Guía para el ahorro y uso eficiente de la energía ...

Guía para el ahorro y uso eficiente de la energía eléctrica en empresas del sector aeronáutico mexicano.

Tesis que para obtener el título de ingeniero en aeronáutica por la opción de tesis colectiva presentan:

MONTAÑEZ SENTIES JAVIER ENRIQUE

RODRIGUEZ ROSALES IVAN Fecha: Junio del 2006

Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica

Ingeniería Aeronáutica

AGRADECIMIENTOS

Agradezco a todos mis familiares por el apoyo incondicional que me han brindado durante todos estos años, y en especial a mi abuela quien me ha ayudado a lo largo de toda mi carrera.

Ivan Rodríguez Rosales A mi familia y amigos por los consejos y apoyos que me han dado a través de estos años que han logrado que me forme como profesionista y sobre todo una mejor persona. A nuestros asesores por las facilidades y el apoyo que nos brindaron en la realización de esta tesis. A todos aquellos que nos acompañaron y contribuyeron en esta etapa de nuestras vidas, GRACIAS.

Javier Enrique Montañez Senties

ÍNDICE

TITULO PÁGINA

CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN 1.1 IMPORTANCIA DEL AHORRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA EN EL SECTOR

AERONÁUTICO. 1.2 IMPLEMENTACIÓN DE DIAGNÓSTICOS ENERGÉTICOS 1.3 METODOLOGÍA DE REALIZACIÓN DE DIAGNÓSTICOS ENERGÉTICOS 1.4 REPORTE DEL DIAGNÓSTICO ENERGÉTICO CAPÍTULO 2 AHORRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE ADMINISTRACIÓN DE LA DEMANDA MÁXIMA 2.1 INTRODUCCIÓN 2.2 TARIFAS ELECTRICAS 2.3 CONCEPTOS BÁSICOS 2.3.1 CONTROL DE DEMANDA 2.3.2 DEMANDA MÁXIMA MEDIDA 2.3.3 DEMANDA FACTURABLE 2.3.4 FACTOR DE CARGA 2.3.5 ENERGÍA DE PUNTA, INTERMEDIA Y DE BASE 2.4 ACTIVIDADES PREVIAS AL CONTROL POR DEMANDA 2.4.1 RECOPILACIÓN Y ANÁLISIS DE INFORMACIÓN HISTÓRICA. 2.4.2 MEDICIÓN DE PARÁMETROS ELÉCTRICOS 2.4.3 REPRESENTACIÓN Y ANÁLISIS DE GRÁFICAS 2.4.4 IDENTIFICACIÓN DE CARGAS 2.5 MÉTODOS DE CONTROL DE LA DEMANDA ELECTRICA 2.5.1 CONTROL DE DEMANDA MANUAL 2.5.2 CONTROL AUTOMÁTICO DE LA DEMANDA 2.6 OPTIMIZACIÓN DEL CONSUMO DE ENERGÍA 2.7 ANÁLISIS DE CASOS PRÁCTICOS: ADMINISTRACIÓN DE DEMANDA ELÉCTRICA PARA LA PLANTA FEDERAL MOGUL.

2.8 ANÁLISIS DE CASOS PRÁCTICOS: AUTOMATIZACIÓN DEL SISTEMA DE ALUMBRADO PARA EL EDIFICO DE MEXICANA.

2.9 CONCLUSIONES CAPÍTULO 3 AHORRO DE ENERGÍA EN MOTORES ELÉCTRICOS DE INDUCCIÓN 3.1 INTRODUCCIÓN 3.2 TIPOS DE MOTORES 3.3 CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL MOTOR DE INDUCCIÓN 3.4 VELOCIDAD DE ROTACIÓN DE UN MOTOR 3.5 PAR EN LOS MOTORES DE INDUCCIÓN 3.5.1 PAR A PLENA CARGA O PAR NOMINAL 3.5.2 PAR DE ARRANQUE 3.5.3 PAR DE ACELERACIÓN O PAR MÍNIMO 3.5.4 PAR MÁXIMO 3.5.5 CARACTERÍSTICAS PAR-VELOCIDAD DE MOTORES DE INDUCCIÓN 3.6 CORRIENTE NOMINAL DE UN MOTOR 3.7 COMPONENTES DE UN MOTOR 3.8 EFICIENCIA DE UN MOTOR 3.8.1 DEFINICIONES DE LA EFICIENCIA DEL MOTOR 3.8.2 PRUEBAS ESTÁNDAR PARA DETERMINAR LA EFICIENCIA DEL MOTOR 3.8.3 DETERMINACIÓN DE EFICIENCIA 3.9 PÉRDIDAS DE UN MOTOR 3.10 DETERMINACIÓN PRÁCTICA DE LA EFICIENCIA DE UN MOTOR

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913.10.1 FACTORES QUE AFECTAN LA EFICIENCIA DE UN MOTOR 96 3.11 MOTORES DE ALTA EFICIENCIA 99 3.12 SELECCIÓN ADECUADAD DE MOTORES 100 3.12.1 TIPO DE CARCASA 100 3.12.1.1 CARCASA ABIERTA 100 3.12.1.2 CARCASA TOTALMENTE CERRADA 101 3.12.2 CLASE DE AISLAMIENTO 102 3.12.3 TEMPERATURA DE AMBIENTE 102 3.12.4 ALTURA SOBRE EL NIVEL DEL MAR 103 3.12.5 LETRAS DE CÓDIGO A ROTOR BLOQUEADO DE MOTORES 103 3.13 SISTEMAS DE ARRANQUE DE MOTORES DE INDUCCIÓN 104 3.13.1 ARRANQUE A TENSIÓN PLENA 104 3.13.2 ARRANQUE A TENSIÓN REDUCIDA 104 3.13.2.1 ARRANQUE CON AUTOTRANSFORMADOR 106 3.13.2.2 ARRANQUE POR CONEXIÓN ESTRELLA-DELTA 107 3.13.2.3 ARRANQUE EN ESTADO SÓLIDO 109 3.14 OPERACIÓN INTERMITENTE DE UN MOTOR 110 3.15 MEDICIONES ELÉCTRICAS 111 3.16 METODOLOGÍA Y CRITERIOS DE SELECCIÓN DE LOS EQUIPOS A MEDIR 112 3.17 METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN DE MOTORES 112 3.17.1 INTRODUCCIÓN 113 3.18 METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN 114 3.18.1 FACTOR DE CARGA 114 3.18.2 DIFERENCIA DE VOLTAJE 114 3.18.3 DESBALANCEO DE VOLTAJE 116 3.19 ANÁLISIS DE CASOS PRÁCTICOS 116 3.19.1 EJEMPLO 1 123 3.19.2 EJEMPLO 2 129 3.19.3 EJEMPLO 3 136 3.20 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

CAPÍTULO 4 REPORTE DE CONSUMO DE LUCES (INCANDESCENTES VS LEDS)

138 4.1 INTRODUCCIÓN 138 4.1.1 QUÉ SON LOS LEDS 139 4.1.2 VENTAJAS DE LOS LEDS 140 4.1.3 PARTES DE UN LED 142 4.2 OBJETIVO 142 4.3 DESARROLLO 143 4.4 CONCLUSIONES

CONCLUSIONES GENERALES 146 ANEXOS 148 REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFÍA 164

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TÍTULO Guía para el ahorro y uso eficiente de la energía eléctrica en empresas del sector aeronáutico mexicano. OBJETIVO El objetivo fundamental de esta tesis es el de proporcionar una guía basada en conocimientos actuales y nuevas tecnologías, concernientes a la implementación de proyectos de administración, ahorro y uso eficiente de la energía eléctrica dentro de las instalaciones y empresas del ramo aeronáutico. JUSTIFICACIÓN

En México el aumento en el consumo y la demanda eléctrica se han ido incrementando año con año, mientras que la construcción de nuevas plantas generadoras y la ampliación de las que se encuentran en operación, se ha visto rezagada, reduciéndose al margen de satisfacer únicamente las necesidades actuales del país. La energía eléctrica es la fuerza principal que sustenta a la mayor parte de los sectores productivos, incluido el sector aeronáutico, pero a pesar de los avances tecnológicos con los que contamos actualmente, la generación de energía eléctrica depende en gran medida del uso de recursos no renovables tales como combustibles fósiles, lo que origina un problema adicional, esto es la nociva emisión de contaminantes y la disminución del petróleo día a día. La energía eléctrica es fundamental en el sector aeronáutico, de alguna forma u otra se emplea en diversas aplicaciones tales como: iluminación, motores, aire acondicionado, sistemas de aire comprimido, sistemas de bombeo, etc. De manera que la energía eléctrica debe tomarse en cuenta en los costos de producción de cualquier empresa, por esto mismo se debe efectuar un uso adecuado y eficiente en el consumo de energía eléctrica ya que se pueden obtener ahorros en la facturación eléctrica de cualquier industria realizando un diagnostico y análisis para determinar en qué aplicación eléctrica se puede implementar el plan de ahorro sin afectar los procesos de producción. Además de proporcionar un ahorro considerable en la facturación eléctrica de las empresas de aviación, se tendrá un beneficio adicional en los procesos de producción ya que al realizar el cambio de equipo eléctrico, aseguraremos que sea por el de tipo eficiente y su mantenimiento por consecuencia será menor. También se alcanzará cierto grado de estatus y actualización para las empresas al estar siempre utilizando tecnología de punta. Actualmente México sufre una tendencia en el incremento de las tarifas eléctricas debido a que las nuevas reformas del sector energético no han sido implementadas y en el caso de la energía eléctrica se tiene previsto que la demanda no pueda ser abastecida en los próximos años debido a que no se

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cuenta con la infraestructura necesaria para generar la energía eléctrica demandada por los diversos sectores eléctricos, lo que ocasionará que los costos de producción eléctrica sean mayores y por lo tanto las tarifas eléctricas, por lo que es de vital importancia que el sector aeronáutico comience a tomar conciencia del gran problema que esto representa. La importancia de nuestro interés en promover una cultura del cuidado de la energía dentro del sector aeronáutico, se debe principalmente a los siguientes factores:

• La vida moderna ha incrementado nuestra dependencia del consumo de energéticos, como gasolina, gas y otros productos no renovables, para la producción de energía eléctrica. El desarrollo depende cada vez más de estos productos y es de vital importancia prolongar la existencia de estos energéticos.

• Debido a que la generación de energía eléctrica depende en gran medida

de los combustibles fósiles, y considerando que estos se agotan cada vez más, y que la aviación depende sustancialmente de estos, creemos es indispensable formar parte en las campañas para ahorrar energía eléctrica en la mayor cantidad posible, para así prolongar el empleo de los combustibles fósiles en la aviación y ayudar a ganar tiempo mientras surge una nueva forma de propulsar las aeronaves.

• Una cultura del cuidado de la energía eléctrica es una actitud de visión a

futuro, que se relaciona de manera muy estrecha con el mundo que heredaremos a las próximas generaciones, e incursionar en temas como ahorro de energía eléctrica dentro del sector aeronáutico nos ayudará a estar siempre un paso adelante.

• Al igual que en otros rubros, tales como el del cuidado del agua y del medio

ambiente, en lo que corresponde al cuidado de la energía, debemos evitar que esta nos falte.

• A que el consumo de energía eléctrica de equipos obsoletos es mucho

mayor que los equipos de alta eficiencia.

• Pero el aporte más grande que podremos hacer, es reducir considerablemente los costos de operación de las aerolíneas, aeropuertos, talleres aeronáuticos, y en general de cualquier infraestructura relacionada con la aviación, lo cual se verá reflejado en la facturación eléctrica mensual, y de esta manera tendremos resultados objetivos y comprobables de lo que hagamos.

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Es por estas razones que la implementación de un proyecto de ahorro y el buen uso de la energía eléctrica deberán considerarse actualmente y no cuando ya sea una necesidad obligatoria, es decir cuando se encuentren los combustibles fósiles en sus últimos años, esto se deberá tener previsto y planeado en cualquier empresa e industria. ¿Qué hacer cuando el petróleo se acabe?, ¿Qué tipo de energía usaremos ahora?, la respuesta es el ahorro de energía eléctrica, lo cual nos traerá grandes beneficios ambientales, como económicos, y creemos de vital importancia empezar a concienciar a la industria aérea, ya que como hemos constatado(1), muchas veces se le resta importancia, e incluso en algunas ocasiones, pasa como desapercibido, y no se toma en cuenta que en estos lugares el consumo y la demanda de energía eléctrica son considerables debido a su propia naturaleza, por lo que para el administrador de un taller aeronáutico, una aerolínea o incluso el mismo administrador de un aeropuerto, es necesario que posea tal información, ya que al hacerlo, podrá obtener grandes ahorros para la empresa, lo cual es el mejor incentivo que puede haber para el ahorro de energía. En esta tesis se explicarán detalladamente algunas de las áreas dentro de una empresa aeronáutica en las cuales se podrá garantizar un ahorro considerable de energía eléctrica, así como los medios para lograrlo, es decir se seguirá un proceso detallado de cada actividad que deberá realizarse para poder obtener tales ahorros. No sólo se proveerá de los conocimientos técnicos para poder alcanzar los ahorros, sino que también se describirá a manera de guía, el proceso para realizar un estudio económico financiero y determinar qué tan rentable son estas implementaciones de ahorro. Al poner en práctica los conocimientos de esta tesis en la industria aeroportuaria, obtendremos una ventaja en cuanto a la administración de aeropuertos se refiere, ya que tendremos la capacidad de aumentar considerablemente los ingresos de un taller aeronáutico y de la industria en general, lo cual nos beneficiará como administradores o en cualquier puesto que ocupemos, ya sea dentro o fuera del sector aeronáutico. ALCANCE Debido al amplio enfoque que estamos dando a los temas y a la gran cantidad de conocimientos que estamos adquiriendo, tenemos la oportunidad de incurrir en cualquier área del sector aeronáutico en donde se requiera un aumento de los ingresos, haciéndolo firmemente mediante el ahorro de energía eléctrica, es decir que contaremos con la capacidad suficiente para poder ahorrar energía eléctrica en cualquier empresa, y esto haciéndolo de manera significativa, además de que cualquier administrador de aeropuertos, aerolíneas o talleres aeronáuticos, podrá hacer uso de nuestra tesis para implementar los temas desarrollados en su área y con esto obtener ahorros bastante considerables. (1) Basado en experiencias como consultores.

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También servirá de base para todos aquellos compañeros que en un futuro quieran emprender o estén encargados de algún proyecto de ahorro de energía eléctrica dentro de su empresa. Además esta tesis podrá ser una guía para nosotros, ya que actualmente estamos formando una empresa de consultoría en ahorro de energía eléctrica dentro del sector aeronáutico, y posteriormente pensamos abarcar todos los demás sectores. METODOLOGÍA A SEGUIR Para llegar a la meta es necesario estudiar y conocer todo lo relacionado con los diagnósticos que se realizan actualmente para implementar un programa de ahorro de energía, dentro de cualquier industria. De ahí que sea útil capacitarnos en la especialidad de ahorro de energía eléctrica para la industria y los servicios, como ya lo hemos hecho. Esta especialidad nos ha dado las bases para desarrollar el tema referente a nuestra tesis. Analizaremos problemas comunes de una empresa del sector aeronáutico relacionados con el alto consumo de energía eléctrica propio de una empresa del ramo, determinaremos cuál será el diagnostico a emplear para el ahorro de energía, realizando ejemplos prácticos para su comprensión y llegaremos a la parte económica, donde se demostrará que es factible lograr dichos ahorros de dinero debido a la implementación del diagnóstico. Los diagnósticos energéticos que propondremos, mostrarán también, una recomendación de la forma correcta de utilización de la energía eléctrica para que se haga lo más eficiente posible dentro de una nueva infraestructura de taller o empresa aeronáutica, y a la vez este trabajo no será solamente para lograr ahorros de energía en una empresa actual sino poner en práctica estos conocimientos a la hora del diseño o rediseño de un taller aeronáutico o una planta industrial eficiente.

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CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN 1.1 IMPORTANCIA DEL AHORRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA EN EL SECTOR AERONÁUTICO.

En México el aumento en la demanda eléctrica ha sido continuo, mientras que la construcción de nuevas plantas generadoras y la ampliación de las que se encuentran en operación, se ha visto rezagada. Además la energía eléctrica es la fuerza que sustenta la mayor parte de los sectores productivos, pero actualmente su generación depende en gran medida del uso de recursos no renovables, lo que origina un problema adicional, y esto es la nociva emisión de gases contaminantes. Como información de referencia analizaremos a continuación los datos más actuales que pudimos conseguir, en los que observamos que al cierre del mes de junio del año 2004, la CFE incluyendo a los productores independientes de energía, cuenta con una capacidad efectiva instalada para generar energía eléctrica de 44,787 megawatts (MW), de los cuales 7,264 MW son de los productores independientes, 9,363MW son de hidroeléctricas, 23,232 MW corresponden a las termoeléctricas que consumen hidrocarburos; 2,600 MW a carboeléctricas, 959 MW a geotermoeléctricas, 1,364 MW a la nucleoelétrica y 2.18 MW a la eoloeléctrica.

Figura 1. Capacidad efectiva instalada de generación

Actualizada al mes de junio de 2004 Fuente CFE


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De igual forma como observamos en la gráfica siguiente, podemos notar que la generación por fuente es proporcional a la capacidad instalada de generación.

Figura 2. Generación por fuente

Actualizada al mes de junio de 2004 Fuente CFE

Ahora como se observa en las siguientes gráficas, aunque el sector doméstico es el que tiene la mayor cantidad de clientes registrados (casi 17 millones, equivalentes al 88%) la energía eléctrica es consumida en un 61% por el sector industrial, Así como el sector comercial que ocupa un 6.5% en el consumo total de la energía eléctrica, en el cual se encuentra incluido el principal sector aeronáutico de México, aunque se espera que en los próximos años, México forme parte de una porción más del sector industrial en cuanto a la industria aeronáutica se refiere.


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Figura 3.

Clientes por sector Actualizada al año 2005

Fuente CFE

Figura 4.

Ventas directas al público por sector Actualizada al año 2005

Fuente CFE


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Según datos de la CFE se tienen aproximadamente 800 mil clientes nuevos cada año, y se prevé un aumento en la demanda del 70% en los próximos 10 años, así que para resolver esta problemática ha sido necesario analizar términos como competitividad, reducción de costos, optimización de procesos, reingeniería y ahorro. Esto se ha venido dando gradualmente en todos los sectores del país, sin embargo el sector aeronáutico se ha visto rezagado, o no ha tenido el suficiente impacto. Entre estas alternativas el ahorro destaca como la mejor opción, puesto que es la que representa un menor costo económico para las empresas, además de contar con mayor impacto y de ayudar al cuidado ambiental.

Figura 5. Evolución de Ahorros Acumulados de Energía

Eléctrica (GWh/año) de 1991 a 2001 Como se observa en la gráfica anterior el hecho de haber implementado programas de ahorro de energía eléctrica en el país, ha venido entregando excelentes resultados a través de los años y nuestra idea es que el sector aeronáutico no se vea rezagado y también contribuya a continuar aumentando estos ahorros. A propuesta de la CFE y varias cámaras industriales se acordó la creación de un organismo privado no lucrativo con la responsabilidad de promover el uso racional de la energía eléctrica en los sectores industrial, comercial, agropecuario y de servicios, propuesta que se materializa en 1990 con la creación del Fideicomiso Para el Ahorro de Energía (FIDE).


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Entre la amplia gama de proyectos de apoyo a servicios municipales, empresas industriales, comerciales y usuarios domésticos que ofrece el FIDE el que más nos interesa es el siguiente:

• Financiamientos para la ejecución de proyectos de ahorro de energía eléctrica. Se apoya la realización de diagnósticos y aplicación de medidas en instalaciones de empresas y organismos intensivos en el uso de este recurso. El financiamiento se reembolsa sin intereses durante periodos de entre 2 y 3 años.

Este tipo de ayuda nos interesa debido a que en el caso de las aerolíneas y aeropuertos que son de carácter privado, el FIDE podría apoyarlos económicamente para realizar proyectos de ahorro de energía.

En conclusión La energía eléctrica no es un recurso natural, sino una forma de energía generada mediante costosos métodos. Las plantas generadoras y las redes de transmisión y distribución de electricidad requieren grandes recursos, no sólo para su instalación, sino también para su operación y mantenimiento. La importancia de nuestro interés en promover una cultura del cuidado de la energía dentro del sector aeronáutico, se debe a que:

• La vida moderna ha incrementado nuestra dependencia del consumo de energéticos, como gasolina, gas y otros productos no renovables, para la producción de energía eléctrica. El desarrollo depende cada vez más de estos productos y es de vital importancia prolongar la existencia de estos energéticos.

• Debido a que la generación de energía eléctrica depende en gran medida

de los combustibles fósiles, y considerando que estos se agotan cada vez más, y que la aviación depende en gran medida de estos, es indispensable ahorrar energía eléctrica en la mayor cantidad posible, para así prolongar el empleo de los combustibles fósiles en la aviación y ayudar a ganar tiempo mientras surge una nueva forma de propulsar las aeronaves.

• Una cultura del cuidado de la energía eléctrica es una actitud de visión a

futuro, que se relaciona de manera muy estrecha con el mundo que heredaremos a las próximas generaciones, e incursionar en temas como ahorro de energía eléctrica dentro del sector aeronáutico nos ayudará a estar un paso adelante.

• Al igual que en otros rubros, tales como el del cuidado del agua y del medio

ambiente, en lo que corresponde al cuidado de la energía, debemos evitar que esta nos falte.


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• El aporte más grande que podremos hacer, es reducir sustancialmente los costos de operación de las aerolíneas, aeropuertos, talleres aeronáuticos, y en general de cualquier infraestructura relacionada con la aviación.

1.2 IMPLEMENTACIÓN DE DIAGNÓSTICOS ENERGÉTICOS Resulta incuestionable la importancia de la energía como insumo estratégico en el desarrollo económico de una empresa perteneciente al sector aeronáutico, y la creciente demanda de energía implica un cuidadoso diagnóstico a efecto de optimizar su uso. La mayoría de las empresas ajenas a la aviación, recurren a distintos tipos de apoyo, tales como contratación de una firma consultora, contratación de una Energy Services Companies (ESCO), esto con la finalidad de poder obtener ahorros en la facturación de energía eléctrica, sin embargo nosotros creemos que las empresas relacionadas con el sector aeronáutico pueden empezar a tomar parte por si solas, sin el hecho de recurrir a empresas externas. Para poder comenzar a incurrir en el ahorro de energía, debemos empezar por entender el término diagnóstico energético; este nos sirve para realizar un estudio y determinar dónde, cómo, cuándo y cuánto se utiliza la energía eléctrica dentro de la empresa, además el diagnóstico energético es una herramienta para lograr el control de los costos energéticos, ya que identifica las áreas de mayor consumo de energía, de desperdicio energético y operaciones ineficientes de la misma. En general el objetivo del diagnóstico energético es determinar las áreas en las cuales se puede lograr un mayor ahorro y proveer un patrón bajo el cual se podrán comparar nuevos proyectos, ya sea realizados dentro de la misma empresa, o contratados con terceros. Realizar un diagnóstico energético representa disminuir una fracción sustancial de los costos de operación, para una aerolínea o cualquier empresa dentro del sector aeronáutico, y en el sector de servicios representa entre el 5 y el 40% de ahorro en la facturación eléctrica. Existen básicamente 3 tipos de diagnósticos energéticos, en los cuales sus diferencias radican en el porcentaje de ahorro que se espera alcanzar, de estos 3 tipos de diagnósticos energéticos y cualquiera podría ser realizado fácilmente dentro de las empresas, por un ingeniero aeronáutico.

• Diagnóstico de 1er. NIVEL (A) Ahorros que van del 3 al 7 % • Diagnóstico de 2o. NIVEL (B) Ahorros que van del 7 al 25 % • Diagnóstico de 3er. NIVEL (C) Ahorros que van del 25 al 35 %


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Para los diagnósticos energéticos “A” o de primer nivel, se debe hacer el análisis histórico de la facturación de energía eléctrica, se debe realizar la comparación de la facturación vs producción histórica, también realizar un recorrido por las instalaciones donde se identifiquen las oportunidades más evidentes. En el caso de los diagnósticos energéticos “B” o de segundo nivel, se debe realizar el diagnóstico de primer nivel además de hacer un estudio del consumo de energía por áreas o procesos, se debe tener una idea cuantitativa de los ahorros potenciales de energía y las características energéticas de cada subsistema. Finalmente para el caso de los diagnósticos energéticos “C” o de tercer nivel, se debe proporcionar información precisa de cada uno de los puntos relevantes del diagrama de proceso de la empresa, se deben medir las pérdidas de energía por equipos, proveer suficiente información para justificar los proyectos de inversión de capital que intenten obtener un uso eficiente de energía o recuperación de energía desperdiciada. 1.3 METODOLOGÍA DE REALIZACIÓN DE DIAGNÓSTICOS ENERGÉTICOS El procedimiento práctico debe ir de lo general a lo particular y de ahí a lo puntual. El diagnóstico puede ser realizado a un solo equipo, sistema, área o a toda la empresa.

Figura 6. Pasos a seguir para la realización de un diagnostico energético


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DEFINICIÓN DEL PROYECTO META: Trazar las necesidades y objetivo a alcanzar, analizar temas de la empresa o taller tales como:

• Tamaño de las instalaciones, edad y localización. • Estructura administrativa y jerarquías en toma de decisiones. • Horarios de trabajo, número de de empleados • Consumos energéticos anuales. • Planes futuros de expansión de la empresa, cambios contemplados en los

procesos.

RECOPILACIÓN DE DATOS META: Recopilar y registrar de forma ordenada la información siguiente.

• Facturación y Producción histórica • Datos de placa de equipos y sistemas • Apariencia física, Instrumentación • Sistemas de control con que operan. • Planos de distribución y diagramas unifilares. • Indicadores energéticos

MEDICIONES EN CAMPO En este paso se miden las principales variables eléctricas (voltajes, corrientes, demandas, factor de potencia, consumos de energía, armónicas). También se miden las variables energéticas como: Temperatura, presión, humedad, velocidad del aire, flujo de fluidos y niveles de iluminación. ANÁLISIS DE LA INFORMACIÓN Para esta etapa es necesario tener los datos obtenidos en el paso anterior, con los cuales se podrá comenzar a proponer los proyectos factibles que se deberán realizar a la empresa. PROPOSICIÓN DE PROYECTOS En este paso debemos proponer los proyectos de ahorro de energía que implementaremos. (En esta tesis únicamente se realizaran 2 propuestas de proyecto: control de demanda y motores eléctricos) EVALUACIÓN Y SELECCIÓN Una vez propuestos los diferentes proyectos de ahorro, se seleccionarán los que mejor convengan a la empresa


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EVALUACIÓN ECONÓMICA Una vez aceptada técnicamente una medida, esta se evalúa económicamente para conocer la rentabilidad, lo cual debe apegarse a los periodos de recuperación que maneje cada empresa. APROBACIÓN DE PROPUESTAS Cuando la evaluación económica de los proyectos propuestos ha sido factible, se aprueban, para que se lleven a cabo. PUESTA EN MARCHA Y AJUSTE En este paso se pone en marcha el proyecto de ahorro. EVALUACIÓN REAL DEL IMPACTO Finalmente se evalúa el proyecto para confirmar que se obtuvieron los ahorros propuestos en un inicio, y se le da seguimiento hasta que concluya. Hemos observado que para que un diagnóstico tenga efecto, se deberá consignar una comisión o una junta que se encargue de darle el apropiado seguimiento a las cuestiones de ahorro de energía eléctrica. 1.4 REPORTE DEL DIAGNÓSTICO ENERGÉTICO Es muy importante que si se va a realizar un diagnóstico energético dentro de la empresa, se realice un resumen ejecutivo, el cual deberá entregarse a los administradores de las aerolíneas, talleres aeronáuticos etc. A fin de que tengan conocimiento de qué es lo que se realizará, cuánto costará y cuánto se ahorrará la empresa si es que deciden llevar a cabo el proyecto, por lo que es de vital importancia que el resumen sea legible y entendible para cualquier persona que no tenga conocimientos de ingeniería, sin embargo también debe contener el respaldo técnico suficiente para que cualquier persona relacionada con el tema, pueda evaluar si es factible o no, esto por si es que los administradores deciden consultarlo con otras personas expertas. El reporte debe contener los siguientes elementos

• Introducción; en la que se explicará el motivo del por qué del diagnóstico energético.

• Antecedentes; si es que la empresa presenta problemas relacionados con la energía eléctrica, y además servirá de punto de referencia para comprobar que en verdad se hicieron los ahorros que se propusieron.

• Datos generales de la empresa. • Información de la empresa; descripción del proceso.


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• Recopilación de los datos estadísticos de energía eléctrica por un periodo de un año.

• Censo de equipos, sistemas y dispositivos. • Reporte de las mediciones realizadas a todos los equipos eléctricos

considerados, así como las gráficas y curvas de dichas mediciones en donde se integren las variables eléctricas necesarias y la interpretación de las mismas.

• Determinación de las áreas en las en las que existen potenciales de ahorro de energía eléctrica.

• Resultados del diagnóstico energético, las fichas técnico-económicas de las medidas de ahorro, memoria de cálculo de las mismas, anexos que se generen durante la realización del mismo.


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CAPÍTULO 2 AHORRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE ADMINISTRACIÓN DE LA DEMANDA MÁXIMA 2.1 INTRODUCCIÓN Generalmente la demanda de energía eléctrica por parte de algunos usuarios tiende a registrar períodos elevados mucho mayores que el promedio, bien sea por corto tiempo, o por varios minutos u horas. (Ver figura 7). Esto significa que la demanda de la energía no se realiza en forma uniforme. Sin embargo, según lo estudiado en las tarifas, la facturación por concepto de demanda máxima considera el período de mayor consumo en el mes, no importando si esta situación se presentó únicamente durante un minuto de ese mes. Las empresas suministradoras como CFE y Luz y Fuerza, tienen capacidad de proporcionar energía a los usuarios considerando una demanda promedio y para tal fin se cuenta con las plantas generadoras y todo el sistema de transmisión y de distribución que esto requiere, pero existen períodos en el día, cuyo comportamiento depende de la zona geográfica de que se trate y de las costumbres existentes en ellas, en las que la demanda aumenta significativamente por lo que es necesario incorporar a la red eléctrica generadores adicionales o incrementar la generación de las que se encuentren en operación. Esta capacidad adicional, obviamente tiene un costo que es también adicional al promedio, por lo que se transfiere a los usuarios en forma directa a través de los cargos por demanda o por energía facturable. Lo anterior significa que idealmente un usuario que logre mantener una demanda máxima igual a su promedio de demanda, logrará el máximo aprovechamiento de la energía eléctrica y no demandará por lo tanto un esfuerzo adicional por parte de la compañía suministradora, y así contribuirá a mantener sus costos de energía bajos. (Ver figura 8) En la práctica esto resulta muy difícil, ya que por ejemplo, en muchas zonas tales como el aeropuerto de Cancún existen períodos de mucho calor en los cuales los equipos de aire acondicionado y refrigeración operan a su máxima capacidad, mientras que en otros horarios, al disminuir la temperatura, disminuye también la demanda. Otro ejemplo es el alumbrado, generalmente durante la tarde y principio de la noche, la gente termina sus actividades en el trabajo y requiere de iluminación complementaria a la que todavía queda de luz natural, además de que otros empiezan a llegar a sus hogares en donde prenden lámparas y realizan otras actividades como cocinar, ver televisión, oír música o utilizar toda una gama de aparatos en el hogar.


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Figura 7. Perfil de un usuario con demanda muy variable.

Figura 8. Perfil ideal de un usuario con demanda constante


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Por otra parte, en las mañanas, al iniciar actividades, en muchas industrias se realizan arranques de equipos, motores, computadoras, etc. en forma simultánea. Durante los arranques, los equipos demandan más energía que durante su operación normal por breves instantes, pero si se suman todos los equipos que en ese tiempo arrancan, el resultado es una demanda intensa por parte de todo el sistema eléctrico de la empresa suministradora. El utilizar la energía eléctrica de manera eficiente sobre todo en los periodos en que la demanda en el Sistema Eléctrico Nacional es mayor permite a la compañía suministradora tener menores probabilidades de falla en el sistema por sobrecarga, con base en lo anterior los contaminantes emitidos a la atmósfera por la generación de electricidad a base de hidrocarburos es menor, lo que nos permitirá un mejor medio ambiente. Entre los principales objetivos de implementar programas de Administración de la Energía dentro de una empresa aeronáutica se encuentran los siguientes:

• Obtener eficiencia energética • Reducción de “picos” • Desplazamiento de “picos” • Llenado de “valles”

Existen muchas razones por las cuales es importante para las empresas mantener un control sobre la demanda y consumo eléctrico, como por ejemplo en el caso de las TARIFAS HORARIAS la demanda en punta es muy similar a la facturable y en el caso del consumo, el costo de éste es hasta 3 veces más caro que en los demás horarios. Esto quiere decir que no sólo se debe procurar evitar los picos de demanda, sino que con mayor prioridad se debe evitar tenerlos durante el horario punta. Todo lo que es necesario para obtener un mayor confort en nuestras vidas requiere energía eléctrica y difícilmente pueden eliminarse muchas cosas, sin embargo si es posible controlar la forma y el tiempo en el que se utiliza la energía eléctrica y es precisamente a esto a lo que se llama Administración de la Energía Eléctrica. Para controlar la demanda y el consumo existen varias opciones:

• CAMBIO DE COSTUMBRES; En el uso de cargas, programando los procesos o actividades de mayor demanda durante horarios en los que normalmente se tiene poca demanda.

• REALIZAR ESTUDIOS; En procesos específicos para identificar una mejor

distribución en los consumos de demanda.


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• SUSPENDER MANUALMENTE el uso de cargas NO PRIORITARIAS durante periodos de máximo consumo.

• ESTABLECER LA PRIORIDAD de operación de equipos y determinar

cuales equipos pueden desconectarse o reducir su demanda, todo esto regulado mediante un sistema de control automático.


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2.2 TARIFAS ELECTRICAS Las tarifas eléctricas tienen como objetivo establecer y fijar un precio que deberá pagar el usuario de acuerdo a las condiciones en las que se efectúa el suministro de energía, para lo cual incluyen en sus recibos los costos por generación, transmisión y distribución, mantenimiento, impuestos, etc. El análisis de la factura eléctrica puede ayudarnos a identificar muchas medidas de ahorro en los costos, además debe asegurarse que los medidores estén funcionando apropiadamente. Es una buena practica que el usuario instale sus propios medidores para comparar la información con la de los equipos de CFE o Luz y Fuerza y comprobar la veracidad de los datos. Aún mejor, los medidores pueden instalarse en cada área o departamento consumidor de energía eléctrica y las lecturas pueden usarse, no sólo para comprobar facturas, sino lo que es más importante, para ayudar en la determinación de los consumos relativos de las diferentes áreas o departamentos. Este es el primer paso para la contabilidad energética. El comienzo de una contabilidad energética, inicia con el registro y análisis de las lecturas de los medidores de energía y demanda de CFE o Luz y Fuerza, a través de estos datos se pueden identificar variaciones en consumo, demanda y factor de potencia, con posibilidad de ahorros energéticos y económicos. El costo real por kW de potencia demandada también se puede calcular a partir de la factura, este costo puede ser diferente de la tarifa, como ocurre en las tarifas horarias en las que la “demanda facturable” se basa en los valores máximos de cada periodo.

Existe un concepto que debemos tener bien presente, el cual es la Demanda Máxima, y esta es la demanda medida en kilowatts (kW) durante un período de 15 minutos la cual es mayor que en cualquier otro período. A continuación un ejemplo de cómo se considera la demanda máxima:

DEMANDA MÁXIMA, PERIODOS DE 15 MIN ROLADOS A 5 MIN

Figura 8. Demanda Promedio 1er. Periodo = 105 kW


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Figura 9. Demanda Promedio 2o. Periodo = 95 kW Demanda Máxima = 105

Figura 10. Demanda Promedio 3er. Periodo = 100 kW Demanda Máxima = 105




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Los cargos que pueden ser leídos directamente de la factura eléctrica son:

• Energía (kWh) • Demanda Máxima (kW) • Factor de potencia

Las tarifas establecidas en México se consideran de la siguiente manera:

1. Baja Tensión: Servicio que se suministra en voltajes menores o iguales a 1.0 KV.

2. Media Tensión: servicio que se suministra en niveles de voltaje mayores a 1.0 KV e inferiores o iguales a 35 KV.

3. Alta Tensión- subtransmisión: servicio que se suministra en voltajes mayores a 35 KV e inferiores a 220 KV.

4. Alta Tensión - transmisión: servicio que se suministra en voltajes superiores o iguales a 220 KV.

A continuación se muestra un esquema en el que se clasifican los nombres de las tarifas según el nivel de transmisión, esto con la finalidad de que se ubique en qué tarifa se encuentra cada empresa. ( Ver figura 14)

Figura 13. Demanda Máxima Medida = 122


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Para poder identificar las cuotas que aplican para el servicio de energía eléctrica de la empresa, se necesita identificar la tarifa de suministro. En el recibo de pago, se encontrará fácilmente y se podrá buscar después en la página de Internet de la CFE la que interese, el ahorro por control de demanda sólo se puede aplicar a las tarifas que manejen horarios base, horarios punta y horarios intermedios.

Figura 15. Ejemplo de recibo de pago Debido a los diversos climas, regiones, horarios de demanda, voltajes de transmisión, distancia desde las subestaciones y plantas de generación, etc., las tarifas a través de todo nuestro país varían dependiendo de las características propias de cada zona.Para tal fin, se han establecido 8 regiones tarifarias de la siguiente manera:

Figura 16. Regiones Tarifarías


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En la siguiente tabla se muestran los costos vigentes para el mes de marzo del 2006 para la tarifa H-M que es una de las más usuales en el sector aeronáutico, sin embargo se puede efectuar el control por demanda a cualquier tarifa que maneje horarios.

Baja California Cargos Dic./05 Ene. Feb. Mar.

Dem. F. ($/kW) 177.54 178.39 175.46 174.76 Ener. P. ($/kWh) 2.4264 2.438 2.398 2.3884 Ener. I.($/kWh) 0.6716 0.6748 0.6637 0.661 Ener. B.($/kWh) 0.5277 0.5302 0.5215 0.5194 Baja California Sur Dem. F. ($/kW) 170.6 171.42 168.61 167.94 Ener. P. ($/kWh) 1.947 1.9563 1.9242 1.9165 Ener. I. ($/kWh) 0.932 0.9365 0.9211 0.9174 Ener. B. ($/kWh) 0.6596 0.6628 0.6519 0.6493 Central Dem. F. ($/kW) 123.07 123.66 121.63 121.14 Ener. P. ($/kWh) 2.3253 2.3365 2.2982 2.289 Ener. I. ($/kWh) 0.7439 0.7475 0.7352 0.7323 Ener. B. ($/kWh) 0.6213 0.6243 0.6141 0.6116 Noreste Dem. F. ($/kW) 113.15 113.69 111.83 111.38 Ener. P. ($/kWh) 2.148 2.1583 2.1229 2.1144 Ener. I. ($/kWh) 0.6906 0.6939 0.6825 0.6798 Ener. B. ($/kWh) 0.5658 0.5685 0.5592 0.557 Noroeste Dem. F. ($/kW) 115.55 116.1 114.2 113.74 Ener. P. ($/kWh) 2.1603 2.1707 2.1351 2.1266 Ener. I. ($/kWh) 0.6853 0.6886 0.6773 0.6746 Ener. B. ($/kWh) 0.5745 0.5773 0.5678 0.5655 Norte Dem. F. ($/kW) 113.69 114.24 112.37 111.92 Ener. P. ($/kWh) 2.1634 2.1738 2.1381 2.1295 Ener. I. ($/kWh) 0.6973 0.7006 0.6891 0.6863 Ener. B. ($/kWh) 0.5676 0.5703 0.5609 0.5587 Peninsular Dem. F. ($/kW) 127.14 127.75 125.65 125.15 Ener. P. ($/kWh) 2.275 2.2859 2.2484 2.2394 Ener. I. ($/kWh) 0.6986 0.702 0.6905 0.6877 Ener. B. ($/kWh) 0.5756 0.5784 0.5689 0.5666 Sur Dem. F. ($/kW) 123.07 123.66 121.63 121.14 Ener. P. ($/kWh) 2.2775 2.2884 2.2509 2.2419 Ener. I. ($/kWh) 0.7112 0.7146 0.7029 0.7001 Ener. B. ($/kWh) 0.5912 0.594 0.5843 0.582

Tabla 1. Tarifas vigentes para el mes de marzo del 2006


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2.3 CONCEPTOS BÁSICOS A continuación detallaremos algunos de los conceptos básicos más utilizados a lo largo de este capítulo, puesto que consideramos de vital importancia que cualquier encargado en la administración de la energía eléctrica, esté bien familiarizado con los términos de la facturación. 2.3.1 CONTROL DE DEMANDA El control de demanda es la administración de las principales cargas eléctricas para reducir e imponer un límite a la demanda (kW) durante ciertos periodos de tiempo, es decir las horas pico. Los cargos por demanda máxima representan un componente importante y apreciable de la factura eléctrica, entre 20 al 50% de la factura. 2.3.2 DEMANDA MÁXIMA MEDIDA La demanda instantánea integrada por el medidor de la compañía eléctrica sobre cualquier intervalo de 15 minutos, en el cual la demanda de energía sea mayor que en cualquier otro intervalos de 15 minutos en el periodo de facturación. En las tarifas horarias estos valores medidos de la demanda máxima se registran mensualmente durante el periodo base, intermedio y punta.

Figura 17. Periodos de medición de demanda


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2.3.3 DEMANDA FACTURABLE La demanda facturable en las tarifas 3 y OM, es la demanda máxima medida en cualquier intervalo del periodo de facturación. Sin embargo para las tarifas horarias (H) la demanda facturable se definirá en función de la demanda de cada uno de los periodos (base, intermedio y punta), a través de la siguiente fórmula:

DF = DP + FRI × max (DI - DP,0) + FRB × max (DB - DPI,0) Donde: DP: Demanda máxima medida en el periodo de punta DI: Demanda máxima medida en el periodo intermedio DB: Demanda máxima medida en el periodo de base DPI: Demanda máxima medida en los periodos de punta e intermedio FRI y FRB son factores de reducción que tendrán los siguientes valores, dependiendo de la región tarifaria: Los valores de reducción la siguiente tabla corresponden a la tarifa HM, sin embargo para la tarifa HS cambian:

Tabla 2. Valores de reducción En las fórmulas que definen las demandas facturables, el símbolo "max" significa máximo, es decir, que cuando la diferencia de demandas entre paréntesis sea negativa, ésta tomará el valor cero. Las demandas máximas medidas en los distintos periodos se determinarán mensualmente por medio de instrumentos de medición, que indican la demanda media en kilowatts, durante cualquier intervalo de 15 minutos del periodo en el cual el consumo de energía eléctrica sea mayor que en cualquier otro intervalo de 15 minutos en el periodo correspondiente.


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Para las regiones Baja California, Baja California Sur y Noroeste, DP tomará el valor cero durante la temporada que no tiene periodo de punta. Cualquier fracción de kilowatt de demanda facturable se tomará como kilowatt completo. Cuando el usuario mantenga durante 12 meses consecutivos valores de DP, DI y DB inferiores a 100 kilowatts, podrá solicitar al suministrador su incorporación a la tarifa O-M. 2.3.4 FACTOR DE CARGA El factor de carga se define como la razón entre la demanda promedio y la demanda máxima. Otra forma de definir el factor de carga es la razón entre el consumo eléctrico de un periodo y el producto de la demanda máxima medida por el número de horas del periodo de facturación. Este parámetro es útil para determinar el efecto relativo de la demanda máxima sobre la factura eléctrica y ayuda a evaluar la oportunidad de reducción de demanda. Puede calcularse este factor para cada factura eléctrica mensual o promediando al año. El factor de carga para cada facturación está dado por:

También se puede calcular de la siguiente manera:

Es deseable alcanzar el más alto factor de carga posible, para que el costo promedio de la energía disminuya. El factor de carga se puede incrementar ya sea, aumentando el consumo a demanda constante o reduciendo la demanda a consumo constante. Un factor de carga bajo en una planta, puede usarse como indicativo de la posibilidad de controlar la demanda. El factor de carga máximo es 1.0. Difícil de alcanzar, pero mientras más alto sea el factor de carga, mejor es la utilización de la capacidad instalada de la planta y menor el costo promedio de la energía.


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2.3.5 ENERGÍA DE PUNTA, INTERMEDIA Y DE BASE Energía de punta es la energía consumida durante el periodo de punta que va de 18 a 22 horas en horario de no verano y de 20 a 22 horas en horario de verano. Energía intermedia es la energía consumida durante el periodo intermedio que va de 6 a 18 horas y de 22 a 0 horas en horario de no verano y de 6 a 20 horas y de 22 a 0 horas en horario de verano. Energía de base es la energía consumida durante el periodo de base que va de las 0 hasta las 6 horas.

Figura 18. Horarios para tarifa HM Región Central No Verano

Figura 19. Horarios para tarifa HM Región Central Verano


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2.4 ACTIVIDADES PREVIAS AL CONTROL POR DEMANDA El siguiente esquema nos muestra el orden en el que debemos empezar las actividades previas para realizar el control por demanda.

Figura 20. Actividades precias para realizar el control por demanda

2.4.1 RECOPILACIÓN Y ANÁLISIS DE INFORMACIÓN HISTÓRICA. En este paso se deben recolectar los recibos de energía eléctrica de por lo menos un año a la fecha, datos de producción si es que es una empresa productora de piezas o refacciones para aeronaves, en el caso de aerolíneas se tomarán los datos de ocupación, m2 de construcción, etc., del mismo periodo que la facturación eléctrica. Esto con la finalidad de llenar una tabla con los costos por horarios intermedio, base y punta, tanto de energía como de demanda, como se muestra a continuación:


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Los datos de producción nos sirven para realizar una tabla y posteriormente una gráfica de unidades relativas como se muestra a continuación

Tabla 3. Unidades Relativas

Figura 20. Grafica de Unidades Relativas


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En la siguiente tabla se muestra una hoja de cálculo propuesta para visualizar los ahorros que se alcanzarían por implementar las medidas de control por demanda

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En la siguiente tabla se muestra un resumen de los cálculos que se deben realizar proponiendo distintas disminuciones de demanda en horario punta, y a su vez nos muestra los ahorros que se obtendrían por mes, al año y el porcentaje en la reducción de la facturación que se haría.

Tabla 5. Resumen de cálculos

2.4.2 MEDICIÓN DE PARÁMETROS ELÉCTRICOS Para obtener resultados más confiables de los ahorros a obtener se recomienda realizar mediciones, ya que debemos conocer con precisión la forma en que se demanda y consume la energía eléctrica. Algunas empresas que se encuentran en tarifas horarias pueden solicitar la curva con el perfil de demanda eléctrica todo el mes a su compañía suministradora. La forma más confiable de obtener todos los parámetros eléctricos que se requieren para realizar el control por demanda es mediante un analizador de redes, el cual se recomienda que cada empresa posea uno, ya que es de bastante utilidad a lo largo de toda la existencia de la empresa, sin embargo si no se tiene aún contemplado la compra de un analizador, se puede rentar uno por los días que se requieran hacer las mediciones.

Figura 21. Analizador de redes marca ELCONTROL, modelo microvip 3


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Estos analizadores de redes, además de medirnos la demanda y el consumo, también nos proporcionan datos de calidad de la energía, lo cual no significa un ahorro económico, sin embargo nos ayuda a mejorar la calidad y eficiencia de la empresa entre otras cosas. La forma de conectarlos y utilizarlos es muy sencilla. Existen analizadores muy distintos, pero los más comunes son los trifásicos, estos nos permiten medir en 3 fases simultáneamente, lo cual es muy adecuado pues nos permite ver el comportamiento simultáneo de las 3 fases, los analizadores vienen con sus transformadores tipo dona el cual es muy útil ya que se puede envolver el conductor en la misma muy fácilmente, y los analizadores tienen indicado cuál conductor es para cada fase, también traen unas terminales que sirven para medir voltajes los cuales se conectan directamente en cada fase como se muestra en la siguiente imagen.

Imagen 1. Conexión del analizador de redes

Figura 22. Analizador de redes marca DRANETZ


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Los parámetros que nos proporciona el analizador de redes son los siguientes:

• Voltaje trifásico • Corriente trifásica • Factor de potencia trifásico • Potencia trifásica • Potencia kva trifásica • Potencia reactiva trifásica • Voltaje por fase • Corriente por fase • Potencia por fase • Factor de potencia por fase • Potencia reactiva por fase • Distorsión armónica de voltaje por fase • Distorsión armónica de corriente por fase

Todos estos parámetros son muy importantes, sin embargo para el control de demanda nos interesan únicamente los perfiles de demanda obtenidos, para su posterior análisis. De un perfil de demanda podemos visualizar lo siguiente:

• Picos de Demanda • Carga en las noches • Arranques • Apagados • Efectos del medio ambiente • Ciclos de la carga • Efectos de la ocupación • Efectos de la producción • Detección de problemas en áreas


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2.4.3 REPRESENTACIÓN Y ANÁLISIS DE GRÁFICAS Una vez identificado el potencial de ahorro de energía por control de demanda utilizando los datos de la facturación eléctrica se procede a evaluar el potencial de ahorro en función de la operación actual de la empresa, para lo cual es necesario obtener el perfil de demanda típico de la empresa, para con ello identificar los “picos de demanda” que pudieran existir, esto se hace como se mencionó anteriormente con el analizador de redes. En este tipo de gráficas fácilmente puede observarse cuáles son los horarios en los que se presentan los picos de mayor demanda, así como su magnitud. Todas aquellas empresas que se encuentren en cualquiera de las tarifas horarias pueden solicitar la curva con el perfil de demanda eléctrica de todo un mes a la compañía suministradora. Estos perfiles de demanda se deberán solicitar el menos para los últimos doce meses y poder hacer una correcta evaluación del comportamiento histórico de la demanda. En el caso que no cuenten con este tipo de información deberá ser generada con equipos como los que se vieron en la sección anterior ya sea de una empresa consultora o por propia adquisición de la empresa. Las gráficas que se pueden obtener se muestran a continuación:

Figura 23. Perfil de demandas de 7 días, empresa metalmecánica

Figura 24. Perfil de demandas de 7 días, edificio de oficinas.


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En las gráficas que describen el perfil de demanda en un día típico de operación, se puede identificar el momento en el cual entra o sale una carga a lo largo del día. Así pues, en la figura 25 se observa como varía la carga según entra o salen cargas a lo largo del día. Y en la gráfica semanal (Fig. 24) podemos observar el perfil de cada día y también podemos compararlo contra la producción, en caso de que se tengan los datos por día. Una vez analizadas las gráficas históricas y las demandas diarias, podemos saber con certeza cuanto es el potencial en demanda que podemos controlar. La demanda se puede controlar para cada uno de los horarios (base, intermedia o punta). 2.4.4 IDENTIFICACIÓN DE CARGAS Es importante conocer cuáles son las cargas o equipos básicos para el desarrollo de las actividades en el proceso o trabajo y aquellas que operan de forma periódica o esporádica. Además se debe medir la potencia real (kW) que aporta cada una de las cargas que contribuyen a la demanda máxima, lo cual se puede realizar con un amperímetro y/o factorímetro de gancho.

Figura 26. Amperímetro de gancho

Figura 25. Perfil de demandas de un día, edificio de oficinas.


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Una vez que se tiene esa información, se debe hacer un análisis detallado de su origen, es decir, es necesario investigar qué equipos están operando cuando se presentan los picos de demanda. Teniendo definido qué cargas constituyen la demanda, es importante clasificarlas dentro de dos categorías: Carga base: Es la carga mínima requerida para mantener la operación de las instalaciones sin afectar factores como confort, producción y requerimientos de trabajo en general, esta carga es constante y nunca puede prescindirse de ella. La carga base no se puede disminuir a menos de que se logre hacer más eficiente su funcionamiento, es decir, reducir su consumo pero realizando lo mismo que actualmente hace. En ocasiones, el sustituir equipos actuales por nuevos más eficientes resulta a veces más rentable debido a la importancia de los ahorros obtenidos. Carga variable: Es la carga que se suma a la base pero que no es constante y que depende de variables tales como el clima, condiciones de producción, trabajos especiales, mantenimientos, entre otras. Acciones de este tipo se pueden emprender en sistemas de alumbrado, aire acondicionado, calefacción, en cualquier equipo que cuente con motores, etc. En cambio, dentro de las cargas variables pueden existir algunas cuyo funcionamiento no es indispensable todo el tiempo y se puede prescindir de ellas por algunos minutos o períodos completos. Para el control de demanda, es muy importante asignar prioridades a las cargas. Las cargas que tienen poco o ningún impacto sobre la producción o el confort, pueden considerarse como prioritarias para ponerse fuera de servicio temporalmente. Las cargas con mayor efecto negativo sobre el proceso productivo deben ser las últimas en la lista de prioridades.


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2.5 METODOS DE CONTROL DE LA DEMANDA ELECTRICA El control de la demanda es, la administración y control de las cargas eléctricas para reducir e imponer un límite a la demanda (kW) durante cierto periodo de tiempo, mientras que el control u optimización del consumo (kWh), como su nombre lo indica logrará un mejor consumo de la energía de los equipos, pero no necesariamente traerá disminución en la demanda. Ambas acciones, control de demanda y optimización del consumo, son una herramienta poderosa para reducir los cargas de le energía eléctrica. Para el control de la demanda se emplean dispositivos que van desde un simple interruptor de reloj y un control por fotocelda, hasta equipos altamente sofisticados y totalmente automatizados. 2.5.1 CONTROL DE DEMANDA MANUAL La demanda máxima puede ser controlada manualmente o con la ayuda de dispositivos automáticos. Con ambos existen ventajas y desventajas y cada uno tiene diferentes niveles de complejidad y sus costos asociados. Mientras que todas las empresas deberían practicar un control de demanda manual, sólo las empresas medianas y grandes pueden encontrar atractiva la instalación de controles automáticos. El control de demanda manual puede dividirse en: a) Programación de cargas. b) Monitoreo de la variación de la demanda, con el fin de evitar picos. PROGRAMACION DE CARGAS El método de control de demanda más efectivo, es hacer un itinerario o programación de la operación de diferentes cargas. En algunos casos, esto puede ser al prohibir ciertas cargas durante un tiempo especificado; por ejemplo, una compresora grande nunca debe ser operada durante la hora pico de 18:00 a 22:00 horas en una planta en particular. En otros casos el itinerario puede definir tiempo de operación para ciertos departamentos, líneas de procesos o máquinas. En muchas plantas es fácil hacer esto y puede involucrar cambios en las costumbres de operación, simples pero permanentes. En otras plantas, los itinerarios de operación pueden necesitar de una revisión constante, a medida que la producción cambie. Normalmente no debe empezarse con un método de control automático sofisticado sin haber pasado por un método manual de programación de actividades. Aún para controles automáticos, se necesitan decisiones y entradas manuales para asegurar niveles de producción continuos y apropiados.


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MONITOREO El monitoreo visual de un wattmetro o amperímetro o grupo de ellos en el tablero principal del taller o la empresa es un método útil, pero no alternativo, para el control de demanda manual. Se debe desarrollar una buena comunicación entre el tablero de control y el operador del equipo que potencialmente puede ser apagado para que el tiempo de respuesta pueda minimizarse. Esto se practica en algunas empresas como procedimiento normal para prevenir picos de demanda innecesariamente altos. Alternativamente se puede instalar un sistema manual mejorado, que incluye una alarma sonora que anuncia cuando la demanda excede un valor preseleccionado. Nuevamente, esto solo puede funcionar si se presta atención inmediata y cuidadosa de la alarma. Como un ejemplo de esto, se puede citar un taller aeronáutico con grandes compresores que suministran aire a un sistema de herramientas neumático. El aire comprimido proporcionado por los compresores requiere un nivel mínimo de presión, sin embargo, el motor del compresor no requiere estar trabajando todo el tiempo, de tal forma que durante los períodos de más alta demanda, el compresor puede suspender por unos minutos su operación hasta que pase el pico de demanda o hasta que la presión baje hasta niveles en los que sea indispensable que vuelva a entrar en operación. Otro ejemplo puede ser, si en una instalación existen varios compresores, se puede ajustar sus períodos de operación de tal manera que no trabajen en forma simultánea a menos de que la baja de presión haga que esto sea indispensable. Lo que queda muy claro en estos ejemplos, es que se puede reducir la demanda variable, sin embargo el ahorro de energía no es una prioridad sobre la productividad a menos de que por alguna razón en especial esto se justifique, pero generalmente no es así. Para la reducción de la demanda variable se pueden tomar acciones muy variadas y depende de los recursos con que se cuente, en ocasiones, es conveniente revisar si los equipos eléctricos que se están utilizando para un proceso son realmente la opción más económica, ya que puede ser que existan equipos que demanden otro tipo de energía con un costo menor. También puede ocurrir que en el mercado existan opciones para sustituir a los equipos actualmente instalados cuya eficiencia sea mucho mayor y su costo de operación mucho menor. Estos casos hay que analizarlos cuidadosamente, ya que probablemente se requiera una importante inversión para el reemplazo de equipos pero los ahorros de energía eléctrica que se obtienen pueden llegar a pagar por sí mismos esa


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inversión. Después del período de recuperación de la inversión, se tendrán ahorros netos permanentes sobre las condiciones originales. Cuando en las instalaciones se cuenta con equipo de generación eléctrica, bien sean grandes generadores, o bien, plantas de emergencia, es posible considerar lo opción de energizar la carga o parte de ella con estos generadores propios durante los períodos de máxima demanda, especialmente en horas pico. Los equipos de generación auxiliar como las plantas de emergencia puede ser que no sean utilizados en mucho tiempo por la ausencia de interrupciones en el suministro de la empresa generadora. Si ese es el caso, de cualquier manera se recomienda hacer que dichos equipos tomen carga en forma programada para que se mantengan en óptimas condiciones de operación siempre para que cuando se les requiera realmente funcionen en forma adecuada. Del estudio del comportamiento de la demanda se pueden identificar procesos que tal vez puedan cambiarse de horario de tal forma que se abata el cargo por demanda máxima. Existen también procesos que se podrían reprogramar para realizarse durante las noches o los fines de semana, o bien, en los horarios que se definan como los de menor demanda entre semana. En procesos que involucran sistemas hidráulicos, por ejemplo, sí es posible almacenar líquidos en tanques elevados durante horarios de poca demanda, de tal forma que cuando se requiera el líquido, esté disponible por simple gravedad y no sea necesario bombearlo. Acciones como la de controlar los arranques y paros de equipo, el evitar la entrada y operación de grandes cargas simultáneas es una tarea que debe estar adecuadamente establecida y debe existir un responsable de esos procedimientos. Ventajas del uso de control de demanda manual: Se requiere de una inversión casi nula para su aplicación, puesto que únicamente se requiere a un trabajador. Desventajas: Si hay un descuido de 15 minutos en la parte operativa el pico de demanda afectará todo el mes de facturación, es decir que está sujeto a error humano.


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A continuación se presenta una gráfica (Fig. 27) de una empresa que lleva implementado el control de demanda manual a lo largo de dos años, en la cual se observa que su perfil de demanda es bastante constante, pues no tiene picos significativos.

Figura 27. Comportamiento de la demanda eléctrica


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2.5.2 CONTROL AUTOMÁTICO DE LA DEMANDA En talleres o empresas con procesos muy complejos y variables, puede resultar poco práctico el estar controlando de manera manual la demanda en forma permanente, ya que son demasiados los equipos que hay que vigilar, así como las prioridades de operación. Estos sistemas basan su operación en un monitoreo constante de la demanda según parámetros preestablecidos cuidando que no se exceda un límite máximo de demanda, el cual sólo podrá excederse si la reducción de cargas afectara directamente a un proceso o actividad determinados. El valor del límite máximo a controlar debe determinarse con mucho cuidado y es recomendable la realización de un estudio que incluya mediciones y obtención de gráficas que permita establecer con toda claridad el comportamiento del sistema eléctrico en cuestión. Por otra parte, es indispensable determinar cuáles son las cargas que se pueden controlar, es decir, encontrar aquellos componentes de la demanda cuya función puede no ser indispensable y por cuánto tiempo. Para identificar este tipo de cargas basta con analizar las existentes y definir cuáles pueden permanecer un tiempo desenergizados o con menor demanda sin cambiar drásticamente sus propiedades. Tal es el caso de hornos, unidades de refrigeración, compresores, sistemas de aire acondicionado, calentadores, ventiladores y algunos procesos de bombeo. Los sistemas de control de la demanda automáticos constan de varios elementos para su operación: Medidores de demanda Debe existir al menos un equipo que monitoree las condiciones de demanda del sistema completo, o bien, se pueden instalar diversos medidores a través de la red eléctrica, en cada proceso importante por ejemplo, pero es indispensable que toda la información se concentre para conocer la demanda total del sistema. Existen equipos que se pueden ajustar de tal manera que realicen un monitoreo de la demanda máxima exactamente en la forma en la que lo hacen los equipos de medición de la empresa suministradora, o bien, se pueden programar para controlar bajo condiciones aun más estrictas. Toda esta información se concentra en una computadora o en un dispositivo electrónico central de control en el cual se tienen programadas secuencias de acción según las condiciones de demanda, y ahí se programa también el nivel de prioridad de cada una de las cargas.


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Ante las condiciones de demanda existentes, el equipo central de control envía señales que reducen las condiciones de operación de los equipos controlables o los apagan completamente, todo esto mediante la acción de relevadores, arrancadores y contactores según se requiera en cada caso particular. Debe tomarse en consideración la forma en la que al aplicar un control de este tipo puede afectar a la carga, ya que la constante entrada y salida de operación de motores en cortos períodos acorta substancialmente su vida útil. Existen casos en los que resulta muy conveniente el aplicar a los motores equipos de control de velocidad variable, los cuales mantienen la máxima eficiencia posible del motor bajo cualquier condición de carga sin afectar su vida útil, por lo que frecuentemente se pueden variar sus condiciones de demanda sin necesidad de apagar el motor. Tal es el caso de un ventilador, un compresor o una bomba de servicios prolongados. CONTROLADORES DE DEMANDA Un controlador de demanda básicamente es un dispositivo que actúa sobre una señal, que temporalmente apaga cargas eléctricas predeterminadas, para mantener la demanda máxima bajo control. El controlador, apaga o establece ciclos de trabajo a las cargas cuando la demanda alcanza un valor preseleccionado o crece una tasa. El punto prefijado deber ser cuidadosamente seleccionado, para que no se afecte la producción o necesidades de operación. Se pueden usar también señales de sensores para optimizar las decisiones de operación en función de las cargas, sobre todo en sistemas y equipos de ventilación, calefacción y refrigeración. Existe una gran variedad de controladores de demanda disponibles, con diferentes grados de sofisticación, complejidad y costo. Los tableros de control ASI CONTROLS son unidades configurables y sistemas de control que pueden ser programados para ser utilizados bajo cualquier aplicación. Cada controlador contiene un conjunto completo de objetivos, los cuales se seleccionan y configuran para definir setpoints, parámetros y secuencias de control. Estos tableros de control requieren de una computadora para programarlos únicamente, sin embargo una vez programados dependen totalmente de computadoras. Una ventaja de utilizar estos controles es que se pueden manejar a través de Internet, lo cual es muy útil en caso de que el administrador tenga que abandonar las instalaciones en un momento dado.


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Figura 28. PLC´S ASI CONTROLS

Figura 29. PLC´S ASI CONTROLS


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OPERACIÓN DE LOS CONTROLADORES AUTOMÁTICOS DE DEMANDA Para que opere con efectividad el controlador de demanda, deber estar conectado y provisto de una lista de cargas que pueden ser apagadas, así como un procedimiento o prioridad para su selección; algunos tipos de controladores deben sincronizarse con el medidor de demanda de la Compañía Suministradora, a través de una “tarjeta duplicadora de pulsos”. Ver figura 31.

Figura 31. Tarjeta duplicadora de pulsos.

Figura 30. Ejemplo de un edificio de oficinas con sistema de iluminación controlado mediante controles ASI


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Otros controladores más sofisticados pueden necesitar también una entrada o recomendación de los tiempos máximos de apagado de las diferentes cargas. Finalmente, también se debe proveer al controlador de demanda de los puntos de referencia sobre los cuales se basarán las funciones de control. La asignación de un punto de referencia en el controlador de demanda tendrá un impacto, tanto en el número de cargas seleccionadas (y posibles perturbaciones al proceso) con en la cantidad de ahorro que pueden obtenerse. El primer punto de referencia podría ser cerca del porcentaje de reducción así calculado. Luego, al operar el sistema, se podrán hacer los ajustes necesarios, dependiendo de cómo opera el sistema y la influencia de éste sobre el proceso productivo o confort. Una vez que el controlador está activado por el punto de referencia, éste empieza a seleccionar las cargas asignadas una por una, de acuerdo con la prioridad que fue introducida en el programa. Generalmente las cargas menos críticas deben seleccionarse primero, seguidas por las más importantes en caso de ser necesario. El número de cargas que deben ser seleccionadas depende de la extensión a la cual el punto de referencia ha sido empleado, así como el rango de potencia total de cada carga que ha sido seleccionada. En este método de porcentaje instantáneo, el nivel de la potencia demandada se mide continuamente y se compara con el punto de referencia preseleccionado. Si un valor medido de demanda excede el punto de referencia, se activa el controlador y empieza a separar las cargas hasta que la potencia demandada desciende por debajo del punto de referencia inferior determinado por un diferencial relativo el punto de referencia superior. Cuando la demanda cae por debajo de este nivel, las cargas pueden ser restablecidas o incorporadas. Otros métodos de control de demanda incluyen aquellos basados en una curva ideal de cómo podría variar la demanda dentro de un intervalo de demanda descrito por la CFE y aquellos que se basan en la predicción de cuando la demanda podrá o no, de acuerdo a su tasa de incremento, exceder el límite preestablecido. Ventajas del uso de un control automático de demanda: Permite y asegura un ahorro considerable de energía cuando este es bien aplicado. Los controles automáticos de demanda se programan de acuerdo a las necesidades específicas del cliente y funcionan de manera automática sin la


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necesidad de depender del hombre, por lo que carecen de errores de descuido humano. No se requiere aprender ningún lenguaje de programación ya que todo opera bajo secuencias lógicas (compuertas lógicas), además cada tablero esta preparado para operar de forma individual o como parte de una red de control. Cada tablero esta configurado para operar con o sin una computadora externa ya toda la configuración se localiza en la memoria no volátil por lo que una vez que el equipo quede desenergizado por cualquier razón, no perderá su programación. Lo anterior esta soportado por medio de un reloj que permite sincronizar los horarios y continuar con las secuencias programadas. Los ASI Controls pueden aplicarse a cualquier sistema que se desee controlar, por lo que con las entradas y salidas universales no hay ninguna barrera para realizar los objetivos. Adicionalmente es compatible a través de los DDE (Dinamyc Data Exchange) Servers para visualizar la información y control de procesos por medio de aplicaciones gráficas como se muestra a continuación.

Figura 32. Visualización de información y control de procesos por medio de tableros de control


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2.6 OPTIMIZACIÓN DEL CONSUMO DE ENERGÍA Mientras que el control de demanda máxima genera a menudo más interés en la mayoría de las oportunidades debido a su bajo costo de implementación, es en el área de consumo donde los ahorros de energía realmente recaen. Los diagnósticos energéticos realizados en la industria han mostrado que reducir la operación innecesaria del equipo representa una fracción significativa del potencia de ahorro de energía eléctrica; es común encontrar motores funcionando en vacío, luminarias y ventiladores encendidos sin necesidad, bombas trabajando innecesariamente y muchas otras faltas que se pueden corregir fácilmente. Como con la administración de la demanda, se encuentran disponibles una variedad de opciones para reducir el desperdicio y tener un control más estrecho, sin dejar de lado la opción humana. En México, donde la mano de obra es relativamente barata, especialmente comparada con el costo de equipo de importación, puede implementarse una rutina de personal concentrado específicamente en prevenir el desperdicio de energía. El personal de seguridad o los veladores pueden entrenarse en la revisión de áreas específicas de la planta para revisar el equipo que pudiera haberse dejado operando sin necesidad. Los operadores deben ser entrenados y motivados para minimizar el desperdicio de energía. Nunca como ahora, los dispositivos automáticos ofrecen ventajas significativas a su contraparte humana, su confiabilidad es mucho mayor, ya que la fatiga, la falta de atención, mala actitud, incapacidad y otras características humanas no entran en juego. Aún más, las ventajas de la tecnología de microprocesadores y el desarrollo de nuevas aplicaciones han hecho muchos de los nuevos dispositivos más útiles y con una mayor rentabilidad. A continuación se mencionan algunas de las principales categorías de estos dispositivos. Controles de Encendido y Apagado. Una gran variedad de dispositivos simples y de bajo costo, que usualmente controlan sólo una carga, se pueden clasificar dentro de esta categoría.

• Controles de tiempo, los tipos mecánicos y los electrónicos, controlan el encendido y apagado de equipo específico a tiempos preestablecidos durante un día o semana.

• Interlocks y relevadores, pueden conectarse al cableado del equipo auxiliar

de un equipo primario de manera que, por ejemplo, cuando se apaga una máquina de proceso, su ventilador, iluminación o flujo de agua se suspende automáticamente.


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• Relevadores de fotocelda, empleados especialmente para sistemas de iluminación.

• Equipo termostático, que puede tener diferentes puntos de referencia para

ciertos periodos del día o de la noche, y pueden reducir el empleo de los equipos de calefacción o refrigeración.

• Sensores infrarrojos de presencia, para el control del alumbrado y/o aire

acondicionado.

• Controladores Lógicos Programables (PLC); Los controladores programables son dispositivos de bajo y mediano costo que emplean microprocesadores. Se emplean principalmente en equipos que tienen cargas cíclicas y sustituyen a los relevadores electromecánicos. También son usados con frecuencia para controlar equipo individual con el método de encendido/apagado o a una hora especifica del día. Los equipos típicos disponibles controlan 4, 8, 12, 16 o muchos más puntos y se pueden expandir por módulos de 8 o más puntos. El tiempo de arranque-paro de cada punto puede controlarse individualmente o monitorearse, hay disponibles relojes de 7 días o de un año completo, de modo que el equipo puede desconectarse en fines de semana o días festivos. Estos sistemas de control son fácilmente programables o reprogramables y tienen un sistema altamente confiable. Tienen una pantalla con propósitos de monitoreo y pueden reemplazar, sobre la base del costo, a un sistema de interlock o relevadores.

Con la instalación de sensores de presencia se evitará que el alumbrado en las oficinas permanezca encendido todo el tiempo. No se dependerá del factor humano para que permanentemente se lleve a cabo esta acción. Existe un dispositivo muy práctico y muy económico el cual es llamado inteli-timer, el cual es un aparato que se coloca en ciertas áreas, como por ejemplo baños, corredores, algunas oficinas, salas de juntas, etc.

Figura 35. Intelli-Timer


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Este dispositivo nos proporciona información de cuánto tiempo permanece el lugar ocupado con las luces encendidas, o cuánto tiempo permanece el lugar vacío con las luces encendidas, cuánto tiempo permanece el lugar ocupado con las luces encendidas y cuánto tiempo permanece desocupado con las luces apagadas, lo cual se puede visualizar con una gráfica que el software que se incluye con el dispositivo nos proporciona como las siguientes.

Figura 36. Visualizacion del software de intelli – timer

En este ejemplo se observa que en un 63% del tiempo total del día, el lugar permanece desocupado y con las luces encendidas, lo cual si se convierte a dinero es bastante considerable el desperdicio que se está haciendo.

Figura 37. Otra presentación de la información obtenida por el Inteli-Timer


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Este aparato no requiere instalación, ya que funciona a través de sensores infrarrojos de presencia y sensores de movimiento, además funciona con baterías y es por eso que se puede colocar en el lugar que se requiera, con la posibilidad de cambiarlo a diferentes zonas en cuanto se tenga la información necesaria, por lo que recomendamos que todas las empresas posean uno de estos como parte de su inventario. SISTEMAS DE ADMINISTRACIÓN DE ENERGÍA Los avances tecnológicos en microprocesadores y sus aplicaciones están cambiando continuamente la definición de los sistemas de administración de la energía. Básicamente estos sistemas combinan las funciones de un controlador programable, controlador de demanda y cualquier número de equipos individuales, iluminación y controles térmicos y también incluye la posibilidad de monitoreo, manejando señales de sensores a distancia. El tipo de sistema similar o parte de un sistema de control distribuido, puede usar las señales de los sensores, para optimizar las decisiones energéticas relacionadas con la operación de los equipos, especialmente en ventilación, calefacción y refrigeración. Dependiendo de su potencia de computación, tales sistemas pueden manejar en realidad miles de puntos en diferentes edificios o naves. El sistema puede incluir el área de seguridad del edificio y monitoreo también, así como alarmas contra incendio.

Figura 38. En esta gráfica se observa que los fines de semana las luces permanecen encendidas todo el tiempo, sin embargo la ocupación es nula


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Figura 39. Sistema de administración de energía

Imagen 2. Planta Federal – Mogul Raimsa


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2.7 ANÁLISIS DE CASOS PRÁCTICOS PROYECTO DE ADMINISTRACIÓN DE LA DEMANDA PARA LA EMPRESA FEDERAL MOGUL MÉXICO INTRODUCCIÓN Dentro de la investigación para la realización de esta tesis, también tomamos parte anteriormente en la realización de un proyecto de ahorro de energía, el cual realizamos en una empresa relacionada con la industria Metalmecánica. A pesar de que este proyecto fue en parte experimental, logramos obtener ahorros reales dentro de su facturación mensual. ANTECEDENTES FEDERAL MOGUL es un fabricante de componentes automotrices que proporciona soluciones innovadoras y sistemas a clientes a nivel mundial en los ramos automotrices, de camiones de carga ligera, maquinaria pesada, ferroviarios, del campo y mercado industrial, sin embargo está enfocado a la manufactura y distribución de productos en el mercado de refacciones automotrices e industriales en forma global. A través de la realización de este proyecto se buscó reducir los costos de operación en la industria Metalmecánica a través del uso correcto de la energía eléctrica enfocándose principalmente a la disminución en la facturación. Para lograrlo se analizó la implementación de medidas para el ahorro de la misma, aplicadas a los diferentes procesos a través del control por demanda máxima y se propuso alcanzar ahorros del 10% total de la facturación básica mensual de la planta en general.

Imagen 3. Autopartes producidas en Federal – Mogul Raimsa


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PROCEDIMIENTO Como primer paso se hizo una tabla en Excel en la cual ordenamos todos los datos históricos de facturación (tabla 6) como se observa las casillas en blanco son los datos obtenidos directamente de todos los recibos de energía anteriores de la compañía. Los datos de costos por tarifa se muestran en la tabla 7 los cuales son del año 2005 pues fue en ese entonces cuando se realizó el proyecto La demanda facturable se calculó con la siguiente formula y se introdujo en la hoja de cálculo para que sea calculada en cada mes:

DF = DP + FRI × max (DI - DP,0) + FRB × max (DB - DPI,0) La energía total se calculó sumando las energías de cada periodo, es decir la base, la intermedia y la punta para cada mes. El factor de carga se calculó con la formula de abajo y de igual forma se introdujo en Excel para que sea calculada para cada mes.

Para la columna de cargo por factor de potencia se calculó ya sea cargo o bonificación dependiendo del factor de potencia que haya mantenido la empresa durante el mes, y se hizo con las siguientes formulas, las cuales fueron introducidas de igual forma en Excel. FP: Si es menor de 90% se hace un cargo al usuario hasta un 125% de la FBM % Cargo = 3/5 * ((90/FP)-1) * 100 FP: Si es mayor de 90% se le bonifica, hasta un 2.5% de la FBM % Bonificación = 1/4 * (1-(90/FP)) * 100 En la sección de costos se encuentra el de costo por demanda, el cual simplemente se multiplicó la demanda facturable por el costo del kw del mes en que se encuentre, tal y como se muestra en la tabla 6. Para el caso del costo por energía, se hace la multiplicación de cada consumo, es decir el consumo de la energía en horario punta, por el costo de kwh en horario punta, el consumo de energía en horario base por el costo de kwh en horario


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base, y así mismo para el caso del horario intermedio, y después se suman los 3 costos. Y finalmente se suman todos los costos y se le saca el IVA, para así tener el total mensual.

Tabl

a 6.

Fac

tura

ción

His

tóric

a

Tabl

a 7.

Tar

ifas

eléc

trica

s añ

o 20

05


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Una vez teniendo la tabla llena con los datos calculados, se hace una gráfica como la que se muestra (grafica 1)en la que se grafica demanda contra tiempo, y se grafican las 3 demandas simultáneamente es decir la pico, la base y la intermedia, así mismo la demanda facturable, y este gráfico es muy práctico ya que aquí se visualiza la tendencia de las demandas, lo ideal sería que la demanda en horario punta siempre permanezca por debajo de las otras demandas, esto quiere decir que no estamos demandando más energía en horarios punta y que estamos haciendo un buen programa de control por demanda, sin embargo en esta gráfica observamos que desde enero hasta el mes de agosto, la demanda en horario punta se encontraba por arriba de la base, lo cual se corrigió en el mes de agosto, ya que a partir de ese mes la demanda en horario punta se mantiene por debajo de las demás demandas.

Grafica 1. Comportamiento de la demanda eléctrica También de la tabla 6 de facturación historica podemos obtener una gráfica de comportamiento de consumo eléctrico (grafica 2) en la cual se grafica el consumo de energía contra el tiempo o los meses, y también se visualiza de igual forma cómo es la tendencia, es decir que el consumo de energía en horario punta deberá ser mucho menor que en cualquier otro horario


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Grafica 2. Comportamiento de consumo eléctrico

Otra gráfica que obtenemos de esa tabla es la del factor de potencia, que es muy significativa pues nos muestra el valor que ha obtenido la empresa en cuanto a factor de potencia a lo largo de todo el año, en la grafica 3 se observa que se ha mantenido en un nivel óptimo por arriba del 94 %, sin embargo en el mes de diciembre se cayó este valor a 86%, lo cual implicó un cargo en la facturación.

COMPORTAMIENTO HISTORICO FACTOR DE POTENCIA 2005

80

82

84

86

88

90

92

94

96

98

Ene-

05

Feb-

05

Mar

-05

Abr-

05

May

-05

Jun-

05

Jul-0

5

Ago-

05

Sep-

05

Oct

-05

Nov

-05

Dic

-05

% F

.P.

Grafica 3. Comportamiento del factor de potencia Y finalmente obtenemos también de la tabla de facturación histórica, la gráfica 4 la cual nos muestra el comportamiento histórico de los costos por energía y demanda eléctrica a lo largo de todo el año, en la que se ve si hubo incrementos innecesarios en la empresa.


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COMPORTAMIENTO HISTORICO DE LOS COSTOS POR ENERGIA Y DEMANDA ELECTRICA 2005

$-

$50,000

$100,000

$150,000

$200,000

$250,000

$300,000

$350,000

$400,000

Ene

-05

Feb-

05

Mar

-05

Abr

-05

May

-05

Jun-

05

Jul-0

5

Ago

-05

Sep

-05

Oct

-05

Nov

-05

Dic

-05

PE

SOS

$/kWh$/kW

Grafica 4. Comportamiento histórico de costos por energía y demanda

Posteriormente se realiza otra tabla (Tabla 8. Unidades relativas e índices energéticos ) en la cual se colocan los valores de producción de la empresa, y esta tabla es en principio la misma que la de facturación histórica pero con la diferencia de que aquí se deben calcular los índices energéticos, los cuáles simplemente se divide la demanda entre la producción y el consumo entre la producción, para así obtener los índices energéticos Estos índices nos sirven para conoces qué tan bien estamos usando la energía eléctrica, es decir que nos dicen la relación de cuántos kwh se consumen por pieza y cuántos kw se demandan por pieza producida, lo cual para cada mes se puede observar un incremento o una disminución según sea el saco si es que se está aplicando correctamente la administración de energía eléctrica, es decir que estamos produciendo lo mismo, utilizando menos energía eléctrica, digamos que es un indicador de eficiencia energética.


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Tabla 8. Unidades relativas e índices energéticos

Ahora se hace una gráfica de unidades relativas, que nos indica en qué porcentaje estamos consumiendo y demandando energía y se puede comparar con la producción mensual de la empresa de igual forma en porcentaje, aquí podemos ver que los meses más óptimos es Abril y Noviembre, pues se observa que la producción se mantiene por arriba del consumo y la demanda además se puede observar que a partir del mes de junio el consumo y la demanda son muy similares, es decir que se está utilizando perfectamente la energía eléctrica.

Grafica 5. Unidades relativas


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La forma de calcular los ahorros que se podrán obtener si se hace una reducción en la demanda, es mediante otra hoja de cálculo en Excel como la que se muestra en la tabla 9, la cual no es más que una modificación de la tabla de facturación histórica en la que se hace el cálculo de cuánto dinero se ahorraría si se disminuye cierta cantidad de demanda y de consumo.

Tabl

a 9.

Fac

tura

ción

elé

ctric

a si

mul

ada.


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En la planta de federal mogul existen 4 transformadores de las siguientes capacidades:

• 600KVA@220V • 750KVA@220V • 1500KVA@440V • 1500KVA@440V

De los cuales uno de 1500 KVA no se analizó debido a que no esta en servicio.

Imagen 5. Transformadores de 1000 kVA

Imagen 4. Transformador de 600 kVA


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Se realizaron mediciones de 24 horas por cada transformador difiriendo estas en los días. Se utilizó el analizador de redes marca ELCONTROL (Imagen 6). Primeramente fue el transformador de 600KVA@200V después el de 750KVA@200V y por ultimo el de 1500KVA@440V ya que se encuentra en la nueva ubicación de la subestación eléctrica junto con el otro transformador de 1500@220V fuera de servicio.

Imagen 6. Analizador de redes marca el control. Los valores máximo, promedio y mínimo que se muestran en las tablas a continuación son las demandas trifásicas de cada transformador.


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TRANSFORMADOR PRINCIPAL 600 KVA@220V TRANSFORMADOR PRINCIPAL 600 KVA@220V V A F.P. KW KVA KVAR MAXIMO 246 615 -0.466 214 258 78 PROMEDIO 240 384 -0.811 128 159 -83 MINIMO 234 279 -0.994 80 117 -227

Tabla 10. Transformador principal 600KVA@220V

Grafica 7. Perfil de la demanda trifásica del transformador principal 600KVA@220V


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TRANSFORMADOR PRINCIPAL 750 KVA@220V TRANSFORMADOR PRINCIPAL 750 KVA@220V V A F.P. KW KVA KVAR MAXIMO 244 619 1.00 246 252 83 PROMEDIO 239 412 -0.16 161 170 -18 MINIMO 234 310 -1.00 107 128 -111




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TRANSFORMADOR PRINCIPAL 1500 KVA@440V TRANSFORMADOR PRINCIPAL 1500 KVA@440V V A F.P. KW KVA KVAR MAXIMO 487 732 0.986 359 591 482 PROMEDIO 476 313 0.698 171 257 190 MINIMO 463 64 0.544 48 53 19




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Todas estas gráficas anteriores obtenidas del analizador de redes, pueden compararse con mediciones realizadas por la empresa anteriormente, para se compruebe que en realidad se redujeron los picos de demanda. A continuación presentamos la comparativa de las mismas gráficas de demanda antes de haber implementado el proyecto de ahorro, y después de haberlo hecho.

Grafica 10. Comparativa de perfiles de demanda para el transformador principal

600KVA@220V, antes y después de haber implementado el programa de ahorro. Comparativa de perfiles de demanda del transformador de 600 KVA, en las cuales se observa claramente que los picos en color rojo se redujeron por debajo de las demás demandas, es decir la de intermedia y base, cabe destacar que la gráfica anterior al proyecto de ahorro es un perfil de corriente puesto que en ese entonces no se contaba con un analizador de redes, sin embargo es posible comparar las dos gráficas puesto que el perfil de corriente es muy similar al de la demanda.


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De igual manera se obtuvo la comparativa para el transformador de 750 KVA en las cuales se observa también una significativa reducción de picos en horario punta. (Gráfica 11).

Grafica 10. Comparativa de perfiles de demanda para el transformador principal 750KVA@220V, antes y después de haber implementado el programa de ahorro.


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En el transformador de 1500 KVA también se puede observar más claramente

Grafica 11. Comparativa de perfiles de demanda para el transformador principal 1500KVA@440V, antes y después de haber implementado el programa de ahorro.


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En base al estudio para proponer un ahorro por control de demanda, se observó que se tenían 2 líneas de producción trabajando en horario punta, lo cual representa una carga total de 371.16 KW, por lo que se propuso un cambio de horario laboral para trasladarla al horario base y en si en esto tan simple consistió el proyecto de ahorro por demanda. Esta operación representa un consumo de 742.32 KWh. Lo que representa un ahorro del 8% de la F.B.M. Entre las cargas principales que se cambiaron, se encontró una soldadora la cual era generadora de grandes picos de demanda (Imagen 7).

Imagen 7. Soldadora reemplazada de turno. También se encontraba un horno de inducción que se muestra en la Imagen 8.

Imagen 8. Horno de Inducción Taylor.


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Cabe destacar que este programa de ahorro por control de demanda se implemento en la empresa a partir del mes de Agosto del año 2005, lo cual fue muy sencillo ya que los gerentes de la planta se pusieron de acuerdo, y no se necesito ninguna inversión inicial, puesto que lo único que se realizó fue un cambio de horario de las líneas de producción, es decir trasladar la línea del horario punta en que estaba trabajando al horario base, lo cual no afectó a los trabajadores puesto que esa empresa trabaja los 3 turnos, únicamente fue cuestión de organización y en si estos ahorros no podrían haberse logrado, sin haber hecho el diagnóstico, puesto que con las mediciones nos fue posible identificar las cargas que estaban afectando los perfiles de demanda. Entre otras ventajas que se obtuvieron de realizar este diagnóstico interno, es decir que no se requirió de contratar a empresas consultoras externas, las cuales cobraban cerca de $30,000 pesos por hacer este proyecto. Además se identificaron otras áreas de oportunidad mientras se realizó el diagnóstico, una de las cuales es la de implementar un banco de capacitares automático para mantener siempre un factor de potencia adecuado sin necesidad del hombre. También se analizó la posibilidad de sustitución de motores eléctricos obsoletos, por motores de alta eficiencia, sin embargo estas propuestas quedaron únicamente en propuestas para un futuro no muy lejano, pero por haber implementado el ahorro por control de demanda se obtuvieron ahorros aproximados de $30,000 pesos mensuales, los cuales se traducen en: Ahorros mensuales $ 30,000 x 12 meses = $360,000 pesos los cuales ya son una cantidad significativa, estos ahorros se pueden observar en la tabla 13.

Tabla 13. Total de ahorros obtenidos en la planta.


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2.8 ANÁLISIS DE CASOS PRÁCTICOS AUTOMATIZACIÓN DEL SISTEMA DE ALUMBRADO Y AIRE ACONDICIONADO EN EL EDIFICIO DE SERVICIOS DE MEXICANA DE AVIACIÓN EN GUADALAJARA, JAL. INTRODUCCIÓN A manera de ejemplo explicamos a continuación el caso de un proyecto de ahorro de energía, realizado por una firma consultora en el edificio de servicios de Mexicana de Aviación ubicado en Guadalajara Jalisco. ANTECEDENTES Como resultado del Diagnóstico Energético realizado en el Edificio Administrativo de Mariano Otero ubicado en Guadalajara, Jalisco, que pertenece a Cía. Mexicana de Aviación, se propuso la instalación de un Sistema de Control Automático para los sistema de Aire Acondicionado y Alumbrado. El objetivo de este programa que se implementó es el de controlar los circuitos normales de alumbrado con base en horarios previamente acordados por el personal de mantenimiento, acordes a las necesidades del personal, sin sacrificar el confort y ni la seguridad, pero logrando el objetivo de hacer un uso eficiente y racional de la energía eléctrica por alumbrado. Por otra parte, se controlan las unidades manejadoras de aire (UMA) de cada piso por medio del registro de la temperatura en puntos estratégicos de cada piso y por medio, también de horarios previamente establecidos, de tal manera que las UMA´s solo operen cuando el horario y la temperatura lo demanden, obviamente, sin sacrificar el confort del personal. Por medio del software ASI Expert se tiene acceso a cada uno de los tableros de control ASIC, para monitorear y/o realizar ajustes a la programación de acuerdo con los cambios o necesidades que se vayan presentando.

Imagen 9. Sistema ASI implementado e Instalado


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Paralelamente, se instalaron medidores de parámetros eléctricos marca SATEC en la subestación principal, planta de emergencia y en la UPS, los cuales están comunicados y puede observarse la información generada por dichos equipos en la misma computadora del sistema de control para el ahorro de energía, por medio del software Power Com Plus. Adicionalmente se realizó una hoja de cálculo para el registro de los datos de los recibos eléctricos de cada mes, con el fin de ver la tendencia del comportamiento eléctrico, los costos y verificar que los ahorros se logren mes a mes. Los beneficios promedio hasta ahora obtenidos por la implementación de ese sistema de control ascienden aproximadamente a $12,992.00 promedio mensual que equivalen a $155,904 anuales. Otra medida en la que se detectó que habría una oportunidad de ahorro, es mediante la utilización de las plantas de “emergencia” eh horario punta, con el fin de que la demanda en ese periodo que nos factura CFE sea la menor posible, ayudándonos a obtener una demanda facturable menor. Esta medida funciona cuando teniendo la red normal presente, se puede arrancar la planta en forma manual (modo de prueba con carga) o automática por medio de la función del reloj programador semanal en horas y días preestablecidos, la planta arranca y el módulo controla la frecuencia del motor y la fase de la señal generada, para igualarla a la señal de la red normal, una vez que se cumplen los parámetros de la sincronía, el módulo envía señal de cierre al interruptor del generador en la unidad de transferencia, cerrando ambas fuentes simultáneamente por un periodo de tiempo preestablecido para efectuar el cambio de la carga de la fuente normal al generador, una vez que la carga ha sido transferida, se abre el interruptor de red normal, quedando la carga alimentada por la planta, la secuencia de retransferencia, se efectúa de la misma manera en forma programada y controlada pero en sentido inverso. El sistema de control, se encarga de proporcionar las señales de arranque, paro, control y protección de una planta generadora de energía eléctrica. Así mismo, realiza el monitoreo del voltaje de la red normal y del generador, incorporando sensores de voltaje totalmente configurables para alto y bajo voltaje, para ambas fuentes. Incluye todas las funciones necesarias de operación normal, con protecciones internas y externas, para aumentar la confiabilidad y seguridad del equipo y protección de la carga. Algunas ventajas que se obtuvieron con la implementación de esta medida son que se mejoró considerablemente el factor de utilización de la planta de emergencia.


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Aseguramos que la planta de emergencia siempre se encuentre en condiciones óptimas ya que de no haberlo implementado, la planta casi nunca habría sido utilizada, excepto cuando había un corte en el suministro. Se ha demostrado que con el ahorro económico se cubren los gastos por mantenimiento y combustibles necesarios y se obtiene además un ahorro monetario El conocer las variaciones de la demanda en el tiempo es muy importante para definir las posibilidades de mantener en un mínimo los valores de energía sin afectar el confort ó producción. Por otra parte nos permite identificar los desperdicios de energía que se pueden traducir en oportunidades de ahorro de energía eléctrica. Este ejemplo de un proyecto realizado por una empresa consultora, en Mexicana de Aviación, sirve para enfatizar que estos ahorros se pueden lograr fácilmente, sin tener que recurrir a una firma consultora, y evitar esos gastos, ya que como lo hemos mencionado, el procedimiento es muy similar para cualquiera que sea la empresa.


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2.9 CONCLUSIONES Como se ha visto, es muy amplia la gama de acciones que se pueden emprender en las instalaciones eléctricas para optimizar su funcionamiento y por lo tanto lograr ahorros en cuanto a consumos, reemplazo o reparación de equipos, maximizar la vida útil de componentes del sistema eléctrico y de la carga, y sobre todo, ahorrar dinero. Muchas de las acciones no requieren inversiones o la inversión es mínima. En muchas ocasiones, las inversiones pueden ser altas en un principio, pero su implementación permitirá ahorros inmediatos que en cuestión de meses o pocos años pagarán por sí solos las inversiones requeridas para la optimización. Una vez cumplido ese período de recuperación, el ahorro será permanente. La supervisión, control de consumos y de la demanda es muy útil e importante, ya que su control adecuado permite lograr ahorros que benefician al propio usuario, a la empresa suministradora, a otros usuarios y por supuesto, disminuir el costo por concepto de uso de energía. En la gran mayoría de los equipos eléctricos existen muchas versiones y marcas, entre las cuales generalmente es posible encontrar equipos con el máximo rendimiento en cuanto a funciones y consumo de energía, por lo que también es muy importante e interesante analizar este aspecto. Es muy significativo tener siempre presente que el ahorro de energía y la optimización de los sistemas eléctricos se logra, desde luego, realizando acciones e inversiones en cambios y mejoras en procesos; selección, reemplazo e instalación de equipos, etc., pero antes que nada, debe establecerse como un principio, como una actitud hacia buscar perfeccionar y mejorar cualquier parte de un sistema, de un equipo e inclusive, del personal y de uno mismo. La necesidad de una constante actualización es incuestionable y se han desarrollado áreas de especialidad, por lo que es prácticamente imposible que una sola persona y o un grupo pueda abarcarlo todo, por lo que el surgimiento de empresas de consultoría y de proyectos con los conocimientos de esos temas especializados se convierte en una herramienta muy valiosa que debe aprenderse a aprovechar y a entender, sin embargo los temas que aquí mencionamos, son temas relativamente fáciles de aplicar, para cualquier ingeniero aeronáutico, pues pensamos tenemos los conocimientos necesarios para poder aplicarlo en cualquier empresa que uno labore, sin tener que recurrir a contratar empresas consultoras y es aquí donde entra un valor agregado que obtenemos.


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CAPITULO 3 AHORRO DE ENERGÍA EN MOTORES ELÉCTRICOS DE INDUCCIÓN

3.1 INTRODUCCIÓN Si se analiza el perfil de los consumidores de energía a nivel nacional, aproximadamente el 70% son del tipo industrial; mientras que en la industria, entre el 55 y 60% del consumo de energía, se debe a los motores eléctricos. Los motores más comúnmente utilizados en la industria aeronáutica son del tipo inducción o rotor jaula de ardilla, debido a sus características tanto de operación, como constructivas. Por lo tanto, si ellos son los mayores consumidores de energía, es necesario analizarlos más a fondo, para determinar las variadas oportunidades de ahorro de energía que en ellos se pueden aplicar. La National Electrical Manufacter Association (NEMA) ha clasificado los motores de inducción de jaula de ardilla en seis clases identificadas con letras de A a la F. La denominación de cada letra esta encaminada a satisfacer las exigencias de cierta aplicación. Motores clase A Un motor clase A se considera estándar y es apropiado para aplicaciones de velocidad constante. El motor puede arrancar aplicando el voltaje especificado. Desarrolla un par de arranque de 125 a 175% del par a plena carga. La corriente de arranque al voltaje especificado es de cinco a siete veces la corriente especificada. El deslizamiento a plena carga es casi siempre menor de 5% debido a que la resistencia del rotor es relativamente baja. Las barras del rotor están colocadas cerca de la superficie de las laminaciones del rotor con objeto de reducir la reactancia de dispersión. Estos motores impulsan cargas de inercia baja y poseen aceleraciones altas. Se emplean en aplicaciones como ventiladores, sopladores, bombas centrifugas y maquinas – herramienta. Motores clase B Un motor clase B se considera de propósito general y se puede arrancar al voltaje especificado. La resistencia del rotor para un motor clase B en un poco mayor que para un clase A. Los conductores del rotor están colocados con mayor profundidad en las ranuras que las de un motor clase A. Por esto la reactancia en el rotor es mayor en el clase B, el incremento en la reactancia del rotor reduce el par de arranque pero un incremento en la resistencia del rotor aumenta el par de arranque. Así que el rango de par de arranque para un motor clase B es casi el mismo que para uno clase A debido al aumento de la resistencia, la corriente de


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arranque es aproximadamente de 4.5 a 5.5 veces la corriente a plena carga. La baja corriente de arranque y el par de arranque casi igual hacen que los motores clase B también sean apropiados para aplicaciones de la clase A. Por esto los motores clase B pueden sustituir a los de clase A en todas sus aplicaciones. Motores clase C Un motor clase C generalmente tiene un rotor de doble jaula y esta diseñado para arrancar con voltaje pleno. La resistencia elevada del rotor limita la corriente de arranque entre 3.5 y 5 veces la corriente a plena carga. El par de arranque es de 200 a 275% del par a plena carga. Los motores clase C se emplean en aplicaciones que requieren pares de arranque elevados, como trituradores, bandas transportadoras maquinaria textil y equipos para trabajar madera. Motores clase D Un motor clase D se caracterizas por su alta resistencia, capaz de desarrollar un par de arranque de 250 a 300% del par especificado. De acuerdo al diseño la corriente de arranque puede ser de tres a ocho veces la corriente especificada. La eficiencia de un motor clase D es menor que la eficiencia de los motores clases A, B y C. Estos motores se usan en aplicaciones como excavadoras, troqueladoras, estampadoras, equipo de lavandería y montacargas. Motores clase E Los motores clase E tienen un par de arranque bajo y operan con un bajo deslizamiento con la carga especificada. Estos motores pueden arrancar con el voltaje especificado. Motores clase F Un motor clase F generalmente es de doble jaula y es un motor de par bajo y de todos los motores, es el que necesita la corriente de arranque más baja. El par de arranque suele ser 1.25 veces el par especificado, en tanto que la corriente de arranque es de 2 a 4 veces la corriente nominal. Los motores de corriente alterna del tipo inducción ó rotor jaula de ardilla, del tipo B son los empleados con mayor frecuencia en la industria, además de que son los que podemos encontrar más comercialmente en alta eficiencia.


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3.2 Tipos de Motores Actualmente, existen una gran diversidad de motores utilizados dentro de la industria, sin embargo, todos ellos caen dentro de una clasificación de acuerdo a la corriente utilizada o el tipo de fabricación del motor. (Ver tabla 13) De acuerdo a la corriente que utilizan los motores se clasifican como de corriente alterna y de corriente directa. Por el tipo de fabricación, se clasifican como abiertos, cerrados, a prueba de goteo, a prueba de explosión, etc. Por el tipo de par, se clasifican como de alto o bajo par de arranque y par de arranque normal. Por su forma de operación, se clasifican como motores síncronos, asíncronos o de inducción, de rotor devanado, de alto deslizamiento, etc. Por la velocidad, se clasifican como de 2 polos, 4 polos, 6 polos, etc. Los motores más utilizados dentro de la industria es el motor asíncrono o más conocido como motor de inducción. Esto se debe a que su construcción es muy sencilla pero muy robusta, se adapta bien a marcha a velocidad constante, tiene pocos componentes y por lo tanto su costo de adquisición y de mantenimiento no son muy elevados.

Por tipo de corriente: De corriente directa De corriente alterna Universales

Por construcción: Abiertos

Cerrados A prueba de explosión

Por par desarrollado: Alto par de arranque

Bajo par de arranque Par de arranque normal

Por Velocidad: De 2 polos (3600 rpm)

De 4 polos (1800 rpm) De 6 polos (1200 rpm), etc.

Tabla 13. Tipos de motores


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3.3 Características Generales del Motor de Inducción Su nombre deriva de su principio de operación (Fig. 40), ya que el estator, que es donde se ubican los devanados, induce un voltaje en el rotor, debido a la acción de un campo magnético fluctuante. El rotor, está formado únicamente por láminas muy delgadas de acero al silicio, aisladas entre sí por barniz, por su similitud con las jaulas de las ardillas, este motor se conoce como motor con rotor jaula de ardilla. Al variar el valor del campo magnético, varía también el valor del voltaje inducido en el rotor, lo que provoca corrientes circulantes en el rotor y por lo mismo, campos magnéticos, que se van a oponer al campo que las genera, provocando con ello un par motriz y por lo tanto un movimiento giratorio del rotor. Entre el voltaje inducido en el rotor y el campo generado por el estator, existe un defasamiento, esto es lo que provoca la inducción de voltaje. Aunque el rotor sigue al campo magnético del estator, debe existir una diferencia porque de lo contrario no se produce la inducción y el rotor no gira.

Figura 40. Principio de operación de un motor de inducción


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3.4 Velocidad de Rotación de un Motor La velocidad con la que gira el campo magnético del estator (ns) se conoce como velocidad síncrona (o sincrónica) del motor y se deduce que dicha velocidad síncrona solo se puede cambiar si se modifica la frecuencia o el número de polos. La velocidad de giro de este campo magnético en revoluciones por minuto (r.p.m.), es:

pxfNs 120

=

Donde: f = Frecuencia de alimentación p = Número de polos del devanado del estator. En la tabla 15, se indica la velocidad síncrona de acuerdo al número de polos del motor para una frecuencia de alimentación de 60 Hz.

Numero de polos Velocidad Síncrona (RPM) 2 3600 4 1800 6 1200 8 900

Tabla 15. Velocidad Síncrona de Motores de Inducción

A esta diferencia entre la velocidad de sincronismo o del campo del estator y la velocidad del rotor se le denomina deslizamiento, y se expresa normalmente como porcentaje.

100*Ns

NrNss −=

Donde: s = deslizamiento Ns= velocidad de sincronismo Nr= velocidad real


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3.5 Par en los Motores de Inducción Existen varios tipos de motores, cada uno con características particulares que permiten obtener un servicio específico y en particular, el par es uno de los factores que los caracteriza. El término par del motor se refiere al torque desarrollado en el eje. El par motor se expresa y se mide en Newton-metro (Nm); un par de 20 Nm, es igual al esfuerzo de tracción de 20 Newtons, aplicado a un radio de un metro. Por otro lado, la potencia puede ser calculada si se conoce el torque requerido por el equipo, mediante la siguiente ecuación:

KxRPMNmTorqueHP )(

=

Donde: K es constante, 7,124 si T (Nm); 5,252 si T (pie-libra). Ejemplo: Si el torque requerido para un agitador es de 15 Nm, y se requiere una velocidad de 3,600 RPM, cuál será la potencia nominal del motor para satisfacer esta carga.

HPRPMNmHP 6.758.7124,7

)600,3(15≈==

Por lo tanto, un motor de 7.6 HP puede satisfacer dicha carga.


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Gráfica del par de un motor

Figura 41. Gráfica del par de un motor de inducción NEMA B

En donde: a: Par a rotor bloqueado o par de arranque b: Par de aceleración o par mínimo c: Par máximo d: Par nominal 3.5.1 Par a Plena Carga o Par nominal El par a plena carga es el necesario para producir la potencia de diseño a la velocidad de plena carga. El par a plena carga de un motor se toma como base, el par de arranque y el par máximo se comparan con él y se expresan en la forma de un cierto porcentaje del par a plena carga. (Ver fig. 41) 3.5.2 Par de Arranque El par de arranque o par a rotor bloqueado es el torque que el motor desarrolla cuando el motor está en estado de reposo y comienza a moverse. Es decir, es el par que el motor puede proporcionar cuando se energiza este para romper el reposo de la carga. (Ver fig. 41) 3.5.3 Par de Aceleración ó Par Mínimo Es el par mínimo disponible en el periodo de aceleración del motor. (Ver fig. 41)


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3.5.4 Par Máximo Es el máximo torque que desarrolla el motor, justo antes de frenarse por exceso de carga. Es usualmente expresado como un porcentaje del torque a plena carga. El par máximo de los motores ordinarios varía entre 1.5 y 3 veces del par de plena carga. (Ver fig. 41) 3.5.5 Características Par-Velocidad de Motores de Inducción Modificando el diseño de un motor tipo jaula de ardilla es posible controlar hasta cierto punto la corriente y el par de arranque. Dentro de las normas NEMA (National Electrical Manufacturers Association), estos diseños se han agrupado en cuatro clasificaciones principales: 1. Motores de par normal y corriente de arranque normal (diseño NEMA A). 2. Motores de par normal y baja corriente de arranque (diseño NEMA B). 3. Motores de alto par y baja corriente de arranque con doble jaula en el rotor (diseño NEMA C). 4. Motores de alto deslizamiento (diseño NEMA D.) El deslizamiento necesario para producir la fuerza que impulse la carga nominal del motor depende de las características de este. En general, cuanto mayor sea la corriente que toma el motor en el arranque tanto menor será el deslizamiento a carga plena y mayor será la eficiencia. Cuanto más baja sea la corriente de arranque, tanto mayor será el deslizamiento, y menor la eficiencia. El voltaje de alimentación, la corriente, el par, la velocidad y la impedancia del rotor están directamente relacionados entre sí. Al modificar la resistencia y la reactancia del rotor, también se modifican las características del motor, pero en el caso de un diseño dado de rotor, dichas características pueden considerarse fijas. Si se incrementa el voltaje de línea se reduce el deslizamiento, y lo contrario también es valido. En ambos casos, la corriente inducida en el rotor será suficiente para producir la fuerza de impulso de la carga. Una reducción en el voltaje de línea trae consigo un incremento en el calentamiento del motor; por el contrario, un incremento en el voltaje de línea reduce en el calentamiento, de forma que el motor puede soportar una carga mayor. Según el tipo de motor, el deslizamiento a plena carga puede variar entre 3 y 20%. La corriente de arranque (o a rotor bloqueado) y el par resultante son los factores que determinan si el motor puede ponerse en marcha conectándolo directamente a la línea de alimentación, o si es necesario reducir la corriente en el arranque a fin de obtener el funcionamiento requerido.


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Dependiendo del tipo de motor, la corriente a rotor bloqueado que toma un motor varía normalmente entre 2.5 y 10 veces el valor de su corriente a plena carga, pero existen motores con corrientes de arranque aun mayores. Un voltaje mayor que el normal incrementa la corriente de arranque a razón de un 12% por cada 10% de incremento en el voltaje, mientras que el par de arranque aumentara en un 20% por cada 10% que se incremente la tensión. Una disminución en el voltaje por debajo del normal traerá consigo efectos opuestos. En la figura 42 se muestra la curva de comportamiento del par de acuerdo con la velocidad, para diferentes tipos de motores NEMA.

Figura 42.Curvas par-velocidad para motores diseño NEMA A, B,C y D

3.6 Corriente Nominal de un Motor La corriente nominal indicada en la placa de un motor de inducción, se refiere a la corriente absorbida por el motor operando a plena carga. La intensidad de corriente de un motor trifásico puede calcularse fácilmente aplicando la siguiente formula:

..***3746*..

PFVPHIη

=


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Donde: I= corriente η = eficiencia del motor V= Voltaje entre fases FP= factor de potencia h.p.= caballos de potencia Como se puede observar, el factor de potencia es determinante para calcular la corriente del motor de inducción. 3.7 Componentes de un Motor Las partes principales de un motor (fig. 43) de inducción jaula de ardilla son las siguientes:

• Estator Donde se colocan los devanados del motor, esta parte no tiene movimiento y es donde se produce el campo magnético. Comúnmente se fabrica en acero colado y en su interior se colocan paquetes de láminas delgadas de acero al silicio, que es donde se alojan las bobinas para crear el campo magnético. La razón de utilizar acero al silicio es su alta permeabilidad al flujo magnético. Es decir, la facilidad de conducir el flujo, con lo que las perdidas de flujo se disminuyen considerablemente.

• Rotor Es la parte giratoria del motor, está formado por láminas delgadas de acero al silicio unidas con barras de aluminio y se coloca encima de la flecha del motor, que es la que trasmite el movimiento.

• Tapa anterior

Es la que cubre los devanados del estator y aloja el balero de carga del motor.

• Tapa posterior

Cubre también la parte posterior de los devanados del estator y aloja el balero posterior.


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• Cubierta del Ventilador

Cubre el ventilador de enfriamiento del motor.

• Baleros o Rodamientos Sirven para soportar a la flecha y transmitir el par motor sin fricción. Se denomina balero de carga el que se ubica hacía donde se transmite el movimiento y balero posterior al opuesto.

Figura 43.Componentes de un motor. 3.8 Eficiencia de un Motor Una característica fundamental de todo equipo eléctrico es su eficiencia, es decir, su capacidad para convertir en trabajo la energía que reciben. Básicamente un motor es una máquina que convierte la energía eléctrica en energía mecánica. Por lo tanto, es de suma importancia que la energía que recibe de la alimentación, se convierta en trabajo y se transmita en su totalidad a través del movimiento de la flecha del motor. Sabemos que lo anterior es imposible. Ya que durante la operación de cualquier equipo eléctrico, se produce pérdida de energía por diferentes conceptos.


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Para el caso de los motores eléctricos, en la actualidad se están fabricando motores denominados de alta eficiencia, con lo cual, los motores utilizados normalmente se les llama motores de eficiencia estándar. Estos motores de alta eficiencia, tienen un menor consumo de energía, para transmitir la misma potencia en su flecha que un motor de eficiencia estándar. Para poder hablar de alta eficiencia o eficiencia estándar, es necesario que definamos lo que es eficiencia y que es lo que provoca que esta disminuya o se incremente. La eficiencia de un motor se define como:

EntradadePotenciaSalidadePotenciaEficiencia

____

=

Los motores estándar tienen una eficiencia que varía entre el 80 y 90%, mientras que en los motores de alta eficiencia, esta varía entre 87 y 96%. La potencia entregada en la flecha por un motor nunca podrá ser igual a la potencia recibida en la alimentación, esto se debe a que durante el proceso de conversión se producen pérdidas de energía. 3.8.1 Definiciones de la Eficiencia del Motor La palabra eficiencia, aplicada a motores, debe definirse adecuadamente. Enseguida se presenta parte de la terminología empleada en la actualidad. Eficiencia nominal (o eficiencia media esperada). Valor promedio obtenido al probar una gran cantidad de motores de la misma marca y modelo. Cada uno de los motores puede diferir bastante del valor medio, por lo cual dicho parámetro no es confiable para realizar cálculos económicos. Eficiencia mínima garantizada. Valor que el fabricante garantiza que alcanzan o exceden todos sus motores de una potencia dada. Al evaluar diferentes motores deben compararse estos valores mínimos, con el objeto de obtener cifras de costos que sean confiables. Debe tenerse cuidado de no comparar valores mínimos con valores nominales, promedios o valores no garantizados. Uno o dos puntos porcentuales de error en el valor de eficiencia pueden significar a la larga miles de pesos de diferencia en ahorro durante la vida del motor.


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3.8.2 Pruebas Estándar para Determinar la Eficiencia del Motor Es importante que las comparaciones de eficiencias de motores sean hechas usando una metodología uniforme para las pruebas. No existe un método estándar para determinar la eficiencia de los motores. Las pruebas más comúnmente utilizadas son: • IEEE 112-1984 (Estados Unidos) • IEC 34-2 (Comisión Electrotécnica Internacional) • JEC –37 (Comité Electrotécnico Japonés) • BS –269 (Asociación de Estándar Canadiense) • ANSI C50.20 igual que IEEE 112 (Estados Unidos) Casi todos los fabricantes de Estados Unidos prueban la eficiencia de los motores de 1 a 125 HP con dinamómetro, conforme a la norma IEEE 112-1984, método B. Con ello se logra la consistencia de los datos por informar. La norma IEEE contiene cinco métodos para determinar la eficiencia. En el método A se emplea un freno mecánico ajustable para cargar al motor con el par deseado. En el método B la máquina se carga por medio de un dinamómetro para medir la potencia mecánica a la salida. En el método C se utilizan dos motores idénticos acoplados directamente y conectados a dos fuentes de energía eléctrica, una de ellas ajustables en voltaje y frecuencia para producir la carga deseada. Los métodos E y F se conocen como métodos de pérdidas segregadas, y dependen de mediciones y cálculos (método E) o solamente de cálculos basados en el circuito equivalente del motor (método F). 3.8.3 Determinación de Eficiencia (Normas NEMA) Las variaciones normales en materiales, procesos de manufacturas y pruebas de motores dan por resultado una amplia gama de valores de eficiencia para una gran población de motores del mismo diseño. Tomando esto en consideración se estableció la norma NEMA MGI-112.53b, basada en la curva normal de distribución estadística (de Gauss), en la cual se supone que para un diseño determinado la mitad de los motores estarán por encima y la otra mitad por debajo del valor medio o nominal de la eficiencia. El fabricante debe determinar la eficiencia por el método B de la norma IEEE-112 modificada por la NEMA MGI-12.53 a y b, y estampar posteriormente una letra índice o de código en la placa de datos que indique tanto la eficiencia nominal


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como la eficiencia mínima que puede esperarse de cualquier motor de este diseño. 3.9 Pérdidas en un Motor Son muy variadas las pérdidas que ocurren dentro de un motor eléctrico de corriente alterna (Tabla 16), sin embargo básicamente se pueden clasificar como sigue: a) Pérdidas magnéticas o pérdidas en el hierro. También se denominan pérdidas en el núcleo y se producen al variar la dirección de la corriente alterna, con lo que las moléculas del acero se magnetizan en direcciones opuestas sesenta veces en un segundo. Esta energía perdida se manifiesta en forma de calor. También se denominan pérdidas por histéresis. Una manera de disminuirlas es la utilización de acero al silicio en lugar de acero al carbono y también se disminuyen considerablemente utilizando acero al silicio de grano orientado y mejorando las técnicas de fabricación. También se producen pérdidas por corrientes parásitas o corrientes de eddy, ya que como se mencionó anteriormente, el flujo magnético induce voltajes en el rotor, provocando corrientes circulantes las que al encontrar la resistencia del acero, que es muy grande, provoca calentamiento. Estas pérdidas se pueden reducir haciendo más finas las laminaciones del estator y el rotor y aislando mejor entre si dichas láminas o incrementando el tamaño del núcleo, con lo que la densidad de flujo disminuye y con ello también las pérdidas. b) Pérdidas en los devanados o pérdidas eléctricas. Estas pérdidas se producen por efecto joule, es decir, por efecto i²r, que se produce por la corriente al pasar por el alambre de los devanados, estas representan aproximadamente el 60% del total de las pérdidas en el motor. Para reducir las pérdidas por efecto joule, es necesario incrementar la sección transversal del conductor de los devanados, ya que como se sabe, el efecto piel hace que la mayoría de los electrones se transporten por la superficie del conductor, que es la parte menos densa y menos caliente, con lo que al aumentar dicha superficie las pérdidas disminuyen. En los motores de alta eficiencia, generalmente los devanados utilizan mayor cantidad de cobre.


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c) Pérdidas por fricción y ventilación. La energía empleada por el motor para vencer la fricción en los rodamientos y la oposición del aire por el ventilador que proporciona el enfriamiento al motor, se denominan pérdidas por fricción y ventilación y se clasifican como pérdidas mecánicas. Los motores de alta eficiencia utilizan baleros antifricción y ventiladores con aspas de diseño mejorado, así como también aletas del estator mejoradas para ofrecer menos oposición al aire suministrado por el ventilador. Estas pérdidas pueden alcanzar valores hasta del 8% del total de las pérdidas del motor. d) Pérdidas indeterminadas. Se producen por las variaciones de flujo, provocadas a su vez por desbalanceo de corriente en la alimentación del motor. Estas pérdidas pueden llegar a ser de hasta el 14% del total de las pérdidas del motor. Una manera de reducirlas es vigilar la fabricación de las laminaciones y el acomodo de las mismas. De manera genérica, las perdidas se dividen en dos grandes grupos:

1) Pérdidas Fijas o que no dependen de la carga, como las pérdidas en el hierro o magnéticas y las perdidas por fricción y ventilación.

2) Pérdidas Variables o que dependen de la carga, como las pérdidas en los

devanados, pérdidas en el rotor y las pérdidas indeterminadas. De todo lo anterior se observa, que para el caso de los motores de alta eficiencia, se tiene especial cuidado en reducir las pérdidas en el motor, pero como consecuencia de ello se incrementa el costo de dichos motores, ya que emplean materiales de mejor calidad, estatores más grandes, mayor cantidad de cobre en los devanados, rodamientos especiales, acero de mayor calidad, diseños nuevos en sus componentes, etc. Sin embargo, la aplicación de un motor de alta eficiencia comparativamente con uno de eficiencia estándar es bastante atractiva económica y técnicamente y la diferencia entre la inversión inicial para instalar un motor de alta eficiencia en lugar de uno estándar se amortiza generalmente de manera rápida, con periodos de recuperación que no exceden de 24 meses, si es que el motor está bien seleccionado.


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Pérdidas Valores Típicos

% Elementos Factores que las

afectan Magnéticas 15 al 25 Estator y Rotor Calidad y Cantidad

del Acero Eléctricas 15 al 40 Estator y Rotor Calibre y Calidad

de Conductor de los Devanados

Mecánicas 5 al 15 Ventilador externo, Ventilador interno,

Rodamientos

Diseño y calidad de Materiales

Indeterminadas 10 al 20 Rotor, Estator, Ventilador, etc.

Diseño y Fabricación

Tabla 16. Porcentajes de las Pérdidas en los Motores del Tipo Inducción

3.10 Determinación Práctica de la Eficiencia de un Motor Anteriormente se mencionaron métodos para medir la eficiencia de motores, sin embargo, estos métodos se utilizan para motores nuevos, es decir, motores prototipo, sin embargo, para cuestiones de diagnósticos energéticos o evaluaciones de motores, es necesario saber como se comportan en cuanto a eficiencia, pero no se pueden ni quitar de la máquina accionada, ni colocarle frenos u otros equipos de medición. Para calcular la eficiencia de un motor se utilizan básicamente dos formas: El Método del Deslizamiento y El Método de la Eficiencia Ajustada a) Método del Deslizamiento. Usando un multímetro, un tacómetro y un factorímetro, se puede medir el voltaje, la corriente, la velocidad en r.p.m. y el factor de potencia del motor para un motor bajo condiciones normales de operación. El deslizamiento del motor, puede ser usado para estimar la potencia de salida o entregada a la carga y consecuentemente la eficiencia del motor. A partir del deslizamiento calculamos la eficiencia del motor de la siguiente manera:

Carga del motor = NpNss−

Potencia de salida = Carga del motor x Potencia nominal del motor


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Para calcular la eficiencia;

EntradadePotenciaSalidadePotenciaEff

⋅⋅⋅⋅

=.*746.0

Por ejemplo: La velocidad síncrona de un motor de 25 HP en 4 polos es de 1800 r.p.m., la velocidad de placa de acuerdo al fabricante es de 1750, la velocidad medida por medio de un tacómetro es de 1770 r.p.m. y la potencia demandada o de entrada del motor es de 13.1 KW. Entonces: Ns = 1800 Nr = 1770 Np = 1750 HP de placa = 25 KW medidos = 13.1 Deslizamiento = 1800-1770= 30 r.p.m.

Carga del motor = 5030

1750180030

=−

= 0.6

HP de salida = 0.6 x 25 =15

Eficiencia del motor = 100*1.13

15*746.0 = 85 %

La técnica del deslizamiento para determinar la carga y la eficiencia del motor no debe ser usada con motores reembobinados o que no están operando al voltaje de diseño. Es necesario hacer notar que esta técnica no proporcionara resultados muy precisos en campo, sin embargo para efectos prácticos de mediciones esta técnica es una buena alternativa para evaluar la eficiencia. b) Método de la Eficiencia Ajustada. Para este método, también es necesario medir los principales parámetros eléctricos del motor, tales como Potencia activa en Kw, Voltaje entre fases, Corriente entre fases, Factor de potencia y la Distorsión armónica. Con estos valores y con ajustes de acuerdo a cálculos, se determina la eficiencia a la que se encuentra trabajando realmente el motor en cuestión.


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Este método se basa en evaluar los factores que afectan la eficiencia de un motor y en base a ello afectar la eficiencia de placa por estos ajustes y determinar la eficiencia de trabajo.

EFICIENCIA DE MOTORES TOTALMENTE CERRADOS CON VENTILACION EXTERIOR

2 POLOS 4 POLOS POTENCIA H.P. Eficiencia

estándar Alta eficiencia Eficiencia

estándar Alta eficiencia

5 86.2 89.5 87.5 90.2 7.5 87.3 91 88.5 91.7 10 88 91.7 89.4 91.7 15 89.2 91.7 90.2 92.4 20 90 92.4 90.9 93 25 90.6 93 91.4 93.6 30 91.2 93 91.9 94.1 40 91.7 93.6 92.4 94.5 50 92.1 94.1 92.7 94.5 60 92.5 94.1 93 95 75 92.8 94.5 93.3 95.4

100 93.8 95 94.3 95.4 125 94 95.4 94.5 95.4 150 94.5 95.4 94.8 95.8 200 94.5 95.8 95 96.2 250 95 95 95.3 95.4 300 95 95.4 95.5 95.8 350 95 95.4 95.5 95.8 400 95.1 95.4 95.5 95.8 500 95.3 95.8 95.6 95.8

Tabla 17. Eficiencias de motores Estándar y Alta Eficiencia


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3.10.1 Factores que afectan la eficiencia de un motor Variación de voltaje El voltaje de alimentación del motor debe mantenerse lo mas cercano posible al valor indicado en placa, cuando esto no sucede se dice que el motor opera con diferencia de voltaje.

Figura 44. Variación de la eficiencia con el voltaje

- Motor con sobrevoltaje Un motor con sobre voltaje provoca una reducción en la eficiencia, disminuye el factor de potencia y se incrementa la corriente de arranque, ya que las corrientes magnetizantes se incrementan exponencialmente. - Motor con bajo voltaje Un motor con bajo voltaje provoca mayor consumo de corriente para compensar la potencia solicitada por el par, se incrementa el factor de potencia, pero el motor se sobrecalienta, si se dañan prematuramente los asilamientos del motor, disminuye su vida útil.


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El par de arranque de un motor de inducción es proporcional al cuadrado del voltaje, por lo que al disminuir el voltaje el par también disminuye.

CARACTERISTICA 110% DEL VOLTAJE 90% DEL VOLTAJE

Par al arranque 21% de incremento 19% de decremento Velocidad a plena carga % de deslizamiento

1% de incremento 17% de decremento

Baja 1.5 % Sube 23%

Eficiencia a plena carga 75% de carga 50% de carga

Aumenta a 0.5 a 1 punto Ligero cambio Decrece 1 a 2 puntos

Baja 2 puntos Ligero cambio Sube 1 a 2 puntos

Factor de potencia a plena carga 75% de carga 50% de carga

Disminuye 3 puntos Disminuye 4 puntos Disminuye 5 a 6 puntos

Sube 1 punto Sube 2 a 3 puntos Sube 4 a 5 puntos

Corriente al arranque Corriente a plena carga

Sube 10 a 12% Disminuye 7%

Disminuye 10 a 12% 11% de incremento

Temperatura Disminuye 3 a 4 grados Se incrementa 6 a 7 grados

Capacidad de sobrecarga máxima

21% de incremento Disminuye 19%

Ruido Magnético Ligero incremento Ligera disminución

Tabla 18. Cambios en las características de operación de motores de inducción variando el voltaje de alimentación

Desbalanceo de voltaje Cuando los voltajes de alimentación varían entre si, la eficiencia del motor se disminuye en forma notable a medida que aumenta dicho desbalanceo. Esto se debe a que el voltaje desbalanceado produce un correspondiente flujo magnético de secuencia negativa que ocasiona una corriente desbalanceada, cuyo valor es mayor al que circularía en condiciones normales. Estas corrientes de secuencias negativas crean torques que se oponen al torque normal del motor, provocando vibraciones y en algunos casos fallas catastróficas. La fase que conduzca la mayor corriente, el porcentaje en que se incrementara la temperatura es aproximadamente proporcional a dos veces el cuadrado del porcentaje del desequilibrio de voltaje.


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Figura 45. Variación de la eficiencia con el desbalanceo de voltaje

Factor de carga Los motores eléctricos tienen curva de comportamiento de eficiencia de acuerdo al factor de carga al que están operando. Esta curva la define en el diseño el fabricante. Es necesario solicitar al fabricante esta curva para poder evaluar a un motor. Para realizar ejemplos prácticos tomaremos como base de evaluación la siguiente curva de eficiencia de un motor de inducción típico. (Figura 46) En caso de que no se contara con la curva de eficiencia de un motor pero se conocieran ciertos datos, es decir diferentes valores de carga por ejemplo al 25, 50, 75 y 100 % se podría hacer una interpolación de acuerdo a la siguiente ecuación.

Factor de interpolación = 21

1FCFCFCxFC

−−


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Donde: FC1 es el factor de carga superior conocido FC2 es el factor de carga inferior conocido FCx es el factor de carga al que se encuentra trabajando el motor. Se debe de contar con los valores de eficiencias para cada valor de carga, de esta forma se podrá obtener el factor de ajuste que es igual a la siguiente ecuación.

Y = Y1 – Factor de interpolación * (Y1-Y2)

Donde: Y es la eficiencia actual Y1 es la eficiencia al valor superior Y2 es la eficiencia al valor inferior

Figura 46. Variación de la eficiencia con la carga


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Reembobinado del motor Siempre que un motor se reembobina, aunque se realice en un taller de calidad, se produce una disminución en la eficiencia del motor, ya que sus elementos se ven sometidos a sobrecalentamiento, golpes, sobre-esfuerzos mecánicos, mala calidad de las refacciones, etc.(Figura 47) Se puede asegurar que cuando un motor se repara en un taller adecuado, su eficiencia disminuye de 1 hasta 2%, mientras que si se realiza en un taller de mala calidad, puede disminuir hasta un 6%, sin embargo, es común que se considere un 3% de disminución de eficiencia por cada reembobinado realizado al motor.

Figura 47. Variación de la eficiencia por reembobinados


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3.11 Motores de Alta Eficiencia. Las necesidades actuales obligan al uso eficiente de la energía eléctrica. Entre las diferentes formas del uso racional de la energía existe la posibilidad de la sustitución de motores eléctricos con baja eficiencia o estándar, por motores de alta eficiencia. El motor eléctrico es un dispositivo que convierte energía eléctrica en energía mecánica giratoria, de la energía total utilizada por el motor, las perdidas son considerables ya que estas ocupan de un 5 a un 25 % de la energía y la parte restante es ocupada para la realización del trabajo. Es por esto, que es necesario la utilización de equipos mucho más eficientes que reduzcan las perdidas tanto eléctricas como mecánicas. Los factores que hay que tomar en cuenta para que un motor eléctrico sea de alta eficiencia son el diseño y fabricación del motor. El ahorro de energía eléctrica que se puede obtener de los motores es mediante la reducción de sus perdidas y esto se puede lograr en el diseño, buscando desde su fabricación que este sea lo más eficiente posible. Cuando se diseña un motor y se requiere hacerlo de alta eficiencia se debe recurrir a la optimización de los materiales, es decir, se debe de realizar lo siguiente: - Usar acero con mejores propiedades Para reducir las pérdidas por histéresis y de corrientes parásitas, empleando un acero con un alto grado de silicio y también con acero de grano orientado. - Laminaciones más delgadas Para reducir aun mas las perdidas de histéresis y corrientes parásitas, empleando un espesor de 0.457 mm en lugar del típico de 0.559. - Aumentar el calibre del conductor Las perdidas I²R se reducirán considerablemente. Para compensar el aumento en el tamaño de la ranura y la correspondiente del acero activo, el núcleo del motor debe aumentarse esto reduce la densidad de flujo y mejora el factor de potencia, obteniéndose así algunos beneficios adicionales. - Mejorar el diseño de las ranuras Las perdidas I²R en el rotor se reducen al rediseñar la ranura del rotor para incrementar la sección del conductor; al hacer esto la velocidad aumenta ligeramente.


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- Mejorar el sistema de aislamiento del motor Para reducir las perdidas de corrientes entre barras de las ranuras del rotor, se tratan las laminaciones con un aislamiento inorgánico a base de fosfato de zinc de alta temperatura antes de fundir el rotor. - Los rodamientos de la flecha del rotor deben ser de mejor calidad, antifricción y de larga duración. - Diseño del ventilador de enfriamiento eficiente, al reducirle peso con materiales ligeros y optimizando su diseño para que oponga menor resistencia al aire. - Aluminio de mejor calidad en el rotor, con lo que se mejora el par y las pérdidas por I²R. También se reduce la distancia del entrehierro, con lo que el flujo de dispersión se reduce y con ello las perdidas de flujo magnético. En la carcasa, también se mejoran las aletas de enfriamiento, con lo que se hace más eficiente la operación del motor. La caja de conexiones también es ligeramente mayor, para mejorar las conexiones y evitar puntos calientes. Cabe mencionar, que al incrementar el tamaño del hierro, el motor de alta eficiencia es ligeramente más grande hacia atrás, pero en la base las dimensiones son las mismas que un motor de eficiencia estándar. Sin embargo, si va a substituirse un motor, es necesario asegurarse que no se tendrán problemas para el montaje del nuevo motor de alta eficiencia. También al incrementarse el tamaño del cobre utilizado en los devanados, la corriente de arranque del motor de alta eficiencia se incrementa ligeramente, por lo que se recomienda verificar los ajustes del relevador de protección del arrancador del motor. La tabla 19 muestra la eficiencia nominal a plena carga para motores de alta eficiencia.


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MOTORES CERRADOS MOTORES ABIERTOS Potencia Nominal

kW

Potencia Nominal

H.P. 2 Polos

4 Polos

6 Polos

8 Polos

2 Polos

4 Polos

6 Polos

8 Polos

0.746 1.119 1.492 2.238 3.730

1 1.5 2 3 5

75.5 82.5 84.0 85.5 87.5

82.5 84.0 84.0 87.5 87.5

80.0 85.5 86.5 87.5 87.5

74.0 77.0 82.5 84.0 85.5

75.5 82.5 84.0 84.0 85.5

82.5 84.0 84.0 86.5 87.5

80.0 84.0 85.5 86.5 87.5

74.0 75.5 85.5 86.5 87.5

5.595 7.460 11.19 14.92 18.65

7.5 10 15 20 25

88.5 89.5 90.2 90.2 91.0

89.5 89.5 91.0 91.0 92.4

89.5 89.5 90.2 90.2 91.7

85.5 88.5 88.5 89.5 89.5

87.5 87.5 88.5 89.5 90.2

88.5 89.5 91.0 91.0 91.7

88.5 90.2 90.2 91.0 91.7

88.5 89.5 89.5 90.2 90.2

22.38 29.84 37.30 44.76 55.95

30 40 50 60 75

91.0 91.7 92.4 93.0 93.0

92.4 93.0 93.0 93.6 94.1

91.7 93.0 93.0 93.6 93.6

91.0 91.0 91.7 91.7 93.0

91.0 91.7 92.4 93.0 93.0

92.4 93.0 93.0 93.6 94.1

92.4 93.0 93.0 93.6 93.6

91.0 91.0 91.7 92.4 93.6

74.60 93.25 111.9 149.2 186.5

100 125 150 200 250

93.6 94.5 95.0 95.4 95.4

94.5 94.5 95.0 95.0 95.0

94.1 94.1 95.0 95.0 95.0

93.0 93.6 93.6 94.1 94.5

93.0 93.6 93.6 94.5 94.5

94.1 94.5 95.0 95.0 95.4

94.1 941 94.5 94.5 95.4

93.6 93.6 93.6 93.6 94.5

223.8 261.1 298.4 335.7 373

300 350 400 450 500

95.4 95.4 95.4 95.4 95.4

95.4 95.4 95.4 95.4 95.8

95.0 95.0 95.0 95.0 95.0

94.5 94.5 94.5 94.5 94.5

95.0 95.0 95.4 95.8 95.8

95.4 95.4 95.4 95.8 95.8

95.4 95.4 95.4 95.4 95.4

94.5 94.5 94.5 94.5 94.5

Tabla 19. Eficiencia Nominal a Plena Carga para motores de Alta Eficiencia (NOM

-016-ENER-2002))


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Figura 48. Grafica de características de motores

3.12 SELECCIÓN ADECUADA DE MOTORES. Cuando se va a utilizar un motor ya sea nuevo o por substitución, es conveniente contar con especificaciones. Una buena especificación del motor logrará el mejor comportamiento de acuerdo a todas las características que la operación exija. También es conveniente determinar desde la compra las características requeridas a los componentes, tal como: armazón, carcaza, diseño del rotor, rodamientos, clase de aislamiento, etc. Algunos datos que es conveniente tener antes de seleccionar un motor son:

• Potencia del motor y factor de servicio • Temperatura de operación y clase de aislamiento • Carga inercial y número de arranques esperados • Torque de arranque • Tipo de carcasa • Voltaje de operación • Eficiencia • Tipo de montaje (armazón)


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Es importante especificar los requerimientos de los motores, tales como: protección térmica, espacio de calefacción (para prevenir condensación de vapores). 3.12.1 Tipo de Carcasa Para el tipo de carcasa se debe considerar información sobre el medio ambiente:

• Corrosivo o no corrosivo • Altitud • Temperatura ambiente • Niveles de humedad • Peligroso o no peligroso

Existen muchos tipos de carcasas, dependiendo de la aplicación del motor de se elige la más adecuada, algunas de las más comunes son: 3.12.1.1 Carcasa Abierta a) Usos Generales: Las aperturas para ventilación permiten el paso del aire exterior para enfriamiento, sobre y alrededor de los devanados del motor. b) Abierto Aprueba de Goteo: Las aberturas para ventilación están construidas de modo que no haya interferencia en el funcionamiento impidiendo la entrada de líquidos o sólidos en un ángulo de 0 a 15 grados hacia abajo desde la vertical. c) Resguardado o Protegido: Las aberturas que dan acceso directo a partes vivas (energizadas) o rotatorias (excepto los ejes lisos) están limitadas en tamaño por el diseño de las partes estructurales o por pantallas, mallas, etc., para evitar el contacto accidental con las partes giratorias o eléctricas. d) A Prueba de Salpicaduras: Este es un motor abierto en el cual la ventilación impide la entrada de líquido o sólidos a cualquier ángulo menor de 100 grados hacia abajo de la vertical. 3.12.1.2 Carcasa Totalmente Cerrada a) Usos Generales: Es un motor cerrado para evitar el libre intercambio de aire entre la interior y exterior de la cubierta, pero no es hermético. b) Totalmente Cerrado Sin Ventilación: Es un motor totalmente cerrado el cual no esta equipado para ser enfriado por medios externos. c) Totalmente Cerrado con Ventilación Exterior: Es un motor totalmente cerrado con un ventilador para soplar aire a través de la carcasa externa. Esto son comúnmente utilizados en atmósferas; corrosivas, sucias y polvosas.


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d) A Prueba de Explosión: Es un motor totalmente cerrado, diseñado y construido para impedir una ignición de gas o vapor alrededor de la máquina por chispas provocadas por esta, dentro de la máquina impidiendo que salgan fuera de la carcasa. e) Con Devanados Encapsulados: Es un motor abierto en el cual el devanado esta cubierto con un revestimiento, de material fuerte (resinas) para proporcionar protección contra la humedad, suciedad y contra substancias abrasivas. f) Para Frecuencia Variable (Inverter Duty): Los fabricantes de motores realizaron cambios de diseño para optimizar los motores para poder utilizarse con variadores de frecuencia. Los motores están diseñados para recibir la potencia con una onda senoidal de 60 Hz, sin embargo, los variadores de frecuencia no entregan una onda senoidal perfecta ya que estos generan una cierta cantidad de distorsión de armónicos. Por esta razón, muchos fabricantes producen líneas de motores para uso con variadores de frecuencia para torque constante o variable, con ventilación fija o enfriamiento mediante ductos externos. Sobre todo es importante verificar en motores que operan a carga constante y baja velocidad, que el enfriamiento que reciba el motor sea el adecuado de acuerdo al tipo de aislamiento del motor. g) Motores Para Ambientes Especiales: La gran mayoría de fabricantes de motores tienen modelos de motores adecuados para ambientes altamente corrosivos, ambientes sucios, a prueba de agua (lavables), inclusive a chorro de agua. Sin embargo todos ellos caen dentro de la clasificación de motores cerrados. 3.12.2 Clase de Aislamiento Los tipos de aislamiento están clasificados por la NEMA, de acuerdo a la máxima temperatura permisible en operación, se presentan en la tabla 20.

CLASE Máxima temperatura permisible °C

A 105 B 130 F 155 H 180

Tabla 20. Clasificación de Aislamientos de motores


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La temperatura máxima del motor se determina al restar la temperatura ambiente aceptada como normal para el diseño de la mayor parte de los motores que es de 40ºC y la temperatura máxima permisible. Cuando se reemplace un motor por otro se debe considerar al menos el mismo aislamiento o uno mejor. Generalmente cuando se comete el error de remplazar un motor y utilizar un aislamiento con menor temperatura permisible, el resultado es la falla prematura del motor. Por cada 10ºC arriba de la temperatura permisible la vida del motor puede disminuir a la mitad. 3.12.3 Temperatura de Ambiente El valor normal de la temperatura de ambiente o ambiental (TA) que se considera al diseñar un motor es de 40ºC. Si el motor debe operar a una TA superior a dicho valor, la elevación de temperatura deberá reducirse conforme a las expresiones de la tabla 21. En las expresiones de la tabla mencionada, TA es la temperatura de ambiente real. Por ejemplo, un motor con factor de servicio unitario y aislamiento clase B, que debe trabajar a una temperatura ambiente de 50 ºC, su elevación de temperatura (la cual normalmente podría ser de 80 ºC) tendrá que reducirse a:

ET= 0.9 x (130 – 50) = 72 ºC

Elevación de Temperatura Permisible A. Para motores con factor de servicio de 1.10

Con Aislamiento B 0.9 (130 - TA) Con Aislamiento F 0.9 (155 - TA)

B. Para motores con factor de servicio de 1.15 Con Aislamiento B 0.9 (140 –TA) Con Aislamiento F 0.9 (165 – TA)

Tabla 21. Reducción por temperatura ambiente de la ET de un Motor Eléctrico

3.12.4 Altura Sobre el Nivel del Mar (Derating) Además de considerar un valor máximo para la temperatura de ambiente a la que va a operar el motor, debe tenerse en cuenta también la máxima altitud (o altura sobre el nivel del mar, ASM) a la que funcionará, y que se supone de 1000m. Generalmente no se corrigen valores para ASM menores de 1000 m, aunque se recomienda hacer en casos especiales. La mayoría de los motores nema B, puede suponerse que la temperatura de operación del motor es directamente proporcional a la elevación de temperatura del aire de enfriamiento.


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3.12.5 Letras De Código a Rotor Bloqueado de Motores Las letras de códigos de motores NEMA que están sobre la placa del motor, indican la potencia aparente (kVA) en el arranque o a rotor bloqueado de un motor, en la tabla 22 se indican los kVA al arranque por HP de acuerdo al código del motor (tabla NEMA MG 1–10.37).

Letras de código NEMA kVA al Arranque por HP A 0.00 – 3.14 B 3.15 – 3.54 C 3.55 – 3.99 D 4.00 – 4.49 E 4.50 – 4.99 F 5.00 – 5.59 G 5.60 – 6.29 H 6.30 – 7.09 J 7.10 – 7.99 K 8.00 – 8.99 L 9.00 – 9.99 M 10.00 – 11.19 N 11.20 – 12.49 P 12.50 – 13.99 R 14.00 – 15.99 S 16.00 – 17.99 T 18.00 – 19.99 U 20.00 – 22.39 V 22.40 -

Tabla 22. Numero de Arranques por hora de un motor

3.13 SISTEMAS DE ARRANQUE DE MOTORES DE INDUCCIÓN. Tipos de arranque de motores. Es de gran importancia que durante la selección del sistema electromotriz, se elija el arrancador apropiado para el motor y el tipo de carga a mover, ya que esto afectará de manera drástica la operación, confiabilidad, vida útil, necesidad de mantenimiento y eficiencia del sistema. Existen varias formas de arranque de motores, las que se clasifican en dos divisiones principales. Arranque a Tensión Plena y Arranque a Tensión Reducida, para elegir una de ellas, es necesario tomar en cuenta las necesidades de par de la carga.


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3.13.1 Arranque a Tensión Plena (Directo a la Línea) Las normas NEMA para los diferentes diseños de motores de inducción establecen valores mínimos del par de arranque que el motor debe desarrollar en función del par nominal. En dichos valores se considera que el arranque del motor se efectúa conectándolo directamente a la línea de alimentación; es decir, aplicando el 100% del voltaje nominal a las terminales del motor o, en otras palabras, se proporciona arranque directo al motor. El procedimiento anterior es aceptable en motores de baja capacidad, pero puede ser omitido en motores de 10 o 15 HP en adelante, toda vez que la corriente que toma el motor será del orden del 500 o 600% de la nominal, llegando incluso a ser de hasta 11 veces la corriente nominal del motor; lo que además de producir una caída de voltaje momentánea en toda la red de alimentación puede provocar daños al equipo acoplado o al motor mismo. Por otra parte, las empresas de suministro eléctrico limitan en ocasiones la potencia máxima de un motor que puede arrancar directamente (por conexión directa a la línea), con lo cual se hace necesario elegir un método alternativo para cualquier motor que exceda dicha potencia. 3.13.2 Arranque a Tensión Reducida Cuando el motor es mayor de cierta potencia, por ejemplo 15 HP en 230 Volts y 30 HP en 440 Volts, no es conveniente el arranque directo por conexión simple a la red, ya que ocasiona problemas de estabilidad al sistema. Para estos casos, pueden considerarse varias opciones a fin de realizar el arranque a tensión reducida. En todos estos métodos se considera el hecho de que en términos prácticos la corriente de arranque se reduce en forma directamente proporcional al voltaje y el par de arranque que se reduce en proporción directa al cuadrado del decremento de voltaje. Los métodos más conocidos son:

1) Con resistencia en serie 2) Con reactancia en serie 3) Con auto transformador 4) Con cambio estrella - delta 5) Con devanado parcial 6) Estado Sólido (arranque suave)

Aunque existen estos métodos y algunos otros, describiremos únicamente los más usuales, que son:


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3.13.2.1 Arranque con Auto Transformador Este método es el más utilizado en la práctica. El autotransfomador de arranque puede estar construido con dos bobinados conectados en delta abierta (o V), como se indica en la figura 49, o con tres bobinados conectados en estrella, como en la figura 50. En ambos casos, los devanados del compensador se conectan directamente a la red de alimentación, y tienen derivaciones que permiten aplicar a las terminales del motor de cierto porcentaje de la tensión de línea.

Figura 49. Autotransformador de Arranque en conexión Delta Abierta

Figura 50. Autotransformador de Arranque en Conexión Estrella

Los autotransformadores normalmente tienen varias derivaciones que permiten elegir una tensión de arranque entre 50, 65 y 80% de la línea.


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Para efectuar el arranque del motor se cerrarían los contactos “a” en las figuras 49 y 50, con lo cual el motor quedará conectado a un porcentaje de la tensión de línea seleccionado de antemano. Pasado cierto tiempo, generalmente 10 segundos, una vez que el motor hubiese alcanzado su velocidad nominal se abrirán los contactos “a” y se cerrarán los “m”, con lo que el autotransformador queda fuera del circuito y el motor estará conectado directamente a la línea. El circuito de control esta previsto para evitar que, en caso de una interrupción momentánea, el motor pueda volver a arrancar conectando directamente a la tensión plena. Examinando el circuito puede advertirse una de las principales ventajas de este arrancador, es decir, sise selecciona la derivación correspondiente a un 50% de la tensión de línea, la corriente de arranque del motor se reduce también aproximadamente al 50% del valor a tensión plena, pero la mitad de esta corriente la proporciona el autotransformador por transformación, y la mitad restante es suministrada directamente de la línea de alimentación. Lo anterior significa que la corriente de la línea se reduce a la cuarta parte del valor nominal, lo que es equivalente a una reducción en la corriente de arranque proporcional al cuadrado de la reducción en voltaje. Cabe agregar que la reducción en el par de arranque, utilizando un autotransformador es también proporcional al cuadrado de la reducción en el voltaje. 3.13.2.2 Arranque por Conexión Estrella - Delta Algunos motores pueden cambiar sus conexiones durante el arranque y durante la operación, sin embargo debe solicitarse así al fabricante. Generalmente este tipo de motores viene en máquinas de propósito definido. Estos motores durante el arranque se conectan en estrella por medio de contactores y durante la marcha se conectan en delta. Mediante este cambio de conexión, cada fase del devanado recibirá solamente entre 50 a 60% del voltaje nominal, lo que equivale a efectuar el arranque reduciendo la tensión al 57.7% de la nominal. Por otra parte, el cambio de delta a estrella significa que la corriente de línea será igual a la corriente de fase, lo que se traduce en una reducción total de la corriente de línea de 0.577x 0.577= 0.333, o sea al 33.3% de la nominal. Lo anterior equivale a decir que en este tipo de arrancador tanto la corriente como el par de arranque se reducen también en forma proporcional al cuadrado de la reducción de voltaje.


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Figura 51. Ejemplo de Arranque con conexión Estrella – Delta Esto se ilustra cuantitativamente en la figura 51, tomando como base un motor de 15 HP, seis polos, 460 Volts, 60 Hz cuya corriente de arranque a tensión nominal es de 100 Amperes. Como puede apreciarse en la figura 2.28, el mismo número de bobinas que en la parte (a) estaban conectadas a un voltaje de 460 Volts quedan conectadas según la parte (b) a una tensión de 265.6 Volts, por lo que la corriente que en (a) era de 57,7 Amperes en cada fase se reduce en (b) de manera proporcional al voltaje aplicado, a sólo 33.3 Amperes, y esta misma intensidad de corriente es la que debe entregar la línea de alimentación. De este modo se reduce la corriente de línea de 100 a 33.3 Amperes. Para poder emplear este sistema de arranque es necesario desde luego que el motor este diseñado para operación en delta (y que se especifique al fabricante que el arranque será en estrella (Y); de este modo, todas las terminales del devanado deben quedar accesibles. Además debe considerarse que el par disponible es solo la tercera parte del nominal, y que podría no ser suficiente para acelerar la carga en un tiempo razonable. Hay que indicar asimismo que la transición de una conexión a otra puede provocar una corriente transitoria de gran intensidad a menos que se agregue una reactancia en serie para limitar dicha corriente. 3.13.2.3 Arrancador en Estado Sólido Se denomina también arrancador electrónico o arrancador suave. Este tipo de arrancador, utiliza electrónica de potencia, para realizar el arranque del motor de manera suave, sin picos de corriente, no provoca transitorios de voltaje, evita el sobre esfuerzo en los equipos accionados, la rampa de arranque y frenado es ajustable.


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Tiene ajuste para pico de torque y cuenta con contactores para desconectar los SCR´s una vez que el motor alcanza la velocidad y torque nominal, aunque algunos modelos mantienen los SCR´s conectados y cuando censan que la corriente demandada es muy baja, activan una función denominada “ahorro de energía” y alimentan la mínima corriente al motor, con lo que el consumo se reduce. Algunas características de estos equipos son:

• Valores de ajuste de corriente de arranque del 100% al 400% • Control de torque de arranque • Aceleración y desaceleración suave • Frenado controlado por rampa de tiempo • Arranque controlado por rampa de tiempo • Protección por sobrecarga ajustable de 50% a 400% de la corriente

nominal Las ventajas de operación como ya se mencionaron son:

• Proporciona Arranque y frenado suave. • Evita picos de corriente y potencia • Evita sobre - esfuerzos en equipos motrices y mecánicos asociados • Proporciona ahorros de energía y demanda

Tipo de arranque % de Voltaje % de Corriente % de Par Con Resistencia en

serie 80 80 64

Con Reactancias en serie

80 80 64

Con Autotransformador 80 64 64 Conexión Estrella Delta 100 33 33 Con Devanado Parcial 100 65 75

Tabla 23. Comportamiento del motor de inducción con distintos tipos de arranque

a tensión reducida

Derivación (% del voltaje nominal)

Corriente de Arranque (% de la corriente nominal)

Par de Arranque (% del par nominal)

80 64 64 65 42.2 42.2 50 25 25

Tabla 24. Comportamiento del motor con Arranque por Autotransformador

conectado a distintos valores de voltaje


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3.14 Operación Intermitente de un Motor (en ciclos) Un método de ahorro de energía y disminuir la demanda consiste en apagar los equipos que trabajan a baja carga o en vacío. Esta acción también mejora el factor de potencia general de la instalación, lo cual a su vez mejora la eficiencia total del sistema. Los ahorros de energía que se logren deben ponderarse contra la posible reducción en la vida útil del motor y del arrancador. La guía para determinar el número máximo de arranques se presenta en la publicación MG-10 de la NEMA, Energy Managment Guide for Selection and Use of Polyphase Motors, suministra los datos para efectuar esos cálculos en motores de diseños NEMA A y NEMA B. El máximo número de arranques por hora y mínimo tiempo de paro para motores de 1800 RPM, diseño B para algunas potencias se indican en la tabla 25.

Capacidad del motor (Hp)

Numero Máximo de arranques por hora

Mínimo de tiempo de paro (segundos)

5 16.3 42 10 12.5 46 25 8.8 58 50 6.8 72 100 5.2 110

Tabla 25. Numero de arranques por hora de un motor


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3.15 Mediciones Eléctricas Es de fundamental importancia conocer los parámetros eléctricos de un motor eléctrico, antes de proceder a avaluarlo como posible oportunidad de ahorro de energía. Ya que de estas mediciones dependerá el determinar si dicho motor es candidato viable para ahorrar energía. Mientras más sofisticado es el equipo de medición, más confiables son las mediciones y es más sencillo seleccionar y determinar si el motor analizado tiene oportunidad de ser sustituido, reemplazado, reubicado, etc. Sin embargo, según se van sofisticando los equipos de medición, su costo se va incrementando llegando algunos pueden llegar a costar hasta veinte mil dólares. Un analizador de redes sencillo monofásico puede tener un costo aproximado de dos mil dólares y un trifásico de cuatro a seis mil dólares. Las mediciones que son necesarias obtener para la correcta evaluación de los motores, son instantáneas por fase y trifásicas de:

• corriente (amperes) • voltaje (volts) • factor de potencia (cos ø) • potencia aparente (kva) • potencia reactiva (kvar) • potencia activa (kw) • factor de distorsión (%)

Para esto se recomienda utilizar preferentemente analizadores de redes trifásicos, para obtener la mayor información posible acerca de los parámetros de operación de los motores y demás equipo eléctrico.


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3.16 Metodología y Criterios de Selección de los Equipos a Medir a)

Se deben realizar mediciones de parámetros eléctricos en los transformadores para determinar las condiciones de carga de estos y de la planta en general.

Estas mediciones se deben de realizar como mínimo de 24 horas para cada transformador. Con estas mediciones podemos saber si el voltaje que llega a los motores es adecuado, si es necesario ajustar taps, etc. b)

Simultáneamente a las mediciones, se debe de recopilar el diagrama unificar elemental de la planta.

c)

El siguiente paso es levantar un censo completo de los motores de la planta, apoyándonos en los diagramas unifilares.

d)

Mediciones en Motores. Para realizar un diagnóstico confiable es primordial medir los parámetros eléctricos en los motores. No es posible hacer el estudio suponiendo que los motores están trabajando al 100% de carga puesto que, generalmente los motores están sobredimensionados. Además, la eficiencia disminuye en estos casos y puede afectar considerablemente los cálculos de ahorro y por lo tanto, los tiempos de amortización. Para llevar a cabo un estudio profundo de los ahorros que pueden alcanzar por la instalación de variadores de velocidad; es necesario medir durante 24 horas el comportamiento de la carga, para analizar detalladamente la variación de la misma respecto al tiempo, sin embargo sería totalmente impráctico medir en todos los motores de una planta, pues pueden llegar a ser cientos, por lo que de acuerdo con la información recopilada del censo y más específicamente las horas de operación, podemos ir eliminando algunos motores. Con dichas mediciones se busca identificar motores con baja nivel de carga, baja eficiencia, con desbalanceo de voltaje, desbalanceo de corriente, para con base en ello, determinar los motores susceptibles de sustitución por baja eficiencia, sobredimensionamiento, reubicación por sobrecarga, aplicación de inversores, o detectar alguna otra recomendación que no implique inversión, pero que ayude a optimizar la utilización de los sistemas electromotrices e incrementar con ello la productividad.


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Además de las mediciones tanto, en transformadores como en motores, se debe recabar toda la información particular de cada proceso, que pase desapercibida para los niveles gerenciales, pero que el operador posea, como el caso de la forma de arrancar el proceso, paros por fallas, mantenimiento a los equipos, sobrecalentamiento de los sistemas, etc. Esta información es de vital importancia para realizar aplicaciones de mejoras a los procesos, cambiar rutinas de arranque, etc. 3.17 METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN DE MOTORES 3.17.1 Introducción Como se menciono antes, la eficiencia de un motor está dada por la relación de potencia entregada al sistema entre la potencia demandada de la línea, es decir, la potencia de salida entre la potencia de entrada. La Metodología de Evaluación para saber como se encuentra operando actualmente un motor y definir la mejor solución para ahorrar energía, ya sea substituirlo por otro de alta eficiencia, reubicarlo, desconectarlo en horario punta, etc., se basa en determinar cual es la eficiencia real a la que se encuentra operando el motor evaluado y compararla con la eficiencia de placa o de tablas, para saber cual es su demanda en Kw y cuanta energía consume en exceso, comparado con un motor de alta eficiencia, para poder evaluar los ahorros por estos conceptos y definir los periodos de recuperación de la inversión por dicha substitución o medida de ahorro que se quiera evaluar. Es decir, es necesario ajustar la eficiencia el motor, por eso se denomina esté, Método de la Eficiencia Ajustada. Y básicamente se evalúa el comportamiento del motor afectado por los siguientes factores, de los cuales se hablo anteriormente: A) Factor de Carga Los motores alcanzan su máxima eficiencia cuando están cargados alrededor del 85% y esta disminuye en cuanto el factor de carga aumenta o disminuye. Un motor sin carga tendrá una eficiencia de 0 ya que no entrega ninguna potencia al sistema. El estado que guarda el motor afecta también a su eficiencia, por ejemplo, rodamientos en muy mal estado harán que el motor demande mas potencia para efectuar el mismo trabajo.


113

B) Diferencia de Voltaje Trabajar con voltajes distintos al nominal, además de afectar su vida útil, por dañar los aislamientos, afecta la eficiencia del motor. C) Desbalanceo de Voltaje Más dañino que la diferencia de voltaje es el desbalanceo, ya que provoca incrementos de corriente en las fases desbalanceadas y además de disminuir drásticamente la eficiencia del motor, pueden provocar la falla prematura del mismo. D) Reembobinado Como ya se mencionó, en la industria mexicana se encuentran miles de motores instalados que han sido reembobinados. Los procesos y técnicas de reembobinado de la mayoría de los talleres de reparación de motores son de muy baja calidad y nunca serán iguales a aquellos procesos controlados del fabricante del motor. De forma práctica, consideraremos una disminución de eficiencia en los motores reembobinados de 3% cada vez que se reembobina. Así un motor que ha sido reembobinado 2 veces tendrá como eficiencia máxima un 94.09% de la eficiencia de placa. 3.18 Metodología de Evaluación La metodología consiste en determinar, de acuerdo con las mediciones realizadas y los cálculos adecuados, la eficiencia real a la que se encuentran trabajando los motores, cuantificando la disminución de la eficiencia a los diferentes parámetros antes mencionados. Y con base en esto, evaluar la viabilidad técnica y económica de la sustitución del motor en cuestión, por otro ya sea igual o menor, pero de alta eficiencia. Se evalúan también, la disminución en demanda y consumo, y los ahorros respectivos, para con esto determinar el tiempo de amortización de la inversión necesaria, para dicha sustitución. Por todo lo mencionado anteriormente, es indispensable hacer las mediciones correspondientes.

• voltaje entre fases • voltaje trifásico • potencia demandada actual • corriente por fase


114

Una vez obtenidos los datos anteriores es posible determinar los factores que afectan a la eficiencia nominal determinando primeramente: 3.18.1.- FACTOR DE CARGA El factor de carga se determina midiendo la potencia real entre la nominal. Debido a que es prácticamente imposible medir la potencia real entregada. El factor de carga se calcula dividiendo la potencia real demandada entre la potencia nominal demandada.

Factor de Carga = 100

arg

x

acplenaaEficienciaplacadePotencia

MedidaPotencia

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅⋅⋅

⋅⋅⋅

Sin embargo la potencia nominal demandada hay que calcularla ya que la potencia nominal a la que se refieren los fabricantes de motores es la potencia que el motor puede entregar y no la demandada. Sabemos que la potencia nominal entregada se ve afectada en relación a la demandada únicamente por la eficiencia. La potencia nominal demandada será entonces:

motordelEficienciaentregadaalnoPotenciademandadaPotencia

⋅⋅⋅⋅

=⋅⋅min

3.18.2.- DIFERENCIA DE VOLTAJE Y la diferencia de voltaje actual sobre el nominal se calcula de acuerdo con:

Diferencia de Voltaje = 1001 xplacadeVoltaje

medidoVoltaje⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

⋅⋅⋅

3.18.3.- DESBALANCEO DE VOLTAJE: El desbalanceo de voltaje se calcula de la siguiente manera:

% Desb. de voltaje = 100Pr

PrRe.. xomedioVoltaje

omedioVoltajealspectoDifMáx⋅

⋅⋅⋅⋅⋅

Donde la Máxima diferencia al voltaje promedio es: Max Dif. = Voltaje Máximo-Voltaje Promedio ó Voltaje Promedio-Voltaje Mínimo, lo que resulte mayor.


115

Conociendo estos porcentajes, recurrimos a las gráficas correspondientes y determinamos el factor de ajuste por factor de carga, desbalanceo y diferencia de voltaje.


116

3.19 ANALISIS DE CASOS PRACTICOS 3.19.1 Ejemplo 1: Descripción. Sustitución de un motor de eficiencia estándar de una bomba de torre de enfriamiento del aeropuerto de Cancún por un motor de alta eficiencia de igual capacidad. a) Acción concreta Se propone el reemplazo del motor estándar de 75 h.p. del ventilador de la torre de enfriamiento, por un motor de 75 h.p. del tipo alta eficiencia. b) Descripción y Antecedentes El motor del ventilador de la torre, se encuentra trabajando con baja carga, ha sido rebobinado 2 veces y se encuentra trabajando con bajo voltaje, por lo que no opera a la eficiencia apropiada. Este motor opera de manera continua, por lo que consideramos 360 días, es decir trabaja 8,640 horas al año. Datos de placa del motor: Motor marca IEM de 75 h.p. 1772 rpm 220 volts Eficiencia 88% Valores medidos:

PARAMETRO VALOR

Voltaje de alimentación V. promedio = 205.6 Volts (206/206/204.7)

Demanda del motor 36.7 kW CALCULOS

A) Calculo de factor de carga:

F.C. =

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅⋅⋅⋅⋅⋅

motordelEficienciamotordelPotenciamotordelDemanda


117

F.C. = ( )⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

88.0746.0..75

7.36ph

kW = 0.5773

F.C. = 57.73%

B) Calculo de la diferencia de voltaje

Diferencia de voltaje = 1001min

xalnoVoltaje

promedioVoltaje⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅⋅

Diferencia de voltaje = 1001220

6.205 x⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

Dif. de voltaje = - 6.56 %

C) Calculo del desbalanceo de voltaje

% Desb. de voltaje = 100xpromedioVoltaje

promedioaldiferenciaMaxima⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅

⋅⋅⋅

La máxima diferencia al promedio se calcula como: Max. dif. = ( )promedioVoltajeimoVoltaje ⋅−⋅max

ó ( )imoVolatjepromedioVoltaje min⋅−⋅ lo que resulte mayor. por lo que:

% Desb. de voltaje = ( ) 1006.205

6.205206 x⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ − = 0.19 %

% Desb. de voltaje = ( ) 1006.205

7.2046.205 x⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ − = 0.43%


118

AJUSTES DE EFICIENCIA

a) Ajuste por Factor de carga De acuerdo con la grafica del comportamiento de la carga de un motor típico, verificamos la eficiencia a la que trabaja el motor evaluado.

Por lo que de acuerdo con ella tenemos, que el motor se encuentra operando al 57.73 % es decir el factor de ajuste es de 0.97

b) Ajuste por Diferencia de voltaje Según la diferencia entre el voltaje de placa y el voltaje real de operación, existe también una disminución en la eficiencia, la que se calcula basándose en una curva de variación de eficiencia de acuerdo con la diferencia de voltaje.


119

Para el motor evaluado y de acuerdo con la grafica, tenemos: Factor de ajuste por diferencia de voltaje de 0.993

c) Ajuste por Desbalanceo de voltaje Al igual que con la diferencia de voltaje, al existir desbalanceo de voltaje entre fases, existe una disminución de eficiencia de acuerdo con la grafica, por lo que tenemos:

El factor de ajuste por desbalanceo de voltaje es de 0.99

d) Ajuste por Reembobinados Como el motor evaluado ya fue reembobinado 2 veces y se considera un factor de ajuste de 3% por cada rebobinado, tenemos que el factor de ajuste es de: 0.97 x 0.97 = 0.9409 Los valores de ajuste antes descritos, se utilizan tanto para el motor actualmente instalado, como para el motor de alta eficiencia, si es que no se pueden corregir los valores de voltaje para estar mas cerca de los nominales; pero sin considerar el factor de ajuste por rebobinado para el motor nuevo. Factor de ajuste total = Factor de ajuste por factor de carga x Factor de ajuste por diferencia de voltaje x Factor de ajuste por desbalanceo de voltaje x Factor de ajuste por Reembobinados.


120

Es decir: - Factor de ajuste total = 0.97 x 0.993 x 0.99 x 0.9409 = 0.8972 Por lo que la eficiencia ajustada es: Eficiencia ajustada = Eficiencia del motor actual x Factor de ajuste total Es decir: - Eficiencia ajustada = 0.88% x 0.8972 = 78.95% Potencia en flecha = Demanda del motor x Eficiencia ajustada Es decir: - Potencia en flecha = 36.7 kW x 0.7895 = 28.97 kW Cuando se va sustituir un motor existente por otro de mayor o menor capacidad, la potencia en la flecha, es necesario dividirla entre 0.85, para que el nuevo motor a seleccionar trabaje siempre lo mas cercano al 85% de carga, es decir; en la forma mas eficiente posible.

Se propone un motor de = ..5068.45746.0

..108.3485.0

97.28 phkWphkWkW

≈=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

Nota: Otra de las cosas a considerar en el reemplazo de un motor es que no debe de afectar el proceso, el motor que se propone no logra el par suficiente para no afectar el proceso en el que se ve involucrado así que aunque lo ideal para un incremento mas notable en el ahorro de energía eléctrica seria un motor de 50 H.P.´s, se tendrá que sustituir por un motor que iguale el par del motor actual para no afectar el proceso, uno de 75 H.P.. Aunque el motor sea de la misma potencia al ser de alta eficiencia como ya se menciono anteriormente el ahorro de energía eléctrica es notable. La eficiencia de un motor de 75 h.p. de alta eficiencia de iguales características al actualmente instalado, es de 94.1% a plena carga. Eficiencia ajustada del motor de alta eficiencia = Eficiencia teórica x Factor de ajuste total sin ajuste por reembobinado Nota: esto solo si no se pueden hacer los cambios de voltaje. Eficiencia ajustada del motor de alta eficiencia = 94.1% x 0.9535 = 89.73 %


121

Por lo que para el caso del motor de alta eficiencia, para entregar 28.97 kw requiere demandar:

Potencia demandada del nuevo motor = ajustadanuevaEficiencia

entregadaPotencia⋅⋅

⋅

Potencia demandada del nuevo motor = 8973.097.28 kW = 32.28 kW

DETERMINACIÓN DE AHORROS Considerando tarifa HM región central, septiembre de 2005. El ahorro en demanda es de = demanda del motor actual – demanda del nuevo motor - Ahorro en demanda = 36.7 – 32.28 = 4.414 kW El ahorro en $ al año = 4.414 kW x $112.66 x 12 meses = $ 5,967.37 pesos Mientras que el ahorro en consumo es de: - Ahorro en consumo = 4.414 kW x 8,640 h/año = 38,137 kWh Factores de utilización anual por cada periodo

Base Intermedio Punta 0.33 0.576 0.094

Por los que los ahorros por cada periodo del día son: - Ahorro en kW/h en base = 0.33 x 38,137 kW/h = 12,585 kW/h Ahorro en $ en base = 12,585 kW/h x $0.5687 Kw/h = $7,157.10 pesos - Ahorro en kW/h en intermedio = 0.576 x 38,137 kW/h = 21,967 kW/h Ahorro en $ en intermedio = 21,967 kW/h x $0.6810 kW/h = $14,959.53 pesos - Ahorro en kW/h en punta = 0.094 x 38,137 kW/h = 3,585 kW/h Ahorro en $ en punta = 3,585 kW/h x $2.0325 kW/h = $7,631.39 pesos


122

AHORROS TOTALES: Ahorro total en consumo = $7,157.10 + $14,959.53 + $7,631.39 = $29,748.02 Ahorro total por demanda = $ 5,967.37 AHORRO TOTAL POR ESTE MOTOR = $35,715.39 MONTO DE LA INVERSIÓN Para implementar esta medida de ahorro se requiere de la siguiente inversión. Costo del motor de alta eficiencia de 75 h.p. = $37,700.00 pesos Nota: debido a que se cuenta con personal de mantenimiento, no se consideran gastos de instalación. PERIODO DE AMORTIZACION DE LA INVERSIÓN Por recuperación simple, tenemos:

Tiempo de retorno = anualAhorrototalCosto⋅⋅

Es decir:

Tiempo de retorno = 39.715,35$00.700,37$ = 1.05 años ≈13 meses


123

3.19.2 Ejemplo 2: Descripción. Sustitución de un motor de eficiencia estándar de un sistema de bombeo de agua para un conjunto de cisternas en constante operación. a) Acción concreta Se propone el cambio del motor estándar de 150 h.p. del sistema de bombeo por un motor de 150 h.p. del tipo alta eficiencia. b) Descripción y antecedentes El motor del sistema de bombeo, ha sido rebobinado 3 veces y se encuentra trabajando con alto voltaje, por lo que no opera a la eficiencia apropiada. Este motor opera de manera continua, por lo que consideramos 360 días, es decir trabaja 8,640 horas al año. Datos de placa del motor: Motor marca ABB de 150 h.p. 1800 rpm 220 volts Eficiencia 91% Valores medidos:

PARAMETRO VALOR

Voltaje de alimentación V. promedio = 228.1 Volts (226.9/228.6/228.6)

Demanda del motor 101 kW CALCULOS

D) Calculo de factor de carga:

F.C. = ( )⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

91.0746.0..150

101ph

kW = 0.821

F.C. = 82.1%


124

E) Calculo de la diferencia de voltaje


1.228 x⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

Dif. de voltaje = 3.68 %

F) Calculo del desbalanceo de voltaje

% Desb. de voltaje = ( ) 1001.228

1.2286.228 x⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ − = 0.21 %

% Desb. de voltaje = ( ) 1001.228

9.2261.228 x⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ − = 0.52%


e) Ajuste por Factor de carga

El motor se encuentra operando al 82.1 % es decir el factor de ajuste es de 1


125

f) Ajuste por Diferencia de voltaje


g) Ajuste por Desbalanceo de voltaje



126

h) Ajuste por Reembobinados El motor fue reembobinado 3 veces y se considera un factor de ajuste de 3% por cada rebobinado, tenemos que el factor de ajuste es de: 0.97 x 0.97 x 0.97 = 0.912673 - Factor de ajuste total = 1 x 0.994 x 0.987 x 0.912673 = 0.8954 - Eficiencia ajustada = 0.91% x 0.8954 = 81.48% - Potencia en flecha = 101 kW x 0.8148 = 82.29 kW


..181.9685.0

29.82 phkWphkWkW

≈=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

Nota: El motor que se propone no logra el par suficiente para no afectar el proceso en el que se ve involucrado así que se tendrá que sustituir por un motor igual con el par del motor actual para no afectar el proceso, uno de 150 H.P.. Aunque el motor sea de la misma potencia al ser de alta eficiencia como igual que el ejemplo anterior, el ahorro de energía eléctrica es notable. Eficiencia ajustada del motor de alta eficiencia = 95% x 0.9810= 93.20 % Por lo que para el caso del motor de alta eficiencia, para entregar 82.29 kw requiere demandar:



127

DETERMINACIÓN DE AHORROS Considerando tarifa HM región central, septiembre de 2005. El ahorro en demanda es de = demanda del motor actual – demanda del nuevo motor - Ahorro en demanda = 101 – 88.29 = 12.70 kW El ahorro en $ al año = 12.70 kW x $112.66 x 12 meses = $ 17.171.13 Mientras que el ahorro en consumo es de: - Ahorro en consumo = 12.70 kW x 8,640 h/año = 109,739.137 kWh Factores de utilización anual por cada periodo


Por los que los ahorros por cada periodo del día son: - Ahorro en kW/h en base = 0.33 x 109,739 kW/h = 36,213.91 kW/h Ahorro en $ en base = 36,213.91kW/h x $0.5687 Kw/h = $20,594.85 - Ahorro en kW/h en intermedio = 0.576 x 109,739 kW/h = 63,209.74 kW/h Ahorro en $ en intermedio = 63,209.74 kW/h x $0.6810 kW/h = $43,045.83 - Ahorro en kW/h en punta = 0.094 x 109,739 kW/h = 10,315.47 kW/h Ahorro en $ en punta = 3,585 kW/h x $2.0325 kW/h = $20,966.21 AHORROS TOTALES: Ahorro total en consumo = $84,606.90 Ahorro total por demanda = $17,171.13 AHORRO TOTAL POR ESTE MOTOR = $101,778.03


128

MONTO DE LA INVERSIÓN Para implementar esta medida de ahorro se requiere de la siguiente inversión. Costo del motor de alta eficiencia de 150 h.p. = $62,000.00 Gastos de instalación = 30% costo del motor = $18,600.00 Costo TOTAL = $80,600.00 PERIODO DE AMORTIZACION DE LA INVERSIÓN Por recuperación simple, tenemos:

Tiempo de retorno = 03.778,101$00.600,80$ = 0.79 años ≈ 9.5 meses


129

3.19.3 Ejemplo 3: Descripción. Sustitución de un motor de eficiencia estándar que mueve un compresor que alimenta una red de aire comprimido para herramientas neumáticas en un taller aeronáutico. a) Acción concreta Se propone el cambio del motor estándar de 100 h.p. por un motor de 30 h.p. del tipo alta eficiencia. b) Descripción y antecedentes El motor que mueve el compresor, ha sido rebobinado 3 veces y se encuentra trabajando con alto voltaje, por lo que no opera a la eficiencia apropiada. Este motor opera de manera continua, por lo que consideramos 360 días, es decir trabaja 8,640 horas al año. Datos de placa del motor: Motor marca Baldor de 100 h.p. 1800 rpm 220 volts Eficiencia 88% Valores medidos:

PARAMETRO VALOR

Voltaje de alimentación V. promedio = 227.5 Volts (226.9/227.2/228.6)

Demanda del motor 13 kW CALCULOS

G) Calculo de factor de carga:

F.C. = ( )⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

88.0746.0..100

13phkW = 0.1533

F.C. = 15.33%


130

H) Calculo de la diferencia de voltaje


5.227 x⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

Dif. de voltaje = 3.43 %

I) Calculo del desbalanceo de voltaje

% Desb. de voltaje = ( ) 1006.228

5.2276.228 x⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ − = 0.45 %

% Desb. de voltaje = ( ) 1005.227

9.2265.227 x⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ − = 0.29 %


i) Ajuste por Factor de carga

El motor se encuentra operando al 15.33 % es decir el factor de ajuste es de 0.86


131

j) Ajuste por Diferencia de voltaje


k) Ajuste por Desbalanceo de voltaje



132

l) Ajuste por Reembobinados El motor fue reembobinado 3 veces y se considera un factor de ajuste de 3% por cada rebobinado, tenemos que el factor de ajuste es de: 0.97 x 0.97 x 0.97 = 0.912673 - Factor de ajuste total = 0.7676 - Eficiencia ajustada = 69.85% - Potencia en flecha = 9.08 kW


..168.1085.0

08.9 phkWphkWkW

≈=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

Nota: Se determino que el motor actual se encuentra sobredimensionado para el proceso que realiza, no es requerido tanto par para la aplicación deseada. Para que el torque de la propuesta del motor de 15 h.p. no se vea faltante proponemos un motor que no exceda ni tenga faltante de par para el proceso, consideramos que un motor de 30 h.p. puede cubrir las necesidades a las que se someta. Como se propone un motor con menor potencia se debe recalcular el factor de carga y hacer su ajuste pertinente.

F.C. =

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅

motornuevodelEficienciamotornuevodelPotenciaactualmotordelDemanda

F.C. = ( )⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

917.0746.0..30

13ph

kW = 0.5326

F.C. = 53.26%


133

Ajuste por Factor de carga del nuevo motor

El motor se encuentra operando al 53.26 % es decir el factor de ajuste es de 0.96 Eficiencia ajustada del motor de alta eficiencia = 86.09% Por lo que para el caso del motor de alta eficiencia, para entregar 9.08 kw requiere demandar:



134

DETERMINACIÓN DE AHORROS Considerando tarifa HM región central, septiembre de 2005. El ahorro en demanda es de = demanda del motor actual – demanda del nuevo motor - Ahorro en demanda = 13 – 10.54 = 2.45 kW El ahorro en $ al año = 2.45 kW x $112.66 x 12 meses = $ 3,315.31 Mientras que el ahorro en consumo es de: - Ahorro en consumo = 2.45 kW x 8,640 h/año = 21,187.85 kWh Factores de utilización anual por cada periodo


Por los que los ahorros por cada periodo del día son: - Ahorro en kW/h en base = 0.33 x 21,187.85 kW/h = 6,991.99 kW/h Ahorro en $ en base = 6,991.99kW/h x $0.5687 Kw/h = $3,976.35 - Ahorro en kW/h en intermedio = 0.576 x 21,187.85 kW/h = 12,204.20 kW/h Ahorro en $ en intermedio = 12,204.20 kW/h x $0.6810 kW/h = $8,311.06 - Ahorro en kW/h en punta = 0.094 x 21,187.85 kW/h = 1,991.65 kW/h Ahorro en $ en punta = 1,991.65 kW/h x $2.0325 kW/h = $4,048.05 AHORROS TOTALES: Ahorro total en consumo = $16,335.46 Ahorro total por demanda = $ 3,315.31 AHORRO TOTAL POR ESTE MOTOR = $19,650.77


135

MONTO DE LA INVERSIÓN Para implementar esta medida de ahorro se requiere de la siguiente inversión. Costo del motor de alta eficiencia de 150 h.p. = $20,000.00 Gastos de instalación = 30% costo del motor = $ 6,000.00 Costo TOTAL = $26,000.00 PERIODO DE AMORTIZACION DE LA INVERSIÓN Por recuperación simple, tenemos:

Tiempo de retorno = 77.650,19$00.000,26$ = 1.3 años


136

3.20 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. Conclusiones. Es sumamente rentable realizar substituciones de motores de eficiencia estándar por motores de alta eficiencia y la metodología de evaluación es relativamente sencilla. Sin embargo, consideramos que lo más importante antes de iniciar un proyecto de ahorro de energía, es profundizar tanto en el conocimiento de los motores eléctricos y equipos asociados, como el conocimiento de los procesos que estos mueven. Para poder, en base a ello, evaluar de manera sencilla y sin complicaciones; las oportunidades más adecuadas para procurar un uso más eficiente de la energía eléctrica y con ello un ahorro en el pago de la misma Comentarios y Recomendaciones. Durante la instalación, revisión, cambio de motores en la planta, recomendamos que se tomen en cuenta las condiciones de instalación de los motores, ya sea nuevos o reparados, para que con esto, se obtenga siempre la máxima eficiencia de dichos motores, ya sea del tipo estándar o de alta eficiencia. Es conveniente también hacer algunas recomendaciones para la compra de los Motores de Alta Eficiencia. - Un motor de alta Eficiencia, tiene valores de eficiencia determinada, en base a normas. - Además, la denominación Alta Eficiencia se refiere a valores de eficiencia que el motor debe cumplir de acuerdo con tablas de Normas, por lo que ningún fabricante puede denominar a su motor como de alta eficiencia, si no cumple con estos valores. -También debe tomarse en cuenta que para el caso de las eficiencias indicadas por los fabricantes, saber si son eficiencias mínimas garantizadas o eficiencias nominales. - Para con esto, poder evaluar de una manera más real el costo beneficio de la substitución de un motor de alta eficiencia en lugar de instalar un motor estándar o reembobinar un motor fallado, así como otras medidas de ahorro de energía. Esto, con el fin de poder comparar los precios de los distintos fabricantes, ya que algunas veces existen diferencias considerables entre fabricantes.


137

- Los datos mostrados en las fichas técnicas de las evaluaciones de los motores, deben indicar los valores de eficiencia de los motores de alta eficiencia propuestos y precio de los fabricantes participantes, por lo que deben tomarse como referencia estas fichas, para la compra del motor, además de que serán avaladas por los mencionados fabricantes. - Por lo tanto, es de particular importancia, solicitar a los fabricantes, catálogos e información técnica que avalen las eficiencias de los motores ofertados, ya que generalmente entre fabricantes existen diferencias en valores de eficiencia y es recomendable antes de colocar el pedido, hacer un cuadro comparativo de eficiencias y costos de los diferentes fabricantes.


138

CAPITULO 4 REPORTE DE CONSUMOS DE LUCES (INCANDESCENTES VS LED´s) 4.1 INTRODUCCIÓN Otra medida eficiente de obtener ahorros de energía es mediante el cambio a nuevas tecnologías. Tuvimos la oportunidad de trabajar en conjunto con la academia de Eléctrica-Electrónica para la realización de un reporte de consumos eléctricos de lámparas incandescentes contra LED´s, estos últimos pretenden sustituir a las lámparas incandescentes comunes utilizadas para ciertas aplicaciones en la industria aérea. La lámpara tradicional incandescente tiene una estructura hecha por un contenedor de vidrio soplado, dentro hay un pequeño y frágil filamento de tungsteno. Para que esta lámpara produzca luz hay que pasar una descarga eléctrica a través de un conductor y el filamento es calentado hasta el punto que emite luz. Estas lámparas no son muy eficientes, apenas un 10% de toda la energía es usada para hacer luz. 4.1.1 Que son los LED? LED significa Diodo Emisor de Luz (Light Emitting Diode), es un objeto que permite el flujo de corriente en una sola dirección. Dos materiales conductivos cualesquiera forman un diodo cuando son puestos en contacto. Cuando la electricidad pasa a través de un diodo, los átomos de uno de los materiales son excitados a un mayor nivel. Los átomos en el primer material retienen mucha energía y requieren liberarla. Esta energía se libera como electrones al segundo material dentro del chip-reflector, durante esta liberación se produce la luz. El color de la luz es relativa a los materiales emisores semiconductores y procesos de elaboración del chip-reflector.

Compuesto Color Arseniuro de galio (GaAs) Infrarrojo Arseniuro de galio y aluminio (AlGaAs)

Rojo e Infrarrojo

Arseniuro fosfuro de galio (GaAsP) Rojo, naranja y amarillo Fosfuro de galio (GaP) Verde Nitruro de galio (GaN) Verde Seleniuro de zinc (ZnSe) Azul Nitruro de galio e indio (InGaN) Azul Diamante (C) Ultravioleta Silicio (Si) En desarrollo

Tabla 26. Compuestos empelados en la construcción de LED´s


139

Los primeros diodos construidos fueron los diodos infrarrojos y de color rojo,los diodos azules fueron desarrollados a finales de los 90 por Shuji Nakamura, añadiéndose a los rojos y verdes desarrollados con anterioridad, lo que permitió, por combinación de los mismos, la obtención de luz blanca. La más reciente innovación en el ámbito de la tecnología LED son los diodos ultravioletas, que se han empleado con éxito en la producción de luz blanca al emplearse para iluminar materiales fluorescentes. Los LED comerciales típicos están diseñados para potencias del orden de los 30 a 60 mW. En 1999 se introdujeron en el mercado diodos capaces de trabajar con potencias de 1 W para uso continuo; estos diodos tienen matrices semiconductoras de dimensiones mucho mayores para poder soportar tales potencias. En 2002 se comercializaron diodos para potencias de 5 W, con eficiencias en torno a 60 lm/W, es decir, el equivalente a una lámpara incandescente de 50 W. 4.1.2 Ventajas de los LED’s - Altos niveles de flujo e intensidad dirigida. - Significante tamaño para múltiples y diferentes opciones de diseño. - Alta eficiencia, ahorro de energía. - Luz blanca. - Requerimientos bajos de Voltaje y Consumos. - Baja generación de calor. - Alta resistencia a los golpes y vibraciones. - Extremadamente larga vida (de 50000 a 100000 Hrs.). - Sin radiación U. V. - Pueden ser fácilmente controlados y programados. - Diferentes formas con diferentes ángulos de radiación.

http://es.wikipedia.org/wiki/A%C3%B1os_1990

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Shuji_Nakamura&action=edit

http://es.wikipedia.org/wiki/Fluorescencia

http://es.wikipedia.org/wiki/Potencia

http://es.wikipedia.org/wiki/Vatio

http://es.wikipedia.org/wiki/1999

http://es.wikipedia.org/wiki/Lumen


140

La estructura del LED es totalmente diferente que una lámpara tradicional, el LED tiene una estructura muy simple y muy fuerte. Los 4 componentes básicos de su estructura son:

1) Material emisor semiconductor, montado en un chip-reflector, este material determina el color de la luz.

2) Los postes conductores (cátodo y ánodo).

3) El cable conductor que une los dos polos. 4) Lente que protege al material emisor del LED y determina el haz de la luz.

4.1.3 PARTES DE UN LED

1. Lente Epóxico

Este lente mantiene todo el paquete estructurado, determina el haz de luz, protege al chip reflector, además de extraer el flujo luminoso.

2. Cable Conductor

Es un cable muy delgado de oro, el cual conecta cada terminal a cada uno de los postes conductores.

3. Chip Consiste en dos capas de material emisor semiconductor, cuando los átomos son excitados por un flujo de corriente intercambiando electrones, creando la luz.


141

4. Reflector

Está por debajo del Chip reflejando y proyectando luz hacia fuera, sólo un 3% se queda atrapada.

5. Cátodo Poste hecho de aleación de cobre y conduce carga negativa, el cátodo es más corto que el ánodo para facilitar un ensamble más rápido y preciso en el circuito.

6. Ánodo Poste hecho en aleación de cobre y conduce carga positiva. Para producir mas iluminación que iguale o supere el flujo luminoso o de las lámparas incandescentes, se hacen arreglos de LED´s como el que se muestra en la fotografía No. 1 manteniéndose todas las ventajas ya mencionadas de los LED´S.

Fotografía No.1 Arreglo de LED´s


142

4.2 OBJETIVO Con este reporte demostramos y comprobamos lo útil que son las aplicaciones de nuevas tecnologías de iluminación (LED´s) para el ahorro eficiente de la energía eléctrica. 4.3 DESARROLLO Se realizaron mediciones de consumos eléctricos de las 18:00 hrs a las 06:00 hrs con intervalos de tiempo de 30 min. a partir de las 18 horas, para determinar si incrementaba la demanda eléctrica de los equipos en diferentes horarios del periodo en el que se realizo la medición eléctrica.

Fotografía No.2 Unidad de control y lámparas incandescentes.


143

Fueron 4 unidades de control, 2 de lámparas incandescentes y 2 de LED´s las que se probaron con sus respectivas luces dando como resultado un total de 11 pruebas de mediciones eléctricas.

EQUIPO PRUEBA TIEMPO Consumo total

RL - 0M UNIDAD DE CONTROL CON

FOTOCELDA Y LAMPARAS 12 hrs 3.15 kW/h

RL - 1M UNIDAD DE CONTROL CON FOTOCELDA

12 hrs 0.24 kW/h

UNIDAD DE CONTROL CON FOTOCELDA Y LAMPARAS

12 hrs 3.30 kW/h

UNIDAD DE CONTROL CON FOTOCELDA Y FARO

12 hrs 18.00 kW/h

INCANDESCENTES

UNIDAD DE CONTROL CON FOTOCELDA, LAMPARAS Y FARO

12 hrs 22.50 kW/h

CC1

UNIDAD DE CONTROL SOLA 12 hrs 0.18 kW/h UNIDAD DE CONTROL CON LAMPARAS

12 hrs 0.48 kW/h

CC2 UNIDAD DE CONTROL 12 hrs 0.18 kW/h UNIDAD DE CONTROL CON LAMPARAS

12 hrs 0.30 KW/h

UNIDAD DE CONTROL CON FARO

12 hrs 1.52 kW/h

LED´s

UNIDAD DE CONTROL CON LAMPARAS Y FARO

12 hrs 1.74 kW/h

Tabla 27. Comparativa de consumos

El uso de las lámparas y sus correspondientes equipos para su operación es el de luces de obstrucción y faro de posición.

Fotografía No. 3 Luces de obstrucción tipo LED


144

Fotografía No. 4 Faro de posición tipo LED. Al hacer las mediciones en los intervalos de de tiempo de 30 min. , se observo que la demanda eléctrica era constante, por lo que se entiende que el consumo eléctrico de los equipos sea gradual conforme transcurra el tiempo. Se aprecia claramente en la tabla de comparativa que los arreglos de LED´s tienen un menor consumo eléctrico ante el de las lámparas incandescentes siendo que son para el mimo uso de luminarias de obstrucción y faro de posición.


145

4.4 CONCLUSIONES El uso de LED´s en el ámbito de la iluminación es previsible que se incremente en el futuro, ya que aunque sus prestaciones son intermedias entre la lámpara incandescente y la lámpara fluorescente, presenta indudables ventajas, particularmente su larga vida útil, su menor fragilidad y la menor disipación de energía, además de que, para el mismo rendimiento luminoso su consumo es mucho menor. Al paso que se incremente la utilizaron de LED´s también aumentara en la industria aeronáutica, otra aplicación del uso de LED´s que actualmente ya se esta utilizando además de las que se probaron en este reporte es de luces de borde de pista y calles de rodaje en algunos aeropuertos.

Pero no todo es ventajas en el uso de LED´s, hay algunos problemas a las que se debe de estar consciente como es la distorsión armónica generada por dispositivos electrónicos. El uso de LED´s trae consigo este problema, la distorsión armónica puede causar fallas en otros equipos o en los mismos equipos al concentrarse una gran cantidad de equipo electrónico operando, además de un calentamiento en la red eléctrica. Así que se debe consultar acerca del equipo eléctrico-electrónico a instalar en el uso de LED´s la distorsión armónica generada o si es posible que tengan integrados estos equipos filtros de armónicos para no afectar la red eléctrica y otros equipos.

http://es.wikipedia.org/wiki/L%C3%A1mpara_incandescente

http://es.wikipedia.org/wiki/L%C3%A1mpara_incandescente

http://es.wikipedia.org/wiki/L%C3%A1mpara_fluorescente


146

CONCLUSIONES GENERALES Aparentemente podría decirse que el ahorro de energía eléctrica no corresponde a nuestra rama de estudios, sin embargo existe una relación directa entre la ingeniería aeronáutica y la ingeniería eléctrica, lo cual se manifiesta por ejemplo en los aerogeneradores, y en general en sistemas eléctricos de las aeronaves, por lo que para nosotros como ingenieros en aeronáutica tenemos la visión de mantener una mente abierta hacía cualquier campo de estudio en el que podamos mejorar los procesos, ya que creemos que todo tiene una relación directa y al final siempre se podrá obtener un provecho que se verá reflejado en ahorros económicos. El tema de ahorro de energía eléctrica nos era completamente desconocido hasta hace un año, sin embargo gracias a la difusión de diplomados del Instituto Politécnico Nacional, pudimos adentrarnos a fondo en el tema, ya que tomamos un diplomado en ahorro y uso eficiente de la energía eléctrica para la industria y los servicios lo cual nos fue de gran utilidad para la realización de esta tesis. El objetivo de este diplomado era formar profesionistas consultores en ahorro de energía sin importar la profesión, lo cual nosotros lo adaptamos a nuestro medio que es el de la aviación. Durante la realización de este diplomado nos percatamos que dentro del medio de la aviación, este tema era relativamente desconocido, a excepción de un pequeño porcentaje de las empresas del ramo, principalmente las de mayor poder adquisitivo, en cambio las empresas de menor desarrollo no tienen una conciencia del ahorro de energía eléctrica ni de los amplios beneficios que esto les traería. Durante estos meses de investigación pudimos darnos cuenta que algunas empresas relacionadas con la aviación, se encuentran muy por debajo de los estándares de calidad en instalaciones eléctricas dentro de su infraestructura tal como GRUPO AÉREO MONTERREY (MAGNICHARTERS), además de que algunas empresas tienen la preocupación de los resultados que pudieran arrojar los diagnósticos energéticos, esto debido al desconocimiento del tema, tal como CONSORCIO AVIAXSA S.A DE C.V, ya que las empresas suelen creer que la implementación de un proyecto de ahorro, traerá mayores gastos de operación, lo cual es completamente falso debido a que el uso de nuevas tecnologías estaremos garantizando una mayor eficiencia y por lo tanto un menor gasto de operación. Una de las experiencias que obtuvimos como consultores de ahorro de energía durante el diplomado, fue la de colaborar en un proyecto de ahorro de energía eléctrica para la industria metal-mecánica de la empresa FEDERAL MOGUL- RAIMSA, dedicada al giro de la fabricación de auto partes, en la cual demostramos que la implementación de un proyecto de ahorro de energía, trae grandes beneficios económicos con un mínimo de inversión.


147

Otra de las experiencias que obtuvimos fue la de participar en un proyecto de ahorro de energía, para las oficinas administrativas de HIPOTECARIA NACIONAL BANCOMER, del cual se obtuvieron ahorros significativos, y este estudio fue basado principalmente en el uso de nuevas tecnologías de aire acondicionado e iluminación, y con esto pudimos hacer una comparación con las empresas de aviación, ya que estas también cuentan con una gran cantidad de oficinas administrativas. Por otra parte también participamos en el desarrollo de un servicio externo en la ESIME UNIDAD PROFESIONAL TICOMÁN para la empresa argentina GIGALUX el cual consistía en la comparativa de consumos eléctricos de lámparas incandescentes contra lámparas de LED´s para uso en luminarias de obstrucción de tipo aeronáutico, utilizadas en edificios y aeropuertos. También participamos en un proyecto para la torre de MEXICANA DE AVIACIÓN, el cual consistió en registrar los consumos de ciertos pisos que fueron arrendados a empresas ajenas a MEXICANA DE AVIACIÓN, pero que en cierto modo el consumo de estos pisos, es un porcentaje del consumo total de toda la torre, para que al final MEXICANA DE AVIACIÓN pagara únicamente el porcentaje que le corresponda. Cabe destacar que MEXICANA DE AVIACIÓN es una de las pocas empresas del ramo, que han aprovechado estos conocimientos de ahorro de energía, ya que desde hace algunos años, varias empresas consultoras en energía, les han realizado servicios, y con esto podemos comprobar que el ahorro de energía se encuentra en evolución constante. Al haber realizado esta tesis, junto con todas las experiencias comentadas anteriormente, nos han permitido incursionar en un área de asesoramiento dentro del sector eléctrico, esto es en el Programa de ahorro de energía del sector eléctrico (PAESE) de la misma COMISIÓN FEDERAL DE ELECTRICIDAD. En general podría decirse que el ahorro de energía eléctrica no corresponde a nuestra rama de estudios, sin embargo nuestra visión como ingenieros en aeronáutica es la de mantener una mente abierta hacia cualquier campo de estudio, que pueda mejorar los procesos de cualquier área de ingeniería, ya que creemos que todo tiene una relación directa, y por muy insignificante que esta parezca, al final siempre se podrá obtener el mayor provecho. Finalmente creemos que este trabajo de tesis no sólo servirá de referencia como guía de ahorro de energía a las empresas, sino que servirá también como base para alumnos que en un futuro deseen incursionar en el tema del ahorro de energía relacionado con la aviación.


148

Anexos A continuación presentamos todas las gráficas que se obtuvieron a partir de las mediciones que realizamos en la planta Federal Mogul México, todas las mediciones fueron hechas durante un período de 24 horas, las cuales se hicieron gracias al analizador de redes marca ELCONTROL, cabe destacar que sólo presentamos aquí las gráficas para el transformador de 600 KVA, sin embargo el análisis lo hicimos para los 3 transformadores con que cuenta la planta.

PERFIL DEL VOLTAJE TRIFÁSICO TRANSFORMADOR PRINCIPAL 600KVA@220V

228

230

232

234

236

238

240

242

244

246

248

10:50

11:35

12:20

13:05

13:50

14:35

15:20

16:05

16:50

17:35

18:20

19:05

19:50

20:35

21:20

22:05

22:50

23:35

00:20

01:05

01:50

02:35

03:20

04:05

04:50

05:35

06:20

07:05

07:50

08:35

09:20

10:05

10:50

11:35

12:20

13:05

hora

Volts

En esta gráfica podemos observar el voltaje general de las 3 fases del transformador, y el perfil nos muestra las variaciones que existen con la finalidad de observar qué tan bien se encuentra distribuido el voltaje.


149

PERFIL DE LA CORRIENTE TRIFASICA TRANSFORMADOR PRINCIPAL 600KVA@220V

0

100

200

300

400

500

600

700

10:50

11:35

12:20

13:05

13:50

14:35

15:20

16:05

16:50

17:35

18:20

19:05

19:50

20:35

21:20

22:05

22:50

23:35

00:20

01:05

01:50

02:35

03:20

04:05

04:50

05:35

06:20

07:05

07:50

08:35

09:20

10:05

10:50

11:35

12:20

13:05

Hora

Am

pere

s

PERFIL DEL FACTOR DE POTENCIA TRANSFORMADOR PRINCIPAL 600KVA@220V

-1.2

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

10:50

11:35

12:20

13:05

13:50

14:35

15:20

16:05

16:50

17:35

18:20

19:05

19:50

20:35

21:20

22:05

22:50

23:35

00:20

01:05

01:50

02:35

03:20

04:05

04:50

05:35

06:20

07:05

07:50

08:35

09:20

10:05

10:50

11:35

12:20

13:05

Hora

F.P.


150

PERFIL DE LA DEMANDA TRIFASICA TRANSFORMADOR PRINCIPAL 600KVA@220V

0

50

100

150

200

250

10:50

11:35

12:20

13:05

13:50

14:35

15:20

16:05

16:50

17:35

18:20

19:05

19:50

20:35

21:20

22:05

22:50

23:35

00:20

01:05

01:50

02:35

03:20

04:05

04:50

05:35

06:20

07:05

07:50

08:35

09:20

10:05

10:50

11:35

12:20

13:05

Hora

Kw

PERFIL DE KVA TRIFASICOS TRANSFORMADOR PRINCIPAL 600KVA@220V

0

50

100

150

200

250

300

10:50

11:35

12:20

13:05

13:50

14:35

15:20

16:05

16:50

17:35

18:20

19:05

19:50

20:35

21:20

22:05

22:50

23:35

00:20

01:05

01:50

02:35

03:20

04:05

04:50

05:35

06:20

07:05

07:50

08:35

09:20

10:05

10:50

11:35

12:20

13:05

Hora

KVA


151

PERFIL DE LOS KVAR TRIFASICA TRANSFORMADOR PRINCIPAL 600KVA@220V

-250

-200

-150

-100

-50

0

50

100

10:50

11:35

12:20

13:05

13:50

14:35

15:20

16:05

16:50

17:35

18:20

19:05

19:50

20:35

21:20

22:05

22:50

23:35

00:20

01:05

01:50

02:35

03:20

04:05

04:50

05:35

06:20

07:05

07:50

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09:20

10:05

10:50

11:35

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13:05

Hora

KVA

R

PERFIL DE LOS VOLTAJES POR FASETRANSFORMADOR PRINCIPAL 600KVA@220

128

130

132

134

136

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140

142

144

10:50

11:35

12:20

13:05

13:50

14:35

15:20

16:05

16:50

17:35

18:20

19:05

19:50

20:35

21:20

22:05

22:50

23:35

00:20

01:05

01:50

02:35

03:20

04:05

04:50

05:35

06:20

07:05

07:50

08:35

09:20

10:05

10:50

11:35

12:20

13:05

Hora

Volts

VL1 VL2 VL3


152

PERFIL DE LAS CORRIENTES POR FASETRANSFORMADOR PRINCIPAL 600KVA@220V

0

100

200

300

400

500

600

700

10:50

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13:05

13:50

14:35

15:20

16:05

16:50

17:35

18:20

19:05

19:50

20:35

21:20

22:05

22:50

23:35

00:20

01:05

01:50

02:35

03:20

04:05

04:50

05:35

06:20

07:05

07:50

08:35

09:20

10:05

10:50

11:35

12:20

13:05

Hora

Am

pere

s

AL1 AL2 AL3

PERFIL DE LAS DEMANDAS POR FASETRANSFORMADOR PRINCIPAL 600KVA@220

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

10:50

11:35

12:20

13:05

13:50

14:35

15:20

16:05

16:50

17:35

18:20

19:05

19:50

20:35

21:20

22:05

22:50

23:35

00:20

01:05

01:50

02:35

03:20

04:05

04:50

05:35

06:20

07:05

07:50

08:35

09:20

10:05

10:50

11:35

12:20

13:05

Hora

KW

KWL1 KWL2 KWL3


153

PERFIL DEL FACTOR DE POTENCIA POR FASE TRANSFORMADOR PRINCIPAL 600kVA@220V

-1.50

-1.00

-0.50

0.00

0.50

1.00

1.50

10:50

11:35

12:20

13:05

13:50

14:35

15:20

16:05

16:50

17:35

18:20

19:05

19:50

20:35

21:20

22:05

22:50

23:35

00:20

01:05

01:50

02:35

03:20

04:05

04:50

05:35

06:20

07:05

07:50

08:35

09:20

10:05

10:50

11:35

12:20

13:05

Hora

FP

FPL1 FPL2 FPL3

PERFIL DE LOS KVAR POR FASE DEL TRANSFORMADOR PRINCIPAL 600KVA@220V

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

10:50

11:35

12:20

13:05

13:50

14:35

15:20

16:05

16:50

17:35

18:20

19:05

19:50

20:35

21:20

22:05

22:50

23:35

00:20

01:05

01:50

02:35

03:20

04:05

04:50

05:35

06:20

07:05

07:50

08:35

09:20

10:05

10:50

11:35

12:20

13:05

HORA

KVA

R

KVAR L1 KVAR L2 KVAR L3


154

CORRIENTE VS. VOLTAJE

TRANSFORMADOR PRINCIPAL 600 KVA@220

220

225

230

235

240

245

250

10:5

0

12:3

0

14:1

0

15:5

0

17:3

0

19:1

0

20:5

0

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0

00:1

0

01:5

0

03:3

0

05:1

0

06:5

0

08:3

0

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0

11:5

0

13:3

0

VOLT

AJE

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

AM

PER

ES

VOLTAJE Amperes

CORRIENTE VS. FACTOR DE POTENCIATRANSFORMADOR PRINCIPAL 600 KVA@220

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

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0

14:1

0

17:3

0

20:5

0

00:1

0

03:3

0

06:5

0

10:1

0

13:3

0

FAC

TOR

DE

POTE

NC

IA

0

100

200

300

400

500

600

700

800

AM

PER

ES

F.P Amperes


155

DISTORSIÓN ARMÓNICA DE VOLTAJE EN EL TRANSFORMADOR PRINCIPAL 600 KVA@220

0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

12.0

14.0

16.0

18.0

10:50

11:35

12:20

13:05

13:50

14:35

15:20

16:05

16:50

17:35

18:20

19:05

19:50

20:35

21:20

22:05

22:50

23:35

00:20

01:05

01:50

02:35

03:20

04:05

04:50

05:35

06:20

07:05

07:50

08:35

09:20

10:05

10:50

11:35

12:20

13:05

HORA

POR

CEN

TAJE

DE

THD

V

THDV-L1 THDV-L2 THDV-L3 DISTORSIÓN ARMÓNICA DE CORRIENTE EN EL TRANSFORMADOR PRINCIPAL 600 KVA@220

0.0

20.0

40.0

60.0

80.0

100.0

120.0

140.0

160.0

180.0

10:50

11:35

12:20

13:05

13:50

14:35

15:20

16:05

16:50

17:35

18:20

19:05

19:50

20:35

21:20

22:05

22:50

23:35

00:20

01:05

01:50

02:35

03:20

04:05

04:50

05:35

06:20

07:05

07:50

08:35

09:20

10:05

10:50

11:35

12:20

13:05

HORA

POR

CEN

TAJE

DE

THD

V

THDI-L1 THDI-L2 THDI-L3


156

ANEXO GUÍA PARA LA COMPRA DE UN MOTOR DE ALTA EFICIENCIA

1. DEFINICIÓN DE LOS PARÁMETROS DEL MOTOR

2. SOLICITUD DE INFORMACIÓN TÉCNICA Y COMERCIAL A LOS FABRICANTES

3. VERIFICAR QUE LA INFORMACIÓN TÉCNICA CUMPLA CON LO

INDICADO EN LA FICHA TÉCNICA DEL MOTOR EVALUADO.

4. REALIZAR UN CUADRO COMPARATIVO ENTRE EFICIENCIAS DE LOS MOTORES OFERTADOS.

5. EVALUAR LAS EFICIENCIAS DE LOS MOTORES DE ACUERDO A LAS

CONDICIONES DE CARGA PARA EL MOTOR EN PARTICULAR.

6. DETERMINAR EL MEJOR COSTO BENEFICIO.

7. REALIZAR LA COMPRA DEL MOTOR. Además de lo anterior, para el caso de los motores evaluados, recomendamos lo siguiente antes de proceder a la sustitución.

• Motores de Bombas.- Verificar con producción las cantidades de agua requeridas y los volúmenes reales utilizados y proporcionados por los motores.

• Motores de Ventiladores.- Verificar con producción los parámetros de

consumo de diseño de los equipos y los consumos reales actuales.

• Motores de Molinos.- Revisar que las condiciones de carga del equipo a sustituir, sean las mismas que durante las mediciones y verificar con producción la carga del motor nuevo a instalar.

• Motores que se sustituyen por uno de igual capacidad.- No es necesaria

ninguna verificación.

• Motores que se sustituyen por uno mayor.- No es necesaria ninguna revisión.

• Motores que disminuyen ligeramente su tamaño.- Verificar con producción

las condiciones de operación de dicho motor.


157

ANEXO Formulario para resolución de problemas de motores de inducción: 1.

PxfNs 120

=

Donde: Ns.- Velocidad síncrona (RPM) f .- Frecuencia de la corriente del devanado del estator (Hz) P.- Numero de polos 2.

NmNsNr −= Donde: Nr .- Velocidad relativa del rotor (RPM) Ns.- Velocidad síncrona (RPM) Nm .- Velocidad del rotor con cierta carga (RPM) 3.

NsNmNss −

= ó NsNrs =

Donde: s .- Deslizamiento Ns .- velocidad sincronía (RPM) Nm .- Velocidad del rotor con cierta carga (RPM) Nr .- Velocidad relativa del rotor (RPM) El deslizamiento es costumbre expresarlo como porcentaje de la velocidad síncrona. 4.

NssNm )1( −=

Donde: Nm .- Velocidad del rotor con cierta carga (RPM) s .- Deslizamiento Ns .- velocidad sincronía (RPM)


158

5.

120PNrfr = ó sffr =

Donde: fr .- Frecuencia del rotor (Hz) P.- Numero de polo Nr .- Velocidad relativa del rotor (RPM) s .- Deslizamiento f .- Frecuencia de la corriente del devanado del estator (Hz) 6.

Carga del motor = NpNss−

Donde: Ns.- Velocidad síncrona (RPM) Np .- Velocidad de placa (RPM) 7.

EntradadePotenciaSalidadePotenciaEff

⋅⋅⋅⋅

=.*746.0

Donde: Eff .- eficiencia del motor Potencia de salida en HP

Potencia de entrada en kW 8.

Potencia de salida = Carga del motor x Potencia nominal del motor Donde: Potencia nominal del motor en HP 9.

Factor de Carga = 100

arg

x

acplenaaEficienciaplacadePotencia

MedidaPotencia

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅⋅⋅

⋅⋅⋅

Donde: Potencia Medida en kW Potencia de placa en kW


159

10.

motordelEficienciaentregadaalnoPotenciademandadaPotencia

⋅⋅⋅⋅

=⋅⋅min

1HP = 0.746 kW 11.

Diferencia de Voltaje = 1001 xplacadeVoltaje

medidoVoltaje⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

⋅⋅⋅

12.

% Desb. de voltaje = 100Pr

PrRe.. xomedioVoltaje

omedioVoltajealspectoDifMáx⋅

⋅⋅⋅⋅⋅


160

GRAFICAS PARA AJUSTES DE EFICIENCIA Diferencia de voltaje

Grafica 1. Variación de la eficiencia con el voltaje Desbalanceo de voltaje


161

Grafica 2. Variación de la eficiencia con el desbalanceo de voltaje Factor de carga

Grafica 3. Variación de la eficiencia con el factor de carga


162

ANEXO “Maquinas eléctricas y transformadores” Tercera edición Bhag S. Guru,Huseyin R. Hiziroglu Ejercicios: 9.1

La velocidad del rotor de un motor de inducción trifásico, octapolar, de 440 V y 50 Hz es de 720 rpm. Determine a) la velocidad síncrona, b) el deslizamiento y c) la frecuencia del rotor.

9.2

Si la frecuencia del rotor de un motor de inducción trifásico, hexapolar, de 50 Hz es de 3Hz, calcule a) el deslizamiento y b) la velocidad del rotor.

9.3

El campo magnético que produce un motor de inducción trifásico gira a una velocidad de 900 rpm. Si la frecuencia del voltaje aplicado es de 60 Hz, determine el número de polos en el motor. Cuando el rotor gira a una velocidad de 800 rpm,¿Cuál es el deslizamiento porcentual del motor?

Resultados: 9.1 a) La velocidad síncrona es

==8

)50(120 HzNs 750 rpm

b) El deslizamiento es

04.0720

720750=

−=s = 4 %

c) La frecuencia del rotor es

== )50(04.0 Hzfr 2 Hz


163

9.2 a) El deslizamiento es

===HzHz

ffrs

503 0.06 = 6 %

Obtenemos Ns

==6

)50(120 HzNs 1000 rpm

b) La velocidad del rotor es =−= 1000*)06.01(Nm 940 rpm 9.3 a) El número de polos es

==rpm

HzP

900)60(120

8

Si Ns = 900 rpm y Nm = 800 rpm

b) El deslizamiento es

=−

=900

800900s 0.1111 = 11.11 %


164

REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFÍA

• Máquinas eléctricas y transformadores 3ª edición. Bhag S.Guru, Huseyin R.Hiziroglu

• Análisis de la demanda de energía eléctrica en México, Una aplicación a la

zona centra. • Sandoval Correa Alejandro, 1996

• Curso de transformadores y motores de inducción

Enríquez Harper, Gilberto

• Operación control y protección de motores eléctricos Buitrón Sánchez, Horacio

• Polyphase inducción motors : analysis, design, and applications

Cochran, Paul L., 1920

• Máquinas eléctricas Luca M., Carlos.

• Electricidad y magnetismo vol II

Purcell Edward W.

• Asi Controls (controladores) www.asicontrols.com

• Sodinsa (controladores) www.sodinsa.com

• General Electric – Fanuc (controladores) www.gefanuc.com.mx

• Energytec (controladores) www.energytec.com.mx

• Comisión Federal de Electricidad www.cfe.gob.mx.

• Comisión Nacional para el Ahorro de Energía www.conae.gob.mx

• Fideicomiso para el Ahorro de Energía Eléctrica www.fide.org.mx

• The ABB Group (Controladores de demanda) www.abb.com

• Schneider Electric www.schneiderelectric.es

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