NORMA TÉCNICA COLOMBIANA 5105

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1 NORMA TÉCNICA NTC COLOMBIANA MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATORIAS. CLASES DE EFICIENCIA DE MOTORES AC DE OPERACIÓN EN LÍNEA (CÓDIGO IE) E: ROTATING ELECTRICAL MACHINES. EFFICIENCY CLASSES OF LINE OPERATED AC MOTORS (IE CODE) CORRESPONDENCIA: esta norma es modificada (MOD) con respecto a su documento de referencia la IEC : DESCRIPTORES: maquina eléctrica rotatoria; motor; motor eléctrico; motor de corriente alterna; eficiencia; eficiencia energética I.C.S.: Editada por el Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación (ICONTEC) Apartado Bogotá, D.C. - Tel. (571) Fax (571) Prohibida su reproducción Segunda actualización Editada

2 PRÓLOGO El Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación, ICONTEC, es el organismo nacional de normalización, según el Decreto 2269 de ICONTEC es una entidad de carácter privado, sin ánimo de lucro, cuya Misión es fundamental para brindar soporte y desarrollo al productor y protección al consumidor. Colabora con el sector gubernamental y apoya al sector privado del país, para lograr ventajas competitivas en los mercados interno y externo. La representación de todos los sectores involucrados en el proceso de Normalización Técnica está garantizada por los Comités Técnicos y el período de Consulta Pública, este último caracterizado por la participación del público en general. La NTC 5105 (Segunda actualización) fue ratificada por el Consejo Directivo de Esta norma está sujeta a ser actualizada permanentemente con el objeto de que responda en todo momento a las necesidades y exigencias actuales. A continuación se relacionan las empresas que colaboraron en el estudio de esta norma a través de su participación en el Comité Técnico 131 Máquinas eléctricas rotatorias. ASEA BROWN BOVERI EMPRESA DE ENERGÍA DEL PACÍFICO - EPSA- LABORATORIO TECNOELECTRICO SIEMENS SKF UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE UNIVERSIDAD NACIONAL Además de las anteriores, en Consulta Pública el Proyecto se puso a consideración de las siguientes empresas: ANDI CIDET CODENSA CONSORCIO INDUSTRIAL S.A. CUMMINS API S.A. DABRAS LTDA ENERCON INGENIERÍA ENERSA LTDA ESCUELA COLOMBIANA DE INGENIERÍA EXTRACTORES Y MOTORES INDUSTRIALES LTDA. IME LTDA. INTELECA LTDA. LKS LTDA. M&M BOBINADOS INDUSTRIALES LTDA. MANTETRONIC S.A.S. MELECTRO LTDA. MINISTERIO DE COMERCIO, INDUSTRIA Y TURISMO MINISTERIO DE MINAS Y ENERGÍA NIDEC MOTOR COLOMBIA S.A.S. SEI SOLUCIONES S.A.S. SGS UNIDAD DE PLANEACIÓN MINERO ENERGÉTICA UPME UNIVERSIDAD DE LA SALLE UNIVERSIDAD DEL NORTE UNIVERSIDAD DEL VALLE UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA WEG COLOMBIA LTDA.

3 ICONTEC cuenta con un Centro de Información que pone a disposición de los interesados normas internacionales, regionales y nacionales y otros documentos relacionados. DIRECCIÓN DE NORMALIZACIÓN

4 CONTENIDO Página INTRODUCCIÓN ACLARACIÓN OBJETO Y CAMPO DE APLICACIÓN REFERENCIAS NORMATIVAS TÉRMINOS, DEFINICIONES Y SÍMBOLOS TÉRMINOS Y DEFINICIONES SÍMBOLOS CAMPOS DE APLICACIÓN EFICIENCIA DETERMINACIÓN CARACTERÍSTICAS NOMINALES CLASIFICACIÓN Y MARCADO LÍMITES NOMINALES PARA CLASES DE EFICIENCIA IE1, IE2, IE3 E IE BIBLIOGRAFÍA DOCUMENTO DE REFERENCIA ANEXO A (Informativo) LÍMITES NOMINALES PARA CLASE DE EFICIENCIA IE

5 Página TABLAS Tabla 1. Tecnologías de motor y su potencial de eficiencia energética... 5 Tabla 2. Clasificación de eficiencia IE... 8 Tabla 3. Límites de eficiencia nominal (%) para 50 Hz IE Tabla 4. Límites de eficiencia nominal (%) para 60 Hz IE Tabla 5. Límites de eficiencia nominal (%) para 50 Hz IE Tabla 6. Límites de eficiencia nominal (%) para 60 Hz IE Tabla 7. Límites de eficiencia nominal (%) para 50 Hz IE Tabla 8. Límites de eficiencia nominal (%) para 60 Hz IE Tabla 9. Límites de eficiencia nominal (%) para 50 Hz IE Tabla 10. Límites de eficiencia nominal (%) para 60 Hz IE Tabla 11. Coeficientes de interpolación para 0,12 kw hasta 0,74 kw Tabla 12. Coeficientes de interpolación para 0,75 kw hasta 200 kw... 17

6 INTRODUCCIÓN La presente norma prevé la armonización global de las clases de eficiencia de los motores eléctricos. Trata acerca de todas las clases de motores eléctricos que se clasifican para operación en línea (incluido el arranque a tensión reducida). Incluye todos los motores de inducción de baja tensión monofásicos y trifásicos, sin importar su tensión y frecuencia nominal, al igual que motores de imanes permanentes de arranque en línea. IEC elaborará una segunda parte de esta serie de normas (IEC ) para motores clasificados para alimentación de tensión y frecuencia variable, tales como los sincrónicos. Ésta segunda parte también presentará pérdidas por armónicos de tensión en motores con capacidad de operación en línea cuando se alimentan por convertidores de frecuencia. La NTC 5105 (IEC ) amplía de manera significativa la gama de productos comprendidos en la primera edición de la IEC Se ha expandido el intervalo de potencia (comenzando en 0,12 kw y terminando en kw). Se cubren todas las construcciones técnicas de motores eléctricos en la medida que estén clasificados para operación en línea y no sólo motores trifásicos, de inducción tipo jaula de ardilla, como en la primera edición. En la presente norma se acaba de incluir la clase IE4. Por lo tanto, la definición informativa de IE4, que se incluyó previamente en la GTC 218 (IEC/TS :2010) está desactualizada. La nueva clase IE5 no está aún definida en detalle pero se prevé para productos potenciales en una futura edición de la norma. Para una determinada potencia y tamaño de carcasa por lo general resulta más fácil lograr una eficiencia de motor superior cuando el motor está diseñado para y se opera directamente en línea con una frecuencia de alimentación de 60 Hz en vez de 50 Hz, como se explica en la Nota 1. NOTA 1 Puesto que la utilización y tamaño de motores se relaciona más con el par que con la potencia, la potencia teórica de motores de una sola velocidad se incrementa linealmente con la frecuencia de alimentación, es decir en 20 % de 50 Hz a 60 Hz. En Colombia la frecuencia de alimentación es de 60 Hz. Las pérdidas en devanados I 2 R son especialmente dominantes en motores de inducción pequeños y medianos. Estas, básicamente, siguen siendo constantes para 50 Hz y 60 Hz mientras que el par se mantiene constante. A pesar de que las pérdidas en el hierro, ventilación y fricción se incrementan con la frecuencia, estas desempeñan una función menor especialmente en los motores con cuatro o más polos. Por consiguiente, a 60 Hz, las pérdidas se incrementan menos del 20 % del incremento de potencia cuando se comparan con 50 Hz y consecuentemente, se mejora la eficiencia. En la práctica, tanto las designaciones de potencia de 60 Hz como de 50 Hz de motores de una sola velocidad deben cumplir con los niveles de potencia normalizados de acuerdo con la NTC 3924 (IEC ) y normas locales tales como EN Por lo tanto, no siempre es posible asignar una potencia incrementada del motor en un 20 %. Sin embargo, la ventaja de 60 Hz se mantiene aún si el diseño del motor se ha optimizado para la respectiva frecuencia de suministro más que por una simple reasignación de la potencia. i

7 La diferencia en la eficiencia entre 50 Hz y 60 Hz varía con la cantidad de polos y el tamaño del motor. En general, la eficiencia a 60 Hz, de motores de inducción trifásicos, tipo jaula de ardilla, en el rango de potencia de salida de 0,75 kw hasta 375 kw es desde 2,5 hasta un poco menos de 0,5 puntos porcentuales mayor que la eficiencia de los motores a 50 Hz. Sólo los motores grandes de 2 polos pueden experimentar una reducción de la eficiencia a 60 Hz debido a su gran contribución en las pérdidas en el hierro, ventilación y fricción. No se espera que todos los fabricantes produzcan motores para todas las clases de eficiencia ni todas las capacidades nominales de una clase determinada. Los usuarios deberían seleccionar la clase de eficiencia de acuerdo con una aplicación determinada dependiendo de las horas de operación reales. Es posible que no resulte eficiente energéticamente seleccionar motores de una clase de eficiencia alta para trabajo intermitente o de corta duración debido al incremento de inercia y pérdidas de arranque. NOTA 2 En la guía de aplicación GTC 218 (IEC/TS :2010) se presenta información adicional sobre aplicaciones útiles de motores eléctricos de alta eficiencia. A fin de lograr una participación significativa en el mercado es esencial que los motores de alta eficiencia cumplan las normas nacionales/regionales para potencias nominales en relación con las dimensiones mecánicas (tales como tamaño de carcasa, bridas). Existen numerosas normas nacionales/regionales para la asignación de las carcasas (EN 50347, JIS 4212, NBR 7094, NEMA MG1, SANS 1804 y otras), pero no existe norma IEC. Como esta norma (NTC 5105 (IEC )) define las clases de eficiencia energética independientemente de las limitaciones dimensionales puede que no sea posible en todos los mercados producir motores con clases de eficiencia superior y mantener las dimensiones mecánicas de las normas nacionales/regionales. Los códigos IEC no se limitan a motores sino que se pueden emplear para clasificar otros componentes tales como convertidores de frecuencia y cajas de cambios. No obstante, se anticipa que otros componentes se clasifican con un sistema comparable: IE1 significa eficiencia baja hasta IE5 que significa la eficiencia máxima. Si se combinan componentes (tales como sistemas de unidad impulsora) se requerirá una clasificación de eficiencia combinada. Las características nominales no deberían ser un código IE a fin de evitar confusión. Se definirán en otras normas IEC. Los niveles de eficiencia de esta norma para 50 Hz y 60 Hz no siempre son completamente coherentes en todos los números de polos y en el intervalo de potencia completo. NOTA 3 Se asignaron los niveles de eficiencia para motores de 60 Hz para que sean compatibles con requisitos legales de EEUU. NOTA 4 Los niveles de eficiencia para motores de 50 Hz entre 0,75 kw y 375 kw permanecen inalterados para que sean compatibles con los requisitos legales europeos. ii

8 MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATORIAS. CLASES DE EFICIENCIA DE MOTORES AC DE OPERACIÓN EN LÍNEA (CÓDIGO IE) ACLARACIÓN Esta norma es modificada (MOD) con respecto a su documento de referencia la IEC , en los siguientes aspectos: - En el numeral se establece que los motores con eficiencias por debajo de los límites establecidos en las Tablas 3 y 4 (IE1) deben marcarse como IE0, información que se incluye en la marcación y que es de gran utilidad para el usuario para decidir en su opción de compra. - En la Tabla 2 Clasificación de eficiencia IE, se incluyo la clasificación IE0 para motores por debajo del IE1 de acuerdo con las consideraciones hechas en el numeral En la nota 1 de la introducción se aclara que la frecuencia de alimentación en Colombia es de 60 Hz. 1. OBJETO Y CAMPO DE APLICACIÓN Esta norma específica las clases de eficiencia para motores eléctricos de una sola velocidad que se clasifican de acuerdo con la NTC 2805 (IEC ) ó IEC para operación en alimentación de tensión sinusoidal y: - tienen una potencia nominal P N de 0,12 kw a kw; - tienen una tensión nominal U N por encima de 50 V hasta 1 kv; - tienen 2, 4, 6 ó 8 polos; - tienen capacidad para operación continúa a su potencia nominal con un aumento de temperatura dentro de la clase de temperatura de aislamiento especificada; NOTA 1 La mayoría de motores comprendidos por esta norma están clasificados para servicio tipo S1 (servicio continuo). No obstante, algunos motores que se clasifican para otros ciclos de servicio aún tienen capacidad de operación continua en su potencia nominal y también se cubren estos motores. - están marcados con cualquier temperatura ambiente dentro del intervalo de -20 C a + 60 C; 1 de 21

9 NOTA 2 La eficiencia nominal y las clases de eficiencia se basan en temperatura ambiente de 25 C de acuerdo con la NTC 3477 (IEC ). NOTA 3 Los motores clasificados para temperatura por fuera del intervalo de - 20 C y + 60 C se consideran como de construcción especial y consecuentemente no se incluyen en esta norma. NOTA 4 Esta norma comprende los motores para extracción de humo con una clase de temperatura de hasta 400 C inclusive. - están marcados con una altitud de hasta m por encima del nivel del mar. NOTA 5 La eficiencia asignada y la clase de eficiencia se basan en una clasificación para altitudes de hasta m por encima del nivel del mar. Esta norma establece un conjunto de valores de eficiencia límite con base en la frecuencia, el número de polos y la potencia del motor. No se hace distinción entre las tecnologías del motor, tensión de alimentación o motores con mayor aislamiento diseñados específicamente para operación con convertidor incluso cuando es posible que estas tecnologías de motor no puedan alcanzar las clases de eficiencia superior (véase la Tabla 1). Esto hace que diferentes tecnologías de motor sean completamente comparables con respecto a su potencial de eficiencia energética. NOTA 6 Las entidades reguladoras deberían considerar las anteriores limitaciones al asignar normas nacionales de desempeño de eficiencia energética mínima (MEPS) con respecto a cualquier tipo de motor. Esta norma no cubre la eficiencia de sistemas de unidad impulsora. En especial, no se cubren las pérdidas de motor debidas al contenido armónico de la tensión de suministro, pérdidas en cables, filtros y convertidores de frecuencia. Los motores con bridas, patas y/o ejes con dimensiones mecánicas diferentes a los considerados en la NTC 3924 (IEC ) están cubiertos. Esta norma también cubre los motores de engranaje incluidos los que incorporan ejes y bridas no normalizadas. Se excluyen: - Motores de única velocidad con 10 ó más polos o motores multi-velocidades. - Motores con conmutadores mecánicos (tales como motores DC). - Motores completamente integrados en una máquina (por ejemplo, bomba, ventilador y compresor) que no pueden ser ensayados separadamente de la máquina incluso si cuentan con un cojinete temporal en el extremo de acople del eje. Esto significa que el motor debe. a) compartir componentes comunes (aparte de los conectores tales como pernos) con la unidad impulsora (por ejemplo, un eje o alojamiento) y b) no estar diseñado de tal manera que permita que el motor se separe de la unidad impulsora como un motor entero que pueda operar independientemente de la unidad impulsora. Es decir, para que un motor sea excluido de la presente norma, el proceso de separación debe dejar inoperante el motor. Esta norma cubre las (TEAO, IC418) Totally Enclosed Air-Over Machines, es decir, máquinas enfriadas de superficie-estructura totalmente encerrada destinadas para enfriamiento exterior mediante un medio de ventilación externo a la máquina. Los ensayos de eficiencia de dichos motores se pueden realizar retirando el ventilador y 2

10 proporcionado enfriamiento mediante un soplador con tasa de flujo de aire similar que el ventilador original. - Motores con convertidores de frecuencia integrados (unidades compactas) cuando no se puede ensayar el motor separadamente del convertidor. La clasificación de la eficiencia energética de unidades compactas debe basarse en el producto completo (PDS: Sistema de unidad de potencia) y se definirá en una norma separada. NOTA 7 No se excluyen los motores que se pueden separar del convertidor de frecuencia y se pueden ensayar independientemente de éste. - Motores con freno cuando el freno es una parte integral de la construcción interna del motor y no se puede retirar ni alimentar por una fuente de energía separada durante el ensayo de la eficiencia del motor. NOTA 8 Los motores con freno que tienen una bobina de freno integrada en la brida del motor están cubiertos en la medida que sea posible ensayar la eficiencia del motor sin pérdidas del freno (por ejemplo, por el desmonte del freno o por la energización de la bobina del freno desde una fuente de energía separada). Cuando el fabricante ofrece un motor del mismo diseño con y sin freno, se puede realizar el ensayo de eficiencia del motor en un motor sin el freno. La eficiencia determinada se puede usar entonces como la capacidad nominal del motor y el motor con freno. - Motores sumergibles específicamente diseñados para operar completamente inmersos en un líquido. - Motores para extracción de humo con una clase de temperatura por encima de 400 C. 2. REFERENCIAS NORMATIVAS Los siguientes documentos, en su totalidad o parcialmente, son referenciados de forma normativa en este documento y son indispensables para su aplicación. Para referencias con fecha, sólo se aplica la edición citada. Para referencias sin fecha, se aplica la edición más reciente del documento citado (incluidas cualquier enmienda). IEC , Rotating Electrical Machines. Part 1: Rating and Performance (NTC 2805). IEC , Rotating Electrical Machines. Part 2-1: Standard Methods for Determining Losses and Efficiency from Tests (Excluding Machines for Traction Vehicles) (NTC 3477). IEC/TS , Rotating Electrical Machines. Part 2-3: Specific Test Methods for Determining Losses and Efficiency of Converter-Fed AC Induction Motors. IEC , Rotating Electrical Machines. Part 6: Methods of Cooling (IC Code) (NTC-IEC 34-6). IEC/TS , Rotating Electrical Machines. Part 25: Guidance for the Design and Performance of a.c. Motors Specifically Designed for Converter Supply (GTC 124). IEC 60038, IEC Standard Voltages. IEC , Explosive Atmospheres. Part 0: Equipment. General Requirements. 3

11 3. TÉRMINOS, DEFINICIONES Y SÍMBOLOS 3.1 TÉRMINOS Y DEFINICIONES Para los propósitos de esta norma, se aplican los términos y definiciones dados en la NTC 2805 (IEC ) y los siguientes Motor de una sola velocidad. Motor clasificado para operación en línea a 50 Hz y/o 60 Hz. NOTA 1 Los motores de una sola velocidad pueden operar con convertidor de frecuencia con velocidad variable Motor de velocidades múltiples. Motor clasificado para operación en línea a 50 Hz y/o 60 Hz que tiene múltiples devanados o un devanado conmutable que ofrece dos ó más polos con diferentes velocidades sincrónicas Motor de velocidad variable. Motor clasificado para un intervalo de velocidad y alimentado con tensión de amplitud y frecuencia variables Motor con freno. Motor equipado con un freno electro-mecánico que opera directamente sobre el eje del motor, sin acoplamientos Motor de engranaje (motor reductor). Motor equipado con una caja de cambios (reductor) sin acoples (es decir, el primer engranaje está fijo al eje del motor) Moto bomba. Motor directamente conectado a una bomba sin acoplamiento (es decir, el impulsor está fijo al eje del motor) Eficiencia promedio. Valor promedio de eficiencia para una población de motores con el mismo diseño y características nominales Eficiencia nominal. Valor de eficiencia exigido para una determinada clase de eficiencia de acuerdo con las tablas de eficiencia presentadas en esta norma Eficiencia asignada. Valor de eficiencia asignado por el fabricante, igual o mayor al valor de la eficiencia nominal. BIBLIOGRAFÍA IEC , Rotating Electrical Machines. Part 5: Degrees of Protection Provided by the Integral Design of Rotating Electrical Machines (IP code). Classification (NTC-IEC 34-5). IEC , Rotating Electrical Machines. Part 12: Starting Performance of Single-Speed Three-Phase Cage Induction Motors (NTC-IEC 34-12). IEC/TS :2010, Rotating Electrical Machines. Part 31: Selection of Energy-Efficient Motors Including Variable Speed Applications. Application Guide (GTC 218). IEC , Dimensions and Output Series for Rotating Electrical Machines. Part 1: Frame Numbers 56 to 400 and Flange Numbers 55 to (NTC 3924). ISO 3, Preferred Numbers. Series of Preferred Numbers. EN , Smoke and Heat Control Systems. Part 3: Specification For Powered Smoke and Heat Exhaust Ventilators. 4

12 EN 50347, General Purpose Three-Phase Induction Motors Having Standard Dimensions and Outputs. Frame Numbers 56 to 315 and Flange Numbers 65 to 740. EN 52800, Energy Efficiency for Power Drive Systems, Motor Starters, Power Electronics and Their Driven Applications. JIS C 4212 (Japanese Industrial Standard), Low-Voltage Three-Phase Squirrel-Cage High- Efficiency Induction Motors. NBR , Rotating Electrical Machines. Induction Motors. Specification. NEMA MG1, Motors and Generators. SANS (South African Standard), Induction Motors. Part 1: IEC Requirements. 5

13 IMPORTANTE Este resumen no contiene toda la información necesaria para la aplicación del documento normativo original al que se refiere la portada. ICONTEC lo creo para orientar a su cliente sobre el alcance de cada uno de sus documentos y facilitar su consulta. Este resumen es de libre distribución y su uso es de total responsabilidad del usuario final. El documento completo al que se refiere este resumen puede consultarse en los centros de información de ICONTEC en Bogotá, Medellín, Barranquilla, Cali o Bucaramanga, también puede adquirirse a través de nuestra página web o en nuestra red de oficinas (véase El logo de ICONTEC y el documento normativo al que hace referencia este resumen están cubiertos por las leyes de derechos reservados de autor. Información de servicios aplicables al documento aquí referenciado la encuentra en: o por medio del contacto cliente@icontec.org ICONTEC INTERNACIONAL 6