Contenido • Selección de motores – – – – – – – – – – Placa de datos Clase de diseño Velocidad síncrona y polos Deslizamiento Tamaño de armazón Elevación de temperatura y clase de aislamiento Factor de servicio Código de rotor bloqueado Factor de potencia Desempeño y factor de carga • Motores de alta eficiencia – Motor de eficiencia estándar vs motor de alta eficiencia – Potencia, energía, y dinero ahorrados – Tiempo de recuperación de inversión • Control de frecuencia variable Centro de Estudios de Energía – Control mediante álabes de entrada, compuerta de salida, velocidad variable – Drive de CD vs Drive de CA Selección de Motores •Frame = tamaño de armazón = 445T •Enclosure = tipo de carcasa = TEFC •Design = Clase de diseño = B •RPM = 1785 •Code = Código de rotor bloqueado •AMPS = Corriente de plena carga = 163 A •SF = Factor de servicio = 115 %. Centro de Estudios de Energía •Phase = # de fases = 3 •Insulation class = aislamiento clase F •Power factor = factor de potencia de plena carga = 89.7% •Guaranteed efficiiency = eficiencia garantizada a plena carga = 95.8% •Max Corr KVAr = Cantidad máxima de capacitores que se han de instalar si se desconectan a la vez que el motor. Clases de diseño NEMA % del par de plena carga 300 D A 250 B C 200 150 100 50 0 0 20 40 60 80 100 % de velocidad síncrona Centro de Estudios de Energía J.C. Andreas, “Energy Efficicient Electric Motors”, 2nd edition, Marcel Dekker Características de las clases de diseño par máximo I arranque (% I par arranque (% par plena Diseño plena carga) (% par plena carga) carga) A B C D 160 (normal) 140 (normal) 225 (alto) 275 (alto) • • • • 230 200 180 - 500-800 (normal) 500-600 (baja) (baja) (baja) Fitzgerald, Kingsley. Umans, "Electric Machinery," McGraw-Hill Chapman, "Electrical Machinery Fundamentals,", McGraw-Hill Andreas, "Energy Efficient Electric Motors," Dekker Nadel, Shepard, Greenberg, Katz, "Energy-Efficient Motor Systems, ACE 3 Centro de Estudios de Energía s plena carga (% de velocidad síncrona) <2, (bajo) <4, (bajo) <5 (bajo) 5-8%, 8-13% (alto) Laminaciones de rotores B A Chapman, "Electrical M achinery Fundamentals,", M cGraw-Hill C Centro de Estudios de Energía D Velocidad sícrona •Los devanados en los motores de inducción están separados 120° eléctricos en el estator. •Al aplicarles voltajes desfasados 120° en el tiempo, resultan corrientes separadas también 120° eléctricos en el tiempo. •Las tres corrientes dan lugar a una fuerza magnetomotriz giratoria de amplitud constante. •La fuerza magnetomotriz gira a velocidad síncrona dada por: 2 n s = 60 f P donde, P es el número de polos, f es la frecuencia en Hz, y ns es la rapidez síncrona de giro en rpm Centro de Estudios de Energía Dos polos Eje b a1 a1 -c1 -b2 -c1 c2 b2 -b2 c2 b2 N N -a2 -a1 -a2 -a1 S c1 c1 b1 -b1 -c2 a2 Centro de Estudios de Energía SS b1 -b1 Eje a -c2 a2 P = 2 y f = 60 Hz 2 ns = 60 × 60 = 3600 rpm 2 Eje c Cuatro polos Eje b a1 -c1 a1 -c1 -b2 -b2 c2 N S b2 c2 b2 N S -a2 -a2 -a1 -a1 N S c1 S N Eje c c1 b1 b1 -b1 -b1 Eje a Centro de Estudios de Energía -c2 a2 -c2 a2 P = 4 y f = 60 Hz 2 ns = 60 × 60 = 1800 rpm 4 Deslizamiento La FMM gira a velocidad síncrona. La FMM induce voltajes en las barras del rotor y debido a que éstas se encuentran en corto circuito aparecen corrientes trifásicas balanceadas en el rotor. Las tres corrientes dan lugar a una fuerza magnetomotriz giratoria de amplitud constante en el rotor. Esta FMM trata de alinearse con la del estator y se presenta un par. El rotor no puede girar a velocidad síncrona ya que alcanzaría a las FMMs y no se inducurían voltajes, sin voltajes no hay corrientes y sin corrientes en rotor no hay par, sin par no hay oposición al par de frenado de carga y de fricción y ventilación. Se dice entonces que el rotor se desliza con respecto a la FMM que gira a velocidad síncrona. Deslizamiento en pu de n s Deslizamiento en rpm s = ns − n donde, n s es la rapidez síncrona de giro en rpm, n es la rapidez de giro del rotor en rpm y s es el deslizamie nto Centro de Estudios de Energía ns − n ns donde, n s es la rapidez síncrona de giro en rpm, s= n es la rapidez de giro del rotor en rpm y s es el deslizamie nto en pu de n s Motor de inducción = motor asíncrono Deslizamiento de plena carga 0.1 Breakdown Torque 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 s = deslizamiento, pu 0.8 1 Starting torque 0.9 Pull Up Torque •En la figura s plena carga = 0.03 •Suponiendo ns = 1800 rpm •n plena carga = 1800 (1-0.03) = 1746 rpm 0 •Deslizamiento al arranque = 1 •Deslizamiento en vacío es casi cero •Deslizamiento de plena carga < 0.04 % del par de plena carga 300 250 Full Load Torque 200 150 100 50 0 0 20 40 60 % de velocidad síncrona Centro de Estudios de Energía 80 100 Rapidez de giro, polos y tipo de carcasa Con f = 60 Hz P 2 4 6 8 10 ns 3600 1800 1200 900 720 Aunque se encuentran desde 300 rpm hasta 3600 rpm, las más comunes son 1200, 1800 y 3600 rpm Enclosure type = tipo de carcasa o env olv ente _www.baldor.com 15º aire ventilador externo aire aire Armazón abierta a prueba de goteo ODP = Open Drip-Proof Centro de Estudios de Energía Totalmente cerrada enfriada con ventilador externo TEFC = Totally Enclosed Fan Cooled Kosow, Electric Machinery and Transformers, 2nd Edition, Prentice Hall Historia del tamaño de armazón Frame size = tamaño de armazón Antes de 1952 no existía un estándar National Electrical Manufacturers Association 1952 se estandarizó la armazón U (U-frame). Todos los motores con el mismo código , 254U por ejemplo, tienen el mismo tamaño de armazón 1964 nuevos aislamientos => armazón T (T-frame), más pequeña y más liviana 256A ó 256T ⇒ D = D Centro de Estudios de Energía 449 T ⇒ D = 25 = 6. 25 " 4 44 = 11 " 4 Kosow, Electric Machinery and Transformers, 2nd Edition, Prentice Hall Evolución del tamaño de la armazón del motor de inducción El motor de inducción fue inv entado por Nikola Tesla alrededor de1886 Edwrard L. Owen, History, IEEEIndustry Applications Magazine, January / February 1997 Los tamaños de armazón integrales son de tres dígitos, por ejemplo: 326T, 50hp, 1800 rpm, TEFC. Las dos primeras cifras divididas entre 4 resultan en D en pulgadas, D=32/4=8”. El tamaño de armazón depende principalmente del par. Y es proporcional a la relación hp / ns . Un motor fraccional es aquel con una armazón más pequeña que la de un motor de 1 hp, 1700 a 1800 rpm. Los tamaños de armazón fraccionales son de dos dígitos, por ejemplo: 56, 1/3hp, 1800 rpm, ODP. Las dos primeras cifras divididas entre 16 resultan en D en pulgadas, D=56/16=3.5”. Centro de Estudios de Energía Kosow, Electric Machinery and Transformers, 2nd Edition, Prentice Hall Cowern Papers, http://www.baldor.com/pdf/brochures/pr2525.pdf Temperatura ambiente y elevación de temperatura Estándar de máxima temperatura permisible del ambiente: 40 ºC Ambientes: – Aire – Gas – Líquido Temperatura ambiente (Estándar AIEE No. 1, 1947) : es la temperatura del medio empleado para enfriamiento, directo o indirecto, esta temperatura se resta de la temperatura medida en la máquina para determinar el aumento de temperatura bajo condiciones específicas de prueba El aumento máximo permisible de temperatura es sobre éste estándar de 40 ºC La elevación o el aumento de temperatura es un cambio de temperatura en el motor, desde una temperatura ambiente con el motor apagado y frio, hasta que el motor opere a plena carga de manera continua para alcanzar estado estable térmico. Centro de Estudios de Energía Kosow, Electric Machinery and Transformers, 2nd Edition, Prentice Hall Cowern Papers, http://www.baldor.com/pdf/brochures/pr2525.pdf Clases de aislamiento La vida esperada del motor se reduce a la mitad al operar a un temperatura 10 ºC por arriba del máximo permisible Las clases más comunes en motores de inducción jaula de ardilla son Clase B F H Aumento máximo permisible sobre 40 ºC 90 115 140 Temperatura máxima del punto más caliente 130 155 180 Note que hay 25°C entre cada clase. Centro de Estudios de Energía Kosow, Electric Machinery and Transformers, 2nd Edition, Prentice Hall Cowern Papers, http://www.baldor.com/pdf/brochures/pr2525.pdf Factor de servicio Es un factor de seguridad Un factor de servicio de 1.15 indica que el motor es capaz de entregar hpnom x 1.15 de manera continua bajo condiciones usuales de servicio sin que el aumento de temperatura exceda su valor máximo permisible de acuerdo a la clasificación NEMA de aislamientos Factores de servicio comunes en motores jaula de ardilla 1.0 y 1.15 Centro de Estudios de Energía Kosow, Electric Machinery and Transformers, 2nd Edition, Prentice Hall Límites de temperatura Factor de servicio : 1.0 Clase B F Aumento máximo permisible sobre 40 ºC 80 105 Temperatura máxima del punto más caliente 120 145 Factor de servicio : 1.15 Clase B F Aumento máximo permisible sobre 40 ºC 90 115 Centro de Estudios de Energía Temperatura máxima del punto más caliente 130 155 Energy - Efficient Electric Motor Selection Handbook, p 40. Efecto de la temperatura en la vida del motor Por cada 10 ºC de operación continua por arriba (por debajo) de la temperatura máxima del punto más caliente, la vida del motor se reduce a la mitad (se duplica). Vida promedio a 40 ºC de temperatura ambiente operando continuamente: 10 años Factor A R Aumento en la vida del motor Reducción en la vida del motor ∆T ( A ó R) = 210 ºC ∆T = (Temp. del • más caliente) - (Temp. límite del aislamiento) Centro de Estudios de Energía Kosow, Electric Machinery and Transformers, 2nd Edition, Prentice Hall Cálculo de la tempeartura del punto más caliente Temperatura 100 70 20 0 0 0.2 -100 -200 0.4 0.6 Resistencia -234.5 -300 R1 R2 T + 234 . 5 T + 234 .5 2 = 1 R R 2 1 > > ( ) R T2 = 2 T1 + 2345 . − 2345 . R1 Resistencia medida en frío ( T1 < 40 ºC ) Resistencia medida inmediatamente después de operación prolongada Tpunto más caliente = T2 + 10 ºC Centro de Estudios de Energía Kosow, Electric Machinery and Transformers, 2nd Edition, Prentice Hall Condiciones usuales de servicio Las condiciones usuales de servicio de los motores que utilizan la temperatura ambiente estándar de 40 ºC son (NEMA MG1): V La temperatura ambiente debe estar entre 0°C y 40 ºC V La altitud es menor de 1000 m V Instalación en areas o envolventes que no interfieren seriamente con la ventilación de la máquina V 0.9 Vnom < V < 1.1 Vnom V 0.95 fnom < f < 1.05 fnom V Montaje y acoplamiento según NEMA V Operación con un desbalance de voltaje de 1% o menos Si se satisfacen las condiciones anteriores, un motor debe ser capaz de entregar potencia nominal en flecha sin que la temperatura del aislamiento exceda el máximo permisible Centro de Estudios de Energía Kosow, Electric Machinery and Transformers, 2nd Edition, Prentice Hall Energy - Efficient Electric Motor Selection Handbook, p 35. Código de rotor bloqueado kVALR = 3 × V LL × I LR , 1000 donde, KVA LR son los kVA de rotor bloqueado VLL es el voltaje nominal entre líneas, I LR = 1000 × kVALR 3 × V LL , ILR es la corriente de línea de rotor bloqueado o de arranque, A •La letra del código corresponde con un rango de kVA de rotor bloqueado por cada hp nominal •Ejemplo, la letra G va de 5.60 a 6.30, los kVA de rotor bloqueado son como máximo 6.30 por cada hp nominal, si el motor fuera de 50 hp, kVA lr = 315. Y si VLL = 460 V, I LR = 395.4 A Centro de Estudios de Energía Código de rotor bloqueado NEMA MG-1 Letra de Rotor bloqueado, kVA Letra de Rotor bloqueado, kVA código / hp código / hp A 0.00 3.15 L 9.00 10.00 B 3.15 3.55 M 10.00 11.00 C 3.55 4.00 N 11.00 12.50 D 4.00 4.50 P 12.50 14.00 E 4.50 5.00 R 14.00 16.00 F 5.00 5.60 S 16.00 18.00 G 5.60 6.30 T 18.00 20.00 H 6.30 7.10 U 20.00 22.40 J 7.10 8.00 V 22.40 arriba K 8.00 9.00 Letras en la placa de datos •NEMA design classiification •NEMA insulation classification •NEMA locked rotor code Tamaño de armazón 445T => D = 44/4 = 11” Factor de servicio = 115% Carcasa: Totalmente cerrada con ventilador externo (TEFC) Centro de Estudios de Energía Factor de potencia VLL es el voltaje entre líneas, V IL es la corriente de línea , A VLL, IL, P, Q, S P es la potencia trifásica, W FP, f fp = P = S Q es la potencia reactiva trifásica, VAr S es la potencia aparente trifásica, VA fp es el factor de potencia, f es la frecuencia, Hz P P 2 + Q2 fp = cos(θ v − θ i ) _θv - θi fp atrasado 200 I P1 voltaje corriente (θ v − θi ) 0 IQ1 -200 0 Centro de Estudios de Energía 90 180 270 360 I1 V fp atrasado fp adelantado fp unitario IQ3 IP1 (θv − θi) IQ1 IP V I3 V - (θv −θi) I1 V IP I1 I3 I2 =IP IP IQ3 I V 200 200 0 0 0 -200 0 -200 0 -200 0 90 180 Centro de Estudios de Energía 270 360 200 90 180 270 360 Desplazamiento 90 180 270 360 Máxima corrección de kVAr M M M Qc < 17.5 kVAr Centro de Estudios de Energía • Los contactos del contactor principal M conectan y desconectan de manera simultánea al motor y a su capacitor • Al desconectar el motor actúa de manera transitoria como un generador y alimenta al capacitor • Si el capacitor aporta más reactivos que los que requiere el motor en vacío, el capacitor aumenta el voltaje del sistema aislado. • Aunque es por poco tiempo, la elevación de voltaje puede dañar al capacitor o al motor. Eficiencia P es la potencia trifásica de entrada, W P P/3 P/3 Ploss = P/3 dQ dt hp es la potencia mecánica de salida, hp Ploss son las pérdidas del motor, W η= P hp × 746 P − Ploss = = 1 − loss P P P hp 746 hp P Pérdidas de Pérdidas de fricción y Pérdidas de núcleo en estator y rotor Centro de Estudios de Energía Pérdidas decobre en elventilación cobre en el estator rotor 1.0 2 0.8 1.6 0.6 1.2 0.4 0.8 0.2 0.4 0.0 0 0 0.5 1 hp out (pu) = fc 1.5 I1 y P fp y eficiencia Desempeño en función de la carga eff fp I1/Inom P/(746*hpnom) Sobredimensionamiento es el villano y el área de oprtunidad • La eficiencia es casi constante en 0.85 con una carga de 0.5 a 1.5 pu hp nominales y cae abruptamente con cargas menores a 0.5 pu, la eficiencia es cero con el motor sin carga. • El factor de potencia es muy bajo (< 0.7) para cargas inferiores a 0.6, es del 10% sin carga y aumenta a 82% a plena carga. • La corriente es 0.5 pu con motor en vacío, sube a 1 pu a plena carga. • La potencia de entrada es del 8% en vacío y aumenta a 1.2 a plena carga de forma casi lineal. Centro de Estudios de Energía Costo promedio de la energía eléctrica •Importe total del recibo (antes de impuestos) entre la cantidad de kWh del período de facturación. •Este costo ya considera demanda, consumo, horario y factor de potencia. •Indica cuánto cuesta el kWh, en una instalación en particular y nos sirve para medir el impacto de las medidas de ahorro de energía. Wisconsin Industrial average $0.04 /kWh Wisconsin Commercial average $0.06 /kWh National Average industrial $0.05 /kWh •Tarifa HSL, Noreste •Promedio de los 12 últimos meses •factor de carga: 0.85, •factor de potencia: 0.93, •9.46 pesos /dólar •47.84 dólares / MWh = $ 0.04784 / kWh. Centro de Estudios de Energía http://www.productiveenergy.com/calculator/motor.asp http://www.motorsmatter.org/Kit/planning_overview.html Motor de alta eficiencia • Alambre magneto de la mejor calidad • Más acero en el núcleo, laminaciones más delgadas y acero de la mejor calidad, • Mejores rodamientos • Anillos de los extremos de la jaula más grandes • Ventiladores con bajas pérdidas • Cuesta más que uno de eficiencia estándar Centro de Estudios de Energía _http://ww.baldor.com Cálculo de la potencia ahorrada P1 = 746hp η1 η1 P2 = • hp 1 1 P1 − P2 = 0.746 × (hp nom × fc ) × − η1 η 2 fc es el factor de carga del motor y 746hp η2 η2 Para los mismos hps en flecha, el motor con mayor eficiencia requiere una menor potencia de entrada. • η2 > η1 => P2 < P1 hp nom es la potencia nominal del motor hp N adel, She pard, G reenbe rg, Katz, "Ene rgy-Effic ie nt M otor S yste ms, ACE Centro de Estudios de Energía 3 Energía, dinero y recuperación de inversión Potencia ahorrada, kW 1 1 − P1 − P2 = 0. 746 × (hp nom × fc ) × η1 η 2 Costo extra del motor, $ $ ahorro anual Energía ahorrada, kWh 1 1 × h − kWh ahorro = ( P1 − P2 ) × h = 0 .746 × (hp nom × fc ) × η 1 η 2 h es el número de horas de operación al año $ ahorro anual = kWh ahorro × Retorno simple de inversión 1 $ 1 $ × h × = ( P1 − P2 ) × h = 0 .746 × (hp nom × fc ) × − kWh kWh η 1 η 2 donde $ es el costo promedio del kWh en la planta en cuestión. kWh Centro de Estudios de Energía Nadel, Shepard, Greenberg, Katz, "Energy-Efficient M otor Systems, ACE3 El de la izquierda es el correcto 1 1 $ × h × $ ahorro anual = 0 .746 × (hp nom × fc ) × − kWh η 1 η 2 El de la izquierda es el derec ho? - Factor de c arga - Horas de operaci ón al año - $ promedio del kWh FC = 0.75, h = 6000, $ / kWh = 0.0478 ==> 379.3 dólares (1815 -1169) / 379.3 = 1.70 años Premium Efficiency 50hp, TEFC, $1815 η=94% Standard Efficiency 50hp, TEFC, $1169 η=90% FC = 0.75, h = 2000, $ / kWh = 0.0478 ==> 126.4 dólares (1815 -1169) / 126.4 = 5.11 años Si el factor de carga es del 50% o menos, ninguno es el correcto “none is the right one”. Centro de Estudios de Energía http://energy.copper.org/left-is-right.html Comportamiento ventilador sistema a) Curva característica de un ventilador Centro de Estudios de Energía b) Característica del sistema James Van Zile, “Energy savings with adjustable frequency AC Drives, Allen-Bradley, Dec. 1984 Control por álabes de entrada a) Cambio en característica del ventilador Centro de Estudios de Energía b) Álabes de entrada James Van Zile, “Energy savings with adjustable frequency AC Drives, Allen-Bradley, Dec. 1984 Control mediante compuertas de salida a) Control por compuertas de salida Centro de Estudios de Energía b) Cambio en característica del sistema James Van Zile, “Energy savings with adjustable frequency AC Drives, Allen-Bradley, Dec. 1984 Control mediante velocidad variable a) Sistema de velocidad variable Centro de Estudios de Energía b) Control de flujo de aire por velocidad variable James Van Zile, “Energy savings with adjustable frequency AC Drives, Allen-Bradley, Dec. 1984 Potencia de entrada C ompuertas sal ida Álabes entrada Potencia de entrada como % de la entrada al motor cuando el flujo es 100 % 120 Frecuencia variable R equerimientos ventilador 100 80 60 40 20 0 40 50 60 70 80 90 100 Porcentaje del volumen de aire Centro de Estudios de Energía John C. Andreas, “Energy-Efficient Electric Motors, Selectionand Application,” Second edition, Marcel-Dekker, 1992. Drive de CD v entrada i de salida i entrada La corriente está distorsionada y se atrasa del voltaje. Centro de Estudios de Energía David Shipp, William Vilcheck, “Power quality and line considerations for variable speed ac drives,” IEEE Transactions on Industry Applications, March / April 1996. Drive de CA tipo PWM 200 10 Va Ia 100 0 0 90 180 270 -100 Captura: Abril de 1995, Power Logic -200 Corriente (A) Voltaje (V) La corriente a la entrada presenta alta distorsión armónica y va en fase con el voltaje grados eléctricos Centro de Estudios de Energía 5 0 -5 Aunque el voltaje dista mucho de ser una senoidal, la corriente de salida es muy senoidal -10 David Shipp, William Vilcheck, “Power quality and line considerations for variable speed ac drives,” IEEE Transactions on Industry Applications, March / April 1996.
