Ahorro de Energia en Motores Tecnologia WEG

OPORTUNIDADES PARA EL AHORRO DE ENERGÍAELÉCTRICA A TRAVÉS DEL USO DE MOTORES DEEFICIENCIA ALTA E INVERSORES DE FRECUENCIA

Transformando Energía en Soluciones

PRESENTACIÓN

OPORTUNIDADES PARA EL AHORRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA A TRAVÉS DEL USO DE MOTORES DE EFICIENCIA ALTA E

INVERSORES DE FRECUENCIA

WEG nace en 1961 en la ciudad de Jaragua Do Soul, Estado de Santa Catarina al sur de Brasil,siendo su primera razón social: “ELECTROMOTORES JARAGUA LTDA”

Inicia operaciones el 16 de Septiembre de 1961 con un capital inicial equivalente a $12 000,00 us dlls

PRIMER MOTOR WEG FABRICADOPOR ELECTROMOTORES JARAGUA LTDA

El nombre de WEG nace de la conjunción de las iniciales del nombre de sus fundadores:

W Werner Ricardo Voigt (Ing. Electricista)E Eggon João Da Silva (Administrador)G Gerarldo Werninghaus (Ing. Mecánico)

Del alemán:

WEG = camino



Producción anual de motores:

1961 146 unidades

1965 9 486 unidades

1966 12 987 unidades



1972 104 134 unidades

1977 458 437 unidades

1978 631 536 unidades

1984 855 557 unidades

1985 1 034 879 unidades

2000 6 826 842 unidades

2001 8 040 700 unidades

2003 10 165 800

unidades

0

1000000

2000000

3000000

4000000

5000000

6000000

7000000

8000000

9000000

1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005

Año

Uni

dade

s pr

oduc

idas



JARAGUA DO SUL (BRASIL*):

PARQUE INDUSTRIAL IPARQUE INDUSTRIAL IIFABRICA DE WEG QUIMICA

BLUMENAU (BRASIL):

FABRICA DE TRANSFORMADORES

SAU PAULO (BRASIL):

FABRICA DE APPLIANCE

ARGENTINA:

FABRICA DE ACCIONAMIENTOSFABRICA DE APPLIANCE

PORTUGAL:

FABRICA DE MOTORES DE MEDIA Y ALTA TENSIÓN

MÉXICO:

FABRICA DE MOTORES DE BAJA TENSIÓN

WEG actualmente cuenta con fabricas en:

*Casa matríz y coporativo



WEG en México inicia sus operaciones como fabrica el 1o de Agosto del 2000.

Con una planta ubicada en Tlalnepantla, Edo. de Méxicocon 200 empleados y una producción mensual de 5000Motores trifásicos en baja tensión.

Hasta Agosto del 2004 esta planta fabricaba:

-Motores de inducción trifásicos en baja tensión desde 0,25hphasta 100hp.

-Generadores síncronos de polos salientes desde 21kVA hasta600kVA.

-Tableros de control en baja tensión.

Y comercializaba:

-Motores monofásicos.-Equipo de control (Inversores, Softstarters).-Accionamientos (Relevadores, Interruptores, Capacitores, etc).-Motores en Media y Alta tensión.-Transformadores de Potencia



En Septiembre 17 del 2004, WEG México continúa sus operaciones en una planta nueva ubicada en Huhuetoca, Estado de México.

En su fase inicial esta planta tiene 2 naves industriales con una superficie de 20 000m2 cada una, se preveé en la primera etapa de crecimiento pasar de 200 empleados a 400.

La nueva planta producirá:

Motores monofásicos: 250 000 anualesMotores trifásicos en baja tensión de 1 a 500hp: 100 000 anualesMotores trifásicos en media tensión hasta 5000hp y 4,1kV: 600 anualesGeneradores síncronos desde 21kVA hasta 600kVA: 850 anualesArrancadores a Tensión Reducida*: 500 anuales

Así mismo contará con laboratorios de:

Motores monofásicosMotores trifásicos en baja y media tensiónMetrología e instrumentación

*Convencionales y electrónicos (sofstarters)



Continuando con la comercialización de:

- Motores de Alta Tensión-Transformadores (Potencia, distribución, reactores, etc.)- Accionamientos (contactores, arrancadores, interruptores, etc.)- Equipo de control (Sofstarters, Drives)- Pinturas, Barnices y Resinas

Incrementando su infraestructura para satisfacer las necesidades del mercado de motoresEspeciales, tanto a nivel local como a nivel exportación.



Los motores de inducción tipo jaula de ardilla son los motores eléctricos más populares y utilizados dentro del ámbito industrial y doméstico.

Tradicionalmente a este tipo de motor eléctrico se le ha considerado como “caballos de batalla”y son empleados en un sinúmero de aplicaciones.



Su gran posicionamiento en los mercados lo han ganado gracias a que ofrecen:

-Una alta eficiencia en el proceso de conversión de energía electromecánica-Un bajo costo de mantenimiento-Una excelente relación entre tamaño de armazón y potencia útil de salida-Una vida útil de operación adecuada-Una gran facilidad de adaptación a aplicaciones especiales-Un razonable precio de venta

Solo presentaban hasta hace algunos años dos características que en algunas aplicaciones los dejaban en desventaja frente a otros tipos de motores eléctricos:

-Su comportamiento al arranque-Su control de velocidad

Sin embargo, ahora con la aplicación de los inversores de frecuencia, ambas características hansido controladas



El advenimiento de los inversores de frecuencia probocó en un inicio que se realizaran inversionesen investigaciones para desarrollar motores para “uso con inversores”.

No fueron pocos los esfuerzos, así mismo dentro de estas investigaciones se tuvieron algunoséxitos, pero también muchos fracasos.

Después de estas investigaciones se concluyó que era más rentable adaptar al motor estándarde uso general para ser utilizados con inversores de frecuencia que tener una línea deproducción especializada en motores para “uso con inversores”.

Salvo en aplicaciones muy especiales se puede afirmar que el motor de uso general ha respondidoadecuadamente a las exigencias de los inversores sin necesidad de alteraciones en su fabricación.

Lo anterior y la popularidad cada día más creciente del uso de inversores ha hecho que el motorde inducción tipo jaula de uso general, siga posicionándose cada día más en los mercadosindustrial y doméstico.



Más aún, gracias a su construcción física, el motor de inducción con rotor tipo jaula, tiene un excelente comportamiento dinámico, el cual puede ser utilizado cuando se requieraarranques y paros contínuos, reversiones, control de velocidad, etc.

Lo anterior debido a que poseé un rotor con baja inercia, libre de conmutador, anillos rozantesy escobillas, una gran rigidéz, y un control desde el diseño de la inductancia y resistencia.

Estas características no habían sido explotadas al máximo sino hasta el desarrollo del control vectorial.

Por todo esto se puede afirmar que el motor de inducción tipo jaula junto con los inversoresde frecuencia representan una excelente alternativa de reemplazo contra los sistemastradicionales como puede ser el motor de CD y el motor de inducción con rotor devanado.



PRINCIPIOS BÁSICOS DEOPERACIÓN DEL MOTOR DE

INDUCCIÓN



DEFINICIÓN DEL MOTOR DE INDUCCIÓN: Máquina eléctrica queconvierte energía eléctrica en energía mecánica

WenWsal

Wper

Wen = Energía de entrada en forma eléctricaWsal = Energía de salida en forma mecánicaWper = Energía perdida durante el proceso en forma de calor



PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA:

“LA ENERGÍA NO SE CREA NI SE DESTRUYE, SOLO SE TRANSFORMA”

Este enunciado puede ser expresado:

Wen = Wsal + Wper

La energía eléctrica que entra es igual a la energía mecánica que sale másLas pérdidas que ocurren durante el proceso



WenWsal

Wper

DENTRO DEL MOTOR EXISTE UN SISTEMA QUE CONVIERTELA ENERGÍA ELÉCTRICA EN

MECÁNICA



COMPONENTES DEL SISTEMA DE CONVERSIÓNDE ENERGÍA ELÉCTRICA ENMECÁNICA

ESTATOR:1. NÚCLEO (ACERO)2. BOBINAS

ROTOR:1. NÚCLEO (ACERO)2. JAULA*

*LA JAULA DE ARDILLA ES EL DEVANADO DEL ROTOR, ESTE DEVANADO ESTÁ EN CORTOCIRCUITO PERMANENTEMENTE Y EN MOTORES CHICOS EN COMUNMENTEFABRICADO EN INYECCIÓN DE ALUMINIO SOBRE EL NÚCELO DE ROTORDIRECTAMENTE



Partes constitutivas de un motor de inducción tipo jaula TCCV



MOTOR DE USO GENERAL:

De acuerdo a NEMA MG 1, 2003; un motor de uso general es el correspondiente al motor Diseño B y que cumple con:

Parámetro Símbolo Apartado/valor Tolerancia

Par de arranque TARR 12.38.1 Mín

Par mínimo TMIN 12.40.1 Mín

Par máximo TMAX 12.39.1 Mín

Corriente de arranque IARR 12.35.1 Máx

Deslizamiento s 5% Máx

Eficiencia 12.60 12.59.2

Momento de inercia wk2 12.55.1

Aislamiento F (155ºC)

Factor de servicio f.s. 1,15



CURVA PAR-CORRIENTE V.S. DESLIZAMIENTO DE MOTOR DISEÑO NEMA B

I/In T/Tn

00

1

2

1

2

3

4

5

6

s

1 0,5 0

Tarr(LRT)

Tmin

Tmáx

Iarr(LRC)

In(FLA)

Tn

Iosn

NOMENCLATURA

T = ParTn = Par nominalTarr = Par arranque a rotor

bloqueadoTarro = Par de arranque en

vacíoTmin = Par mínimoTmáx = Par máximoI = CorrienteIn = Corriente nominalIarr = Corriente arranqueIo = Corriente vacíos = deslizamientosn = deslizamiento nominal

Tarro

Condición nominal (de placa de operación)

I/In T/Tn

00

1

2

1

2

3

4

5

6

s

1 0,5 0

Tarr(LRT)

Tmin

Tmáx

Iarr(LRC)

In(FLA)

Tn

Iosn

NOMENCLATURA

T = ParTn = Par nominalTarr = Par arranque a rotor

bloqueadoTarro = Par de arranque en

vacíoTmin = Par mínimoTmáx = Par máximoI = CorrienteIn = Corriente nominalIarr = Corriente arranqueIo = Corriente vacíos = deslizamientosn = deslizamiento nominal

Tarro

Condición nominal (de placa de operación)



MOTORES DE EFICIENCIAALTA



WenWsal

Wper

Wen = Energía de entrada en forma eléctricaWsal = Energía de salida en forma mecánicaWper = Energía perdida durante el proceso en forma de calor

DEFINICIÓN DEL MOTOR DE INDUCCIÓN: Máquina eléctrica queconvierte energía eléctrica en energía mecánica



DEFINICIÓN DE EFICIENCIA

Eficiencia = Potencia de salida / Potencia de entrada

Potencia de entrada = Potencia de salida + Pérdidas

Eficiencia = Potencia de salida / ( Potencia de salida + Pérdidas )

= Psal / ( Psal + Perd)

De esta definición se deduce que las pérdidas y la eficienciatienen una relación inversa.



Las pérdidas en el motor se clasifican en:

1. FIJAS: No dependen del punto de carga de operación del motor.

2. VARIABLES: Si dependen del punto de carga de operación del motor.



Las pérdidas en le motor se clasifican en:

1. FIJAS: 1.1. Pérdidas mecánicas: - Fricción- Ventilación

1.2. Pérdidas magnéticas: - Histéresis- Corrientes Parásitas

2. VARIABLES: 2.1. Pérdidas en el estator2.2. Pérdidas en el rotor2.3. Pérdidas indeterminadas



% DE PERDIDAS* TÍPICAS EN UN MOTOR DE 100HP4 POLOS EFICIENCIA ALTA, TOTALMENTE CERRADO

Pérdidas mecánicas 0,33 kW 7,97 %Pérdidas núcleo 0,74 kW 17,87 %Pérdidas en estator 1,29 kW 31,16 %Pérdidas en rotor 1,41 kW 34,06 %Pérdidas indeterminadas 0,37 kW 8,94%

Total 4,14 kW 100,0 %

*De pruebas de laboratorio



Potencia de salida 74,60 kWTotal de pérdidas 4,14 kW

Eficiencia = ( 74,60 / ( 74,60 + 4,14 ) ) ( 100 ) = 94,74 %

= 94,74 %

% DE PERDIDAS* TÍPICAS EN UN MOTOR DE 100HP4 POLOS EFICIENCIA ALTA, TOTALMENTE CERRADO



PORCENTAJES TÍPICOS DE PERDIDAS EN LALITERATURA ESPECIALIZADA

Tipo de pérdida Prueba Docto 1 Docto2(1999) (1995) (1994)

Pérdidas mecánicas 7,97 % 6,72 % 24 %Pérdidas núcleo 17,87 % 25,37 % 29 %Pérdidas en estator 31,16 % 47,26 % 20 %Pérdidas en rotor 34,06 % 18,66 % 21 %Pérdidas indeterminadas 8,94 % 1,99 % 6 %

Total 100 % 100 % 100 %



POTENCIA Polos2 4 6

kW HP nom nom nom0,746 1,0 75,5 82,5 80,01,1 1,5 82,5 84,0 85,51,5 2,0 84,0 84,0 86,52,2 3,0 85,5 87,5 87,53,7 5,0 87,5 87,5 87,55,6 7,5 88,5 89,5 89,57,5 10 89,5 89,5 89,511,2 15 90,2 91,0 90,215 20 90,2 91,0 90,218,6 25 91,0 92,4 91,722 30 91,0 92,4 91,730 40 91,7 93,0 93,037 50 92,4 93,0 93,044 60 93,0 93,6 93,655 75 93,0 94,1 93,675 100 93,6 94,5 94,193 125 94,5 94,5 94,1111 150 94,5 95,0 95,0150 200 95,0 95,0 95,0

Tabla de eficiencias para motores TCCVEde la NOM-016-2002



COMPARACION DE RESULTADOS V.S. LA NOM-016

Para el motor de 75kW (100HP):

Eficiencia obtenida de laboratorio: 94,7 %Eficiencia nominal de la NOM: 94,5 %Eficiencia mínima asociada (NOM):93,6 %



1. Para motores trifásicos:

NOM-016-ENER-2002; Eficiencia energética de motores de corriente alterna trifásicos, de inducción, tipo jaula de ardilla, de uso general en potencia nominal de 0,746 a 373 kW. Límites, métodos de prueba y marcado.

Publicada en el DOF el 13/ene/03En vigor desde abr/03

2. Para motores monofásicos:

NOM-014-ENER-1997; Eficiencia energética de motores de corriente alterna monofásicos, de inducción, tipo jaula de ardilla, de uso general en potencia nominal de 0,180 a 1,500 kW. Límites, métodos de prueba y marcado.

Publicada en el DOF el 04/feb/97En vigor desde ago/99

DETERMINACION DE LA EFICIENCIA(Método de prueba)




Pasos en la prueba de eficiencia energética:

a. Medición de resistencia en fríob. Prueba de estabilidad térmicac. Determinación de incremento de temperaturad. Prueba a diferentes cargas ( 150% - 25% )e. Determinación de corrección de dinamómetrof. Prueba sin carga a diferentes tensiones ( 150% - 50% )

Otras pruebas desarrolladas en el laboratorio:

g. Prueba a rotor bloqueado y tensión reducidah. Prueba de arranque a tensión plenai. Curva de par-corriente v.s. deslizamiento (velocidad)j. Vibraciónk. Medición de ruido




Documentos internacionales:

1. IEEE STD 112-2001, Standard test procedure for polyphase inductionmotors and generators

2. ANSI/IEEE STD 114-1982, Test procedure for single-phase inductionmotors

3. CSA 390-98, Energy Efficiency test methods for three-phase inductionmotors

4. NEMA MG-1/2003, Part 12, Motors and Generators



FACTORES QUE INFLUYEN EN EL NIVEL DE PERDIDAS

PÉRDIDAS

Selección(aplicación)

Diseño

Proceso defabricación

Alimentacióneléctrica

Instalaciónmecánica

Instalacióneléctrica



1. DISEÑO:

a. Acero Eléctrico:- Volumen- Permeabilidad magnética- Diseño de ranuras

b. Bobinados: - Factor de devanado- Factor de relleno

c. Mecánico: - Rodamientos y lubricación- Ventilador- Transferencia de calor- Disipación térmica

FACTORES QUE INFLUYEN EN EL NIVEL DE PERDIDAS



2. PROCESO DE FABRICACION:

a. Automatización de procesosb. Control de Calidadc. Precisión de maquinadosd. Fundicióne. Balanceof. Materia Prima

FACTORES QUE INFLUYEN EN EL NIVEL DE PÉRDIDAS



3. ALIMENTACION ELECTRICA:

a. Calidad en la señalb. Tensiónc. Frecuencia




4. INSTALACION MECANICA:

a. Acoplamientos (ajustes)b. Tensión en bandasc. Sujeción mecánicad. Alineacióne. Ventilación




5. INSTALACION ELECTRICA:

a. Conexión eléctricab. Tierras




6. SELECCION:

a. Nivel de cargab. Tipo de operaciónc. Temperatura ambiented. Altitud




El promedio de la eficiencia de un lote de producción deberá reportar el valor de eficiencia nominal, y una muestra probada en el laboratorio deberá al menos cumplir con el valor mínimo asociado

94,5%

93,6%

Eficiencia()

Muestras del lote A

nom

minasoc



COMPARACIÓN ENTRE DISPOSITIVOS

20

40

60

80

100

0compresor motor

Dieselmotorautomóvil

motor75kWef std

motor75kWef alta

Eficiencia



1. Motores de uso definido o especial2. Motores de alto par de arranque3. Motores de 2 o más velocidades4. Motores de más de 8 polos5. Motores menores a 0,746 kW (1HP)6. Motores superiores a 373 kW (500HP)

QUE MOTORES NO DEBEN CUMPLIR CON LA NOM



1. Instalaciones nuevas2. En la compra de equipo nuevo como: bombas

compresores, ventiladores, etc...3. En el reemplazo de equipo viejo y en mal estado4. En lugar de reembobinar5. Como parte de un programa de ahorro de

eficiencia energética

CUANDO SE JUSTIFICA UN MOTOR DE AE



1. Cargas con operación continua2. Nivel de tensión de acuerdo a placa 3. Tensión balanceada4. Acoplamiento e instalación mecánica correcta5. Buena ventilación6. Instalación eléctrica correcta7. Nivel de carga mecánica entre 85% y 100%8. Mantenimiento de rodamientos

COMO APROVECHAR AL MAXIMO LA AE



1. Motor + Inversor de frecuencia2. Motores Hi-output 3. Arranque Y-D

OTRAS ALTERNATIVAS PARA AHORRO DEENERGIA ELECTRICA



INVERSORES DE FRECUENCIA(conceptos básicos)



DEFINICIÓN DEL INVERSOR DE FRECUENCIA: Dispositivo cuya funciónes la de controlar la velocidad y par del motor a través de la transformación

de tensión y frecuencia fijas de la red de alimentación en tensión yfrecuencia variables

Tensión y frecuencia fijas

Tensión y frecuenciavariablesInversor

MotorCarga



M3~CA/CD Filtro

CD/CA

Sensor de velocidadUnidad de control(mando)

Alimentación senoidaltrifásica

CONFIGURACIÓN GENERAL DE UN INVERSOR DE FRECUENCIA (DRIVE)

Voltaje fijoy frecuencia fija

Voltaje variablefrecuencia variable



Modulación de amplitud de voltaje de salida en una onda PWM

FundamentalFundamental

RMS



Onda fundamental

U

-U

0 2t

u1u2 u3

U/2

U/2

U

u1

u2

u3

i1

Pulsos

Corriente



CONTROL DE PAR



DESLIZAMIENTOS

PART/TN

TMAX

TMIN

TARR

IARR

TN

S=1 S=0SN

Control de par

A través del control depar se logra una mayorpresición en el controlde la velocidad



VELOCIDAD:

p)s1(f120

n 1

DONDE: n = velocidad (min-1)f1 = frecuencia de la red (Hz)s = deslizamiento (pu)p = número de polos

1

1m

2m

fV

IT

DONDE: T = Par mecánico (Nm)m = flujo de magnetización (Wb)I2 = corriente del rotor (A)V1 = Tensión de alimentación en estator (V)

PAR Y FLUJO:



Tensión (V)

Par (Nm)

Potencia (kW)

frecuencia (Hz)

frecuencia (Hz)

frecuencia (Hz)

Vn

Tn

Pn

Curvas de salida del motor alimentado con inversor de frecuencia

fn

fn

fn

Parconstante



APLICACIONES DE PAR CONSTANTE

-LAMINADORAS-INDUSTRIA DEL PAPEL-INDUSTRIA CEMENTERA-TRANSPORTADORAS-GRÚAS-ELEVADORES

APLICACIONES DE PAR VARIABLE

-BOMBAS CENTRÍFUGAS-VENTILADORES-COMPRESORES

T/Tn

2

1

0 s1 0,5 0

Tacel

Tcarga

Tmáx

Tarr

T/Tn

2

1

0 s1 0,5 0

Tacel

Tcarga

Tmáx

Tarr

T/Tn

2

1

0 s1 0,5 0

Tacel

Tmáx

Tarr

T/Tn

2

1

0 s1 0,5 0

Tacel

Tcarga

Tmáx

Tarr

Carga constante Aceleración lineal

Aceleración cuadrática Volante de inercia

T/Tn

2

1

0 s1 0,5 0

Tacel

Tcarga

Tmáx

Tarr

T/Tn

2

1

0 s1 0,5 0

Tacel

Tcarga

Tmáx

Tarr

T/Tn

2

1

0 s1 0,5 0

Tacel

Tcarga

Tmáx

Tarr

T/Tn

2

1

0 s1 0,5 0

Tacel

Tcarga

Tmáx

Tarr

T/Tn

2

1

0 s1 0,5 0

Tacel

Tmáx

Tarr

T/Tn

2

1

0 s1 0,5 0

Tacel

Tmáx

Tarr

T/Tn

2

1

0 s1 0,5 0

Tacel

Tcarga

Tmáx

Tarr

T/Tn

2

1

0 s1 0,5 0

Tacel

Tcarga

Tmáx

Tarr

Carga constante Aceleración lineal

Aceleración cuadrática Volante de inercia



ASPECTOS PRÁCTICOS EN LAAPLICACIÓN DE INVERSORES

Y MOTORES



Cuando un motor es operado por un inversor de frecuencia, existen algunos fenómenos inherentes que deben considerarse, ya sea para limitarlos o controlarlos.

Cada fabricante de motores tiene alternativas propias de acuerdo a su experiencia einvestigaciones que ayudan al Ingeniero Proyectista a lograr una buena selección enla aplicación de motores con inversores.

WEG México recomienda no descuidar estos aspectos para garantizar una mejor operación de los equipos, y pone a disposíción de sus clientes el apoyo de su departamento de Asistencia Técnica para tal efecto.

FENÓMENOS INHERENTES A LA OPERACIÓN DE MOTORES CON INVERSORES DE FRECUENCIA



ELEMENTOS CONSIDERADOS EN EL ESTUDIO DE MOTORES PARA SER USADOS POR INVERSORES DE FRECUENCIA

1. SISTEMA DE AISLAMIENTO (SOBRE TENSIONES)2. SISTEMA DE AISLAMIENTO (ARMÓNICOS)3. CORRIENTE EN RODAMIENTOS4. LÍMITES DE VELOCIDAD MÁXIMOS RECOMENDADOS5. PAR/POTENCIA CONSTANTE6. REFRIGERACIÓN (BAJAS VELOCIDADES)7. INSTALACIÓN ELÉCTRICA8. AHORRO EN EL CONSUMO DE ENERGÍA



1. SISTEMAS DE AISLAMIENTO - SOBRETENSIÓN:

Cuando el inversor es utilizado en conjunto con el motor, los pulsos de la señal en combinación con la impedancia en las terminales del motor son causa de sobretensiones, estas sobretensiones pueden ser repetitivas de tal manera que dañen el sistema de aislamiento del motor, siendo la parte másvulnerable el iniciode las bobinas.



PARA MOTORES HASTA 460V E INCLUSO, NO SE REQUIERE DEL USO DE FILTROS BAJO LAS SIGUIENTES CONDICIONES:

Rise time del inversor: tr ≥ 0,1 s*

Máxima tensión pico: VPICO ≤ 3,1 VNOM

Mínimo tiempo entre pulsos consecutivos: tmtep ≥ 6s*

Máxima frecuencia de conmutación: 5kHz

Máxima dv/dt (a la salida del inversor): dV/dt ≤ 5200 [V/s]

4602

4520460280 ,,V

100%

90%

10%

VPICO

t Rise time=0,1s

s

V,,

tV

dtdV

5204104520

Tensión

*información del fabricante



En la operación de motores con inversores de frecuencia, los criterios adoptados porNEMA para evitar una posible degradación del sistema de aislamiento son:

NEMA MG1, 1998, parte 30: Motores de uso general usados con Inversores:

Para tensión 600VVpico 1 kVRise Time (tr) 2 s

Para tensión 600VVpico (2,04)(Vnom)Rise Time (tr) 1 s

NEMA MG1, 1998, parte 31: Motores de uso específico usados con Inversores:

Para tensión 600VVpico (3,1)(Vnom)Rise Time (tr) 0,1 s

Para tensión 600VVpico (2,04)(Vnom)Rise Time (tr) 1 s



2. SISTEMAS DE AISLAMIENTO - ARMÓNICOS:

Debido al tipo de señales que se manejan con la alimentación por inversores de frecuencia, se generan armónicos que influyen en la operación del motor, algunos de los efectos son:

a. Aumento en la temperatura de operación

b. Aumento en el nivel de ruido

c. Aumento en la vibración

d. Aumento en la pérdidas

e. Disminución de la eficiencia



TAMB=40°C

CLASE F:155°C

T=80°C

T (°C)2.a AUMENTO EN LA TEMPERATURADURANTE LA OPERACIÓN

ALIMENTACIÓN SENOIDAL:

F.S. = 1.15T = 80°CAISLAMIENTO CLASE F

INVERSOR DE FRECUENCIA:

F.S. = 1.0T = 115°CAISLAMIENTO CLASE F

T =35°C



2.b NIVEL DE RUIDO:

El ruido en un motor se puede definir como “una energía mecánica radiante la cual viaja en formapresurizada a través del aire”.

En un motor existen 3 fuentes principales de ruido:

1. Ventilador2. Rodamientos3. Magnético; zumbido debido a la excitación magnética en el núcleo

Esta última causa está presente cuando el motor es alimentado con ondas senoidales, ya que elestator presenta una vibración en las láminas que forman su núcleo de 60 veces por segundo; Cuando la alimentación es con inversores, la señal de alta frecuencia aumenta este nivel de vibración incrementando el ruido magnético.

Generalmente este incremento se ve reflejado en la banda A; La siguiente tabla muestra algunas mediciones de laboratorio registradas y comparadas entre el ruido de motores estándar alser alimentados con señales senoidales y con inversor de frecuencia.



Como en la misma tabla se puede ver, no existe una regla general que se aplique sobre elincremento en el ruido, ya que mucho dependerá de la compresión que el núcleo magnéticotenga durante su fabricación.

Nivel de presión sonora medio [dB(A)]

Motor

Frecuencia de conmutación Alimentació

n senoidal (60Hz)

Límite de norma

(IEC 34/9)2,5 kHz 5,0 kHz

20hp 71,4 73,2 68,4 75

30hp 74,1 73,4 72,7 75

50hp 75,6 75,9 74,7 78

75hp 78,7 75,4 75,3 82

100hp 79,7 75,9 75,7 84



2.c NIVEL DE VIBRACIÓN:

La vibración también se ve incrementada al momento de alimentar a los motores con inversores de frecuencia, un estudio de laboratorio hecho sobre un motor de 20hp, 4p, 60Hz, armazón 256Tarrojó los siguientes resultados:

Mediciones de vibración hechas de acuerdo a IEC 34-14:

1

3

2

5

4

6



Vibración (mm/s)

HzConmutació

n (kHz)

Punto de mediciónIEC 34-14

1 2 3 4 5

102,5 0,50 0,45 0,15 0,30 0,30

2,80

5,0 0,60 0,25 0,15 0,40 0,15

302,5 1,40 1,10 0,60 0,90 0,80

5,0 1,30 0,95 0,55 0,90 0,95

502,5 0,95 1,25 0,55 0,45 0,60

5,0 0,85 1,20 0,40 0,40 0,60

60

2,5 0,95 1,10 0,70 0,40 0,60

5,0 0,95 1,15 0,50 0,45 0,40

Red senoidal

0,90 1,10 0,40 0,30 0,35

802,5 1,00 1,10 0,40 0,30 0,35

5,0 1,00 1,20 0,40 0,35 0,35

1002,5 1,20 1,30 0,45 0,40 0,45

5,0 1,30 1,40 0,45 0,40 0,45



DEFINICION DE EFICIENCIA

Eficiencia = Potencia de salida / Potencia de entrada

Potencia de entrada = Potencia de salida + Pérdidas

Eficiencia = Potencia de salida / ( Potencia de salida + Pérdidas )

2. d y e AUMENTO DE PÉRDIDAS Y DISMINUCIÓN DE EFICIENCIA

=Psal

Psal + Perd

De esta definición se deduce que las pérdidas y la eficiencia tienen una relación inversa.



Las pérdidas en el motor se clasifican en:

TipoCaracterístic

asClasificación Origen/causa

FijasNo dependen

de la carga del motor

MecánicasFricción

Ventilación

Magnéticas (núcleo)

Histéresis

Corrientes Parásitas

VariablesSí dependen

de la carga del motor

Estator Efecto Joule

Rotor Efecto Joule

Indeterminadas

Flujo de fuga

Irregularidades en láminas

etc.



El tipo de señal utilizada por los inversores de frecuencia, trae consigo una influencia en todas las pérdidas del motor, dando como consecuencia una disminución en el nivel de eficiencia.

Hasta el momento la cuantificación del incremento en cada tipo de pérdida es un proceso complicado, sin embargo analizando tres muestras de laboratorio:

Potencia (hp)

Polos a carga plena y 60Hz

Senoidal Inversor

15 4 87,69% 85,60%

40 4 91,70% 86,00%

75 4 92,68% 91,40%



3. CORRIENTE EN RODAMIENTOS:

Son corrientes eléctricas inducidas en la flecha del motor y descargadas a través de los rodamientos, y básicamente se clasifican en:

a) Deflujo homoplar: Debidas a un flujo magnético inducido desde el centro de la flecha y retorna a través de la carcaza. Estas corrientes son de intensidad baja y normalmente su efecto es despreciable.

b) De flujo enlazado en la flecha (flujo de penetración): Son más comunes y de mayor intensidad que las anteriores, su efecto es importante sobre el rodamiento.



Dentro de las principales causas que originan estas corrientes están:

a) Cuando los rodamientos conducen corriente eléctrica.b) Cuando la máquina tiene una autoinducción; Básicamente las tensiones eléctricas en la

flecha son producidas debido a una distribución asimétrica en el flujo magnético.c) Cuando existen tensiones eléctricas creadas por cargas electrostáticas; La flecha, aislada

por la película lubricante en el rodamiento, es cargada eléctricamente hasta que el voltajees suficientemente grande para romper la película lubricante. Las corrientes eléctricasfluyen instantaneamente a través del rodamiento y se presenta una caída de tensión,este ciclo es repetido una y otra vez.

Cuando los motores son operados con inversores de frecuencia la causa b) es el principalorigen de esta corrientes.

Dependiendo de la cantidad de densidad de corriente presente será la intensidad del daño enrodamientos, se considera que densidades de corriente superiores a 2,1 A/mm2 son suficientescomo para provocar daño en rodamientos en menos de 1000 hrs. de trabajo contínuo.



Los daños en rodamientos debido a estas corrientes se manifiestan:

a) En forma de cráteres, estos son más comunes en rodamientos de bolas y estos cráteresse presentan sobretodo en la parte interior de la pista exterior y sobre la superficiede la bola

b) En forma de flautas, estos aunque son más comunes en rodamientos de rodillos, tambiénse manifiestan en los rodamientos de bolas cuando el tamaño de cráter permite un movimiento giroscópico de la bola y con el tiempo va formando el canal o flauta.

En ambos casos se tiene una contribución importante de parte del rodamiento al aumento delruido en la operación del motor.



4. LÍMITES DE VELOCIDAD MÁXIMOS RECOMENDADOS :

Dependiendo de la construcción de cada motor existe un límite de velocidad que no se recomienda sobrepasar para cada motor, en caso de tener una aplicación donde se deba rebasar este límte es necesario consultarlo con el departamento de Asistencia Técnica.

Potencia (CP)

Velocidad límite (min-1) motores TCCV/diseño a 60Hz

2 polos 4 polos 6 polos

1 7200 3600 2400

1,5 7200 3600 2400

2 7200 3600 2400

3 7200 3600 2400

5 7200 3600 2400

7,5 5400 3600 2400

10 5400 3600 2400

15 5400 3600 2400

20 5400 3600 2400

25 5400 2700 2400

30 5400 2700 2400

40 4500 2700 2400



La tabla anterior es un ejemplo de altas velocidades de operación máximas admisiblespara motores WEG y que deben considerar:

1. La tabla aplica a motores Eficiencia Premium de fabricación estándar, diseño NEMA B.2. Se puede tener una tolerancia respecto a las velocidades de la tabla en un +10% por un

tiempo de 2 minutos.3. Los motores pueden mantener una potencia constante hasta 90Hz1).4. En algunas aplicaciones puede ser necesario un balanceo más preciso1).5. El ruido en el rango de velocidades de la tabla puede ser mayor al especificado por NEMA2).6. La vida útil de los rodamientos puede verse disminuida en este rango de velocidades.7. Para velocidades y potencias no enlistadas favor de contactar con el departamento de

Asistencia Técnica.8. Para aplicaciones con cargas radiales severas o irregulares, se recomienda verificar el

tamaño del rodamiento, así como la grasa empleada.

1)Para condiciones de operación especiales se recomienda contactar con el departamento de Asistencia Técnica2)El aumento en el nivel de ruido tiene 2 componentes básicos: armónicos y ventilador



5. PAR/POTENCIA CONSTANTE:

Cuando un motor es especificado 4:1, esto significa que el motor puede trabajar en un rango de1/4, 2/4, 3/4 y 4/4 de su frecuencia nominal a par o potencia nominal constante para cada valor de frecuencia manteniendo el incremento de temperatura.

Así por ejemplo, un motor de 20CP, 4polos especificado 4:1, con los siguientes datos de placa:

Potencia: 20hppolos 4Tensión: 460VFrecuencia: 60HzVelocidad nominal: 1760 min-1

Par nominal: 80,95 Nm

Deberá poder mantener el par de 80,95 Nm a 15Hz, 30Hz, 45Hz y 60Hz alimentado por uninversor con fs=1,0 y T=115°C para cada punto de frecuencia.



Comercialmente los motores para ser usados por inversores son especificados en las siguientesrelaciones en Par constante:

4:1 (15Hz, 30Hz, 45Hz y 60Hz)10:1 (6Hz, 12Hz, 18Hz, 24Hz, 30Hz, 36Hz, 42Hz, 48Hz, 54Hz y 60Hz)1000:1 (desde 0,06Hz)

Lo mismo sucede para la Potencia constante a las mismas relaciones de frecuencia.

Para el caso de motores 1000:1 estos motores son suministrados con refrigeración forzada yen la mayoría de los casos se suministran en el armazón correspondiente a la siguiente potenciaestandarizada, esto es: Un motor de 25CP, 4p que normalmente se fabrica en armazón 284T, enrefrigeración forzada se suministrará en un armazón tamaño 286T.



6. REFRIGERACIÓN (BAJAS VELOCIDADES):

Como hasta el momento se ha expuesto, el incremento de temperatura por la operación delmotor con inversor de frecuencia, así como la operación en bajas frecuencias, hace que paraalgunas aplicaciones sea necesario la refrigeración forzada.

Sin embargo cuando el proyecto no requiera de motores con refrigeración forzada y seanutilizados motores de fabricación estándar, se recomienda tener algunas precauciones paraevitar un mal desempeño en su sistema de refrigeración propio:

1. Instalar los motores en lugares donde se permita una libre circulación de aire fresco2. No bloquear las rendijas de la cubierta del ventilador3. No exponer el motor a radiaciones de calor inecesarias4. Asegurar:

- Un buen acoplamiento mecánico con la carga (poleas, bandas, coples, etc.)- Una buena instalación eléctrica (conexión, aislamiento, tierras, etc.)- Un nivel de carga adecuada

Así mismo es posible tener un incremento en el nivel de ruido por fuentes electromagnéticas.



7. INSTALACIÓN ELÉCTRICA:

Es recomendable tener una instalación eléctrica de acuerdo a las normas NOM aplicables alcaso, así mismo verificar que:

1. Garantizar una buena puesta a tierra del inversor y motor2. No compartir el sistema de tierras con equipos que operen con corrientes elevadas3. No tener una distancia mayor a la recomendada por el fabricante entre motor e inversor4. Uso de filtros



8. AHORRO EN EL CONSUMO DE ENERGÍA:

Se pueden tener importantes ahorros en el consumo de energía eléctrica cuando se hace unaadecuada proyección del grupo motor-inversor.

Sobre todo cuando en el proceso se tenga variaciones en la carga, a través del control de parvelocidad se puede tener un buen rendimiento en la operación.

Ejemplos típicos son en aplicaciones de bombas de agua, refigeración y aire acondicionado, etc.

A continuación se expone un ejemplo sencillo de una aplicación enfocada a sustituir el controlde flujo de agua hecho por válvula y se propone el control por el inversor.

Es importante señalar que para poder hacer una buena proyección es necesario tener algúnfundamento de la aplicación en cuestión, para este caso en particular es recomendableun conocimiento básico de los conceptos manejados en bombas de agua y comportamientode la curva de operación del motor.



EJEMPLO DE SELECCIÓN



El trabajo desarrollado por la partícula al recorreruna distancia dl es:d = w · dl = w dl cos dy = dl cos por lo tanto:d = w dyd = W dyy el trabajo desarrollado durante la trayectoria A-B es:

A = W dy = W ( yA - yB ) = - W H B

El signo es negativo debido a lareferencia de ejes tomado

La potencia está dadapor: P = / t

posición A

posición B

H

yA

yB

y

peso w

peso w

dl

peso w

∫



POTENCIA TEÓRICA: Es la potencia transmitida a la bomba por el motor, para que esta produzca la carga necesaria

POTENCIA REAL: Es la potencia que se debe proporcionar a la bomba para que esta eleve el agua, esto implica que la bomba además de vencer el nivel H, a este se le deberá anexar el nivel h’ el cual constituye

a las perdidas por conducción

en forma matemática:

PT = Q H

PR = Q ( H + h’ )

sin embargo a esta potencia real se le deberá considerar la eficiencia de la bomba, la cual esta expresada por ’ e incluyéndola en la ecuación:

PR = Q ( H + h’ ) / ’

siendo esta ultima la potencia real requerida por la bomba y el sistema y con la cual el motor es elegido

PM = PR

donde: PM = Potencia del motor



con base a la ecuación de potencia:

P = / t

esta puede ser expresada en función a las características de un liquido cuyo gasto es:

Q = v / t

donde: v = volumen que pasa por un tubo en un tiempo t = peso especifico

la ecuación de potencia se puede transformar en:

P = Q H

finalmente se puede expresar:

Energía = Potencia por tiempo en horas trabajado



DETERMINACION DE CURVA Q-H PARA LA BOMBA Y EL SISTEMA

válvula

manómetro

bomba

agua

esquema general de pruebapara obtener la curva Q-H Q

H v1

v2

v3

v4

v1>v2>v3>v4

65%

65%

70%

70% 80%

85%



SITUACION: una bomba esta proyectada para trabajar 8 horas bajo las condiciones de gasto indicadas en la figura, analice el consumo de energía cuando el gasto es controlado por válvula y por inversor

H = 54 m

Q = 0,024 m3/slíquido:agua

b = 0,86

Velocidad de giro n = 3600 min-1

tiempo de uso = 8 hrs diarias

82 4 6 hrs

Q1

0,3

1

0,6

Condiciones de operación durante el día



Selección del motor adecuado para las condiciones descritas

Utilizando la ecuación de potencia real adecuada para unidades en ( kW )y calculando para Q = 0,024 m3/s (condición máxima de operación)

PR = Q ( H + h’ ) / ’ PR = ( 9,81 ) Q H / b ( kW )PR = ( 9,81 )( 0,024 )( 54 ) / ( 0,86 ) ( kW )PR = 14,78 ( kW )

como PR = PM

se requiere un motor de: 14,78 kW = 19,71 CP

se elige un motor de: 20 CP, 2 polos

H = 54 m

Q = 0,024 m3/slíquido:agua

b = 0,86Velocidad de giro n = 3600 min-1




Revisión del equipo seleccionado (arranque directo):

Datos del motor: 20 cp ( 15 kW ) Datos rodete: D = 250 mm3520 min-1 ancho = 23 mmcos = 0,90 peso = 5,15 kgI = 23,3 A Jr = 0,0402 kgm2

V = 460 V Datos bomba: potencia = 21 cp ( 15,7 kW )f = 60 Hz Tl = 4,245 kgmT = 40,5 Nm Tl = 41,65 NmTst = 200 % ( 81 Nm )Ist = 620 % ( 144,5 A )Tmax = 250 % ( 101,3 Nm )J = 0,11539 Kgm2

= 90,2 %

Jtotal = 0,0402+0,11539 = 0,15559 kg-m2

Tacc = ( 0,45 )( Tst + Tmax ) - ( 1/3 )( Tl )Tacc = ( 0,45 )( 81 + 101,3 ) - ( 1/3 )( 41,65 )Tacc = 68,15 Nm

tst = ( Jtotal ) ( k1 / Tacc )tst = ( 0,15562 ) ( 415 / 68,15 )tst = 0,95 s

CURVA DE PAR VELOCIDAD V.S. PAR DE LA CARGA

DESLIZAMIENTO “S” (p.u.)

PA

R “

T”

(p.u

.)

PAR NOMINAL

PAR DE LA CARGA



C lie n te : : W E G M é x ic oL ín e a d e p ro d u c to : W 2 1 S e b e r e D u t y H ig h E f f ic ie n c y

P o te n c ia : 2 0 ,0 C P Ip / In : 6 ,2 0 - C ó d ig o GC a rc a z a : 2 5 6 T R é g im e n d e s e r v ic io : S 1V e lo c id a d n o m in a l : 3 5 2 0 m in -1 F a c to r d e s e r v ic io : 1 ,2 5F re c u e n c ia : 6 0 H z C a te g o r ía : BT e n s ió n n o m in a l : 2 0 8 - 2 3 0 /4 6 0 V P a r d e a r ra n q u e : 2 0 0 %C la s e d e a s ila m ie n to : F P a r m á x im o : 2 5 0 %C o r r ie n te n o m in a l : 5 1 ,4 -4 6 ,5 /2 3 ,3 A

M o to r T r i f á s ic o d e In d u c c ió n - R o to r t ip o J a u la

P o te n c ia d e s a l id a e n r e la c ió n a la P o t e n c ia n o m in a l (% )

C U R V A S C A R A C T E R ÍS T IC A S E N F U N C IÓ N D E L A P O T E N C IA D E S A L ID A

0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0 1 1 0 1 2 0 1 3 00

2 0

4 0

6 0

8 0

0 ,0

1 ,0

2 ,0

3 ,0

4 ,0

5 ,0

0 ,4

0 ,5

0 ,6

0 ,7

0 ,8

0 ,9

1 ,01 0 0

9 0

8 0

7 0

6 0

5 0

4 0

B -

Fact

or d

e po

tenc

ia

A - E

ficie

ncia

C - D

eslizamiento (%

)D

- Corriente 230V (A

)

C

A

B

D



Cliente: : WEG MéxicoLínea de producto : W21 Sebere Duty High Efficiency

Potencia : 20,0 CP Ip/In : 6,20 - Código GCarcaza : 256T Régimen de servicio : S1Velocidad nominal : 3520 min-1 Factor de servicio : 1,25Frecuencia : 60 Hz Categoría : BTensión nominal : 208-230/460 V Par de arranque : 200 %Clase de asilamiento : F Par máximo : 250 %Corriente nominal : 51,4-46,5/23,3 A

CURVAS CARACTERÍSTICAS EN FUNCIÓN DE LA VELOCIDADMotor Trifásico de Inducción - Rotor tipo Jaula

Velocidad (%)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000,0

1,0

2,0

3,0

4,0

10

9,0

8,0

7,0

6,0

5,0

2,0

1,5

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

1,0

0,5

0,0A -

Par

(T

/Tn

)

B - C

orrien

te (Ip/In

)

C

A

B

D

A

B



2E 2F H BA A10,000 10,000 0,531 4,250 12,126

B C D G J11,732 24,945 6,250 0,817 2,520

K O P T S2,559 12,431 12,283 2,087 0,375

R ES N-W U AB1,406 2,756 4,000 1,625 10,079AA d1

NPT 1,1/2" A4dimensiones en pulgadas

Dimensiones físicas del motor seleccionado (armazón 256T)



H

Qlíquido:agua

b

velocidadde giro n


Si se analiza el control por válvula y de acuerdo a la curva H-Q de la bomba, al motor se le demandarála siguiente potencia por cada periodo de operación:

a. Para las 2 primeras horas: PR = 14,78 kWb. Para las 2 segundas horas: PR = 4,73 kWc. Para las 2 terceras horas: PR = 14,78kWd. Para las ultimas 2 horas: PR = 9,75 kW

Por cada etapa de demanda de potncia de la bomba se debe evaluar la energíademandada por el motor a la red de alimentación.

Lo anterior se hace utilizando las curvas características en función de la potenciade salida del motor; Para este caso:

Q1Q0,6Q0,3Q

H

1H1,1H

1,15H



Las eficiencias para los puntos de demanda de potencia por la bomba al motorson:

a. = 90,0 %b. = 86,0 %c. = 90,0 %d. = 89,0 %

La energía demandada a la red por cada etapa es:

a. PIN = 14,78 / 0,900 = 16,42 kWb. PIN = 4,73 / 0,860 = 5,50 kWc. PIN = 14,78 / 0,900 = 16,42 kWd. PIN = 9,75 / 0,895 = 10,89 kW

Los kWh consumidos son:

a. kWh = (16,42)(2) = 32,84 kWhb. kWh = (5,50)(2) = 11,00 kWhc. kWh = (16,42)(2) = 32,84 kWhd. kWh = (10,89)(2) = 21,78 kWh

El costo de la operación será:

costo diario = ( 32,84+11,00+32,84+21,78 )( 1,00* ) = $ 98,46

H

Qlíquido:agua

b

velocidadde giro n


*Solo para fines demostrativos se asume una tarifa de 1 kWh = $1,00 mx pesos



1Q0,6Q0,3Q

H

1H

0,5H0,45H

Qv1v2v3

Con este nuevo esquema se tiene una potencia demandada al motor:

a. primeras 2 horas: PR = 14,78 kWb. segundas 2 horas: PR = 1,99 kWc terceras 2 horas: PR = 14,78 kWd. ultimas 2 horas: PR = 4,43 kW

Nuevamente acudimos a la curva del motor para obtener la demanda de energíaDel motor a la red.

H

Qlíquido:agua

b

velocidadde giro n


En el caso de control por inversor de frecuencia, se utilizará las mismas curvas características de operaciónpara el motor y la bomba, pero para esta última ahora en lugar de “movernos” en una curva a velocidadconstante, lo haremos en curvas de diferentes velocidades, tal como se muestra la figura:



Las eficiencias para los puntos de demanda de potencia por la bomba al motorahora son:

a. = 90,0 %b. = 73,5 %c. = 90,0 %d. = 84,5 %

La energía demandada a la red por cada etapa es:

a. PIN = 14,78 / 0,900 = 16,42 kWb. PIN = 1,99 / 0,735 = 2,71 kWc. PIN = 14,78 / 0,900 = 16,42 kWd. PIN = 4,43 / 0,845 = 5,24 kW

Los kWh consumidos son:

a. kWh = (16,42)(2) = 32,84 kWhb. kWh = (2,71)(2) = 5,42 kWhc. kWh = (16,42)(2) = 32,84 kWhd. kWh = (5,24)(2) = 10,48 kWh

El costo de la operación será:

costo diario = ( 32,84+5,42+32,84+10,48 )( 1,00* ) = $ 81,58

El costo diario de operación se reduce en un 17,15%

H

Qlíquido:agua

b

velocidadde giro n


*Solo para fines demostrativos se asume una tarifa de 1 kWh = $1,00 mx pesos



Arreglo típico de laboratorio para realizar pruebas a un motor alimentado porun inversor de frecuencia

Inversor de frecuencia

Motor a prueba

Torquímetro

Dinamómetro



Transformando Energía en Soluciones

Ahorro de Energia en Motores Tecnologia WEG

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