Ahorro de Energía en Aire Acondicionado: Tesis IPN

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA
MECÁNICA Y ELÉCTRICA
AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE
ACONDICIONADO.
(COMPRESORES HERMÉTICOS, SEMI-HERMÉTICOS Y
ROTATIVOS).
TESIS
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE
INGENIERO ELECTRICISTA
PRESENTAN
CRUZ ROMERO MIGUEL ANGEL
LUGO ACEVEDO RICARDO
SEGUNDO DE LA CRUZ LUIS ALBERTO
ASESOR
ING. DELGADO MENDOZA JOSE LUIS
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUP ERIOR DE ING ENIERÍ A MECÁN ICA Y ELECT RICA
UNIDA D PR O FESIONAL "ADOLFO L ÓP EZ MATEOS"
TEMA DE TESIS
QUE PARA OBTENER EL TITlJLO DE
INGENIERO ELECTRICISTA
PO R LA OPCIÓN D E TITULAC IÓ N
TESIS COLECTIVA y EXAMEN ORAL INDIVIDUAL
DE BERA(N) DESA RR OLLAR
C. MIGUEL ANGEL CRUZ ROMERO
C. RICARDO LUGO ACEVEDO
C. LUIS ALBERTO SEGUNDO DE LA CRUZ
"AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO (COMPRESORES
HERMÉTICOS, SEMI-HERMÉTICOS Y ROTATIVOS)"
REDUCIR EL CONSUMO DE ENERGIA ELECTRICA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO,
UTILIZANDO LOS SIGUIENTES MODULOS: CONVERTIDOR DE FRECUENCIA DL2646 Y UNIDAD DE
CONTROL PWD DL2648.
~
FUNDAMENTOS TEORICOS
~
DISPOSITIVOS ELECTRONICOS
~
FORMULACION DEL PROBLEMA
~
PRUEBAS Y RESULTADOS
~
ANALISIS COSTO BENEFICIO
~
CONCLUSIONES Y TRABAJOS POSTERIORES
MÉXICO D.F., 24 DE ABRIL 2013.
ASESORES
II
ING. JOSE LU
.
o\;
\
DELGADO MEN - ~
.
,....,
AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
DEDICATORIA
A nuestras familias
Porque muchos tenemos la dura tarea de abrir brecha en el duro camino
del conocimiento y del estudio, quedando el presente trabajo como
muestra de que todo es posible si se lucha con perseverancia, disciplina y
dedicación en el sueño deseado.
i
AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
AGRADECIMIENTOS.
A Dios.
Por habernos dado la oportunidad de llegar hasta este momento.
Al Ing. José Luis Delgado Mendoza.
Por su valiosa colaboración y comprensión en el presente trabajo y sus
importantes comentarios
A los integrantes de la comisión revisadora.
Ing. Valentina Castillo López
Ing. Daniel Antonio Mata Jiménez
Ing. José Luis Delgado Mendoza.
Por sus comentarios al presente trabajo
Al Instituto Politécnico Nacional.
Por habernos permitido realizar nuestra preparación profesional en sus
aulas.
Gracias.
ii
AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
RESUMEN
En este trabajo se presenta un estudio de las ventajas energéticas, que pueden
obtenerse en la modernización de los equipos de aire acondicionado a largo plazo,
empleando tecnología actualizada que permita el máximo aprovechamiento de
energía empleada para proporcionar condiciones de confort y contribuir al cuidado de
los recursos no renovables y la preservación del medio ambiente.
Primeramente se proporciona una breve información sobre el funcionamiento,
mencionando los componentes principales del sistema de un aire acondicionado por
compresión, haciendo énfasis en el compresor. Se hace una descripción del sistema
de aire acondicionado general, incluyendo su secuencia de operación para basar el
planteamiento del problema. Se sientan las bases teóricas fundamentales para el
desarrollo del estudio. Se lleva a cabo un estimado de su trabajo en condiciones
normales de operación, sin mencionar otros aspectos de ahorro en él, referidos en su
mantenimiento, tipos de gases que utiliza, sistema mecánico, aislamiento térmico.
Posteriormente se hace la propuesta de modernización empleando el variador de
velocidad en el compresor donde se analizan los resultados teóricos y prácticos
obtenidos con y sin el dispositivo, para mejorar el sistema de aire acondicionado, y
como resultado obtener ahorros de energía con respecto a los consumos de energía
actuales.
Finalmente, al realizar nuestro análisis económico del proyecto llegamos a la
conclusión de que si hay un ahorro de energía eléctrica utilizando los módulos:
convertidor de frecuencia DL2646 y unidad de control PWM DL2648, aunque la
inversión que se realiza al adquirir el equipo no se recupera, por ende, no resulta
factible la propuesta de modernización en el sistema de aire acondicionado tipo
ventana ya que no pueden obtenerse ahorros económicos utilizando este equipo.
iii
AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
OBJETIVO
Reducir el consumo de energía eléctrica en equipos de aire acondicionado, utilizando
los siguientes módulos: convertidor de frecuencia DL2646 y unidad de control PWM
DL2648.
iv
AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
JUSTIFICACIÓN
Los equipos de aire acondicionado producen un gasto de energía eléctrica
considerable para el usuario, además, generan altas demandas de energía a la
compañía suministradora. El alto consumo se refleja más en las empresas donde se
utilizan muchos equipos y de muy alta capacidad.
Con el paso de los años se ha tratado de hacer más eficientes los equipos, se
utilizan alternativas ambientales, químicas y mecánicas. Pues desde hace muchos
años el tema de ahorro de energía ha venido evolucionando debido a la escasez de
los recursos no renovables. Debido a esto, el tema de ahorro de energía toma mucha
importancia, ya que podemos colaborar a la preservación del medio ambiente
principalmente, y desde el punto de vista económico, al disminuir el consumo de
energía eléctrica disminuye el cobro por parte de la compañía suministradora, lo cual
satisface a cualquier usuario de energía eléctrica.
En este trabajo se comprueba que el uso de una de las tecnologías modernas en los
equipos de aire acondicionado, puede reducir notoriamente el consumo de energía
eléctrica, lo que nos lleva a la preservación de los recursos energéticos no
renovables y finalmente a obtener un ahorro de energía eléctrica.
v
AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
INTRODUCCIÓN
En este trabajo se presenta un estudio de las ventajas energéticas, que pueden
obtenerse en la modernización de los equipos de aire acondicionado, empleando
tecnología actualizada que permita el máximo aprovechamiento de energía
empleada para proporcionar condiciones de confort y contribuir al cuidado de los
recursos no renovables y la preservación del medio ambiente.
En el capítulo 1
”Fundamentos teóricos”. Se presenta una introducción al tema de
tesis el cual permitirá visualizar
el funcionamiento del aire acondicionado
mencionando su comportamiento y sus componentes, haciendo énfasis en el
compresor. Posteriormente en el capítulo 2 “Dispositivos electrónicos de potencia
que forman parte de los módulos
DL 2648 y DL 2646”, se da una introducción a lo
que es la electrónica de potencia. Se hace la descripción de los dispositivos
empleados en estos módulos así como el método de control de los mismos. Más
adelante, en el capítulo 3 “Formulación del problema”, se analiza el comportamiento
del equipo de aire acondicionado, climas, regiones del país, temperaturas de confort
y comportamiento del motor asíncrono.
En el capitulo 4 “Pruebas y resultados”, se muestran los resultados obtenidos en
cada una de las pruebas que se realizaron con el sistema de aire acondicionado con
ayuda del Power Quality Analyzer (Analizador de la Calidad de la Energía),
multímetro digital, y osciloscopio digital. Continuando con el proyecto, en el capítulo 5
“Análisis costo-beneficio”, se utiliza una herramienta financiera que mide la relación
entre los costos y beneficios asociados a un proyecto de inversión con el fin de
evaluar su rentabilidad, en éste caso lo enfocamos al proyecto de ahorro de energía.
Finalizando con el capitulado, en el capítulo 6 “Conclusiones y trabajos posteriores”,
se presentan las conclusiones finales donde se da a conocer el resultado del trabajo
de tesis y trabajos que pueden desarrollarse a futuro.
Este trabajo muestra que el uso de un variador de frecuencia en los equipos de aire
acondicionado produce un ahorro de energía eléctrica significativo, el cual se verá
reflejado en la factura de cobro de la compañía suministradora de energía eléctrica.
vi
AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
GLOSARIO
A. Amperes.
a.m.
Horario terrestre transcurrido después de la medianoche hasta antes del
mediodía.
°C. Grados celsius.
CA. Corriente alterna.
CC. Corriente continúa.
CD. Corriente directa.
CHILLER. Unidad enfriadora de agua.
CIRCUITO DE POTENCIA.
Compuesto de semiconductores de potencia y
elementos pasivos, que conecta la fuente primaria de alimentación con la carga.
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL.
Disciplina que estudia la adaptación de sistemas
electrónicos de potencia a procesos industriales.
EMI. Interferencias electromagnéticas.
EPROM: Erasable Programmable Read-Only Memory (Memoria programable y
borrable de solo lectura).
F. Frecuencia en Hz.
FP. Factor de potencia.
IARRANQUE. Corriente de arranque.
IEEE. Instituto de Ingenieros en Electricidad y Electrónica.
IGBT. (Isulated Gate Bipolar Transistor), Transistor Bipolar de Compuerta Aislada.
vii
AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
INEGI. Instituto Nacional de Estadística y Geografía.
INOMINAL. Corriente nominal.
kVA. Kilo volts amperes.
kVAr. Kilo volts amperes reactivos.
kWh. Kilo watts hora.
Power Quality Analizer. Analizador de la calidad de la energía. (Instrumento de
medición).
P. Potencia.
p.m.
Horario terrestre transcurrido después del mediodía hasta antes de la
medianoche.
PROFECO. Procuraduría federal del consumidor.
PWM. (Pulse Width Modulation), Modulación de Ancho de Pulso.
Q. Potencia reactiva.
S. Potencia activa.
SAI. Sistemas de alimentación ininterrumpida.
SEP. Sistema Eléctrico de Potencia.
T. Tiempo.
V. Volts.
VAI. Valor Actual de los Ingresos totales netos o beneficios netos.
VAC. Valor Actual de los Costos de inversión o costos totales.
Vrms. Volts eficaces.
viii
AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
CONTENIDO
Dedicatoria……………………………………………………………………..……..………i
Agradecimientos……………………………………………………………………..……..ii
Resumen…………………………………………………………………………….……….iii
Objetivo………………………………………………………………………………...........iv
Justificación……………………………………………………………………..…………..v
Introducción…………………………………………………………………………...........vi
Glosario……………………………………………………………………………………..vi
CAPÍTULO 1 EL AIRE ACONDICIONADO
1.1 Introducción………………………………………………….……………………........2
1.2 Breve historia del aire acondicionado…………………………………….….........2
1.3 Sistemas de aire acondicionado……………………………………….….…….......3
1.4 Tipos de compresores…………………………………………………………...........4
1.4.1 Compresor alternativo hermético…………………………………………………...4
1.4.2 Compresor alternativo tipo semi-hermético………….…....................................5
1.4.3 Compresor rotativo ……………………………………….....……..…....................5
1.5 Comportamiento del moto- compresor…………………….……...……………….6
1.5.1 El motor eléctrico para accionar el moto compresor………………………………6
1.6 Ahorro de energía en el aire acondicionado……….……...……….....................7
ix
AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
CAPÍTULO 2 DISPOSITIVOS ELECTRONICOS DE POTENCIA QUE FORMAN
PARTE DE LOS MÓDULOS DL 2648 Y DL2626.
2.1 Introducción…………………………………………………………….….……………9
2.2 Definición de electrónica de potencia…………………….….…………………….9
2.3 Diagrama a bloques de circuito de potencia básico……..…………………….10
2.4 Dispositivos semiconductores del DL2648 y DL2646………………………….11
2.4.1 Diodo de silicio………………………………………………....……………..11
2.4.2 Rectificador puente de dos impulsos……………….................................12
2.4.3 IGBT……………………………………………………………………….......14
2.5 Método de control………………………………………………..…....……………...15
2.5.1 Modulación de anchura de impulsos (PWM)…………………….…..……15
2.6 Inversores………………..……………………………………………..………………15
2.6.1 Introducción……………………………………………….….……...............15
2.6.2 Unidad de control (PWM) DL 2646……………….…….……………….....16
2.6.3 Disparo de onda cuadrada pulsada………………...………………………17
2.6.4 Modulación de duración de impulsos…………….…..…..........................17
2.7 Convertidor de frecuencia variable DL 2646…………………………...………..18
CAPÍTULO 3 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
3.1 Introducción………………………………………………………………..................21
3.2 Demanda de los equipos de aire acondicionado y refrigeración en la zona
sureste y norte del país...…………………...……………………………………………21
x
AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
3.3 Régimen de operación del estado de México de acuerdo a sus
temperaturas……………………………………….….……………………………………23
3.4 Comportamiento del moto-compresor…………………………..........................24
3.4.1 El motor eléctrico utilizando para el arranque del compresor…………...24
3.4.2 Dinámica de la máquina de inducción…………………..…......................25
3.4.3 Control del par……………………………………………….………………..26
3.4.4 Control de velocidad…………………………………….…..……………….26
3.5 Tarifa domestica 1A temperatura media de 25º c, de alto consumo (DCA)
más de 300 kWh…………………………………………………………………………..27
3.6 Formulación del problema………………………………………….…...................27
CAPÍTULO 4 PRUEBAS Y RESULTADOS
4.1 Introducción………………………………………………………………..…………..30
4.2 Pruebas para la unidad de aire tipo ventana sin módulos…………………….30
4.3 Pruebas para la unidad de aire acondicionado tipo ventana con módulo....41
CAPÍTULO 5 ANÁLISIS COSTO-BENEFICIO
5.1 Análisis costo-beneficio………………………………….…….……………………45
5.1.1 Implementación en el proyecto………..…….……….….…………………..45
5.2 Tablas comparativas……………………………………..……..….………………...48
xi
AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
CAPÍTULO 6 CONCLUSIONES Y TRABAJOS A FUTURO
6.1 Conclusiones…………………………………………………………..……………....52
6.2 Trabajos a futuro……………………………………………………...………………54
REFERENCIAS…………………………………………………………………...………...55
APÉNDICES
Apéndice A…………………………..……………………………………………………...57
Apéndice B………………………………..………………………………………………...67
Apéndice C………………………………..………………………………………………...73
xii
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUP ERIOR DE ING ENIERÍ A MECÁN ICA Y ELECT RICA
UNIDA D PR O FESIONAL "ADOLFO L ÓP EZ MATEOS"
TEMA DE TESIS
QUE PARA OBTENER EL TITlJLO DE
INGENIERO ELECTRICISTA
PO R LA OPCIÓN D E TITULAC IÓ N
TESIS COLECTIVA y EXAMEN ORAL INDIVIDUAL
DE BERA(N) DESA RR OLLAR
C. MIGUEL ANGEL CRUZ ROMERO
C. RICARDO LUGO ACEVEDO
C. LUIS ALBERTO SEGUNDO DE LA CRUZ
"AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO (COMPRESORES
HERMÉTICOS, SEMI-HERMÉTICOS Y ROTATIVOS)"
REDUCIR EL CONSUMO DE ENERGIA ELECTRICA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO,
UTILIZANDO LOS SIGUIENTES MODULOS: CONVERTIDOR DE FRECUENCIA DL2646 Y UNIDAD DE
CONTROL PWD DL2648.
~
FUNDAMENTOS TEORICOS
~
DISPOSITIVOS ELECTRONICOS
~
FORMULACION DEL PROBLEMA
~
PRUEBAS Y RESULTADOS
~
ANALISIS COSTO BENEFICIO
~
CONCLUSIONES Y TRABAJOS POSTERIORES
MÉXICO D.F., 24 DE ABRIL 2013.
ASESORES
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ING. JOSE LU
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AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Esquema de desarme de un moto compresor alternativo tipo
hermético ……….…………………………………………………………………………….4
Figura 2. Esquema de un moto compresor alternativo tipo semi-hermético……….….5
Figura 3. Diagrama de bloques de un Sistema de Potencia…………………………..11
Figura 4. Símbolo del diodo y curva característica ...……………………………........12
Figura 5. Rectificador tipo puente………………………………………………………...12
Figura 6. Formas de onda que muestran el cambio que se va dando de C.A
a C.D…………………………....…………………………………………………...............13
Figura 7. Formas de onda que muestran la obtención de corriente continua
con valor medio variable negativos……………………………………………………….13
Figura 8. Representación simbólica del transistor IGBT. a) Como BJT.
b) Como MOSFET…………………………………………………………………………14
Figura 9. Forma de onda de un PWM…………………………………………………...15
Figura 10. (PWM) DL2648………………………………………………………………...16
Figura 11. Disparo de onda cuadrada……………………………………………….......17
Figura 12. Muestra de semionda sinusoidal en 6 diferentes valores…………….......18
Figura 13. Convertidor de frecuencia variable…………………………………………..19
Figura 14. Mapa con las diferentes temperaturas existentes en el país……………..22
Figura 15. Temperaturas del Estado de México………………………………………..24
Figura 16. Par de arranque………………………………………………………………..26
xiii
AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
Figura 17. Visualización interna del aire acondicionado……………………………….30
Figura 18. Power Quality Analizer………………………………………………………..31
Figura 19. Formas de onda de la potencia y la corriente………………………….......32
Figura 20. Formas de onda de la tensión aplicada y la corriente nominal
de equipo…………………………………………………………………………………….32
Figura 21. Corriente de arranque del aire acondicionado tipo ventana……………..33
Figura 22. Formas de onda de la potencia y la corriente……………………….……..34
Figura 23. Formas de onda de la tensión aplicada y la corriente nominal
de equipo………………………………………………………………………….…………34
Figura 24. Corriente de arranque del aire acondicionado tipo ventana…………….35
Figura 25. Formas de onda de la potencia y la corriente……………………………..36
Figura 26. Formas de onda de la tensión aplicada y la corriente nominal
de equipo…………………………………………………………………………………….36
Figura 27. Corriente de arranque del aire acondicionado tipo ventana…………….37
Figura 28 Régimen de operación de un aire acondicionado…….……………….......38
Figura 29. Temperaturas del Estado de México…………………………….….…........39
Figura 30. Conexión nueva de módulos………………………………………………...41
Figura 31. Ancho modulador de pulso…………………………………………………..41
Figura 32. Control del aire Acondicionado ……………………………………………..42
Figura 33. Conexión al aire acondicionado tipo ventana………..……………………..42
Figura 34. Tensión de salida de los IGBT´S…………………………………………….43
xiv
AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
Figura A1. Convertidor de frecuencia DL 2646……………………………………….50
Figura A2. Unidad de control PWM 2648….….………………………………………..58
Figura B1.1. Power Quality Analyzer….………………………………………………...60
Figura B1.2. Accesorios del Power Quality Analyzer……………………………........61
Figura B2. Multímetro digital……………………………………………………………..62
Figura B3. Osciloscopio digital…………………………………………………………...64
Figura C1. Unidad de Aire acondicionado carrier MCB121RB-C…………..………..66
Figura C2. Datos de placa del equipo de aire acondicionado………..……………....66
xv
AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Muestra de las diferentes temperaturas de acuerdo al clima del
que estemos hablando……………………………………………………………………..23
Tabla 2. Tarifa doméstica 1 A más de 300 KWH a 25°C…………………………….27
Tabla 3. Resultados obtenidos de la pruebauno……………………………..………....31
Tabla 4. Resultados obtenidos de la prueba dos……………………………………….33
Tabla 5. Resultados obtenidos de la prueba tres…………………………….…………35
Tabla 6. Media de los resultados Obtenidos………………………………….………...37
Tabla 7. Régimen de operación del motor…………………………………..…………..38
Tabla 8. Consumo total del aire acondicionado…………………………….……..........40
Tabla 9. Consumo del arranque del compresor……………………………….…..........40
Tabla 10. Consumo de energía del compresor………………………………………….46
Tabla 11.Consumo de energía en kW h/Dia...…………………………………………...46
Tabla 12. Consumo de energía en kW h/Mes…………………………….….…............46
Tabla 13. Consumo de energía en kW h/5 Años….………………………….….….......47
Tabla 14. Tarifa 1A……………………………….…………………………….….…........47
Tabla 15. Total a pagar en 1 y 5 años en moneda nacional……………………….…..47
Tabla 16. Precio de acuerdo fabricantes….……………………………….….…..........48
Tabla 17. Tensión de alimentación…………………………………………..….….........49
Tabla 18. Corriente Nominal……………………..…………………………….….….......49
xvi
AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
Tabla 19. Potencia………………………………...…………………………….….….......49
Tabla 20. Frecuencia……………………………..…………………………….….…........50
Tabla 21. Modelo………………………………….…………………………….….….......50
Tabla 22. Precio…………………………….……………………………………...…........50
Tabla A1 Capacidad de los bornes de los bornes………………………………………61
Tabla A1.1. Todas las entradas DI y las salidas DO digitales son activas con
un nivel bajo…………………………………………………………………………………64
TABLA B1 Datos de placa del Power Quality Analyzer……………………………....69
ÍNDICE DE ECUACIONES
Ecuación 1………………………………………………………………………………….. 45
xvii
AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
CAPÍTULO 1
EL AIRE ACONDICIONADO
AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
CAPÍTULO 1
1.1 INTRODUCCIÓN.
En la antigüedad, los egipcios ya utilizaban sistemas y métodos para reducir el
calor. Se utilizaba principalmente en el palacio del faraón donde disfrutaba de
temperaturas alrededor de los 26° Celsius, mientras que afuera el calor subía
hasta casi el doble. Esto nos muestra que desde hace mucho tiempo los sistemas
de aire acondicionado han venido evolucionando, además de que actualmente el
precio de estos equipos no es muy elevado, pues también se
han venido
modificando para que su costo no sea tanto que resulte imposible adquirirlo.[1]
1.2 BREVE HISTORIA DEL AIRE ACONDICIONADO.
En 1842, Lord Kelvin inventó el principio del aire acondicionado. Con el objetivo de
conseguir un ambiente agradable y sano, el científico creó un circuito frigorífico
hermético basado en la absorción del calor a través de un gas refrigerante.
Posteriormente en 1902, el estadounidense Willis Haviland Carrier sentó las bases
de la refrigeración moderna, este joven diseñó una máquina que controlaba la
temperatura y la humedad por medio de tubos enfriados, apareciendo así el
llamado “Aparato para Tratar el Aire” que fue patentado en 1906.
Las industrias florecieron con la nueva habilidad para controlar la temperatura y
los niveles de humedad durante la producción. Películas, tabaco, carnes
procesadas, cápsulas
medicinales
y otros productos
obtuvieron mejoras
significativas en su calidad gracias al aire acondicionado.
Con esto se muestra que el aire acondicionado es una pieza fundamental en el
crecimiento de un país, pero a su vez es una máquina de alto consumo de energía
el cual podría ser abatido con tecnología moderna.
-2-
AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
1.3 SISTEMAS DE AIRE ACONDICIONADO
Un sistema de aire acondicionado se define como el proceso mediante el cual se
proporcionan condiciones de temperatura, humedad, limpieza, distribución y
velocidad del aire de un local determinado. Se puede proporcionar enfriamiento o
calefacción con el mismo caudal de aire.
Los sistemas de aire acondicionado pueden clasificarse de acuerdo a su sistema
mecánico de enfriamiento en:
a) Sistema de expansión directa.
b) Sistema de agua refrigerada.
Por ejemplo para los sistemas de expansión directa se tienen los siguientes
equipos:
Unidades tipo ventana
Equipos divididos o remotos
Equipos paquete o central
Equipos Split
Y en el sistema de agua refrigerada:

Unidad enfriadora de agua (Chiller)
Estos equipos de aire acondicionado con cualquiera de los dos sistemas antes
mencionados cuentan con los siguientes elementos:
El Compresor
El motor eléctrico
El condensador
Dispositivo de expansión
El evaporador
Interruptor eléctrico
El fluido refrigerante
El gabinete
-3-
AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
1.4 TIPOS DE COMPRESORES
1.4.1 Compresor alternativo tipo hermético
Se conocen bajo esta denominación todos aquellos equipos de refrigeración que
llevan el compresor y el motor eléctrico encerrados en una cápsula común
hermética.
Estos equipos son de menores dimensiones que los equipos abiertos siendo en
consecuencia el consumo de energía eléctrica menor. [9]
DESARME DE UN MOTOCOMPRESOR HERMÉTICO ALTERNATIVO
Fig. 1. Esquema de desarme de un moto compresor alternativo tipo hermético.
-4-
AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
1.4.2 Compresor alternativo tipo semi-hermético
COMPRESOR
MOTOR ELÉCTRICO
Fig. 2. Esquema de un moto compresor alternativo tipo semi-hermético.
Es una variante de los dos, es decir del compresor abierto y del compresor
hermético, reúne todas las ventajas del modelo hermético, pero además permite
atender fácilmente el mantenimiento y reparación de su mecanismo interior. Posee
un cárter o cuerpo de fierro fundido que incorpora en su interior el mecanismo de
compresión y el motor eléctrico y además posee culatas y tapas de acceso al
interior; debido a estas características y ventajas es uno de los compresores más
utilizados, principalmente en refrigeración comercial e industrial.[9]
1.4.3 Compresor rotativo
Este tipo de compresor se utiliza principalmente en sistemas de aire
acondicionado (tipo ventana). En este compresor los ciclos de aspiración y
compresión se verifican simultáneamente por la rotación continua de un rodillo
excéntrico que rueda constantemente contra las paredes internas de un tambor
hermético. En el interior del compresor los lados de alta y baja presión están
separados por un tabique que se apoya continuamente sobre la periferia del
rodillo. Estos compresores son de dimensiones, consumo eléctrico y peso algo
menor que los compresores alternativos o de pistón a igualdad de potencia; su
funcionamiento es ultra silencioso y sin golpeteos, su construcción requiere de
-5-
AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
gran precisión, un perfecto ajuste entre sus piezas móviles y material de primera
calidad; estos compresores “no tienen reparación”. [9]
En conclusión estos tipos de compresores son impulsados por motores de
inducción internos, los cuales pueden ser arrancados por diferentes métodos para
evitar una corriente de arranque excesiva los cuales son mencionados a
continuación.
Arranque directo
Arranque a tensión reducida con autotransformadores
Arranque a tensión reducida método estrella-delta
Arranque a tensión reducida con resistencia en el primario
Arranque con variador de frecuencia
1.5 COMPORTAMIENTO DEL MOTO-COMPRESOR
El moto-compresor como ahora le llamaremos tiene características distintas a un
motor convencional, por que estos se encuentran internos dentro de una carcasa.
1.5.1 El motor eléctrico utilizado para accionar compresores
El moto-compresor contiene un motor de inducción acoplado internamente y es
usado para accionar los compresores de tipo Herméticos, Semi-herméticos y
Rotativos.
Los motores de inducción tipo jaula de ardilla son los que se utilizan en este tipo
de sistemas. Estos son los motores eléctricos más populares y utilizados dentro
del ámbito industrial y doméstico.
Solo presentaban hasta hace algunos años dos características que en algunas
aplicaciones los dejaban en desventaja frente a otros tipos de motores eléctricos:
-6-
AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
Su comportamiento al arranque
Su control de velocidad.[2]
1.6 AHORRO DE ENERGIA EN EL AIRE ACONDICIONADO
El ahorro de energía o eficiencia energética, consiste en la optimización del
consumo energético, cuyo objeto es disminuir el uso de energía produciendo los
mismos resultados finales. [7]
La necesidad de
hacer frente al déficit energético originado por el incesante
aumento del consumo de energía debe de ser ampliamente difundido por que es
indispensable crear una conciencia colectiva sobre su uso racional.
Un sistema de aire acondicionado debe de ser bien proyectado y ejecutado,
orientado al ahorro de energía, debe contar con equipos eficientes, uso de
combustibles económicos y uso de energías alternativas a esto debe agregarse
una correcta operación, mediante temperaturas, velocidad de distribución, tiempos
de utilización y sistemas de control óptimos. Por otra parte la aplicación de un
adecuado aislamiento térmico y hermeticidad, lo que provocaría la adquisición de
equipos más pequeños con menor consumo energético durante su vida útil. [8]
Existen numerosas tecnologías y medios de aplicación para disminuir el consumo
energético, que permitan obtener menores gastos en la fase de explotación y
mantenimiento pudiendo considerar los siguientes parámetros básicos:
Disminución de las necesidades de energía.
Utilización de energías gratuitas.
Incremento de la eficiencia energética.
Correcta regulación del sistema.[8]
-7-
AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
CAPÍTULO 2
DISPOSITIVOS
ELECTRÓNICOS DE
POTENCIA QUE FORMAN
PARTE DE LOS MODULOS
DL2648 Y DL2646
-8-
AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
CAPÍTULO 2
2.1 INTRODUCCIÓN
La electrónica de potencia está encargada de la aplicación de dispositivos
electrónicos a la conversión y control de la energía eléctrica con la mayor
eficiencia posible.
Los orígenes de la electrónica de potencia están asociados a la aparición, antes
de 1940, de los rectificadores de potencia de arco de mercurio.
En la actualidad, la electrónica de potencia se ha desarrollado gracias a
dispositivos de estado sólido de pequeñas dimensiones, alta eficiencia, buena
confiabilidad y alta resistencia mecánica.
2.2 DEFINICIÓN DE ELECTRONICA DE POTENCIA
“La electrónica de potencia, según definición de IEEE, es una parte de la
electrónica multidisciplinar en sí misma, que precisa del conocimiento de otras
materias tales como la teoría de circuitos, los procesos tecnológicos, componentes
eléctricos y electrónicos, herramientas analíticas, etc., para conseguir convertir
eficientemente, controlar y acondicionar la potencia eléctrica”.
“Los circuitos electrónicos de potencia convierten la energía eléctrica de un tipo a
otro utilizando dispositivos semiconductores como interruptores (diodos
y
tiristores), para controlar o modificar una tensión o una corriente. Las aplic aciones
de los circuitos electrónicos de potencia abarcan desde los equipos de conversión
de alta potencia, como los sistemas de transmisión de corriente continua (cc),
hasta aparatos de uso común, como por ejemplo, los destornilladores eléctricos
sin cables o fuentes de alimentación de los ordenadores portátiles. La electrónica
-9-
AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
de potencia incluye aplicaciones en las que los circuitos procesan mili volts o
mega volts. Las aplicaciones típicas de la electrónica de potencia son, entro otras,
la conversión de corriente alterna (ca) en corriente continua (cc), la conversión de
corriente continua en alterna (cc en ca), la conversión de una tensión continua no
regulada en una tensión continua regulada y la conversión de una alimentación
alterna de determinada amplitud y frecuencia en otra amplitud y frecuencia
distintas.
El diseño de los equipos de conversión de potencia precisa numerosas disciplinas
de la ingeniería eléctrica. La electrónica incluye aplicaciones de la teoría de
circuitos, la teoría de control, electrónica, electromagnetismo, microprocesadores
(para control) y transferencia de calor. Los avances conseguidos en la capacidad
de conmutación de los semiconductores, combinados con el interés por mejorar el
rendimiento y las prestaciones de los dispositivos eléctricos han convertido a la
electrónica de potencia en un área de ingeniería electrónica de rápido
crecimiento”.
2.3 DIAGRAMA A BLOQUES DE UN CIRCUITO DE POTENCIA BÁSICO
Circuito de Potencia: compuesto de semiconductores de potencia y elementos
pasivos, que conecta la fuente primaria de alimentación con la carga. [1]
Electrónica Industrial:
disciplina que estudia la adaptación
de sistemas
electrónicos de potencia a procesos industriales. Siendo un sistema electrónico de
potencia aquel circuito que se encarga de controlar un proceso industrial, donde
interviene la transferencia y transformación de energía eléctrica entre la fuente
primaria y la carga, formado por varios convertidores, sensores y sistemas de
control. [1]
Un circuito de control: es aquel que procesa la información proporcionada por el
circuito de potencia y genera las señales de excitación que determinan el estado
de los semiconductores, controlados con una fase y secuencia conveniente. [1]
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AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
Fig. 3. Diagrama de bloques de un Sistema de Potencia.
2.4 DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES DEL DL2646 Y DL2648
2.4.1 Diodo de silicio
El diodo semiconductor es el dispositivo semiconductor más sencillo y se puede
encontrar, prácticamente en cualquier circuito electrónico. Los diodos se fabrican
en versiones de silicio (la más utilizada) y de germanio.
Los diodos constan de dos partes, una llamada N y la otra llamada P, separados
por una juntura llamada barrera o unión. Esta barrera o unión es de 0.6 V
aproximadamente en el diodo de silicio.
El semiconductor tipo N tiene electrones libres (exceso de electrones) y el
semiconductor tipo P tiene huecos libres (ausencia o falta de electrones).
El diodo de silicio esta formado por un chip semiconductor mono cristalino con
empalme P-N el cual permite un ágil flujo de cargas en una dirección pero
restringe el flujo en la dirección opuesta.
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AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
Los diodos de silicio remplazan a las celdas de selenio en numerosas aplicaciones
y son empleados por rectificadores no controlados en cualquier rango de potencia
y como diodos delibre circulación.
Fig.4. Símbolo del diodo y curva característica.
2.4.2 RECTIFICADOR PUENTE DE DOS IMPULSOS
El circuito puente tiene dos pares de derivación de diodos en serie, conectados en
paralelo, como se indica en la siguiente figura:
Fig.5. Rectificador tipo puente.
En el circuito puente (puente de Graetz), alternativamente dos diodos (V2 – V3)
son polarizados directamente y otros dos (V4 – V1) son polarizados inversamente:
la corriente Id circula a través de la carga R durante los dos períodos medios del
voltaje alterno Uv.
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AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
Fig. 6. Formas de onda que muestran el cambio que se va dando de C.A a C.D.
Su misión fundamental es proporcionar energía eléctrica en forma de
corriente continua a partir de una fuente de corriente alterna
(normalmente la red).
La corriente continua se obtiene aprovechando determinados trozos de
la corriente alterna de cada una de las fases de entrada:
El resultado es una corriente de una sola polaridad pero variable. Se
pueden utilizar distintos filtros para eliminar las componentes variables
de la salida y conseguir una corriente continua más pura.
Utilizando semiconductores controlables (tiristores) se puede ajustar la
duración del trozo de tensión alterna aprovechable y de esa forma
conseguir corriente continua con valor medio variable entre ciertos
límites (incluso negativos).
Fig. 7. Formas de onda que muestran la obtención de corriente continua con valor medio variable
negativos.
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AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
2.4.3 IGBT
La sigla IGBT corresponde a las iniciales de Isulated Gate Bipolar Transistor o sea
Transistor Bipolar de Compuerta Aislada. El IGBT es un dispositivo semiconductor
de potencia híbrido que combina los atributos del BJT y del MOSFET. Posee una
compuerta tipo MOSFET y por consiguiente tiene una alta impedancia de entrada.
La compuerta (gate) maneja voltaje como el MOSFET. El símbolo más
comúnmente usado se muestra en la figura 8. Al igual que el MOSFET de
potencia, el IGBT no exhibe el fenómeno de ruptura secundario como el BJT.
El Transistor Bipolar de Compuerta Aislada (IGBT) es un dispositivo electrónico
que generalmente se aplica a circuitos de potencia. Este es un dispositivo para la
conmutación en sistemas de alta tensión. La tensión de control de puerta es de
unos 15V. Esto ofrece la ventaja de controlar sistemas de potencia aplicando una
señal eléctrica de entrada muy débil en la puerta.
El IGBT de la figura es una conexión integrada de un MOSFET y un BJT. El
circuito de excitación del IGBT es como el del MOSFET, mientras que las
características de conducción son como las del BJT. El IGBT es adecuado para
velocidades de conmutación de hasta 20 KHz y ha sustituido al BJT en muchas
aplicaciones.
Es un componente de tres terminales que se denominan GATE (G) o puerta,
COLECTOR (C) y EMISOR (E) y su símbolo corresponde al dibujo de la figura
siguiente.
Fig. 8. Representación simbólica del transistor IGBT. a) Como BJT.
b) Como MOSFET
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AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
2.5 METODO DE CONTROL
2.5.1 Modulación de anchura de impulsos (PWM)
PWM = Pulse Width Modulation, Modulación de Ancho de Pulso.
Hay muchos circuitos analógicos para el uso de PWM, por ejemplo los basados en
el famoso LM555, que por medio de voltaje hacemos que cambie su ancho de
pulso.
La forma de onda de un PWM se puede ver enseguida:
Fig. 9. Forma de onda de un PWM.
Como se observa, se tiene la misma frecuencia con un diferente ancho de pulso (o
ciclo de trabajo).
2.6 INVERSORES
2.6.1 Introducción
Los onduladores o inversores son convertidores estáticos de energía que
convierten la corriente continua CC en corriente alterna CA, con la posibilidad de
alimentar una carga en alterna, regulando la tensión, la frecuencia o bien ambas.
Más exactamente, los inversores transfieren potencia desde una fuente de
continua a una carga de alterna.
Las aplicaciones típicas de los inversores de potencia pueden ser:
• Accionamientos de motores de CA de velocidad ajustable.
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AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
• Sistemas de alimentación ininterrumpida (SAI)
• Dispositivos de corriente alterna que funcionan a partir de una batería.
• Hornos de inducción, etc.
2.6.2 UNIDAD DE CONTROL (PWM) DL2648
Unidad de control usada junto al convertidor de frecuencia DL 2646 para realizar
un inversión de fuente de tensión con control PWM.
Todas las funciones de control, monitorización y medida están integradas en la
unidad de control (un micro controlador sobrentiende la gestión a través de un
programa memorizado en una EPROM) mientras el convertidor de frecuencia
contiene solamente la sección de potencia.
Un modulador PWM manda a los IGBT de potencia del inversor el de modo de
generar una corriente sinusoidal para alimentar el motor asíncrono.
Fig. 10. (PWM) DL2648
- 16 -
AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
2.6.3 Disparo de onda cuadrada pulsada
En el llamado margen de velocidad básico, bajo el punto nominal de trabajo del
motor de inducción conectado, al cual la máquina es alimentada con la tensión
nominal una frecuencia nominal f N, de manera que genere el flujo nominal ΦN; la
tensión debe en principio cambiarse proporcionalmente a la frecuencia de forma
que el flujo permanezca constante a su valor nominal.
La modulación en bloque no puede cumplir este requerimiento esencial, entonces
la tensión de cada fase es pulsada uniformemente con una alta frecuencia de reloj,
de modo que el valor medio de la tensión de salida del inversor se vuelva mas
bajo por un factor de f M/fN, como se representa en la siguiente Fig.11.
Fig.11. Disparo de onda cuadrada
2.6.4 Modulación de duración de impulsos (PWM)
La tensión de salida de cada fase de inversor se modula de manera sinusoidal. La
unidad de control de PWM DL 2648 contiene una tabla con veinticuatro valores
distintos acumulados, correspondiente al valor instantáneo de la semionda
sinusoidal, que puede ser usada directamente para establecer la relación de
trabajo de impulsos de los semiconductores del inversor. Un total de veinticuatro
valores son consecutivamente generados para la semionda positiva y veinticuatro
para la semionda negativa; el desplazamiento de fase de 120° o 240° para las
otras fases es alcanzado a través de una compensación de tabla de 16 o 32
posiciones respectivamente.
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AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
Para mayor claridad la Fig.12. Muestra que la semionda sinusoidal está basada en
sólo 6 diferentes valores.
Fig.12. Muestra de semionda sinusoidal en 6 diferentes valores.
2.7 CONVERTIDOR DE FRECUENCIA VARIABLE DL2646
Los convertidores de frecuencia variable, que actúan como una interface entre el
sistema de energía para sistemas auxiliares y el motor de inducción, deben
satisfacer los siguientes requerimientos básicos:
a) Capacidad para ajustar la frecuencia de acuerdo a la velocidad de salida
deseada.
b) Capacidad para ajustar la tensión de salida de manera de mantener un
flujo de entrehierros constante en la región de torsión constante.
Excepto para casos especiales donde se utilizan ciclo convertidores, los
accionamientos de frecuencia variable emplean inversores con una entrada de cc.
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AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
Fig.13. Convertidor de frecuencia variable.
- 19 -
AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
CAPÍTULO 3
FORMULACIÓN DEL
PROBLEMA
- 20 -
AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
CAPÍTULO 3
3.1 INTRODUCCIÓN
Desde la aparición del aire acondicionado, la industria, el comercio y las zonas
residenciales buscaron adecuar estos sistemas a sus necesidades propias. Lo
que condujo a que el aire acondicionado fuera indispensable para todos los
procesos productivos y de confort. La prospectiva del sector eléctrico menciona
que el aire acondicionado es uno de los factores de mayor consumo eléctrico.
Por tanto estos sistemas son de un alto consumo de energía debido al efecto del
clima y humedad, este ultimo no tomado en cuenta en la investigación, por eso se
tiene la necesidad de
acondicionado
modernizar los sistemas convencionales de aire
utilizando tecnología de punta para reducir sus consumos
energéticos y aunado a esto los costos de operación, sin dejar atrás un buen
programa de mantenimiento preventivo y correctivo.
3.2 DEMANDA DE LOS EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO Y
REFRIGERACIÓN EN ZONA SURESTE Y NORTE DE MÉXICO.
Un ejemplo donde se puede apreciar el efecto del clima de las diferentes regiones
del país en el consumo de energía eléctrica es comparado el consumo medio
anual de cada región. Por ejemplo, el consumo medio anual nacional es de 137
kWh/usuario, mientras que en el sureste del país, en Oaxaca, se tiene un
consumo medio anual de 84 kWh/usuario y Chiapas, tiene 92 kWh/usuario (en
estas regiones la mayoría de la población no tiene equipos de consumo de
energía eléctrica para la climatización artificial). En cambio en los estados del
norte del país se presenta un mayor consumo medio anual de 218 kWh/usuario y
Sinaloa con 258 kW h/usuario, esto principalmente por el uso de equipo para
climatización artificial y al poder adquisitivo de la población de estos estados.
- 21 -
AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
Lo cual demuestra que en la zona norte el consumo de energía aumenta en un
100% a 200%, en México la demanda de los equipos de aire acondicionado y de
refrigeración
es muy elevada dependiendo de la región geográfica en que se
encuentren.
En México el clima está determinado por varios factores, entre los que se
encuentran la altitud sobre el nivel del mar, la latitud geográfica, las diversas
condiciones atmosféricas y la distribución existente de tierra y agua. Por lo
anterior, el país cuenta con una gran diversidad de climas, los cuales de manera
muy general pueden clasificarse, según su temperatura, en cálido y templado; y de
acuerdo con la humedad existente en el medio, en: húmedo, subhúmedo y muy
seco.
Fig. 14. Mapa con las diferentes temperaturas existentes en el país.
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AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
La tabla siguiente muestra como se comportan los climas en México
dependiendo la región en la que se encuentran.
Tabla 1. Muestra de las diferentes temperaturas de acuerdo al clima humedad y precipitación
anual.
Clima
Extensión territorial
Precipitación
Temperatura
Anual
Seco
28.3%
300 a 600 mm
22° a 26° C
Muy seco
20.8%
100 a 300 mm
18° a 22° C
Cálido
4.7%
2,000 a 4,000 mm
22° y 26°C
23%
1,000 y 2,000 mm
22° y 26°
2.7%
2,000 a 4,000 mm
18° y 22°C
20.5%
600 a 1,000 mm
10° y 18° C y de
Húmedo
Cálido
Sub-húmedo
Templado
Húmedo
Templado
18° a 22°C
Sub-húmedo
3.3 RÉGIMEN DE OPERACIÓN DE UN AIRE ACONDICIONADO EN
EL ESTADO DE MEXICO DE ACUERDO A LA TEMPERATURA
Considerando que la temperatura no varía al paso de los días se toman como
patrón dos días
del mes de Junio
donde se mostrara el pronóstico de la
temperatura respecto al tiempo. La siguiente grafica mostrara ese patrón.
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AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
Fig. 15. Temperaturas del Estado de México.
NOTA: Los parámetros de confort con respecto a la temperatura del aire
acondicionado, de acuerdo a la organización ASHRAE son los siguientes:
• Temperatura: entre 22 y 24 grados centígrados.
3.4 COMPORTAMIENTO DEL MOTO-COMPRESOR
El moto-compresor como ahora le llamaremos tiene características distintas a un
motor convencional ya que estos se encuentran internos dentro de una carcasa.
3.4.1 El motor eléctrico utilizado para accionar compresores.
El motor-compresor contiene un motor de inducción acoplado internamente y es
usado para accionar los compresores de tipo Herméticos, Semi-herméticos y
rotativos.
- 24 -
AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
Los motores de inducción tipo jaula de ardilla es el que se utiliza en este tipo de
sistemas y estos 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 sin número de aplicaciones.
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.
3.4.2. Dinámica de la maquina de inducción.
Entre los motores de inducción el problema dinámicos más comunes están
relacionados con el arranque, paro y con la capacidad del motor de seguir
trabajando durante ciertas perturbaciones del sistema eléctrico.
Sin embargo, ahora con la aplicación de los inversores de frecuencia, ambas
características han sido controladas.
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
- 25 -
AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
cuando se requiera arranques y paros continuos, reversiones, control de
velocidad, etc.
Lo anterior debido a que posee un rotor con baja inercia, libre de conmutador,
anillos rasantes y escobillas, una gran rigidez, y un control desde el diseño de la
inductancia y resistencia.
Por todo esto se puede afirmar que el motor de inducción tipo jaula junto con los
inversores de frecuencia representan una excelente alternativa de reemplazo
contra los sistemas tradicionales como puede ser el motor de CD y el motor de
inducción con rotor devanado.
3.4.3 Control del par.
.
Fig. 16. Par de arranque.
3.4.4 Control de velocidad.
La velocidad síncrona de un motor de inducción se puede modificar:
a) Cambiando el numero de polos
b) Cambiando la frecuencia de suministro.
c) Variando el voltaje de suministro
d) Variando la resistencia del rotor
e) Aplicando voltajes de frecuencia adecuada a los circuitos del rotor.
- 26 -
AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
Parte del desarrollo de la tesis es variar la velocidad del motor, cambiando la
frecuencia de suministro, la cual se tratará con más detalle. Por tonto se requiere
mantener la densidad de flujo constante, por lo que se debe hacer variar el voltaje
directamente con la frecuencia, mientras que el par permanecerá constante.
El problema será determinar la fuente de frecuencia ajustable
más efectiva y
eficiente.
3.5
TARIFA DOMESTICA 1A
TEMPERATURA MEDIA DE 25°C, DE ALTO
CONSUMO (DCA) MAS DE 300KWH.
En el país se tienen distintas tarifas pero para cuestiones de esta tesis se utilizara
la siguiente
Tabla 2. Tarifa domestica 1A más de 300KWH a 25°C.
3.6 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
Se realizará un
estudio en
el comportamiento del
aire acondicionado
principalmente en el moto-compresor el cual para este caso será monofásico
debido a que es el único equipo con el que se cuenta midiendo su corriente de
arranque para saber si es factible el acoplamiento de un variador de frecuencia,
- 27 -
AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
tratando de reducir el consumo eléctrico variando la frecuencia del sistema y
evitando que la corriente de arranque sea de su valor máximo.
Para esto se tomara en cuenta el factor temperatura debido a que los equipos de
aire acondicionado cuentan con un ciclo de operación durante un determinado
tiempo, buscando la forma de reducir el consumo eléctrico y por ende el costo de
facturación. A su vez se tomara la tarifa domestica 1A doméstica de 300 kWh para
realizar las mediciones.
Se analizaran los resultados de mediciones correspondientes del equipo de aire
acondicionado sin el variador de frecuencia, estos resultados serán comparados
con el mismo equipo pero ahora con el convertidor de frecuencia DL2646 y Unidad
de control PWM DL2648.
- 28 -
AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
CAPÍTULO 4
PRUEBAS Y RESULTADOS
- 29 -
AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
CAPÍTULO 4
4.1 INTRODUCCIÓN
En este capitulo se dará a conocer las pruebas realizadas y los resultados
obtenidos en laboratorio, para saber si se puede satisfacer el objetivo principal.
Para esta prueba se utilizaran los siguientes equipos.
Unidad de aire acondicionado tipo ventana.
Instrumento de medición Power Quality Analizer.
Tarifa domestica más de 300 kWh a 25°C
4.2 PRUEBAS
PARA LA UNIDAD DE AIRE ACONDICIONADO
TIPO VENTANA SIN MÓDULOS.
Se realizaron tres pruebas a la unidad de aire acondicionado las cuales se
describen a continuación.
Prueba 1.
a)
Se desarmó el equipo de aire acondicionado tipo ventana para visualizar el
estado físico de cada uno de los componentes y su forma de operación.
Fig.17. Visualización interna del aire acondicionado.
- 30 -
AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
b)
La realización de las pruebas al equipo aire acondicionado unidad tipo
ventana, fue con una tensión de 124.6 V en el laboratorio de electrónica de
potencia utilizando el Power Quality Analizer , el cual se configuro a una escala
pertinente.
Fig.18. Power Quality Analizer.
MEDICIONES CON EL POWER QUALITY ANALIZER.
c)
En esta prueba se manejó una escala de: 1 seg. – 50 Amp.
Resultados obtenidos
Tabla. 3 Resultados obtenidos de la prueba 1.
IArranque INominal Voltaje F
P
Q
S
T
Escala F.P
[A]
[A]
[V]
[Hz] [kW] [kVAr] [kVA] [s] (I)
[A]
80
11.76
126.8
60
1.31
0.69
1.48
1
50
Tiempo
de
estabilización
de IArranque
0.89 0.88 seg.
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AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
Graficas obtenidas con el Power Quality Analizer
Fig. 19. Formas de onda de la potencia y la corriente.
Esta gráfica muestra las diferentes potencias en kW, kVA, kVAr además de la
frecuencia del sistema y el factor de potencia.
Fig. 20. Formas de onda de la tensión aplicada y la corriente nominal de equipo.
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AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
Fig. 21. Corriente de arranque del aire acondicionado tipo ventana.
En esta gráfica se observa la corriente máxima de arranque del moto-compresor la
cual se estabiliza conforme pasa el tiempo para llegar a su corriente nominal.
Prueba 2.
Escala utilizada para la segunda prueba: 5 seg. 50 A
Resultados obtenidos
Tabla 4. Resultados obtenidos de la prueba dos.
IArranque INominal Voltaje F
P
Q
S
T
Escala F.P
[A]
[A]
[V]
[Hz] [kW] [kVAr] [kVA] [s] (I)
[A]
76
11.45
126.1
60
1.3
0.66
1.45
5
50
Tiempo
de
estabilización
de la IArranque
0.89 0.89 seg
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AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
Graficas con el Power Quality Analizer
Fig. 22. Formas de onda de la potencia y la corriente.
En esta grafica se logra ver las diferentes potencias en kW, kVA, kVAr además de
la frecuencia del sistema y el factor de potencia.
Fig. 23. Formas de onda de la tensión aplicada y la corriente nominal de equipo.
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AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
Fig. 24. Corriente de arranque del aire acondicionado tipo ventana.
En esta grafica se logra ver la corriente máxima de arranque del compresor la cual
se estabiliza conforme pasa el tiempo para llegar a su corriente nominal.
Prueba 3.
Escala utilizada para la tercera prueba: 10 seg. 50 A
Resultados obtenidos
Tabla 5. Resultados obtenidos de la prueba tres.
IArranque INominal Voltaje F
P
Q
S
T
Escala F.P
[A]
[A]
[V]
[Hz] [kW] [kVAr] [kVA] [s] (I)
[A]
76
11.43
126.2
60
1.29
0.69
1.46
10
50
Tiempo
de
estabilización
de la IArranque
0.88 1 seg.
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AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
Graficas con el Power Quality Analizer
Fig. 25. Formas de onda de la potencia y la corriente.
En esta grafica se logra ver las diferentes potencias en kW, kVA, kVAr además de
la frecuencia del sistema y el factor de potencia
Fig. 26. Formas de onda de la tensión aplicada y la corriente nominal de equipo.
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AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
Fig. 27. Corriente de arranque del aire acondicionado tipo ventana.
En esta grafica se logra ver la corriente máxima de arranque del compresor la cual
se estabiliza conforme pasa el tiempo para llegar a su corriente nominal.
Ahora se dispondrá a realizar la media aritmética de los resultados obtenidos.
IArranque INominal Voltaje
F
P
Q
S
[A]
[A]
[V]
[Hz] [kW] [kVAr] [kVA]
77.3
11.54
126.2
60
1.3
0.68
1.46
T
[s]
Escala
(I)
[A]
F.P
Tiempo de
estabilización
de la IArranque
n/a
50
0.88
0.92 seg.
Tabla 6. Media de los resultados Obtenidos.
Con estos resultados se procederá a realizar los cálculos de la potencia que
demanda el aire acondicionado en el ciclo completo durante una hora, desde el
arranque hasta la estabilización de su corriente nominal.
Considerando el tiempo de 1 hora se realizan mediciones para saber cual es el
ciclo de operación del aire acondicionado.
- 37 -
AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
Fig.28. Régimen de operación de un aire acondicionado.
En la tabla 7, se muestran los siguientes valores de arranque y paro del aire
acondicionado en el periodo de 1 hora. Clima templado de la ciudad de México.
Las mediciones se hicieron en un área de 12m 3 a 24°C, para una temperatura de
confort de 22 °C con un diferencial de 1°C en el Set-point. El experimento fue
realizado a las 14:00 pm del día 14 de mayo del 2012.
Tabla. 7 Régimen de operación del motor.
Arranque
Paro
14:00 pm
14:08
pm
14.18
pm
14:29
pm
14:40
pm
14:51
pm
15:00
pm
14:12 pm
14:23 pm
14:34 pm
14:45 pm
14:56 pm
Tiempo
de trabajo
[ min]
8
Tiempo
de paro
[min]
4
Temperatura Temperatura
Inicial
final
[°C]
[°C]
24
21
6
5
23
21
6
5
23
21
6
5
23
21
6
5
23
21
4
---
23
21
- 38 -
AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
Y de acuerdo a la figura 29, temperaturas tomadas en el mes de septiembre, se
observa que el aire acondicionado entra solo en la demanda intermedia por eso no
tomaremos en cuenta la demanda base ni la demanda punta.
Fig. 29. Temperaturas del Estado de México. Mes Septiembre.
En la grafica 29 se demuestra que el horario de funcionamiento del aire
acondicionado será aproximadamente a partir de las 11:30 a.m. a las 19:00 p.m.
operando continuamente 7 horas 30 minutos.
NOTA: Solo se toman en cuenta temperaturas ambientales más no la temperatura
de la carga que se desea abatir.
- 39 -
AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
Ahora procederemos a hacer los cálculos pertinentes utilizando la tarifa doméstica
1A con un factor de utilización de 80% y con los valores antes mencionados se
calculan los siguientes parámetros y de acuerdo al tiempo de operación del aire
acondicionado tipo ventana.
Tabla 8. Consumo total del aire acondicionado.
Tabla 9. Consumo del arranque del compresor.
De aquí solo se tomara en cuenta las temperaturas del clima sub-húmedo
principalmente del Estado de México y Distrito Federal, donde se realizaron los
experimentos correspondientes, sin embargo esta propuesta será factible para las
ciudades del norte donde su consumo por climatización artificial es muy elevado
ya que este tiene un mayor rango de operación.
- 40 -
AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
4.3 PRUEBAS AL EQUIPO DE AIRE ACONDICIONADO CON LOS
MÓDULOS
Debido a que las primeras pruebas con los módulos DL2646 y DL2648 no fueron
satisfactorias ya que presentaba ruidos no deseables, además de que se
accionaban sus protecciones en cuanto lo conectábamos debido a que estos
módulos son monofásicos de 220 V, por lo que se retiraron las pruebas, por que
podríamos dañar el equipo, Después se conectan otros módulos acondicionando a
la tensión de 120 V, para el arranque suave del aire acondicionado tipo ventana.
Fig.30. Conexión nueva de módulos.
Se regula el ancho de pulso para accionar los IGBT.
Fig.31. Ancho modulador de pulso.
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AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
Se comienza a desarmar el control del equipo de aire acondicionado para el
acoplamiento del variador de frecuencia. Figura 32 y figura 33.
Fig. 32. Control del aire Acondicionado
Fig. 33. Conexión al aire acondicionado tipo ventana.
Se obtiene la señal de tensión después de los IGBT’S, comprobando que si
funciona el nuevo diseño.
- 42 -
AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
Fig. 34 Tensión de salida de los IGBT´S.
NOTA: Cuando se colocan los filtros la onda de salida de tensión en corriente
alterna se podrá apreciar más pura.
Al encender se presentaba resonancia en los equipos y las protecciones se
disparaban al llegar a 70 V en la salida de los IGBT´s. El equipo utilizado es
propiedad del laboratorio de la escuela superior de ingeniería mecánica y eléctrica
unidad zacatenco del instituto politécnico nacional, por lo que decidimos no
arriesgar el equipo ya que además es muy costoso, por ende, no se continuo con
las pruebas, por lo que el cálculo del ahorro de energía solo se visualiza con los
parámetros obtenidos en la prueba sin módulos.
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AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
CAPÍTULO 5
ANÁLISIS COSTO-BENEFICIO
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AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
5.1 ANÁLISIS COSTO-BENEFICIO
El análisis costo-beneficio es una herramienta financiera que mide la relación entre
los costos y beneficios asociados a un proyecto de inversión con el fin de evaluar
su rentabilidad, entendiéndose por proyecto de inversión no solo como la creación
de un nuevo negocio, sino también, como inversiones que se pueden hacer en un
negocio en marcha tales como el desarrollo de nuevo producto o la adquisición de
nueva maquinaria.
Mientras que la relación costo-beneficio
, también conocida como índice
neto de rentabilidad, es un cociente que se obtiene al dividir el Valor Actual de los
Ingresos totales netos o beneficios netos (VAI) entre el Valor Actual de los Costos
de inversión o costos totales (VAC) de un proyecto.
(Ecuación 1)
Según el análisis costo-beneficio, un proyecto o negocio será rentable cuando la
relación costo-beneficio es mayor que la unidad.
5.1.1 Implementación en el proyecto.
Este proyecto lleva el nombre de ahorro de energía en equipos de aire
acondicionado por lo que éste análisis costo-beneficio solo se aplicara en el
consumo de energía del compresor específicamente con la corriente de arranque
del compresor tipo ventana del aire acondicionado utilizado en este proyecto, al
final de este análisis se observara si es rentable la aplicación de equipos
electrónicos para disminuir la corriente de arranque y conocer que tantos
beneficios o costos incluye este proyecto.
Este análisis solo incluye los costos y beneficios de la disminución de la corriente
de arranque con dispositivos electrónicos con su consumo y facturación de
energía, por lo que se deja fuera de este análisis
los siguientes costos y/o
beneficios:
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AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
a) Mantenimiento preventivo y/o correctivo al equipo.
b) Mano de obra para la instalación del dispositivo electrónico.
c) Calibre de conductores.
d) Protecciones.
e) Canalizaciones.
La tabla 10, muestra el consumo de energía que tiene el compresor con la
corriente de arranque.
Tabla 10. Consumo de energía del compresor.
Corriente
Potencia
Tiempo
Energía consumida en
(A)
(kW)
(s)
kWh/día
77.3
9.7552
0.0115
0.1121848
Dado que se utiliza un factor de utilización para la facturación de energía en pesos
el consumo de energía queda de la siguiente manera:
Tabla 11. Consumo de energía en kWh/día.
Factor de utilización
Energía consumida en kWh/día
0.8
0.08974784
La compañía suministradora de energía toma lecturas cada dos meses por lo que
su consumo en dos meses es el siguiente:
Tabla 12. Consumo de energía en kWh/mes.
No. de Meses
Energía consumida en kWh/Mes
2
5.3848704
Para conocer si un proyecto es rentable se hace una proyección en cinco años
tomando en cuenta los siguientes datos:
a) El valor de la tarifa por kWh no cambia.
b) El valor de la moneda nacional no se devalúa.
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AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
La siguiente tabla muestra el consumo de energía en un año y en cinco años.
Tabla 13. Consumo de energía en kWh/cinco años.
Energía consumida en kWh/Año
Energía consumida en
kWh/Cinco Años
32.3092224
161.54112
Para la facturación de la energía se consulto el precio de la tarifas y condiciones
que proporciona la compañía suministradora de energía eléctrica, conforme a el
consumo del aparato de aire acondicionado entra en la tarifa 1A domestica.
La tabla 14 muestra los datos de esta tarifa.
Tabla 14. Tarifa 1A.
Tarifa
Precio en pesos Mexicanos
Tarifa 1A Domestica
$ 0.971
Multiplicando la tarifa por el consumo en un año y cinco años el valor en pesos en
la siguiente tabla:
Tabla 15. Total a pagar de 1 y 5 años en moneda nacional.
Total a pagar en 1 Año
Total a pagar en 5 Años
$ 31.37225495
$ 156.8612748
El valor de cinco años es el ahorro en pesos que tendríamos con la disminución
de la corriente de arranque.
Los dispositivos electrónicos en el mercado tienen el siguiente costo:
Tabla 16. Precio de acuerdo a fabricantes.
Fabricante
Precio
Siemens
$1000
RACOM
$900
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AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
Aplicando la fórmula del costo-beneficio nos arroja lo siguiente:
(Ecuación 1)
Sustituyendo en la ecuación 1.
El resultado obtenido de la operación anterior es = 0.15
Como el valor es
menor a la unidad se demuestra que este proyecto no es
rentable con el solo hecho de disminuir la corriente de arranque del compresor.
5.2 TABLAS COMPARATIVAS
La procuraduría federal del consumidor (PROFECO) tiene estudiadas y analizadas
diferentes marcas de aires acondicionados siendo las más representativas las
siguientes marcas:
a) LG
b) Samsung
c) York
d) Carrier
Las siguientes tablas muestran la comparación de estas marcas en las siguientes
especificaciones:
a) Tensión de alimentación.
Tabla 17. Tensión de alimentación.
Marca
Tensión ( V )
LG
220
Samsung
220
York
127
Carrier
115
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AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
b) Corriente nominal.
Tabla 18. Corriente nominal.
Marca
Corriente Nominal (A)
LG
5.5
Samsung
5.5
York
7.0
Carrier
11,1
c) Potencia.
Tabla 19. Potencia.
Marca
Potencia (W)
LG
1220
Samsung
3000
York
1500
Carrier
1229
d) Frecuencia
Tabla 20. Frecuencia.
Marca
Frecuencia (Hz)
LG
60
Samsung
60
York
60
Carrier
60
e) Modelo
Tabla 21. Modelo.
Marca
Modelo
LG
W122CM
Samsung
AW12PKBGXAX
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AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
York
YCUSC24
Carrier
MCB121RB-C
f) Precio
Tabla 22. Precio.
Marca
Precio ($) M.N.
LG
$ 2000
Samsung
$ 2500
York
$ 2300
Carrier
$ 2900
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AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
CAPÍTULO 6
CONCLUSIONES Y
TRABAJOS A FUTURO
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AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
6.1 CONCLUSIONES
En esta tesis se trabajó con el ahorro de energía en equipos de aire acondicionado
utilizando un variador de frecuencia para el arranque suave del compresor del aire
acondicionado. Con referencia a los resultados obtenidos en el desarrollo del
proyecto se concluye lo siguiente:
a) En los primeros cálculos obtenidos en el aire acondicionado sin módulos,
obtuvimos una potencia de arranque muy grande en el orden de los 10kW,
sin embargo como el tiempo de estabilización es muy corto se utilizó el
Power Quality Analizer, para lograr ver esas corrientes transitorias y poder
calcularlas.
b) El equipo de aire acondicionado tipo ventana utilizado en las pruebas se
rige bajo normas mexicanas, con tensiones entre líneas de 220 Vrms y de
fase a neutro de 127 Vrms, y el equipo adicional utilizado como son: fuente
de alimentación, unidad PWM DL2648 y convertidor de frecuencia variable
DL2646 son equipos europeos, así que sus especificaciones técnicas se
rigen bajo normas europeas. Considerando que en Europa, la tensión entre
líneas es de 440 Vrms y la de fase a neutro es de 254 Vrms, al arrancar el
equipo de aire acondicionado genera una corriente superior a la que están
diseñados los equipos adicionales, así que operaba la protección de la
fuente de alimentación antes de que pudiéramos tomar las mediciones
respectivas. Esta razón es la que nos impidió realizar las pruebas al equipo
de aire acondicionado de manera satisfactoria.
c) Los diodos, IGBTS y protecciones fueron calculadas por D´Lorenzo para la
tensión de 440 Vrms y al aplicarle 127 Vrms presentaban calentamiento
debido al incremento de corriente que dañaba su capacidad térmica. Esto
provocaba el disparo de la protección de la fuente de alimentación para no
dañar los demás dispositivos del circuito electrónico.
d) Se intento un nuevo diseño pero ahora a 127 Vrms el cual si funciono pero
también al llegar a los 70 Vrms presento las mismas fallas.
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AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
e) Respecto a lo que es el ahorro de energía en la corriente de arranque para
una tarifa 1A doméstica, resulta no factible la colocación de un variador de
frecuencia en el arranque del moto-compresor del aire acondicionado tipo
ventana, ya que esta corriente de arranque es transitoria, se presenta en un
lapso de tiempo muy corto y la utilización del variador de frecuencia queda
sujeta al incremento de la temperatura la cual se mantiene en un régimen
de operación constante. Y de acuerdo a nuestro análisis económico no
resulta viable la instalación del variador de frecuencia en equipos pequeños
de casas habitación.
f) De haber logrado nuestro objetivo de un arranque suave , se consideraría
también ahorro en la partes involucradas a este equipo tales como:
i.
Mecánicas.
ii.
Eléctricas:
caídas de
i.
Alimentadores,
Protecciones,
Trasformadores,
tensiones, etc.
En cuestión mecánica porque al arrancar el motor de manera suave, se
elimina el golpeo del rotor al estator en cuestión electromagnética, por
que al arrancarlo a tensión nominal, el flujo electromagnético generado
es llevado instantáneamente a su valor nominal y con el variador de
frecuencia se hace de manera lenta, además de que sus rodamientos y
partes fijas se reduciría su desgaste.
ii. En cuestión eléctrica por que en el caso de las protecciones se
calcularían para una menor capacidad de corriente, eso implica un
menor costo en el equipo a utilizar, y lo mismo sucede con el
trasformador y los alimentadores, no se necesitaría protegerlos de
corrientes muy elevadas puesto que es lo que se estaría eliminando.
g) Además se proponen trabajos posteriores que podrían aumentar este
ahorro de energía, visto desde la parte económica, que ayudarían a
solventar el costo del variador de frecuencia, obteniendo así un ahorro
mayor.
h) Con respecto al objetivo de la tesis, se indica que si se cumple. Puesto que,
aunque no resulte viable la utilización del variador de frecuencia por no
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AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
haber un ahorro económico que permita recuperar la inversión en la compra
de la misma, si se logra reducir el consumo de energía eléctrica en equipos
de aire acondicionado con los módulos: convertidor de frecuencia DL 2646
y unidad de control PWM DL2648 de acuerdo a nuestro análisis económico.
6.2 TRABAJOS POSTERIORES
a) Realizar estas mismas mediciones pero con las distintas tarifas y climas
existentes en la Republica Mexicana para saber si es factible la colocación
de los variadores de frecuencia en la reducción de la corriente de arranque.
b) Desarrollar el proyecto en aires acondicionados industriales y comerciales
ya que en estos sectores sí es factible la colocación de los variadores de
frecuencia. Debido a que los equipos de aire acondicionado trabajan día y
noche.
c) Realizar un circuito eléctrico y físico del variador de frecuencia, con
especificaciones nacionales respecto a los parámetros de tensión y
frecuencia eléctrica del Sistema Eléctrico de Potencia (SEP) nacional para
arrancar equipos de mayor capacidad.
d) En el variador de frecuencia, realizar una retroalimentación para que este
pueda ser utilizado como protección utilizando las distintas compuertas
lógicas programables.
e) Realizar el análisis económico a las partes involucradas tales como:
i.
Mecánicas.
ii.
Eléctricas.
iii.
Mantenimiento (Preventivo y correctivo).
f) Los moto-compresores también se encuentran instalados en sistemas de
refrigeración domestico por lo que se podría también incluir los arranques
suaves con variadores de frecuencia.
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AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
REFERENCIAS
[1]
Artículo de Conti González Báez, Historia del aire acondicionado. [Web en
línea]<>.http://www.elaireacondicionado.com/.../historia_aire_acondicionado
. [Consulta: 02-09-2011]
[2]
Archivo Power Point Convertidores de frecuencia y motores. [Web en
línea]<>.http://www.weg.net/files/docs/WMX-Stock-productos-mediatension. [Consulta: 07-12-2011]
[3]
Curvas de demanda de energía eléctrica en el sector doméstico de dos
regiones de México. [Web en línea].
http://www.iie.org.mx/boletin042011/investiga [Consulta: 03-12-2011]
[4]
Climas de México. [Web en línea]
http://smn.cna.gob.mx/index.php?option=com_content&view=article&id=103
&Itemid=80 [Consulta: 28-01-2012]
[5]
Daniel W. Hart.Electrónica de Potencia. Prentice Hall. 1ª Edición.
[6]
Enríquez Harper, Manual de Instalaciones eléctricas
residenciales e
industriales, Editorial LIMUSA, 2a Edición. pp. 272-274.
[7]
Manual ALDEY Instituto, Refrigeración y aire acondicionado.
[8]
Manual de módulos de electrónica de potencia DE LORENZO SRL - Printed
in Italy - All right reserved. Página web de consulta:
www.delorenzogroup.com
[9]
Ned Mohan, Tore M. Undeland, y William P. Robbins. Electrónica de
potencia: Convertidores, aplicaciones y diseño. Mc Graw Hill, 3ª Edición.
[10]
Parámetros de Confort de un aire acondicionado ASHRAE. [Web en línea]
http://www.cyvsa.com/confort.html [Consulta: 05-02-2012]
[11]
Temperaturas por hora. [Web en línea]
http://clima.msn.com/hourly.aspx?wealocations=wc:MXDF0132
[Consulta:
01-02-2012]
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AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
APÉNDICES
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AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
APÉNDICE A
MODULOS DE ELECTRONICA
DE POTENCIA DL2646 Y DL2648
A1. CONVERTIDOR DE FRECUENCIA DL 2646
Convertidor con inversor de fuente de tensión y transistor que son pilotados por
impulsos para la generación de un sistema trifásicos con frecuencia y tensión
variables. Este dispositivo se usa junto a la unidad de control PWM DL 2648 para
realizar un convertidor de frecuencia que sea adapto para el accionamiento de
motores asincrónicos.
Fig. A. 1. Convertidor de frecuencia DL 2646
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AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
A1.1 Especificaciones técnicas
Tensión de salida: 3 x 0...230 V.
Corriente de salida: 3 x 8 A máx.
Tensiones de alimentación:
circuito de potencia, 1 x 255 V máx, 50/60 Hz;
circuito de control, red monofásica (ver matrícula de identificación).
A1.2 Normas de seguridad
El convertidor de frecuencia ha sido proyectado según las normas de protección
de clase 1.
Cuando el convertidor de frecuencia se utiliza como se aconseja, la seguridad del
operador y del dispositivo están garantizadas. En cualquier caso la seguridad no
se puede garantizar cuando el convertidor de frecuencia no se utiliza de manera
correcta o con la debida cautela.
Antes de activar el convertidor de frecuencia, por lo tanto es obligatorio leer
atentamente tanto el manual de uso como las normas de seguridad que
deben respetarse.
Tensiones con contacto peligrosas están presentes en los bornes de
seguridad.
Por este motivo, el convertidor de frecuencia debe ser activado solamente
por operadores que sean capaces de evaluar eventuales electrocuciones y
de intervenir usando las adecuadas medidas de seguridad.
Para las conexiones, utilizar siempre cables como seguridad.
Antes de modificar el circuito de trabajo, desactivar siempre el convertidor
de frecuencia.
Llevar a cabo las conexiones equipotenciales PE con el motor o con la
carga.
El condensador buffer presenta una tensión peligrosa por al menos 4 min.
después de que el convertidor de frecuencia se haya desactivado.
Para las medidas no utilizar directamente un osciloscopio que esté
conectado en tierra, pero si interponer un amplificador como aislamiento.
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AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
Cuando el indicador de un funcionamiento equivocado se ilumina,
desactivar el convertidor de frecuencia y prever la eliminación de la causa
del defecto antes de activar de nuevo el convertidor.
Normalmente no es necesario abrir el contenedor del convertidor.
Aún así, si se presentara esta circunstancia, esta operación debe llevarla a cabo
solamente el personal técnico y solamente después de que se hayan quitado los
cables de seguridad de la conexión y se haya desenchufado el cable de
alimentación de la toma posterior.
A1.2. Descripción y características técnicas
El convertidor de frecuencia está protegido contra un posible control erróneo de
los transistores, una sobrecarga, un cortocircuito y averías hacia la masa.
1) Bornes, L, N y EMI filter.
La entrada de conexión a la red monofásica, que sirve para alimentar al
rectificador, está controlado con un filtro de dos estadios para eliminar las
interferencias electromagnéticas (EMI).
2) Power on.
Interruptor de red para la alimentación de la electrónica de control.
3) Main Relay
La tensión de alimentación del circuito de potencia se aplica al rectificador que se
controla solamente después de que el relé principal se haya cerrado. El estado del
relé principal se visualiza con el led READY.
4) Rectificador controlado
El convertidor B2C con potenciómetro, que sirve para el control del ángulo del
detonador a y para alimentar al circuito intermedio.
La tensión continua intermedia puede variar de 0 V a aproximadamente 325 V, con
una tensión de alimentación nominal, regulando el ángulo de control a, y utilizando
el potenciómetro o externamente mediante PHCa del conector a 25 poli (23):
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AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
cuando la entrada PHCa se deja abierta, el control se lleva a cabo exclusivamente
con el potenciómetro.
Para limitar la corriente de pico que se manifiesta cuando se carga un
condensador, se ha previsto un generador con rampa que limita la velocidad
máxima de variación del ángulo de control a aproximadamente 180° en 6 seg.
5) Inductancia con limitación
La bobina de 1 mH que está puesta entre el rectificador y el condensador buffer
limita la corriente de pico de la carga del condensador buffer.
6) Condensador buffer
Condensador de nivelación para estabilizar la tensión continua.
Atención:
El condensador presenta tensiones elevadas por aproximadamente 4 min, e
incluso después de que el convertidor de frecuencia haya sido desactivado: el led
CHG se apaga cuando la tensión es inferior a 40 V.
7) Resistencia de frenado
En el interior del chopper hay introducida permanentemente una resistencia de
frenado de 20 kW.
Potencia máxima de frenado: aproximadamente 100 W.
Cuando es necesaria una potencia de frenado más elevada se deben usar
resistencias externas.
8) Bornes REXT
Los bornes actúan para la conexión en paralelo a la resistencia interna de frenado
de una eventual resistencia externa y para aumentar la potencia de frenado:
protección con fusible interno 3 A.
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AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
Tabla A1 Capacidad de los bornes.
Máxima corriente
Máxima potencia
Externa
de frenado
300 W
1.1 A
450 W
200 W
1.6 A
630 W
100 W
3.2 A
1160 W
REXT
9) Transistor chopper
El transistor chopper es detonado automáticamente cuando la tensión intermedia
supera los 355 V y lo contrario cuando la tensión intermedia desciende por debajo
de los 350 V. El transistor chopper puede dirigirse también con la señal CHOPI.
10) Módulo de potencia
Módulo inteligente de potencia que contiene seis IGBT con diodos veloces de libre
circulación.
11) Filtro motor
Redes de protección para limitar el du/dt
250 V/ms.
12) Sensores de corriente
Sensores de corriente con efecto Hall y compensación de corriente: la corriente se
convierte en una tensión proporcional.
13) Bornes L1, L2, L3.
Salidas del convertidor de frecuencia para bornes U, V, W del motor trifásico.
Nota: La tensión de salida concatenada resulta 3x230 V, por lo que el motor que
presenta una V /400V
debe conectarse en triángulo mientras que un motor
con400V /690V nunca podrá alimentarse con la tensión nominal.
14) Tomas ϑM>.
Conexión del interruptor térmico del motor con contacto NC.
La abertura del contacto indica un sobre recalentamiento del motor y comporta la
señalización de un mal funcionamiento, por lo que el inversor se desactiva.
Notas
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AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
a) La desactivación del inversor consiente el enfriamiento del motor con el
eventual cierre ϑM se apaga pero IERR permanece encendido recordando que se ha
manifestado un funcionamiento erróneo: esto evita que el motor pueda ponerse en
marcha de nuevo en automático.
b) Si la carga no está dotada de un interruptor térmico, los bornes ϑM> deben tener
un corto circuito simplemente.
15) Sobretemperatura del motor
La sobretemperatura del motor está indicada por el led ϑM y, el funcionamiento
equivocado por el led IERR : en la toma T MOV hay una señal digital alta.
16) Medida de las corrientes
Para medir las corrientes en la salida y garantizar el aislamiento galvánico se
utilizan generadores de Hall que convierten las corrientes en una tensión a estas
proporcionales:
UI1 (V) = 0.3 I1 (A)
UI3 (V) = 0.3 I3 (A)
Las corrientes se miden sólo en dos fases, ya que en una carga trifasica simétrica
la suma de los valores instantáneos de las tres corrientes es siempre cero:
i1 +i2 +i3 = 0.
Cuando se debe realizar un control automático de la corriente no es posible
procesar una tensión alterna como valor actual y, como consecuencia de ello se
utiliza un puente rectificador B6 para generar con las corrientes de fase una
tensión actual en la toma U IM, quesea proporcional al valor actual de la corriente
en el motor:
UIM (V) = 0.4 IMrms (A)
17) Circuitos de pilotaje
Seis circuitos de pilotaje con aislamiento galvánico para controlar los transistores
de potencia del inversor.
Cada uno de los seis transistores puede llevarse a la conducción o a la
interdicción de la correspondiente señal de control Lij : una lógica de interbloqueo
impide que los dos transistores de un ramo sean llevados contemporáneamente a
la conducción para evitar un cortocircuito en el condensador buffer.
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AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
El estado de conmutación Gij de cada transistor está indicado por los relativos led
mientras que en las tomas hay una señal digital alta cuando IGBT está en el
proceso de la conducción.
El pilotaje Lij puede proporcionarse por la unidad de control PWM o bien
manualmente conectando la toma Lij a la masa DGND.
18) Circuito de control y pilotaje del frenado
Circuito de control de la tensión intermedia U Z y de pilotaje CHOPI con aislamiento
galvánico para el transistor chopper V5.
El transistor chopper, con su relativo led que indica el estado de conmutación
CHOPO, se lleva automáticamente a la conducción cuando la tensión intermedia
supera el primer umbral UBRK = 355 V y, es interdicha de nuevo cuando la
tensión baja por debajo de los 350 V. El pilotaje puede proporcionarse también
manualmente conectando la toma CHOPI a la masa DGND.
19) Circuito de inhibición
Durante las experiencias en las cuales se desea frenar velozmente un motor sin la
ayuda de resistencias adicionales externas de frenado, es posible que la tensión
intermedia continúe aumentando, también con el transistor chopper en la
conducción, ya que no es posible disipar toda la energía de frenado: entonces
cuando la tensión supera el segundo umbral UOV=375 V, el inversor se desactiva
interrumpiendo el proceso de frenado y alargando así el tiempo de frenado.
El mando de inhibición puede ser proporcionado por la unidad de control PWM o
bien manualmente conectando la toma INH a la masa DGND.
20) Potenciómetro
La máxima tensión intermedia U Z se obtiene con el mínimo ángulo de control
= 0°.
21) Bornes PHC
Utilizando una señal analógica 0...5 V, que está conectada a la toma PHC y que
se ha generado por una fuente de baja resistencia (R i< 50 W), es posible forzar al
ángulo de control preestablecido por el potenciómetro .
22) +15 V/-15 V/+5 V AUX SUPPLY.
La alimentación auxiliar para la electrónica interna está activa.
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AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
23) PWM
El conector (23) de 25-pin se utiliza para conectar el convertidor de frecuencia a la
unidad de control.
La interfaz tiene las siguientes asignaciones:
Tabla A1.1. Todas las entradas DI y las salidas DO digitales son activas con un nivel bajo.
Señal
Pin
Pin
Señal
DGND
----
13
25
----
DGND
+5 V/200 mA
----
12
24
----
+5 V/200 mA
AGND
----
11
23
----
AGND
-15 V/50 mA
----
10
22
----
+15 V/50 mA
IAC3 (IL3)
AO
9
21
AO
IAC1 (IL1)
IERR
DO
8
20
----
No usado
TMOV (Temp. motor)
DO
7
19
AI
(PHC a)
(READY)
DO
6
18
DO
(CHOPO)
(CHOPI)
DI
5
17
DI
MRC (Relé
principal)
INH
DI
4
16
DI
L3P
L3N
DI
3
15
DI
L2P
L2N
DI
2
14
DI
L1P
L1N
DI
1
25
----
DGND
24) MRC (Main Relay Control)
El mando MRC habilita el cierre del relé principal si no hay funcionamientos
erróneos en el convertidor de frecuencia, que están indicados por el led I ERR.
El mando MRC puede ser proporcionado por la unidad de control PWM o bien
manualmente conectando la toma MRC a la masa DGND.
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AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
El led IERR es el único indicador para los diversos funcionamientos erróneos del
convertidor de frecuencia:
· Sobretemperatura del motor T MOV.
· Sobrecorriente en el inversor.
Cada funcionamiento erróneo causa la inmediata desactivación de los impulsos de
trigger con una consecuente abertura del relé principal. El defecto se memoriza
mientras el convertidor no se desactiva y por lo tanto se activa de nuevo: en
cualquier caso se debe eliminar la causa del defecto.
A2. UNIDAD DE CONTROL PWM DL 2648
Unidad de control usada junto al convertidor de frecuencia DL 2646 para realizar
un invertir de fuente de tensión con control PWM.
Todas las funciones de control, monitorización y medida están integradas en la
unidad de control (un microcontrolador sobreentiende la gestión a través de un
programa memorizado en una EPROM) mientras el convertidor de frecuencia
contiene solamente la sección de potencia.
Un modulador PWM manda los transistores de potencia del inversor de modo de
generar una corriente sinusoidal para alimentar el motor asíncrono.
Fig. A2. Unidad de control PWM 2648.
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AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
A2.1 PRINCIPIOS DE BASE
Todos
los
convertidores
de frecuencia presentan una característica de
funcionamiento de base común. Un circuito rectificador está conectado en la red y
transforma la corriente alterna con una tensión continua. Mediante un circuito de
conexión la tensión continua alimenta un convertidor cc/ca que transforma esta
tensión continua en una tensión alterna trifásico de frecuencia variable. La
conversión de la tensión continua abastecida por el circuito de conexión en una
tensión alterna trifásico se obtiene mediante seis transistores de potencia que son
conmutados on/off con intervalos regulares. Variando el duty cycle es posible
modular la tensión de salida en una sinusoide que presenta amplitud y frecuencia
adaptas para alimentar el motor.
La suma práctica de tal técnica es la siguiente:
En una matriz son memorizados 24 puntos de muestra de una semionda
sinusoidal, correspondientes a los respectivos valores instantáneos de la
semionda: de esta manera es posible determinar directamente el duty cycle para
los transistores. Los 24 valores son generados secuencialmente, 24 para la
semionda positiva y 24 para la negativa: los valores son representados con una
resolución de 7 bit. El ángulo de desfase de 120/240 grados para las otras dos
fases es establecido añadiendo una tabla de offset igual a 16 y 32 posiciones
respectivamente.
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AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
APÉNDICE B
INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN
B1. POWER QUALITY ANALYZER
B1.1 Especificaciones técnicas del Power Quality Analyzer
Fig. B1.1. Power Quality Analyzer
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AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
Fig. B1.2. Accesorios del Power Quality Analyzer.
1 Fluke 43B Equipo de medida (Power Quality Analyzer)
2 BP120MH Batería de Ni-MH (instalada)
3 Adaptador de red a batería
4 TL24 Cables de prueba, rojo y negro
5 TP1 Sondas de prueba planas, roja y negra
6 TP4 Sondas de prueba de 4 mm, roja y negra
7 AC85A Pinzas de cocodrilo de mordaza grande para conectores de banana, roja
y negra.
8 AC20 Pinzas de cocodrilo tipo industrial para clavijas banana, roja y negra.
9 I400s Sonda de corriente AC
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AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
10 BB120 Clavijas adaptadoras banana a BNC apantalladas (1, negra)
11 El manual de iniciación que se entrega incluye un CD con el
manual de usuario y guía de aplicaciones
12 OC4USB Cable/adaptador USB opto aislado
13 SW43W Software FlukeView® para el equipo Power Quality Analyzer
14 C120 Maletín rígido de transporte.
TABLA B1. Datos de placa del Power Quality Analyzer
DATO
TENSION
CORRIENTE
RANGO
0 --- 600 V
0 --- 400 A
B2. MULTÍMETRO DIGITAL
Fig.B2. Multímetro digital
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AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
Características:
Nueva tecnología que permite realizar medidas precisas de tensión y frecuencia
en variadores de velocidad y en otros equipos con gran cantidad de ruido eléctrico
(87 V). Termómetro integrado que permite realizar medidas básicas de
temperatura sin necesidad de instrumentos adicionales (87 V).
Correa con imán (opcional) que facilita la medida y su visualización en pantalla
mientras se tienen las manos libres para realizar otras tareas.
Pantalla de gran tamaño con retroiluminación en dos niveles que hace la lectura
de los multímetros de la Serie 80 V mucho más fácil que en modelos más
antiguos.
Seguridad eléctrica:
Todas las entradas están protegidas conforme a la segunda edición de las normas
ANSI/ISA S82.01, EN61010-1 CAT IV 600 V y CAT III, 1000 V. Capaces de
soportar pulsos superiores a los 8.000 V y de reducir los riesgos relacionados con
sobretensiones y picos.
Medida con filtro antirruido para medidas de precisión en sistemas con variadores
de velocidad. No existía hasta ahora un multímetro capaz de medir de manera
precisa en sistemas con dispositivos del tipo PWM (Modulación por Ancho de
Pulso) como son los sistemas con variadores de velocidad. Sin embargo, el nuevo
Fluke 87 V está diseñado especialmente para gestionar estas complejas señales.
Piense en las ventajas que obtendrá si no tiene que realizar conjeturas para
detectar problemas en los sistemas motores. Las medidas son siempre precisas.
Función única que permite obtener medidas precisas de tensiones CA moduladas
por ancho de pulso y además con ruido eléctrico. Capaz de obtener medidas
correctas en el variador de velocidad o en los terminales del motor. Medida precisa
de la frecuencia (velocidad del motor). La frecuencia de la portadora de los
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AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
variadores de velocidad no influye en las medidas de frecuencia. Mida la corriente
CA (con sonda de corriente opcional). Compare la lectura del multímetro Fluke 87
V con la de la pantalla del variador de velocidad. Un filtrado especial bloquea el
ruido de alta frecuencia y de gran potencia generado por los grandes sistemas
motores.
B. 3 OSCILOSCOPIO DIGITAL TEKTRONIX TDS2001C
Fig.B.3. Osciloscopio digital
Osciloscopio Digital Tectronix TDS2001C combina las dimensiones compactas y
diversidad de funciones. 16 mediciones automáticas, conexión USB, medición por
la mascara, ayudas contextuales y FFT-análisis convierten a Tectronix TDS2001C
en una buena elección para control de calidad, trabajos de reparación y servicio.
Especificaciones técnicas:
Ancho de banda 50 MHZ
Dos canales
Frecuencia de muestreo 500 MSa/s
Memoria 2,5 mil puntos por cada canal
FFT-análisis y 16 mediciones automáticas
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AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
Medición por la mascara
Sintonización automática y elección automática de diapasón
Ayudas contextuales incorporadas
Interfaz de usuario multilingüe
Máster de chequeo de sondas
Puerto USB 2.0
Garantía perpetua limitada
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AHORRO DE ENERGÍA EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO
APÉNDICE C
EQUIPO DE AIRE CONDICIONADO
Fig. C1. Unidad de Aire acondicionado carrier MCB121RB-C
Fig. C2. Datos de placa del equipo de aire acondicionado.
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