Contenido • Selección de motores

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