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EnergíaEléctricaAscensoresyEscalerasMecánicas
Módulo 4
Curso en Auditoría y Ahorro Energético:
Viviendas y Terciario
Vigo,19octubre2011
JoséCidrásyCamiloCarrillo
UniversidaddeVigo1
EscalerasMecánicas
Escalera mecánica (“escalator”, OTIS), conjunto de escalones móvilesdiseñados para el transporte de personas entre dos alturas. Su velocidadtípica está entre 0,5 y 0,75 m/s.Pasillo móvil (“travelator” o “moving walkway”), para desplazamiento enhorizontal o con pendientes muy suaves.
Introducción
2
EscalerasMecánicasIntroducción
Área 2008China 40 %Europa 19 %JapónandCorea 20%América 11%Restodelmundo 10%Unidades 500000
Escaleras en servicio
Área 2008China 52%Europa 13%JapónandCorea 11%América 5 %Restodelmundo 19%Unidades 42000
Escaleras nuevas
http://www.lift-report.de/index.php/news/361/373/Industry-report---Lifts-and-escalators-an-industry-in-flux 3
EscalerasMecánicas
Mercadodeescalerasmecánicas(2007)
Introducción
http://www.lift-report.de/index.php/news/361/373/Industry-report---Lifts-and-escalators-an-industry-in-flux
Otis20%
Schindler26%
ThyssenKrupp12%
Kone12%
Mitsubishi8%
Hitachi6%
Otros16%
4
EscalerasMecánicas
Ángulo de inclinación ()
des
niv
el (
H)
Piso inferior
Piso superior
pasamanos
escalón
Cadena de escalones
motor
multiplicadora Rueda de retorno
Arrastre pasamanos
L
x
y
• Desnivel (H en m), típ. entre 3 and 6 m• Angulo de inclinacion ( in grados), su máximo valor permitido es 30º, que puede llegar a los 35º para
desniveles inferiores a 6 m y velocidades de transporte por debajo 0,5 m/s• Profundidad del escalón (x en m), cuyo valor mínimo es 0,38 m.• Altura entre escalones (y en m), que debe ser superior a 240 mm.• Ancho del escalón (z en m), cuyos valores estándar son 0,6, 0,8 y 1,00 m y debe ser superior a 0,58 m
e inferior a 1,10 mm.• Velocidad nominal (v in m/s), su máximo valor es de 0,75 m/s para ángulos de hasta 30º y 0,5 m/s para
ángulos entre 30º y 35º.• Distancia recorrida (L en m) sin L h
Características
5
EscalerasMecánicas
• Capacidad teórica de transporte (Ct)
Donde k representa en número de pasajeros por escalón:k=1 para z = 0,6 m k=1,5 para z = 0,8 m k = 2 para z = 1,0 m
3600tC vk y
La capacidad efectiva de transporte ha de reducirse en un 80% con respecto a su valor teórica,debido a que a mayor velocidad mayor es el número de personas que muestran reticencias ausar este medio
Ancho nominal
Velocidad Nominal0,5 0,65 0,75
0,6 4500 pers/h 5850 pers/h 6750 pers/h
0,8 6750 pers/h 8775 pers/h 10125 pers/h
1 9000 pers/h 11700 pers/h 13500 pers/h
Capacidad teórica de transporte
Prestaciones
6
EscalerasMecánicas
Escalera mecánica 1 2 y 3Dirección transporte subida
Desnivel (m) 5,12 3,80Inclinación (º) 35
Capacidad de transporte teórica (pers./hora) 6.750EN 115-1 Capacidad de transporte efectiva
(pers./hora) 4.800Ancho de escalón (m) 0,8
Velocidad nominal (m/s) 0,5Potencia motor (kW) 5,50 4,00
Distancia recorrida (m) 9,0 6,6Nº de escalones 26 20,5
Prestaciones
7
EscalerasMecánicas
• Potencia (en W) para transportar N pasajeros:
Donde:o M es la masa del pasajero (típ. 75 kg)o g es la aceleración de la gravedad (9,8 m/s2)o η es la eficiencia de transporteo P0 es la potencia consumida por la escalera sin carga
0sin
MgvP P N
max 01 cos
3600
tC
P P MgH
• Potencia máxima (ó mínima) en W:
Potencia ideal por persona
Las pérdidad fijas P0 dependen del diseño mecánico (guiado de escaleras, rodamiento,reductora,...), velocidad y la altura entre pisos.
+ Escalera subida- Escalera bajada
Consumo
8
EscalerasMecánicas
0 50 100 150 200 2502000
2200
2400
2600
pow
er in
W
time in s
CON PASAJEROS POTENCIA VACÍO P0
Consumo
9
EscalerasMecánicas
0 50 100 150 200 250 2000
2200
2400
2600
0 50 100 150 200 250 0
1
2
Pote
ncia
[W]
Nº P
erso
nas
tiempo [s]
Potencia Potencia vacío
Consumo
10
EscalerasMecánicas
PRIMERAS HORAS
Prácticamente P0
DECRECIENTE
ÚLTIMAS HORASEfecto
apreciable del tráfico
Tráfico reducido
Consumo
11
EscalerasMecánicas
Disminuye con eltiempo diario defuncionamiento
Consumo
12
EscalerasMecánicas
Disminuye con eltiempo diario defuncionamiento
Escalera 1 2 3Plantas 0 a 1 1 a 2 2 a 3
Potencia en Vacio (W) 1962 1445 1450
Pot. Vacio en Frio (W) 2309 1984 1865
Tt
AePtp 100
Consumo
13
Escalera 1 2 3Desnivel (m) 5.12 3.80 3.81
Ángulo (º) 35 35 35Ancho Peldaños (m) 0.8 0.8 0.8
Velocidad (m/s) 0.5 0.5 0.5Potencia motor (kW) 5.50 4.00 4.00
Longitud (m) 7.3 5.4 5.4Recorrido (m) 9.0 6.6 6.6
Peldaños 26 20.5 20.5k 1.5 1.5 1.5
Capacidad Teórica (pers./hora) 6750 6750 6750Capacidad Efectiva EN-115-1
(pers./hora) 4800 4800 4800Rendimiento 95.6% 93.6% 95.4%
Potencia por persona (W/pers) 220.56 225.18 220.98Potencia en Vacio (W) 1962 1445 1450Pot. Vacio en Frio (W) 2309 1984 1865Potencia máxima (W) 6614 5246 5074
Cap. Personas 33.56 24.83 24.83tiempo teórico (s) 17.90 13.24 13.24
EscalerasMecánicas
3600tC vk y
Pmax < Pmotor
N = 1
N = 4800 p/hora
0sin
MgvP P N
Obtenida de medidas (85%-95%)
Ejemplo
14
0%
5%
10%
15%
20%
1 2 3
Energía tráfico/En
ergía total
en %
Escalera
Tráfico medio
Tráfico máximo
EscalerasMecánicas
1 2 3Media 21 7 5
Máxima 66 26 24Media 1339 459 286
Máxima 4268 1665 1538Media 1.58 0.49 0.30
Máxima 5.04 1.77 1.62Energía vacío Media 23.54 17.34 17.40
Media 25.13 17.83 17.70Máxima 28.59 19.11 19.02Media 6% 3% 2%
Máxima 18% 9% 9%
1.18 1.06 1.06
Escalera
Energía tráfico (kWh/día)
Energía total (kWh/día)
Energía tráfico/total
Energía persona (Wh/pers.)Horas/día
Personas cada 10min
Personas diarias
12
1 2 3Media 21 7 5
Máxima 66 26 24Media 1339 459 286
Máxima 4268 1665 1538Media 1.58 0.49 0.30
Máxima 5.04 1.77 1.62Energía vacío Media 23.54 17.34 17.40
Media 25.13 17.83 17.70Máxima 28.59 19.11 19.02Media 6% 3% 2%
Máxima 18% 9% 9%
1.18 1.06 1.06
Escalera
Energía tráfico (kWh/día)
Energía total (kWh/día)
Energía tráfico/total
Energía persona (Wh/pers.)Horas/día
Personas cada 10min
Personas diarias
12
La mayor parte de lademanda de energía se debeal consumo en vacío, sinpasajeros.
Ejemplo
15
EscalerasMecánicasEficienciaenergética
• Utilización de motores síncronos de imanes permanentes, motores de mayor eficiencia,típicamente por encima del 90%, que los de inducción y que eliminan la necesidad dereductoras.
• Motores de inducción de alta eficiencia, con rendimientos incluso por encima del 90%.• Engranajes y pasamanos de alta eficiencia• Iluminación de alta eficiencia (LED)
Elementos constructivos
16
EscalerasMecánicasEficienciaenergética
El motor asíncrono: motores de alta eficiencia
• La eficiencia de los motores depende de las perdidas: Perdidas en el Cu. Perdidas en el Fe o vacío Perdidas de Mecánicas en los rodamientos o ventilador. Perdidas por dispersión del flujo magnético.
• Utilización de mayor cantidadde cobre en el rotor y elestator.
Perdidas I²R• El núcleo esta construido con
laminados mas delgados y demayor permeabilidad.
Perdidas Fe 87%88%89%90%91%92%93%94%95%96%97%
0.30 0.50 0.70 0.90
Rend
imien
to
Factor de carga
55kW IE155kW IE255kW IE3
Rendimiento motores asíncronos
17
EscalerasMecánicasEficienciaenergética
Elementos constructivos
MSIPMSIP CCCAMSIP CCCA
– Ventajas:• Eficiencia elevada (> 95%)• Alta densidad de energía (imanes de tierras
raras)• Control sencillo• Refrigeración sencilla (no circulan corrientes
por el rotor)• Bajo mantenimiento, al no haber
escobillas,...
– Desventajas:• Precio, los imanes son la parte más
cara• Velocidad máxima limitada (fallo por
sobretensiones)• Desmagnetización
Motores Síncronos de Imanes Permanentes
18
EscalerasMecánicasEficienciaenergética
Estrategias de control
• Marcha/Paro• Sistema de doble velocidad• Funcionamiento del motor a tensión reducida
19
EscalerasMecánicasEficienciaenergética
Estrategias de control
• Marcha/Paro, después detranscurrido un tiempo en que laescalera está sin tráfico se producela parada
• Sistema de control del motorsimple
• Sistema de detección deentrada de pasajero ha de serrápido y fiable
• Reticencia de los pasajeros ausar una escalera parada
• Problema de seguridad porparadas imprevistas
0
1
velocidad
ocupación
20
EscalerasMecánicasEficienciaenergética
Estrategias de control
• Sistema de doble velocidad,después de transcurrido un tiempoen que la escalera está sin tráfico sereduce la velocidad un 50%
• Sistema de control del motorsimple con VV (+complejo)
• Sistema de detección deentrada de pasajero ha de serrápido y fiable 0
1
velocidad
ocupación
MA
Enlace
CC
RectificadorInversor
RED
Motor
Asíncrono
Variador de frecuencia
21
EscalerasMecánicasEficienciaenergética
Estrategias de control
• Sistema de doble velocidad
0 500 1000 15000
20
40
60
80
100
120
rpm
Par
mec
ánic
o (N
·m)
200V@25Hz400V@50Hzcarga escaleraPot. nominal (4kW)funcionamiento
Reducción en velocidad ≈ 50%
22
EscalerasMecánicasEficienciaenergética
Estrategias de control
• Sistema de doble velocidad
600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 16000.5
1
1.5
2
rpmP
ot. m
ecán
ica
(kW
)
600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 16000.5
1
1.5
2
rpm
Pot
. elé
ctric
a (k
W)
200V@25Hz400V@50Hz
Reducción en consumo en vacío ≈ 50%
23
EscalerasMecánicasEficienciaenergética
Estrategias de control
• Funcionamiento del motor a tensión reducida. El sobredimensionamiento de losmotores de arrastre permiten aplicar tensiones de alimentación inferiores a lasnominales.
• Sistema de control del motor con reductor de tensión (autotrafo,...)• Sistema de detección de sobrecarga (paso a tensión nominal)• Velocidad escalera prácticamente constante (no detección pasajero)• Reducción de pérdidas en el hierro (prop. U2)• Aumento de pérdidas en el cobre (prop. I)
24
EscalerasMecánicasEficienciaenergética
Estrategias de control
• Funcionamiento del motor a tensión reducida.
1400 1420 1440 1460 1480 15000
5
10
15
20
25
30
35
40
rpm
Par
mec
ánic
o (N
·m)
400V@50Hz300V@50Hz220V@50Hzcarga escaleraPot. nominal (4kW)funcionamiento
Reducción en velocidad ≈ 4%
25
EscalerasMecánicasEficienciaenergética
Estrategias de control
• Funcionamiento del motor a tensión reducida.
1420 1430 1440 1450 1460 1470 1480 1490 15000
1
2
3
4
rpm
Pot
. mec
ánic
a (k
W)
1420 1430 1440 1450 1460 1470 1480 1490 15000
1
2
3
4
5
rpm
Pot
. elé
ctric
a (k
W)
400V@50Hz300V@50Hz220V@50Hz
Reducción en consumo < 11%
26
EscalerasMecánicasEficienciaenergética
Estimación de ahorros
Esc. 1 Esc. 2 Esc. 3 TotalFunc. Normal 22.6 16.3 16.5 55Marcha/Paro 13.9 4.2 2.5 21 35Vel. reducida 17.4 9.0 8.1 34 21
Esc. 1 Esc. 2 Esc. 3 TotalFunc. Normal 6865 4944 5014 16824Marcha/Paro 4224 1266 757 6247 10577 62.9%Vel. reducida 5281 2737 2460 10478 6346 37.7%
Esc. 1 Esc. 2 Esc. 3 TotalFunc. Normal 762 € 549 € 557 € 1 867 €Marcha/Paro 469 € 140 € 84 € 693 € 1 174 €Vel. reducida 586 € 304 € 273 € 1 163 € 704 €
€/año
kWh/año
Ahorro gasto escaleras
kWh/día
Ahorro consumo escaleras
Ahorro consumo escaleras
Precioenergía:11c€/kWh(eurostat) 27
EscalerasMecánicasEficienciaenergética
Estimación de ahorros
1970Multiplicadora
Engranaje sin fin
100%
1990Multiplicadora con
Engranaje Helicoidal
80%
2000Funcionamiento con velocidad reducida (VV)
62%
Fuente: Mitsubishi 28
AscensoresIntroducción
Ascensor, equipo destinado al transporte vertical de personas entredistintos niveles o plantas.
29
Área 2008Europa 48 %América 17%JapónandCorea 11%China 10 %Restodelmundo 15%
Unidades 9100000
Ascensores en servicio
Área 2008China 40%Europa 23%JapónandCorea 10%América 10 %Rusia 5%India 4%Restodelmundo 8%Unidades 478000
Ascensores nuevos
AscensoresIntroducción
http://www.kone.com/corporate/en/Investors/Businessenvironment/business_review_2008/elevatormarket/Pages/default.aspx30
Ascensores
Mercadodeascensores(2007)
Introducción
http://www.lift-report.de/index.php/news/361/373/Industry-report---Lifts-and-escalators-an-industry-in-flux
Otis27%
Schindler18%
ThyssenKrupp13%
Kone11%
Mitsubishi8%
Hitachi7%
Otros16%
31
Ascensores
polea
cables
cabina
contrapeso
Elementotractor
Motoreléctrico
Regularlavelocidaddelacabina
Regenerativo:Aprovecharelfrenado
Contrapeso
Equilibrioentrepesocabinaypesocontrapeso
Características
32
AscensoresPerfilconsumo
0 5 10 15 20 25
2
4
6
8
tiempo en s
TOTP(kW)Max[kW]
0 5 10 15 20 25
2
4
6
8
tiempo en s
TOTP(kW)Max[kW]
Funcionamiento en vacío
33
polea
cables
cabina
Elementotractor
contrapeso
cP
bP
CICLOSubidadecabinaCICLOSubidadecabina
, max· 0, 47 · ·ciclo subida b c perdidas perdidasE P P h E P h E
( ) 0 max·b cabinaP P P
( ) 0 max0, 47·c contrapesoP P P
34
Contrapeso: Cabina + 45%-50% Carga máxima
• Pbmax: Peso total de la cabina + carga• Pmax: Carga máxima > Ocupantes (80kg)• Pb: Peso total cabina• α: Índice de carga
o 0: vacíoo 1:carga máxima
Energía ciclo subida
Si α < 0,47 energía negativa > Regeneración
AscensoresComportamiento
polea
cables
cabina
Elementotractor
contrapeso
cP
bP
, max0,47 · ·ciclo subida perdidasE P h E
0,47Energía
0,47Energía
35
CICLOSubidadecabinaCICLOSubidadecabina
AscensoresComportamiento
polea
cables
cabina
contrapeso
Elementotractor
Motoreléctrico
Asíncrono:
• Arranqueestrella/triángulo
• Conmutacióndeparesdepolos
• Regulacióndefrecuencia
Síncrono:
• Regulacióndefrecuencia
Contrapeso
Equilibrioentrepesocabinaypesocontrapeso
36
AscensoresConfiguración
Red eléctrica U = 400 V f =50 Hz
Caja de engranajes
polea
cables
cabina
contrapeso
Motor eléctrico Inducción
Red eléctrica U = 400 V f =50 Hz
Caja de engranajes
polea
cables
cabina
contrapeso
Motor eléctrico Inducción
Variador de frecuencia
Motoreléctricoasíncrono
Conmutacióndeparesdepolos
Regulacióndefrecuencia• Regeneración
• Resistenciasfrenado
37
AscensoresConfiguración
Red eléctrica U = 400 V f =50 Hz
polea
cables
cabina
contrapeso
Motor eléctrico Síncrono
Variador de frecuencia
Motoreléctricosíncrono
Multipolos:sinengranajes
Regulacióndefrecuencia
38
AscensoresConfiguración
Motorasíncronoconmultiplicadora
39
AscensoresConfiguración
MotorsíncronoSINmultiplicadoraSINsalademáquinas
Fuente: Mitsubushi
Ascensores
Red eléctrica U = 400 V f =50 Hz
Depósito hidráulico
Bomba hidráulica
Cilindro hidráulico
cabina
Pistón hidráulico
Motor eléctrico Inducción
Variador de frecuencia
Circuito hidráulico
Ascensorhidráulico40
AscensoresConfiguración
CALOR
VDI 4707
41
AscensoresNormativaenergética
Modos considerados• Consumo en espera o “standby”, en este modo el ascensor está parado
(electrónica control, iluminación,...)• Consumo en viaje: mWh/(m·kg) donde se relaciona la energía consumida con la
carga y la longitud del recorrido
Para la medida de la energía consumida en cada viaje se realiza un viaje dereferencia, el cual consiste en un viaje de recorrido completo hacia arriba y haciaabajo con la cabina vacía.
CategoríasdeusosegúnVDI 4707
Categoría 1 2 3 4
Frecuenciadeintensidaddeuso baja/raravez media/
ocasionalmentealta/
frecuentementemuyalta/muyfrecuentemente
Tiempodeviajemedioenhorasaldía
0,5(≤1) 1,5(>1‐2) 3(>2‐4,5) 6(>4,5)
Tiempomedioenesperaenhorasaldía
23,5 22,5 21 18
Usos típicos
• Bloqueresidencial conun máximo de 20viviendas
• Pequeñosedificiosadministrativos yde oficinas de 2 a5 plantas
• Pequeñoshoteles
• Montacargas conpoco uso
• Bloqueresidencial conun máximo de 50viviendas
• Edificiosadministrativos ymedios conhasta 10 plantas
• Hoteles medios• Montacargas con
uso medio
• Bloqueresidencial conmás de 50viviendas
• Edificiosadministrativos yde más de 10plantas
• Grandes hoteles• Montacargas en
procesos deproducción conun solo turno
• Edificiosadministrativos yde más de 100 m
• Grandeshospitales
• Montacargas enprocesos deproducción convarios turnos
42
AscensoresNormativaenergética
ClasificaciónenergéticaVDI 4707
CalificaciónEnergética
Clasesdedemandadeenergía
Clases de energía específica demandada por viaje en
mWh/(m·kg)
Consumo en Standby
en W
Energía demandada por viaje en mWh/(m·kg)
Categoría de uso
1 2 3 4
A ≤50 ≤0,8 ≤1,45 ≤1,01 ≤0,9 ≤0,84
B ≤100 ≤1,2 ≤2,51 ≤1,62 ≤1,39 ≤1,28
C ≤200 ≤1,8 ≤4,41 ≤2,63 ≤2,19 ≤1,97
D ≤400 ≤2,7 ≤7,92 ≤4,37 ≤3,48 ≤3,04
E ≤800 ≤4,0 ≤14,41 ≤7,33 ≤5,56 ≤4,67
F ≤1600 ≤6,0 ≤26,88 ≤12,67 ≤9,11 ≤7,33
G >1600 >6,0 >26,88 >12,67 >9,11 >7,33
43
AscensoresNormativaenergética
Ejemplo:Ascensor en edificio residencial
Pesocabinaascensor 980,00 kgCapacidad 8,00 persCapacidadenpeso 640,00 kgPlantas 5 ‐Viviendas 20 ‐Altura 15,00 mRecorridomediodiario 7,50 mVelocidad 0,75 m/sViajespordía 600,00 ‐
44
AscensoresEjemplo
0 50 100 150 200 250 300 350 400 4500
2
4
6
8
tiempo en s
pote
ncia
en
kW
45
AscensoresEjemplo
Medida del consumo durante 5 ciclos completos de subida y bajada con cabina vacía
Ascensores
Consumo “standby” de 200 W (iluminación de cabina más circuitos de control)
0 max0,5· 980 0,5·640 1300( )contrapesoP P P kg
viaje completorecorrido medio 15 20( )velocidad media 0,75
mt sm s
viaje completo/día
número viajes/día · recorrido medio/viaje 600·7,5 1,67( / )velocidad media 0,75
t h día
SegúnVDI 4707:Categoría2.1,67h/día<2h/díamedia/ocasionalmente
Clasificaciónenergética porStandby:C.200W46
AscensoresEjemplo
funcionamiento/día
parada/día
1,5( / )22,5( / )
t h díat h día
TABLA Clases de energía específicademandada por viaje en mWh/(m·kg)
Consumo por viaje de 22,3 Wh (motor).
Clasificaciónenergética porenergíademandadaporviaje:B.(1,16<1,2)
/22,3( ) 1,16 /( · )
2·15( )·640( )demandada viajeWhE mWh m kg
m kg
AscensoresEjemplo
47
Clasificación energética por energía demandada por viaje : D. (2,90 <4,37)
48
AscensoresEjemplo
• Un recorrido diario:4.050 m (= 1,5h 0,75m/s 3.600s/h)
• Un valor para la energía por viaje:3,01 kWh/día (=1,16 mWh/(m·kg) 4.050m/día 640kg)
• El valor de la energía en standby al día:4,50 kWh/día (= 200 W 22,5h/día)
• Energía por día:7,51 kWh/día (3,01 kWh/día + 4,50 kWh/día)
• El consumo específico total es de:2,90 mWh/m/kg ( = 7,51kWh/día / 4.050m/día / 640kg)
49
AscensoresEjemplo
Standby4.5
60%
Viaje3.0140%
Energía kWh/día
• Iluminación halógena: 130 W (2,9 kWh)• Iluminación LED: 30 W (0,7 kWh)• AHORRO CONSUMO ILUMINACIÓN: 75%• AHORRO CONSUMO ASCENSOR: 30%
AscensoresEficienciaenergética
Estimación de ahorros
1960Ascensor con sala
100%
1970·Multiplicadora
Sin Fin·Control tensión
motor
93%
1985Regulador
de velocidad
(VV)
37%
2000Multiplicadora
Helicoidal
32%
2005Máquina síncrona
multipolos
30%
Fuente: Mitsubishi 50
Polea: cables de acero ►CintaCinta Cable de acero