Motores ABB de Alta Eficiencia Nuevos estándares IEC

Transcripción

1 Motores ABB de Alta Eficiencia Nuevos estándares IEC Ing. Ulises Villanueva October 11, 2010 Slide 1

2 Eficiencia energética......porque es tan importante? October 11, 2010 Slide 2

3 Razones para el ahorro energético El protocolo de Kyoto : reducir la emisión de CO 2 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 October 11, 2010 Slide 3

4 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 October 11, 2010 Slide 4

5 Costo del ciclo de vida de un motor eléctrico Energía 97 % Un rebobinado 1% Costo de compra 2% October 11, 2010 Slide 5

6 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 October 11, 2010 Slide 6

7 Motores sobredimensionados Mediciones hechas 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) October 11, 2010 Slide 7

8 Eficiencia, definición P Input P output P Losses 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) October 11, 2010 Slide 8

9 Que factores hacen el motor eficiente? Perdidas del rotor (24%) - Acero de bajas perdidas - Laminaciones mas delgadas Perdidas del estator (18%) - Acero de bajas perdidas - Laminaciones mas delgadas Perdidas de los rodamientos, del ventilador (perdidas de fricción) (10%) - Ventilador menor - Sellos de los rodamientos 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 October 11, 2010 Slide 9 Exactitud en la producción

10 Calidad del motor Los devanados Características de un devanado de alta calidad Optimizado No optimizado 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 October 11, 2010 Slide 10

11 Ejemplo de ahorro energético Tipo de Motor : M3AA 250 M IE1 Pentrada: 81,4kW IE2 Pentrada : 78,8kW Input Eficiencia IE1 : 92,14% Eficiencia IE2 : 95,18% 75kW Output Pérdidas reducidas 3.8kW pérdidas 6.4kW Si el nivel de eficiencia incrementa 3%,la reducción de pérdidas es 40% October 11, 2010 Slide 12

12 Ejemplo de ahorro energético ABB EFF1 110 kw η = 95.6% ABB EFF2 110 kw η = 92.5% ABB EFF1 Pentrada = 110/ = kw ABB EFF2 Psalida = 110/ = kw (diferencia 3.8 kw ) Costos Operativos = X/año (8760 h, 0.05 US$/kWh) ABB EFF1, ABB EFF2, C = = US$ C = = US$ Ahorro = US$ / año October 11, 2010 Slide 13

13 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 October 11, 2010 Slide 14

14 Ventajas de usar motores de Alta Eficiencia. Ahorro de energía (reducción el las cuentas eléctricas) Intervalos de mantenimiento más largos (ahorro en horas-hombre). Mínimo riesgo de parada de la producción. Mayor vida útil del motor (menor temperatura en el motor) Process Performance Menor nivel de ruido Reduce el nivel de emisiones de CO2 October 11, 2010 Slide 15

15 En la Práctica Cúando invertir en Motores de Alta Eficiencia? Para todas las nuevas instalaciones 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. October 11, 2010 Slide 16

16 Niveles de Eficiencia October 11, 2010 Slide 18

17 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 October 11, 2010 Slide 21

18 Motores y Conversores de Frecuencia Diseñado para Variador de velocidad como estándar Gran Stock de motores hasta frame 350, UN 500 V Eje preparado para encoder desde carcasa 160 Opción de ventilación separada fácil modificacion Usa el mismo ventilador Bajo nivel de ruidol Bobinado diseñado para VSD Rodamientos aislados sobre 100 kw October 11, 2010 Slide 22

19 Mejoras Motor Alta eficiencia Diseño de carcaza Diseño circular Incrementa el área de refrigeración, hasta 20% más Mejora el sistema de ventilación Old New October 11, 2010 Slide 23

20 Ventilación mejorada > Incremento de la vida útil del rodamiento motores anteriores Motores nuevos 59 C 46 C Winding 81 C 46 C Winding 75 C Resultados: Incremento de temperatura del bobinado reducido en 6K Incremento 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.. October 11, 2010 Slide 24

21 Motores de baja tensión en el mundo Fabricas y centros de distribución San José Panamá Caracas Bogotá Quito Lima Arequipa Betim Santiago Osasco Västerås Menden Sabadell Buenos Aires Vaasa Milano Helsinki Polonia Delhi Bangalore Alroude Shanghai Singapore October 11, 2010 Slide 25 Fábrica Motores BT Fábrica Motores BT nuevas 2009 Fábrica Maquinas MT Fábrica Motores CC LV Motor stock Machines service center ABB workshop Authorized 3rd party workshops

22 Métodos de medición de Eficiencia IEC (2007) October 11, 2010 Slide 26

23 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 : Esto ha sido reemplazado con un Nuevo estándar IEC, IEC , el cual entró en vigencia en Setiembre del 2007; y también será publicado como EN 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. October 11, 2010 Slide 27

24 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. October 11, 2010 Slide 28

25 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. October 11, 2010 Slide 29

26 Pérdidas en el motor P entrada P bobinado P salida P i ro n P friction P rotor P input = Electrical power input P output = Mechanical power output P LL 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 October 11, 2010 Slide 30 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.

27 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 : 1996Método NuevoIEC : Motor 7.5 KW,2 polos88.4%87.9%motor 11 KW,4 polos90.9%90.3%motor 160 KW,4 polos96.0%95.4% Potencia Nominal Método antiguo Método Nuevo EN/IEC : 1996 IEC : Motor 7.5 KW,2 polos 88.4% 87.9% Motor 11 KW,4 polos 90.9% 90.3% Motor 160 KW,4 polos 96.0% 95.4% October 11, 2010 Slide 31

28 Como han cambiado los métodos de medición de eficiencia con el Nuevo estándar? Medición de la eficiencia por el esquema de clasificación europeo Método antiguo EN/IEC : 1996 Método Directo Método Indirecto: Pérdidas por dispersión de carga estimadas como 0.5 % de la potencia de entrada a plena carga Método Nuevo IEC : Método Directo Método Indirecto: Pérdidas por dispersión medidas Pérdidas por dispersión de carga estimadas como 2.5 % % de la potencia de entrada a plena carga Eh star método alternativo con cálculos matemáticos de las pérdidas por dispersión de carga Las pérdidas en el bobinado del estator y rotor son determinadas a 95 C Las pérdidas en el bobinado del estator y rotor son determinadas a [ 25 C + temperatura rise medida] October 11, 2010 Slide 32

29 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. October 11, 2010 Slide 33

30 Valor asignado para pérdidas adicionales de carga(p LL ) P LL in % of P1_input P LL _IEC P LL _IEC _ New standard Old standard 0.50 Rated output P2 kw CEMEP range 1.1 kw - 90 kw LV Motors range Nuevo estandar: PLL se asigna un valor de 2.5% % de la potencia de entrada a plena carga entre 0.1kW y 1000 kw Antiguo standard: PLL = 0.5% de la potencia de entrada. October 11, 2010 Slide 34

31 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 : ), 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 , 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. October 11, 2010 Slide 35

32 Métodos para medir la eficiencia Method Losses Winding Losses Rotor Iron losses Friction losses Additional load losses rpm IEC Losses from Losses from Losses Losses : test test from no from no 1996 recalculated recalculated load test load test Old to75 K +20 C to75 K +20 C ambient ambient 0,5% of Pin P in rpm IEC : 2007 Sum of losses Losses from test Valid at 25 C ambient Losses from test Valid at 25 C ambient Losses from no load test Losses from no load test From table (2,5 1,0% of Pin) P in Nm & rpm IEC : 2007 Sum of losses Losses from test Valid at 25 C ambient Losses from test Valid at 25 C ambient Losses from no load test Losses from no load test According to measuring rpm IEC : 2007 Eh-star Losses from test Valid at 25 C ambient Losses from test Valid at 25 C ambient Losses from no load test Losses from no load test According to calculation October 11, 2010 Slide 36

33 Niveles de Eficiencia IEC (2008) October 11, 2010 Slide 41

34 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 Draft: IEC IE1, IE2, IE3 Standards for Measuring of efficiency IEC , 1996 CSA C-390 and IEEE 112-B IEC , 2007 Harmonized 2-6 pole, 1000V, 0, 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) October 11, 2010 Slide 42

35 Motores para uso con variador velocidad máxima Las máximas velocidades permitidas para motores process performance en hierro fundido October 11, 2010 Slide 43

36 Motores para uso con variador consideraciones Motores con bobinado especial (reforzado) Motores mayores a 100 k Rodamiento aislado en lado no acople (eliminar corrientes de fuga) Motores con variacion de velocidad menor al 50% Ventilación forzada Precisión en velocidad encoder October 11, 2010 Slide 44

37 Ecuaciones que describen al motor P N T N n f p s f s n s n n U n I cosϕ η X k T maxmot motor power in hp or kw motor torque is Nm or ft-lb rotational speed in RPM frequency in Hz number of poles slip in percentage synchronous frequency in Hz synchronous rotational speed in RPM nominal rotational speed in RPM voltage at the motor terminals motor current motor power factor motor efficiency motor leakage reactance is proportional to square of voltage. Above field weakening point the nominal voltage is reached, maximum torque, flux and magnetizing current start to decrease October 11, 2010 Slide 45

38 Ecuaciones importantes P P * 9550* n π n Torque T = = [Nm] n 60 Power P = T x n 9550 [kw] Flux φ ~ U f Max Torque T max ~ ( U ) 2 f [Nm] October 11, 2010 Slide 46

39 La amargura de la baja calidad aún permanece mucho después de que la dulzura del bajo precio se ha olvidado