evaluación y comparación de los métodos iec 60034- 2
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Evaluación y comparación de los métodos IEC 60034-
2, IEEE112 y CSA390 para la medición de la
eficiencia energética en motores de inducción de baja
potenciaJoan S. Chamorro, Daniel M. Cruz
Departamento de electrónica y sistemas, Pontificia Universidad Javeriana Cali, Colombia
[email protected] [email protected]
Abstract— There are various international, regional and
national classification standards, test procedures and labeling of
energy efficiency of induction motors, such as IEEE112,
IEC60034, CSA390 among others. Each of these standards deliver
different results, so it is difficult to determine the actual efficiency
and therefore pose a model of energy management, this in turn
hinders trade engines and does not allow a direct comparison
between these. Because of this a comparative table of IEC60034,
IEEE112 and CSA390 standards has been made to characterize
each of these and know their differences. Keywords—Induction
motors, efficiency, standards.
I. INTRODUCCIÓN
Los motores de inducción son un componente crítico de
muchos procesos industriales y se integran con frecuencia en
equipos disponibles en el mercado y los procesos industriales
[1]. Estos representan más del 90% de los motores de la
industria [2], de los cuales la industria consume alrededor del
50% de la energía a nivel mundial y el 68% de la energía de la
industria se transforma en motores.
Existen diferentes normas internacionales, regionales y
nacionales de clasificación, de procedimientos de prueba y de
etiquetado de la eficiencia energética de motores de inducción.
Algunas de estas son IEEE, IEC, NEMA, IEC, APEC, entre
otros [3], Cada una de estas normas entrega distintos
resultados, por lo cual es difícil determinar cuál es la eficiencia
real y por lo tanto plantear un modelo de gestión de energía,
esto a su vez obstaculiza el comercio de los motores y no
permite una comparación directa entre estos.
II. CONCEPTOS GENERALES
A. Eficiencia en motores de inducción.
Para un motor la eficiencia es la relación de la potencia de salida
del eje de motor a la entrada de alimentación en los terminales
del motor. Durante la conversión de energía eléctrica a
mecánica se tienen cuatro categorías de pérdidas, las cuales son
las pérdidas en el cobre, pérdida en el núcleo, pérdidas
mecánicas y las pérdidas misceláneas. Las pérdidas siempre
están presentes cuando se toma energía eléctrica para producir
potencia mecánica, por tal razón medir eficiencia es un factor
importante [4].
B. Pérdidas eléctricas.
Se presentan por calentamiento resistivos en los devanados del
estator y el rotor de la máquina. Las pérdidas eléctricas en el
estator se hallan teniendo en cuenta la corriente que fluye por
cada una de las fases del inducido, además de la resistencia de
cada fase. Para el rotor se tiene en cuenta la corriente que fluye
en el devanado de campo en el rotor y la resistencia de ese
devanado. Las pérdidas eléctricas totales serán la suma de las
pérdidas de estator y rotor.
C. Pérdidas en el núcleo.
Estas se presentan por histéresis y por corrientes parásitas que
se presentan en el metal del motor.
D. Pérdidas mecánicas.
Estas se presentan por fricción y rozamiento, la primera es
causada por la fricción en los cojinetes de las maquinas. Las
pérdidas por rozamiento se presentan por el rozamiento con el
aire que presentan las partes móviles de un motor dentro de la
caja de este mismo.
E. Pérdidas misceláneas.
Son aquellas que no pueden ser ubicadas en alguna de las
anteriores categorías.
F. Circuito equivalente.
Un motor de inducción eléctrico puede verse como un
transformador eléctrico, solo que la potencia de entrada y la de
salida están invertidas. Para facilitar el análisis de este tipo de
máquinas está el método de circuito equivalente, que se basa en
el modelo de un transformador, pero teniendo las
consideraciones necesarias el cual contiene resistencias e
impedancias asociadas al modelo de un transformador. Para
obtener una aproximación adecuada de dichos valores se deben
realizar dos pruebas, prueba de circuito abierto y prueba de
corto circuito como lo muestra la figura [5]
Fig. 1. Modelo de un motor de inducción.
III. MATERIALES Y MÉTODOS
Al momento de realizar las pruebas para ejecutar los estándares
de eficiencia, se hizo selección de dispositivos que pudieran
brindar mediciones confiables, para este caso se usaron los
siguientes elementos.
Variador de velocidad con frecuencia
constante
Multímetro fluke
Analizador de calidad de potencia HDPQ
marca Dranetz.
Termocupla
4 resistencias de 2KW a 220 v cada una
Tacómetro
4 fuentes variables DC de 0-30v Y 0-3A cada
una
Generador DC de 3 hp
Motor de 5 hp su eficiencia está clasificada
según IE1 que como lo muestra la figura 4.1
es de aproximadamente 85 a 86%.
Transformador de 220V a 440V
Al aplicar los estándares se buscó evidenciar cuales eran sus
principales similitudes y diferencias, luego de realizar un
proceso de caracterización del motor, junto con las
particularidades de cada estándar que se aplicó.
IV. CARACTERIZACIÓN DEL MOTOR
Para poder aplicar los estándares para la medición de eficiencia
energética en un motor, lo que primero se hizo fue caracterizar
el motor mediante el circuito equivalente, es decir, hallar la
curva del torque inducido en función de la velocidad, esto con
el fin de poder determinar los puntos de carga y su respectiva
curva de potencia en función de la velocidad.
A. Ensayo DC
Inicialmente se realiza el ensayo de corriente continua este
ensayo permite encontrar la resistencia DC del devanado del
estator. Consiste en alimentar el motor con una fuente DC que
sea capaz de brindar la corriente nominal del motor, iniciando
desde un voltaje casi cero, se va aumentando gradualmente
hasta alcanzar la corriente nominal, al llegar a este punto se
mide voltaje (Vcc) y corriente (Icc), para calcular la resistencia
DC usando ecuación 1.
𝑅𝐷𝐶 =𝑣𝐶𝐶
2𝐼𝐶𝐶 (1)
B. Ensayo en vacío.
En este orden de ideas, luego se debe realizar el ensayo de
vacío. Este consiste en alimentar el motor con voltaje y
frecuencia nominal sin carga y medir voltajes de fase, corrientes
de fase, potencia activa, potencia aparente y frecuencia; Como
lo muestra la tabla I.
TABLA I. Resultados de la prueba de vacío
C. Ensayo de rotor bloqueado.
Por último para el ensayo de roto bloqueado, el objetivo es
encontrar los parámetros faltantes del estator y del circuito de
rotor. Consiste en bloquear el rotor de la máquina y alimentarlo
desde una fuente de tensión variable empezando en cero y
aumentando hasta tener corriente nominal por el devanado. Al
momento de la variación del voltaje la frecuencia debe
permanecer fija; Como se ilustra en la tabla II.
TABLA II. Resultados de la prueba de rotor bloqueado.
V. CURVA DE POTENCIA
Con los resultados anteriores se procede a hacer la curva
característica del torque y de potencia teniendo en cuenta la
ecuación 2 Y 3. Donde se debe calcular el equivalente Thevenin
al modelo del motor de la figura 1 y 𝜔𝑠𝑖𝑛𝑐 hace referencia a la
velocidad en rad/s. Las figuras 2 y 3 muestran las curvas
características de torque y potencia respectivamente.
𝜏𝐼𝑁𝐷 =3𝑉𝑡ℎ
2 𝑅2𝑠⁄
𝜔𝑠𝑖𝑛𝑐[(𝑅𝑡ℎ + 𝑅2𝑠⁄ )
2+ (𝑋𝑡ℎ + 𝑋2)2]
(2)
𝑝 = 𝑣𝜏𝑖𝑛𝑑
𝜋
30 (3)
Fig. 2. Curva característica del torque en función de la velocidad del motor
Fig. 3. Curva de la potencia en función de la velocidad del motor
Después de obtener estas curvas se procedió a determinar los
diferentes puntos de carga que se iban a usar como lo muestra
la tabla III, donde Psal es la potencia de salida, que se
garantizará con la figura 3.
Carga (%) Psal(W) Velocidad(rpm)
66 2429 1749
57 2116 1757
50 1857 1764
40 1477 1772
29 1064 1780
20 755 1787 Tabla III. Puntos de carga a utilizar para las pruebas.
VI. MÉTODO IEEE112
Para el método IEE112 lo que se hizo fue calcular las
respectivas pérdidas que este define para calcular la eficiencia
energética en un motor de 5 hp.
A. Pérdidas en el estator (Pscl).
Estas pérdidas se calculan mediante la resistencia calculada del
ensayo DC y la corriente promedio de línea (I), aplicando la
ecuación 4 y una respectiva variación de diferentes voltajes en
vacío junto con una corrección de temperatura de la resistencia
(Rcorr) usando la ecuación 5
𝑃𝑠𝑐𝑙 = 3𝐼2𝑅𝑑𝑐 (4)
𝑅𝑐𝑜𝑟𝑟 = 𝑅𝑎(𝑡𝑏 + 𝑘1)
𝑡𝑎 + 𝑘1 (5)
Donde:
𝑅𝑎 Es la resistencia medida a temperatura 𝑡𝑎.
𝑡𝑏 Es la temperatura a la cual la resistencia va a ser
corregida.
𝑡𝑎 Es la temperatura a la cual fue medida la resistencia
𝑅𝑎.
𝑘1 Es de 234,5 para el 100% de la conductividad IACS de
cobre, o 225 para el aluminio, sobre la base de un
volumen de conductividad del 62%.
B. Pérdidas por fricción y ventilación (Pwind)
Después de obtener las pérdidas en el estator, se debe proseguir
a obtener las pérdidas por fricción, para esto se debe graficar
𝑃𝑒𝑛𝑡 − 𝑃𝑠𝑐𝑙 𝑣. 𝑠. 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒2, para la cual se obtuvo la figura 4, de
aquí se debe hacer una regresión lineal y hallar la intersección
con el eje Y, en este caso da como resultado Pwind=44,253W.
Fig. 4. Gráfica de los puntos para hallar las pérdidas por ventilación.
C. Pérdidas en el núcleo.
Para obtener las pérdidas en el núcleo la norma dice que se debe
restar de Pent-Pscl, se toman las pérdidas por fricción y
ventilación Pwind y se grafican frente a voltaje como en la
figura 5. De aquí se obtiene la ecuación característica de este
polinomio de grado 2, el cual representa las pérdidas en el
núcleo en todos los niveles de voltaje.
Fig. 5. Gráfica para hallar la ecuación característica de las pérdidas en el núcleo en función del voltaje.
D. Pérdidas misceláneas.
Para el cálculo de estas pérdidas el método E1 permite
asumirlas según la tabla 6, para el caso del motor de 3,7W se
asume como el 1,8% de la carga.
E. Cálculo de la eficiencia.
Para el cálculo de la eficiencia se usará la ecuación 6 donde
𝑃𝐸𝑁𝑇 es la potencia de entrada medida y 𝑃𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿𝐸𝑆 es la suma
de las pérdidas anteriormente calculadas, en donde se obtienen
las diferentes eficiencias en los puntos de carga de la tabla IV.
𝜂 = 𝑃𝐸𝑁𝑇 − 𝑃𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿𝐸𝑆
𝑃𝐸𝑁𝑇 (6)
TABLA IV. Cálculo de la eficiencia para cada punto de carga
VII. MÉTODO CSA390.
Para este método se calcularon las pérdidas necesarias para
calcular la eficiencia. Como para este estándar es necesario
hacer pruebas con carga además tener en cuenta la variable de
torque, primero se tomaron valores de carga del 92% de carga
hasta el 20% para la prueba de variación de voltaje y para el
torque se hizo uso de la curva de torque de la figura 2.
A. Pérdidas en el estator.
Para calcular estas pérdidas se realiza el mismo procedimiento
que para el estándar ya mencionado IEEE112, es decir usando
la ecuación 4. Se obtienen los resultados de la tabla V.
TABLA V. Pérdidas del estator con carga usando CSA 390.
B. Pérdidas por fricción y ventilación.
Estas pérdidas se calculan con el mismo procedimiento que en
el estándar IEEE112 para las pérdidas sin carga, pero con la
diferencia de que se deben tener en cuenta solo los puntos de
carga entre 50% y 20% y adicionalmente se debe calcular las
pérdidas en el estator, obteniendo la figura 6.
Fig. 6. Gráfica de Pent-Pscl V.S. Voltaje2.
Con la figura 6, se puede hallar la intersección con el eje Y que
son las pérdidas por ventilación, se tiene que Pwind=39,56 W.
C. Pérdidas en el núcleo.
Para estas pérdidas la norma solo tiene en cuenta los puntos de
carga desde el 125% hasta el 50%, a estos se les aplica el mismo
procedimiento que en la norma IEEE112, obteniendo la figura
7. Según la norma se debe ubicar el voltaje nominal y mirar el
valor en Y, a este valor se le debe restar las pérdidas por fricción
y ventilación (Pwind) y estas serían las pérdidas en el núcleo.
teniendo en cuenta esto, el punto más alto que se logró alcanzar
en la prueba fueron 404V. Por lo tanto, se tiene como resultado
Ph= 127,08W.
D. Pérdidas en el rotor
Las pérdidas en el rotor según la CSA390 se calcula de la
misma forma que IEEE112, pero la diferencia es que esta
norma pide hacer corrección de temperatura al deslizamiento
mediante la ecuación.
𝑆𝑐𝑜𝑟𝑟𝑆(𝑡𝑠+𝐾1)
𝑡𝑡+𝑘1 (5)
𝑆 Es el deslizamiento calculado.
𝑡𝑠 Temperatura del estator corregido a 25°C. ts=tdev+25-
tamb
𝑡𝑡 Es la temperatura medida en el estator (tdev)
k1 Es de 234,5 para el 100% de conductividad IACS de
cobre, o 225 para el aluminio, sobre la base de un
volumen de conductividad del 62 %.
Fig. 7. Gráfica de Pent-Pscl VS Voltaje con CSA390.
E. Pérdidas Misceláneas
Para el cálculo de las pérdidas misceláneas el estándar primero
dice que se deben calcular los kilowatts residuales que se
definen mediante la siguiente ecuación.
𝐾𝑟𝑒𝑠(𝑤) = 𝑃𝑒𝑛𝑡 − 𝑃𝑠𝑎𝑙 − 𝑃𝑠𝑐𝑙 − 𝑃ℎ − 𝑃𝑤𝑖𝑛𝑑 − 𝑃𝑃𝐶𝐵 (7)
Después de obtener los Killowatts residuales para cada punto
de carga se debe graficar los Kilowatts residuales v.s. torque y
realizar una regresión lineal. Como lo muestra la figura 8 y
aplicar la ecuación obtenida a cada punto
Figura 8.Grafica de Kres vs Tind
F. Calculo de la eficiencia.
Para el cálculo de la eficiencia se debe calcular la potencia
de salida con la ecuación 7 y calcularse de la misma forma
que IEEE112, obteniendo la tabla VI.
𝑃𝑆𝐴𝐿(𝑤) = 𝑃𝑒𝑛𝑡 − 𝑃𝑠𝑎𝑙 − 𝑃𝑠𝑐𝑙 − 𝑃ℎ − 𝑃𝑤𝑖𝑛𝑑 (7)
TABLA VI. Eficiencia para cada punto de carga usando CSA 390.
VIII. METODO IEC 60034-2
El estándar IEC 60034-2 para calcular la eficiencia en un motor
de forma indirecta no da una secuencia, simplemente lo que
hace es separar cada tipo de pérdidas y su forma de cómo
calcularlas.
A. Pérdidas en el estator
Las pérdidas en el estator se calculan de la misma manera que
los anteriores estándares, es decir usando la ecuación 4 de
pérdidas en el cobre.
B. Pérdidas por ventilación
Las pérdidas por ventilación se calculan de la misma manera
que se hace en IEEE112 para la prueba en vacío y realizando el
mismo procedimiento. A partir de los resultados se obtuvo la
gráfica 9 donde se realiza la interpolación y se obtienen las
pérdidas por ventilación Pwind=40,5W.
Fig. 9. Grafica de Pent-Pscl VS Voltaje2 Con IEC 60034-2.
C. Pérdidas en el núcleo
La norma IEC 60034-2 dice que para calcular las pérdidas en el
núcleo se debe graficar como en IEEE 112, obteniendo la figura
10. Pero la diferencia es que se toman los porcentajes de carga
de 60% y 125% y adicionalmente se tiene en cuenta la caída de
tensión en el devanado primario, es decir se calcula cada nivel
de tensión según la ecuación 8.
𝑉𝑟(𝑉) = √(𝑉 −√3
2∗ 𝐼 ∗ 𝑅 ∗ 𝑐𝑜𝑠𝜙)2 + (𝑉 −
√3
2∗ 𝐼 ∗ 𝑅 ∗ 𝑠𝑒𝑛𝜙)2 (10)
Fig. 10. Gráfica de Pent-Pscl V.S. voltaje con IEC60034-2
D. Pérdidas en el rotor
Las pérdidas en el rotor se calculan de la misma forma que
calculan en la IEEE112, teniendo en cuenta la respectiva
corrección de temperatura en el deslizamiento como se hizo en
la norma CS390.
E. Pérdidas misceláneas
Para el cálculo de las pérdidas misceláneas el estándar sigue el
mismo procedimiento que CSA390, es decir calcular los
Kilowatts residuales y graficarlo v.s. torque, como lo muestra
la figura
Fig. 10. Gráfica de Kres vs Tind por IEC60034-2.
F. Calculo de la eficiencia
Para el cálculo de la eficiencia se calcula de la misma forma
que en los estándares anteriores. Los resultados se pueden
evidenciar en la tabla VII.
TABLA VII. Cálculos para determinar eficiencia IEC 60034-2.
IX. CONCLUSIONES.
Un factor que vale la pena resaltar es que las
normas IEC 60034 y CSA390 exigen medición
de torque directo en el rotor, esto con la finalidad
de calcular manualmente las pérdidas
misceláneas, a diferencia de IEEE112 que es
mucho más permisivo y deja asumir estas
pérdidas como un porcentaje de la potencia de
entrada.
A pesar que IEEE112 y CSA390 son estándares
internacionalmente aceptados, se pudo evidenciar
que estos no tienen en cuenta muchos aspectos
que teóricamente se deberían de tener en cuenta,
como lo hace IEC60034. Pero a pesar de esto,
IEEE112 es un estándar que requiere muchos
menos elementos para lograr medir la eficiencia
energética con un error tolerable.
Muchos estándares al no ser muy específicos con
el procedimiento que se debe seguir puede llegar
a generar confusión con quien desea medir la
eficiencia energética de un motor, ya que el
cálculo de algunas pérdidas son dependientes de
otras que se deben calcular previamente.
Al hacer los respectivos cálculos para
caracterizar un motor, permite determinar ciertas
medidas como el torque o la potencia de salida
sin necesidad de tener un instrumento de
medición, lo cual puede llegar a ser un recurso
muy importante.
A la hora de querer medir la eficiencia energética
de un motor es muy importante que se siga el
debido procedimiento que se sigue en la norma,
ya que cualquier cambio puede afectar
significativamente el resultado.
X. REFERENCIAS
[1] A. M. a. P. A. Diaz D, «Inter-turn short-circuit analysis in
an induction machine by,» de XXth International
Conference on Electrical Machines, 2012.
[2] O. Baez, «Javier de la morena cancela,» 2012. [En línea].
Available:
http://www.fenercom.com/pdf/formacion/e3plus2012/15-
eficiencia-energetica-en-motoreselectricos..
[3] L. C. a. R. J., «Normas de eficiencia energética de motores
de inducción, ¿está preparada latinoamérica?,» ISSN 0123-
7799, vol. (30), p. 117–147, 2013.
[4] H. C. R. Li, «Motor efficiency, efficiency tolerances and
the factors that influence them.,» IEEE Industry
Applications Magazine, p. 1–6, 2010.
[5] S. J. et al CHAPMAN, Máquinas eléctricas, Fifth edition,
2012.
[6] M. Benbouzid, «A review of induction motors signature
analysis as a medium for faults,» de IEEE Energy
Conversion Congress and Exposition, 1998.
[7] C. S. Asssociation, «Energy Efficiency Test Method for
three-phase induction motors,» Washington D.C, 1993.
[8] N. T. Colombiana, «Máquinas eléctricas rotatorias,
métodos para la determinación de las pérdidas y de la
eficiencia a partir de ensayos (excluyendo las máquinas
para vehículos de tracción),» ICONTEC, Bogotá D.C,
2008.
[9] I. STANDARDS, «IEEE Standards Test Procedure for
Polyphase Induction Motors and Generators,» New York,
2004.