación del sistema de aislamiento son:
NEMA MG1, 1998, parte 30: Motores de uso general usados con Inversores:
Para tensión 600VVpico 1 kVRise Time (tr) 2 s
Para tensión 600VVpico (2,04)(Vnom)Rise Time (tr) 1 s
NEMA MG1, 1998, parte 31: Motores de uso específico usados con Inversores:
Para tensión 600VVpico (3,1)(Vnom)Rise Time (tr) 0,1 s
Para tensión 600VVpico (2,04)(Vnom)Rise Time (tr) 1 s
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INVERSORES DE FRECUENCIA
2. SISTEMAS DE AISLAMIENTO - ARMÓNICOS:
Debido al tipo de señales que se manejan con la alimentación por inversores de frecuencia, se generan armónicos que influyen en la operación del motor, algunos de los efectos son:
a. Aumento en la temperatura de operación
b. Aumento en el nivel de ruido
c. Aumento en la vibración
d. Aumento en la pérdidas
e. Disminución de la eficiencia
OPORTUNIDADES PARA EL AHORRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA A TRAVÉS DEL USO DE MOTORES DE EFICIENCIA ALTA E
INVERSORES DE FRECUENCIA
TAMB=40°C
CLASE F:155°C
T=80°C
T (°C)2.a AUMENTO EN LA TEMPERATURADURANTE LA OPERACIÓN
ALIMENTACIÓN SENOIDAL:
F.S. = 1.15T = 80°CAISLAMIENTO CLASE F
INVERSOR DE FRECUENCIA:
F.S. = 1.0T = 115°CAISLAMIENTO CLASE F
T =35°C
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INVERSORES DE FRECUENCIA
2.b NIVEL DE RUIDO:
El ruido en un motor se puede definir como “una energía mecánica radiante la cual viaja en formapresurizada a través del aire”.
En un motor existen 3 fuentes principales de ruido:
1. Ventilador2. Rodamientos3. Magnético; zumbido debido a la excitación magnética en el núcleo
Esta última causa está presente cuando el motor es alimentado con ondas senoidales, ya que elestator presenta una vibración en las láminas que forman su núcleo de 60 veces por segundo; Cuando la alimentación es con inversores, la señal de alta frecuencia aumenta este nivel de vibración incrementando el ruido magnético.
Generalmente este incremento se ve reflejado en la banda A; La siguiente tabla muestra algunas mediciones de laboratorio registradas y comparadas entre el ruido de motores estándar alser alimentados con señales senoidales y con inversor de frecuencia.
OPORTUNIDADES PARA EL AHORRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA A TRAVÉS DEL USO DE MOTORES DE EFICIENCIA ALTA E
INVERSORES DE FRECUENCIA
Como en la misma tabla se puede ver, no existe una regla general que se aplique sobre elincremento en el ruido, ya que mucho dependerá de la compresión que el núcleo magnéticotenga durante su fabricación.
Nivel de presión sonora medio [dB(A)]
Motor
Frecuencia de conmutación Alimentació
n senoidal (60Hz)
Límite de norma
(IEC 34/9)2,5 kHz 5,0 kHz
20hp 71,4 73,2 68,4 75
30hp 74,1 73,4 72,7 75
50hp 75,6 75,9 74,7 78
75hp 78,7 75,4 75,3 82
100hp 79,7 75,9 75,7 84
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INVERSORES DE FRECUENCIA
2.c NIVEL DE VIBRACIÓN:
La vibración también se ve incrementada al momento de alimentar a los motores con inversores de frecuencia, un estudio de laboratorio hecho sobre un motor de 20hp, 4p, 60Hz, armazón 256Tarrojó los siguientes resultados:
Mediciones de vibración hechas de acuerdo a IEC 34-14:
1
3
2
5
4
6
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INVERSORES DE FRECUENCIA
Vibración (mm/s)
HzConmutació
n (kHz)
Punto de mediciónIEC 34-14
1 2 3 4 5
102,5 0,50 0,45 0,15 0,30 0,30
2,80
5,0 0,60 0,25 0,15 0,40 0,15
302,5 1,40 1,10 0,60 0,90 0,80
5,0 1,30 0,95 0,55 0,90 0,95
502,5 0,95 1,25 0,55 0,45 0,60
5,0 0,85 1,20 0,40 0,40 0,60
60
2,5 0,95 1,10 0,70 0,40 0,60
5,0 0,95 1,15 0,50 0,45 0,40
Red senoidal
0,90 1,10 0,40 0,30 0,35
802,5 1,00 1,10 0,40 0,30 0,35
5,0 1,00 1,20 0,40 0,35 0,35
1002,5 1,20 1,30 0,45 0,40 0,45
5,0 1,30 1,40 0,45 0,40 0,45
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INVERSORES DE FRECUENCIA
DEFINICION DE EFICIENCIA
Eficiencia = Potencia de salida / Potencia de entrada
Potencia de entrada = Potencia de salida + Pérdidas
Eficiencia = Potencia de salida / ( Potencia de salida + Pérdidas )
2. d y e AUMENTO DE PÉRDIDAS Y DISMINUCIÓN DE EFICIENCIA
=Psal
Psal + Perd
De esta definición se deduce que las pérdidas y la eficiencia tienen una relación inversa.
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INVERSORES DE FRECUENCIA
Las pérdidas en el motor se clasifican en:
TipoCaracterístic
asClasificación Origen/causa
FijasNo dependen
de la carga del motor
MecánicasFricción
Ventilación
Magnéticas (núcleo)
Histéresis
Corrientes Parásitas
VariablesSí dependen
de la carga del motor
Estator Efecto Joule
Rotor Efecto Joule
Indeterminadas
Flujo de fuga
Irregularidades en láminas
etc.
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INVERSORES DE FRECUENCIA
El tipo de señal utilizada por los inversores de frecuencia, trae consigo una influencia en todas las pérdidas del motor, dando como consecuencia una disminución en el nivel de eficiencia.
Hasta el momento la cuantificación del incremento en cada tipo de pérdida es un proceso complicado, sin embargo analizando tres muestras de laboratorio:
Potencia (hp)
Polos a carga plena y 60Hz
Senoidal Inversor
15 4 87,69% 85,60%
40 4 91,70% 86,00%
75 4 92,68% 91,40%
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INVERSORES DE FRECUENCIA
3. CORRIENTE EN RODAMIENTOS:
Son corrientes eléctricas inducidas en la flecha del motor y descargadas a través de los rodamientos, y básicamente se clasifican en:
a) Deflujo homoplar: Debidas a un flujo magnético inducido desde el centro de la flecha y retorna a través de la carcaza. Estas corrientes son de intensidad baja y normalmente su efecto es despreciable.
b) De flujo enlazado en la flecha (flujo de penetración): Son más comunes y de mayor intensidad que las anteriores, su efecto es importante sobre el rodamiento.
OPORTUNIDADES PARA EL AHORRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA A TRAVÉS DEL USO DE MOTORES DE EFICIENCIA ALTA E
INVERSORES DE FRECUENCIA
Dentro de las principales causas que originan estas corrientes están:
a) Cuando los rodamientos conducen corriente eléctrica.b) Cuando la máquina tiene una autoinducción; Básicamente las tensiones eléctricas en la
flecha son producidas debido a una distribución asimétrica en el flujo magnético.c) Cuando existen tensiones eléctricas creadas por cargas electrostáticas; La flecha, aislada
por la película lubricante en el rodamiento, es cargada eléctricamente hasta que el voltajees suficientemente grande para romper la película lubricante. Las corrientes eléctricasfluyen instantaneamente a través del rodamiento y se presenta una caída de tensión,este ciclo es repetido una y otra vez.
Cuando los motores son operados con inversores de frecuencia la causa b) es el principalorigen de esta corrientes.
Dependiendo de la cantidad de densidad de corriente presente será la intensidad del daño enrodamientos, se considera que densidades de corriente superiores a 2,1 A/mm2 son suficientescomo para provocar daño en rodamientos en menos de 1000 hrs. de trabajo contínuo.
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INVERSORES DE FRECUENCIA
Los daños en rodamientos debido a estas corrientes se manifiestan:
a) En forma de cráteres, estos son más comunes en rodamientos de bolas y estos cráteresse presentan sobretodo en la parte interior de la pista exterior y sobre la superficiede la bola
b) En forma de flautas, estos aunque son más comunes en rodamientos de rodillos, tambiénse manifiestan en los rodamientos de bolas cuando el tamaño de cráter permite un movimiento giroscópico de la bola y con el tiempo va formando el canal o flauta.
En ambos casos se tiene una contribución importante de parte del rodamiento al aumento delruido en la operación del motor.
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INVERSORES DE FRECUENCIA
4. LÍMITES DE VELOCIDAD MÁXIMOS RECOMENDADOS :
Dependiendo de la construcción de cada motor existe un límite de velocidad que no se recomienda sobrepasar para cada motor, en caso de tener una aplicación donde se deba rebasar este límte es necesario consultarlo con el departamento de Asistencia Técnica.
Potencia (CP)
Velocidad límite (min-1) motores TCCV/diseño a 60Hz
2 polos 4 polos 6 polos
1 7200 3600 2400
1,5 7200 3600 2400
2 7200 3600 2400
3 7200 3600 2400
5 7200 3600 2400
7,5 5400 3600 2400
10 5400 3600 2400
15 5400 3600 2400
20 5400 3600 2400
25 5400 2700 2400
30 5400 2700 2400
40 4500 2700 2400
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INVERSORES DE FRECUENCIA
La tabla anterior es un ejemplo de altas velocidades de operación máximas admisiblespara motores WEG y que deben considerar:
1. La tabla aplica a motores Eficiencia Premium de fabricación estándar, diseño NEMA B.2. Se puede tener una tolerancia respecto a las velocidades de la tabla en un +10% por un
tiempo de 2 minutos.3. Los motores pueden mantener una potencia constante hasta 90Hz1).4. En algunas aplicaciones puede ser necesario un balanceo más preciso1).5. El ruido en el rango de velocidades de la tabla puede ser mayor al especificado por NEMA2).6. La vida útil de los rodamientos puede verse disminuida en este rango de velocidades.7. Para velocidades y potencias no enlistadas favor de contactar con el departamento de
Asistencia Técnica.8. Para aplicaciones con cargas radiales severas o irregulares, se recomienda verificar el
tamaño del rodamiento, así como la grasa empleada.
1)Para condiciones de operación especiales se recomienda contactar con el departamento de Asistencia Técnica2)El aumento en el nivel de ruido tiene 2 componentes básicos: armónicos y ventilador
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INVERSORES DE FRECUENCIA
5. PAR/POTENCIA CONSTANTE:
Cuando un motor es especificado 4:1, esto significa que el motor puede trabajar en un rango de1/4, 2/4, 3/4 y 4/4 de su frecuencia nominal a par o potencia nominal constante para cada valor de frecuencia manteniendo el incremento de temperatura.
Así por ejemplo, un motor de 20CP, 4polos especificado 4:1, con los siguientes datos de placa:
Potencia: 20hppolos 4Tensión: 460VFrecuencia: 60HzVelocidad nominal: 1760 min-1
Par nominal: 80,95 Nm
Deberá poder mantener el par de 80,95 Nm a 15Hz, 30Hz, 45Hz y 60Hz alimentado por uninversor con fs=1,0 y T=115°C para cada punto de frecuencia.
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INVERSORES DE FRECUENCIA
Comercialmente los motores para ser usados por inversores son especificados en las siguientesrelaciones en Par constante:
4:1 (15Hz, 30Hz, 45Hz y 60Hz)10:1 (6Hz, 12Hz, 18Hz, 24Hz, 30Hz, 36Hz, 42Hz, 48Hz, 54Hz y 60Hz)1000:1 (desde 0,06Hz)
Lo mismo sucede para la Potencia constante a las mismas relaciones de frecuencia.
Para el caso de motores 1000:1 estos motores son suministrados con refrigeración forzada yen la mayoría de los casos se suministran en el armazón correspondiente a la siguiente potenciaestandarizada, esto es: Un motor de 25CP, 4p que normalmente se fabrica en armazón 284T, enrefrigeración forzada se suministrará en un armazón tamaño 286T.
OPORTUNIDADES PARA EL AHORRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA A TRAVÉS DEL USO DE MOTORES DE EFICIENCIA ALTA E
INVERSORES DE FRECUENCIA
6. REFRIGERACIÓN (BAJAS VELOCIDADES):
Como hasta el momento se ha expuesto, el incremento de temperatura por la operación delmotor con inversor de frecuencia, así como la operación en bajas frecuencias, hace que paraalgunas aplicaciones sea necesario la refrigeración forzada.
Sin embargo cuando el proyecto no requiera de motores con refrigeración forzada y seanutilizados motores de fabricación estándar, se recomienda tener algunas precauciones paraevitar un mal desempeño en su sistema de refrigeración propio:
1. Instalar los motores en lugares donde se permita una libre circulación de aire fresco2. No bloquear las rendijas de la cubierta del ventilador3. No exponer el motor a radiaciones de calor inecesarias4. Asegurar:
- Un buen acoplamiento mecánico con la carga (poleas, bandas, coples, etc.)- Una buena instalación eléctrica (conexión, aislamiento, tierras, etc.)- Un nivel de carga adecuada
Así mismo es posible tener un incremento en el nivel de ruido por fuentes electromagnéticas.
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INVERSORES DE FRECUENCIA
7. INSTALACIÓN ELÉCTRICA:
Es recomendable tener una instalación eléctrica de acuerdo a las normas NOM aplicables alcaso, así mismo verificar que:
1. Garantizar una buena puesta a tierra del inversor y motor2. No compartir el sistema de tierras con equipos que operen con corrientes elevadas3. No tener una distancia mayor a la recomendada por el fabricante entre motor e inversor4. Uso de filtros
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INVERSORES DE FRECUENCIA
8. AHORRO EN EL CONSUMO DE ENERGÍA:
Se pueden tener importantes ahorros en el consumo de energía eléctrica cuando se hace unaadecuada proyección del grupo motor-inversor.
Sobre todo cuando en el proceso se tenga variaciones en la carga, a través del control de parvelocidad se puede tener un buen rendimiento en la operación.
Ejemplos típicos son en aplicaciones de bombas de agua, refigeración y aire acondicionado, etc.
A continuación se expone un ejemplo sencillo de una aplicación enfocada a sustituir el controlde flujo de agua hecho por válvula y se propone el control por el inversor.
Es importante señalar que para poder hacer una buena proyección es necesario tener algúnfundamento de la aplicación en cuestión, para este caso en particular es recomendableun conocimiento básico de los conceptos manejados en bombas de agua y comportamientode la curva de operación del motor.
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INVERSORES DE FRECUENCIA
EJEMPLO DE SELECCIÓN
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INVERSORES DE FRECUENCIA
El trabajo desarrollado por la partícula al recorreruna distancia dl es:d = w · dl = w dl cos dy = dl cos por lo tanto:d = w dyd = W dyy el trabajo desarrollado durante la trayectoria A-B es:
A = W dy = W ( yA - yB ) = - W H B
El signo es negativo debido a lareferencia de ejes tomado
La potencia está dadapor: P = / t
posición A
posición B
H
yA
yB
y
peso w
peso w
dl
peso w
∫
OPORTUNIDADES PARA EL AHORRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA A TRAVÉS DEL USO DE MOTORES DE EFICIENCIA ALTA E
INVERSORES DE FRECUENCIA
POTENCIA TEÓRICA: Es la potencia transmitida a la bomba por el motor, para que esta produzca la carga necesaria
POTENCIA REAL: Es la potencia que se debe proporcionar a la bomba para que esta eleve el agua, esto implica que la bomba además de vencer el nivel H, a este se le deberá anexar el nivel h’ el cual constituye
a las perdidas por conducción
en forma matemática:
PT = Q H
PR = Q ( H + h’ )
sin embargo a esta potencia real se le deberá considerar la eficiencia de la bomba, la cual esta expresada por ’ e incluyéndola en la ecuación:
PR = Q ( H + h’ ) / ’
siendo esta ultima la potencia real requerida por la bomba y el sistema y con la cual el motor es elegido
PM = PR
donde: PM = Potencia del motor
OPORTUNIDADES PARA EL AHORRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA A TRAVÉS DEL USO DE MOTORES DE EFICIENCIA ALTA E
INVERSORES DE FRECUENCIA
con base a la ecuación de potencia:
P = / t
esta puede ser expresada en función a las características de un liquido cuyo gasto es:
Q = v / t
donde: v = volumen que pasa por un tubo en un tiempo t = peso especifico
la ecuación de potencia se puede transformar en:
P = Q H
finalmente se puede expresar:
Energía = Potencia por tiempo en horas trabajado
OPORTUNIDADES PARA EL AHORRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA A TRAVÉS DEL USO DE MOTORES DE EFICIENCIA ALTA E
INVERSORES DE FRECUENCIA
DETERMINACION DE CURVA Q-H PARA LA BOMBA Y EL SISTEMA
válvula
manómetro
bomba
agua
esquema general de pruebapara obtener la curva Q-H Q
H v1
v2
v3
v4
v1>v2>v3>v4
65%
65%
70%
70% 80%
85%
OPORTUNIDADES PARA EL AHORRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA A TRAVÉS DEL USO DE MOTORES DE EFICIENCIA ALTA E
INVERSORES DE FRECUENCIA
SITUACION: una bomba esta proyectada para trabajar 8 horas bajo las condiciones de gasto indicadas en la figura, analice el consumo de energía cuando el gasto es controlado por válvula y por inversor
H = 54 m
Q = 0,024 m3/slíquido:agua
b = 0,86
Velocidad de giro n = 3600 min-1
tiempo de uso = 8 hrs diarias
82 4 6 hrs
Q1
0,3
1
0,6
Condiciones de operación durante el día
OPORTUNIDADES PARA EL AHORRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA A TRAVÉS DEL USO DE MOTORES DE EFICIENCIA ALTA E
INVERSORES DE FRECUENCIA
Selección del motor adecuado para las condiciones descritas
Utilizando la ecuación de potencia real adecuada para unidades en ( kW )y calculando para Q = 0,024 m3/s (condición máxima de operación)
PR = Q ( H + h’ ) / ’ PR = ( 9,81 ) Q H / b ( kW )PR = ( 9,81 )( 0,024 )( 54 ) / ( 0,86 ) ( kW )PR = 14,78 ( kW )
como PR = PM
se requiere un motor de: 14,78 kW = 19,71 CP
se elige un motor de: 20 CP, 2 polos
H = 54 m
Q = 0,024 m3/slíquido:agua
b = 0,86Velocidad de giro n = 3600 min-1
tiempo de uso = 8 hrs diarias
OPORTUNIDADES PARA EL AHORRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA A TRAVÉS DEL USO DE MOTORES DE EFICIENCIA ALTA E
INVERSORES DE FRECUENCIA
Revisión del equipo seleccionado (arranque directo):
Datos del motor: 20 cp ( 15 kW ) Datos rodete: D = 250 mm3520 min-1 ancho = 23 mmcos = 0,90 peso = 5,15 kgI = 23,3 A Jr = 0,0402 kgm2
V = 460 V Datos bomba: potencia = 21 cp ( 15,7 kW )f = 60 Hz Tl = 4,245 kgmT = 40,5 Nm Tl = 41,65 NmTst = 200 % ( 81 Nm )Ist = 620 % ( 144,5 A )Tmax = 250 % ( 101,3 Nm )J = 0,11539 Kgm2
= 90,2 %
Jtotal = 0,0402+0,11539 = 0,15559 kg-m2
Tacc = ( 0,45 )( Tst + Tmax ) - ( 1/3 )( Tl )Tacc = ( 0,45 )( 81 + 101,3 ) - ( 1/3 )( 41,65 )Tacc = 68,15 Nm
tst = ( Jtotal ) ( k1 / Tacc )tst = ( 0,15562 ) ( 415 / 68,15 )tst = 0,95 s
CURVA DE PAR VELOCIDAD V.S. PAR DE LA CARGA
DESLIZAMIENTO “S” (p.u.)
PA
R “
T”
(p.u
.)
PAR NOMINAL
PAR DE LA CARGA
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INVERSORES DE FRECUENCIA
C lie n te : : W E G M é x ic oL ín e a d e p ro d u c to : W 2 1 S e b e r e D u t y H ig h E f f ic ie n c y
P o te n c ia : 2 0 ,0 C P Ip / In : 6 ,2 0 - C ó d ig o GC a rc a z a : 2 5 6 T R é g im e n d e s e r v ic io : S 1V e lo c id a d n o m in a l : 3 5 2 0 m in -1 F a c to r d e s e r v ic io : 1 ,2 5F re c u e n c ia : 6 0 H z C a te g o r ía : BT e n s ió n n o m in a l : 2 0 8 - 2 3 0 /4 6 0 V P a r d e a r ra n q u e : 2 0 0 %C la s e d e a s ila m ie n to : F P a r m á x im o : 2 5 0 %C o r r ie n te n o m in a l : 5 1 ,4 -4 6 ,5 /2 3 ,3 A
M o to r T r i f á s ic o d e In d u c c ió n - R o to r t ip o J a u la
P o te n c ia d e s a l id a e n r e la c ió n a la P o t e n c ia n o m in a l (% )
C U R V A S C A R A C T E R ÍS T IC A S E N F U N C IÓ N D E L A P O T E N C IA D E S A L ID A
0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0 1 1 0 1 2 0 1 3 00
2 0
4 0
6 0
8 0
0 ,0
1 ,0
2 ,0
3 ,0
4 ,0
5 ,0
0 ,4
0 ,5
0 ,6
0 ,7
0 ,8
0 ,9
1 ,01 0 0
9 0
8 0
7 0
6 0
5 0
4 0
B -
Fact
or d
e po
tenc
ia
A - E
ficie
ncia
C - D
eslizamiento (%
)D
- Corriente 230V (A
)
C
A
B
D
OPORTUNIDADES PARA EL AHORRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA A TRAVÉS DEL USO DE MOTORES DE EFICIENCIA ALTA E
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Cliente: : WEG MéxicoLínea de producto : W21 Sebere Duty High Efficiency
Potencia : 20,0 CP Ip/In : 6,20 - Código GCarcaza : 256T Régimen de servicio : S1Velocidad nominal : 3520 min-1 Factor de servicio : 1,25Frecuencia : 60 Hz Categoría : BTensión nominal : 208-230/460 V Par de arranque : 200 %Clase de asilamiento : F Par máximo : 250 %Corriente nominal : 51,4-46,5/23,3 A
CURVAS CARACTERÍSTICAS EN FUNCIÓN DE LA VELOCIDADMotor Trifásico de Inducción - Rotor tipo Jaula
Velocidad (%)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000,0
1,0
2,0
3,0
4,0
10
9,0
8,0
7,0
6,0
5,0
2,0
1,5
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
1,0
0,5
0,0A -
Par
(T
/Tn
)
B - C
orrien
te (Ip/In
)
C
A
B
D
A
B
OPORTUNIDADES PARA EL AHORRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA A TRAVÉS DEL USO DE MOTORES DE EFICIENCIA ALTA E
INVERSORES DE FRECUENCIA
2E 2F H BA A10,000 10,000 0,531 4,250 12,126
B C D G J11,732 24,945 6,250 0,817 2,520
K O P T S2,559 12,431 12,283 2,087 0,375
R ES N-W U AB1,406 2,756 4,000 1,625 10,079AA d1
NPT 1,1/2" A4dimensiones en pulgadas
Dimensiones físicas del motor seleccionado (armazón 256T)
OPORTUNIDADES PARA EL AHORRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA A TRAVÉS DEL USO DE MOTORES DE EFICIENCIA ALTA E
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H
Qlíquido:agua
b
velocidadde giro n
tiempo de uso = 8 hrs diarias
Si se analiza el control por válvula y de acuerdo a la curva H-Q de la bomba, al motor se le demandarála siguiente potencia por cada periodo de operación:
a. Para las 2 primeras horas: PR = 14,78 kWb. Para las 2 segundas horas: PR = 4,73 kWc. Para las 2 terceras horas: PR = 14,78kWd. Para las ultimas 2 horas: PR = 9,75 kW
Por cada etapa de demanda de potncia de la bomba se debe evaluar la energíademandada por el motor a la red de alimentación.
Lo anterior se hace utilizando las curvas características en función de la potenciade salida del motor; Para este caso:
Q1Q0,6Q0,3Q
H
1H1,1H
1,15H
OPORTUNIDADES PARA EL AHORRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA A TRAVÉS DEL USO DE MOTORES DE EFICIENCIA ALTA E
INVERSORES DE FRECUENCIA
Las eficiencias para los puntos de demanda de potencia por la bomba al motorson:
a. = 90,0 %b. = 86,0 %c. = 90,0 %d. = 89,0 %
La energía demandada a la red por cada etapa es:
a. PIN = 14,78 / 0,900 = 16,42 kWb. PIN = 4,73 / 0,860 = 5,50 kWc. PIN = 14,78 / 0,900 = 16,42 kWd. PIN = 9,75 / 0,895 = 10,89 kW
Los kWh consumidos son:
a. kWh = (16,42)(2) = 32,84 kWhb. kWh = (5,50)(2) = 11,00 kWhc. kWh = (16,42)(2) = 32,84 kWhd. kWh = (10,89)(2) = 21,78 kWh
El costo de la operación será:
costo diario = ( 32,84+11,00+32,84+21,78 )( 1,00* ) = $ 98,46
H
Qlíquido:agua
b
velocidadde giro n
tiempo de uso = 8 hrs diarias
*Solo para fines demostrativos se asume una tarifa de 1 kWh = $1,00 mx pesos
OPORTUNIDADES PARA EL AHORRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA A TRAVÉS DEL USO DE MOTORES DE EFICIENCIA ALTA E
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1Q0,6Q0,3Q
H
1H
0,5H0,45H
Qv1v2v3
Con este nuevo esquema se tiene una potencia demandada al motor:
a. primeras 2 horas: PR = 14,78 kWb. segundas 2 horas: PR = 1,99 kWc terceras 2 horas: PR = 14,78 kWd. ultimas 2 horas: PR = 4,43 kW
Nuevamente acudimos a la curva del motor para obtener la demanda de energíaDel motor a la red.
H
Qlíquido:agua
b
velocidadde giro n
tiempo de uso = 8 hrs diarias
En el caso de control por inversor de frecuencia, se utilizará las mismas curvas características de operaciónpara el motor y la bomba, pero para esta última ahora en lugar de “movernos” en una curva a velocidadconstante, lo haremos en curvas de diferentes velocidades, tal como se muestra la figura:
OPORTUNIDADES PARA EL AHORRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA A TRAVÉS DEL USO DE MOTORES DE EFICIENCIA ALTA E
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Las eficiencias para los puntos de demanda de potencia por la bomba al motorahora son:
a. = 90,0 %b. = 73,5 %c. = 90,0 %d. = 84,5 %
La energía demandada a la red por cada etapa es:
a. PIN = 14,78 / 0,900 = 16,42 kWb. PIN = 1,99 / 0,735 = 2,71 kWc. PIN = 14,78 / 0,900 = 16,42 kWd. PIN = 4,43 / 0,845 = 5,24 kW
Los kWh consumidos son:
a. kWh = (16,42)(2) = 32,84 kWhb. kWh = (2,71)(2) = 5,42 kWhc. kWh = (16,42)(2) = 32,84 kWhd. kWh = (5,24)(2) = 10,48 kWh
El costo de la operación será:
costo diario = ( 32,84+5,42+32,84+10,48 )( 1,00* ) = $ 81,58
El costo diario de operación se reduce en un 17,15%
H
Qlíquido:agua
b
velocidadde giro n
tiempo de uso = 8 hrs diarias
*Solo para fines demostrativos se asume una tarifa de 1 kWh = $1,00 mx pesos
OPORTUNIDADES PARA EL AHORRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA A TRAVÉS DEL USO DE MOTORES DE EFICIENCIA ALTA E
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Arreglo típico de laboratorio para realizar pruebas a un motor alimentado porun inversor de frecuencia
Inversor de frecuencia
Motor a prueba
Torquímetro
Dinamómetro
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Transformando Energía en Soluciones