1 contenido selección de motores –placa de datos –clase de diseño –velocidad síncrona y...

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CONTENIDO

• Selección de motores– Placa de datos– Clase de diseño– Velocidad síncrona y polos– Deslizamiento– Tamaño de armazón– Elevación de temperatura y clase de aislamiento– Factor de servicio– Código de rotor bloqueado– Factor de potencia– Desempeño y factor de carga

• Motores de alta eficiencia– Motor de eficiencia estándar vs motor de alta eficiencia– Potencia, energía, y dinero ahorrados– Tiempo de recuperación de inversión

• Control de frecuencia variable– Control mediante álabes de entrada, compuerta de salida,

velocidad variable– Drive de CD vs Drive de CACentro de Estudios de Energía

2

Selección de Motores

•Frame = tamaño de armazón = 445T•Enclosure = tipo de carcasa = TEFC•Design = Clase de diseño = B•RPM = 1785•Code = Código de rotor bloqueado•AMPS = Corriente de plena carga = 163 A•SF = Factor de servicio = 115 %.

•Phase = # de fases = 3•Insulation class = aislamiento clase F•Power factor = factor de potencia de plena carga = 89.7%•Guaranteed efficiiency = eficiencia garantizada a plena carga = 95.8%•Max Corr KVAr = Cantidad máxima de capacitores que se han de instalar si se desconectan a la vez que el motor.

Centro de Estudios de Energía

3Centro de Estudios de Energía J.C. Andreas, “Energy Efficicient Electric Motors”, 2nd edition, Marcel Dekker

0

50

100

150

200

250

300

0 20 40 60 80 100

% de velocidad síncrona

% d

el p

ar

de

ple

na

ca

rga A

BC

D

Clases de diseño NEMA

4Centro de Estudios de Energía

Fitzgerald, Kingsley. Umans, "Electric Machinery," McGraw-Hill Chapman, "Electrical Machinery Fundamentals,", McGraw-Hill Andreas, "Energy Efficient Electric Motors," Dekker Nadel, Shepard, Greenberg, Katz, "Energy-Efficient Motor Systems, ACE3

Características de las clases de diseño

Diseñopar arranque (% par plena

carga)

par máximo (% par plena

carga)

I arranque (% I plena carga)

s plena carga (% de velocidad

síncrona)

A 160 (normal) 230 500-800 (normal) <2, (bajo)B 140 (normal) 200 500-600 (baja) <4, (bajo)C 225 (alto) 180 (baja) <5 (bajo)D 275 (alto) - (baja) 5-8%, 8-13% (alto)


Chapman, "Electrical Machinery Fundamentals,", McGraw-Hill

A B

C D

Laminaciones de rotores

6

•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:


Velocidad sícrona

7

a1

-a1

a2

-a2

c2

-c2

c1

-c1

b2

-b2

b1

-b1

N

S

a1

-a1

a2

-a2

c2

-c2

c1

-c1

b2

-b2

b1

-b1

N

S

Eje a

Eje b

Eje c


N

S

Dos polos

8

N

a1

-a1

a2

-a2

c2

-c2

c1

-c1

b2

-b2

b1

-b1

a1

-a1

a2

-a2

c2

-c2

c1

-c1

b2

-b2

b1

-b1

Eje a

Eje b


S

S

N

N

S

S

NEje c

Cuatro polos


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.

s

s

n de pu en ntodeslizamie el es sy

rpm en rotor del giro de rapidez la es n

rpm, en giro de síncrona rapidez la es n

en ntoDeslizamie

,donde

n

nns

s

s

sn de pu

Motor de inducción = motor asíncrono

Deslizamiento


•Deslizamiento 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

Starting torque

Pull Up TorqueBreakdown Torque

Full Load Torque

Deslizamiento de plena carga

0

50

100

150

200

250

300

0 20 40 60 80 100

% de velocidad síncrona

% d

el p

ar d

e pl

ena

carg

a

00.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1s = deslizamiento, pu


Con f = 60 Hz

P ns2 36004 18006 12008 90010 720

Aunque se encuentran desde 300 rpm hasta 3600 rpm, las más comunes son 1200, 1800 y 3600 rpm

Armazón abierta a prueba de goteo

aire

aire

aire

15ºventiladorexterno

Totalmente cerrada enfriada con ventilador

externoODP = Open Drip-Proof TEFC = Totally Enclosed Fan Cooled

_www.baldor.com

Enclosure type = tipo de carcasa o envolvente

Kosow, Electric Machinery and Transformers, 2nd Edition, Prentice Hall

Rapidez de giro, polos y tipo de carcasa


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

NationalElectrical

ManufacturersAssociation

256A ó 256T

449T

D

D

25

46 25

44

411

. "

"D


Frame size = tamaño de armazón

Historia del tamaño de armazón


Edwrard L. Owen, History, IEEEIndustry Applications Magazine, January / February 1997

El 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”.

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”.

Kosow, Electric Machinery and Transformers, 2nd Edition, Prentice HallCowern Papers, http://www.baldor.com/pdf/brochures/pr2525.pdf

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.

Evolución del tamaño de la armazón del motor de inducción


Estándar de máxima temperatura permisible del ambiente: 40 ºC

Ambientes:

– Aire

– Gas

– Líquido

Temperatura ambiente (Estándar AIEE No. 1, 1947) :

es la temperatura del medio empleado para enfriamiento, directo o indirecto, esta temperatura se resta de la temperatura medida en la máquina para determinar el aumento de temperatura bajo condiciones específicas de prueba

El aumento máximo permisible de temperatura es sobre éste estándar de 40 ºC

La elevación o el aumento de temperatura es un cambio de temperatura en el motor, desde una temperatura ambiente con el motor apagado y frio, hasta que el motor opere a plena carga de manera continua para alcanzar estado estable térmico. Kosow, Electric Machinery and Transformers, 2nd Edition, Prentice Hall

Cowern Papers, http://www.baldor.com/pdf/brochures/pr2525.pdf

Temperatura ambiente y elevación de temperatura


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 AumentoTemperatura

máximomáxima del

permisible punto más caliente

sobre 40 ºCB 90 130F 115 155H 140 180

Note que hay 25°C entre cada clase.

Kosow, Electric Machinery and Transformers, 2nd Edition, Prentice HallCowern Papers, http://www.baldor.com/pdf/brochures/pr2525.pdf

Clases de aislamiento


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 1.15Kosow, Electric Machinery and Transformers, 2nd Edition, Prentice Hall

Factor de servicio

17

Factor de servicio : 1.15Clase Aumento máximo Temperatura

máxima

permisible sobre 40 ºCdel punto más caliente

B 90 130

F 115 155

Factor de servicio : 1.0Clase Aumento máximo Temperatura

máxima

permisible sobre 40 ºCdel punto más caliente

B 80 120

F 105 145

Energy - Efficient Electric Motor Selection Handbook, p 40.Centro de Estudios de Energía

Límites de temperatura


Por cada 10 ºC de operación continua por arriba (por debajo) de la temperatura máxima del punto más caliente, la vida del motor se reduce a la mitad (se duplica).

Vida promedio a 40 ºC de temperatura ambiente operando continuamente:

Factor A Aumento en la vida del motor

R Reducción en la vida del motor

10 años

A ó R

T

2 10

º C


Efecto de la temperatura en la vida del motor

19Centro de Estudios de Energía Kosow, Electric Machinery and Transformers, 2nd Edition, Prentice Hall

-300

-200

-100

0

100

0 0.2 0.4 0.6

7020

-234.5

Temperatura

Resistencia

T

R

T

R2

234 5

2

1234 5

1

. .

R1 > Resistencia medida en frío ( T1 < 40 ºC ) R2 > Resistencia medida inmediatamente después de operación prolongada

Tpunto más caliente = T2 + 10 ºC

Cálculo de la tempeartura del punto más caliente


Las 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 HallEnergy - Efficient Electric Motor Selection Handbook, p 35.

Condiciones usuales de servicio


Desbalance de voltaje

Anexo: Energy Efficiency Electric Motor Selection Handbook (revision 3); Department of Energy; January 1993

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

Fac

tor

de

Deg

rad

ació

n

*Fig 20; Energy Efficient Electric Motor Selection Handbook; DOE January 1993 (pag 37)


Letra de código

Letra de código

A 0.00 3.15 L 9.00 10.00B 3.15 3.55 M 10.00 11.00C 3.55 4.00 N 11.00 12.50D 4.00 4.50 P 12.50 14.00E 4.50 5.00 R 14.00 16.00F 5.00 5.60 S 16.00 18.00G 5.60 6.30 T 18.00 20.00H 6.30 7.10 U 20.00 22.40J 7.10 8.00 V 22.40 arribaK 8.00 9.00

Rotor bloqueado, kVA / hp

Rotor bloqueado, kVA / hp

Código de rotor bloqueado NEMA MG-1•La letra del código corresponde con un rango de kVA de rotor bloqueado por cada hp nominal•Ejemplo, la letra G va de 5.60 a 6.30, los kVA de rotor bloqueado son como máximo 6.30 por cada hp nominal, si el motor fuera de 50 hp, kVAlr =

315. Y si VLL = 460 V, ILR = 395.4 A

Código de rotor bloqueado

23

•NEMA design classiification•NEMA insulation classification•NEMA locked rotor code


Tamaño de armazón445T => D = 44/4 = 11”

Factor de servicio = 115%

Carcasa: Totalmente cerrada conventilador externo (TEFC)

Letras en la placa de datos

24

VLL, IL, P, Q, S

FP, f

fp atrasado

( ) v iV

P1

Q1I

I

I1-200

0

200

0 90 180 270 360

voltaje

corriente

v- i

Factor de potencia


25

Reducción en corriente de línea

Centro de Estudios de Energía Beeman, Industrial Power System Handbook, McGraw-Hill, 1955

26

fp adelantadofp unitario

VI

2I P=I

VIP

3IPI

Q3I

V

I3

PI

)( v i-

Q3I

-200

0

200

0 90 180 270 360-200

0

200

0 90 180 270 360-200

0

200

0 90 180 270 360

fp atrasado

I1

( ) v iV

P1

Q1I

I

I1

DesplazamientoCentro de Estudios de Energía


• Los contactos del contactor principal M conectan y desconectan de manera simultánea al motor y a su capacitor

• Al desconectar el motor actúa de manera transitoria como un generador y alimenta al capacitor

• Si el capacitor aporta más reactivos que los que requiere el motor en vacío, el capacitor aumenta el voltaje del sistema aislado.

• Aunque es por poco tiempo, la elevación de voltaje puede dañar al capacitor o al motor.

M M M

Qc < 17.5 kVAr

Máxima corrección de kVAr


P

hp

P/3P/3 P/3

Pérdidas de núcleo en

estator y rotor

Pérdidas de cobre en el

estator

Pérdidas de cobre en el

rotor

Pérdidas de fricción y

ventilación

746 hpP

Eficiencia

29

Auto - excitación

Centro de Estudios de Energía IEEE Std 141 1993, IEEE Red Book

30

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0 0.5 1 1.5

hp out (pu) = fc

fp y

efi

cie

nc

ia

0

0.4

0.8

1.2

1.6

2

I1 y

P

eff

fp

I1/Inom

P/(746*hpnom)


• 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.

Sobredimensionamiento es el villano y el área de oprtunidad

Desempeño en función de la carga

31

IARRANQUE

Máquina Westinghouse

Motor de Inducción

15 HP

220/440V 40A

1745 RPM

Fluke 434

350/sqrt(2)/40 = 6.2 pu

32

IARRANQUE

Máquina Westinghouse

Motor de Inducción

15 HP

220/440V 40A

1745 RPM

Fluke 434

400/sqrt(2)/40 = 7 pu

Arranca en 0.6 segundos

33

Deslizamiento y factor de carga

Velocidad Síncrona

Velocidad de Plena Carga

0

10

20

30

40

50

60

0 450 900 1350 1800velocidad rotor, rpm

Tin

t, N

m

0

2

4

6

8

10

12

Pot

enci

a de

sal

ida,

hp

Tinthp out

5

1720

1.00 0.75 0.50 0.25 0.00

deslizamiento = s

hp out

0

1

2

3

4

5

6

1700 1720 1740 1760 1780 1800velocidad rotor, rpm

Salida en hp

34

Eficiencia y Factor de Potencia

Eficiencia 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

Ejemplo:

Desbalance de Voltaje mayor a 5% es inaceptable

36

Desbalance de Voltaje

Efecto del desbalance de voltaje en la corriente de motores de inducción trifásicos

Desbalance de Voltaje mayor a 5% “INACEPTABLE”

Factor de Degradación

vs

Porcentaje de Desbalance de Voltaje

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

T Plosshp salida

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0 0.5 1 1.5

hp out (pu) = fc

fp y

efi

cie

nc

ia

0

0.4

0.8

1.2

1.6

2

I1 y

P

eff

fp

I1/Inom

P/(746*hpnom)

(0.4<fc<1.5) eficiencia es aproximadamente constante


•Tarifa HSL, Noreste•Promedio de los 12 últimos meses •factor de carga: 0.85, •factor de potencia: 0.93, •9.46 pesos /dólar •47.84 dólares / MWh = $ 0.04784 / kWh.

•Importe total del recibo (antes de impuestos) entre la cantidad de kWh del período de facturación.•Este costo ya considera demanda, consumo, horario y factor de potencia.•Indica cuánto cuesta el kWh, en una instalación en particular y nos sirve para medir el impacto de las medidas de ahorro de energía.

Wisconsin Industrial average $0.04 /kWh Wisconsin Commercial average $0.06 /kWh

National Average industrial $0.05 /kWh

http://www.productiveenergy.com/calculator/motor.asphttp://www.motorsmatter.org/Kit/planning_overview.html

Costo promedio de la energía eléctrica


• Alambre magneto de la mejor calidad

• Más acero en el núcleo, laminaciones más

delgadas y acero de la mejor calidad,

• Mejores rodamientos

• Anillos de los extremos de la jaula más

grandes

• Ventiladores con bajas pérdidas

• Cuesta más que uno de eficiencia estándar

_http://ww.baldor.com

Motor de alta eficiencia

41

hp

hp

• Para los mismos hps en flecha, el motor con mayor eficiencia requiere una menor potencia de entrada.

2 > 1 => P2 < P1


Nadel, Shepard, Greenberg, Katz, "Energy-Efficient Motor Systems, ACE3

Cálculo de la potencia ahorrada

42Centro de Estudios de Energía Nadel, Shepard, Greenberg, Katz, "Energy-Efficient Motor Systems, ACE3

Retorno simple de inversión

Energía, dinero y recuperación de inversión

43Centro de Estudios de Energía http://energy.copper.org/left-is-right.html

El de la izquierda es el derecho?

- Factor de carga

- Horas de operación al año

- $ promedio del kWh

Premium Efficiency50hp, TEFC, $1815

=94%

Standard Efficiency50hp, TEFC, $1169

=90%

FC = 0.75, h = 6000, $ / kWh = 0.0478==> 379.3 dólares

(1815 -1169) / 379.3 = 1.70 años

FC = 0.75, h = 2000, $ / kWh = 0.0478==> 126.4 dólares

(1815 -1169) / 126.4 = 5.11 años

Si el factor de carga es del 50% o menos, ninguno es el correcto “none is the right one”.

El de la izquierda es el correcto

44

a) Curva característica de un ventilador

b) Característica del sistema

James Van Zile, “Energy savings with adjustable frequency AC Drives, Allen-Bradley, Dec. 1984Centro de Estudios de Energía

Comportamiento ventilador sistema

45

a) Cambio en característica del ventilador

b) Álabes de entrada


Control por álabes de entrada

46

a) Control por compuertas de salida

b) Cambio en característica del sistema


Control mediante compuertas de salida

47

a) Sistema de velocidad variable b) Control de flujo deaire por velocidad variable


Control mediante velocidad variable

48John C. Andreas, “Energy-Efficient Electric Motors, Selectionand Application,” Second edition, Marcel-Dekker, 1992.

0

20

40

60

80

100

120

40 50 60 70 80 90 100

Porcentaje del volumen de aire

Po

ten

cia

de

en

trad

a c

om

o %

de

la

en

tra

da

al m

oto

r cu

an

do

el f

lujo

es

100

%

Compuertas salida

Álabes entrada

Frecuencia variable

Requerimientos ventilador


Potencia de entrada

49David 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

La corriente está distorsionada y se atrasa del voltaje.

i de salida

v entrada

i entrada

Drive de CD

50David 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

-200

-100

0

100

200

0 90 180 270

grados eléctricos

Vo

ltaje

(V

)

-10

-5

0

5

10

Co

rrie

nte

(A

)

VaIa

Captura: Abril de 1995, Power Logic

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

Drive de CA tipo PWM

1 contenido selección de motores –placa de datos –clase de diseño –velocidad síncrona y...

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