MEDIDAS DE AHORRO APLICABLES EN SISTEMAS ELÉCTRICOS

Transcripción

1 MEDIDAS DE AHORRO APLICABLES EN SISTEMAS ELÉCTRICOS Motores y variadores 2 Sistemas de control variadores y arrancadores Eduardo Alcalde Germán Área Eficiencia Energética ealcalde@unizar.es

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3 Más del 65% de la energía eléctrica consumida en industrias se destina al funcionamiento de motores eléctricos, (accionamiento de bombas, compresores, ventiladores). DISTRIBUCIÓN DE MOTORES POR APLICACIONES 35% 14% 33% 18% BOMBAS CENTRIFUGAS TRANSPORTE DE MATERIAL Y PROCESO VENTILADORES CENTRÍFUGOS BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO

4 Los motores se clasifican según el tipo de corriente que los hace trabajar: De corriente continua De corriente alterna, y estos a su vez: Motores asíncronos o de inducción ( De jaula de ardilla o de rotor bobinado) Motores síncronos Los mas comunes hoy en día son los Motores Asíncronos de Jaula de Ardilla, entorno al 90 % de los motores instalados en la Industria.

5 En general, los motores de inducción tienen menor peso y menor inercia (factor importante cuando se trabaja con cargas variables), los rendimientos son superiores y, en general, son más baratos. Por otra parte, los motores de corriente continua tradicionalmente han sido más fáciles de controlar. Sin embargo, los avances en la electrónica han facilitado el control de los motores de inducción actuales. PARÁMETRO Peso Inercia Mantenimiento Rendimiento Control Coste COMPARACIÓN M.I.< M.C.C. M.I.< M.C.C. M.I.< M.C.C. M.I.> M.C.C. Tradicionalmente mas fácil en M.C.C. M.I.< M.C.C.

6 Definición del rendimiento El rendimiento de un motor se define como el resultado de dividir la potencia mecánica de salida con la potencia eléctrica de entrada

7 OPORTUNIDADES DE AHORRO EN SISTEMAS CON MOTORES ELÉCTRICOS

8 IDENTIFICACIÓN DE LOS MOTORES ELÉCTRICOS Realización del inventariado de motores eléctricos existentes en las instalaciones que incluye: Identificación de los mismos y descripción del proceso asociado (bombeo, ventilación, accionamientos ) Características eléctricas: Potencia, corriente consumida, tensión de alimentación, factor de potencia, régimen de funcionamiento. (Placa de características) Horas de funcionamiento anual Sistemas de Arranque y control (Estrella-Triángulo, Arrancadores Estáticos o Variador de Frecuencia). Programa de mantenimiento (Preventivo Correctivo).

9 A) SELECCIÓN ADECUADA DE LOS MOTORES Es habitual encontrar motores sobredimensionados, siendo muy superior la Potencia Nominal del motor respecto de las necesidades del Par de Carga. El sobredimensionamiento ocasiona: Aumento de las pérdidas Aumento de la potencia instalada Disminución del factor de potencia de las instalaciones Disminución global de la eficiencia del sistema

10 A) SELECCIÓN ADECUADA DE LOS MOTORES Aumenta la potencia instalada

11 B) SUSTITUCIÓN DE MOTORES ANTIGUOS Desde 1965, se ha mejorado los motores eléctricos lográndose diferencias en la eficiencia desde un 3% hasta 7,5% dependiendo de la potencia de los motores. En motores viejos con muchas horas de funcionamiento pueden producirse disminuciones de su eficiencia. Por ello, es interesante realizar mediciones sobre estos motores para conocer su rendimiento actual. P = 3 V l x I l x cos ρ

12 B) SUSTITUCIÓN DE MOTORES ANTIGUOS POR MOTORES DE ALTA EFICIENCIA Clasificación EFF1: Motores de alta eficiencia EFF2: Motores de eficiencia mejorada. EFF3: Motores estándar. Acuerdo de los principales fabricantes de motores para diferenciar sus equipos de otros exteriores. Europa: EN-IEC para potencias comprendidas entre 1,1-90kW para 2 y 4 polos con tensión asignada 400V 50Hz.

13 B) SUSTITUCIÓN DE MOTORES ANTIGUOS POR MOTORES DE ALTA EFICIENCIA Actualmente ha surgido la Norma IEC/EN publicada por la Comisión Electrotécnica Internacional en Octubre de 2008 que clasifica las Eficiencias en Motores en baja tensión de potencias entre 0,75 kw y 375 kw de 2, 4 y 6 polos. IE1: Motores eficiencia estándar comparables a EFF2 Nueva Clasificación IE2: Motores de alta eficiencia comparables a EFF1 IE3: Motores de eficiencia superior. Reducen las pérdidas un 15 % respecto a IE2. Proporciona un único esquema internacional para la determinación de eficiencia energética del motor, medida según un mismo método

14 B) SUSTITUCIÓN DE MOTORES ANTIGUOS Características de los motores de Alta Eficiencia. Incremento de la sección de conductores (R baja), disminuyendo las pérdidas por efecto Joule (RI 2). Utilización de acero con mejores propiedades magnéticas. Núcleo con laminados mas delgados y mayor permeabilidad. Disminución de las pérdidas en el entrehierro. Pérdidas por ventilación reducidas, gracias a un diseño mejorado. Operan a temperaturas menores. Soportan mejor las variaciones de tensión y armónicos. Presentan factores de potencia sensiblemente mayores. Son mas silenciosos. Mayor vida útil.

15 B) CARACTERÍSTICAS DE UN MOTOR DE ALTA EFICIENCIA

16 B) SUSTITUCIÓN DE MOTORES ANTIGUOS Tabla de eficiencia según potencia y número de polos

17 B) SUSTITUCIÓN DE MOTORES ANTIGUOS El uso de motores de Alta Eficiencia se recomienda en los siguientes casos: En el momento de reemplazar motores antiguos o reparación de importancia. En instalaciones nuevas o ampliación de existentes. Motores cuya operación anual está por encima de horas. En operaciones a velocidad constante trabajando a plena carga.

18 B) SUSTITUCIÓN DE MOTORES ANTIGUOS.EJEMPLO PRACTICO MOTOR ELÉCTRICO DE INDUCCIÓN DE POTENCIA NOMINAL 7,5 kw TRABAJANDO A PLENA CARGA DURANTE HORAS AL AÑO.

19 B) SUSTITUCIÓN DE MOTORES ANTIGUOS.EJEMPLO PRACTICO

20 B) SUSTITUCIÓN DE MOTORES ANTIGUOS. EJEMPLO PRACTICO MOTOR DE INDUCCIÓN DE 7,5 kw RPM 400 V TRABAJANDO HORAS/AÑO A PLENA CARGA MOTOR IE1 MOTOR ALTA EFICIENCIA IE2 POTENCIA ÚTIL (kw) 7,5 7,5 EFICIENCIA 86% 88,7% POTENCIA ABSORBIDA (kw) 8,72 8,45 PÉRDIDAS A PC 1,22 0,96 AHORRO DE POTENCIA 0,27 NÚMERO DE HORAS DE FUNCIONAMIENTO AL AÑO SOBRE COSTE MOTOR IE2 ( ) 400 AHORRO ENERGÍA ANUAL (kwh/año) COSTE ENERGÉTICO ( /kwh) 0,12 AHORRO ECONÓMICO ( /AÑO) 130 PERIODO DE RECUPERACIÓN 3,0

21 B) SUSTITUCIÓN DE MOTORES ANTIGUOS El ahorro económico que supone la adquisición de un motor de alta eficiencia energética es: Donde: Ahorro anual = hrs x kw x %Pot x /kwh x (1/ηstd - 1/ηhem) hrs = tiempo de utilización anual (en horas) kw = potencia del motor (en kw) %Pot = fracción de plena carga a que trabaja el motor /kwh = costo de la electricidad (en /kwh) ηstd = eficiencia de un motor estándar (EFF2-3) ηhem = eficiencia de un motor de alta eficiencia

22 B) SUSTITUCIÓN DE MOTORES ANTIGUOS El ahorro económico que supone la adquisición de un motor de alta eficiencia energética es: Ahorro anual = h x 7,5 kw x 100 x 0,12 /kwh x (1/86-1/88,7)

23 B) SUSTITUCIÓN DE MOTORES ANTIGUOS Ejemplo Adquisición de un nuevo motor Reemplazamiento de un motor existente Horas funcionamiento al año Carga Periodo de retorno (horas) Ahorro económico anual ( ) 100 % (7 meses) 342,60 75 % (9 meses) 256, % (1 año) 175,99 75 % (1,5 años) 131, % (3 años) 342,60 75 % (4 años) 256, % (6 años) 175,99 75 % (8 años) 131,98

24 B) SUSTITUCIÓN DE MOTORES ANTIGUOS PROGRAMA DE SUSTITUCIÓN DE MOTORES ELÉCTRICOS

25 C) INSTALACIÓN DE DISPOSITIVOS DE ARRANQUE DE MOTORES Problema: La intensidad que demanda un motor cuando arranca directamente es elevada, (superior a 6 veces su corriente nominal) especialmente cuando arranca a plena carga.

26 C) INSTALACIÓN DE DISPOSITIVOS DE ARRANQUE DE MOTORES Consecuencias: Problemas de tipo mecánico (desgastes) Eléctrico (sobreintensidades).

27 C) INSTALACIÓN DE DISPOSITIVOS DE ARRANQUE DE MOTORES Solución: Utilización de dispositivos capaces de controlar el proceso de arranque de forma que la intensidad siempre se mantenga en unos valores aceptables. El tiempo de arranque no debe ser muy largo. Se disminuye la energía demandada en el arranque, proporcional a la intensidad. Se prolonga la vida útil del motor.

28 C) INSTALACIÓN DE DISPOSITIVOS DE ARRANQUE DE MOTORES Aplicaciones: Sistemas con momentos de inercia importantes Arranques y paradas frecuentes de cargas cuadráticas. Ciclos discontinuos de trabajo alternando periodos en carga con otros a baja carga o en vacío. Ejemplos: compresor, bombas, máquinas herrramientas

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34 Par constante Par variable

35 D) INSTALACIÓN DE VARIADORES DE VELOCIDAD Existen equipos (bombas, ascensores, compresores, cintas transportadoras, ventiladores) que trabajan con cargas variables. En estos equipos, es interesante poder modificar la velocidad del motor para que siempre trabaje en condiciones óptimas, y no suministre un exceso de potencia (energía desaprovechada) La rentabilidad de un variador de frecuencia depende de: Potencia del motor Número de horas de funcionamiento Variabilidad de la carga

36 Ventajas: 1. Ahorros de hasta el 40 % de energía 2. Prolongación de la vida útil de los accionamientos 3. Menor ruido y menor desgaste

37 Éstos motores trabajan a una velocidad fija cuando se conectan directamente a la red eléctrica, pero están perfectamente preparados para trabajar a velocidad variable si se alimentan mediante un variador de frecuencia. Gran potencial de ahorro de energía al variar el par entregado con el cuadrado de la velocidad y la potencia con el cubo, por lo que reduciendo la velocidad de giro del eje del motor a la carga se consigue una gran disminución en la potencia absorbida.

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41 Descripción Bomba Potencia nominal (Kw) Velocidad en rpm Caudal (m 3 /h) Factor de carga (%) Potencia Demandada (kw) Consumo de energía (kwh/año) Sistema de bombeo de agua potable y depuración EMICA EK 100/

42 Se comprueba su funcionamiento continuo a lo largo de las 24 horas del día. Siendo la potencia del motor 37 kw, la potencia realmente demandada es en promedio de 26,5 kw. El consumo del día de toma de datos es de 625 kwh por lo que extrapolado al conjunto de días de trabajo anuales asciende a kwh/año

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45 Disminución del consumo de energía Consumo de energía (kwh) % 0 Consumo actual Consumo con variador Consumo con variador y función ahorro de energía al 90 % Ahorro energético por la instalación del variador 6 %. Ahorro por la implementación de la función de ahorro 22 %, que en términos energéticos asciende a kwh/año, lo que supone un ahorro económico de /año. El equipo necesario es el modelo CIMRE7Z40300 con un coste de que con la instalación asciende a por lo que el retorno de la inversión es de 0,9 años

46 Evaluación del potencial de ahorro por la incorporación de variadores de frecuencia en un sistema, dificil de cuantificar, mejor utilizar el software de los fabricantes, ejemplos: Omron Esaver Schneider electric Eco 8