Control de frecuencia variable Control mediante álabes de entrada, compuerta de salida, velocidad variable

Transcripción

1 Contenido Selección de motores Placa de datos Clase de diseño Velocidad síncrona y polos Deslizamiento Tamaño de armazón Elevación de temperatura y clase de aislamiento Factor de servicio Código de rotor bloqueado Factor de potencia Desempeño y factor de carga Motores de alta eficiencia Motor de eficiencia estándar vs motor de alta eficiencia Potencia, energía, y dinero ahorrados Tiempo de recuperación de inversión Control de frecuencia variable Control mediante álabes de entrada, compuerta de salida, velocidad variable Drive de CD vs Drive de CA

2 Selección de Motores Frame = tamaño de armazón = 445T Enclosure = tipo de carcasa = TEFC Design = Clase de diseño = B RPM = 1785 Code = Código de rotor bloqueado AMPS = Corriente de plena carga = 163 A SF = Factor de servicio = 115 %. Phase = # de fases = 3 Insulation class = aislamiento clase F Power factor = factor de potencia de plena carga = 89.7% Guaranteed efficiiency = eficiencia garantizada a plena carga = 95.8% Max Corr KVAr = Cantidad máxima de capacitores que se han de instalar si se desconectan a la vez que el motor.

3 Clases de diseño NEMA % del par de plena carga D A C B % de velocidad síncrona J.C. Andreas, Energy Efficicient Electric Motors, 2nd edition, Marcel Dekker

4 Características de las clases de diseño Diseño par arranque (% par plena carga) par máximo (% par plena carga) I arranque (% I plena carga) s plena carga (% de velocidad síncrona) A 160 (normal) (normal) <2, (bajo) B 140 (normal) (baja) <4, (bajo) C 225 (alto) 180 (baja) <5 (bajo) D 275 (alto) - (baja) 5-8%, 8-13% (alto) Fitzgerald, Kingsley. Umans, "Electric Machinery," McGraw-Hill Chapman, "Electrical Machinery Fundamentals,", McGraw-Hill Andreas, "Energy Efficient Electric Motors," Dekker Nadel, Shepard, Greenberg, Katz, "Energy-Efficient Motor Systems, ACE 3

5 Laminaciones de rotores A B Chapman, "Electrical Machinery Fundamentals,", McGraw-Hill C D

6 Los devanados en los motores de inducción están separados 120 eléctricos en el estator. Al aplicarles voltajes desfasados 120 en el tiempo, resultan corrientes separadas también 120 eléctricos en el tiempo. Las tres corrientes dan lugar a una fuerza magnetomotriz giratoria de amplitud constante. La fuerza magnetomotriz gira a velocidad síncrona dada por: 2 n s = 60 P donde, P es el número de polos, f n es la frecuencia en Hz, y s f Velocidad sícrona es la rapidez síncrona de giro en rpm

7 Dos polos Eje b -c1 a1 -b2 -c1 a1 -b2 b2 N c2 b2 N c2 -a2 -a1 -a2 -a1 c1 S b1 c1 S b1 Eje c -b1 a2 -c2 Eje a -b1 a2 -c2 P = 2 y f = 60 Hz 2 ns = = 3600 rpm 2

8 Cuatro polos Eje b a1 b2 -c1 S a1 N -b2 c2 b2 -c1 S N -b2 c2 -a2 -a1 -a2 -a1 c1 Eje a -b1 N a2 S -c2 b1 P Eje c = 4 y f N c1 -b1 = 60 Hz a2 S -c2 b1 2 ns = = rpm

9 La FMM gira a velocidad síncrona. La FMM induce voltajes en las barras del rotor y debido a que éstas se encuentran en corto circuito aparecen corrientes trifásicas balanceadas en el rotor. Las tres corrientes dan lugar a una fuerza magnetomotriz giratoria de amplitud constante en el rotor. Esta FMM trata de alinearse con la del estator y se presenta un par. El rotor no puede girar a velocidad síncrona ya que alcanzaría a las FMMs y no se inducurían voltajes, sin voltajes no hay corrientes y sin corrientes en rotor no hay par, sin par no hay oposición al par de frenado de carga y de fricción y ventilación. Se dice entonces que el rotor se desliza con respecto a la FMM que gira a velocidad síncrona. Deslizamiento en pu de n s Deslizamiento en rpm s = n n donde, n s s es la rapidez síncrona de giro en rpm, n es la rapidez de giro del rotor y s es el deslizamiento Deslizamiento en rpm s n = s n s n donde, s n es la rapidez síncrona de giro en rpm, n es la rapidez de giro del rotor y s es el deslizamiento en pu de n en rpm s Motor de inducción = motor asíncrono

10 Deslizamiento de plena carga Deslizamiento al arranque = 1 Deslizamiento en vacío es casi cero Deslizamiento de plena carga < 0.04 En la figura s plena carga = 0.03 Suponiendo n s = 1800 rpm n plena carga = 1800 (1-0.03) = 1746 rpm Starting torque % del par de plena carga Pull Up Torque 300 s = deslizamiento, pu % de velocidad síncrona Breakdown Torque Full Load Torque

11 Rapidez de giro, polos y tipo de carcasa Con f = 60 Hz P ns Aunque se encuentran desde 300 rpm hasta 3600 rpm, las más comunes son 1200, 1800 y 3600 rpm Enclosure type = tipo de carcasa o envolvente _www.baldor.com 15º aire ventilador externo aire Armazón abierta a prueba de goteo ODP = Open Drip-Proof aire Totalmente cerrada enfriada con ventilador externo TEFC = Totally Enclosed Fan Cooled Kosow, Electric Machinery and Transformers, 2nd Edition, Prentice Hall

12 Historia del tamaño de armazón Frame size = tamaño de armazón Antes de 1952 no existía un estándar National Electrical Manufacturers Association 1952 se estandarizó la armazón U (U-frame). Todos los motores con el mismo código, 254U por ejemplo, tienen el mismo tamaño de armazón 1964 nuevos aislamientos => armazón T (T-frame), más pequeña y más liviana D A ó 256T D = = 625. " T D = = 11" 4 Kosow, Electric Machinery and Transformers, 2nd Edition, Prentice Hall

13 Evolución del tamaño de la armazón del motor de inducción El motor de inducción fue inventado por Nikola Tesla alrededor de1886 Edwrard L. Owen, History, IEEEIndustry Applications Magazine, January / February 1997 Los tamaños de armazón integrales son de tres dígitos, por ejemplo: 326T, 50hp, 1800 rpm, TEFC. Las dos primeras cifras divididas entre 4 resultan en D en pulgadas, D=32/4=8. El tamaño de armazón depende principalmente del par. Y es proporcional a la relación hp / n s. Un motor fraccional es aquel con una armazón más pequeña que la de un motor de 1 hp, 1700 a 1800 rpm. Los tamaños de armazón fraccionales son de dos dígitos, por ejemplo: 56, 1/3hp, 1800 rpm, ODP. Las dos primeras cifras divididas entre 16 resultan en D en pulgadas, D=56/16=3.5. Kosow, Electric Machinery and Transformers, 2nd Edition, Prentice Hall Cowern Papers,

14 Temperatura ambiente y elevación de temperatura Estándar de máxima temperatura permisible del ambiente: 40 ºC Ambientes: Aire Gas Líquido Temperatura ambiente (Estándar AIEE No. 1, 1947) : es la temperatura del medio empleado para enfriamiento, directo o indirecto, esta temperatura se resta de la temperatura medida en la máquina para determinar el aumento de temperatura bajo condiciones específicas de prueba El aumento máximo permisible de temperatura es sobre éste estándar de 40 ºC La elevación o el aumento de temperatura es un cambio de temperatura en el motor, desde una temperatura ambiente con el motor apagado y frio, hasta que el motor opere a plena carga de manera continua para alcanzar estado estable térmico. Kosow, Electric Machinery and Transformers, 2nd Edition, Prentice Hall Cowern Papers,

15 Clases de aislamiento La vida esperada del motor se reduce a la mitad al operar a un temperatura 10 ºC por arriba del máximo permisible Las clases más comunes en motores de inducción jaula de ardilla son Clase Aumento Temperatura máximo máxima del permisible punto más caliente sobre 40 ºC B F H Note que hay 25 C entre cada clase. Kosow, Electric Machinery and Transformers, 2nd Edition, Prentice Hall Cowern Papers,

16 Factor de servicio Es un factor de seguridad Un factor de servicio de 1.15 indica que el motor es capaz de entregar hp nom x 1.15 de manera continua bajo condiciones usuales de servicio sin que el aumento de temperatura exceda su valor máximo permisible de acuerdo a la clasificación NEMA de aislamientos Factores de servicio comunes en motores jaula de ardilla 1.0 y 1.15 Kosow, Electric Machinery and Transformers, 2nd Edition, Prentice Hall

17 Límites de temperatura Factor de servicio : 1.0 Clase Aumento máximo Temperatura máxima permisible sobre 40 ºC del punto más caliente B F Factor de servicio : 1.15 Clase Aumento máximo Temperatura máxima permisible sobre 40 ºC del punto más caliente B F Energy - Efficient Electric Motor Selection Handbook, p 40.

18 Efecto de la temperatura en la vida del motor Por cada 10 ºC de operación continua por arriba (por debajo) de la temperatura máxima del punto más caliente, la vida del motor se reduce a la mitad (se duplica). Vida promedio a 40 ºC de temperatura ambiente operando continuamente: Factor A R 10 años Aumento en la vida del motor Reducción en la vida del motor ( ) A ó R = 2 10 T ºC ( ) ( ) T = Temp. del más caliente - Temp. límite del aislamiento Kosow, Electric Machinery and Transformers, 2nd Edition, Prentice Hall

19 Cálculo de la tempeartura del punto más caliente Temperatura Resistencia T T = 1 R R 2 1 ( T ) R T 2 = 2 R R1 > Resistencia medida en frío ( T 1 < 40 ºC ) R2 > Resistencia medida inmediatamente después de operación prolongada T punto más caliente = T ºC Kosow, Electric Machinery and Transformers, 2nd Edition, Prentice Hall

20 Condiciones usuales de servicio Las condiciones usuales de servicio de los motores que utilizan la temperatura ambiente estándar de 40 ºC son (NEMA MG1): La temperatura ambiente debe estar entre 0 C y 40 ºC La altitud es menor de 1000 m Instalación en areas o envolventes que no interfieren seriamente con la ventilación de la máquina 0.9 Vnom < V < 1.1 Vnom 0.95 fnom < f < 1.05 fnom Montaje y acoplamiento según NEMA Operación con un desbalance de voltaje de 1% o menos Si se satisfacen las condiciones anteriores, un motor debe ser capaz de entregar potencia nominal en flecha sin que la temperatura del aislamiento exceda el máximo permisible Kosow, Electric Machinery and Transformers, 2nd Edition, Prentice Hall Energy - Efficient Electric Motor Selection Handbook, p 35.

21 Código de rotor bloqueado kva donde, KVA V I LR LL LR LR = V 3 LL LR 1000 I, son los kva de rotor bloqueado es el voltaje nominal entre líneas, es la corriente de línea de rotor bloqueado o de arranque, A I LR = 1000 kva 3 V LL LR, La letra del código corresponde con un rango de kva de rotor bloqueado por cada hp nominal Ejemplo, la letra G va de 5.60 a 6.30, los kva de rotor bloqueado son como máximo 6.30 por cada hp nominal, si el motor fuera de 50 hp, kva lr = 315. Y si V LL = 460 V, I LR = A Letra de código Rotor bloqueado, kva Código de rotor bloqueado NEMA MG-1 Letra de código Rotor bloqueado, kva / hp / hp A L B M C N D P E R F S G T H U J V arriba K

22 Letras en la placa de datos NEMA design classiification NEMA insulation classification NEMA locked rotor code Tamaño de armazón 445T => D = 44/4 = 11 Factor de servicio = 115% Carcasa: Totalmente cerrada con ventilador externo (TEFC)

23 Factor de potencia voltaje fp = S P = corriente P 2 P + Q V LL, I L, P, Q, S FP, f _θ v - θ i fp = cos( θ v θ i ) V I P es la potencia trifásica, W Q es la potencia reactiva trifásica, VAr S es la potencia aparente trifásica, VA fp es el factor de potencia, f L LL es el voltaje entre líneas, V es la corriente de línea, A es la frecuencia,hz fp atrasado IP1 ( θv θi) V I Q1 I 1

24 fp atrasado IP1 fp unitario IQ3 fp adelantado I 3 I Q1 ( θv θi) I 1 V I P V -(θ θ) v I P i V I 1 I2 =IP I 3 I P I Q3 I V Desplazamiento

25 Máxima corrección de kvar M M M Qc < 17.5 kvar Los contactos del contactor principal M conectan y desconectan de manera simultánea al motor y a su capacitor Al desconectar el motor actúa de manera transitoria como un generador y alimenta al capacitor Si el capacitor aporta más reactivos que los que requiere el motor en vacío, el capacitor aumenta el voltaje del sistema aislado. Aunque es por poco tiempo, la elevación de voltaje puede dañar al capacitor o al motor.

26 Eficiencia P/3 P/3 P/3 P P es la potencia trifásica de entrada, W hp es la potencia mecánica de salida, hp P loss son las pérdidas del motor, W hp 746 P Ploss η = = = 1 P P P loss P dq P loss = dt hp P 746 hp Pérdidas de núcleo en estator y rotor Pérdidas de Pérdidas de fricción y Pérdidas de cobre en el ventilación cobre en el rotor estator

27 Desempeño en función de la carga fp y eficiencia I1 y P eff fp I1/Inom P/(746*hpnom) hp out (pu) = fc 0 Sobredimensionamiento es el villano y el área de oprtunidad La eficiencia es casi constante en 0.85 con una carga de 0.5 a 1.5 pu hp nominales y cae abruptamente con cargas menores a 0.5 pu, la eficiencia es cero con el motor sin carga. El factor de potencia es muy bajo (< 0.7) para cargas inferiores a 0.6, es del 10% sin carga y aumenta a 82% a plena carga. La corriente es 0.5 pu con motor en vacío, sube a 1 pu a plena carga. La potencia de entrada es del 8% en vacío y aumenta a 1.2 a plena carga de forma casi lineal.

28 Costo promedio de la energía eléctrica Importe total del recibo (antes de impuestos) entre la cantidad de kwh del período de facturación. Este costo ya considera demanda, consumo, horario y factor de potencia. Indica cuánto cuesta el kwh, en una instalación en particular y nos sirve para medir el impacto de las medidas de ahorro de energía. Wisconsin Industrial average $0.04 /kwh Wisconsin Commercial average $0.06 /kwh National Average industrial $0.05 /kwh Tarifa HSL, Noreste Promedio de los 12 últimos meses factor de carga: 0.85, factor de potencia: 0.93, 9.46 pesos /dólar dólares / MWh = $ / kwh.

29 Motor de alta eficiencia Alambre magneto de la mejor calidad Más acero en el núcleo, laminaciones más delgadas y acero de la mejor calidad, Mejores rodamientos Anillos de los extremos de la jaula más grandes Ventiladores con bajas pérdidas Cuesta más que uno de eficiencia estándar _http://ww.baldor.com

30 Cálculo de la potencia ahorrada 746hp P 1 = η η 1 1 hp Para los mismos hps en flecha, el motor con mayor eficiencia requiere una menor potencia de entrada. η 2 > η 1 => P 2 < P 1 746hp P 2 = η 2 P 1 1 P ( hp fc) nom 1 2 = η 1 η 2 fc es el factor de carga del motor y hp es la potencia nominal del motor nom η 2 hp Nadel, Shepard, Greenberg, Katz, "Energy-Efficient Motor Systems, ACE 3

31 Energía, dinero y recuperación de inversión Potencia P 1 P 2 = ahorrada, kw ( hp ) nom fc η 1 η Costo extra del motor, $ ahorro anual $ Energía ahorrada, kwh 1 kwh = ( P1 P2 ) h = ( hp nom fc) η 1 h es el número de horas de operación al año 1 η ahorro 2 h Retorno simple de inversión $ ahorro anual donde $ kwh = es el costo kwh ahorro promedio $ kwh del = nom h η 1 η 2 ( P P ) h = ( hp fc) kwh en la planta en cuestión. $ kwh Nadel, Shepard, Greenberg, Katz, "Energy-Efficient Motor Systems, ACE 3

32 El de la izquierda es el correcto $ ahorro anual = $ hp nom h η 1 η 2 kwh ( fc) El de la izquierda es el derecho? - Factor de carga - Horas de operaci ón al año - $ promedio del kwh FC = 0.75, h = 6000, $ / kwh = ==> dólares ( ) / = 1.70 años Premium Efficiency 50hp, TEFC, $1815 η=94% Standard Efficiency 50hp, TEFC, $1169 η=90% FC = 0.75, h = 2000, $ / kwh = ==> dólares ( ) / = 5.11 años Si el factor de carga es del 50% o menos, ninguno es el correcto none is the right one.

33 Comportamiento ventilador sistema a) Curva característica de un ventilador b) Característica del sistema James Van Zile, Energy savings with adjustable frequency AC Drives, Allen-Bradley, Dec. 1984

34 Control por álabes de entrada a) Cambio en característica del ventilador b) Álabes de entrada James Van Zile, Energy savings with adjustable frequency AC Drives, Allen-Bradley, Dec. 1984

35 Control mediante compuertas de salida a) Control por compuertas de salida b) Cambio en característica del sistema James Van Zile, Energy savings with adjustable frequency AC Drives, Allen-Bradley, Dec. 1984

36 Control mediante velocidad variable a) Sistema de velocidad variable b) Control de flujo de aire por velocidad variable James Van Zile, Energy savings with adjustable frequency AC Drives, Allen-Bradley, Dec. 1984

37 Potencia de entrada Potencia de entrada como % de la entrada al motor cuando el flujo es 100 % Compuertas salida Álabes entrada 120 Frecuencia variable Requerimientos ventilador Porcentaje del volumen de aire John C. Andreas, Energy-Efficient Electric Motors, Selectionand Application, Second edition, Marcel-Dekker, 1992.

38 Drive de CD v entrada i de salida i entrada La corriente está distorsionada y se atrasa del voltaje. David Shipp, William Vilcheck, Power quality and line considerations for variable speed ac drives, IEEE Transactions on Industry Applications, March / April 1996.

39 Drive de CA tipo PWM La corriente a la entrada presenta alta distorsión armónica y va en fase con el voltaje Voltaje (V) Va Ia grados eléctricos Captura: Abril de 1995, Power Logic Corriente (A) Aunque el voltaje dista mucho de ser una senoidal, la corriente de salida es muy senoidal David Shipp, William Vilcheck, Power quality and line considerations for variable speed ac drives, IEEE Transactions on Industry Applications, March / April 1996.