METODOLOGÍA PARA LA DETERMINACIÓN DE LA EFICIENCIA DE MÁQUINAS ASINCRÓNICAS EN CONDICIONES DE CAMPO. CASO DE ESTUDIO.

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1 METODOLOGÍA PARA LA DETERMINACIÓN DE LA EFICIENCIA DE MÁQUINAS ASINCRÓNICAS EN CONDICIONES DE CAMPO. CASO DE ESTUDIO. Ing. Vladimir Sousa Santos.* Dr. Marcos A. de Armas Teyra.** Dr. Percy R. Viego Felipe.** M.Sc. Julio R. Gómez Sarduy.** *Departamento de mecánica. Universidad de Cienfuegos. Cuba. ** Centro de Estudios de Energía y Medio Ambiente. Universidad de Cienfuegos. Cuba. vladimir@fmec.ucf.edu.cu Resumen. Este trabajo tiene como objetivo, la presentación de una metodología, que permitirá obtener el rendimiento de los motores eléctricos operando en condiciones de campo, donde pudieran presentarse problemas de sobre tensión, baja tensión, desbalance de tensión o donde estén presentes motores reparados. La metodología, que permitirá mejorar el uso de las máquinas eléctricas desde el punto de vista del consumo de electricidad, tiene como base un método de estimación de la eficiencia, basado en las ideas del método de separación de las pérdidas, del circuito equivalente y el algoritmo genético. En el trabajo se dará una panorámica sobre la necesidad de usar los motores trifásicos de forma eficiente, se expondrán los principales métodos para la determinación de la eficiencia y sus limitaciones para el uso en la industria donde la tensión es diferente a la nominal o prevalezcan condiciones de desbalance de tensión. Se describirá la metodología propuesta aplicándose a un caso de estudio. INTRODUCCIÓN. El actual orden económico-político internacional, ha llevado al mundo a un consumo de energía que de seguir con este ritmo, pudiera provocar en un tiempo relativamente corto, el agotamiento de las reservas de combustibles fósiles que han sido acumuladas por nuestro planeta durante millones de años. La energía eléctrica es el principal consumidor de estos combustibles, por lo que su ahorro constituye una prioridad de primer orden. Lo anterior justifica la preocupación que existe en el sector energético, por el mejoramiento en el uso de los motores asincrónicos desde el punto de vista de su eficiencia, pues estos representan del 60 al 80 por ciento del consumo de energía eléctrica [1], [2], [3],[4]. Con tal objetivo surge este trabajo en el que se propone una metodología para la determinación de la eficiencia y las pérdidas energéticas de motores asincrónicos, aplicables a un ambiente industrial, sin necesidad de pruebas invasivas o muy costosas, posibilitando de esta manera, la toma de decisiones que conlleven a su uso efectivo. I. Normas oficiales para la determinación de la eficiencia. Las principales normas internacionales para ensayos de máquinas eléctricas son la IEEE-112, IEC 34-2 y JEC-37. Estas establecen procedimientos que implican consideraciones en cuanto a las pérdidas, tipos de mediciones o instrumentos requeridos, valores de corrección de temperatura para las resistencias y otros. La 1

2 diferencia principal entre estas normas radica en el tratamiento de las pérdidas adicionales, lo que repercute directamente en la eficiencia nominal de chapa. [4], [5], [6], [9]. En la IEC 34-2 las pérdidas adicionales se asumen como un valor fijo (0,5 % de la potencia de entrada para potencia de salida nominal) independientemente de la potencia nominal del motor y proporcional al cuadrado de la corriente de línea. En la JEC-37 se desprecian totalmente las pérdidas adicionales, por lo que los valores de eficiencia determinados aplicando esta norma siempre dan valores superiores a los obtenidos por los métodos de la IEEE o la IEC. Por su parte la norma IEEE [7] establece cinco métodos denominados A, B, C, E y F con las variantes E1, F1, C/F, E/F y E1/F1. El método B, es el aceptado como referencia por muchos investigadores en estudios comparativos sobre cálculo de eficiencia, sin embargo, este no está diseñado para aplicar en condiciones de campo. II. Métodos y herramientas para la determinación de la eficiencia en condiciones de campo. La aplicación estricta de los métodos normalizados referidos anteriormente, generalmente resulta difícil de aplicar en condiciones de campo, ya sea por lo costoso de la instrumentación requerida o por la alta invasividad que implicaría las pruebas de rotor libre o rotor bloqueado así como la utilización de un dinamómetro. Por tal motivo ha surgido la necesidad de la implementación de acciones aplicables a condiciones de campo cuyas combinaciones pueden dar lugar a diversos métodos para la determinación de la eficiencia. Las acciones y métodos que pueden ejercerse, se mencionan y explican a continuación teniendo en cuenta, la factibilidad de ejecución en condiciones de campo con tensión desbalanceada [8], [11]. El uso de la lectura del dato de chapa, se basa en que a partir de estos datos, se determina o lee la eficiencia y con la lectura de la potencia de entrada, se determina la potencia de salida. Esta acción no es invasiva y tampoco requiere sacar el motor de servicio ni de un equipamiento adicional, pero parte de suponer que la eficiencia es constante para cualquier estado de carga, e igual a la de la chapa. En motores medios y grandes el error cometido no es muy grande, ya que la curva de eficiencia de estos motores es prácticamente plana; ahora bien, en motores menores de 5 kw la eficiencia baja apreciablemente con la carga y el error cometido puede ser grande, sobre todo, si el motor está subcargado. En condiciones de desbalance, las pérdidas aumentan considerablemente disminuyendo la eficiencia sensiblemente, por lo que en estas condiciones no se recomienda el uso de este método. El método del deslizamiento supone, que el estado de carga es proporcional a la relación del deslizamiento medido y el deslizamiento nominal. La velocidad se pudiera determinar mediante un estroboscopio o tacómetro óptico. Su nivel de invasividad es bajo, pues funciona proyectando un haz de luz sobre el eje del motor y conectándolo a la misma red de alimentación o mediante baterías. Es necesario sacar al motor de servicio sólo para hacerle una marca en el eje. Su exactitud está alrededor de 1 rpm en motores de cuatro polos. Ahora bien, es necesario disponer de este instrumento o comprarlo, en cuyo caso 2

3 su precio es superior al de un amperímetro de gancho. Por otro lado, se pudiera cometer un error apreciable debido a que la velocidad de chapa del motor tiene una tolerancia de más o menos 20 por ciento entre la velocidad sincrónica y la velocidad a plena carga [10]. El método de las corrientes propone que el estado de carga es proporcional a la relación de la corriente medida y la corriente nominal: MEDIDA kw SALIDA = I NOMINAL I kw NOMINAL Esta ecuación es útil para determinar estados de cargas entre el 50 % y plena carga y donde el porciento de desbalance no supere el 1 %. Un amperímetro de gancho puede servir para determinar la corriente y la tensión de trabajo del motor. Es poco invasivo, aunque la medición de tensión lo es algo más. Estos instrumentos pueden tener un error de hasta 0,5 %. No es necesario sacar el motor de servicio. Si existe una pizarra o panel con amperímetro y/o voltímetro que lean la corriente y la tensión del motor el método no es invasivo, pero hay que tener en cuenta que la exactitud de los instrumentos de panel no es buena en general. En el método de la segregación de las pérdidas se determina la magnitud de las pérdidas totales a partir de la suma de todas las pérdidas que tienen lugar en el motor durante la conversión electromecánica. El método del torque en el eje es el procedimiento más directo y da los resultados más precisos en la evaluación de la eficiencia. Sin embargo, es altamente intrusivo y requiere de un acoplamiento especial para determinar la potencia en el eje. Su precisión depende de sensores de torque, su calidad, alineamiento etc. El método del circuito equivalente se basa en la solución del circuito equivalente de estado estable, deducido en la modelación de la máquina asincrónica. Su ventaja fundamental radica en que la eficiencia y el comportamiento del motor se pueden determinar para diferentes estados de carga. No es invasivo y muy sencillo de aplicar. Su precisión depende de la exactitud de medición o estimación de los parámetros. Es necesario tener en cuenta que el circuito equivalente para el caso de tensión desbalanceada requiere de un circuito para la secuencia positiva y uno de secuencia negativa. La medición del consumo mediante un analizador de redes es el método más exacto para determinar la potencia de entrada del motor. También puede leerse la corriente y la potencia reactiva y determinar el factor de potencia. Es poco invasivo y a menos que el instrumento esté conectado permanentemente, es necesario detener el motor para su instalación. Este instrumento es relativamente caro. La realización de ensayos sin carga por su parte, necesita desacoplar el motor y conectarle instrumentos de medición para llevar a cabo los ensayos. A partir de estos ensayos y, en combinación con otras acciones, puede determinarse el consumo del motor y la potencia entregada a la carga, este constituye un método difícil de aplicar en condiciones de campo. (1) III. Aplicación de herramientas informáticas para la estimación de la eficiencia. El desarrollo de la informatización ha permitido la creación de varios métodos para su uso práctico en la industria, implementados por medio de programas de computación o instrumentos especiales tales como el ORMEL 96, el MotorMaster+.,el probador MAS- 1000, el Motor-Check, el Vectron Motor Monitor que emplea un método desarrollado por ECNZ y otros [10]. 3

4 Todos estos instrumentos requieren que el motor sea temporalmente desacoplado de la carga para una prueba en vacío y no tienen en cuenta la influencia del desbalance de tensión sobre la eficiencia y los que la consideran, lo hacen aplicando factores de ajuste a la eficiencia que puede conducir a errores significativos por no analizar el estado de carga, el tipo de desbalance o estar basados en medidas del desbalance de tensión que no reflejan verdaderamente la influencia del mismo sobre los parámetros operacionales del motor. IV. Desarrollo de la metodología. DESARROLLO. La metodología que a continuación se presenta, permitirá determinar la eficiencia de motores de inducción trifásicos trabajando en condiciones de campo. Esta tiene como base un procedimiento basado en algoritmos genéticos que emplean el método del circuito equivalente. Su aplicación será posible en cualquier centro que haga uso de estos equipos, ya sea perteneciente al sector industrial, de servicio u otro. No está limitada por la presencia de baja tensión, sobre tensión, desbalance de tensión u otro elemento que afecta la calidad de la energía, ni por el hecho de que el motor haya sido reparado. La metodología está restringida a las redes con una distorsión de la onda de tensión cuyos armónicos individuales no superen el uno porciento del fundamental. V. Circuito equivalente usado por el método: El modelo que representa el comportamiento del motor en estado estable se fundamenta en el circuito mostrado en la figura 1. En el caso de que exista desbalance de tensiones, se adiciona además el circuito de secuencia negativa mostrado en la figura 2. Figura 1. Circuito equivalente de secuencia positiva. Figura 2. Circuito equivalente de secuencia negativa. Las pérdidas de cobre en el estator y rotor, tanto para secuencia positiva como negativa, son representadas por y R. La resistencia de la rama de R 1, R21, 22 magnetización R m identifica las pérdidas de núcleo y de fricción y batimiento para ambas secuencias, mientras que las pérdidas adicionales son representadas por Rad siendo igual a [11]: R = k * r 2 (1 S ) / S (2) ad Donde S pc pc pc es el deslizamiento a plena carga. 4

5 K factor propuesto por [7] para asumir las pérdidas adicionales nominales en función de la potencia nominal. La ecuación (2) está basada en que las pérdidas adicionales dependen de la corriente del rotor al cuadrado [11]. VI. Requerimientos para la aplicación de la metodología. La aplicación de la metodología requiere de la disposición de un ordenador compatible con MATLAB 7.0, un analizador de redes, un amperímetro de gancho u otro instrumento convencional que permita determinar la corriente, puente de Wheaston u otro instrumento convencional para determinar resistencia, termómetro, tacómetro óptico o estroboscopio preferiblemente acoplado a una tarjeta de adquisición de datos que posibilite almacenar las mediciones automáticamente. Además, es necesaria una estrecha colaboración con los técnicos, personal de operación y autoridades administrativas del lugar de interés. VII. Descripción de la metodología. Los pasos a seguir en la metodología son los siguientes: 1. Realizar una caracterización general de la calidad de la energía eléctrica presente en el lugar de interés. Para esto se procederá de la siguiente manera. - Colocar analizador de redes en la pizarra general de distribución (PGD) durante un día típico o una semana si el régimen de trabajo es inestable. Estos registros permitirán conocer desviaciones de tensiones, desbalance y el contenido armónico de la onda de tensión. Si la relación de la tensión de un armónico distinto al fundamental respecto al armónico fundamental es superior al uno porciento la metodología no podrá ser aplicada. Adicionalmente la información puede ser útil para chequear otros indicadores generales como comportamiento de la demanda y factor de potencia. 2. Definir número y forma de división de las áreas en que será seccionalizada la entidad objeto de aplicación de la metodología. Para esto será necesario recibir información detallada sobre los procesos o aplicaciones en los cuales están involucrados los motores eléctricos, su régimen de funcionamiento y circuito a que pertenece. Estas informaciones serán aportadas por personal capacitado. 3. Determinar en cada área los principales motores desde el punto de vista del consumo energético de la siguiente manera: - Determinación del estado de carga de cada motor utilizando el método aproximado de las corrientes (3): I MEDIDA kw SALIDA = kwnominal (3) I Donde: NOMINAL I NOMINAL - Corriente nominal de chapa (A). kw NOMINAL - Potencia nominal de chapa. (kw) I MEDIDA - Corriente promedio medida. (A) 5

6 kw SALIDA - Potencia de salida estimada. (kw) La potencia de salida estimada no es aplicable para el cálculo de la eficiencia, su uso solo se limitará para determinar aproximadamente la incidencia de cada motor en el consumo global del área. - Obtener información sobre régimen de funcionamiento de los motores en cuanto a tiempo de operación. - Con la información aportada por la aplicación del método de las corrientes y el régimen de funcionamiento del motor se aplica la herramienta conocida como Pareto según se propone en la Tecnología de Gestión Total Eficiente de la Energía desarrollada en el Centro de Estudios de Energía y Medio Ambiente de la Universidad de Cienfuegos. Esta herramienta permite identificar el 20 % de los motores presentes que inciden aproximadamente en el 80 % del consumo total de energía [12]. 4. Una vez seleccionados los motores de mayor incidencia en el consumo de energía, se ejecutarán los siguientes pasos: - Recopilación de los siguientes datos de chapas: o Fabricante, potencia (kw), tensión (V), corriente(a), factor de potencia, eficiencia, velocidad nominal (rpm), clase de aislamiento, conexión, clase del motor. De faltar la chapa en el motor o alguno de estos datos se recomienda el uso de la documentación técnica de la entidad o catálogos pertenecientes al fabricante de la máquina. - Medición de la resistencia en el estator y temperatura a la cual fue medida, para esto se puede usar cualquier instrumento medidor de resistencia como el puente de Wheastone o aplicando el método del voltímetro amperímetro de corriente directa y un termómetro convencional. El valor de la resistencia por fase en el estator depende de la conexión del motor y su cálculo está dado por: 3 1 R1 = ( R t ) (4) R 1 = ( Rt ) Υ (5) 2 2 Donde: R : Resistencia por fase en el estator para la conexión en delta. R 1 1Υ T : Resistencia por fase en el estator para la conexión en delta. R : Resistencia promedio medida entre los terminales. Para el caso del uso del puente de Wheastone 1 y Υ son corregidos de la siguiente manera: 3 1 R1 = ( R t R W ) (6) R1 = ( R t RW ) Υ 2 2 (7) R R 1 6

7 Donde R W constituye la resistencia de los cables pertenecientes al Puente de Wheaston. 5. Colocación del analizador de redes en el centro de control del motor (CCM) o en la caja de conexiones y medición de velocidad con el tacómetro óptico. Las mediciones se realizarán con una frecuencia que dependerá del régimen de la carga. 6. Preparar la información en una hoja excel con el formato de la tabla 1. Cada vector columna representan los valores registrados en las diferentes mediciones para las variables que se especifican en la primera fila. La ejecución del programa exige el respecto de la nomenclatura de dichas variables: Tabla 1. Formato de recopilación de datos para aplicar programa de determinación de la eficiencia. Vab Vbc Vca Ia Ib Ic rpm Pt Donde: Vab, Vbc, Vca Tensiones de línea entre las fases (V). Ia, Ib, Ic Corrientes de línea para cada fase (A) Pt Potencia activa total (W). rpm- Velocidad del eje del motor (rpm). 7. Aplicación del programa para la determinación de la eficiencia de motores de inducción trifásicos en condiciones de campo implementados en MATLAB 7.0. Su ejecución requiere de los siguientes pasos: - Carga de la carpeta Método 1A. - Importar datos con el formato mostrado en la tabla Ejecutar programa efficieny1a para lo cual se introducirá los datos nominales, la resistencia del estator y temperatura a la que fue medida y el estado de carga en que se quiera conocer las características operacionales. El programa ofrecerá los resultados en un formato similar al mostrado en el estudio de caso. 8. Procesamiento de los resultados arrojados por el programa donde se pudieran analizar problemas como motores subcargados, sobrecargados, de tipo incorrecto, de baja eficiencia o con altos consumos de potencia mecánica y otros. VIII. Estudio de caso. La metodología fue aplicada a la fábrica Gydema (Glucosa y derivados de Maíz) perteneciente a la provincia de Cienfuegos. Se decidió dividir en tres áreas donde se concentran los tres principales procesos: molinado, refinación y Glucosa. El área Glucosa donde ocurre la etapa final de obtención de este producto presentó como motor que consume el 80 % de la energía que se consume en esta área el que se representa en la tabla 2. 7

8 Tabla 2. Datos del motor de mayor consumo de energía en el área de Glucosa. Función Bomba de vacío. Fabricante ASEA Potencia nominal(kw) 42,5 Tensión nominal(v) 440 Corriente nominal(a) 74 Factor de potencia nominal 0,84 Eficiencia nominal 89 Velocidad nominal 1160 Clase de aislamiento F Conexión delta Resistencia del estator (Ω) 0,1248 Temperatura (ºC) 30 La figura 3 representa el comportamiento de la tensión en el tiempo durante la medición. Figura 3. Comportamiento de la tensión en el tiempo durante la medición. La figura 3 muestra sobre tensión en todos los puntos y diferencia en las tensiones de línea, que en algunos instantes representan desbalance de tensión mayor que el uno porciento. Estas condiciones no son debidamente tratadas por los métodos convencionales. A modo de ilustración se aplicó el programa para un estado de carga donde había desbalance de tensión y sobre tensión representado en la tabla 3 en negritas: Tabla 3. Estado de carga corrido por el programa. Vab Vbc Vca Ia Ib Ic rpm Pt 456,2 456, ,152 63,36 63, ,7 463,7 65,448 63,328 63, ,6 447,2 448,5 454,8 64,872 62,928 63, ,8 448, ,8 65,32 63,352 63, ,8 447,6 447,7 454,7 65,288 63,136 63, ,6 8

9 Resultados obtenidos por el programa: Resultados del modelo Modulo ángulo VAB= VBC= VCA= ILa= ILb= ILc= Factor de desbalance complejo Modulo ángulo FDVC= Deslizamiento: s = PERDIDAS DESAGREGADAS (W) Perdidas de cobre del estator = Perdidas de cobre del rotor = Perdidas fricción batimiento y núcleo = Perdidas adicionales = PERDIDAS TOTALES (W) = EFICIENCIA = POTENCIAS CONSUMIDAS DE LA RED (W) Potencia activa fase a = Potencia activa fase b = Potencia activa fase c = Potencia activa total = Potencia reactiva = Potencia aparente = Factor de potencia = 0.80 POTENCIA DE SALIDA = Esta simulación permite determinar el estado de carga que en este caso es del 82% y los demás indicadores del estado operacional para el análisis que se desee. Las componentes de pérdidas solo tienen valor indicativo, siendo las pérdidas totales las de interés para los análisis. CONCLUSIONES. - La actual situación energética requiere del mejoramiento de la explotación de los motores asincrónicos, por su importancia en el consumo eléctrico en nuestro país. - La diversidad de normas para la determinación de los datos nominales de los motores constituye un obstáculo para la toma de decisiones con el objetivo de su aprovechamiento eficiente. - Son varios los métodos existentes para la determinación de la eficiencia de los motores asincrónicos condiciones de campo, pero no son aplicables para la operación en régimen desbalanceado y tensiones no nominales, con una precisión adecuada. - La metodología propuesta constituye un método poco invasivo, económico y efectivo para la determinación de la eficiencia en condiciones de campo, donde estén presente problemas de baja tensión, sobre tensión, desbalance de tensión o de motores reparados. 9

10 - El método para la determinación de la eficiencia usado en la metodología, garantiza buenos resultados. Está basado en el uso de algoritmos genéticos para la determinación de los parámetros del circuito equivalente de estado estable del motor, permitiendo calcular las pérdidas, potencia de salida y eficiencia en cualquier instante de operación estable del mismo. - A diferencia de otros procedimientos, se coloca una resistencia representativa de las pérdidas adicionales en serie con el circuito de rotor, lo cual incrementa la precisión en la determinación de la eficiencia. BIBLIOGRAFÍA. [1] C. Yin Lee. Effects on Unbalanced Voltage on the operation Performance of a Three Phase Induction Motor IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol 14, No 2, June [2] J. Driesen & T. V. Craenenbrocke. Voltage Disturbances. Introduction to Unbalanced Copper Development Association. May [3] Y-J Wang. Analysis of Effects of Three-Phase Voltage Unbalance on Induction Motors with Emphasis on the Angle of the Complex Voltage Unbalance Factor IEEE transactions on energy conversion, vol. 16, no. 3, september [4] A. T. De Almeida, Fernando Ferreira. Efficiency Testing of Electric Induction Motors. ISR, Dep. Eng. Electrotecnica,University of Coimbra, Portugal, [5] A. T. de Almeida, Fernando J. T. E. Ferreira, John F. Busch, Pierre Angers Comparative Analysis of IEEE 112-B and IEC 34-2 Efficiency Testing Standards Using Stray Load Losses in Low-Voltage Three- Phase, Cage Induction Motors. [6] B. Reinier, K. Hameyer, R Belmans. Comparison of standards for determining efficiency of three phase induction motors. IEEE Transaction on Energy conversion, Vol. 14, No. 3, September [7] IEEE Standard Test Procedure for Polyphase Induction Motors and Generators. IEEE Std [8] M. Vilaragut Llanes, A. Costa Montiel, A García Trujillo, A. Carlos Ayala Anaya. Métodos para la determinación de la eficiencia energética en los motores de inducción trifásicos. Ecosolar, No 10, octubre-diciembre2004. [9] P. R. Viego Felipe. USO FINAL EFICIENTE DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA, [10]C.A. de Leon Benítez. Metodología para el análisis enrgético de motores en servicio y del empleo de accionamientos eficientes,dr Tesis, Centros de Estudios Electroenergéticos, UCLV, Santa Clara, VC, [11] P. Pillay, V. Levin, P. Otaduy, J Kueck. In-Situ Induction Motor Efficiency Determination Using The Genetic Algorithm IEEE Transaction on Energy Conversion, Vol 13, No 14, December [12] Colectivo de autores, Gestión energética empresarial, Centro de Estudios de Energía y Medio Ambiente, Universidad de Cienfuegos,