Oportunidades de ahorro Oportunidades de ahorro energenergééticotico

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Por: Oscar Núñez Mata, Ing.Consultor Privadoonunezm@hotmail.comT+ 8919 1408

Temario1. Introducción.2. Selección de conductores.3. Verificación del voltaje.4. Comportamiento de la eficiencia y factor de

potencia con la carga.5. Porcentaje de carga del motor.6. Corrección del factor de potencia.7. Arrancadores a voltaje reducido.8. Aplicaciones con equipos electrónicos. 9. Aspectos mecánicos involucrados.

1. IntroducciónLos motores eléctricos consumen más del 50% de la energía eléctrica a nivel industrial.Debemos:

Conocer la operación y mantenimiento.Hacer una buena escogencia.Tomar una buena decisión: Reparar o reemplazar.Establecer programas de ahorro energético.

Se estima que existen oportunidades de ahorro en el 50% de las aplicaciones industriales.La mayor parte de los motores trabajan entre el 50 y 80% de su capacidad nominal.

Costo de Energía – 97.3%

Precio Inicial, Instalacióny Mantenimiento - 2.7%

Costos en un motor eléctrico

Analizando el motor:Fuente de alimentación

MOTORServicio Eléctrico

ENERGÍA:

La capacidad que tiene un sistema de realizar un trabajo.

Controles de motor:

Arranque directo.

Arranque voltaje reducido.

Variador de frecuencia.

Arrancador suave.

Protecciones.

Base de montaje:

Base rígida.

Soporte.

Cara C, Flanger.

Transmisión de potencia:

Fajas y polea.

Acople directo.

Clutch.

Reductor.

Sistema mecánico:

Bomba centrífuga.

Abanico.

Compresor.

Máquina herramienta.

Molino, quebrador.

Grúa.

Banda transportadora.

Proceso:

Flujo.

Mezcla.

Moler.

Maquinar.

Distribución de los motores por aplicaciones

33%

18%

14%35%

Bombas centrifugas Ventiladorescentrifugos

Transporte de material y proceso Bombas de desplazamiento positivo

Fuente Departamento de Energía DOE - US

Definición

Pérdidas de potencia

La eficiencia de un motor es la medida de la capacidad que tiene de convertir la energía eléctrica en energía mecánica.La potencia eléctrica entra por

los terminales del motor y la potencia mecánica sale por el eje.

100xEléctrica Entrada Potencia

Mecánica Salida PotenciaEFF% =

Distribución de pérdidasNEMA dice que la distribución típica de pérdidas es:

Fricción-Ventilación

Estator

Rotor

Magnéticas

Indeterminadas

Diseño de motor NEMA B, 4 polos.

Aplicación motores eficiencia mejorada

En Octubre 2008 se hicieron modificaciones a la norma IEC-60043, que rige la fabricación de motores eléctricos de bajo voltaje.La principal diferencia esta en la manera de probarlos, ya que las pérdidas adicionales son ahora medidas, y no se les da un valor porcentual fijo.Esto hace más estricta la verificación y certificación en fábrica.Aunque cada país deberá adoptar sus regulaciones propias, IEC establece esta guía y recomendaciones.

Ahorro con motores eficiencia mejoradaEn instalaciones nuevas o ampliaciones de las existentes.Cuando se aplican conjuntamente con Variadores electrónicos de frecuencia para accionar bombas y ventiladores (Ahorros de hasta 50% de la energía).Como parte de un Programa de Uso eficiente de la Energía Eléctrica.En el momento de reemplazar motores antiguos o repararlos.Motores en condiciones de carga cercanas a su máxima.Motores cuya operación anual esta por encima de los 4000 horas.

Análisis de ahorro

La ecuación siguiente establece el ahorro anual alcanzado por el uso de un motor de mayor eficiencia:

L: % de carga estimada.C: Costo KWH.T: Tiempo de funcionamiento en horas al año.HP: Potencia nominal (Placa).Ahorro: Monto por año.EFFBAJA: Eficiencia del motor estándar (O en operación).EFFALTA: Eficiencia del motor alta eficiencia (O Nuevo).

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ −×××××=

ALTABAJA EFFEFFTCLHP 100100746.0Ahorro

2. Selección de Conductores- Artículo 430.22 del NEC:El cable de alimentación de un motor no debe ser menor al 125% de la corriente nominal del motor, según artículo 430.6A.- No se debe usar la corriente de placa.

Tablas de corriente a plena carga NECPara grupos de motores, el cable de alimentación general debe ser no menor a:∑ FLA motores + 125% de FLA motor más grande.

Cálculo de la caída de tensión

Tomado directamente del NEC 2005

Donde:L: Longitud del cable en KmR: Resistencia en Ώ/KmI: Corriente en AmperiosCaída de voltaje permitida en Motores: Más adelante.

IRL **=Voltaje Caida

3. Verificación del voltaje

Motor Diseño B, 4 polos, 208-230/460VCA

7291Levantamiento T (ºC)

148 Amp129 AmpCorriente arranque

26.9 Amp30.5 AmpFLA

0.830.85Factor de Potencia

84.480.6Eficiencia (%)

230208VoltiosMantener el voltaje lo más cercano a placa.Se recomienda:

NEMA ±10%IEC ±5%.

Se pueden hacer rediseños de voltaje para optimizar el desempeño del motor.Compañías con servicio 120/208V comprar sus motores a 208V.

Desempeño

% De variación de voltaje de motor

% D

e ca

mbi

o de

la v

aria

ble

del m

otor -F.L. AMPS: FLA, corriente

nominal.

-P.F.: Factor de Potencia.

-EFF: Eficiencia.

-Starting Amps: Corriente de arranque.

-Starting and MaximunTorque: Torque de arranque y máximo.

Voltaje de placa

Desbalance de voltaje

100*Pr

..%omedioVoltaje

DesviacionMaxDesv =

•NEMA define el desbalance del voltaje como:“La máxima desviación del voltaje entre líneas con respecto al voltaje promedio, expresada como un porcentaje del voltaje promedio”Idealmente, los tres voltajes deben ser iguales.

•Se permite un cierto desbalance.

Desbalance de voltajeUn desbalance de 3% provoca un desbalance de corriente de 18%.Esto produce calor y pérdida de torque.En motores de eficiencia mejorada se recomienda desbalance hasta1%.5% sería el máximo permitido por NEMA en motores convencionales.Para descartar el motor, se debe medir el desbalance con el motor apagado.La fuente principal de desbalance son las cargas monofásicas conectadas desordenadamente en la instalación.

Cálculo del desbalance

Un motor de inducción con:VAB=459VVBC=466V VCA=462V.

Tensión media 462 V (Promedio).Desequilibrios de fase son: -0,7%, 0,9% y 0%.Desequilibrio total es 0,9%.

100xV

VVV

MEDIO

MEDIOUMB

−= φ

4. Comportamiento de la eficiencia y factor de potencia con la carga

En el motor de inducción el fpes menor a 1, y depende de la carga.En el motor sincrónico depende la corriente de campo (Rotor).

MOTOR DE INDUCCIÓN

fp<1 Atraso

MOTOR SINCRÓNICO

fp ajustable

KW

(Estator).

KVAR

(Rotor).

KVAR (Potencia reactiva se transforma en magnetización).

KW (potencia activa se transforma en potencia mecánica).Estator

PotenciaLos motores industriales no suelen funcionar a plena carga, pruebas en USA indican que en promedio los motores eléctricos operan al 50-80%.Es común que las industrias instalen motores de mayor potencia a la requerida por varias razones prácticas:

Prevención indirecta de fallos en procesos críticos.Desconocimiento de la carga real del motor en la elección de éste.Previsión de futuras ampliaciones productivas.Por sustitución de un motor previamente fallido que era de menor potencia.

Desempeño de un motor

El mejor desempeño de eficiencia de un motor eléctrico se alcanza entre 60-80% de carga.El mayor factor de potencia se logra después de 80% de carga.

Eficiencia y Factor de PotenciaEficiencia

fp

fp

Eficiencia

5. Porcentaje de carga del motorMotores poco cargados no siempre su eficiencia es menor, excepto cuando la carga sea acentuadamente pequeña (menor del 25%)Cuando la carga supera el 50% no se pueden dar recomendaciones simples de sustitución de éstos motores.Factor de potencia baja con la carga (Desmejora) y esto afecta a las pérdidas en la distribución eléctrica.

POSIBLE REDIMENSIONAMIENTO DEL MOTOR POR UNO MÁS

PEQUEÑO

ContinuaciónLos costos extra indeseables de estos motores son:

Mayor costo de adquisición del motor y su equipamiento.Mayor costo de consumo energético por la reducción de la eficiencia del motor y el sistema eléctrico (factor de potencia).En muchas ocasiones resulta económicamente interesante sustituir un motor poco cargado por un motor de eficiencia mejorada.

Cuando el consumo de corriente es MENOR al 50% del dato de placa:

Si la corriente es menor a la mitad del dato de placa, se recomienda usar la siguiente fórmula:

Donde:nsinc: Velocidad sincrónica en RPM, nsinc=(120*frecuencia)/polosnmedida: Velocidad medida real del eje del motor en RPM.nplaca: Velocidad de placa.Vplaca: Voltaje de placa del motor.Vmedido: Voltaje medido real del motor.

1002)/V(V x )n(n

nnarga%medidoplacaplaca-sinc

medida-sinc×⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢

⎣

⎡=C

Cuando el consumo de corriente es MAYOR al 50% del dato de placa:Si la corriente medida es mayor a la mitad del dato de placa, se puede usar la siguiente fórmula:

Donde:Iplaca: Corriente de placa del motor.Imedida: Corriente medida real del motor.Vplaca: Voltaje de placa del motor.Vmedido: Voltaje medido real del motor.

100arg% ×⎥⎦⎤

⎢⎣⎡⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

placa

medido

placa

medida

VV

IIaC

Sobre dimensionamiento de motoresEjemplo

Datos de laboratorio de una carga de 15 kWmovida con motores de 20 y 50 kW.

Comparación de motores de 50 y 20 kW trabajando.Especificación Motor

50 kWMotor20 kW

Reducción(mejoría)

Rendimiento (%) 60% 87% 26%Potencia solicitada (kW) 21,7 17,2 4,5Perdidas (kW) 6,7 2,2 4,5Factor de potencia 0,49 0,84 63%Corriente solicitada (A) 116 54 53%Perdidas en el sistema dealimentación (*)

40 x 103 R 8,7 x 103 R 78%

(*) Multiplicar por la resistencia de los alimentadores.

6. Corrección del factor de potenciaSegún reglamento ARESEP

Factor de potencia

Corrección del factor de potencia

Reducción de la tarifa eléctrica.Reduce las pérdidas en los conductores, y mejora la eficiencia global.Reducción de la carga de Transformadores.Mejora la regulación del voltaje.

Conexión de los condensadores en arrancadores y variadores

En Variadores NO se usan condensadores.En arrancadores de estado sólido ver figura. El contactorconecta los condensadores al final del arranque.En Estrella-Delta y Autotransformadores se conectan desde a la salida del primer contactor, es decir entran desde el inicio de la operación del arrancador.

7. Arrancadores a voltaje reducidoLas tarifas eléctricas para la industria, además del cargo por consumo de energía (kWh), hacen un cargo por demanda máxima (kW).Evitar el arranque y la operación simultánea de los motores y otros equipos, sobre todo en el período de punta. Los cargos por consumo de energía eléctrica pueden ser prácticamente iguales, pero por demanda máxima pueden reducirse.Motores de 25-30HP en adelante se sugiere usar algún método de arranque, dependiendo de la carga.

DEMANDA

DemandaDemanda MMááximaxima::

El medidor registra los KWH y tiene un temporizador.El medidor suma los KWH de energía

utilizada en un intervalo de tiempo específico(5, 10, 15, 30 or 60 minutos).Luego la demanda se divide entre el

intervalos de tiempo y se obtiene un “promedio” conocido como MÁXIMA DEMANDA. Expresada en Kw.

Seleccionar método de arranque- Para estimar IA a pleno voltaje en motores NEMA:

código de letra== CódigoILV

CodigoHpA ;

3*1000*

- En el caso de IEC la IA a pleno voltaje es, donde IN es la corriente nominal:

XXII

N

A =

1. Arranque directo

2. Arrollamientos partidosEste tipo de motor lleva un bobinado estatórico dividido en dos devanados paralelos. Al conectar el primer bobinado a la red de alimentación, el semi-motor arranca en directo con toda la tensión de la redEntre el 70 al 90 % de su velocidad de régimen (en algunos segundos), se conecta el resto del motor.

3. Estrella-DeltaEl sistema consiste en energizar el motor al arranque en estrella, Entre el 70 al 90 % de su velocidad de régimen (en algunos segundos), se conecta en delta.Al arranque, la tensión aplicada a cada bobina del estator se reducirá en 58% de la tensión de línea, por consiguiente la intensidad que absorberá el motor será también menor (1/3).Pero el par de arranque se reduce 1/3, aumentando el tiempo de arranque.

Diagrama

4. Arranque por autotransformador

Este método utiliza un autotransformador para reducir la tensión en el momento del arranque. En el arranque se aplica al motor la tensión reducida del autotransformador.Entre el 70 al 90 % de su velocidad de régimen (en algunos segundos), se desconecta el autotransformador.Es usado para el arranque de motores de gran potencia y cargas de alta inercia.

DiagramaEl tap que se usa es:

Tap del 80%: Hasta motores de 150-200HPTap del 65%: 250-700HPTap del 50%: Mayores de 700HP

5. Arrancador electrónicoUn arrancador suave es un dispositivo electrónico que lleva al motor desde su condición estacionaria hasta su velocidad máxima, esto lo hace de una forma continua en un tiempo programado por el usuario.

Ventajas de un arrancador suave

Eléctricamente: Reduce la corriente de arranque, esta corriente en un arranque directo a línea puede estar en un rango de 6 a 8 veces la corriente nominal.Minimiza la máxima demanda.

Mecánicamente:Reduce el estrés en los componentes de la transmisión previniendo ejes quebrados, engranes rotos, cadenas dañadas, y el golpe de ariete en las bombas centrifugas.

8. Ahorro con variadores de velocidad

El uso en bombas y abanicos en lazo cerrado.En lugar del uso de control mecánico del caudal: Válvulas y dampers.Además, el fp del lado de la fuente de alimentación es cercano a 1.

CurvaCurva de de CargaCarga de de BombaBomba o o VentiladorVentilador

% VELOCIDAD% VELOCIDAD% FLUJO% FLUJO

0%0%

25%25%

50%50%

75%75%

100%100%

0%0% 25%25% 50%50% 75%75% 100%100%

%%CCAARRGGAA

%%PotenciaPotencia ~ ~ VelocidadVelocidad33

Cargas de torque variable

Cargas de torque constante

Bandas transportadoras con carga constante.Bombas de desplazamiento positivo.Compresores reciprocantes.Grúas.Levante de cargas.Alimentadores.Molinos.

Ahorro en sistemas de bombeo

Cálculo del ahorro

Donde:Preal = Potencia que consumirá el motor al disminuir la velocidad,en Kw o Hp.Pnominal = Potencia nominal del motor, en Kw o Hp.%n = Porcentaje de reducción de velocidad nominal.

3

min 100%1 ⎥⎦

⎤⎢⎣⎡ −×=

nPP alnoreal

Cálculo

El ahorro se calcula de la siguiente manera:Ahorro = (Pnominal - Preal )* T * C

Donde:Ahorro: ahorro anual en dinero.T: Horas de trabajo del motor al año.C: Costo del KWH.

El adecuado alineamiento del motor y la carga, elimina vibración, maximiza la vida de los roles y extiende la vida útil de todo el sistema.Esto mejora la eficiencia de la máquina, lo cual reduce el consumo de energía.Cualquier des alineamiento paralelo o angular producen fuerzas radiales y axiales.

9. Aspectos mecánicos involucrados

Acoplamientos flexibles

1. Las cuerdas de tensión transmiten la torsión.

2. El caucho mantiene las cuerdas en su lugar, por lo tanto, el acoplamiento no presentará fallas graves.

Acoples para bombas

Responde ante:1. DESALINEACIÓN ANGULAR2. DESALINEACIÓN PARALELA

Fajas El alineamiento de las poleas debe ser el mejor posible.Igualmente, la tensión en fajas debe ser la ideal:

Regla empírica 10-20mm.Deflexión debe ser 1/64” por cada pulgada de distancia entre centros.

Transmisores sincrónicos: EficientesTransmisión sin deslizamientos, silenciosa y sincrónica.No se debe lubricar.Eficiencia del 98%.

Vibraciones mecánicas

Todo sistema máquina estácaracterizado por una frecuencia que sólo depende la masa y la rigidez de esta, denominada FRECUENCIA NATURAL.Cuando el sistema se excita con una fuerza éste vibrará.La vibración depende de múltiples factores.

Frecuencia y magnitud

La frecuencia de la vibración: Ayuda a identificar qué esta mal en la máquina.La amplitud: Indica cuán grave es el problema.

Vibraciones periódicas

Vibraciones aleatorias

Resonancia

Es un fenómeno que se presenta cuando un sistema es excitado a una frecuencia igual o cercana a la FRECUENCIA NATURAL.Una fuerza pequeña puede producir altas vibraciones, fuera de lo normal.

Análisis de vibraciones:1. Velocidad Vibracional

La energía vibracional que causa estrés a una máquina es expresada en términos de velocidad vibracional.Std. ISO 2372

2. Dominio de la frecuencia

Vista del espectro antes y después

VIBRACIÓN EXCESIVA EN OPERACIÓN

Relubricación

Rodamientos abiertos requieren periódicamente re lubricación para alcanzar su vida útil.Los períodos dependen de varios factores:

Tipo y tamaño del rol.Velocidad.Temperatura de operación.Tipo de grasa.Ambiente de operación.

Períodos de relubricación

Se debe aplicar la cantidad correcta.La cantidad depende del tamaño del rol.Demasiada o poca grasa puede dañar el rol.Cómo saber la cantidad?:G (oz.)=0.114 D BD: Diámetro externo del rol pulgadas.B: Ancho del rol pulgadas.

Períodos de relubricación de roles

3 meses9 meses505U-587U

4 meses1 año364T-365T

18 meses4 años284T-326TMENOS

No usa rol relubri.No usa rol relubri.143T-256T1200 &

2 meses6 meses505U-587U

3 meses9 meses404T-449T

4 meses1 año364T-365T

18 meses4 años284T-326T

No usa rol relubri.No usa rol relubri.143T-256T1800

2 meses4 meses324TS-587US

2 meses6 meses284TS-286TS

No usa rol relubri.No usa rol relubri.143-256T3600

24HR/DIA8HR/DIAFRAMERPM

Temperatura de rodamientos

130 °C100 °CNO OPERAR

120 °C90 °CALARMA

110 °C80 °C o menosNORMAL

SINTETICAESTANDAR

TIPO DE LUBRICANTEOPERACION