Décimo Quinto Encuentro Regional Ibero-americano del CIGRÉ Foz de Iguazú-PR, Brasil 19 al 23 de mayo de 2013

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1 RENDIMIENTO DE MOTORES DE INDUCCIÓN DE EFICIENCIA ESTÁNDAR Y PREMIUM CON PROBLEMAS DE CALIDAD DE ENERGÍA P. D. Donolo* C. M. Pezzani* A. F. Bonelli** A. R. Aoki** R. A. Nehls*** G. R. Bossio* G. O. García* * Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de Río Cuarto UNRC. ** Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento LACTEC. *** Companhia Paranaense de Energia - COPEL. RESUMEN En este trabajo se estudia como varía el rendimiento de los Motores de Inducción (MI) con subtensión, sobretensión y desequilibrio en las tensiones de alimentación. Se analiza un MI de eficiencia estándar (IE1) y un MI de eficiencia Premium (IE3). Se obtienen resultados en el laboratorio emulando las condiciones observadas en un relevamiento industrial. Se calculó el rendimiento de cada uno de los MI con subtensión y sobretensión en diferentes condiciones de carga y con desequilibrio de tensión a plena carga. Los resultados obtenidos indican que en las condiciones de operación industriales el rendimiento de los MI es inferior al provisto en la placa característica. Además, se observa que la diferencia entre los rendimientos de un MI de eficiencia estándar y un MI de eficiencia Premium, en condiciones de operación industrial, es menor que la diferencia de rendimiento de las placas características. PALABRAS-CLAVE Motor de inducción, pérdidas, rendimiento, factor de demérito, desequilibrio de tensión, calidad de energía. 1. INTRODUCCIÓN Desde hace algunos años el sector eléctrico se ha enfocado en el estudio de temas relacionados con la conservación de la energía y la eficiencia energética del equipamiento final [1]. El motor de inducción (MI) es el equipo final que consume la mayor cantidad de energía eléctrica en la industria [2]. Por esta razón, se realizaron importantes avances para reducir las pérdidas y mejorar el rendimiento de los MI [3]. El desarrollo de MI de mayor rendimiento requirió de nuevas categorías de eficiencia y posibilitó el reemplazo de antiguos MI por modernos de mayor rendimiento [4]. En la primera versión de la Norma IEC :2008 presentada en noviembre de 2008 se especificaron los requerimientos de eficiencia que deben cumplir los MI [4]-[6]. Esta Norma, que en la actualidad está en revisión, define como IE1 a los MI de eficiencia estándar, IE2 a los MI de alta eficiencia e IE3 a los MI de eficiencia Premium [5]. En la nueva edición de Norma IEC se 1 / 8

2 definirán dos categorías más de eficiencia, la IE4 para los MI de eficiencia Super Premium y la IE5 para los MI de eficiencia Ultra Premium [5]. Desde el 16 de Junio de 2011, en los países de la Unión Europea, la eficiencia mínima recomendada de los MI es la definida como IE2 para MI entre 0.75kW y 375kW. A partir del 01 de enero de 2015 la eficiencia mínima recomendada de los MI de 7.5 a 375kW será IE3. Este mismo nivel de exigencia será requerido para todos los MI de 0.75 a 375kW a partir del 01 de enero de 2017 [4] [5]. En Brasil, desde el 8 de diciembre de 2009 todos los MI vendidos deben cumplir con los requerimientos de eficiencia IE2 [7]. Los nuevos MI de mayor rendimiento consumen menos energía que los de eficiencia estándar en condiciones ideales de suministro, sin embargo su comportamiento frente a problemas de calidad de energía eléctrica está aún en estudio [1]. En trabajos anteriores se mostró como las características constructivas modifican el comportamiento del MI cuando se alimenta con tensiones desequilibradas y distorsionadas [8]. Por lo tanto, es de mucho interés conocer el comportamiento de estos nuevos MI cuando las condiciones de alimentación no son ideales. Los primeros estudios con MI de eficiencia estándar (EFF2 equivalente a IE1) y alta eficiencia (EFF1 equivalente a IE2) alimentados con tensiones desequilibradas se enfocaron en conocer la reducción en el rendimiento para todo el rango de operación y en ubicar el punto de operación de máximo rendimiento en MI de diferentes potencias [1]. En este trabajo se estudia cómo varía el rendimiento de dos MI de 5,5kW 50 Hz con subtensión, sobretensión y desequilibrio en las tensiones de alimentación. Se analiza un MI de eficiencia estándar (IE1) y un MI de eficiencia Premium (IE3). Se obtienen resultados en el laboratorio emulando las condiciones observadas en un relevamiento industrial de más de 900 MI [4]. Se registraron las tensiones y corrientes de entrada, así como el par medio y la velocidad media en el eje. Con los datos registrados se calculó el rendimiento de cada uno de los MI en diferentes condiciones de operación. Se obtuvo el rendimiento del MI con subtensión y sobretensión en diferentes condiciones de carga y con desequilibrio de tensión a plena carga. 2. DESCRIPCIÓN DE LOS MI ANALIZADOS En los relevamientos realizados por el Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento (LACTEC) y la Companhia Paranaense de Energia (COPEL) a 916 MI trifásicos instalados en la industria brasilera se observa que más del 46% (423) de los MI son de potencias comprendidas entre 1 a 10 CV [8]. Por lo tanto, para el estudio de las variaciones en el rendimiento del MI por problemas de calidad de energía se seleccionaron dos MI de 5,5kW (7,5CV) 50 Hz uno de eficiencia estándar (IE1) y otro MI de eficiencia Premium (IE3). Los MI de eficiencia Premium son los de mayor rendimiento disponibles en la actualizad en el mercado local. 2.1 Datos provistos por el fabricante de los MI en estudio La Tabla 1 presenta un resumen de los datos de placa y catálogo provistos por el fabricante para los MI de 5,5kW 50 Hz de eficiencia estándar (IE1) y de eficiencia Premium (IE3). Analizando los datos de la tabla es posible observar que ambos MI son de par, velocidad y factor de potencia nominal similar, sin embargo el MI de eficiencia Premium tiene una corriente nominal 7.7% menor que la del MI de eficiencia estándar. Además, el par de arranque es 32% superior y el par máximo es casi 40% superior al del MI de eficiencia estándar, lo que podría indicar un mejor comportamiento frente a variaciones transitorias de carga. 2 / 8

3 Tabla 1 Datos eléctricos de los MI ensayados Motor Estándar Premium Tensión nominal del MI 380/660V Frecuencia 50 Hz Potencia nominal del MI 5.5kW (7.5CV) Polos 4 Velocidad nominal 1450 RPM 1465 RPM Par nominal 36.2 Nm 35.9 Nm Corriente nominal 11.7A 10.8A Clase de eficiencia IE1 IE3 Rendimiento nominal 85.5% 90.7% Factor de potencia nominal Par de arranque 180% 240% Par máximo 220% 310% Corriente de arranque 6.5 p.u. 8.5 p.u. La corriente de arranque en el MI de eficiencia Premium es 20% superior a la corriente de arranque del MI de eficiencia estándar, lo que producirá una mayor caída de tensión en el sistema cuando la conexión sea directa desde la red. La relación inversa entre las corrientes de arranque y nominal de un MI permiten conocer la relación de las impedancias de arranque y nominal. La impedancia de arranque de un MI se puede asociar con el valor de su impedancia de secuencia negativa [10]. Por lo tanto, con la relación entre las corrientes de arranque y nominal de un MI se puede estimar las corrientes de secuencia negativa en condiciones de tensión desequilibrada [10]. En la Tabla 1 se puede observar que la relación entre las corrientes de arranque y nominal del MI de eficiencia Premium es mayor que la observada en el MI de eficiencia estándar, lo que indicaría mayores corrientes de secuencia negativa para el mismo nivel de desequilibrio de tensión. En la figura 1 se muestran los datos de rendimiento para distintos niveles de carga de ambos MI provistos por el fabricante en condiciones ideales de suministro. En la figura se ve que el MI de eficiencia Premium tiene un rendimiento 5% mayor que el de eficiencia estándar para cualquier condición de carga. Fig. 1. Rendimiento de ambos MI provistos por el fabricante. 3 / 8

4 3. DESCRIPCIÓN DE LOS ENSAYOS REALIZADOS En el análisis de los datos relevados por el Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento (LACTEC) y la Companhia Paranaense de Energia (COPEL) a los MI instalados en la industria Brasilera se observa que los MI de eficiencia estándar de esta potencia operan con una ligera subtensión ( VL 0.98 Vn), con un factor de desequilibrio de tensión VUF 0.28% y una distorsión armónica total media de THD 2.64% [8]. Además, se observan desviaciones importantes de las condiciones nominales en los valores máximos y mínimos del nivel de tensión media y factores de desequilibrio de tensión para los que la normas recomienda una reducción o demérito de la potencia de placa [11]. Por lo tanto, en este trabajo se analizará el rendimiento de ambos MI en condiciones similares a las relevadas en la industria. Se analiza el rendimiento de los MI con subtensión, sobretensión y desequilibrio de tensión. 3.1 Banco de ensayos utilizado En la figura 2 se muestra el esquema del banco de ensayos utilizado para obtener los resultados experimentales. El banco de ensayos posee un autotransformador que permite variar independientemente cada una de las tensiones de línea del MI bajo ensayo para obtener diferentes niveles de tensión y de desequilibrio. El MI a ensayar está acoplado mecánicamente con otro MI que es impulsado por un accionamiento comercial con control de par, que funciona como carga. Este MI, actúa como generador disipando la energía sobre una carga resistiva. La referencia de par se ajusta externamente para emular los diferentes niveles de carga. En cada ensayo se adquirieron mediante un registrador oscilográfico dos corrientes de fase y dos tensiones de línea. La corriente y tensión restantes se obtuvieron a partir de las medidas debido a que en los MI ensayados no existe conexión de neutro. El rendimiento de ambos MI se determinará por medición directa, por lo tanto se registraron el par y la velocidad del MI en cada condición de carga. Fig. 2. Esquema del banco de ensayos. 3.2 Casos analizados En este trabajo se analizará el rendimiento de ambos MI en diferentes condiciones de operación. En el primer caso se analiza el rendimiento de ambos MI en condiciones similares a las relevadas en la industria para todos los estados de carga. Se obtienen los resultados con un factor de desequilibrio de tensión VUF 0.3% y una distorsión armónica total media de THD 2.4%. 4 / 8

5 Posteriormente se analiza el efecto del incremento y la disminución de la tensión media para los mismos valores de desequilibrio de tensión y de armónicos de tensión. Se analiza el comportamiento con sobretensión VL 1.04 Vn (395 V) y con subtensión VL 0.96 Vn (365 V) para todos los estados de carga. En ambos casos, los resultados se presentan para la misma condición de par resistente en el eje y no en función de la potencia, debido a que los MI de mayor eficiencia operan a mayor velocidad que los de eficiencia estándar. Finalmente, se analiza el comportamiento de ambos MI con desequilibrio de tensión a plena carga manteniendo constante el nivel de armónicos de tensión. El desequilibrio de tensión se realizó manteniendo constante una de las tensiones de línea y reduciendo las dos restantes en igual proporción. 4. RESULTADOS EXPERIMENTALES 4.1 Rendimiento de los MI Rendimiento de los MI en condiciones de operación observadas en la industria. En la figura 3 se muestra el rendimiento de ambos MI en condiciones de desequilibrio de tensión y distorsión armónica de tensión similares a la media relevada en la industria para MI de esta potencia [9]. En la figura 3 se observa que el MI de eficiencia Premium tiene un rendimiento superior al de eficiencia estándar para cualquier condición de carga en condiciones similares a las de operación industrial. Sin embargo, la diferencia entre los rendimientos de ambos MI se reduce a aproximadamente 4%. Fig. 3. Rendimiento de los MI 5,5kW IE1 e IE3 para diferentes condiciones de carga con VUF 0.3% y THD 2.4% Efecto de la subtensión y la sobretensión En la figura 4 se muestra como varía el rendimiento en el MI de eficiencia estándar con tensión nominal, sobretensión y subtensión en función del estado de carga del MI. Además, se observa que la curva de rendimiento con subtensión es mayor a la medida en condiciones industriales mientras que la curva de rendimiento con sobretensión está por debajo de ambas. 5 / 8

6 En la figura 5 se muestra como varía el rendimiento en el MI de eficiencia Premium con tensión nominal, sobretensión y subtensión en función del estado de carga del MI. Además, se observa que la subtensión y la sobretensión producen en este MI un comportamiento similar al de eficiencia estándar. Este comportamiento se puede deber a que el núcleo de ambos MI opera muy cerca de la saturación con la tensión nominal, por lo tanto una disminución en el valor medio de la tensión reduce las pérdidas en el núcleo más de lo que se incrementan las pérdidas en el cobre. Cuando la tensión es superior a la nominal, el núcleo está saturado, haciendo que el factor de potencia se reduzca y las pérdidas aumenten. Comparando las figuras 4 y 5 se puede notar que las variaciones en la tensión media de alimentación modifican el rendimiento del MI de eficiencia estándar en mayor medida que al de eficiencia Premium. Fig. 4. Rendimiento del MI 5,5kW IE1 con subtensión y sobretensión para distintos niveles de carga. Fig. 5. Rendimiento del MI 5,5kW IE3 con subtensión y sobretensión para distintos niveles de carga Efecto del desequilibrio de tensión La figura 6 se muestra cómo varía el rendimiento a plena carga de los MI de eficiencia estándar y de eficiencia Premium a medida que el desequilibrio de tensión es mayor. La relación entre las corrientes de arranque y nominal provistas por el fabricante de ambos MI indican que el MI eficiencia Premium sería el más afectado debido a una menor impedancia a la secuencia negativa. En la figura 6 se ve que el desequilibrio de tensión reduce considerablemente el rendimiento del MI, en especial en los MI de eficiencia Premium. Fig. 6. Efectos del desequilibrio de tensión en el rendimiento de los MI 5,5kW IE1 e IE3 al 100% de carga. 6 / 8

7 5. CONCLUSIÓN En este trabajo se midió el rendimiento de un MI de eficiencia estándar (IE1) y otro de eficiencia Premium (IE3) en condiciones de operación similares a las relevadas en la industria. Se midió también el rendimiento de ambos MI con subtensión, sobretensión y desequilibrio de tensión. Los resultados muestran que en condiciones de alimentación similares a las medidas en la industria (factor de desequilibrio de tensión VUF 0.3% y una distorsión armónica total media de THD 2.4% ) no se pueden obtener los rendimientos de placa del MI. Además, se observa que la diferencia entre los rendimientos medidos en ambos MI en condiciones de operación similares a la industrial es menor que la diferencia de rendimiento entre los datos de placa. Los resultados obtenidos con subtensión muestran un mayor rendimiento en ambos MI que el medido las condiciones industriales. Sin embargo, los rendimientos son menores a los provistos por el fabricante para condiciones ideales. La sobretensión redujo el rendimiento de ambos MI, principalmente el del MI de eficiencia estándar. El desequilibrio en las tensiones de alimentación incrementa las pérdidas totales y reduce el rendimiento incluso cuando la tensión media es menor a la nominal. El MI de eficiencia Premium es el más afectado por el desequilibrio de tensión. 6. TRABAJOS FUTUROS Como trabajo futuro se propone estudiar en detalle el comportamiento de ambos tipos de MI en condiciones de desequilibrio de tensión. Los resultados obtenidos muestran que el desequilibrio en las tensiones de alimentación incrementa considerablemente las pérdidas totales y reduce el rendimiento incluso cuando la tensión media es menor a la nominal. El rendimiento del MI de eficiencia Premium se reduce en mayor medida que el rendimiento del MI de eficiencia estándar para el mismo desequilibrio de tensión, por lo tanto, es interesante realizar estudios que permitan conocer la forma en la que varían las pérdidas del MI con desequilibrio de tensión. A partir de estos estudios se pueden proponer factores de demérito de la potencia de placa para evitar sobrecalentamientos localizados que conduzcan a una reducción de la vida útil del MI. El desequilibrio de tensión produce también pulsaciones en el par a dos veces la frecuencia de alimentación que pueden conducir a problemas en la carga impulsada y generar vibraciones importantes en la carcasa del MI. Por lo tanto, es interesante estudiar cómo se comportan el par y las vibraciones de ambos tipos de MI cuando se alimentan con tensiones desequilibradas. 7 / 8

8 BIBLIOGRAFÍA [1] A. Van Wyk, M. Khan y P. Barendse, Impact of over/under and voltage unbalanced supplies on Energy-Efficient motors, IEEE International Electric Machines & Drives Conference (IEMDC 2011), pp , [2] A. Berset y M. Ogara, Sistemas accionados por motores eléctricos en observación, Saber Como, Instituto Nacional de Tecnología Industrial (INTI), vol. 85, pp. 3, [3] I. Peter, "Induction motors with squirrel cage rotor, with IE2 efficiency level, up to 18.5 kw. methods for increasing the efficiency," 13th International Conference on Optimization of Electrical and Electronic Equipment (OPTIM 2012), pp , [3] H. Magaldi, M. De Luca, C. Carpio, A. Baragatti, C. Burgos, H. Sierralta Sustitución de motor de eficiencia convencional por motor de alta eficiencia en industria textil, International Copper Association Latin America, [4] Commission Regulation (EC) No 640/2009: Implementing Directive 2005/32/EC of the European Parliament and of the Council with regard to ecodesign requirements for electric motors, Julio [5] A. De Almeida, F. Ferreira, y A. Quintino, Technical and economical considerations on super high-efficiency three-phase motors," IEEE/IAS 48th Industrial & Commercial Power Systems Technical Conference (I&CPS), pp [6] A. De Almeida, F. Ferreira, y J. Fong. Standards for Super-Premium Efficiency class for electric motors," Industrial & Commercial Power Systems Technical Conference - Conference Record 2009 IEEE, pp. 1-8,2009. [7] Ministério Do Desenvolvimento, Indústria E Comércio Exterior, Instituto Nacional De Metrologia, Normalização E Qualidade Industrial-Inmetro. Portaria Interministerial No 553, 2005 y Portaria Interministerial No 243, [8] P. Donolo, G. Bossio, y C. de Angelo, Demérito en motores de inducción por armónicos y desequilibrio de tensión XIV Encuentro Regional Iberoamericano de Cigré (XIV ERIAC). Ciudad del Este, Paraguay [9] A. F. Bonelli, A. R. Aoki, M. D. Teixeira, A. L. Langner, W. E. Souza, F. A. Filipini y R. A. Nehls, Panorama do Impacto da Qualidade da Energia Elétrica Aplicada aos Motores das Indústrias do Estado do Estado do Paraná IV Simpósio Brasileiro de Sistemas Elétricos (SBSE 2012). Goiânia, Brasil [10] J. Gómez Calidad de Potencia para Usuarios y Empresas Eléctricas Edigar. Buenos Aires, [11] ANSI-NEMA Standard MG Motors and Generators, National Electrical Manufacturers Association 2003, revisión / 8