ANALÍSIS DE LA CLASE DE RENDIMIENTO DE LOS MOTORES DE INDUCCIÓN TRIFÁSICOS A PARTIR DE LOS DATOS DEL FABRICANTE

Transcripción

1 Javier Cortés Comin ANALÍSIS DE LA CLASE DE RENDIMIENTO DE LOS MOTORES DE INDUCCIÓN TRIFÁSICOS A PARTIR DE LOS DATOS DEL FABRICANTE TRABAJO DE FIN DE GRADO Dirigido Luis Guasch Pesquer Grado en Ingeniería Telemática Tarragona 2015

2 Índice general Índice general... 2 Índice de figuras y gráficas... 4 Índice de tablas Introducción Objetivo Antecedentes Alcance Estructura del trabajo... 8 Motor de inducción trifásico Introducción Constitución Circuito equivalente Estimación de parámetros Métodos de estimación de parámetros a partir de datos del fabricante Técnica de Haque Técnica de Pedra Clases de rendimiento, normativa IEC Objeto y campo de aplicación Clasificación del rendimiento Cálculo del rendimiento nominal mediante interpolación Límites nominales Límites nominales de rendimiento en % a 50Hz para clasificación IE Límites nominales de rendimiento en % a 60Hz para clasificación IE Límites nominales de rendimiento en % a 50Hz para clasificación IE Límites nominales de rendimiento en % a 60Hz para clasificación IE Límites nominales de rendimiento en % a 50Hz para clasificación IE Límites nominales de rendimiento en % a 60Hz para clasificación IE Muestra de motores seleccionada Introducción Origen y antecedentes de los datos Datos del catálogo utilizados

3 6 Análisis del rendimiento en los motores de la muestra Análisis de la clase de rendimiento energético indicado por el fabricante Cálculo aproximado del rendimiento a partir de los parámetros estimados Método para el cálculo del rendimiento Cálculo de la clase de rendimiento y comparación con el valor facilitado por el fabricante Análisis del impacto económico de la implantación de motores de alta... eficiencia Criterios utilizados para el estudio Clase de servicio del motor Precio de la energía, tarifa de Alta Tensión utilizada Análisis de cambio de clase IE1 a IE Análisis de cambio de clase IE2 a IE Análisis del cambio de IE1 a IE Conclusiones Referencias

4 Índice de figuras y gráficas Figura 2.1 Motor de inducción con diferentes tipos de rotor Figura 2.2 Circuito equivalente del MI en régimen permanente Figura 3.1 Circuito equivalente del modelo jaula sencilla del MI Figura 4.1 Comparación entre rendimientos para IE1 calculado por interpolación y rendimiento por norma Figura 4.2 Curvas del rendimiento nominal a 60Hz IE1 Figura 4.3 Comparación entre rendimientos para IE2 calculado por interpolación y rendimiento por norma Figura 4.4 Curvas del rendimiento nominal a 60Hz IE2 Figura 4.5 Comparación entre rendimientos para IE3 calculado por interpolación y rendimiento por norma Figura 4.6 Curvas del rendimiento nominal a 60Hz IE3 Figura 5.1 Totalización de la cantidad de motores estudiada Figura 6.1 Circuito equivalente del modelo jaula sencilla del MI Figura 6.2 Circuito equivalente del modelo jaula sencilla del MI con equivalente de Thevenin Figura 6.3 Resultado de la técnica más efectiva en motores de inducción de jaula sencilla Figura 6.4 Análisis del error en el método de cálculo del rendimiento con la técnica de Haque Figura 6.5 Análisis del error en el método de cálculo del rendimiento con la técnica de Pedra Figura 6.6 Resultado de los motores que incumplen la normativa vigente Figura 6.7 Repartición de errores en la clasificación energética de los motores por fabricante Figura 7.1 Funcionamiento del motor de inducción con servicio S1, gráficas extraídas de la UNE-EN Figura 7.2 Evolución del coste de la energía y del rendimiento para una muestra de motores con potencia de 1,5 kw Figura 7.3 Evolución del coste de la energía y del rendimiento para una muestra de motores con potencia de 15 kw 4

5 Figura 7.4 Evolución del coste de la energía y del rendimiento para una muestra de motores con potencia de 160 kw 5

6 Índice de tablas Tabla 4.1 Coeficientes de interpolación para cálculo del rendimiento Tabla 4.2 Valores nominales del rendimiento mediante interpolación Tabla 4.3 Límites nominales del rendimiento 50Hz IE1 Tabla 4.4 Límites nominales del rendimiento 60Hz IE1 Tabla 4.5 Límites nominales del rendimiento 50Hz IE2 Tabla 4.6 Límites nominales del rendimiento 60Hz IE2 Tabla 4.7 Límites nominales del rendimiento 50Hz IE3 Tabla 4.8 Límites nominales del rendimiento 60Hz IE3 Tabla 7.1 Comparación de un mismo motor con clasificación IE1 a IE2 de 2 polos Tabla 7.2 Comparación de un mismo motor con clasificación IE2 a IE3 de 2 polos Tabla 7.3 Comparación de un mismo motor con clasificación IE1 a IE3 de 2 polos Tabla 7.4 Comparación de un mismo motor con clasificación IE1 a IE2 de 4 polos Tabla 7.5 Comparación de un mismo motor con clasificación IE2 a IE3 de 4 polos Tabla 7.6 Comparación de un mismo motor con clasificación IE1 a IE3 de 4 polos Tabla 7.7 Comparación de un mismo motor con clasificación IE1 a IE2 de 6 polos Tabla 7.8 Comparación de un mismo motor con clasificación IE2 a IE3 de 6 polos Tabla 7.9 Comparación de un mismo motor con clasificación IE1 a IE3 de 6 polos 6

7 1 Introducción 1.1 Objetivo En un inicio, parte de este proyecto iba a formar parte de una colaboración con una gran empresa química del sector industrial de Tarragona, pero debido a unos cambios y nuevos objetivos, se replanteó toda la estructura. Manteniendo una pequeña colaboración con la empresa inicial ya que algunos datos han sido facilitados por la misma. La finalidad de este proyecto de final de grado es el análisis específico de la clase de rendimiento que ofrece el fabricante de motores de inducción y una posterior estimación de parámetros con dos técnicas distintas. Dicho análisis, siempre es realizado en base a motores de inducción trifásicos de baja tensión. Los datos correspondientes a estos motores han sido extraídos a partir de los catálogos comerciales de los diferentes fabricantes, a partir de los cuales posteriormente se ha estimado dicho rendimiento. En cuanto a la clase de rendimiento analizado, se ha trabajado siempre bajo la normativa vigente aplicable en España, la UNE-EN [1]. Dicha normativa afecta a las máquinas eléctricas rotativas, donde la sección 30 está enfocada a las clases de rendimiento para los motores trifásicos de inducción de jaula de velocidad única con su respectivo código IE. 1.2 Antecedentes La base de datos utilizada en este trabajo fue realizada por el Sr. Manuel Cereijo Neira en su Proyecto Final de Carrera: Método para la estimación del momento de inercia de máquinas de inducción trifásicas a partir de su peso y altura de eje presentado en septiembre del año Posteriormente la misma base de datos se utilizó para un nuevo estudio por el Sr. Bartomeu Angulo Salonen en su Trabajo Final de Grado: Cálculo y análisis de los parámetros eléctricos de un conjunto de motores de inducción, presentado en septiembre del año En este trabajo se añade una nueva técnica de estimación de parámetros eléctricos, respecto al del Sr. Angulo, y a partir de dichos parámetros se estima el rendimiento del motor. Además, también se comprueba que la información facilitada por el fabricante sobre el rendimiento de cada uno de los motores de la base de datos, se corresponda con la norma UNE-EN [1], y se compara el valor del fabricante con el valor estimado. 7

8 1.3 Alcance El análisis consta de diversas etapas: Adaptación de la base de datos existente a los requerimientos del trabajo. Estimación de parámetros a partir de los datos del fabricante a partir de dos técnicas: Haque y Pedra. Estimación del rendimiento de los motores de la base de datos. Comprobación de que la clase de rendimiento facilitada por el fabricante sea correcta. Comparación y clasificación de los motores según su rendimiento. Análisis económico de las clases de rendimiento. Estructura del trabajo El Análisis de la clase de rendimiento de los motores de inducción trifásicos a partir de los datos del fabricante es el resultado de una compilación de datos dados por los diferentes fabricantes de motores de inducción trifásicos de baja tensión. Esta compilación ha sido plasmada en una base de datos manipulada mediante una hoja de cálculo. Esta base de datos ha sido ampliada siendo reutilizados algunos de los parámetros ya insertados por el autor. El resultado del análisis ha sido un listado total de 1532 motores, correspondientes a 7 fabricantes diferentes. Esta base de datos ha sido modificada siempre bajo valores normalizados en la norma UNE-EN [1]. El análisis consta de 7 partes en total, en las cuales en cada una se explicará unos puntos en concreto con la finalidad de poder entender de una manera más sencilla el objetivo de este análisis. En la primera parte se hace una introducción al motor de inducción trifásico, así pues se explica su constitución y características más fundamentales para entender su funcionamiento. De esta manera se entrará en detalle en el modelo de motor de inducción trifásico analizado, en concreto será el de jaula sencilla. En la segunda parte se explican las dos técnicas utilizadas en la estimación de parámetros, ambas a partir de los datos del fabricante. En la tercera parte se detalla la norma que le da la forma a este análisis, la norma UNE-EN [1]. En cuanto a la clasificación de los rendimientos, el cálculo del rendimiento nominal mediante una interpolación y el conocimiento de los límites nominales de los rendimientos para cada tipo de clasificación energética. Este punto se ha realizado para que no sea necesario buscar la norma para tener los valores y así pues plasmarlos sobre papel. En la cuarta parte se entra en detalle en la base de datos de motores, indicando: fabricantes, datos utilizados, su origen y antecedentes de los mismos. 8

9 En la quinta parte se analiza el rendimiento tras un filtrado previo del listado de motores, cumpliendo de esta manera la normativa vigente. En esta parte se demuestra que el rendimiento ofrecido por el fabricante tiene su clasificación energética correcta o no. Dentro de esta parte se realiza un cálculo del rendimiento mediante los parámetros estimados y posteriormente se comparará con el valor del fabricante, analizando cuál de las dos técnicas utilizadas da mayor fiabilidad. En la sexta parte se analiza qué impacto económico causa la implantación de motores de alta eficiencia respecto a los motores de eficiencia normal. Donde se analizará su coste anual bajo una tarifa concreta. Dentro de esta parte se mostrará lo que conlleva cambiar un motor de inducción trifásico de eficiencia normal a alta eficiencia. En la séptima parte se explicarán qué conclusiones se han extraído de este análisis. 9

10 2 Motor de inducción trifásico 2.1 Introducción El motor de inducción trifásico es el tipo de maquina eléctrica rotativa más utilizada dentro del ámbito industrial. Son motores asíncronos, o que es lo mismo, motores que trabajan a velocidades distintas a la de sincronismo. El uso de este tipo de motores se ha incrementado de manera exponencial con el paso de los años, hasta copar la inmensa mayoría de aplicaciones industriales, ya que es una máquina eléctrica que tiene un bajo coste respecto a otras del sector industrial y además, su mantenimiento es mucho menor y económico cuando el modelo sea de jaula de ardilla. Se estima que el 50% de la energía eléctrica consumida a nivel mundial, va a cargo de los motores de inducción trifásicos, así entonces verificando la teoría que es el tipo de motor más utilizado dentro de la industria contemporánea. Una de las características más importantes de los motores de inducción trifásicos son los altos niveles de eficiencia que ofrecen, donde gracias a estos valores, dichos motores se están implantando cada vez con más solvencia en las energías renovables como por ejemplo, en aerogeneradores. 2.2 Constitución El motor de inducción trifásico está formado como la gran mayoría de máquinas rotativas por un rotor y un estator. La parte en movimiento o rotor, puede ser rotor de jaula de ardilla o rotor de anillos. Figura 2.1 Motor de inducción con diferentes tipos de rotor En este análisis se utilizan sólo el modelo de jaula de ardilla, tal y como se ha mostrado en la figura 2.1. El funcionamiento de este tipo de motor, es en base a un movimiento de una masa metálica por el efecto de un campo magnético. En el estator se sitúa el inductor, el cual está alimentado por la red eléctrica y por consiguiente, el rotor es la parte inducida giratoria. 10

11 Como se observa en la figura 2.1, el estator está formado por un conjunto de chapas de acero donde se sitúa un devanado trifásico desfasado 120 grados con la finalidad de producir un flujo magnético giratorio. Este devanado trifásico es alimentado por una red trifásica equilibrada. Las corrientes que circulan por el estator generan un campo magnético que gira a la velocidad de sincronismo, y éste acaba induciendo tensiones, corrientes y par en el rotor. Así pues, debido a este campo magnético generado por el estator, el rotor gira físicamente a una velocidad cercana a la de sincronismo y dependiendo si el par de carga o necesidades de potencia se incrementan, esta velocidad se ve reducida. 2.3 Circuito equivalente El motor de inducción tiene un modelo matemático que puede ser representado por un circuito equivalente. Este modelo matemático permite analizar su comportamiento dinámico, tanto de las variables eléctricas como mecánicas. Como el motor es geométricamente simétrico y se ha de alimentar mediante una fuente de tensión equilibrada, se puede con un único circuito equivalente por fase, como el mostrado en la Figura 2.2. Figura 2.2 Circuito equivalente del MI en régimen permanente En el circuito equivalente de la figura 2.2, el estator está modelado mediante una resistencia Rs y una reactancia Xs. Esta Rs corresponde a la resistencia óhmica del devanado del estator y Xs es la reactancia de dispersión del mismo. Así mismo, el circuito magnético está formado por una asociación en paralelo de una resistencia denominada Rc y una reactancia Xm. Esta reactancia Xm corresponde a una reactancia magnetizante, y la Rc corresponde a una resistencia óhmica del circuito magnético, la cual suele ser despreciada en algunos trabajos. 11

12 De la misma manera, el rotor está formado por una asociación de una reactancia y una resistencia. La reactancia del rotor será Xr y la resistencia Rr donde ambas tendrán que estar referidas al estator. Como se puede observar, en la resistencia del rotor juega el papel el deslizamiento, s, y está definido como la diferencia entre la velocidad de sincronismo y la velocidad de funcionamiento. El deslizamiento s siempre expresado en valores pu. Así, aclarando que el deslizamiento es una de las variables más importantes de la máquina de inducción. Y se calcula: = (2.1) Cada uno de los parámetros anteriormente nombrados, será calculado más adelante mediante dos métodos diferentes para llegar al objetivo de este análisis de los rendimientos de los motores de inducción según los datos del fabricante. 12

13 3 Estimación de parámetros 3.1 Métodos de estimación de parámetros a partir de datos del fabricante Para el análisis del motor de inducción trifásico se ha utilizado el modelo de jaula sencilla. Existen una gran cantidad de métodos de cálculo de parámetros mediante algoritmos que a su vez, ninguno de los métodos acaba de demostrar su efectividad. En este estudio, se han dejado de lado los algoritmos y se han usado dos técnicas donde a posteriori se ha analizado el error de las mismas. Con la finalidad de indicar cuál de las dos es más viable en cuanto al cálculo del rendimiento mediante parámetros estimados. Se ha partido del circuito equivalente de la figura 3.1 tal y como muestra la imagen: Figura 3.1 Circuito equivalente del modelo jaula sencilla del MI En el circuito equivalente se puede observar los parámetros a estimar, los del estator, los del rotor y el del circuito magnético. Los parámetros han sido estimados mediante las técnicas de Haque y Pedra formuladas en el documento Análisis del cálculo directo de los parámetros del circuito equivalente en una amplia muestra de motores de inducción trifásicos L.Guasch, F.Gonzalez, A.A.Jaramillo, L.Youb y J.A.Barrado [3]. Las dos técnicas son aplicadas a los 1532 motores de la base de datos de este estudio y se han analizado el error de las mismas. Así pues, ampliándola con un añadido de 10 columnas más a las existentes. 13

14 3.2 Técnica de Haque Esta técnica desarrollada por M. H. Haque es una técnica desarrollada para buscar variantes más exactas para determinar los parámetros del circuito equivalente del motor de inducción modelo de jaula sencilla con parámetros constantes. Es un método que no se basa en ensayos, si no que usa ecuaciones mediante análisis empíricos con multitud de iteraciones con tal de aportar la mayor precisión que se pueda. Las ecuaciones definidas en la técnica de Haque y las que se han utilizado en este estudio son: Rr: Resistencia del rotor donde: = = (3.1) Rs: Resistencia del estator donde αr adopta el valor de 2,5 ya que ante las 3 opciones posibles, la elegida es 2,5 ya que es la que presenta menos errores en los resultados: Xsd: Inductancia del estator donde: =, = Xrd: Inductancia del rotor donde: (3.2), (3.3) (3.4) = Xm: Inductancia de magnetización donde: =, = 14, (3.5)

15 3.3 Técnica de Pedra Este método desarrollado por J.Pedra se basa en una búsqueda de una serie de ecuaciones que, al igual que la técnica de Haque, se estimen los parámetros de un motor de inducción trifásico de baja tensión. En este caso no se entra en la forma que en J.Pedra obtuvo las fórmulas de estimación, ya que no es el objetivo de este estudio y a continuación se muestran las ecuaciones establecidas por J.Pedra: Rr: La resistencia del rotor que se calcula: = = (3.6) Rs: La resistencia del estator que se calcula: = = 1,5 (3.7) = (3.8) Xm: La inductancia de magnetización que se calcula: = Xsd: La inductancia del estator que se calcula: = 0,05 (3.9) Xrd: La inductancia del rotor que se calcula: = = 0,5 15 (3.10)

16 4 Clases de rendimiento, normativa IEC Objeto y campo de aplicación La base de este análisis, a parte de la base de datos, es la normativa. La normativa vigente en cuanto al análisis del rendimiento de los motores de inducción de baja tensión es la UNE EN [1]. Esta norma fue aprobada por CENELEC [2] en el año Esta organización está formada por comités electrotécnicos de normalización y es la que afecta a las máquinas rotativas. Concretamente, dentro de las máquinas rotativas afecta a los motores incluidos en este análisis de rendimientos, en concreto los motores de inducción trifásicos de baja tensión. Las condiciones para que esta normativa sea aplicable son: Tensión asignada inferior a 1000V, por lo tanto que sean de baja tensión. La potencia nominal del motor de inducción debe ser como mínimo de 0,75 kw hasta un máximo de 375 kw por motor. Los motores han de ser de 2, 4 o 6 polos. Estén asignados para un ciclo de servicio tipo S1, servicio continuo o S3, servicio periódico intermitente. Por lo tanto, el análisis realizado en este trabajo final de grado está filtrado por los puntos anteriormente nombrados. 4.2 Clasificación del rendimiento El rendimiento va asignado a una potencia nominal, número de polos y a un valor eficaz y frecuencia de la tensión determinadas. El rendimiento asignado por norma a cada motor debe ir impreso en su placa de características y a su vez, especificado dentro de los papeles de la máquina, debe ir adjuntado los valores del rendimiento posibles y sus códigos IE asociados. El rendimiento siempre es a plena carga. Cuando se ensaya a una tensión y frecuencia, el rendimiento no debe ser menor que el rendimiento asignado. La designación de la clase de rendimiento energético es el código IE que significa International energy-efficiency class. Seguida de un número que es el valor que determinará la clasificación de su rendimiento. Estos números pueden ser: 1: Para una clasificación IE del rendimiento estándar, con el código IE1. 2: Para una clasificación IE del rendimiento alto, con el código IE2. 3: Para una clasificación IE del rendimiento premium, con el código IE3. Cabe decir que también se nombran los motores IE4 con rendimiento súper premium, pero es un tipo de eficiencia que se encuentra en estudio a pesar de que ya existen motores con dicha clasificación energética del rendimiento y no ha sido incluida en este estudio. 16

17 4.3 Cálculo del rendimiento nominal mediante interpolación Existe un método para calcular el rendimiento nominal de los motores de inducción trifásicos de baja tensión mediante su potencia nominal y pares de polos. Este método es aplicable sólo para motores de con frecuencia de 50 Hz y una potencia entre 0,75 kw y 200 kw. La fórmula es calculada mediante unos coeficientes de interpolación y ofrece valores totalmente exactos de los rendimientos a analizar para su posterior clasificación energética. Puede aplicarse la siguiente fórmula para calcular el límite del rendimiento: = + + (4.1) + Como se puede observar, la fórmula anterior depende de unos coeficientes A, B, C y D. Estos coeficientes son los coeficientes de interpolación que se utilizan en función del número de polos y la potencia nominal escogida con el límite máximo de 200kiloWattios o kw. A continuación, se muestra los valores de los coeficientes de interpolación: Código IE IE1 IE2 IE3 Coeficientes 50Hz hasta 200kiloWattios o kw 2 polos 4 polos 6 polos A 0,5234 0,5234 0,0786 B -5,0499-5,0499-3,5838 C 17, , ,2918 D 74, , ,2383 A 0,2972 0,0278 0,0148 B -3,3454-1,9247-2,4978 C 13, , ,2470 D 79,077 80, ,5603 A 0,3569 0,0773 0,1252 B -3,3076-1,8951-2,613 C 11,6108 9, ,9963 D 82, , ,4769 Tabla 4.1 Coeficientes de interpolación para cálculo del rendimiento 17

18 Mediante la fórmula anterior, se ha aplicado para cada uno de los valores normalizados de potencia y para cada cantidad de número de polos. Y se ha obtenido la siguiente tabla: IE1 2p IE1 4p IE1 6p IE2 2p IE2 4p IE2 6p IE3 2p IE3 4p IE3 6p 72, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,448 77, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,509 84, , , , , , kw 88, , , ,2989 0,75kW 1,1 kw 1,5 kw 2,2 kw 3 kw 4 kw 5,5 kw 7,5 kw 11 kw 18,5 kw 22 kw 30 kw 37 kw 45 kw 55 kw 75 kw 90 kw 110 kw 132 kw 160 kw 200 kw 89, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,1 93, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,018 94, , , , , , ,80246 Tabla 4.2 Valores nominales del rendimiento mediante interpolación 92, , , , , , , , , , , , , ,175 92, , , , , , , , , ,77095 Como se puede apreciar, se muestran unos valores de rendimientos (en %) muy exactos hasta con 5 decimales. En el punto siguiente, se demuestra que los valores obtenidos por fórmula y los valores fijados por la norma UNE-EN [1] son prácticamente idénticos (idénticos cuando se toma el mismo número de decimales). 18

19 4.4 Límites nominales Los límites nominales establecidos en UNE-EN [1] son valores para frecuencias de 50 o 60 Hz, y un rango de potencias mayor al del rango de potencias usadas para calcular el rendimiento mediante la interpolación. Cabe recalcar que en este análisis se trabaja siempre bajo valores normalizados de potencias, establecidas en la normativa vigente aplicable. A continuación se muestran los límites nominales del rendimiento para cada frecuencia y potencia Límites nominales de rendimiento en % a 50Hz para clasificación IE1 Potencia en kw 2 polos 4 polos 6 polos 0,75 72,1 72,1 70 1, ,9 1,5 77,2 77,2 75,2 2,2 79,7 79,7 77,7 3 81,5 81,5 79,7 4 83,1 83,1 81,4 5,5 84,7 84,7 83,1 7, , ,6 87,6 86, ,7 88,7 87,7 18,5 89,3 89,3 88, ,9 89,9 89, ,7 90,7 90, ,2 91,2 90, ,7 91,7 91, ,1 92,1 91, ,7 92,7 92, , ,3 93,3 93, ,5 93,5 93, ,8 93,8 93,8 200 hasta Tabla 4.3 Límites nominales del rendimiento 50Hz IE1 19

20 Como se puede observar, las diferencias de rendimiento entre potencias son mínimas y a continuación se muestra una gráfica donde se aprecia la mínima diferencia que existe en tomar un de rendimiento valor ya definido por tabla o un valor de rendimiento calculado por fórmula mediante interpolación: IE1 2p INT 85 IE1 4p INT IE1 6p INT IE1 2p TAB 80 IE1 4p TAB IE1 6p TAB Figura 4.1 Comparación entre rendimientos para IE1 calculado por interpolación y rendimiento por norma. Se aprecia que apenas hay diferencia entre los valores de rendimiento calculados por interpolación y los valores del rendimiento establecidos por tabla en la norma UNE-EN [1]. Los valores con nombre INT son los rendimientos calculados con la fórmula 3.1 y los valores con el nombre TAB son los rendimientos estipulados por norma en forma de tabla ya definida. 20

21 4.4.2 Límites nominales de rendimiento en % a 60Hz para clasificación IE1 Potencia en kw 2 polos 4 polos 6 polos 0, ,1 78, , ,5 77 2,2 81, ,5 3,7 84, ,5 5, ,5 87,5 87, ,5 88, ,5 89,5 89,5 18,5 89,5 90,5 90, , ,2 91,7 91, ,5 92,4 91, , , , , , ,, ,5 94, ,1 94,5 94,1 185 hasta ,1 94,5 94,1 Tabla 4.4 Límites nominales del rendimiento 60Hz IE1 En este caso los valores de la tabla establecidos en la norma UNE-EN [1] no pueden ser comparados con los valores de la fórmula, ya que la fórmula como bien antes se ha comentado, sólo es aplicable para frecuencias de 50Hz. 21

22 A continuación se muestra la curva de rendimientos correspondientes al código IE1 para 60Hz: IE1 2p TAB 86 IE1 4p TAB 84 IE1 6p TAB Figura 4.2 Curvas del rendimiento nominal a 60Hz IE Límites nominales de rendimiento en % a 50Hz para clasificación IE2 Potencia en kw 2 polos 4 polos 6 polos 0,75 77,4 79,6 75,9 1,1 79,6 81,4 78,1 1,5 81,3 82,8 79,8 2,2 83,2 84,3 81,8 3 84,6 85,5 83,3 4 85,8 86,6 84,6 5, ,7 87,2 7,5 88,1 88,7 87, ,4 89,8 88, ,3 90,6 89,7 18,5 90,9 91,2 90, ,3 91,6 90, ,3 91,7 22

23 37 92,5 92,7 92, ,9 93,1 92, ,2 93,5 93, , , ,1 94, ,3 94,5 94, ,6 94,7 94, ,8 94,9 94,8 200 hasta ,1 95 Tabla 4.5 Límites nominales del rendimiento 50Hz IE2 Como se puede observar, las diferencias de rendimiento entre potencias son mínimas y a continuación se muestra una gráfica donde se aprecia la mínima diferencia que existe en tomar un de rendimiento valor ya definido por tabla o un valor de rendimiento calculado por fórmula mediante interpolación: IE2 2p INT 89 IE2 4p INT 87 IE2 6p INT 85 IE2 2p TAB IE2 2p TAB 83 IE2 6p TAB Figura 4.3 Comparación entre rendimientos para IE2 calculado por interpolación y rendimiento por norma. Con similitud al punto 3.4.1, no existe variación entre las curvas de rendimiento mediante el método de cálculo por interpolación y los rendimientos establecidos por tabla en la normativa. Como se aprecia en la figura anterior, las curvas coinciden en todos sus puntos. 23

24 4.4.4 Límites nominales de rendimiento en % a 60Hz para clasificación IE2 Potencia en kw 2 polos 4 polos 6 polos 0,75 75,5 82,5 80 1,1 82, ,5 1, ,5 2,2 85,5 87,5 87,5 3,7 87,5 87,5 87,5 5,5 88,5 89,5 89,5 7,5 89,5 89,5 89, , , , ,2 18, ,4 91, ,4 91, , , ,6 93, ,1 93, ,6 94,5 94, ,5 94,5 94, , hasta ,4 95,4 95 Tabla 4.6 Límites nominales del rendimiento 60Hz IE2 En este caso los valores de la tabla establecidos en la norma UNE-EN [1] no pueden ser comparados con los valores de la fórmula, ya que la fórmula como bien antes se ha comentado, sólo es aplicable para frecuencias de 50Hz. 24

25 A continuación se muestra la curva de rendimientos correspondientes al código IE1 para 60Hz: IE2 2p TAB 85 IE2 4p TAB IE2 6p TAB Figura 4.4 Curvas del rendimiento nominal a 60Hz IE Límites nominales de rendimiento en % a 50Hz para clasificación IE3 Potencia en kw 2 polos 4 polos 6 polos 0,75 80,7 82,5 78,9 1,1 82,7 84,1 81 1,5 84,2 85,3 82,5 2,2 85,9 86,7 84,3 3 87,1 87,7 85,6 4 88,1 88,6 86,8 5,5 89,2 89,6 88 7,5 90,1 90,4 89, ,2 91,4 90, ,9 92,1 91,2 18,5 92,4 92,6 91, , , ,3 93,6 92,9 25

26 37 93,7 93,9 93, ,2 93, ,3 94,6 94, , , ,2 94, ,2 95,4 95, ,4 95,6 95, ,6 95,8 95,6 200 hasta , ,8 Tabla 4.7 Límites nominales del rendimiento 50Hz IE3 Como se puede observar, las diferencias de rendimiento entre potencias son mínimas y a continuación se muestra una gráfica donde se aprecia la mínima diferencia que existe en tomar un de rendimiento valor ya definido por tabla o un valor de rendimiento calculado por fórmula mediante interpolación: IE3 2p INT 90 IE3 4p INT 88 IE3 6p INT 86 IE3 2p TAB IE3 2p TAB 84 IE3 6p TAB Figura 3.5 Comparación entre rendimientos para IE3 calculado por interpolación y rendimiento por norma. No existe variación entre las curvas de rendimiento mediante el método de cálculo por interpolación y los rendimientos establecidos por tabla en la normativa, están superpuestas una con la otra. 26

27 4.4.6 Límites nominales de rendimiento en % a 60Hz para clasificación IE3 Potencia en kw 2 polos 4 polos 6 polos 0, ,5 82,5 1, ,5 87,5 1,5 85,5 86,5 88,5 2,2 86,5 89,5 89,5 3,7 88,5 89,5 89,5 5,5 89,5 91,7 91 7,5 90,2 91, ,4 91, ,7 18,5 91,7 93, ,7 93, ,4 94,1 94, ,5 94, , , ,6 95,4 94, ,1 95, , ,8 95, ,4 96,2 95,8 185 hasta ,8 96,2 95,8 Tabla 4.8 Límites nominales del rendimiento 60Hz IE3 27

28 En este caso los valores de la tabla establecidos en la norma UNE-EN [1] no pueden ser comparados con los valores de la fórmula, ya que la fórmula como bien antes se ha comentado, sólo es aplicable para frecuencias de 50Hz. A continuación se muestra la curva de rendimientos correspondientes al código IE1 para 60Hz: IE3 2p TAB 87 IE3 4p TAB IE3 6p TAB Figura 4.6 Curvas del rendimiento nominal a 60Hz IE3 28

29 5 Muestra de motores seleccionada 5.1 Introducción La finalidad del estudio es demostrar si el nivel de eficiencia energética ofrecido en catálogo por el fabricante corresponde a los valores límite de la norma y si a su vez, el fabricante cumple con la normativa. A posteriori, se realiza un cálculo del rendimiento mediante dos técnicas de estimación de parámetros diferentes que son obtenidos a través de los datos facilitados por el fabricante. Por otro lado, se analiza el coste que tiene cada motor durante un periodo de tiempo y si realmente es rentable la mejora de la eficiencia energética teniendo en cuenta el coste del nuevo motor y sus niveles de consumo. Se ha trabajado con 7 fabricantes diferentes para conseguir un total de 1532 motores. 5.2 Origen y antecedentes de los datos La base de datos utilizada en este trabajo fue realizada por el Sr. Manuel Cereijo Neira en su Proyecto Final de Carrera: Método para la estimación del momento de inercia de máquinas de inducción trifásicas a partir de su peso y altura de eje presentado en septiembre del año Posteriormente la misma base de datos se utilizó para un nuevo estudio por el Sr. Bartomeu Angulo Salonen en su Trabajo Final de Grado: Cálculo y análisis de los parámetros eléctricos de un conjunto de motores de inducción, presentado en septiembre del año En este trabajo se añade una nueva técnica de estimación de parámetros eléctricos, respecto al del Sr. Angulo, y a partir de dichos parámetros se estima el rendimiento del motor. Por consiguiente se hizo un filtrado de datos de fabricante con tal de menguar el número de columnas de la base de datos. En la fase de organización de la información, la base de datos contenía 22 columnas de las cuales solo se necesitaban 12 para realizar este estudio. Por lo tanto se realizó un filtrado de las columnas para así disminuir la cantidad de información a la realmente necesaria. 29

30 5.3 Datos del catálogo utilizados Como bien se ha dicho en el punto anterior, se realizó un filtrado de las columnas existentes en la base de datos realizada por el compañero de facultad. Se pasó de tener 22 columnas a tener sólo 12 para así partir de esa base con tal de aumentar las columnas para realizar este estudio. Se realizó una ampliación del número de datos para llegar a un final de 55 columnas y un total de 1533 líneas. Los datos del catálogo utilizados como base de este estudio han sido: Nombre del fabricante La referencia del motor La potencia nominal en kw La velocidad de sincronismo El sincronismo La velocidad nominal Número de polos en formato numérico La intensidad nominal Conexionado estrella o triángulo Tensión de alimentación Frecuencia Factor de potencia A estos datos que forman la base del estudio, se le han añadido un total de 43 datos extra con tal de poder llegar al final de la investigación, que serán explicados en los puntos que van a continuación. 30

31 Como bien se ha dicho líneas atrás, se ha trabajado con 7 fabricantes diferentes con distintas cantidades de motores que forman el siguiente gráfico: ABB SIEMENS WEG LEROY SOMER MARELLI ROSSI CMG Figura 5.1 Totalización de la cantidad de motores estudiada La cantidad total de motores asciende a 1532, en un rango de potencias de 0,75kW hasta 375kW, que se dividen por fabricantes en: CMG: 44 motores ABB: 368 motores SIEMENS: 339 motores LEROY SOMER: 233 motores MARELLI: 137 motores ROSSI: 104 motores WEG: 307 motores 31

32 6 Análisis del rendimiento en los motores de la muestra 6.1 Análisis de la clase de rendimiento energético indicado por el fabricante En este estudio realizado como trabajo final de grado, se ha comprobado si realmente el rendimiento ofrecido por el fabricante en el catálogo corresponde con la normativa vigente y a su vez, si es respetada o no. En esta parte del proyecto, se insertó una columna nueva a la base de datos ya modificada. En esta columna nueva, se iba a mostrar la clasificación energética del rendimiento de cada motor y de cada fabricante. La base de datos antigua esta columna era inexistente, por lo cual se insertó uno por uno el valor de calificación energética del rendimiento de cada motor. Para realizar dicha tarea, se usó los mismos catálogos que en la base de datos de origen y dichos valores fueron añadidos. Cabe recalcar, que referente a los 1532 motores, se han incluido a los motores que no cumplían la norma. Los que no alcanzaban el valor mínimo de rendimiento para tener calificación energética, cumpliendo la normativa vigente. 6.2 Cálculo aproximado del rendimiento a partir de los parámetros estimados Gracias al documento Análisis del cálculo directo de los parámetros del circuito equivalente en una amplia muestra de motores de inducción trifásicos por L.Guasch, F.Gonzalez, A.A.Jaramillo, L.Youb y J.A.Barrado [4] se ha podido examinar las dos técnicas a utilizar: Pedra y Haque. Con tal de poder realizar el cálculo aproximado del rendimiento. Habiendo ya incluido la calificación energética de los motores según el catálogo, la otra parte de este estudio consta del cálculo del rendimiento aproximado mediante los parámetros estimados usando las dos técnicas, concretadas en el punto 5.2 y 5.3 de este proyecto. Teniendo dos rendimientos distintos, se ha analizado el error de todos ellos y se ha definido qué técnica es la más efectiva de las dos. A posteriori, se ha realizado un seguimiento de la clase de rendimiento de cada motor comparándolo con la clasificación energética fijada por el fabricante. Usando el valor de potencia normalizada de cada motor, su frecuencia y su número de polos con la finalidad de fijar los límites nominales de cada clasificación energética. Que mediante comparaciones, se ha contrastado la calificación energética de cada motor facilitada por el fabricante con la clasificación energética definida por potencia, número de polos y frecuencia de cada uno. Y a su vez, demostrando si el fabricante ha cometido un error o no. Con esto, se han añadido un total de 25 columnas más a la base de datos con tal de hacer posible este proyecto. 32

33 6.2.1 Método para el cálculo del rendimiento Para poder calcular el rendimiento, se necesitan unos valores extra a los parámetros estimados calculados en el punto 5.2 y 5.3 de este proyecto. En el cálculo del rendimiento en el modelo del motor de inducción de jaula sencilla, se han despreciado las pérdidas en el circuito magnético y las pérdidas mecánicas, siendo así más sencilla la expresión final. Dado que se aplican dos técnicas para estimar parámetros, se llega a dos valores de rendimiento distintos. Partiendo de la base del modelo de jaula sencilla en un motor de inducción: Figura 6.1 Circuito equivalente del modelo jaula sencilla del MI Con los valores de los parámetros estimados ya calculados con las dos técnicas de Pedra y de Haque, se necesita calcular los valores de Is y Ir. Is es la corriente que circula en el estator y Ir es la corriente que circula en el rotor. Como se calcula con dos técnicas distintas, tendremos un total de 4 intensidades para usar en la fórmula del rendimiento. Para calcular la corriente circulante en el rotor, Ir, es necesario realizar un equivalente de Thevenin en el circuito equivalente del modelo de jaula sencilla. Resultando así: Figura 6.2 Circuito equivalente del modelo jaula sencilla del MI con equivalente de Thevenin 33

34 Donde existen dos nuevos parámetros a calcular, Zth y Vth : Zth: Es la impedancia resultante del equivalente de Thevenin, que se calcula: Zth = ( ( ) (6.1) ) Vth: Es la tensión resultante de hacer el equivalente de Thevenin, donde: Vth = (6.2) ( ) Realizando el equivalente de Thevenin, se han calculado 4 valores más ya que usan en las dos técnicas. Por consiguiente, para calcular los valores de las corrientes en el rotor y en el estator, son necesarios los valores de las expresiones nombradas en el párrafo anterior. Donde las expresiones para calcular dichas corrientes son: Ir: Corriente que circula en el rotor, donde se calcula: = ( Is: Corriente del estator, que se calcula: = (6.3) ) ( ( ) (6.4) ) Como bien se ha recalcado anteriormente, estos cálculos han sido extraídos de Análisis del cálculo directo de los parámetros del circuito equivalente en una amplia muestra de motores de inducción trifásicos por L.Guasch, F.Gonzalez, A.A.Jaramillo, L.Youb y J.A.Barrado [3]. Teniendo así todos los valores necesarios para poder realizar la estimación del rendimiento, mediante el documento Parameters calculation of single and double cage models for induction motors from manufacturer data por L.Guasch, F.Gonzalez, A.A.Jaramillo, L.Youb y J.A.Barrado [4] se ha podido obtener la fórmula de la estimación del rendimiento en el modelo de jaula sencilla, donde el rendimiento en % se calcula: = 100 (6.5) Así pues, al calcular el rendimiento estimado, se calculan dos rendimientos distintos. Un rendimiento con los parámetros estimados de la técnica de Haque y otro rendimiento distinto obtenido mediante los parámetros estimados resultantes de la técnica de Pedra. Realizando así una ampliación de la base de datos de unas 19 columnas, con tal de alcanzar los objetivos de este estudio. Se ha analizado los dos tipos de rendimiento, uno por cada técnica de cálculo, y se ha llegado a una serie de conclusiones. Se ha comparado el valor del rendimiento del motor que viene estipulado en el catálogo del fabricante con el valor de los rendimientos estimados con las dos técnicas, realizando así el error de cada una. El objetivo de analizar 34

35 este error es para aclarar cuál de las dos técnicas es más precisa. Donde se ha obtenido que para el total de 1532 motores de la muestra: 316 de 1532 son los motores han presentado menor error con la técnica de Haque de 1532 son los motores que han presentado menor error mediante la técnica de Pedra. Estos resultados se muestran gráficamente en la Figura 6.3: Pedra Haque Total muestra Figura 6.3 Resultado de la técnica más efectiva en motores de inducción de jaula sencilla Se puede apreciar que la técnica más fiable y más efectiva para calcular el rendimiento mediante parámetros estimados es la técnica de Pedra, que presenta menor margen de error respecto al rendimiento fijado por el fabricante. Se ha analizado también la evolución de los errores de cada una de las técnicas, en función de la potencia nominal de los motores. En el caso de la técnica de Haque dicha evolución se presenta en la Figura

36 Error HAQUE 20,00 18,00 16,00 14,00 12,00 10,00 E.H 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00 0,00 50,00 100,00 150,00 200,00 250,00 300,00 350,00 Figura 6.4 Análisis del error en el método de cálculo del rendimiento con la técnica de Haque En la Figura 6.3 se observa que los errores son mucho mayores en el rango de potencias entre 0,75 kw hasta 50 kw. En el resto del rango de potencias, los errores se encuentran por debajo del 5% en la inmensa mayoría de casos, lo que supone que el valor estimado ofrece un valor de confianza. Aplicando la técnica de Pedra, y representando de nuevo la evolución de los errores de rendimiento en función de la potencia nominal del motor, se observan gráficamente los resultados obtenidos en la Figura

37 Error PEDRA 14,00 12,00 10,00 8,00 E.P 6,00 4,00 2,00 0,00 0,00 50,00 100,00 150,00 200,00 250,00 300,00 350,00 400,00 Figura 6.5 Análisis del error en el método de cálculo del rendimiento con la técnica de Pedra. La evolución del error estimado mediante la técnica de Pedra es similar a la ya observada con la técnica de Haque. Sin embargo, en este caso se observa que la gama de potencia con errores elevados es más estrecha, entre 0 y 20 kw (entre 0 y 50 kw para la técnica de Haque), y entre 20 y 400 kw los errores son menores a los observados con la técnica anterior, siendo la inmensa mayoría de los resultados inferiores al 4 %. 37

38 6.2.2 Cálculo de la clase de rendimiento y comparación con el valor facilitado por el fabricante Como se ha explicado en el punto 6.2, en la base de datos de origen, no existía la calificación energética IE de los motores, y por lo tanto fue añadida. Mirando los catálogos, se ha ido introduciendo uno por uno cada valor. Además se ha introducido el valor de rendimiento que le correspondería al motor por cada calificación energética. Esta parte del estudio se ha realizado con la finalidad de demostrar si realmente el fabricante ofrece lo que presenta en sus catálogos, comparándolo con la normativa UNE-EN [1]. El análisis se ha realizado en la muestra de 1532 motores de inducción trifásicos de baja tensión. El estudio compara la clasificación energética ofrecida por el fabricante con la que realmente le correspondería por norma, en base a: potencia, frecuencia y número de polos. Por ejemplo: el motor de inducción con referencia SIEMENS MP-70 con una potencia nominal de 30 kw presenta un rendimiento del 91,7% por catálogo y en el mismo, presenta una clasificación energética del rendimiento con valor IE2. Teniendo esto en cuenta, según su potencia, frecuencia y número de polos se ha introducido el valor que le correspondería en cada una de las tres clasificaciones energéticas. En este caso para IE1 le correspondería un valor del rendimiento de 90,7%, para IE2 un 92.0% y para IE3 un 93,3%. Como se puede apreciar, el valor del rendimiento que tiene el motor, está por debajo del 92% de la clasificación energética IE2, por lo tanto a este motor le correspondería una calificación energética IE1 y no la de IE2 que define el fabricante por catálogo. Y así como en el ejemplo anterior, se ha ido analizando motor por motor. Realizando el estudio de esta manera, se han llegado a una serie de conclusiones: De la muestra total de 1532 motores, 210 motores no cumplen la clasificación energética del rendimiento fijada por norma respecto a la que ofrecen en el catálogo comercial. De los 210 motores de los diferentes fabricantes que no cumplen lo que ofrecen, 55 motores ofrecen una clasificación energética superior a la analizada en este estudio. Dicha calificación energética corresponde a la IE4, donde en el punto 3.2 de este proyecto ya se especifica que este valor de clasificación energética no ha sido incluido en este estudio. Por lo tanto, el número de motores que no cumplen con lo que ofrecen se reduce a

39 Total muestra Mot. IE4 Mot.incumpl.norma Figura 6.6 Resultado de los motores que incumplen la normativa vigente Del total de 155 motores donde el fabricante no cumple con lo que ofrece, un total de 60 motores quedan excluidos de la norma, ya que no llegan ni al menor rendimiento de las tres clasificaciones energéticas del motor según su potencia, frecuencia y número de polos. Excluidos los 60 motores fuera de norma quedan 95 motores, de los que se ha hecho un análisis por fabricante: o ABB: 45/368 o 12% de su total o SIEMENS: 2/339.o 0,58% de su total o CMG: 0/44. o LEROY SOMER: 0/233. o MARELLI: 26/137 o 19% de su total. o ROSSI: 15/104 o 14,4% de su total. o WEG: 7/307 o 2,28% de su total. 39

40 Quedando así repartido: ABB SIEMENS MARELLI ROSSI WEG Figura 6.7 Repartición de errores en la clasificación energética de los motores por fabricante Como conclusión de este punto del estudio, se demuestra que un total del 10,12% de la muestra de los fabricantes de los motores analizados en este proyecto no cumplen con la normativa vigente, ofreciendo clasificaciones energéticas del rendimiento de sus motores incorrectas. Quedando fuertemente destacado de manera negativa el fabricante por el siguiente orden: 1. Marelli con un total del 19% de la muestra de sus motores 2. Rossi con un total del 15% de la muestra total de sus motores 3. ABB con un total del 12% de la muestra de sus motores 40

41 7 Análisis del impacto económico de la implantación de motores de alta eficiencia 7.1 Criterios utilizados para el estudio A parte de los estudios realizados en los puntos anteriores, en este proyecto se ha hecho un último análisis del impacto económico que causan los motores con distintas clasificaciones energéticas del rendimiento en función del precio de la energía en diferentes tipos de contratación de energía eléctrica. Se ha tenido en cuenta el tipo de servicio en el cual funcionarán los motores seleccionados, el precio de su energía según la tarifa contratada. Por último se analiza económicamente un posible cambio de motor con el fin de mejorar la clasificación energética del rendimiento Clase de servicio del motor En esta última parte del estudio, se ha utilizado una nueva parte de la norma UNEEN [5], en concreto se utiliza la parte número 1. Nombrada UNE-EN [6] exactamente esta parte habla de las características asignadas y características de funcionamiento que afectan a las máquinas rotativas. En concreto se hace hincapié en punto 4, que afecta al servicio del motor de inducción. Cuando se compra una máquina rotativa, en este caso un motor de inducción, el comprador ha de especificar el servicio del mismo mediante gráficas, numeración o eligiendo uno de los servicios de S1 a S10. Si el comprador no especifica el tipo de servicio al fabricante, él considerará que el tipo de servicio será S1 o servicio continuo. En el caso de este proyecto, se ha considerado el tipo de servicio S1 o servicio continuo, para así poder calcular el coste de la energía eléctrica que conllevará el motor seleccionado. En el servicio S1 el funcionamiento va en función de la carga constante que durante el tiempo necesario y así se establecerá un equilibrio térmico de la misma máquina. 41

42 El servicio S1 define su funcionamiento con las siguientes gráficas, donde éstas han sido extraídas de la UNE-EN [6]: Figura 7.1 Funcionamiento del motor de inducción con servicio S1, gráficas extraídas de la UNE-EN Donde se observa que la temperatura de la máquina rotativa, después de la puesta en marcha, va subiendo a pesar que las pérdidas eléctricas y la carga son constantes. Alcanzando así su temperatura máxima cuando se estabiliza. Así pues definiendo la clase de servicio durante 24h y los 365 días del año, éste ha sido utilizado para realizar esta última parte de este proyecto. 42