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TREBALL FINAL DE GRAU

TÍTOL: Caracterización de motores de inducción trifásicos en aplicaciones de

tracción

AUTOR: Daniel Rubio Soto

TITULACIÓ: Grado en Ingenieria Eléctrica

DIRECTOR: Marcel Torrent Burgués

DEPARTAMENT: Ingenieria Electrica

DATA: 24 de Junio de 2014

RESUM (màxim 50 línies)

Con el presente proyecto se pretende conseguir la caracterización de los

parámetros que forman el circuito equivalente por fase de los motores trifásicos de inducción para aplicaciones de tracción ferroviaria, para conocer su comportamiento sin la necesidad de realizar ensayos del motor en el laboratorio. Para la caracterización del circuito equivalente se ha tenido en cuenta los diversos resultados de los ensayos, facilitados por el fabricante, que se le han realizado a los motores que componen el proyecto. Los motores del estudio, son motores que actualmente se utilizan para la tracción ferroviaria, el primer motor es el motor 4 HGA 1433, con una potencia nominal de 120 kW con 4 polos, y el segundo motor es el motor 1TB2220 con una potencia nominal de 320 kW con 6 polos. Para comenzar, se ha analizado el primer motor del cual ya teníamos los resultados de los ensayos de laboratorio, con el circuito equivalente que nos proporcionaba el fabricante, y se ha comparado con los resultados. Posteriormente se ha añadido varios parámetros al circuito y se ha observado que los resultados son más parecidos a los del fabricante, ya que la modificación del circuito equivalente propuesto mediante parámetros adicionales permite evaluar todas las pérdidas existentes en el motor Con el segundo motor hemos realizado la caracterización del circuito mediante los ensayos de cortocircuito, vacío y de carga que nos ha facilitado el fabricante y se ha procedido a comparar los resultados Mediante el circuito equivalente propuesto pueden evaluarse posibles mejoras en el rendimiento del motor. En aplicaciones de tracción, la mejora del rendimiento del motor puede suponer importantes ahorros energéticos durante toda su fase de uso Una vez analizados los dos motores, se ha procedido a mejorar el rendimiento mediante un cambio de sección en los conductores del estator y rotor, y un cambio en la chapa que compone el motor. Para finalizar el proyecto, se ha realizado un estudio ambiental de los diversos motores así como un estudio económico para saber en cuanto tiempo se amortizaría la inversión en la mejora del rendimiento.

Paraules clau (màxim 10):

Circuito Ensayo Polos Eficiencia

Análisis Ambiental Costes Rendimiento

Caracterización Potencia

FINAL GRADE PROJECT ABSTRACT (50 lines maximum)

The present project aims to achieve the parameterization of the components forming the per phase equivalent circuit of three-phase induction motors for train traction applications, to know their behaviour without the need for engine tests in the laboratory For parameterization about the equivalent circuit takes into account the various test results, provided by the manufacturer which they made to the engines that make up the project. The engines of the study, the first engine is a 4 HGA 1433, with a rated power of 120 kW and 4-pole, and the second engine is a 1TB2220 with a power-nominal 320 kW with 6 poles. To start, we analysed the equivalent circuit that gave us the manufacturer about the first engine, which already had the results of laboratory tests, and has been compared the results Subsequently we added various parameters to the equivalent circuit and it has been observed that the results are more like those of the manufacturer, because modification of the proposed equivalent circuit by additional parameters can assess all existing motor loss With the second motor we performed the parameterization of the circuit with short-circuit tests and vacuum that the manufacturer has provided us and proceeded to compare the results Using the equivalent circuit potential improvements proposed can be assessed the performance of the engine. In traction applications, improved engine performance can lead to significant energy savings over its lifetime After analysing the two engines, we have proceeded to improve performance by changing drivers section of the stator and rotor, and a change in the metal that makes up the engines To complete the project, has done an environmental study of the various motors and an economic study to find out how long the investment will recover

Keywords (10 maximum):

Circuit Test Poles Efficiency

Analysis Environmental Costs Performance

Characterization Power

4

Índice INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................ 7

1. OBJETO .................................................................................................................................. 8

2. MOTORES DE INDUCCIÓN .................................................................................................... 8

2.1. Introducción ...................................................................................................................... 8

2.2. El motor asíncrono trifásico en el sector ferroviario ........................................................... 8

2.3. Estructura ......................................................................................................................... 9

2.4. Funcionamiento .............................................................................................................. 13

2.5. Características técnicas del motor ................................................................................. 13

2.5.1. Velocidad síncrona....................................................................................................... 13

2.5.2. Deslizamiento .............................................................................................................. 13

2.5.3. Velocidad del rotor o del motor..................................................................................... 14

2.5.4. Frecuencia del rotor ..................................................................................................... 14

2.5.5. Fuerza electromotriz inducida ...................................................................................... 14

2.5.6. Potencia nominal ......................................................................................................... 15

2.5.7. Potencia activa ............................................................................................................. 15

2.5.8. Potencia reactiva ......................................................................................................... 15

2.5.9. Potencia aparente ........................................................................................................ 15

2.5.10. Factor de potencia ..................................................................................................... 16

2.5.11. Potencia útil ............................................................................................................... 16

2.5.12. Par o Momento .......................................................................................................... 16

2.5.13. Rendimiento ............................................................................................................... 16

3. CIRCUITO EQUIVALENTE .................................................................................................... 17

3.1. Circuito equivalente clásico............................................................................................. 17

3.1.1. Ecuaciones Circuito equivalente Clásico ................................................................. 18

3.2. Circuito equivalente que incluye todas las pérdidas. ....................................................... 19

4.2.1. Ecuaciones Circuito equivalente que incluye todas las pérdidas. ............................. 20

3.3. Circuito equivalente proporcionado por ALSTOM. .......................................................... 27

4.3.1. Ecuaciones del circuito equivalente proporcionado por Alstom. ............................... 28

3.4. Balance de Potencias ..................................................................................................... 29

3.4.1. Potencia absorbida .................................................................................................. 30

3.4.2. Pérdidas joule en el estator ..................................................................................... 30

3.4.3. Pérdidas en el Hierro ............................................................................................... 30

3.4.4. Potencia síncrona .................................................................................................... 30

3.4.5. Pérdidas joule en el rotor ......................................................................................... 30

3.4.6. Potencia mecánica .................................................................................................. 30

3.4.7. Pérdidas per rozamiento .......................................................................................... 31

5

3.4.8. Pérdidas adicionales en carga ................................................................................. 31

3.4.9. Potencia útil ............................................................................................................. 31

4. DATOS DE LOS FABRICANTES ........................................................................................... 32

4.1. Motor 4 HGA 1433 de Alstom ......................................................................................... 32

4.1.1. Datos nominales del motor ...................................................................................... 32

4.1.2. Datos Circuito equivalente fabricante ....................................................................... 32

4.1.3. Ensayos del fabricante ............................................................................................. 32

4.2. Motor 1TB2220 de Siemens ........................................................................................... 33

4.2.1. Datos nominales del motor ...................................................................................... 33

4.2.2. Datos Circuito equivalente fabricante ....................................................................... 33

4.2.3. Ensayos del fabricante ............................................................................................. 33

5. PROCESO DE CÁLCULO PARA DETERMINAR LOS DIFERENTES PARÁMETROS DEL CIRCUITO .................................................................................................................................... 37

6. ANÁLISIS DE LOS CIRCUITOS EQUIVALENTES MEDIANTE HOJA DE CÁLCULO ........... 40


6.1.1. Parámetros del circuito equivalente que incluye todas las pérdidas obtenidos ........ 40

6.1.2. Curvas características del motor 4 HGA 1433 ......................................................... 40


6.2.1. Parámetros circuito equivalente que incluye todas las pérdidas .............................. 43

6.2.2. Curvas características del motor 1TB2220 .............................................................. 44

7. ANÁLISIS DE LA MEJORA DE RENDIMIENTO .................................................................... 47

7.1. Aumento de la sección del conductor en el estator ......................................................... 47

7.1.1. Gráfica del rendimiento motor 4 HGA 1433, aumento sección estator ..................... 47

7.1.2. Gráfica del rendimiento motor 1TB2220, aumento sección estator .......................... 48

7.2. Aumento de la sección del conductor en el rotor ............................................................. 49

7.2.1. Gráfica del rendimiento motor 4 HGA 1433, aumento sección rotor......................... 49

7.2.2. Gráfica del rendimiento motor 1TB2220, aumento sección rotor .............................. 50

7.3. Cambio del tipo de chapa del motor ................................................................................ 51

7.3.1. Gráfica del rendimiento motor 4 HGA 1433, cambio de chapa ................................. 51

7.3.2. Gráfica del rendimiento motor 1TB2220, cambio de chapa ...................................... 52

7.4. Comparación de todas las mejoras ................................................................................. 53

7.4.1. Comparación mejora motor 4 HGA 1433 ................................................................. 53

7.4.2. Comparación mejora motor 1TB2220 ...................................................................... 53

8. ESTUDIO DEL IMPACTO AMBIENTAL ................................................................................. 54

8.1. Impactos derivados de la tracción eléctrica ..................................................................... 54

8.1.1. Contaminación Centrales Eléctricas ........................................................................ 54

8.1.2. Impacto acústico y de vibraciones ........................................................................... 55

6

8.2. Metodología MEEUP (Methodology for the Eco-Design of Energy Using Products) ........ 55

8.2.1. MEEUP motor 4 HGA 1433 ..................................................................................... 56

8.2.2. MEEUP motor 1TB2220 .......................................................................................... 58

8.3. Mejora del Impacto medioambiental con el cambio de chapa ......................................... 60

9. ESTUDIO ECONÓMICO ........................................................................................................ 62



10. FOTOGRAFÍAS DE LOS MOTORES UTILIZADOS EN EL PROYECTO ........................... 68

10.1. Motor 4 HGA 1433 de Alstom ...................................................................................... 68

10.2. Motor 1TB2220 de Siemens ........................................................................................ 69

11. CONCLUSIONES ............................................................................................................... 70

12. AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................ 71

13. BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................................. 72

14. REFERENCIAS .................................................................................................................. 73

7

INTRODUCCIÓN El presente proyecto está basado en el análisis del motor de inducción a partir de los ensayos facilitados por el fabricante, análisis que intenta caracterizar los componentes de su circuito equivalente, añadiendo las diversas pérdidas que sufren este motor. Previamente a este estudio, se ha efectuado una introducción teórica sobre el funcionamiento del motor. Los motores utilizados en el proyecto son motores de inducción trifásicos para aplicaciones de tracción ferroviaria, el primer motor se trata del motor Alstom 4 HGA 1433, con una potencia nominal de 120 kW, con 4 polos, que es el que lleva incorporado los Tranvías de Barcelona (Citadis 302), en el que el fabricante nos ha proporcionado los datos nominales del motor, así como diversos puntos de funcionamiento a distintas frecuencias; el segundo motor se trata del motor Siemens 1TB2220, con una potencia nominal de 320 kW, con 6 polos, que es el que lleva la unidad 447 de Renfe Cercanías, en el que el fabricante nos ha proporcionado los ensayos de cortocircuito y de vacío, así como los datos nominales del motor para distintas frecuencias. En el primer motor se ha utilizado el circuito equivalente que nos ha proporcionado el fabricante, así como un circuito equivalente mejorado en el que se incluía las distintas pérdidas que los motores de inducción trifásicos sufren, y se ha comparado los resultados con los facilitados por el fabricante. En el segundo motor se ha utilizado el circuito equivalente mejorado, y se ha comparado con los resultados del fabricante. Una vez obtenidos los componentes del circuito equivalente mejorado, y después de comprobar que los resultados obtenidos con el circuito equivalente y los resultados de los fabricantes son muy parecidos, se ha procedido a plantear posibles mejoras de los motores. Las mejoras introducidas en ambos motores son un aumento de la sección de los conductores del estator y del rotor, como una substitución de la chapa de la que forma parte del motor por otra con unas pérdidas inferiores. Posteriormente, se ha realizado un estudio medioambiental en los diversos motores, mediante la metodología MEEUP (Methodology for the Eco-Design of Energy Using Products) de la Unión Europea. Finalmente, se ha hecho un estudio económico para averiguar en cuanto tiempo se amortiza la inversión de la mejora del rendimiento.

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1. OBJETO

Con este proyecto se pretende caracterizar los motores de inducción trifásica en aplicaciones para la tracción eléctrica a partir de los datos constructivos y de las pruebas realizadas por los distintos fabricantes, así como evaluar posibles mejoras del rendimiento del motor y cuantificar el impacto económico y medioambiental de las mejoras planteadas.

2. MOTORES DE INDUCCIÓN

2.1. Introducción

El motor asíncrono o de inducción trifásico con jaula de ardilla es el motor industrial por excelencia. Los motores asíncronos trifásicos se pueden incluir dentro de las máquinas eléctricas más fiables que existen actualmente, por lo que las intervenciones de mantenimiento son muy reducidas, y adaptándose a las diferentes prestaciones en función de las exigencias deseadas. A causa de su alta fiabilidad el motor asíncrono trifásico puede considerarse como la máquina eléctrica más utilizada del mercado, y se calcula que el consumo de energía de los motores eléctricos constituye aproximadamente el 50% de la demanda de electricidad global Gracias al desarrollo de la electrónica de control y de la electrónica de potencia ha permitido que las aplicaciones en las que se priorizaba la utilización de motores sujetos a la variación de velocidad, como el motor de corriente continua, se vayan substituyendo por motores asíncronos. 2.2. El motor asíncrono trifásico en el sector ferroviario

El motor asíncrono trifásico, en tracción eléctrica ya fue utilizado a finales del siglo XIX, sin embargo la complicación de la línea de contacto trifásica y el limitado número de velocidades que imponía la frecuencia fija, pronto desaconsejaron su utilización. En 1971 se inició el renacimiento de la utilización de los motores asíncronos en tracción eléctrica, gracias a la introducción de los convertidores de potencia de frecuencia variable. Desde mediados de los años 90, el motor asíncrono se ha convertido, también, en el motor eléctrico de tracción por excelencia. Los principales factores intrínsecos por los que en las aplicaciones ferroviarias actuales se está utilizando el motor asíncrono son las siguientes:

- La ausencia de colector o elementos de paso de corriente por contacto al rotor

- Insensibilidad frente a la polución, humedad etc. por carecer de elementos desnudos bajo

tensión en el interior del motor.

- Mayor relación potencia/peso y potencia /volumen que otro tipo de motores

- Posibilidad de mayores sobrecargas sin que ello suponga deterioros en la fase de uso de

la máquina.

- Alta fiabilidad de funcionamiento.

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- Diseño adecuado para soportar los armónicos producidos por los convertidores de

tracción.

- Gran robustez mecánica para las más altas solicitaciones requeridas.

- Alta capacidad térmica para soportar los ciclos de trabajo especificados con amplio margen

para operación en emergencia.

- Construcción compacta protegida de las condiciones ambientales.

- Ruido mínimo conseguido por un diseño adecuado de los circuitos magnético y de

refrigeración.

- Mínimo mantenimiento

- Mayor rendimiento que la máquina de corriente continua o la máquina síncrona

convencional

Con todas estas ventajas, conocidas desde hace mucho tiempo, el factor determinante que ha posibilitado utilizar la maquina asíncrona de un modo generalizado como máquina de tracción de las cadenas de corriente alterna trifásicas, ha sido el gran avance de la microelectrónica y la posibilidad de disponer de Procesadores de Señal Digitales (DSP) que pudiesen controlar los principales variables de la maquina en tiempo real. Para ello se han implantado algoritmos de control, con estrategias matemáticas que permiten independizar las corrientes que generan el par y el flujo entre si y también el resto de parámetros de la máquina que son función de la posición angular de esta, haciendo que no dependan de la rotación angular. Obviamente se trata de un control más complejo que el de las máquinas de corriente continua e incluso que el de las maquinas síncronas convencionales con excitación en rotor bobinado. Pero debido a la gran capacidad de procesamiento de los DSPs y astucias matemáticas como la Transformada de Park aplicado al caso particular de la maquina asíncrona (descomposición de los parámetros de la maquina en un modelo con nueva referencia de coordenadas d, q, o, entre los que se encuentran las corrientes Id e Iq, imagen del flujo y del par respectivamente). En consecuencia y por todo lo expuesto hasta ahora, hoy en día es posible beneficiarse de las bondades de la maquina asíncrona y su excelente rendimiento en las cadenas de tracción trifásicas. Estos valores oscilan entre el 93% y el 95%

2.3. Estructura

La estructura del motor asíncrono trifásico se compone básicamente de una parte fija y otra parte móvil. La parte fija, denominada estator, se puede definir como el conjunto de partes fijas que tienen la función de sostener la máquina, pero fundamentalmente constituye la parte del circuito magnético que contiene los devanados inductores o primarios. El estator, está constituido por láminas de una aleación de acero al silicio o de acero aisladas entre sí. (Figura 1)

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Figura 1- Estator

En las ranuras adecuadas se insertan tres devanados principales, cada uno de ellos constituido por más de un devanado interconectado, a los cuales se les aplica la tensión de alimentación provocando la generación del campo magnético. La parte móvil, llamada rotor, forma parte del devanado secundario que está situado en el interior del estator, constituyendo el circuito inducido. Hay dos tipos de rotor, según su conexión con el exterior:

- El rotor de jaula de ardilla: formado por un núcleo de chapas laminadas en el que los

conductores o barras, insertados en las ranuras, se encuentran cortocircuitados por ambos extremos mediante unos anillos conductores o anillos de cortocircuito, este rotor no tiene conexión directa con el exterior.(Figura 2)

- O el rotor bobinado o de anillos: está formado por un devanado, generalmente trifásico de corriente alterna distribuido en las ranuras de un núcleo laminado y cuyos extremos se unen por un lado en estrella y por el otro lado se conectan a unos anillos aislados. (Figura 3)

Figura 2-Rotor de Jaula de Ardilla Figura 3-Rotor Bobinado

Figur a 3-Rotor Bobinado

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En los motores de jaula de ardilla el número de polos del rotor se adapta al número de pares de polos del estator. Por lo tanto disponiendo varios devanados en el estator con distinto número de polos o uno o varios devanados de polos conmutables, es posible obtener motores que según el caso giren a velocidades distintas próximas a las velocidades de sincronismo correspondientes al número de polos del devanado activo en todo momento De aquí se deriva la necesidad de utilizar motores con rotor de doble jaula (Figura 4), que está compuesto por:

- Jaula externa: de menor sección, con un material de alta resistividad, lo que provoca una alta resistencia y una baja reactancia

- Jaula interna: de mayor sección, con baja resistividad, lo que deriva a una baja

resistencia y una alta reactancia Las dos jaulas están separadas entre sí mediante un espacio.

Figura 4-Rotor de doble jaula

Los otros componentes principales del motor son:

- Los dos cojinetes montados sobre el estator, con la función de apoyar el eje del motor.

- La carcasa con aletas para eliminar el calor producido. También contiene la caja de bornes de conexiones

- El ventilador que proporciona la refrigeración necesaria para que no se sobrecaliente.

A continuación se muestra la estructura completa del motor con jaula de ardilla (Figura 5) y con rotor bobinado (Figura 6).

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Figura 5-Despiece motor Jaula de ardilla

Figura 6- Despiece motor Rotor bobinado

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2.4. Funcionamiento

Una máquina de inducción con el devanado del estator conectado a la red trifásica, a partir

de la corriente que circula por el estator, se genera un campo magnético rotativo y a su vez un flujo magnético que, provoca una fuerza electromotriz inducida y que haya una circulación de corriente por el rotor (Ley de Faraday). La corriente inducida en el rotor genera una fuerza electromotriz y un par, que provoca que el rotor gire en el mismo sentido que el campo magnético. Para que las líneas del campo giratorio del estator puedan atravesar los conductores del rotor e inducir las corrientes de arrastre, tiene que existir un movimiento relativo entre los dos elementos, lo que genera que el rotor, tienda a seguir al campo magnético sin llegar a girar a la misma velocidad del campo magnético o velocidad de sincronismo, ya que si no, se anularían las fuerzas electromotrices y las corrientes secundarias, provocando que el rotor no girara. La diferencia de velocidad entre la velocidad de sincronismo y la velocidad del rotor dependerá del índice de carga al que el motor tenga que estar sometido para conseguir contrarrestar el par resistente, en cambio, si se trabaja en vacío la diferencia de velocidad es aproximadamente entre un 2 y un 5% de la velocidad de sincronismo.

2.5. Características técnicas del motor

2.5.1. Velocidad síncrona

Se designa la velocidad síncrona como “ns”, y corresponde a la velocidad del campo

magnético creado por las corrientes trifásicas en el estator. Su valor, está definido por la siguiente ecuación:

𝑛𝑠 = 60 · 𝑓1𝑝

[𝑚𝑖𝑛−1]

Ecuación 1-Velocidad Síncrona

Donde: f1: Frecuencia de alimentación del estator (Hz) p: Numero de par de polos de la máquina

2.5.2. Deslizamiento

Como se ha comentado anteriormente, la velocidad del rotor “n” será inferior a la de sincronismo, esta diferencia, es lo que se conoce como deslizamiento “s”, y está definido por:

𝑠 = 𝑛𝑠 − 𝑛

𝑛𝑠

Ecuación 2- Deslizamiento

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2.5.3. Velocidad del rotor o del motor

La velocidad del motor variará de la velocidad de sincronismo en función del deslizamiento

que haya en cada punto de carga, de esta manera, conforme aumente el índice de carga, el deslizamiento será mayor, y por lo tanto, la velocidad de giro del rotor será inferior. Esto se puede expresar de la siguiente manera:

𝑛 = 60 · 𝑓1𝑝

(1 − 𝑠) [𝑚𝑖𝑛−1]

Ecuación 3- Velocidad del Motor

2.5.4. Frecuencia del rotor

Debido a la diferencia de velocidad entre el campo magnético (ns) y el rotor (n), las

corrientes que se inducirán en el rotor tendrán una frecuencia diferente (f2) de la frecuencia de alimentación del estator (f1)

𝑓2 = 𝑓1 · 𝑠 [𝐻𝑧]

Ecuación 4- Frecuencia del Rotor

2.5.5. Fuerza electromotriz inducida

Uno de los principios clave en el funcionamiento del motor es el hecho de inducir una

fuerza electromotriz en el rotor, como se ha explicado anteriormente. Esta fuerza electromotriz, también conocida como F.E.M se puede calcular por medio de la ley de Faraday. Esta ley simplificada y adaptada al motor es la siguiente: F.E.M inducida en el estator:

𝐸1 = 4,44 · 𝑁1 · 𝑓1 · 𝛷 · 𝜁1 [𝑉]

Ecuación 5- F.E.M. Inducida en el Estator

F.E.M inducida en el rotor:

𝐸2 = 4,44 · 𝑁2 · 𝑓2 · 𝛷 · 𝜁2 [𝑉]

Ecuación 6- F.E.M. Inducida en el Rotor

Donde: N1, N2: Nº de espiras por fase

𝜁1 , 𝜁2: Factores de bobinado

𝛷: Flujo común por polo

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2.5.6. Potencia nominal

La potencia nominal es la potencia útil que nos proporciona el motor en su eje mecánico en

condiciones normales, y está definida por la siguiente ecuación:

𝑃𝑛 = √3 · 𝑉1 · 𝐼1 · cos𝜑1 · 𝜂 [𝑊]

Ecuación 7- Potencia Nominal

Donde:

V1: Tensión de alimentación del motor (V)

I1: Intensidad de corriente del motor (A)

cos𝜑1: Factor de potencia

η: Rendimiento de la máquina

2.5.7. Potencia activa

La potencia activa es la absorbida por el motor y contiene la suma de la potencia útil

transmitida en el eje con las diferentes pérdidas que tiene el motor hasta llegar al eje. Para calcular la potencia absorbida es necesario saber la intensidad consumida, el voltaje y el factor de potencia de la máquina. Así pues, se calcula con la siguiente fórmula:

𝑃 = √3 · 𝑉1 · 𝐼1 · cos𝜑1 [𝑊]

Ecuación 8- Potencia Activa

2.5.8. Potencia reactiva

La potencia reactiva es la que consume el motor a través de las impedancias inductivas que contiene en forma de bobinas, estrictamente necesarios para magnetizar el motor. Es una potencia que no se transmite al eje mecánico, pero que implica un aumento de consumo eléctrico del motor. Por lo tanto, se intentará que el consumo de potencia reactiva sea lo más bajo posible. Este consumo hará variar el factor de potencia del motor, puesto que hace aumentar el ángulo de desfase entre la tensión y la corriente absorbida por este. La expresión para cuantificar esta potencia es la siguiente:

𝑄 = √3 · 𝑉1 · 𝐼1 · 𝑠𝑖𝑛 𝜑1 [𝑉𝐴𝑟]

Ecuación 9- Potencia Reactiva

2.5.9. Potencia aparente

La potencia aparente es la suma vectorial de la potencia activa y la reactiva. Es la que se obtiene de las medidas de voltaje e intensidad, y servirá para hacer varios cálculos, como por ejemplo el factor de potencia. La potencia aparente pues, se calcula de la siguiente forma:

𝑆 = √3 · 𝑉1 · 𝐼1 [𝑉𝐴]

Ecuación 10- Potencia Aparente

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2.5.10. Factor de potencia

El factor de potencia es el coseno del ángulo formado entre la tensión y la corriente de

alimentación del motor. También es la relación que hay entre la potencia activa y la aparente. Se puede calcular de la siguiente forma:

cos𝜑 = 𝑃

𝑆

Ecuación 11- Factor de Potencia

2.5.11. Potencia útil

La potencia útil es la potencia absorbida que se transmite al eje del motor. En condiciones

nominales, la potencia útil se puede considerar la potencia nominal.

𝑃𝑢 = 𝑃𝑎𝑏𝑠 − ∑𝑃é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 [𝑊]

Ecuación 12- Potencia Útil

2.5.12. Par o Momento El par es el momento de fuerza que proporciona el motor en su eje. Este se saca de la

relación entre la potencia útil y la velocidad de giro que logra el motor en este punto, expresada en radianes por segundo. Así pues, se puede calcular el par de la siguiente manera:

𝑀 = 𝑃𝑢Ω [𝑁𝑚]

Ecuación 13- Par

2.5.13. Rendimiento

El rendimiento da la idea de la eficiencia del motor, puesto que es la relación entre la potencia útil y la potencia absorbida por el motor. Un motor con el mínimo de pérdidas posibles, permitirá obtener un rendimiento más elevado. Así pues, el rendimiento se calcula por medio de la expresión:

𝜂 = 𝑃𝑢𝑃𝑎𝑏𝑠

Ecuación 14- Rendimiento

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3. CIRCUITO EQUIVALENTE

Como en la mayoría de máquinas eléctricas, se puede representar el motor de inducción en un

esquema equivalente simplificado, donde se observa los diferentes parámetros de este, y su análisis nos servirá para efectuar los cálculos de balance de potencias, tensiones, corrientes y donde se puede observar las curvas características de funcionamiento en régimen permanente.

Para representar el motor asíncrono existen varios modelos diferentes de circuitos equivalentes.

3.1. Circuito equivalente clásico

Este circuito es el más sencillo a nivel teórico y matemática, ya que no tiene en cuenta las pérdidas por rozamientos ni las pérdidas adicionales, por esto se utiliza este circuito para obtener unos valores aproximados del balance de potencia y de las características del motor.

El circuito equivalente clásico está formado por tres ramas: la del estator, la del rotor y la de la rama de vacío. Cada una de ellas representa una parte del motor.

Circuito 1 - Circuito equivalente clásico

Donde:

V1: Tensión de alimentación

E: F.E.M. inducida en el rotor, referida al estator

I1: Corriente absorbida

I’2: Corriente absorbida por el rotor, referida al estator

I0: Corriente por la rama de vacío

R1: Resistencia estator

Xd1: Reactancia de dispersión del estator

R’2: Resistencia del rotor referida al estator

X’d2: Reactancia de dispersión del rotor, referida al estator

Rfe: Resistencia de pérdidas en el hierro

Xµ: Reactancia magnetizante

Con este circuito equivalente se pueden evaluar las pérdidas joule al estator y al rotor y las pérdidas al hierro, pero no se pueden evaluar las pérdidas mecánicas ni las pérdidas adicionales en carga.

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3.1.1. Ecuaciones Circuito equivalente Clásico

Igual que en cualquier circuito eléctrico, cuando se calculan sus parámetros, primero se

agrupa los elementos que están en serie y en paralelo simplificando el circuito; en este caso por las ramas que dispone el circuito:

Circuito 2 - Circuito equivalente simplificado

Donde Z1 es la impedancia del estator y su valor es:

𝑍1 = 𝑅1 + 𝑗𝑋𝑑1 [Ω]

Ecuación 15- Impedancia del Estator

Z0 es la impedancia de vacío y se realiza haciendo el paralelo de sus elementos, por lo tanto

queda:

𝑍0 = 𝑅𝑓𝑒 · 𝑗𝑋𝜇

𝑅𝑓𝑒 + 𝑗𝑋𝜇 [Ω]

Ecuación 16- Impedancia de Vacío

Z’2 es la impedancia del rotor y su ecuación es:

𝑍′2 = 𝑅′2 + 𝑗𝑋′𝑑2 [Ω]

Ecuación 17- Impedancia de Rotor

Por lo tanto la impedancia total queda:

𝑍𝑇 = 𝑍1 +𝑍0 · 𝑍2

𝑍0 + 𝑍2 [Ω]

Ecuación 18- Impedancia Total

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Circuito 3 - Circuito equivalente que incluye todas las pérdidas

3.2. Circuito equivalente que incluye todas las pérdidas.

Este circuito tiene en cuenta las pérdidas por rozamientos y las pérdidas adicionales. Para

calcularlas se añaden unas resistencias que permiten cuantificar estas pérdidas. En la rama del rotor, en serie con la resistencia de rotor y la reactancia de dispersión de rotor, se añade la Rad, que permite cuantificar las pérdidas adicionales. Esta resistencia también se puede añadir en la rama del estator, pero no se obtienen resultados tan buenos como si se añade en la rama del rotor. En esta misma rama en paralelo a la resistencia de carga, se añade Rfreg, que sirve para calcular las pérdidas por rozamientos como se verá posteriormente en el balance de potencias. Además, los parámetros de resistencia y de reactancia de dispersión del rotor se han considerado variables con el deslizamiento. Esta consideración permite un mejor ajuste de los parámetros del rotor trabajando a frecuencia variable, tal como sucede en esta aplicación a partir del convertidor electrónico de alimentación.

-

Donde:







Xd1: Reactancia de dispersión del estator


X’d2: Reactancia de dispersión del rotor, referida al estator

Rfe: Resistencia de pérdidas en el hierro

Xµ: Reactancia magnetizante

Rfreg = Resistencia de pérdidas mecánicas

Rad = Resistencia de pérdidas adicionales en carga

Rload = Resistencia que evalúa la potencia útil desarrollada por el motor

Este circuito es el que se ha utilizado en el análisis de los motores, tal y como se explica a continuación.

20

4.2.1. Ecuaciones Circuito equivalente que incluye todas las pérdidas.

Igual que en el apartado anterior, cuando se calculan los parámetros del circuito, primero

se agrupa los elementos que están en serie y en paralelo simplificando el circuito; en este caso por las ramas que dispone el circuito:


Donde Z1 es la impedancia del estator y su valor es:

𝑍1 = 𝑅1 + 𝑗𝑋𝑑1 [Ω]


Z0 es la impedancia de vacío y se realiza haciendo el paralelo de sus elementos, por lo tanto

queda:

𝑍0 = 𝑅𝑓𝑒 · 𝑗𝑋𝜇

𝑅𝑓𝑒 + 𝑗𝑋𝜇 [Ω]



𝑍′2 = 𝑅′2 + 𝑗𝑋′𝑑2 + 𝑅𝑎𝑑 +

(

𝑅𝑓𝑟𝑒𝑔 · (

𝑅𝑙𝑜𝑎𝑑𝑠 · (1 − 𝑠))

𝑅𝑓𝑟𝑒𝑔 + (𝑅𝑙𝑜𝑎𝑑𝑠 · (1 − 𝑠))

)

[Ω]



𝑍𝑇 = 𝑍1 +𝑍0 · 𝑍2

𝑍0 + 𝑍2 [Ω]


21

A partir de la impedancia equivalente del circuito y de la tensión de alimentación, se calcula la corriente absorbida por el motor, la corriente de estator. El módulo de esta corriente servirá para calcular las pérdidas joule en el estator.

𝐼1 = 𝑉1𝑍𝑇 [𝐴]

Ecuación 23- Corriente Estator

Una vez conocida la corriente del estator, se calcula la F.E.M. inducida en el rotor, que juntamente con la impedancia del rotor, servirá para calcular la corriente en esta rama.

𝐸 = 𝑉1 − (𝑍1 · 𝐼1) [𝑉]

Ecuación 24- F.E.M Inducida

𝐼′2 = 𝐸

𝑍′2 [𝐴]

Ecuación 25- Corriente Rotor

Con esta corriente ya se puede calcular las pérdidas joule en el rotor y las pérdidas adicionales. Otra expresión que se obtiene en este circuito es la corriente de vacío, que se calcula a partir de la diferencia entre las corrientes de estator y rotor.

𝐼0 = 𝐼1 − 𝐼′2 [𝐴]

Ecuación 26- Corriente de Vacío

Otro parámetro es el deslizamiento de máximo par, que servirá para calcular la velocidad de par máximo, velocidad que gira el motor cuando proporciona el máximo par. Para calcular este deslizamiento, se hará el circuito equivalente de Thévenin visto desde el rotor, y a partir de la impedancia de Thévenin se calcula su valor.

22

Circuito 5 - Circuito equivalente de Thévenin

Una vez realizado el circuito equivalente, se calcula la impedancia de Thévenin:

𝑍𝑇𝐻 = 1

1𝑅1 + 𝑗𝑋𝑑1

+1𝑅𝑓𝑒

+1𝑗𝑋𝜇

= 𝑅𝑇𝐻 + 𝑗𝑋𝑇𝐻 [Ω]

Ecuación 27- Impedancia de Thévenin

Una vez calcula la impedancia de Thévenin, se procede a calcular el deslizamiento con máximo par:

𝑠𝑚á𝑥 = 𝑅′2

√(𝑅𝑇𝐻 + 𝑅𝑎𝑑)2 + (𝑋𝑇𝐻 + 𝑋

′𝑑2)

2

Ecuación 28- Deslizamiento a Máximo Par

Con este deslizamiento se puede calcular la velocidad de giro a máximo par:

𝑛𝑠𝑚á𝑥 = 𝑛𝑠 · (1 − 𝑠𝑚á𝑥) [𝑚𝑖𝑛−1]

Ecuación 29- Velocidad a Máximo Par

23

La obtención de los diferentes parámetros adicionales que se utilizan en el circuito equivalente

mejorado, así como de la resistencia de pérdidas en el hierro no disponible, se pueden obtener tal

como sigue a continuación.

Primeramente se calcula la resistencia en el hierro (Rfe), ya que el fabricante no proporciona su valor,

y además hay que determinar su variación trabajando a frecuencia variable.

Para ello se considera las pérdidas en el hierro proporcionales a la inducción y a la frecuencia,

calculándose en el circuito equivalente a partir de la ecuación siguiente:

𝑃𝑓𝑒 = 𝐸2

𝑅𝑓𝑒 [𝑊]

Ecuación 30- Pérdidas en el Hierro

El fabricante nos proporciona datos del ensayo de vacío en un punto, datos de tensión, corriente (I10),

frecuencia, velocidad y potencia absorbida (P0 absorbida). En este punto de vacío, se pueden determinar

las pérdidas constantes:

𝑃0 𝑐𝑡𝑒 = 𝑃0 𝑎𝑏𝑠 − 3 · 𝑅1 · 𝐼102 = 𝑃𝑓𝑒0 + 𝑃𝑓𝑟𝑒𝑔0 [𝑊]

Ecuación 31- Pérdidas Constantes

Para poder separar las pérdidas en el hierro (Pfe0) de las pérdidas mecánicas (Pfreg0), este ensayo de

vacío debería realizarse a diferentes tensiones de alimentación, ensayo que el fabricante no ha

realizado.

Para efectuar esta separación de pérdidas, nos servimos de valores estándar de distribución de

pérdidas a partir del trabajo realizado por M. Doppelbauer y reflejado en la figura 11 para motores de

inducción.

Figura 7- Separación de pérdidas en motores de inducción trifásicos

24

A partir de las consideraciones anteriores, la resistencia de pérdidas en el hierro en cada punto de

trabajo (Rfex) se puede relacionar con el cuadrado de la tensión de la rama de vacío en dicho

punto (Ex) respecto del ensayo de vacío disponible (E0), así como en función de las relaciones

(E/f) x y fx respecto de los valores de vacío (E/f)0 y f0 mediante relaciones exponenciales. La

relación de flujos (E/f) puede ponerse elevada a un coeficiente (z), que se aconseja entre 1,7 y 2,

mientras que la relación de frecuencias puede ponerse elevada a un coeficiente (y), que se

aconseja entre 0,8 y 1, en nuestro caso al coeficiente (z) se le ha dado un valor de 1,8 y al

coeficiente (y) se le ha dado un valor de 0,9.

𝑅𝑓𝑒𝑥 = 𝑅𝑓𝑒0 · (𝐸𝑥𝐸0)2

· 1

𝑒[(𝐸/𝑓)𝑥/(𝐸/𝑓)𝑜]𝑧−1 · 𝑒[𝑓𝑥/𝑓𝑜]

𝑦−1 [Ω]

Ecuación 32– Resistencia de pérdidas en el Hierro

Una vez calculada la resistencia de pérdidas en el hierro, se procede a calcular la resistencia de

rozamiento (Rfreg), se considera las pérdidas mecánicas (rozamientos y ventilación) proporcionales a

la velocidad, y que en el circuito equivalente se evalúan a partir de la siguiente ecuación donde:

𝑃𝑓𝑟𝑒𝑔 = 𝑉𝑅𝑓𝑒𝑔

2

𝑅𝑓𝑟𝑒𝑔 [𝑊]

Ecuación 33– Pérdidas de Rozamiento

Donde:

VRfreg: es la tensión en la rama de carga:

A partir de la separación de pérdidas efectuada anteriormente, la resistencia de pérdidas mecánicas

en cada punto de trabajo (RPfregx) se calcula en función de la tensión en la rama de carga en dicho

punto (VRfregx) respecto del ensayo de vacío disponible (VRfreg0). La relación de velocidades puede

ponerse elevada a un coeficiente (n), que se aconseja entre 1 y 1,1, en nuestro caso se ha elegido un

valor unitario.

𝑅𝑓𝑟𝑒𝑔𝑥 = 𝑅𝑓𝑟𝑒𝑔0 · (𝑉𝑅𝑓𝑒𝑔𝑥

𝑉𝑅𝑓𝑒𝑔0)

2

· (𝑛0𝑛𝑥)𝑛

[Ω]

Ecuación 34– Resistencia de pérdidas por Rozamiento

Para determinar la resistencia de pérdidas adicionales en carga se parte de los valores nominales de

la placa de características. Se determinan las pérdidas totales en el punto nominal y se calculan las

pérdidas adicionales en carga (Padn) aplicando el porcentaje según la distribución de pérdidas de la

figura 11. Se calcula, de forma aproximada, la corriente de carga (I’2) a partir de la corriente nominal

(I1n) y de la corriente del ensayo de vacío (I10) corregida a la tensión y frecuencia nominales (I10n), según

las ecuaciones que hay a continuación, para finalmente calcular Rad.

𝐼′2𝑛 = √𝐼1𝑛2 − 𝐼10𝑛

2 [𝐴]

Ecuación 35– Corriente de Carga

25

𝐼10𝑛 = 𝐼10 ·(𝑉𝑛𝑓𝑛)

(𝑉0𝑓0) [𝐴]

Ecuación 36– Corriente Nominal en Vacío

𝑅𝑎𝑑 = 𝑃𝑎𝑑𝑛

3 · 𝐼′2𝑛 [Ω]

Ecuación 37– Resistencia de pérdidas adicionales en carga

Para determinar las pérdidas adicionales en carga nominales (Padn) a partir de la norma IEC 60034-2-

1, se asume un valor en % respecto la potencia absorbida (figura 11).

Los tres tramos de la curva de la figura responden a las relaciones siguientes:

Para P2 ≤ 1 kW 𝑃𝐿𝐿 = 𝑃1 · 0,025

Para 1 kW <P2 < 10.000 kW 𝑃𝐿𝐿 = 𝑃1 · [0,025 − 0,005 · log 10 · (𝑃2

1 𝑘𝑊)]

Para P2 ≥ 10.000 kW 𝑃𝐿𝐿 = 𝑃1 · 0,005

Ecuación 38– Determinación Pérdidas Adicionales

Donde:

PLL: son las pérdidas adicionales nominales a plena carga

P1: es la potencia absorbida (kW)

P2: es la potencia útil (kW)

26

Figura 8- Gráfica para la determinación de las pérdidas adicionales en carga según la norma IEC 60034-2-1.

Se calcula la resistencia que evalúa la potència útil desarrollada pel motor (Rload) según las ecuaciones

siguientes:

𝑅𝑙𝑜𝑎𝑑 =𝑃𝑢𝑡𝑖𝑙 𝑛 · 𝑠𝑛

3 · 𝐼′2𝑙𝑜𝑎𝑑 𝑛2 (1 − 𝑠𝑛)

[Ω]

Ecuación 39– Resistencia que evalúa la potencia útil desarrollada por el motor

𝐼′2𝑙𝑜𝑎𝑑 𝑛 = 𝐼′2 𝑛 − 𝐼𝑅𝑓𝑟𝑒𝑔

Ecuación 40– Corriente de Carga

Donde:

Putil n: Potencia útil nominal

sn: Deslizamiento nominal

I’2loadn: Corriente de carga

I’2n: Corriente del rotor

IRfreg: Corriente de pérdidas mecánicas

27

La variación de la resistencia y de la reactancia de dispersión del rotor con el deslizamiento es especialmente interesante de aplicar cuando el motor trabaja a frecuencia variable, donde R’2 y son los valores obtenidos a partir del ensayo de cortocircuito proporcionados por el fabricante (recomendable realizar este ensayo a una frecuencia aproximadamente el 15% de la frecuencia nominal).

𝑅′2 (𝑠) = [𝑘1 + 𝑘2 · √𝑠

𝑠𝑀𝑚𝑎𝑥] · 𝑅′2

Ecuación 41- Resistencia del Rotor con deslizamiento

𝑋′𝑑2 (𝑠) = [𝑘3 + 𝑘4 · √𝑠

𝑠𝑀𝑚𝑎𝑥] · 𝑋′𝑑2

Ecuación 42- Reactancia del Rotor con deslizamiento

Donde:

R’2: Resistencia del rotor referida al estator a partir del ensayo de cortocircuito

X’d2: Reactancia del rotor referida al estator a partir del ensayo de cortocircuito

3.3. Circuito equivalente proporcionado por ALSTOM.

Este circuito se ha utilizado exclusivamente para analizar el motor 4 HGA 1433 de Alstom,

ya que el circuito ha sido facilitado por Alstom.

Circuito 6 - Circuito equivalente proporcionado por Alstom

Donde:








L’2: Inductancia de dispersión del rotor, referida al estator

Lm: Inductancia magnetizante

28

4.3.1. Ecuaciones del circuito equivalente proporcionado por Alstom. Antes de empezar a analizar el circuito, hay que pasar las inductancias a reactancias, para

ello se utiliza la siguiente formula:

𝑋1 = 2 · 𝜋 · 𝑓 · 𝐿1

Ecuación 43- Reactancia en el estator

Donde: f: frecuencia de funcionamiento L1: Inductancia del estator

𝑋𝑚 = 2 · 𝜋 · 𝑓 · 𝐿𝑚

Ecuación 44- Reactancia magnetizante

Donde: Lm: Inductancia de la rama de vacío

𝑋′2 = 2 · 𝜋 · 𝑓 · 𝐿′2

Ecuación 45- Reactancia del rotor

Donde: L’2: Inductancia del rotor, referida al estator Igual que en el circuito eléctrico, cuando se calculan sus parámetros, primero se agrupa los elementos que están en serie y en paralelo simplificando el circuito; en este caso por las ramas que dispone el circuito:

Circuito 7 - Circuito equivalente simple

Donde Z1 es la impedancia del estator y su valor es la suma de la resistencia y reactancia en el

estator.

𝑍1 = 𝑅1 · 𝑋1 [Ω]


Z0 es la impedancia de vacío, en este caso, coincide con la reactancia de vacío.

𝑍0 = 𝑗𝑋𝑚 [Ω]


29


𝑍′2 = 𝑅′2𝑠+ 𝑗𝑋′𝑑2 [Ω]



𝑍𝑇 = 𝑍1 +𝑍0 · 𝑍2

𝑍0 + 𝑍2 [Ω]


A partir de la impedancia equivalente del circuito y de la tensión de alimentación, se calcula la corriente absorbida por el motor, la corriente de estator. El módulo de esta corriente servirá para calcular las pérdidas joule en el estator.

𝐼1 = 𝑉1𝑍𝑇 [𝐴]

Ecuación 50- Corriente Estator

Una vez conocida la corriente del estator, se calcula la F.E.M. inducida en el rotor, que juntamente con la impedancia del rotor, servirá para calcular la corriente en esta rama.

𝐸 = 𝑉1 − (𝑍1 · 𝐼1) [𝑉]

Ecuación 51- F.E.M Inducida

𝐼′2 = 𝐸

𝑍′2 [𝐴]

Ecuación 52- Corriente Rotor

Con esta corriente ya se puede calcular las pérdidas joule en el rotor. Otra expresión que se obtiene en este circuito es la corriente de vacío, que se calcula a partir de la diferencia entre las corrientes de estator y rotor.

𝐼0 = 𝐼1 − 𝐼′2 [𝐴]

Ecuación 53- Corriente de Vacío

3.4. Balance de Potencias

El balance de potencias es un conjunto de expresiones donde a partir de algunas medidas y del circuito equivalente se pueden calcular las diferentes potencias que tiene el motor, a continuación

se exponen las ecuaciones de las distintas potencias.

30

3.4.1. Potencia absorbida

La potencia absorbida, es la potencia que el motor consume de la red.

𝑃𝑎𝑏 = √3 · 𝑉1 · 𝐼1 · cos𝜑1 [𝑊]

Ecuación 54– Potencia Absorbida

3.4.2. Pérdidas joule en el estator Es la potencia disipada en forma de calor en la resistencia de los bobinados del estator del motor,

𝑃𝑗1 = 3 · 𝑅1 · 𝐼12 [𝑊]

Ecuación 55– Pérdidas Joule Estator

3.4.3. Pérdidas en el Hierro Les pérdidas en el hierro se encuentran tanto en el estator como en el rotor, aunque la mayoría se sitúan en el estator, ya que las del rotor depende de la velocidad relativa entre el campo magnético y el rotor, siendo minoritarias respecto al estator.

𝑃𝑓𝑒 = 3 ·𝐸2

𝑅𝑓𝑒 [𝑊]

Ecuación 56– Pérdidas en el Hierro

3.4.4. Potencia síncrona La potencia síncrona es la potencia que se transmite al rotor.

𝑃𝑠 = 𝑃𝑎𝑏 − 𝑃𝑗1 − 𝑃𝑓𝑒 [𝑊]

Ecuación 57– Potencia Síncrona

3.4.5. Pérdidas joule en el rotor Igual que en el estator, el rotor también tiene una resistencia R’2. Esta resistencia disipará energía en forma de calor.

𝑃𝑗2 = 3 · 𝑅′2 · 𝐼′22= 𝑃𝑠 · 𝑠 [𝑊]

Ecuación 58– Pérdidas Joule Rotor

3.4.6. Potencia mecánica Es la potencia mecánica que proporciona el motor antes de las pérdidas por rozamiento y adicionales.

𝑃𝑚𝑒𝑐 = 3 · 𝑅′2𝑠· (1 − 𝑠) · 𝐼′2

2= 𝑃𝑠 − 𝑃𝑗2 = 𝑃𝑠 · (1 − 𝑠) [𝑊]

Ecuación 59– Potencia Mecánica

31

3.4.7. Pérdidas per rozamiento

Les pérdidas por rozamiento son debidas a la fricción del motor por ventilación y a la fricción de los cojinetes y mecanismos móviles del motor. Estos aumentan con la velocidad del motor.

𝑃𝑓𝑟𝑒𝑔 = 𝑉𝑅𝑓𝑒𝑔

2

𝑅𝑓𝑟𝑒𝑔 [𝑊]

Ecuación 60– Pérdidas por Rozamiento

3.4.8. Pérdidas adicionales en carga

Estas son pérdidas tiene el motor a aumentar el índice de carga del motor.

𝑃𝑎𝑑 = 3 · 𝑅𝑎𝑑 · 𝐼′22 [𝑊]

Ecuación 61– Pérdidas Adicionales

3.4.9. Potencia útil

Esta es la potencia que proporciona el motor en el su eje.

𝑃𝑢 = 𝑃𝑎𝑏𝑠 − 𝑃𝑗1 − 𝑃𝑓𝑒 − 𝑃𝑗2 − 𝑃𝑓𝑟𝑒𝑔 − 𝑃𝑎𝑑 = 𝑃𝑎𝑏𝑠 −∑𝑃é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 [𝑊]

Ecuación 62– Potencia Útil

32

Tabla 3- Ensayo en Carga Motor 4 HGA 1433

4. DATOS DE LOS FABRICANTES

En este apartado se muestran los resultados de los ensayos, así como los diversos

parámetros del circuito proporcionados por los diversos fabricantes, para realizar la posterior caracterización del circuito equivalente en los cada uno de los dos motores que componen el proyecto.

4.1. Motor 4 HGA 1433 de Alstom

4.1.1. Datos nominales del motor

Tabla 1- Datos nominales motor 4 HGA 1433

4.1.2. Datos Circuito equivalente fabricante

Tabla 2 - Datos Motor 4 HGA 1433

4.1.3. Ensayos del fabricante

A continuación se muestra los resultados que Alstom nos ha proporcionado y que han obtenido del motor 4 HGA 1433 en su banco de ensayo.

4.1.3.1. Ensayo en Carga

Los resultados del ensayo en carga que nos proporciona Alstom (Tabla 1), dependen de la frecuencia a la que se ha realizado el ensayo.

33

4.1.3.2. Ensayo en Vacío

En la Tabla 2, se puede ver los datos del ensayo en vacío del motor, se puede observar

que el ensayo se ha realizado únicamente a una frecuencia a diferencia del ensayo en carga.

Tabla 4- Ensayo en Vacío Motor 4 HGA 1433

4.2. Motor 1TB2220 de Siemens

4.2.1. Datos nominales del motor

Tabla 5- Datos nominales motor 1TB2220

4.2.2. Datos Circuito equivalente fabricante

Tabla 6 - Datos Motor 1TB2220

4.2.3. Ensayos del fabricante

A diferencia de los datos de los ensayos proporcionados por Alstom en su motor, en el que

los resultados dependían de la frecuencia a la que se realizaba el ensayo, Siemens nos ha proporcionado varios resultados, para los ensayos de cortocircuito, el ensayo en vacío y el ensayo en carga, con una frecuencia fija.

34

Tabla 7- Ensayo en Cortocircuito Motor 1TB2220

4.2.3.1. Ensayo en Cortocircuito

En la siguiente tabla (Tabla 3) se puede observar los resultados obtenidos del ensayo en

cortocircuito para tres frecuencias fijas

35

4.2.3.2. Ensayo en Vacío

A continuación (Tabla 4), se puede ver los resultados obtenidos del ensayo en vacío para tres frecuencias fijas.

Tabla 8- Ensayo en Vacío Motor 1TB2220

36

Tabla 9- Ensayo en Carga Motor 1TB2220

4.2.3.3. Ensayo en Carga

Para finalizar, se muestran los resultados del ensayo en carga, que al igual que los

anteriores ensayos del motor de Siemens, obtenemos varios resultados para una frecuencia fija

37

5. PROCESO DE CÁLCULO PARA DETERMINAR LOS DIFERENTES PARÁMETROS DEL

CIRCUITO

Para determinar los diferentes parámetros del circuito equivalente, así como el posterior

balance de potencias completo, se utiliza un proceso en el que es necesario todos los datos de los distintos ensayos que nos han proporcionado los dos fabricantes. Determinar el circuito equivalente a partir de los resultados de los ensayos es complejo ya que se trata de un sistema no lineal. Per resolver este sistema lo realizaremos mediante la hoja de cálculo Excel, que nos proporciona la función “solve”. Esta función, se basa con el sistema de prueba-error, donde va comprobando diferentes valores de los parámetros del circuito equivalente hasta obtener la solución deseada dentro de los márgenes de error previamente fijados. En el siguiente diagrama de bloques se ve el proceso para obtener el circuito equivalente a partir de los resultados de los ensayos. En este caso, el diagrama corresponde a la obtención del circuito equivalente que incluye todas las pérdidas con el motor 4 HGA 1433 de Alstom. El proceso de cálculo sobre el circuito equivalente del motor 1TB2220 de Siemens no se ha representado, ya que es igual que el del motor de Alstom con la diferencia de que únicamente se conoce R1.

Los datos que se utilizan en el esquema son los siguientes: V: Tensión nominal

f: Frecuencia

In: Intensidad nominal

n: Velocidad en rpm

p: número de par polos

Pabs: Potencia absorbida

Tn: Par máximo

Pu: Potencia útil

cos : Factor de potencia

Rendimiento


Xd1: Reactancia estator

Xm: Reactancia magnetizante

X'd2: Reactancia del rotor referida al estator


RFE: Resistencia hierro

RFREG: Resistencia rozamiento

RAD: Resistencia adicional

38

Gráfico 1- Proceso de Cálculo aplicado

CARACTERISTICAS MOTOR

V, f, In, n, p, Pabs, Tn, Pu, cos ,

EVALUACIÓN

CIRCUITO

FINAL EVALUACIÓN

CIRCUITO EQUIVALENTE

MODIFICACIÓN

MARGEN DE

ERROR

PARAMETROS CIRCUITO

CONOCIDOS

R1, Xd1, Xm, X'd2, R2

OBTENCIÓN PARAMETROS

RESTANTES POR ENSAYOS

RFE, RFREG, RAD

PROGRAMAR MÉTODO DE

CÁLCULO POR ITERACIONES

ESTABLECER MARGEN DE

ERROR

CAMBIAR

PARÁMETROS

SOLUCIÓN

ERRÓNEA

SOLUCIÓN

CORRECTA

INICIO EVALUACIÓN

CIRCUITO EQUIVALENTE

39

Inicialmente, se parte de los datos facilitados por el fabricante, como son los datos nominales, ensayos

realizados y parámetros calculados. También se utilizan los datos del circuito equivalente que el fabricante también nos haya proporcionado. Seguidamente, mediante los resultados de los ensayos, de cortocircuito, vacío y carga, que el fabricante nos ha proporcionado se obtienen los parámetros restantes del circuito equivalente. Una vez obtenido todos los parámetros del circuito se realiza un balance de potencia mediante la hoja de cálculo de Excel, y se compara las curvas características del ensayo con las obtenidas a partir de los datos facilitados por el fabricante, si los resultados son muy aproximados entre sí, se dan por buenos, si en cambio, son distantes se recalcula el sistema con unos márgenes de errores más ajustados.

40

6. ANÁLISIS DE LOS CIRCUITOS EQUIVALENTES MEDIANTE HOJA DE CÁLCULO

Para comprobar que con el proceso de cálculo descrito en el punto anterior se obtiene

prácticamente el mismo resultado que si se ensayara un motor en el laboratorio, compararemos

los resultados obtenidos de los ensayos de los distintos motores en el laboratorio con los

resultados obtenidos del análisis de los mismos motores en la hoja de cálculo elaborada.


6.1.1. Parámetros del circuito equivalente que incluye todas las pérdidas obtenidas

6.1.2. Curvas características del motor 4 HGA 1433 Ensayos realizados en el laboratorio:

o Ensayo en Vacío

o Ensayo en Carga

En las siguientes gráficas se muestran estas curvas en relación a la frecuencia de ensayo,

comparando los resultados obtenidos utilizando los resultados de los ensayos del motor en el

laboratorio (Ensayo), con la hoja de cálculo del Circuito equivalente proporcionado por Alstom

(C.F) y del Circuito equivalente que incluye todas las pérdidas (C.M.F).

En el primer gráfico, se muestra los distintos puntos que se han obtenido de la potencia absorbida.

Se puede observar gráficamente, como con el circuito equivalente que incluye todas las pérdidas,

el resultado es más aproximado a los ensayos en el laboratorio.

Tabla 10- Parámetros Circuito Equivalente 4 HGA 1433

41

Gráfico 2 - Potencia Absorbida Alstom

En el segundo gráfico, se muestra los distintos puntos que se han obtenido de la potencia útil. Se

puede observar gráficamente, que tal y como pasaba en el grafico anterior, con el circuito

equivalente que incluye todas las pérdidas, el resultado es más aproximado a los ensayos en el

laboratorio.

Gráfico 3 - Potencia Útil Alstom

90000

110000

130000

150000

170000

190000

210000

230000

20 40 60 80 100 120 140 160

(W)

f (Hz)

Pabs

Ensayo

Calculos C.F

Calculos C.M.F

70000

90000

110000

130000

150000

170000

190000

210000

230000

20 40 60 80 100 120 140 160

(W)

f (Hz)

Pu

Ensayo

Calculos C.F

Calculos C.M.F

42

En el siguiente gráfico, se muestra los distintos puntos que se han obtenido del rendimiento del

motor. En este gráfico sí que se puede observar que el circuito equivalente que incluye todas las

pérdidas da unos resultados muy aproximados a los resultados de los ensayos de laboratorio.

Gráfico 4 - Rendimiento Alstom

Para finalizar, el último gráfico nos muestra los resultados obtenidos del momento útil, en cada uno de los puntos de ensayo.

Gráfico 5 - Momento Útil Alstom

80

82

84

86

88

90

92

94

96

98

20 40 60 80 100 120 140 160

(%)

f (Hz)

η

Ensayo

Calculos C.F

Calculos C.M.F

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

20 40 60 80 100 120 140 160

(Nm

)

f (Hz)

Mu

Ensayo

Calculos C.F

Calculos C.M.F

43

Se ha podido observar en todos los gráficos, como los resultados obtenidos con el circuito equivalente que incluye todas las pérdidas son más próximos a los ensayos realizados en el laboratorios, con lo cual a los resultados reales, que si utilizamos el circuito equivalente que Alstom nos ha proporcionado.


6.2.1. Parámetros circuito equivalente que incluye todas las pérdidas A continuación se adjunta las tablas de valores de los parámetros del circuito equivalente que incluye todas las pérdidas, por frecuencia:

6.2.1.1. Frecuencia de 30 Hz

Tabla 11-Parámetros Circuito Equivalente 1TB2220 a 30 Hz





44

6.2.2. Curvas características del motor 1TB2220

Ensayos realizados en el laboratorio:

o Ensayo en Cortocircuito

o Ensayo en Vacío

o Ensayo en Carga

Al igual que en el motor anterior, para mostrar los resultados obtenidos, se utilizarán las mismas

curvas que en el apartado anterior, pero a diferencia del anterior apartado, esta vez solamente se

ha utilizado el circuito equivalente que incluye todas las pérdidas (Cálculos C.E), y el circuito

clásico (Cálculos C.C), ya que Siemens a diferencia de Alstom, no nos ha proporcionado ningún

circuito especifico.

Al haber varios puntos de ensayo con la misma frecuencia, para corroborar que los datos

obtenidos con la hoja de cálculo son muy parecidos a los resultados de los ensayos, se mostrarán

los gráficos con los resultados obtenidos a la frecuencia de 60 Hz, en este caso, se utiliza de

referencia el índice de carga (I/In) del motor.

Para empezar, se muestra la potencia absorbida en los distintos índices de carga (I/In) del motor.

Gráfico 6 - Potencia Absorbida Siemens

90000,00

140000,00

190000,00

240000,00

290000,00

340000,00

390000,00

1,040 1,060 1,080 1,100 1,120 1,140 1,160 1,180 1,200

(W)

(I/In)

Pabs

Ensayo

Calculos C.E

Calculos C.C

45

En el segundo grafico se muestra el grafico de la potencia útil obtenida.

Gráfico 7 - Potencia Útil Siemens

A continuación, se muestra el gráfico del rendimiento obtenido en los diferentes índices de carga

con una frecuencia fija de 60 Hz

Gráfico 8 - Rendimiento Siemens

90000,00

140000,00

190000,00

240000,00

290000,00

340000,00

1,040 1,060 1,080 1,100 1,120 1,140 1,160 1,180 1,200

(W)

(I/In)

Pu

Ensayo

Calculos C.E

Calculos C.C

92,500

93,000

93,500

94,000

94,500

95,000

95,500

1,040 1,060 1,080 1,100 1,120 1,140 1,160 1,180 1,200

(%)

(I/In)

ƞ

Ensayo

Calculos C.E

Calculos C.C

46

Y para finalizar, se muestra el gráfico del momento útil en los distintos puntos estudiados.

Gráfico 9 - Momento Útil motor Siemens

Comentar que los resultados que se han obtenido son satisfactorios, ya que los resultados son muy parecidos a los resultados del ensayo por lo que esto permite realizar un análisis de mejora del rendimiento utilizando el circuito equivalente que incluye todas las pérdidas del motor, puesto que ha quedado demostrado que se comporta como una herramienta de cálculo de mucha utilidad y fiabilidad.

500,00

1000,00

1500,00

2000,00

2500,00

3000,00

1,040 1,060 1,080 1,100 1,120 1,140 1,160 1,180 1,200

(Nm

)

(I/In)

Mu

Ensayo

Calculos C.E

Calculos C.C

47

7. ANÁLISIS DE LA MEJORA DE RENDIMIENTO

Debido a la elevada potencia de los motores en esta aplicación el plantear posibles mejoras del

rendimiento tiene un gran potencial de ahorro energético.

A partir de los resultados obtenidos y del buen comportamiento del circuito equivalente que incluye

todas las pérdidas del motor, este circuito equivalente es una buena herramienta para estudiar

posibles acciones de mejora del rendimiento.

Las mejoras que se han procedido en el estudio, son las mismas para ambos motores, y son las que se describen a continuación:

7.1. Aumento de la sección del conductor en el estator La primera mejora de rendimiento que se ha realizado es un aumento en la sección de los conductores que se encuentran en las diversas ranuras del estator, así la resistencia en el estator se reduce de manera que la sección de los conductores aumentan, de esta manera las pérdidas por efecto joule en el estator se verán reducidas, con lo cual el rendimiento que proporciona la máquina es mayor, cabe decir, que se ha realizado la hipótesis de que la sección de ranura en el estator no varía y que la resistencia disminuye de manera proporcional al aumento de la sección del conductor, hay que decir que esta hipótesis seguro que no se cumple, pero que por alcance del proyecto y de tiempo disponible no se ha abordado el estudio de modificación de la ranura y por lo tanto de la forma de la chapa magnética de la máquina. La sección de conductor que se ha aumentado es de un 5% con respecto a la sección que tenía anteriormente, con lo cual la resistencia en el estator se reduce. A continuación se muestra el gráfico del rendimiento obtenido con la mejora de rendimiento en comparación del obtenido con el estudio del circuito equivalente.

7.1.1. Gráfica del rendimiento motor 4 HGA 1433, aumento sección estator

Gráfico 10 - Aumento sección Estator Alstom

80,00%

82,00%

84,00%

86,00%

88,00%

90,00%

92,00%

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

f (Hz)

ηs

Calculos C.M.F

Mejora R1

48

Debido a que la mejora del rendimiento es muy pequeña para un aumento de la sección del 5%, a continuación, se muestra una tabla donde se muestra numéricamente la mejora del rendimiento.

Tabla 14 - Aumento sección Estator Alstom

7.1.2. Gráfica del rendimiento motor 1TB2220, aumento sección estator

Gráfico 11 - Aumento sección Estator Siemens

Al igual que en el apartado anterior, a continuación se inserta tabla donde se observa la mejora del aumento de sección de los conductores en el estator.

93,20%

93,40%

93,60%

93,80%

94,00%

94,20%

94,40%

94,60%

1,040 1,060 1,080 1,100 1,120 1,140 1,160 1,180 1,200

(I/In)

ƞs

Calculos C.E

Mejora R1

49

Tabla 15 - Aumento sección Estator Siemens

7.2. Aumento de la sección del conductor en el rotor

La segunda mejora de rendimiento que se ha realizado es un aumento en la sección de los conductores que se encuentran en las diversas ranuras del rotor, así la resistencia en el rotor se reduce de manera que la sección de los conductores aumentan, de esta manera las pérdidas por efecto joule en el rotor se verán reducidas, con lo cual el rendimiento que proporciona la máquina es mayor, al igual que en antes se ha realizado la hipótesis de que la sección de ranura en el rotor no varía y que la resistencia disminuye de manera proporcional al aumento de la sección del conductor. La sección de conductor que se ha aumentado es de un 5% con respecto a la sección que tenía anteriormente, con lo cual la resistencia en el rotor se reduce. A continuación se muestra el gráfico del rendimiento obtenido con la mejora de rendimiento en comparación del obtenido con el estudio del circuito equivalente.

7.2.1. Gráfica del rendimiento motor 4 HGA 1433, aumento sección rotor

Gráfico 12 - Aumento sección Rotor Alstom

80,00%

82,00%

84,00%

86,00%

88,00%

90,00%

92,00%

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

f (Hz)

ηr

Mejora R2

Calculos C.M.F

50

A continuación se añade la tabla comparativa.

Tabla 16 - Aumento sección Rotor Alstom

7.2.2. Gráfica del rendimiento motor 1TB2220, aumento sección rotor

Gráfico 13 - Aumento sección Rotor Siemens

Al igual que en los apartados anteriores, se adjunta tabla comparativa de resultados.

Tabla 17 - Aumento sección Rotor Siemens

93,20%

93,40%

93,60%

93,80%

94,00%

94,20%

94,40%

94,60%

94,80%

1,04 1,06 1,08 1,1 1,12 1,14 1,16 1,18 1,2

(I/In)

ƞr

Calculos C.E

Mejora R2

51

7.3. Cambio del tipo de chapa del motor

Para finalizar, la última mejora que se ha realizado es un cambio del tipo de chapa del motor, para ello se ha utilizado una chapa con una pérdidas especificas totales menores. La chapa que compone al motor actualmente tiene la nomenclatura de M400-50 A de Cogent S.A, con unas pérdidas específicas totales de 3,42 W/kg, en cambio, la chapa con la que se ha realizado la mejora del rendimiento es de la misma casa, M235-35 A, con unas pérdidas especificas totales de 2,25 W/kg, todas estas pérdidas específicas son a 50 Hz y a 1,5 T Este estudio es simplificado, puesto que habría que ver el valor de la inducción en diferentes zonas del circuito magnético de la máquina y de cómo varían las pérdidas específicas de las dos chapas con la frecuencia. La disminución de pérdidas específicas, con este cálculo simplificado, se ha aplicado directamente al valor de la resistencia de pérdidas en el hierro. A continuación se muestra las gráficas del rendimiento de cada motor, con el cambio de chapa.

7.3.1. Gráfica del rendimiento motor 4 HGA 1433, cambio de chapa

Gráfico 14 – Cambio chapa Alstom

A continuación se muestra la mejora del resultado de la mejora del rendimiento del cambio de chapa.

Tabla 18 - Cambio chapa Alstom

80,00%

82,00%

84,00%

86,00%

88,00%

90,00%

92,00%

94,00%

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

f (Hz)

ηc

Calculos C.E

Mejora Chapa

52

7.3.2. Gráfica del rendimiento motor 1TB2220, cambio de chapa

Gráfico 15 - Cambio chapa Siemens

En la siguiente tabla, se muestra la mejora del rendimiento, en valores numéricos.

Tabla 19 - Cambio chapa Siemens

93,20%

93,40%

93,60%

93,80%

94,00%

94,20%

94,40%

94,60%

94,80%

95,00%

95,20%

1,040 1,060 1,080 1,100 1,120 1,140 1,160 1,180 1,200

(I/In)

ƞc

Calculos C.E

Mejora Chapa

53

7.4. Comparación de todas las mejoras

Para finalizar, se expone un cuadro de cada motor donde se pueden observar las 3 mejoras de rendimiento que se han efectuado, y valorar más claramente cuál de ellas es la mejora que presenta un mayor aumento del rendimiento del motor.

7.4.1. Comparación mejora motor 4 HGA 1433 Primero empezamos con el motor de Alstom:

Tabla 20 - Comparación rendimiento Alstom

Como se puede observar, la mayor mejora del rendimiento se efectúa cuando se hace un cambio de chapa, ya que se reducen las pérdidas específicas que sufre el motor, si en cambio decidimos, hacer un aumento de sección de los conductores del motor para que la resistencia total disminuya y por tanto las pérdidas por efecto Joule también disminuya, habría que hacer un aumento de sección en los conductores del rotor, ya que las pérdidas Joule en el rotor son mayores que en el estator.

7.4.2. Comparación mejora motor 1TB2220 A continuación se muestra la tabla del motor de Siemens para 60 Hz:

Tabla 21 - Comparación rendimiento Siemens

Tal y como sucede en el motor de Alstom, en el motor de Siemens la mayor mejora de rendimiento está en el cambio de chapa, y la segunda en el aumento de la sección de los conductores del rotor, por el mismo motivo que se ha expuesto en el punto anterior.

54

8. ESTUDIO DEL IMPACTO AMBIENTAL

En el estudio medioambiental se tendrá en cuenta los impactos ambientales derivados de la tracción eléctrica así como se hará un estudio de cada uno de los motores que componen el proyecto, mediante la metodología MEEUP (Methodology for the Eco-Design of Energy Using Products) de la Unión Europea.

8.1. Impactos derivados de la tracción eléctrica En el estudio de los impactos sobre la contaminación atmosférica se tendrá en cuenta la contaminación que se generan en las diversas centrales eléctricas, a partir del mix eléctrico de Red Eléctrica

8.1.1. Contaminación Centrales Eléctricas

Las centrales eléctricas se sitúan, normalmente, a las afueras de los cascos urbanos o residenciales, por este motivo la gente no tiene conciencia de que la energía eléctrica contamina, más o menos, dependiendo de la central de donde provenga. Por eso en el siguiente gráfico se muestra cuántos kg de CO2 se originan para producir un kWh, dependiendo de la central donde se generen

Gráfico 16 - Emisiones de CO2 datos del Observatorio de la Electricidad del Sistema Peninsular del año 2009

Dentro del apartado de Régimen Especial tenemos:

- Cogeneración: 58% del total; 0,37 kg CO2/kWh - Biomasa: 7,0%; 0,00 kg CO2/kWh

- Residuos: 7,6%; 0,24 kg CO2/kWh - Tratamiento de residuos: 8,5%;

- Hidráulica: 12,8%; 0,00 kg CO2/kWh 0,24 kg CO2/kWh

- Solar: 6,2%; 0,00 kg CO2/kWh

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1 0,95

0,7

0,37

0,25 0,23

0 0 0

kg C

O2/

kW

h

Emisiones de CO2

55

8.1.2. Impacto acústico y de vibraciones

En los motores de tracción eléctrica, las principales fuentes de ruido y vibraciones suele ser los controladores electrónicos del motor, el propio motor y los ventiladores auxiliares. Para reducir los niveles de ruido y de vibraciones en los motores de tracción se ha aplicado unas pinturas especiales que atenúan los niveles de emisión producidos en los bogíes, que es el lugar donde van situados los motores de tracción. De esta manera, se puede demostrar que con la tecnología actual se puede satisfacer con los valores establecidos por la normativa en cuanto a niveles sonoros y de vibraciones.

8.2. Metodología MEEUP (Methodology for the Eco-Design of Energy Using Products)

La metodología MEEUP, consta de los siguientes apartados en su manual de aplicación:

- Dominio de aplicación del eco-diseño.

- Metodología de aplicación de impacto ambiental.

- Análisis medioambiental: LCA (Ciclo de vida)

- Impacto medioambiental: indicadores.

- Análisis de mercado.

- Potencial de las mejoras aplicables.

En el proyecto nos centraremos en el análisis del LCA.

Gráfico 17- Ciclo de Vida básico

El LCA comporta aspectos muy positivos puesto que:

- Permite englobar los conceptos anteriores de diseño, eficiencia energética y del

reciclado.

- Permite realizar comparaciones y tomar decisiones, puesto que cuantifica

numéricamente cada uno de los impactos anteriores, no únicamente desde la perspectiva

económica.

- Proporciona la magnitud del impacto que tiene la fabricación de una unidad

seleccionada

Las nuevas tendencias de las directivas europeas priorizan la prevención sobre el control de la contaminación, principio en el que se fundamental contemplar el ciclo de vida cumplido de los productos industriales.

56

A través de la Política Integrada de Producto, PIP, se pretende estimular la demanda de ecoproductos a través de sistemas de información al consumidor. Algunos de estos sistemas consisten en las etiquetas ecológicas tipo III ISO 14025 (declaraciones ambientales de producto) que consisten en un conjunto de datos exactos y cuantificados sobre los impactos ambientales producidos durante el ciclo de vida. Para obtener el impacto ambiental del LCA de los distintos motores que componen el proyecto, hay que tener en cuenta los siguientes aspectos:

- Componentes del motor (Tipo de chapa, pintura, aislamientos, conductores…)

- Hay que tener en cuenta el peso y el volumen del motor

- La fase de uso del motor

- El consumo del motor

Y mediante una serie de cálculos te muestra el impacto ambiental que tiene el motor en su LCA.

8.2.1. MEEUP motor 4 HGA 1433

Primeramente, se debe introducir las características físicas del motor en la hoja de cálculo, como son el tipo de material, pintura…, todo esto se puede observar en la siguiente tabla.

Tabla 22- Características motor 4 HGA 1433

Después se debe introducir el volumen del motor, el tiempo de fase de uso del motor, así como las pérdidas a partir del rendimiento y las horas que trabaja al año, todo esto se resumen en la siguiente tabla.

57

Tabla 23- Datos del motor 4 HGA 1433

A continuación se muestra los resultados obtenidos mediante el MEEUP para el motor de . Alstom durante su LCA, con los datos introducidos anteriormente.

Tabla 24- Resultados MEEUP motor 4 HGA 1433

58

8.2.2. MEEUP motor 1TB2220

Para el motor de siemens 1TB2220 se ha realizado el mismo procedimiento que el anterior apartado, de esta forma se puede observar las características del motor.

Tabla 25- Características motor 4 HGA 1433Caracteristicas motor 1TB2220

A continuación se debe introducir el volumen del motor, el tiempo de fase de uso del motor, así como las pérdidas a partir del rendimiento y las horas que trabaja al año, todo esto se resumen en la siguiente tabla.

Tabla 26- Datos del motor 1TB2220

59

A continuación se muestra directamente los resultados obtenidos mediante el MEEUP durante su LCA.

Tabla 27- Resultados MEEUP motor 1TB2220

Se puede observar en los MEEUPs anteriores como esta metodología nos muestra el impacto ambiental desde la producción del producto hasta el reciclaje del mismo, teniendo en cuenta la distribución y la fase de uso del producto, en resumen, este método tiene en cuenta todo el LCA. También se puede destacar que la fase que tiene más impacto del ciclo de vida es cuando el motor está en funcionamiento o fase de uso, de aquí la importancia que tiene, desde un punto de vida de impacto medioambiental, mejorar el rendimiento del motor. A continuación se muestra un ejemplo del motor 4 HGA 1433 en el que se observará la reducción de impacto medioambiental con la mejora del cambio de chapa.

60

8.3. Mejora del Impacto medioambiental con el cambio de chapa El procedimiento inicial es el mismo que en los apartados anteriores lo que las pérdidas a partir del rendimiento es inferior ya que el rendimiento es mejor tal y como se observa a continuación.

Tabla 28- MEEUP mejora de Chapa

En este caso las pérdidas a partir del rendimiento son de 9,46 kWh, mientras que en el apartado anterior del mismo motor, estas pérdidas eran de 11, 43 kWh, lo que supone una reducción de 1,97 kWh. A continuación se muestra el resultado final del MEEUP con la mejora del cambio de chapa.

Tabla 29- Resultados MEEUP mejora de Chapa

A continuación se hace puede observar en una tabla comparativa, el porcentaje de reducción que supone el cambio de chapa, en la fase donde más impacto medioambiental tiene el motor, es decir a lo largo de la fase de uso, y el total de las emisiones.

61

Tabla 30- Tabla Comparativa Fase de uso MEEUP

Tabla 31- Tabla Comparativa Total Emisiones MEEUP

Se puede observar como los recursos y gastos, las emisiones de aire, las emisiones de agua, se han visto reducidas significativamente durante la fase de uso del motor, ya que el cambio de chapa ha proporcionado una mejora del rendimiento. A continuación se realizará un estudio económico para ver si este cambio de chapa del motor y mejora del rendimiento, también se ven remunerada económicamente, ya que hemos observado que con esta mejora el impacto medioambiental se ve reducido significativamente.

62

9. ESTUDIO ECONÓMICO En este apartado haremos un estudio económico del análisis de motores mediante la hoja de cálculo. Para realizar el estudio económico, se ha escogido el cambio de chapa ya que es la que proporciona el mejor rendimiento entre las opciones estudiadas anteriormente, en el estudio económico se analiza la reducción de energía eléctrica que se consume cuando realizamos un cambio en la chapa de la estructura de cada uno de los motores, posteriormente se estudia el aumento del coste que supone el incorporar una chapa mejor en la estructura del motor y el tiempo que se tardaría en recuperar dicha inversión.

9.1. Motor 4 HGA 1433 de Alstom En los siguientes datos facilitados por la empresa Tram Operadora, se muestra el consumo de una unidad de tranvía por meses y el global anual.

Tabla 32 – Consumo Mensual Unidad 06

63

Gráfico 18 - Consumo Mensual Unidad 06 del Trambaix

Una vez que tenemos el consumo anual total de los motores de la unidad, se tienen que tener en cuenta que cada unidad tiene dos bogies motores, y cada bogie motor lleva incorporado 2 motores por lo que el consumo por motor es el siguiente:

𝑀𝑜𝑡𝑜𝑟𝑒𝑠 𝑝𝑜𝑟 𝑈𝑛𝑖𝑑𝑎𝑑 = 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝐵𝑜𝑗í𝑒 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟𝑒𝑠 · 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟𝑒𝑠 𝑝𝑜𝑟 𝐵𝑜𝑗í𝑒

Ecuación 63– Motor por Unidad de Tranvía

𝑀𝑜𝑡𝑜𝑟𝑒𝑠 𝑝𝑜𝑟 𝑈𝑛𝑖𝑑𝑎𝑑 = 2 𝐵𝑜𝑗í𝑒 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟𝑒𝑠 · 2 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟𝑒𝑠 𝑝𝑜𝑟 𝐵𝑜𝑗í𝑒 = 4 𝑀𝑜𝑡𝑜𝑟𝑒𝑠

𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 = 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙

𝑀𝑜𝑡𝑜𝑟𝑒𝑠 𝑝𝑜𝑟 𝑈𝑛𝑖𝑑𝑎𝑑

Ecuación 64– Consumo por Motor de Tranvía

𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 = 238.752,04 𝑘𝑊ℎ 𝑎ñ𝑜⁄

4 𝑀𝑜𝑡𝑜𝑟𝑒𝑠 = 59.688,01 𝑘𝑊ℎ 𝑎ñ𝑜⁄

Una vez calculado el consumo por motor con la chapa M400-50 A, vamos a ver cuánto se reduce el consumo utilizando la chapa M235-35 A que tiene unas pérdidas total inferiores a la primera. Para ello se analiza la diferencia de potencia absorbida entre las dos chapas, para un mismo consumo, sabiendo la mejora del rendimiento que conseguimos con cada chapa obtenemos que:

𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑀𝑜𝑡𝑜𝑟M235−35 A 𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙 = 𝑀𝑒𝑗𝑜𝑟𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑟𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 · 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟

Ecuación 65– Consumo por Motor con Cambio de Chapa anual

𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑀𝑜𝑡𝑜𝑟M235−35 A 𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙 = 0,93 · 59.688,01 𝑘𝑊ℎ

𝑎ñ𝑜⁄ = 55.509,85 𝑘𝑊ℎ 𝑎ñ𝑜⁄

𝐷𝑖𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜𝑠 𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙 = 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑀𝑜𝑡𝑜𝑟M400−50 A − 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑀𝑜𝑡𝑜𝑟M235−35 A

Ecuación 66– Diferencia de Consumos anual

64

𝐷𝑖𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙 = 59.688,01 𝑘𝑊ℎ 𝑎ñ𝑜⁄ − 55.509,85 𝑘𝑊ℎ 𝑎ñ𝑜⁄ = 4.178,16 𝑘𝑊ℎ 𝑎ñ𝑜⁄

Teniendo en cuenta que el precio por kWh para empresas ferroviarias es de 0,068408 €/kWh, tendremos que el ahorro de energía anual entre las dos chapas es el siguiente:

𝐷𝑖𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝐺𝑎𝑠𝑡𝑜𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙 = 𝐷𝑖𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 · 𝑃𝑟𝑒𝑐𝑖𝑜 𝑘𝑊ℎ

Ecuación 67– Ahorro Energía anual

𝐷𝑖𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝐺𝑎𝑠𝑡𝑜 𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙 = 4.178,16 𝑘𝑊ℎ 𝑎ñ𝑜⁄ · 0,068408 € 𝑘𝑊ℎ⁄ = 285,82 € 𝑎ñ𝑜⁄

Por lo tanto, tenemos que la reducción del gasto energético es de 285,82 € Una vez analizado la reducción del gasto del consumo de energía, se procede, a saber el incremento de precio que tiene el motor al realizarle el cambio de chapa.

Tabla 33- Precio de los metales

Asemejando la chapa M400-50 A a la chapa M43 steel core y la chapa M235-35 A a la chapa M19 steel core, tenemos que los precios son los siguientes:

Tabla 34- Precio de las chapas

65

𝑃𝑟𝑒𝑐𝑖𝑜 𝐶ℎ𝑎𝑝𝑎M400−50 A = 𝑃𝑟𝑒𝑐𝑖𝑜 𝐶ℎ𝑎𝑝𝑎 𝑒𝑛 €𝑘𝑔⁄ · 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑐𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑐ℎ𝑎𝑝𝑎 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟

Ecuación 68– Precio Chapa M400-50 A

𝑃𝑟𝑒𝑐𝑖𝑜 𝐶ℎ𝑎𝑝𝑎M400−50 A = 0,9386 €𝑘𝑔⁄ · 144 𝑘𝑔 = 135,1584 €

𝑃𝑟𝑒𝑐𝑖𝑜 𝐶ℎ𝑎𝑝𝑎M235−35 A = 𝑃𝑟𝑒𝑐𝑖𝑜 𝐶ℎ𝑎𝑝𝑎 𝑒𝑛 €𝑘𝑔⁄ · 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑐𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑐ℎ𝑎𝑝𝑎 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟

Ecuación 69– Precio Chapa M235-35 A


Así que la diferencia de precios que tenemos entre los dos motores es:

𝐷𝑖𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝐺𝑎𝑠𝑡𝑜𝐶ℎ𝑎𝑝𝑎 = 𝑃𝑟𝑒𝑐𝑖𝑜 𝐶ℎ𝑎𝑝𝑎M235−35 A − 𝑃𝑟𝑒𝑐𝑖𝑜 𝐶ℎ𝑎𝑝𝑎M400−50 A

Ecuación 70– Diferencia de Gasto Chapa

𝐷𝑖𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝐺𝑎𝑠𝑡𝑜𝐶ℎ𝑎𝑝𝑎 = 191,0736 € − 135,1584 € = 55,9152 €

Una vez obtenido el ahorro de gasto de consumo de electricidad y el aumento del precio del motor al cambiar el tipo de chapa, se procede a averiguar en cuanto tiempo se amortiza la inversión.

𝐴𝑚𝑜𝑟𝑡𝑖𝑧𝑎𝑐𝑖ó𝑛 = 𝐷𝑖𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝐺𝑎𝑠𝑡𝑜𝐶ℎ𝑎𝑝𝑎 𝐷𝑖𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝐺𝑎𝑠𝑡𝑜 𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙

Ecuación 71– Amortización Motor

𝐴𝑚𝑜𝑟𝑡𝑖𝑧𝑎𝑐𝑖ó𝑛 = 55,9152 €

285,82€ 𝑎ñ𝑜⁄= 𝟎, 𝟐𝟎 𝒂ñ𝒐𝒔 = 𝟕𝟐 𝒅í𝒂𝒔

66

9.2. Motor 1TB2220 de Siemens La metodología utilizada es la misma que en el apartado anterior, así que en este caso pondremos los resultados directamente, y las gráficas que fuesen necesarias. La siguiente gráfica se muestra el consumo de una unidad de Civia por kilómetro recorrido, vamos a suponer que el consumo de la unidad 447 de Renfe y el consumo del Civia es el mismo.

Gráfico 19 - Consumo y emisiones por km

Podemos observar como el consumo en los motores es de 5,53 𝑘𝑊ℎ 𝑘𝑚⁄ , por lo que si elegimos

una distancia estándar de 1.000.000 km, obtenemos el siguiente consumo:

𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 1.000.000 𝑘𝑚 𝑎ñ𝑜⁄ = 5,53 𝑘𝑊ℎ 𝑘𝑚⁄ · 100 𝑘𝑚 = 5.530.000 𝑘𝑊ℎ 𝑎ñ𝑜⁄

Contando que cada unidad de tren tiene 8 motores, nos queda un consumo anual por motor de:

𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙 = 5.530.000 𝑘𝑊ℎ 𝑎ñ𝑜⁄

8 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟𝑒𝑠= 691.250 𝑘𝑊ℎ 𝑎ñ𝑜⁄

Una vez calculado el consumo por motor con la chapa M400-50 A, vamos a ver cuánto se reduce el consumo utilizando la chapa M235 -35 A que tiene unas pérdidas totales inferiores a la primera. Para ello se analiza la diferencia de potencia absorbida entre las dos chapas, para un mismo consumo, sabiendo la mejora del rendimiento que conseguimos con cada chapa (Tabla 15) obtenemos que:

67

𝐷𝑖𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙 = 0,0055 · 691.250 𝑘𝑊ℎ 𝑎ñ𝑜⁄ = 3.801,875 𝑘𝑊ℎ 𝑎ñ𝑜⁄

Teniendo en cuenta que el precio por kWh para empresas ferroviarias es de 0,068408 €/kWh, tendremos que la diferencia de gasto entre las dos chapas es la siguiente:

𝐷𝑖𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝐺𝑎𝑠𝑡𝑜 𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙 = 3.801,875 𝑘𝑊ℎ 𝑎ñ𝑜⁄ · 0,068408 € 𝑘𝑊ℎ⁄ = 260,78 €

Por lo tanto, tenemos que la reducción del gasto energético es de 260,78 € Una vez analizado la reducción del gasto del consumo de energía, se procede, a saber el incremento de precio que tiene el motor al realizarle el cambio de chapa.



Así que la diferencia de precios que tenemos entre los dos motores es:

𝐷𝑖𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝐺𝑎𝑠𝑡𝑜𝐶ℎ𝑎𝑝𝑎 = 467,0688 € − 330,3872 € = 136,6816 €

Una vez obtenido el ahorro de gasto de consumo de electricidad y el aumento del precio del motor al cambiar el tipo de chapa, se procede a averiguar en cuanto tiempo se amortiza la inversión.

𝐴𝑚𝑜𝑟𝑡𝑖𝑧𝑎𝑐𝑖ó𝑛 = 136,6816 €

260,78€ 𝑎ñ𝑜⁄= 𝟎, 𝟓𝟐 𝒂ñ𝒐𝒔 = 𝟏𝟖𝟕 𝒅í𝒂𝒔

Se puede observar como el cambio de chapa se amortiza en menos del primer año en ambos motores, y para un motor que tiene una vida úitl de 30 años, es interesante plantearse este cambio, porque tal y como se ha visto con anterioridad, el rendimiento del motor es mayor con lo cual las pérdidas son inferiores, también se ha podido observar que el impacto medioambiental con el cambio de chapa es significativamente inferior al original.

68

10. FOTOGRAFÍAS DE LOS MOTORES UTILIZADOS EN EL PROYECTO


Fotografía 1 - Motor 4 HGA 1433. Taller de Trambaix. Cornellá de Llobregat

Fotografía 2 - Motor Instalado en Unidad

Fotografía 3 - Motor Acoplado al Bogie Motor

69


Fotografía 4 - Motor 1TB2220. Taller Renfe Integria. Vilanova y la Geltrú

Fotografía 5 - Motor Acoplado al Bogie Motor

Fotografía 6 - Reductora y Acople al Eje de las Ruedas

70

11. CONCLUSIONES En la introducción general sobre el motor de inducción, se ha visto que es el motor más utilizado para la tracción ferroviaria. Se ha visto también, como está estructurado el motor y cuál es su principio de funcionamiento. De aquí hemos definido las características técnicas que describe el funcionamiento del motor a partir de los distintos ensayos que los fabricantes nos han proporcionado. Debido a la gran variedad de aplicaciones en que se utiliza el motor de inducción, hay diferentes tipos de motores, este hecho nos ha comportado a hacer una catalogación de estos, según diferentes parámetros constructivos y distintos parámetros de eficiencia del motor. Como máquina eléctrica, el motor de inducción se puede representar mediante un circuito equivalente, y se han analizado 2 circuitos: el circuito equivalente con todas las pérdidas y el circuito equivalente clásico, ya que con el primero incluye todas las pérdidas del motor. El circuito equivalente con todas las pérdidas en el rotor permite efectuar un balance de potencias completo, puesto que incluyen las pérdidas por rozamientos y las pérdidas adicionales en carga. El análisis del motor con el circuito equivalente mejorado incluyendo todas las pérdidas del motor permite obtener resultados mucho más satisfactorios que analizando el circuito equivalente clásico, comparando los resultados obtenidos con los ensayos efectuados sobre el motor que nos han proporcionado los fabricantes de los motores. Posteriormente, se ha efectuado unos cambios en la estructura del motor, como han sido el aumento de la sección de los conductores tanto en el estator como en el rotor, y un cambio del tipo de chapa del cual está formada la estructura del motor, lo que ha condicionado que el rendimiento del motor se viera afectado, aumentado así su valor. Con el análisis del impacto ambiental, se ha podido observar como el motor tiene impacto ambiental a lo largo del ciclo de vida, lo que deriva a que tanto en la fabricación del motor, como su transporte, fase de uso y su reciclaje, el motor tiene un impacto sobre el medioambiental, hay que destacar que la fase del ciclo de vida con un impacto medioambiental más elevado es durante la fase de uso del motor, de aquí la importancia del planteamiento de posibles mejoras para aumentar el rendimiento del motor. Finalmente, con el análisis del estudio económico del motor, se ha podido observar que el cambio de chapa se amortiza antes del primer año en ambos motores, debido a que la fase de uso de los motores de tracción ferroviaria es de aproximadamente 30 años, es un cambio que a partir del estudio realizado se presenta como una opción muy interesante con un importante potencial de ahorro energético

71

12. AGRADECIMIENTOS

Quiero dar mi agradecimiento a José Triano, jefe del puesto de control central de la empresa Tram Operadora S.A, ya que sin su ayuda no hubiese podido adquirir varios datos importantes de los que se componen este proyecto y por facilitarme el acceso al taller de Tram, para poder realizar las preguntas que necesitaba para realizar el proyecto a los operarios del taller que trabajan en el mantenimiento del motor, y por permitirme realizar las fotos del motor 4 HGA 1433. También me gustaría agradecer a la empresa Alstom S.A por facilitar los datos de los ensayos de su motor 4 HGA 1433, y así poder caracterizar este motor a partir en el circuito equivalente propuesto con todas las resistencias para poder hacer un balance de potencias completo. A la empresa Siemens S.A, porque al igual que Alstom S.A, también ha facilitado los resultados de los ensayos que han realizado al motor 1TB2220, y que ha permitido encontrar todos los parámetros del circuito equivalente propuesto y así hacer un estudio con todas las pérdidas que puede sufrir este motor. Al señor Josep Ignasi Perat Benavides por aceptar mi solicitud para entrar al Máster en Sistemas Ferroviarios y Tracción Eléctrica, y a todos los profesores del Máster, ya que sin este Máster no tendría los conocimientos sobre la tracción eléctrica que necesito para la realización de este proyecto, y por las visitas que se hacen a lo largo del Máster, ya que me ha permitido ir a los taller de Integria Renfe y poder realizar las fotos al motor 1TB2220 de Siemens S.A. Al señor Marcel Torrent Burgués, por haberme dirigido este proyecto de final de grado. Por todas las atenciones que he necesitado y por el tiempo que ha perdido conmigo. Y finalmente, no puedo dejar de agradecer la comprensión de mis padres y amigos, puesto que ellos han sido los que más me han tenido que aguantar a lo largo de la elaboración de este proyecto. A todos muchas gracias. Ecuaci ón

72

13. BIBLIOGRAFÍA

Libros

[1] Chapman Stephen J., Máquinas eléctricas, Mc GrawHill, 2005.

[2] Fraile Mora, J. Máquinas eléctricas, Mc GrawHill, 2003.

[3] Manual Aller, J., Máquinas eléctricas Rotativas: Introducción a la Teoría General, Equinoccio 2008

Proyecto Final de Carrera [4] Determinació de la separació de pèrdues en motors d’inducció trifàsics a partir del

circuit equivalent i de les dades del catàleg, realizado por Francisco Ortiz Avila. Escola Politecnica d’Enginyeria Eléctrica de Vilanova i la Geltrú. UPC

Artículos

[5] Alberto García Álvarez y Mº del Pilar Martín Cañizares, Cuantificación del consumo de energía eléctrica en el ferrocarril español. 2008

[6] ABB Motors AB, Machines Division. Environmental Product Declaration, DMI type DC machine—180–471 kW power range. 2012

[7] MEEUP Methodology report, final. VHK for European Commission, 28-11-2005.

[8] Francisco Javier Olea, Rendimientos de la cadena de tracción eléctrica. 2010

Apuntes [9] Torrent Burgués, Marcel. Màquina Asíncrona o d’inducció, Maquines Elèctriques 2.

UPC. 2013

[10] Blanqué Molina, Balduí. Motores de Tracción Asíncronos y su Control, Tracción . Eléctrica. UPC. 2013

[11] Grup d’accionaments elèctrics amb commutació electrònica, G.A.E.C.E.

Consideracions d’eficiència energètica, mediambientals i econòmiques en els accionaments elèctrics. UPC.2014

Catálogos

[12] JFE Steel Corportation. Electrical Steel Sheets. 2000

Material Empresas [13] Tram Operadora S.A. Precio kWh consumo Tranvía.

[14] Tram Operadora S.A. Datos consumo unidad de Tranvía.

Lugares Web

[15] http://www.investigacion-ffe.es/ (Fundación de los ferrocarriles españoles)

http://www.investigacion-ffe.es/

73

14. REFERENCIAS

Figuras Figura 1- Estator ........................................ 10

Figura 2-Rotor de Jaula de Ardilla .............. 10

Figura 3-Rotor Bobinado ............................ 10

Figura 4-Rotor de doble jaula ..................... 11

Figura 5-Despiece motor Jaula de ardilla ... 12

Figura 6- Despiece motor Rotor bobinado . 12

Figura 7- Separación de pérdidas en motores

de inducción trifásicos ................................ 23

Figura 8- Gráfica para la determinación de

las pérdidas adicionales en carga según la

norma IEC 60034-2-1. ............................... 26

Gráficos

Gráfico 1- Proceso de Cálculo aplicado ..... 38

Gráfico 2 - Potencia Absorbida Alstom ....... 41

Gráfico 3 - Potencia Útil Alstom ................. 41

Gráfico 4 - Rendimiento Alstom ................. 42

Gráfico 5 - Momento Útil Alstom ................ 42

Gráfico 6 - Potencia Absorbida Siemens .... 44

Gráfico 7 - Potencia Útil Siemens .............. 45

Gráfico 8 - Rendimiento Siemens .............. 45

Gráfico 9 - Momento Útil motor Siemens ... 46

Gráfico 10 - Aumento sección Estator Alstom

.................................................................. 47

Gráfico 11 - Aumento sección Estator

Siemens ..................................................... 48

Gráfico 12 - Aumento sección Rotor Alstom

.................................................................. 49

Gráfico 13 - Aumento sección Rotor Siemens

.................................................................. 50

Gráfico 14 – Cambio chapa Alstom ............ 51

Gráfico 15 - Cambio chapa Siemens.......... 52

Gráfico 16 - Emisiones de CO2 datos del

Observatorio de la Electricidad del Sistema

Peninsular del año 2009 ............................ 54

Gráfico 17- Ciclo de Vida básico ................ 55

Gráfico 18 - Consumo Mensual Unidad 06

del Trambaix .............................................. 63

Gráfico 19 - Consumo y emisiones por km. 66

Tablas

Tabla 1- Datos nominales motor 4 HGA 1433

.................................................................. 32

Tabla 2 - Datos Motor 4 HGA 1433 ............ 32

Tabla 3- Ensayo en Carga Motor 4 HGA

1433........................................................... 32

Tabla 4- Ensayo en Vacío Motor 4 HGA 1433

.................................................................. 33

Tabla 5- Datos nominales motor 1TB2220 . 33

Tabla 6 - Datos Motor 1TB2220 ................. 33

Tabla 7- Ensayo en Cortocircuito Motor

1TB2220 .................................................... 34

Tabla 8- Ensayo en Vacío Motor 1TB2220. 35

Tabla 9- Ensayo en Carga Motor 1TB2220 36

Tabla 10- Parámetros Circuito Equivalente 4

HGA 1433 .................................................. 40

Tabla 11-Parámetros Circuito Equivalente

1TB2220 a 30 Hz ....................................... 43


1TB2220 a 50 Hz ....................................... 43


1TB2220 a 60 Hz ....................................... 43

Tabla 14 - Aumento sección Estator Alstom

.................................................................. 48

Tabla 15 - Aumento sección Estator Siemens

.................................................................. 49

Tabla 16 - Aumento sección Rotor Alstom . 50

Tabla 17 - Aumento sección Rotor Siemens

.................................................................. 50

Tabla 18 - Cambio chapa Alstom ............... 51

Tabla 19 - Cambio chapa Siemens ............ 52

Tabla 20 - Comparación rendimiento Alstom

.................................................................. 53

Tabla 21 - Comparación rendimiento

Siemens ..................................................... 53

Tabla 22- Características motor 4 HGA 1433

.................................................................. 56

Tabla 23- Datos del motor 4 HGA 1433 ..... 57

Tabla 24- Resultados MEEUP motor 4 HGA

1433........................................................... 57

Tabla 25- Características motor 4 HGA

1433Caracteristicas motor 1TB2220 .......... 58

Tabla 26- Datos del motor 1TB2220 .......... 58

74

Tabla 27- Resultados MEEUP motor

1TB2220 .................................................... 59

Tabla 28- MEEUP mejora de Chapa .......... 60

Tabla 29- Resultados MEEUP mejora de

Chapa ........................................................ 60

Tabla 30- Tabla Comparativa Fase de uso

MEEUP ...................................................... 61

Tabla 31- Tabla Comparativa Total

Emisiones MEEUP ..................................... 61

Tabla 32 – Consumo Mensual Unidad 06 .. 62

Tabla 33- Precio de los metales ................. 64

Tabla 34- Precio de las chapas .................. 64

Ecuaciones

Ecuación 1-Velocidad Síncrona ................. 13

Ecuación 2- Deslizamiento ......................... 13

Ecuación 3- Velocidad del Motor ................ 14

Ecuación 4- Frecuencia del Rotor .............. 14

Ecuación 5- F.E.M. Inducida en el Estator . 14

Ecuación 6- F.E.M. Inducida en el Rotor .... 14

Ecuación 7- Potencia Nominal ................... 15

Ecuación 8- Potencia Activa ...................... 15

Ecuación 9- Potencia Reactiva .................. 15

Ecuación 10- Potencia Aparente ................ 15

Ecuación 11- Factor de Potencia ............... 16

Ecuación 12- Potencia Útil ......................... 16

Ecuación 13- Par ....................................... 16

Ecuación 14- Rendimiento ......................... 16

Ecuación 15- Impedancia del Estator ......... 18

Ecuación 16- Impedancia de Vacío ............ 18

Ecuación 17- Impedancia de Rotor ............ 18

Ecuación 18- Impedancia Total .................. 18





Ecuación 23- Corriente Estator .................. 21

Ecuación 24- F.E.M Inducida ..................... 21

Ecuación 25- Corriente Rotor ..................... 21

Ecuación 26- Corriente de Vacío ............... 21

Ecuación 27- Impedancia de Thévenin ...... 22

Ecuación 28- Deslizamiento a Máximo Par 22

Ecuación 29- Velocidad a Máximo Par ....... 22

Ecuación 30- Pérdidas en el Hierro ............ 23

Ecuación 31- Pérdidas Constantes ............ 23

Ecuación 32– Resistencia de pérdidas en el

Hierro ......................................................... 24

Ecuación 33– Pérdidas de Rozamiento ..... 24

Ecuación 34– Resistencia de pérdidas por

Rozamiento ................................................ 24

Ecuación 35– Corriente de Carga .............. 24

Ecuación 36– Corriente Nominal en Vacío . 25

Ecuación 37– Resistencia de pérdidas

adicionales en carga .................................. 25

Ecuación 38– Determinación Pérdidas

Adicionales ................................................ 25

Ecuación 39– Resistencia de Carga .......... 26

Ecuación 40– Corriente de Carga .............. 26

Ecuación 41- Resistencia del Rotor con

deslizamiento ............................................. 27

Ecuación 42- Reactancia del Rotor con

deslizamiento ............................................. 27

Ecuación 43- Reactancia en el estator ....... 28

Ecuación 44- Reactancia magnetizante ..... 28

Ecuación 45- Reactancia del rotor ............. 28





Ecuación 50- Corriente Estator .................. 29

Ecuación 51- F.E.M Inducida ..................... 29

Ecuación 52- Corriente Rotor ..................... 29

Ecuación 53- Corriente de Vacío ............... 29

Ecuación 54– Potencia Absorbida ............. 30

Ecuación 55– Pérdidas Joule Estator ......... 30

Ecuación 56– Pérdidas en el Hierro ........... 30

Ecuación 57– Potencia Síncrona ............... 30

Ecuación 58– Pérdidas Joule Rotor ........... 30

Ecuación 59– Potencia Mecánica .............. 30

Ecuación 60– Pérdidas por Rozamiento .... 31

Ecuación 61– Pérdidas Adicionales ........... 31

Ecuación 62– Potencia Útil ........................ 31

Ecuación 63– Motor por Unidad de Tranvía63

Ecuación 64– Consumo por Motor de Tranvía

.................................................................. 63

Ecuación 65– Consumo por Motor con

Cambio de Chapa anual ............................ 63

Ecuación 66– Diferencia de Consumos anual

.................................................................. 63

Ecuación 67– Ahorro Energía anual .......... 64

Ecuación 68– Precio Chapa M235-35 A .... 65

Ecuación 69– Precio Chapa M400-50A ..... 65

Ecuación 70– Diferencia de Gasto Chapa . 65

Ecuación 71– Amortización Motor .............. 65

75

Circuitos Circuito 1 - Circuito equivalente clásico ...... 17


.................................................................. 18

Circuito 3 - Circuito equivalente que incluye

todas las pérdidas ...................................... 19

Circuito 4 - Circuito equivalente de Thévenin

.................................................................. 22

Circuito 5 - Circuito equivalente

proporcionado por Alstom .......................... 27

Circuito 6 - Circuito equivalente simple ...... 28

Fotografías Fotografía 1 - Motor 4 HGA 1433. Taller de

Trambaix. Cornellá de Llobregat ................ 68

Fotografía 2 - Motor Instalado en Unidad ... 68

Fotografía 3 - Motor Acoplado al Bojíe

Motor ......................................................... 68

Fotografía 4 - Motor 1TB2220. Taller Renfe

Integría. Vilanova y la Geltrú ...................... 69

Fotografía 5 - Motor Acoplado al Bojíe

Motor ......................................................... 69

Fotografía 6 - Reductora y Acople al Eje de

las Ruedas ................................................. 69

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