Se realizó primer Seminario Técnico del Capitulo de Ingeniería Eléctrica - Ing. u. Villanueva

© ABB BU LV Motors January 27, 2010 | Slide 1

Motores ABB de Alta EficienciaNuevos estándares IEC

Ing. Ulises [email protected]


� Eficiencia energética ......

�…...porque es tan importante?


Razones para el ahorro energético

� El protocolo de Kyoto : reducir la emisión de CO2

� Este compromete a los paises a reducir las emisiones de gases

� Por ejemplo: La UE debe incrementar su eficiencia en 1% al año

� La producción de electricidad es muy cara

� Incremento de precios

� El consumo de petróleo, aumenta más rápido de lo que se encuentra.

� El mundo consume más de 25 Giga barriles/año, y solo se encuentran 10 Giga barriles/año

� Si esto continúa agotaremos nuestras reservas en menos de 20 años


Consumo eléctrico de motores en relación al consumo eléctrico total de varias industrias

� Plantas que producen Gases industriales 92%

� Plantas de Pulpa y Papel 84%

� Refinerías de Petróleo 82%

� Plantas de Químicas inorgánicas industriales 77%

� Plantas de Cemento 74%

� Plantas de materiales plásticos y de resinas 64%

Sources: Manufacturing Energy Consumption Survey 1991, Census of Manufacturers 1992


Costo del ciclo de vida de un motor eléctrico

Energía 97 % Un rebobinado 1% Costo de compra 2%


Afirmaciones

� Motores usan un promedio de 65% de la energía eléctrica en las plantas

� Motores normalmente trabajan con menos de 60% de su carga nominal y como consecuencia tienen eficiencia baja.

� Motores pueden fácilmente superar su costo de compra dentro de pocos meses con los costos de la energía eléctrica.

� Muchos motores trabajan sin equipamiento de control (inversores), en instalaciones donde el control de la velocidad podría significar grandes ahorros de energía y costo

� Históricamente motores eran sobredimensionados para obtener una margen de “seguridad”


Motores sobredimensionados

� Mediciones hechos en la industria de proceso

� Mediciones en industrias de proceso muestran que los motores instalados en promedio están cargados con solamente 50% de su potencia nominal

� Aproximadamente 25% de los motores están cargados con menos que 30% de su potencia nominal (estos motores trabajan con una eficiencia muy baja y un factor de potencia también muy bajo)

� Consecuencias del uso de motores sobredimensionados

� Precio de compra mas alto

� Mayor consumo de energía eléctrica pues la eficiencia del motor disminuye con grados de carga inferiores al nominal.

� Costos mas altos de la distribución de energía pues aumenta el consumo de las potencias aparente y reactiva.

� Costos mas altos por tener que dimensionar otro equipamiento para el tamaño del motor (por ejemplo interruptores mas grandes)


Eficiencia, definición

PPInput

LossesP�

� Eficiencia es la razón entre la Potencia de salida y la potencia de entrada

� Alta eficiencia significa que el motor convierte la mayor cantidad de potencia eléctrica en potencia mecánica (menos pérdidas)

PPoutput


Que factores hacen el motor eficiente?Perdidas de los rodamientos, del ventilador (perdidas de fricción) (10%) - Ventilador menor- Sellos de los rodamientos

Perdidas del rotor (24%)- Acero de bajas perdidas- Laminaciones mas delgadas

Perdidas del cobre del estator (34%)-Optimización en colocar cobre en las ranuras-Conductores mas grandes

Perdidas del flujo magnético (14%)- Geometría optimizado de las ranuras

Perdidas del estator (18%)- Acero de bajas perdidas- Laminaciones mas delgadas

Exactitud en la producción


Optimizado No optimizado

� Características de un devanado de alta calidad

� Alambre de cobre de alta pureza

� Optimización en colocar cobre en las ranuras

� Sistema de alta calidad de aislamiento y de impregnación de las ranuras

� Sistema de alta calidad de aislamiento entre fases

� Acero del estator de alta calidad

Calidad del motor – Los devanados


Eficiencia para los motores ABB

� Motores para uso general = Eff2

� Motores para la industria de proceso = Eff1

� Motores con eficiencia Premium = Eff1 + 1% (aprox)

78,0

80,0

82,0

84,0

86,0

88,0

90,0

92,0

94,0

96,0

98,0

3 5,5 11 18,5 30 45 75 kW

Eficiencia (%)

Eff1

M3APP & M3BPP

Eff2


Ahorro

2.6kW x 0. 05 US$ x 8,760 hrs

= 1 139 US$ / Año

Si el nivel de eficiencia incrementa 3% ,la reducción de pérdidas es 40%

3.8kW

Pérdidas

reducidas

IE1 Pentrada: 81,4kWIE2 Pentrada : 78,8kW

Tipo de Motor :M3AA 250 M

Input

Output

Ejemplo de ahorro energético

Eficiencia IE1 : 92,14%Eficiencia IE2 : 95,18%

6.4kWpérdidas

75kW


ABB EFF1 110 kW η = 95.6%ABB EFF2 110 kW η = 92.5%

ABB EFF1 Pentrada = 110/95.6 • 100 = 115.1 kWABB EFF2 Psalida = 110/92.5 • 100 = 118.9 kW (diferencia 3.8 kW )

Costos Operativos = X/año (8760 h, 0.05 US$/kWh)

ABB EFF1, C = 115.1 • 0.05 • 8760 = 50 414 US$ABB EFF2, C = 118.9 • 0.05 • 8760 = 52 078 US$

Ahorro = 1 664 US$ / año

Ejemplo de ahorro energético


Herramientas de software en Internet

� DriveSize� Herramienta extremadamente

fácil para dimensionamiento de motores y variadores de frecuencia

� Hoja de datos� Curvas

� Eff Save� Herramienta que calcula el retorno

de la inversión y la reducción de emisiones de gases que contribuyen al incremento de la temperatura global cuando usa motores ABB de alta eficiencia


Ventajas de usar motores de Alta Eficiencia.

� Ahorro de energía (reducción el lascuentas eléctricas)

� Intervalos de mantenimiento más largos (ahorro en horas-hombre).

� Mínimo riesgo de parada de la producción.

� Mayor vida útil del motor (menortemperatura en el motor)

� Menor nivel de ruido

� Reduce el nivel de emisiones de CO2

Process Performance


En la Práctica

� Cúando invertir en Motores de Alta Eficiencia?

� Para todas las nuevas instalaciones

� Cuando se adquieren paquetes de equipos

� En vez de rebobinar motores estándares antiguos

� Motores con ciclo de trabajo S1 (8760hrs/año)

� Para reemplazar motores sobredimensionados

� Para aplicaciones con variadores de velocidad.

� Como parte de un mantenimiento preventivo de un programa de conservación de energia.


Niveles de Eficiencia


Process Performance Motors


Process performance motors Rango

Hierro fundidoMotores NEMA

0.25KW, 4p 1100KW, 4p


Motores Process Performance –Estan garantizados!

� Los 3 años de garantía que ofrece ABB es una prueba más, tanto de la gran experiencia en los entornos industriales, como de la absoluta seguridad y confianza que acreditan nuestros productos

� Cada motor ABB para la industria de proceso tiene una vida útil esperada no inferior a los 30 años operando a pleno rendimiento


Motores y Conversores de Frecuencia

� Diseñado para Variador de velocidadcomo estándar

� Gran Stock de motores hasta frame 350 , UN≤ 500 V

� Eje preparado para encoder desdecarcasa 160

� Opción de ventilación separada

� fácil modificacion

� Usa el mismo ventilador

� Bajo nivel de ruidol

� Bobinado diseñado para VSD

� Rodamientos aislados sobre 100 kW


Mejoras Motor Alta eficiencia

Diseño de carcaza� Diseño circular

� Incrementa el área de refrigeración, hasta 20% más

� Mejora el sistema de ventilación

Old160-250

New160-250


Ventilación mejorada > Incremento de la vida útil del rodamiento

Motores nuevosmotores anteriores

59 °C46 °C

Winding 75 °C

46 °CWinding 81 °C

Resultados: Incremento de temperatura del bobinado reducido en 6KIncremento de temperatura del rodamiento lado de 41K a 28K.Diferencia entre rodamiento lado D y N reducido de 26 K hasta 10K.

La temperatura del motor está mejor distribuída..


Métodos de medición de EficienciaIEC 60034-2-1(2007)


Introducción

� El esquema europeo de clasificación de eficiencia para motores AC de baja tensión fue introducido en 1998 y estableció tres niveles de eficiencia EFF1, EFF2 y EFF3, siendo EFF1 el nivel más alto.

� El esquema especificaba que la eficiencia debería ser medida de acuerdo con el estándar EN / IEC 60034-2: 1996.

� Esto ha sido reemplazado con un Nuevo estándar IEC, IEC 60034-2-1, el cual entró en vigencia en Setiembre del 2007; y también será publicado como EN 60034-2-1 en el nivel CENELEC.

� Este nuevo estándar introduce nuevas reglas concernientes a los métodos de prueba que serán usados para determinar las pérdidas y la eficiencia.


Norma Técnica Peruana (NTP)

� Actualmente, en el Perú se viene elaborando la Norma Técnica Peruana (NTP), con la colaboración de algunas entidades involucradas de cerca en el tema de los motores eléctricos de corriente alterna tales como entidades públicas del Estado, fabricantes, Universidades, distribuidores, Talleres, etc. El propósito de esta norma es lograr una estandarización en los niveles de eficiencia de los motores eléctricos comercializados en el mercado local, los cuales estarán basados en los nuevos estándares.

� A continuación una breve descripción de los nuevos métodos.


¿ Cómo se mide la eficiencia de un motor?

� La eficiencia de un motor se define como la relación entre la potencia de salida (mecánica) y la potencia de entrada (eléctrica). Esta puede ser medida directa e indirectamente.

� Medición directa, implica el cálculo de la potencia de entrada en base al voltaje y la corriente consumida y la potencia de salida basada en la velocidad de rotación y el torque.

� Medición Indirecta, implica el cálculo de la potencia de entrada y el cálculo de la potencia de salida en base a las pérdidas dentro del motor.


Pérdidas en el motor

Pinput = Electrical power inputPoutput = Mechanical power output

Pfriction

Psalida

PLL

Pbobinado

Pentrada Piron

Protor

Las pérdidas en el motor se pueden separar en cinco principales áreas:

Pérdidas en el cobre

Pérdidas en el hierro

Pérdidas en el rotor

Pérdidas por fricción y ventilación

Pérdidas de carga adicionales

Las Pérdidas de carga adicionales son debido a: dispersión de flujo, imperfecciones mecánicas en el entrehierro, etc

De estos, los cuatro primeros tipos de pérdidas pueden ser determinados por la potencia de entrada y la corriente del motor. Las pérdidas por dispersión de carga son mucho más difíciles de determinar, por lo que se le permite a los fabricantes usar un estimado basado en la potencia del motor.


¿Cómo cambiarán los valores de eficiencia entre el antiguo y el Nuevo estándar?

� ¿Cómo cambiarán los valores de eficiencia entre el antiguo y el Nuevo estándar?

� La siguiente tabla muestra ejemplos de cómo variarán los valores de eficiencia para tres diferentes tamaños de motor.

� Note que los valores de diferentes fabricantes pueden no ser comparables.

� Potencia NominalMétodo antiguoEN/IEC 60034-2: 1996Método NuevoIEC 60034-2-1: 2007-2009Motor 7.5 KW,2 polos88.4%87.9%Motor 11 KW,4 polos90.9%90.3%Motor 160 KW,4 polos96.0%95.4%

95.4%96.0%Motor 160 KW,4 polos

90.3%90.9%Motor 11 KW,4 polos

87.9%88.4%Motor 7.5 KW,2 polos

Método NuevoIEC 60034-2-1: 2007-2009

Método antiguoEN/IEC 60034-2: 1996

Potencia Nominal


Como han cambiado los métodos de medición de eficiencia con el Nuevo estándar?

Las pérdidas en el bobinado del estator y rotor son determinadas a [ 25° C + temperatura rise medida]

Las pérdidas en el bobinado del estator y rotor son determinadas a 95°C

Método Indirecto:• Pérdidas por dispersión medidas• Pérdidas por dispersión de carga

estimadas como 2.5 % - 0.5 % de la potencia de entrada a plena carga

• Eh star – método alternativo con cálculos matemáticos de las pérdidas por dispersión de carga

Método Indirecto:• Pérdidas por dispersión de carga

estimadas como 0.5 % de la potencia de entrada a plena carga

Método DirectoMétodo Directo

Método NuevoIEC 60034-2-1: 2007-2009

Método antiguoEN/IEC 60034-2: 1996

Medición de la eficiencia por el esquema de clasificación europeo


Como han cambiado los métodos de medición de eficiencia con el Nuevo estándar?

� El nuevo método está basado en la medida real de las pérdidas por dispersión de carga bajo los estándares IEEE 112-B (2004) y CSA 390. Este será probablemente mucho más usado bajo el nuevo estándar.

� El método indirecto fue muy usado por los fabricantes bajo el estándar antiguo.

� Sin embargo las reglas referidas a la estimación de las pérdidas por dispersión de carga se han hecho más exigentes bajo el nuevo estándar y los nuevos valores ahora están tomando en cuenta la medición de las pérdidas.

� El Nuevo estándar también introduce nuevos métodos opcionales:

� • Pérdidas por dispersión de carga halladas por medición

� • Pérdidas por dispersión de carga estimadas a 2.5% - 0.5% de la potencia de entrada a potencia nominal.

� • Eh star: Las pérdidas son medidas indirectamente, las pérdidas por dispersión de carga se calculan matemáticamente.


Valor asignado para pérdidas adicionales de carga(PLL)

3.00

2.50

2.00

1.50

1.00

0.50

0.000.1 1 10 100 1000 10000 100000

CEMEP range 1.1 kW - 90 kW

LV Motors range

PLL in % of P1_input

Rated output P2 kW

PLL_IEC60034-2-1 PLL_IEC60034-2_1996

New standard

Old standard

� Nuevo estandar: PLL se asigna un valor de 2.5% - 1.0 % de la potencia de entrada a plena carga entre 0.1kW y 1000 kW

� Antiguo standard: PLL = 0.5% de la potencia de entrada.


� ¿ Cómo puede un usuario identificar cuál método de medida ha sido usado?Bajo el Nuevo estándar, los fabricantes pueden seleccionar cuál de los métodos de medición usarán. La documentación del motor deberá especificar el método usado.

� Se debe notar que los valores de eficiencia entregados por diferentes fabricantes se pueden comparar solamente si ambos usaron el mismo método.

� Cuál es la posición de ABB ?� Bajo este Nuevo estándar de eficiencia (IEC 60034-2-1: 2007-

09),

� ABB utiliza el Nuevo método indirecto con determinación de las pérdidas por dispersión de carga halladas por medición.

� Al mismo tiempo ABB está preparado para adecuarse al Nuevo estándar IEC 60034-30 , el cual se espera entre en vigencia en el 2009, éste introducirá un nuevo sistema internacional de clasificación de la eficiencia con los niveles IE1,IE2, IE3.


Metodo

usadopor A

BB

Métodos para medir la eficiencia

Additional load losses

Friction losses

Iron lossesLosses RotorLossesWinding

Method

Pin

rpmLosses from test Valid at 25°Cambient

Losses from test Valid at 25°Cambient

IEC 60034-2-1: 2007Sum of losses

Losses from no load test


From table(2,5 –1,0% of Pin)

Nm

& rpm

Pin IEC 60034-2-1: 2007Sum of losses





According to measuring

0,5% of PinLosses from test recalculated to75°K +20°Cambient

Losses from test recalculated to75°K +20°Cambient

IEC 60034-2: 1996Old



rpm

rpmIEC 60034-2-1: 2007Eh-star





According to calculation


Cálculo de eficienciaEjemplo: 4-polos, 11 kW ∆ °56 K


Pbobinado / Temperatura de referenciaEjemplo:Ejemplo: Antiguo vsAntiguo vs. . nuevonuevo mméétodo,todo, motor de 11motor de 11 kWkW


Protor / Temperatura de referenciaEjemplo: Antiguo vs. nuevo mEjemplo: Antiguo vs. nuevo méétodo, motor de 11 kWtodo, motor de 11 kW


PLL / Pérdidas adicionales de cargaEjemplo: Antiguo vs. nuevo mEjemplo: Antiguo vs. nuevo méétodo, motor de 11 kWtodo, motor de 11 kW


Niveles de EficienciaIEC 60034-30 (2008)


Historia y futuro

� Standares para clasificación de niveles de eficiencia

� CEMEP 1998

� EFF1, EFF2, EFF3

� 2-4 polos, 400V, 1,1 – 90 kW, 50 Hz, IP54/55

� Voluntary for motor producers to sign => To mark their products

� Standards for Measuring of efficiency

� IEC 60034-2, 1996

� CSA C-390 and IEEE 112-B

� IEC 60034-2-1, 2007

Harmonized

� Draft: IEC 60034-30 2008

� IE1, IE2, IE3

� 2-6 pole, 1000V, 0,75 – 375 kW, 50 & 60 Hz, IP2x or higher

� EU – directive, Lot 11 (11/3-2009)

� Will be mandatory within EU

� 2011 (from 16th of June) - IE2

� 2015/17 - IE3 (IE2 & VSD)


Niveles de eficienciaNEMA � IEC

“ La amargura de la baja calidad aún permanece

mucho después de que la dulzura del bajo

precio se ha olvidado”

Documents

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