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Contenido• Selección de motores
– Placa de datos– Clase de diseño– Velocidad síncrona y polos– Deslizamiento– Tamaño de armazón– Elevación de temperatura y clase de aislamiento– Factor de servicio– Código de rotor bloqueado– Factor de potencia– Desempeño y factor de carga
• Motores de alta eficiencia– Motor de eficiencia estándar vs motor de alta eficiencia– Potencia, energía, y dinero ahorrados– Tiempo de recuperación de inversión
• Control de frecuencia variable– Control mediante álabes de entrada, compuerta de salida,
velocidad variable– Drive de CD vs Drive de CACentro de Estudios de Energía
Selección de Motores
•Frame = tamaño de armazón = 445T•Enclosure = t ipo de carcasa = TEFC•Design = Clase de diseño = B•RPM = 1785•Code = Código de rotor bloqueado•AMPS = Corriente de plena carga = 163 A•SF = Factor de servicio = 115 %.
•Phase = # de fases = 3•Insulat ion class = aislamiento clase F•Power factor = factor de potencia de plena carga = 89.7%•Guaranteed efficiiency = eficiencia garantizada a plena carga = 95.8%•Max Corr KVAr = Cantidad máxima de capacitores que se han de instalar si se desconectan a la vez que el motor.Centro de Estudios de Energía
Centro de Estudios de Energía J.C. Andreas, “Energy Efficicient Electric Motors”, 2nd edition, Marcel Dekker
0
50
100
150
200
250
300
0 20 40 60 80 100% de velocidad síncrona
% d
el p
ar d
e pl
ena
carg
a A
BC
D
Clases de diseño NEMA
Centro de Estudios de Energía
Diseño par arranque (% par plena
carga)
par máximo (% par plena
carga)
I arranque (% I plena carga)
s plena carga (% de velocidad
síncrona)
A 160 (normal) 230 500-800 (normal) <2, (bajo)B 140 (normal) 200 500-600 (baja) <4, (bajo)C 225 (alto) 180 (baja) <5 (bajo)D 275 (alto) - (baja) 5-8%, 8-13% (alto)
• Fitzgerald, Kingsley. Umans, "Electric Machinery," McGraw-Hill• Chapman, "Electrical Machinery Fundamentals,", McGraw-Hill• Andreas, "Energy Efficient Electric Motors," Dekker• Nadel, Shepard, Greenberg, Katz, "Energy-Efficient Motor Systems, ACE3
Características de las clases de diseño
Centro de Estudios de Energía
Chapman, "Electrical Machinery Fundamentals,", McGraw-Hill
A B
C D
Laminaciones de rotores
•Los devanados en los motores de inducción están separados 120° eléctricos en el estator.•Al aplicarles voltajes desfasados 120° en el tiempo, resultan corrientes separadas también 120° eléctricos en el tiempo.•Las tres corrientes dan lugar a una fuerza magnetomotriz giratoria de amplitud constante.•La fuerza magnetomotriz gira a velocidad síncrona dada por:
rpm en giro de síncrona rapidez la es n yHz, en frecuencia la es f
polos, de número el es P
s
,
602
donde
fP
ns =
Centro de Estudios de Energía
Velocidad sícrona
a1
-a1
a2
-a2
c2
-c2
c1
-c1
b2
-b2
b1
-b1
N
S
a1
-a1
a2
-a2
c2
-c2
c1
-c1
b2
-b2
b1
-b1
N
S
Eje a
Eje b
Eje c
Centro de Estudios de Energía
rpm n
Hz 60 f y 2 P
s 3600606022 =×=
==
N
S
Dos polos
N
a1
-a1
a2
-a2
c2
-c2
c1
-c1
b2
-b2
b1
-b1
a1
-a1
a2
-a2
c2
-c2
c1
-c1
b2
-b2
b1
-b1
Eje a
Eje b
Centro de Estudios de Energía
rpm n
Hz 60 f y 4 P
s 1800606042 =×=
==
S
S
N
NS
SN
Eje c
Cuatro polos
Centro de Estudios de Energía
La FMM gira a velocidad síncrona. La FMM induce voltajes en las barras del rotor y debido a que éstas se encuentran en corto circuito aparecen corrientes trifásicas balanceadas en el rotor. Las tres corrientes dan lugar a una fuerza magnetomotriz giratoria de amplitud constante en el rotor. Esta FMM trata de alinearse con la del estator y se presenta un par. El rotor no puede girar a velocidad síncrona ya que alcanzaría a las FMMs y no se inducurían voltajes, sin voltajes no hay corrientes y sin corrientes en rotor no hay par, sin par no hay oposición al par de frenado de carga y de fricción y ventilación. Se dice entonces que el rotor se desliza con respecto a la FMM que gira a velocidad síncrona.
ntodeslizamie el es sy rpm en rotor del giro de rapidez la es n
rpm, en giro de síncrona rapidez la es n
en ntoDeslizamie
s
,dondenns s −=
rpm
s
s
n de pu en ntodeslizamie el es sy rpm en rotor del giro de rapidez la es n
rpm, en giro de síncrona rapidez la es n
en ntoDeslizamie
,donden
nns
s
s −=
sn de pu
Motor de inducción = motor asíncrono
Deslizamiento
0
50
100
150
200
250
300
0 20 40 60 80 100% de velocidad síncrona
% d
el p
ar d
e pl
ena
carg
a
00.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1s = deslizamiento, pu
Centro de Estudios de Energía
•Deslizamiento al arranque = 1•Deslizamiento en vacío es casi cero•Deslizamiento de plena carga < 0.04
•En la figura s plena carga = 0.03•Suponiendo ns = 1800 rpm•n plena carga = 1800 (1-0.03) = 1746 rpm
Starting torquePull Up Torque
Breakdown Torque
Full Load Torque
Deslizamiento de plena carga
Centro de Estudios de Energía
Con f = 60 Hz
P ns2 36004 18006 12008 90010 720
Aunque se encuentran desde 300 rpm hasta 3600 rpm, las más comunes son 1200, 1800 y 3600 rpm
Armazón abierta a prueba de goteo
aire
aire
aire
15º ventiladorexterno
Totalmente cerrada enfriada con ventilador externo
ODP = Open Drip-Proof TEFC = Totally Enclosed Fan Cooled
_www.baldor.com
Enclosure type = tipo de carcasa o envolvente
Kosow, Electric Machinery and Transformers, 2nd Edition, Prentice Hall
Rapidez de giro, polos y tipo de carcasa
Centro de Estudios de Energía
Antes de 1952 no existía un estándar
1952 se estandarizó la armazón U (U-frame). Todos los motores con el mismo código , 254U por ejemplo, tienen el mismo tamaño de armazón
1964 nuevos aislamientos => armazón T (T-frame), más pequeña y más liviana
NationalElectrical
ManufacturersAssociation
256A ó 256T
449 T
⇒ = =
⇒ = =
D
D
254
6 25
444
11
. "
"D
Kosow, Electric Machinery and Transformers, 2nd Edition, Prentice Hall
Frame size = tamaño de armazón
Historia del tamaño de armazón
Centro de Estudios de Energía
Edwrard L. Owen, History, IEEEIndustry Applications Magazine, January / February 1997
El motor de inducción fue inventado por Nikola Tesla alrededor de1886
Los tamaños de armazón integrales son de tres dígitos, por ejemplo: 326T, 50hp, 1800 rpm, TEFC. Las dos primeras cifras divididas entre 4 resultan en D en pulgadas, D=32/4=8”.
Los tamaños de armazón fraccionales son de dos dígitos, por ejemplo: 56, 1/3hp, 1800 rpm, ODP. Las dos primeras cifras divididas entre 16 resultan en D en pulgadas, D=56/16=3.5”.
Kosow, Electric Machinery and Transformers, 2nd Edition, Prentice HallCowern Papers, http://www.baldor.com/pdf/brochures/pr2525.pdf
El tamaño de armazón depende principalmente del par. Y es proporcional a la relación hp / ns. Un motor fraccional es aquel con una armazón más pequeña que la de un motor de 1 hp, 1700 a 1800 rpm.
Evolución del tamaño de la armazón del motor de inducción
Centro de Estudios de Energía
Estándar de máxima temperatura permisible del ambiente: 40 ºC
Ambientes:
– Aire
– Gas
– Líquido
Temperatura ambiente (Estándar AIEE No. 1, 1947) :
es la temperatura del medio empleado para enfriamiento, directo o indirecto, esta temperatura se resta de la temperatura medida en la máquina para determinar el aumento de temperatura bajo condiciones específicas de prueba
El aumento máximo permisible de temperatura es sobre éste estándar de 40 ºC
La elevación o el aumento de temperatura es un cambio de temperatura en el motor, desde una temperatura ambiente con el motor apagado y frio, hasta que el motor opere a plena carga de manera continua para alcanzar estado estable térmico.
Kosow, Electric Machinery and Transformers, 2nd Edition, Prentice HallCowern Papers, http://www.baldor.com/pdf/brochures/pr2525.pdf
Temperatura ambiente y elevación de temperatura
Centro de Estudios de Energía
La vida esperada del motor se reduce a la mitad al operar a un temperatura 10 ºC por arriba del máximo permisible
Las clases más comunes en motores de inducción jaula de ardilla son
Clase Aumento Temperaturamáximo máxima delpermisible punto más calientesobre 40 ºC
B 90 130F 115 155H 140 180
Note que hay 25°C entre cada clase.Kosow, Electric Machinery and Transformers, 2nd Edition, Prentice HallCowern Papers, http://www.baldor.com/pdf/brochures/pr2525.pdf
Clases de aislamiento
Centro de Estudios de Energía
Es un factor de seguridad
Un factor de servicio de 1.15 indica que el motor es capaz de entregar hpnom x 1.15 de manera continua bajo condiciones usuales de serviciosin que el aumento de temperatura exceda su valor máximo permisible de acuerdo a la clasificación NEMA de aislamientos
Factores de servicio comunes en motores jaula de ardilla
1.0 y 1.15
Kosow, Electric Machinery and Transformers, 2nd Edition, Prentice Hall
Factor de servicio
Factor de servicio : 1.15Clase Aumento máximo Temperatura máxima
permisible sobre 40 ºC del punto más calienteB 90 130F 115 155
Factor de servicio : 1.0Clase Aumento máximo Temperatura máxima
permisible sobre 40 ºC del punto más calienteB 80 120F 105 145
Energy - Efficient Electric Motor Selection Handbook, p 40.Centro de Estudios de Energía
Límites de temperatura
Centro de Estudios de Energía
Por cada 10 ºC de operación continua por arriba (por debajo) de la temperatura máxima del punto más caliente, la vida del motor se reduce a la mitad (se duplica).
Vida promedio a 40 ºC de temperatura ambiente operando continuamente:
Factor A Aumento en la vida del motorR Reducción en la vida del motor
10 años
( ) ( ) T = Temp. del más caliente - Temp. límite del aislamiento∆ •
( )A ó RT
=210∆ ºC
Kosow, Electric Machinery and Transformers, 2nd Edition, Prentice Hall
Efecto de la temperatura en la vida del motor
Centro de Estudios de Energía Kosow, Electric Machinery and Transformers, 2nd Edition, Prentice Hall
-300
-200
-100
0
100
0 0.2 0.4 0.6
7020
-234.5
Temperatura
Resistencia( )T
RR
T221
1 2345 2345= + −. .
T
R
T
R2 234 5
2
1 234 5
1
+=
+. .
R1 > Resistencia medida en frío ( T1 < 40 ºC )R2 > Resistencia medida inmediatamente después de
operación prolongada
Tpunto más caliente = T2 + 10 ºC
Cálculo de la tempeartura del punto más caliente
Centro de Estudios de Energía
Las condiciones usuales de servicio de los motores que utilizan la temperatura ambiente estándar de 40 ºC son (NEMA MG1):
La temperatura ambiente debe estar entre 0°C y 40 ºCLa altitud es menor de 1000 mInstalación en areas o envolventes que no interfieren seriamente con la ventilación de la máquina0.9 Vnom < V < 1.1 Vnom0.95 fnom < f < 1.05 fnomMontaje y acoplamiento según NEMAOperación con un desbalance de voltaje de 1% o menos
Si se satisfacen las condiciones anteriores, un motor debe ser capaz de entregar potencia nominal en flecha sin que la temperatura del aislamiento exceda el máximo permisible
Kosow, Electric Machinery and Transformers, 2nd Edition, Prentice HallEnergy - Efficient Electric Motor Selection Handbook, p 35.
Condiciones usuales de servicio
Centro de Estudios de Energía
Letra de código
Letra de código
A 0.00 3.15 L 9.00 10.00B 3.15 3.55 M 10.00 11.00C 3.55 4.00 N 11.00 12.50D 4.00 4.50 P 12.50 14.00E 4.50 5.00 R 14.00 16.00F 5.00 5.60 S 16.00 18.00G 5.60 6.30 T 18.00 20.00H 6.30 7.10 U 20.00 22.40J 7.10 8.00 V 22.40 arribaK 8.00 9.00
Rotor bloqueado, kVA / hp
Rotor bloqueado, kVA / hp
Código de rotor bloqueado NEMA MG-1•La letra del código corresponde con un rango de kVA de rotor bloqueado por cada hp nominal•Ejemplo, la letra G va de 5.60 a 6.30, los kVA de rotor bloqueado son como máximo 6.30 por cada hp nominal, si el motor fuera de 50 hp, kVAlr = 315. Y si VLL = 460 V, ILR = 395.4 A
Aarranque, de o bloqueado rotor de línea de corriente la es Ilíneas, entre nominal voltaje el es V
bloqueado rotor dekVA los son KVAdonde,
LR
LL
LR
,1000
3 LRLLLR
IVkVA ××=
,3
1000
LL
LRLR V
kVAI
××
=
Código de rotor bloqueado
•NEMA design classiificat ion•NEMA insulation classification•NEMA locked rotor code
Centro de Estudios de Energía
Tamaño de armazón445T => D = 44/4 = 11”
Factor de servicio = 115%
Carcasa: Totalmente cerrada conventilador externo (TEFC)
Letras en la placa de datos
VLL, IL, P, Q, S
FP, f
Hz,frecuencia la es fpotencia, de factor el es fp
VAtrifásica, aparente potencia la es S VArtrifásica, reactiva potencia la es Q
Wtrifásica, potencia la es P A, línea de corriente la es I
Vlíneas, entre voltaje el es V
L
LL
22 QP
P
+==
SP
fp
fp atrasado
( )θ θv i−V
P1
Q1I
I
I 1-200
0
200
0 90 180 270 360
voltajecorriente
_θv - θi ( )iv θθ −= cosfp
Factor de potencia
Centro de Estudios de Energía
fp adelantadofp unitario
VI
2I P=I
VIP
3I PI
Q3I
V
I3
PI
)(θ θv i−-
Q3I
-200
0
200
0 90 180 270 360-200
0
200
0 90 180 270 360-200
0
200
0 90 180 270 360
fp atrasado
I1
( )θ θv i−V
P1
Q1I
I
I1
DesplazamientoCentro de Estudios de Energía
Centro de Estudios de Energía
• Los contactos del contactor principal M conectan y desconectan de manera simultánea al motor y a su capacitor
• Al desconectar el motor actúa de manera transitoria como un generador y alimenta al capacitor
• Si el capacitor aporta más reactivos que los que requiere el motor en vacío, el capacitor aumenta el voltaje del sistema aislado.
• Aunque es por poco t iempo, la elevación de voltaje puede dañar al capacitor o al motor.
M M M
Qc < 17.5 kVAr
Máxima corrección de kVAr
Centro de Estudios de Energía
P
PP
PPP
Php lossloss −=
−=×= 1746η
Wmotor, del pérdidas las son Php salida, de mecánica potencia la es hp
Wentrada, de trifásica potencia la es P
loss
hp
P/3P/3 P/3
dtdQPloss =
Pérdidas de núcleo en
estator y rotor
Pérdidas de cobre en el
estator
Pérdidas de cobre en el
rotor
Pérdidas de fricción y
ventilación
746 hpP
Eficiencia
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
0 0.5 1 1.5hp out (pu) = fc
fp y
efic
ienc
ia
0
0.4
0.8
1.2
1.6
2
I1 y
P
efffpI1/InomP/(746*hpnom)
Centro de Estudios de Energía
• La eficiencia es casi constante en 0.85 con una carga de 0.5 a 1.5 pu hp nominales y cae abruptamente con cargas menores a 0.5 pu, la eficiencia es cero con el motor sin carga.
• El factor de potencia es muy bajo (< 0.7) para cargas inferiores a 0.6, es del 10% sin carga y aumenta a 82% a plena carga.
• La corriente es 0.5 pu con motor en vacío, sube a 1 pu a plena carga.• La potencia de entrada es del 8% en vacío y aumenta a 1.2 a plena carga de forma casi lineal.
Sobredimensionamiento es el villano y el área de oprtunidad
Desempeño en función de la carga
Centro de Estudios de Energía
•Tarifa HSL, Noreste•Promedio de los 12 últimos meses •factor de carga: 0.85, •factor de potencia: 0.93, •9.46 pesos /dólar •47.84 dólares / MWh = $ 0.04784 / kWh.
•Importe total del recibo (antes de impuestos) entre la cantidad de kWh del período de facturación.•Este costo ya considera demanda, consumo, horario y factor de potencia.•Indica cuánto cuesta el kWh, en una instalación en particular y nos sirve para medir el impacto de las medidas de ahorro de energía.
Wisconsin Industrial average $0.04 /kWhWisconsin Commercial average $0.06 /kWh
National Average industrial $0.05 /kWh
http://www.productiveenergy.com/calculator/motor.asphttp://www.motorsmatter.org/Kit/planning_overview.html
Costo promedio de la energía eléctrica
Centro de Estudios de Energía
• Alambre magneto de la mejor calidad
• Más acero en el núcleo, laminaciones más
delgadas y acero de la mejor calidad,
• Mejores rodamientos
• Anillos de los extremos de la jaula más grandes
• Ventiladores con bajas pérdidas
• Cuesta más que uno de eficiencia estándar
_http://ww.baldor.com
Motor de alta eficiencia
hp
11
746η
hpP =
1η
hp
22
746η
hpP =
2η
• Para los mismos hps en flecha, el motor con mayor eficiencia requiere una menor potencia de entrada.
• η 2 > η1 => P2 < P1
( )
motor del nominal potencia la es hp ymotor del carga de factor el es
nom
fc
fchpPP nom
−×××=−
2121
11746.0ηη
Centro de Estudios de EnergíaNadel , Shepard, Greenberg, Katz, "Energy-Effic ient M otor Systems, ACE
3
Cálculo de la potencia ahorrada
Centro de Estudios de Energía Nadel, Shepard, Greenberg, Katz, "Energy-Efficient Motor Systems, ACE3
( ) ( )
cuestión. en planta la en kWh del promedio costo el es
ahorro $ anual
kWh
dondekWh
hfchphPPkWh
kWh nomahorro
$
$11746.0$21
21 ××
−×××=×−=×=
ηη
( )
−×××=−
2121
11746.0ηη
fchpPP nom
kW ahorrada, Potencia
( ) ( )
año al operación de horas de número el es
kWh ahorrada, Energía
h
hfchphPPkWh nomahorro ×
−×××=×−=
2121
11746.0ηη
Retorno simple de inversión
anual ahorro $$ motor, del extra Costo
Energía, dinero y recuperación de inversión
Centro de Estudios de Energía http://energy.copper.org/left-is-right.html
El de la izquierda es el derecho?- Factor de carga- Horas de operaci ón al año- $ promedio del kWh
Premium Efficiency50hp, TEFC, $1815
η=94%
Standard Efficiency50hp, TEFC, $1169
η=90%
( )kWh
hfchpnom$11746.0
21
××
−×××=
ηηanualahorro $
FC = 0.75, h = 6000, $ / kWh = 0.0478==> 379.3 dólares
(1815 -1169) / 379.3 = 1.70 años
FC = 0.75, h = 2000, $ / kWh = 0.0478==> 126.4 dólares
(1815 -1169) / 126.4 = 5.11 años
Si el factor de carga es del 50% o menos, ninguno es el correcto “none is the right one”.
El de la izquierda es el correcto
a) Curva característica de un ventilador
b) Característica del sistema
James Van Zile, “Energy savings with adjustable frequency AC Drives, Allen-Bradley, Dec. 1984Centro de Estudios de Energía
Comportamiento ventilador sistema
a) Cambio en característica del ventilador
b) Álabes de entrada
James Van Zile, “Energy savings with adjustable frequency AC Drives, Allen-Bradley, Dec. 1984Centro de Estudios de Energía
Control por álabes de entrada
a) Control por compuertas de salida
b) Cambio en característica del sistema
James Van Zile, “Energy savings with adjustable frequency AC Drives, Allen-Bradley, Dec. 1984Centro de Estudios de Energía
Control mediante compuertas de salida
a) Sistema de velocidad variable b) Control de flujo deaire por velocidad variable
James Van Zile, “Energy savings with adjustable frequency AC Drives, Allen-Bradley, Dec. 1984Centro de Estudios de Energía
Control mediante velocidad variable
John C. Andreas, “Energy-Efficient Electric Motors, Selectionand Application,” Second edition, Marcel-Dekker, 1992.
0
20
40
60
80
100
120
40 50 60 70 80 90 100
Porcentaje del volumen de aire
Pot
enci
a de
ent
rada
com
o %
de
la
entra
da a
l mot
or c
uand
o el
fluj
o es
100
%
Compuertas sal idaÁlabes entradaFrecuencia variableRequerimientos ventilador
Centro de Estudios de Energía
Potencia de entrada
David Shipp, Will iam Vilcheck, “Power quality and line considerations for variable speed ac drives,” IEEE Transactions on Industry Applications, March / April 1996. Centro de Estudios de Energía
La corriente está distorsionada y se atrasa del voltaje.
i de salida
v entrada
i entrada
Drive de CD
David Shipp, Will iam Vilcheck, “Power quality and line considerations for variable speed ac drives,” IEEE Transactions on Industry Applications, March / April 1996. Centro de Estudios de Energía
-200-100
0100200
0 90 180 270
grados eléctricos
Volta
je (
V)
-10-50510
Cor
rient
e (A
)
VaIa
Captura: Abril de 1995, Power Logic
La corriente a la entrada presenta alta distorsión armónica y va en fase con el voltaje
Aunque el voltaje dista mucho de ser una senoidal, la corriente de salida es muy senoidal
Drive de CA tipo PWM