1 CONTENIDO Selección de motores Motores de alta eficienciaPlaca 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 Control mediante álabes de entrada, compuerta de salida, velocidad variable Drive de CD vs Drive de CA Centro de Estudios de Energía
2 Selección de Motores Phase = # de fases = 3Insulation 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. 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
3 Clases de diseño NEMA Centro de Estudios de EnergíaJ.C. Andreas, “Energy Efficicient Electric Motors”, 2nd edition, Marcel Dekker
4 Características de las clases de diseñopar arranque (% par plena carga) par máximo I arranque (% I plena carga) s plena carga (% de velocidad síncrona) A 160 (normal) 230 (normal) <2, (bajo) B 140 (normal) 200 (baja) <4, (bajo) C 225 (alto) 180 (baja) <5 (bajo) D 275 (alto) - 5-8%, 8-13% (alto) Centro de Estudios de Energía
5 Laminaciones de rotoresB Chapman, "Electrical Machinery Fundamentals,", McGraw-Hill D C Centro de Estudios de Energía
6 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: Centro de Estudios de Energía
7 Dos polos a1 a1 -c1 -b2 -c1 -b2 c2 b2 c2 b2 -a2 -a1 -a2 -a1 c1 b1 c1Eje b a1 a1 -c1 -b2 -c1 -b2 c2 b2 c2 b2 N N N -a2 -a1 -a2 -a1 S S S c1 Eje c b1 c1 b1 -b1 -c2 -b1 -c2 a2 Eje a a2 Centro de Estudios de Energía
8 Cuatro polos a1 a1 -c1 -b2 -c1 -b2 c2 b2 c2 b2 -a2 -a1 -a2 -a1 c1 b1Eje b a1 a1 -c1 -b2 -c1 -b2 c2 b2 c2 b2 S N S N -a2 -a1 -a2 -a1 N S Eje c N S c1 b1 c1 b1 -b1 -c2 -b1 -c2 a2 Eje a a2 Centro de Estudios de Energía
9 Motor de inducción = motor asíncronoDeslizamiento 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. Motor de inducción = motor asíncrono Centro de Estudios de Energía
10 Deslizamiento de plena cargaDeslizamiento al arranque = 1 Deslizamiento en vacío es casi cero Deslizamiento de plena carga < 0.04 En la figura s plena carga = 0.03 Suponiendo ns = 1800 rpm n plena carga = 1800 (1-0.03) = 1746 rpm 50 100 150 200 250 300 20 40 60 80 % de velocidad síncrona % del par de plena carga 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 s = deslizamiento, pu Pull Up Torque Breakdown Torque Starting torque Full Load Torque Centro de Estudios de Energía
11 Rapidez de giro, polos y tipo de carcasaCon f = 60 Hz P ns 2 3600 4 1800 6 1200 Aunque se encuentran desde 300 rpm hasta 3600 rpm, las más comunes son 1200, 1800 y 3600 rpm Enclosure type = tipo de carcasa o envolvente _www.baldor.com 15º ventilador externo aire aire aire Totalmente cerrada enfriada con ventilador externo Armazón abierta a prueba de goteo ODP = Open Drip-Proof TEFC = Totally Enclosed Fan Cooled Centro de Estudios de Energía Kosow, Electric Machinery and Transformers, 2nd Edition, Prentice Hall
12 Historia del tamaño de armazónFrame size = tamaño de armazón National Electrical Manufacturers Association Antes de 1952 no existía un estándar 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 D Centro de Estudios de Energía Kosow, Electric Machinery and Transformers, 2nd Edition, Prentice Hall
13 Evolución del tamaño de la armazón del motor de inducciónEl motor de inducción fue inventado por Nikola Tesla alrededor de1886 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”. Edwrard L. Owen, History, IEEEIndustry Applications Magazine, January / February 1997 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,
14 Temperatura ambiente y elevación de temperaturaEstándar 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,
15 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 Aumento Temperatura máximo máxima del permisible punto más caliente sobre 40 ºC B F H Note que hay 25°C entre cada clase. Centro de Estudios de Energía Kosow, Electric Machinery and Transformers, 2nd Edition, Prentice Hall Cowern Papers,
16 Es un factor de seguridad 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
17 Límites de temperaturaFactor de servicio : 1.0 Clase Aumento máximo Temperatura máxima permisible sobre 40 ºC del punto más caliente B F Factor de servicio : 1.15 Clase Aumento máximo Temperatura máxima permisible sobre 40 ºC del punto más caliente B F Energy - Efficient Electric Motor Selection Handbook, p 40. Centro de Estudios de Energía
18 Efecto de la temperatura en la vida del motorPor 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: Factor A F Aumento en la vida del motor R F Reducción en la vida del motor 10 años Centro de Estudios de Energía Kosow, Electric Machinery and Transformers, 2nd Edition, Prentice Hall
19 Cálculo de la tempeartura del punto más calienteTemperatura Resistencia R ww> Resistencia medida en frío ( T1 < 40 ºC ) R ww> Resistencia medida inmediatamente después de operación prolongada Tpunto más caliente = T ºC Centro de Estudios de Energía Kosow, Electric Machinery and Transformers, 2nd Edition, Prentice Hall
20 Condiciones usuales de servicioLas condiciones usuales de servicio de los motores que utilizan la temperatura ambiente estándar de 40 ºC son (NEMA MG1): La temperatura ambiente debe estar entre 0°C y 40 ºC La altitud es menor de 1000 m Instalación en areas o envolventes que no interfieren seriamente con la ventilación de la máquina 0.9 Vnom < V < 1.1 Vnom 0.95 fnom < f < 1.05 fnom Montaje y acoplamiento según NEMA 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 Kosow, Electric Machinery and Transformers, 2nd Edition, Prentice Hall Energy - Efficient Electric Motor Selection Handbook, p 35. Centro de Estudios de Energía
21 Desbalance de voltaje Degradación 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 Porcentaje de desbalance en voltaje Factor de Degradación *Fig 20; Energy Efficient Electric Motor Selection Handbook; DOE January 1993 (pag 37) Anexo: Energy Efficiency Electric Motor Selection Handbook (revision 3); Department of Energy; January 1993 Centro de Estudios de Energía
22 Código de rotor bloqueadoLa 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, kVAlr = 315. Y si VLL = 460 V, ILR = A Centro de Estudios de Energía
23 Letras en la placa de datosNEMA 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
24 Factor de potencia _qv- qi voltaje corriente I fp atrasadoVLL, IL, P, Q, S FP, f _qv- qi fp atrasado 200 I voltaje P1 corriente V ( q - q ) v i I Q1 I 1 -200 90 180 270 360 Centro de Estudios de Energía
25 Reducción en corriente de líneaCentro de Estudios de Energía Beeman, Industrial Power System Handbook, McGraw-Hill, 1955
26 Desplazamiento I fp atrasado fp unitario fp adelantado I I I - ( q - q3 I V P V ( q v - q i ) - ( q - q ) v i V I Q1 I I 1 P I 1 I I =I 3 I 2 P P I Q3 I V 200 200 200 -200 -200 -200 90 180 270 360 90 180 270 360 90 180 270 360 Desplazamiento Centro de Estudios de Energía
27 Máxima corrección de kVArQc < 17.5 kVAr 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. Centro de Estudios de Energía
28 Eficiencia P P/3 P/3 P/3 hp 746 hp PPérdidas de fricción y ventilación Pérdidas de cobre en el rotor Pérdidas de cobre en el estator Pérdidas de núcleo en estator y rotor Centro de Estudios de Energía
29 Auto - excitación Centro de Estudios de EnergíaIEEE Std , IEEE Red Book
30 Desempeño en función de la cargaSobredimensionamiento 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
31 IARRANQUE 350/sqrt(2)/40 = 6.2 pu Máquina WestinghouseMotor de Inducción 15 HP 220/440V 40A 1745 RPM 350/sqrt(2)/40 = 6.2 pu Fluke 434
32 IARRANQUE 400/sqrt(2)/40 = 7 pu Arranca en 0.6 segundosMáquina Westinghouse Motor de Inducción 15 HP 220/440V 40A 1745 RPM 400/sqrt(2)/40 = 7 pu Arranca en 0.6 segundos Fluke 434
33 Deslizamiento y factor de cargaSalida en hp 1.00 0.75 0.50 0.25 0.00 deslizamiento = s Velocidad Síncrona Velocidad de Plena Carga
34 Eficiencia y Factor de PotenciaEficiencia de plena carga aumenta con los hp nominales y las rpm nominales Factor de potencia de plena carga aumenta con los hp nominales y las rpm nominales
35 Desbalance de Voltaje mayor a 5% es inaceptableEjemplo: Desbalance de Voltaje mayor a 5% es inaceptable
36 Porcentaje de Desbalance de VoltajeEfecto del desbalance de voltaje en la corriente de motores de inducción trifásicos Factor de Degradación vs Porcentaje de Desbalance de Voltaje Desbalance de Voltaje mayor a 5% “INACEPTABLE”
37 Desbalance de Voltaje (Derating)Factor de Degradación Existe desbalance voltaje en el motor (4.3%) → Degradación = 80% Para no sobrecalentarlo, a un motor de 10hp le pedimos 8 hp.
38 DT Plosshp salida (0.4
39 Costo promedio de la energía eléctricaImporte 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 = $ / kWh. Centro de Estudios de Energía
40 Motor de alta eficienciaAlambre 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 _http://ww.baldor.com Centro de Estudios de Energía
41 Cálculo de la potencia ahorradaPara los mismos hps en flecha, el motor con mayor eficiencia requiere una menor potencia de entrada. h2 > h1 => P2 < P1 hp hp Centro de Estudios de Energía
42 Energía, dinero y recuperación de inversiónRetorno simple de inversión Centro de Estudios de Energía Nadel, Shepard, Greenberg, Katz, "Energy-Efficient Motor Systems, ACE3
43 El de la izquierda es el correctoEl de la izquierda es el derecho? - Factor de carga - Horas de operación al año - $ promedio del kWh FC = 0.75, h = 6000, $ / kWh = ==> dólares ( ) / = 1.70 años FC = 0.75, h = 2000, $ / kWh = ==> dólares ( ) / = 5.11 años Premium Efficiency 50hp, TEFC, $1815 h=94% Standard Efficiency 50hp, TEFC, $1169 h=90% Si el factor de carga es del 50% o menos, ninguno es el correcto “none is the right one”. Centro de Estudios de Energía
44 Comportamiento ventilador sistemab) Característica del sistema a) Curva característica de un ventilador Centro de Estudios de Energía James Van Zile, “Energy savings with adjustable frequency AC Drives, Allen-Bradley, Dec. 1984
45 Control por álabes de entradab) Álabes de entrada a) Cambio en característica del ventilador Centro de Estudios de Energía James Van Zile, “Energy savings with adjustable frequency AC Drives, Allen-Bradley, Dec. 1984
46 Control mediante compuertas de salidab) Cambio en característica del sistema a) Control por compuertas de salida Centro de Estudios de Energía James Van Zile, “Energy savings with adjustable frequency AC Drives, Allen-Bradley, Dec. 1984
47 Control mediante velocidad variableb) Control de flujo de aire por velocidad variable a) Sistema de velocidad variable Centro de Estudios de Energía James Van Zile, “Energy savings with adjustable frequency AC Drives, Allen-Bradley, Dec. 1984
48 Potencia de entrada Centro de Estudios de EnergíaJohn C. Andreas, “Energy-Efficient Electric Motors, Selectionand Application,” Second edition, Marcel-Dekker, 1992.
49 Drive de CD v entrada i de salida i entradaLa corriente está distorsionada y se atrasa del voltaje. David Shipp, William Vilcheck, “Power quality and line considerations for variable speed ac drives,” IEEE Transactions on Industry Applications, March / April 1996. Centro de Estudios de Energía
50 Drive de CA tipo PWM La corriente a la entrada presenta alta distorsión armónica y va en fase con el voltaje Aunque el voltaje dista mucho de ser una senoidal, la corriente de salida es muy senoidal 200 10 Corriente (A) Voltaje (V) 100 Va 5 Ia 90 180 270 -100 -5 Captura: Abril de 1995, Power Logic -200 -10 grados eléctricos David Shipp, William Vilcheck, “Power quality and line considerations for variable speed ac drives,” IEEE Transactions on Industry Applications, March / April 1996. Centro de Estudios de Energía