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Javier Corts Comin

ANALSIS DE LA CLASE DE RENDIMIENTO DE LOS MOTORES DE INDUCCIN TRIFSICOS A

PARTIR DE LOS DATOS DEL FABRICANTE

TRABAJO DE FIN DE GRADO

Dirigido Luis Guasch Pesquer

Grado en Ingeniera Telemtica

Tarragona

2015

Anlisis de la clase de rendimiento de los motores de induccin trifsicos a partir de los datos del fabricante

2

ndice general

ndice general ............................................................................................................... 2ndice de figuras y grficas .......................................................................................... 4ndice de tablas............................................................................................................. 61 Introduccin ........................................................................................................ 7

1.1 Objetivo ....................................................................................................... 71.2 Antecedentes ................................................................................................ 71.3 Alcance ........................................................................................................ 81.4 Estructura del trabajo ................................................................................... 8

2 Motor de induccin trifsico ............................................................................. 102.1 Introduccin ............................................................................................... 102.2 Constitucin ............................................................................................... 102.3 Circuito equivalente ................................................................................... 11

3 Estimacin de parmetros ................................................................................. 133.1 Mtodos de estimacin de parmetros a partir de datos del fabricante ..... 133.2 Tcnica de Haque....................................................................................... 143.3 Tcnica de Pedra ........................................................................................ 15

4 Clases de rendimiento, normativa IEC60034-30 .............................................. 164.1 Objeto y campo de aplicacin.................................................................... 164.2 Clasificacin del rendimiento .................................................................... 164.3 Clculo del rendimiento nominal mediante interpolacin ......................... 174.4 Lmites nominales...................................................................................... 19

4.4.1 Lmites nominales de rendimiento en % a 50Hz para clasificacin IE1 194.4.2 Lmites nominales de rendimiento en % a 60Hz para clasificacin IE1 214.4.3 Lmites nominales de rendimiento en % a 50Hz para clasificacin IE2 224.4.4 Lmites nominales de rendimiento en % a 60Hz para clasificacin IE2 244.4.5 Lmites nominales de rendimiento en % a 50Hz para clasificacin IE3 254.4.6 Lmites nominales de rendimiento en % a 60Hz para clasificacin IE3 27

5 Muestra de motores seleccionada...................................................................... 295.1 Introduccin ............................................................................................... 295.2 Origen y antecedentes de los datos ............................................................ 295.3 Datos del catlogo utilizados ..................................................................... 30


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6 Anlisis del rendimiento en los motores de la muestra ..................................... 326.1 Anlisis de la clase de rendimiento energtico indicado por el fabricante 326.2 Clculo aproximado del rendimiento a partir de los parmetros estimados ..

................................................................................................................... 326.2.1 Mtodo para el clculo del rendimiento................................................. 336.2.2 Clculo de la clase de rendimiento y comparacin con el valor facilitadopor el fabricante.................................................................................................. 38

7 Anlisis del impacto econmico de la implantacin de motores de alta...............eficiencia ........................................................................................................... 41

7.1 Criterios utilizados para el estudio............................................................. 417.1.1 Clase de servicio del motor .................................................................... 417.1.2 Precio de la energa, tarifa de Alta Tensin utilizada ............................ 43

7.2 Anlisis de cambio de clase IE1 a IE2....................................................... 477.3 Anlisis de cambio de clase IE2 a IE3....................................................... 487.4 Anlisis del cambio de IE1 a IE3............................................................... 49

8 Conclusiones ..................................................................................................... 509 Referencias ........................................................................................................ 52


4

ndice de figuras y grficas

Figura 2.1 Motor de induccin con diferentes tipos de rotor

Figura 2.2 Circuito equivalente del MI en rgimen permanente

Figura 3.1 Circuito equivalente del modelo jaula sencilla del MI

Figura 4.1 Comparacin entre rendimientos para IE1 calculado por interpolacin y

rendimiento por norma

Figura 4.2 Curvas del rendimiento nominal a 60Hz IE1







Figura 5.1 Totalizacin de la cantidad de motores estudiada


Figura 6.2 Circuito equivalente del modelo jaula sencilla del MI con equivalente de

Thevenin

Figura 6.3 Resultado de la tcnica ms efectiva en motores de induccin de jaula

sencilla

Figura 6.4 Anlisis del error en el mtodo de clculo del rendimiento con la tcnica

de Haque

Figura 6.5 Anlisis del error en el mtodo de clculo del rendimiento con la tcnica

de Pedra

Figura 6.6 Resultado de los motores que incumplen la normativa vigente

Figura 6.7 Reparticin de errores en la clasificacin energtica de los motores por

fabricante

Figura 7.1 Funcionamiento del motor de induccin con servicio S1, grficas

extradas de la UNE-EN-60034-1

Figura 7.2 Evolucin del coste de la energa y del rendimiento para una muestra de

motores con potencia de 1,5 kW


motores con potencia de 15 kW


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motores con potencia de 160 kW


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ndice de tablas

Tabla 4.1 Coeficientes de interpolacin para clculo del rendimiento

Tabla 4.2 Valores nominales del rendimiento mediante interpolacin

Tabla 4.3 Lmites nominales del rendimiento 50Hz IE1






Tabla 7.1 Comparacin de un mismo motor con clasificacin IE1 a IE2 de 2 polos










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1 Introduccin

1.1 ObjetivoEn un inicio, parte de este proyecto iba a formar parte de una colaboracin con una

gran empresa qumica del sector industrial de Tarragona, pero debido a unos cambios ynuevos objetivos, se replante toda la estructura. Manteniendo una pequea colaboracincon la empresa inicial ya que algunos datos han sido facilitados por la misma.

La finalidad de este proyecto de final de grado es el anlisis especfico de la clase derendimiento que ofrece el fabricante de motores de induccin y una posterior estimacin deparmetros con dos tcnicas distintas. Dicho anlisis, siempre es realizado en base amotores de induccin trifsicos de baja tensin. Los datos correspondientes a estosmotores han sido extrados a partir de los catlogos comerciales de los diferentesfabricantes, a partir de los cuales posteriormente se ha estimado dicho rendimiento.

En cuanto a la clase de rendimiento analizado, se ha trabajado siempre bajo lanormativa vigente aplicable en Espaa, la UNE-EN 60034-30 [1]. Dicha normativaafecta a las mquinas elctricas rotativas, donde la seccin 30 est enfocada a las clases derendimiento para los motores trifsicos de induccin de jaula de velocidad nica con surespectivo cdigo IE.

1.2 AntecedentesLa base de datos utilizada en este trabajo fue realizada por el Sr. Manuel Cereijo

Neira en su Proyecto Final de Carrera: Mtodo para la estimacin del momento deinercia de mquinas de induccin trifsicas a partir de su peso y altura de eje presentadoen septiembre del ao 2011.

Posteriormente la misma base de datos se utiliz para un nuevo estudio por el Sr.Bartomeu Angulo Salonen en su Trabajo Final de Grado: Clculo y anlisis de losparmetros elctricos de un conjunto de motores de induccin, presentado en septiembredel ao 2013.

En este trabajo se aade una nueva tcnica de estimacin de parmetros elctricos,respecto al del Sr. Angulo, y a partir de dichos parmetros se estima el rendimiento delmotor. Adems, tambin se comprueba que la informacin facilitada por el fabricantesobre el rendimiento de cada uno de los motores de la base de datos, se corresponda con lanorma UNE-EN 60034-30 [1], y se compara el valor del fabricante con el valorestimado.


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1.3 AlcanceEl anlisis consta de diversas etapas:

- Adaptacin de la base de datos existente a los requerimientos del trabajo.- Estimacin de parmetros a partir de los datos del fabricante a partir de dos

tcnicas: Haque y Pedra.- Estimacin del rendimiento de los motores de la base de datos.- Comprobacin de que la clase de rendimiento facilitada por el fabricante sea

correcta.- Comparacin y clasificacin de los motores segn su rendimiento.- Anlisis econmico de las clases de rendimiento.

1.4 Estructura del trabajoEl Anlisis de la clase de rendimiento de los motores de induccin trifsicos a

partir de los datos del fabricante es el resultado de una compilacin de datos dados porlos diferentes fabricantes de motores de induccin trifsicos de baja tensin. Estacompilacin ha sido plasmada en una base de datos manipulada mediante una hoja declculo.

Esta base de datos ha sido ampliada siendo reutilizados algunos de los parmetros yainsertados por el autor. El resultado del anlisis ha sido un listado total de 1532 motores,correspondientes a 7 fabricantes diferentes. Esta base de datos ha sido modificada siemprebajo valores normalizados en la norma UNE-EN 60034-30 [1].

El anlisis consta de 7 partes en total, en las cuales en cada una se explicar unospuntos en concreto con la finalidad de poder entender de una manera ms sencilla elobjetivo de este anlisis.

En la primera parte se hace una introduccin al motor de induccin trifsico,as pues se explica su constitucin y caractersticas ms fundamentales paraentender su funcionamiento. De esta manera se entrar en detalle en elmodelo de motor de induccin trifsico analizado, en concreto ser el dejaula sencilla.

En la segunda parte se explican las dos tcnicas utilizadas en la estimacin deparmetros, ambas a partir de los datos del fabricante.

En la tercera parte se detalla la norma que le da la forma a este anlisis, lanorma UNE-EN 60034-30[1]. En cuanto a la clasificacin de losrendimientos, el clculo del rendimiento nominal mediante una interpolaciny el conocimiento de los lmites nominales de los rendimientos para cada tipode clasificacin energtica. Este punto se ha realizado para que no seanecesario buscar la norma para tener los valores y as pues plasmarlos sobrepapel.

En la cuarta parte se entra en detalle en la base de datos de motores,indicando: fabricantes, datos utilizados, su origen y antecedentes de losmismos.


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En la quinta parte se analiza el rendimiento tras un filtrado previo del listadode motores, cumpliendo de esta manera la normativa vigente. En esta parte sedemuestra que el rendimiento ofrecido por el fabricante tiene su clasificacinenergtica correcta o no. Dentro de esta parte se realiza un clculo delrendimiento mediante los parmetros estimados y posteriormente secomparar con el valor del fabricante, analizando cul de las dos tcnicasutilizadas da mayor fiabilidad.

En la sexta parte se analiza qu impacto econmico causa la implantacin demotores de alta eficiencia respecto a los motores de eficiencia normal. Dondese analizar su coste anual bajo una tarifa concreta. Dentro de esta parte semostrar lo que conlleva cambiar un motor de induccin trifsico deeficiencia normal a alta eficiencia.

En la sptima parte se explicarn qu conclusiones se han extrado de esteanlisis.


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2 Motor de induccin trifsico

2.1 IntroduccinEl motor de induccin trifsico es el tipo de maquina elctrica rotativa ms utilizada

dentro del mbito industrial. Son motores asncronos, o que es lo mismo, motores quetrabajan a velocidades distintas a la de sincronismo. El uso de este tipo de motores se haincrementado de manera exponencial con el paso de los aos, hasta copar la inmensamayora de aplicaciones industriales, ya que es una mquina elctrica que tiene un bajocoste respecto a otras del sector industrial y adems, su mantenimiento es mucho menor yeconmico cuando el modelo sea de jaula de ardilla.

Se estima que el 50% de la energa elctrica consumida a nivel mundial, va a cargode los motores de induccin trifsicos, as entonces verificando la teora que es el tipo demotor ms utilizado dentro de la industria contempornea.

Una de las caractersticas ms importantes de los motores de induccin trifsicos sonlos altos niveles de eficiencia que ofrecen, donde gracias a estos valores, dichos motores seestn implantando cada vez con ms solvencia en las energas renovables como porejemplo, en aerogeneradores.

2.2 ConstitucinEl motor de induccin trifsico est formado como la gran mayora de mquinas

rotativas por un rotor y un estator. La parte en movimiento o rotor, puede ser rotor de jaulade ardilla o rotor de anillos.

Figura 2.1 Motor de induccin con diferentes tipos de rotor

En este anlisis se utilizan slo el modelo de jaula de ardilla, tal y como se hamostrado en la figura 2.1. El funcionamiento de este tipo de motor, es en base a unmovimiento de una masa metlica por el efecto de un campo magntico. En el estator sesita el inductor, el cual est alimentado por la red elctrica y por consiguiente, el rotor esla parte inducida giratoria.


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Como se observa en la figura 2.1, el estator est formado por un conjunto de chapasde acero donde se sita un devanado trifsico desfasado 120 grados con la finalidad deproducir un flujo magntico giratorio. Este devanado trifsico es alimentado por una redtrifsica equilibrada. Las corrientes que circulan por el estator generan un campomagntico que gira a la velocidad de sincronismo, y ste acaba induciendo tensiones,corrientes y par en el rotor.

As pues, debido a este campo magntico generado por el estator, el rotor girafsicamente a una velocidad cercana a la de sincronismo y dependiendo si el par de carga onecesidades de potencia se incrementan, esta velocidad se ve reducida.

2.3 Circuito equivalenteEl motor de induccin tiene un modelo matemtico que puede ser representado por

un circuito equivalente. Este modelo matemtico permite analizar su comportamientodinmico, tanto de las variables elctricas como mecnicas.

Como el motor es geomtricamente simtrico y se ha de alimentar mediante unafuente de tensin equilibrada, se puede con un nico circuito equivalente por fase, como elmostrado en la Figura 2.2.

Figura 2.2 Circuito equivalente del MI en rgimen permanente

En el circuito equivalente de la figura 2.2, el estator est modelado mediante unaresistencia Rs y una reactancia Xs. Esta Rs corresponde a la resistencia hmica deldevanado del estator y Xs es la reactancia de dispersin del mismo.

As mismo, el circuito magntico est formado por una asociacin en paralelo de unaresistencia denominada Rc y una reactancia Xm. Esta reactancia Xm corresponde auna reactancia magnetizante, y la Rc corresponde a una resistencia hmica del circuitomagntico, la cual suele ser despreciada en algunos trabajos.


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De la misma manera, el rotor est formado por una asociacin de una reactancia yuna resistencia. La reactancia del rotor ser Xr y la resistencia Rr donde ambastendrn que estar referidas al estator. Como se puede observar, en la resistencia del rotorjuega el papel el deslizamiento, s, y est definido como la diferencia entre la velocidadde sincronismo y la velocidad de funcionamiento. El deslizamiento s siempre expresadoen valores pu. As, aclarando que el deslizamiento es una de las variables msimportantes de la mquina de induccin. Y se calcula:

= (2.1)Cada uno de los parmetros anteriormente nombrados, ser calculado ms adelante

mediante dos mtodos diferentes para llegar al objetivo de este anlisis de los rendimientosde los motores de induccin segn los datos del fabricante.


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3 Estimacin de parmetros

3.1 Mtodos de estimacin de parmetros a partir de datos del fabricantePara el anlisis del motor de induccin trifsico se ha utilizado el modelo de jaula

sencilla. Existen una gran cantidad de mtodos de clculo de parmetros mediantealgoritmos que a su vez, ninguno de los mtodos acaba de demostrar su efectividad.

En este estudio, se han dejado de lado los algoritmos y se han usado dos tcnicasdonde a posteriori se ha analizado el error de las mismas. Con la finalidad de indicar culde las dos es ms viable en cuanto al clculo del rendimiento mediante parmetrosestimados.

Se ha partido del circuito equivalente de la figura 3.1 tal y como muestra la imagen:


En el circuito equivalente se puede observar los parmetros a estimar, los del estator,los del rotor y el del circuito magntico.

Los parmetros han sido estimados mediante las tcnicas de Haque y Pedraformuladas en el documento Anlisis del clculo directo de los parmetros del circuitoequivalente en una amplia muestra de motores de induccin trifsicos L.Guasch,F.Gonzalez, A.A.Jaramillo, L.Youb y J.A.Barrado [3].

Las dos tcnicas son aplicadas a los 1532 motores de la base de datos de este estudioy se han analizado el error de las mismas. As pues, amplindola con un aadido de 10columnas ms a las existentes.


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3.2 Tcnica de HaqueEsta tcnica desarrollada por M. H. Haque es una tcnica desarrollada para buscar

variantes ms exactas para determinar los parmetros del circuito equivalente del motor deinduccin modelo de jaula sencilla con parmetros constantes. Es un mtodo que no sebasa en ensayos, si no que usa ecuaciones mediante anlisis empricos con multitud deiteraciones con tal de aportar la mayor precisin que se pueda. Las ecuaciones definidas enla tcnica de Haque y las que se han utilizado en este estudio son:

Rr: Resistencia del rotor donde: = (3.1) Rs: Resistencia del estator donde R adopta el valor de 2,5 ya que ante las 3

opciones posibles, la elegida es 2,5 ya que es la que presenta menos erroresen los resultados: = (3.2)

Xsd: Inductancia del estator donde:= , = , (3.3) Xrd: Inductancia del rotor donde:= (3.4) Xm: Inductancia de magnetizacin donde:= , = , (3.5)


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3.3 Tcnica de PedraEste mtodo desarrollado por J.Pedra se basa en una bsqueda de una serie de

ecuaciones que, al igual que la tcnica de Haque, se estimen los parmetros de un motor deinduccin trifsico de baja tensin. En este caso no se entra en la forma que en J.Pedraobtuvo las frmulas de estimacin, ya que no es el objetivo de este estudio y acontinuacin se muestran las ecuaciones establecidas por J.Pedra:

Rr: La resistencia del rotor que se calcula:= = (3.6) Rs: La resistencia del estator que se calcula:= = 1,5 (3.7) Xm: La inductancia de magnetizacin que se calcula:= = (3.8) Xsd: La inductancia del estator que se calcula:= 0,05 (3.9) Xrd: La inductancia del rotor que se calcula:= = 0,5 (3.10)


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4 Clases de rendimiento, normativa IEC60034-30

4.1 Objeto y campo de aplicacinLa base de este anlisis, a parte de la base de datos, es la normativa. La normativa

vigente en cuanto al anlisis del rendimiento de los motores de induccin de baja tensines la UNE EN 60034-30[1].

Esta norma fue aprobada por CENELEC[2] en el ao 2009. Esta organizacin estformada por comits electrotcnicos de normalizacin y es la que afecta a las mquinasrotativas. Concretamente, dentro de las mquinas rotativas afecta a los motores incluidosen este anlisis de rendimientos, en concreto los motores de induccin trifsicos de bajatensin.

Las condiciones para que esta normativa sea aplicable son:

Tensin asignada inferior a 1000V, por lo tanto que sean de baja tensin. La potencia nominal del motor de induccin debe ser como mnimo de

0,75 kW hasta un mximo de 375 kW por motor. Los motores han de ser de 2, 4 o 6 polos. Estn asignados para un ciclo de servicio tipo S1, servicio continuo o S3,

servicio peridico intermitente.Por lo tanto, el anlisis realizado en este trabajo final de grado est filtrado por los

puntos anteriormente nombrados.

4.2 Clasificacin del rendimientoEl rendimiento va asignado a una potencia nominal, nmero de polos y a un valor

eficaz y frecuencia de la tensin determinadas.

El rendimiento asignado por norma a cada motor debe ir impreso en su placa decaractersticas y a su vez, especificado dentro de los papeles de la mquina, debe iradjuntado los valores del rendimiento posibles y sus cdigos IE asociados.

El rendimiento siempre es a plena carga. Cuando se ensaya a una tensin yfrecuencia, el rendimiento no debe ser menor que el rendimiento asignado.

La designacin de la clase de rendimiento energtico es el cdigo IE que significaInternational energy-efficiency class. Seguida de un nmero que es el valor quedeterminar la clasificacin de su rendimiento. Estos nmeros pueden ser:

1: Para una clasificacin IE del rendimiento estndar, con el cdigo IE1. 2: Para una clasificacin IE del rendimiento alto, con el cdigo IE2. 3: Para una clasificacin IE del rendimiento premium, con el cdigo IE3.

Cabe decir que tambin se nombran los motores IE4 con rendimiento sperpremium, pero es un tipo de eficiencia que se encuentra en estudio a pesar de que yaexisten motores con dicha clasificacin energtica del rendimiento y no ha sidoincluida en este estudio.


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4.3 Clculo del rendimiento nominal mediante interpolacinExiste un mtodo para calcular el rendimiento nominal de los motores de induccin

trifsicos de baja tensin mediante su potencia nominal y pares de polos. Este mtodo esaplicable slo para motores de con frecuencia de 50 Hz y una potencia entre 0,75 kW y200 kW.

La frmula es calculada mediante unos coeficientes de interpolacin y ofrece valorestotalmente exactos de los rendimientos a analizar para su posterior clasificacin energtica.

Puede aplicarse la siguiente frmula para calcular el lmite del rendimiento:= + + + (4.1)Como se puede observar, la frmula anterior depende de unos coeficientes A, B, C y

D. Estos coeficientes son los coeficientes de interpolacin que se utilizan en funcin delnmero de polos y la potencia nominal escogida con el lmite mximo de 200kiloWattios okW. A continuacin, se muestra los valores de los coeficientes de interpolacin:

Cdigo IE Coeficientes50Hz hasta 200kiloWattios o kW

2 polos 4 polos 6 polos

IE1

A 0,5234 0,5234 0,0786

B -5,0499 -5,0499 -3,5838

C 17,4180 17,4180 17,2918

D 74,3171 74,3171 72,2383

IE2

A 0,2972 0,0278 0,0148

B -3,3454 -1,9247 -2,4978

C 13,0651 10,4395 13,2470

D 79,077 80,9761 77,5603

IE3

A 0,3569 0,0773 0,1252

B -3,3076 -1,8951 -2,613

C 11,6108 9,2984 11,9963

D 82,2503 83,7025 80,4769Tabla 4.1 Coeficientes de interpolacin para clculo del rendimiento


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Mediante la frmula anterior, se ha aplicado para cada uno de los valoresnormalizados de potencia y para cada cantidad de nmero de polos. Y se ha obtenido lasiguiente tabla:

IE1 2p IE1 4p IE1 6p IE2 2p IE2 4p IE2 6p IE3 2p IE3 4p IE3 6p0,75kW 72,06107 72,06107 70,02179 77,39186 79,6417 75,86622 80,74733 82,51104 78,937071,1 kW 75,02946 75,02946 72,94792 79,61209 81,40492 78,10435 82,72526 84,08414 80,968991,5 kW 77,23053 77,23053 75,17254 81,27554 82,75488 79,81561 84,19425 85,28153 82,5092,2 kW 79,71032 79,71032 77,74235 83,17046 84,32626 81,80409 85,8526 86,66738 84,28335

3 kW 81,53486 81,53486 79,68129 84,58135 85,52188 83,31372 87,07587 87,71595 85,619354 kW 83,08754 83,08754 81,36711 85,7952 86,56971 84,63363 88,11966 88,63064 86,77956

5,5 kW 84,65711 84,65711 83,10799 87,03679 87,6614 86,00475 89,17832 89,57928 87,977047,5 kW 86,04276 86,04276 84,67812 88,14722 88,65613 87,24951 90,11687 90,43983 89,0574311 kW 87,57059 87,57059 86,448 89,39047 89,79178 88,66348 91,15769 91,41785 90,2773615 kW 88,66873 88,66873 87,74582 90,2989 90,6369 89,70912 91,91121 92,14273 91,17504

18,5 kW 89,34493 89,34493 88,55532 90,86566 91,17077 90,36586 92,37828 92,59945 91,7372622 kW 89,8652 89,8652 89,18299 91,30613 91,58908 90,8779 92,73968 92,95673 92,17530 kW 90,71416 90,71416 90,21426 92,0343 92,28663 91,72551 93,33431 93,5516 92,8991337 kW 91,23159 91,23159 90,84498 92,4847 92,72122 92,24861 93,70056 93,92185 93,3463345 kW 91,67575 91,67575 91,38554 92,87591 93,1 92,70051 94,018 94,24448 93,7334255 kW 92,09429 92,09429 91,89179 93,24889 93,46151 93,12741 94,32037 94,55256 94,1003675 kW 92,67269 92,67269 92,57953 93,7722 93,96711 93,7149 94,74506 94,98427 94,6091490 kW 92,97654 92,97654 92,93053 94,05119 94,23434 94,01935 94,97236 95,21324 94,87578

110 kW 93,28231 93,28231 93,2716 94,33507 94,50294 94,31949 95,20496 95,44436 95,14203132 kW 93,53577 93,53577 93,54061 94,57286 94,72387 94,56048 95,40148 95,63562 95,35961160 kW 93,77985 93,77985 93,78253 94,80401 94,93322 94,78208 95,59476 95,81834 95,56449200 kW 94,0353 94,0353 94,00958 95,04806 95,14562 94,99716 95,80246 96,00611 95,77095

Tabla 4.2 Valores nominales del rendimiento mediante interpolacin

Como se puede apreciar, se muestran unos valores de rendimientos (en %) muyexactos hasta con 5 decimales. En el punto siguiente, se demuestra que los valoresobtenidos por frmula y los valores fijados por la norma UNE-EN 60034-30[1] sonprcticamente idnticos (idnticos cuando se toma el mismo nmero de decimales).


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4.4 Lmites nominalesLos lmites nominales establecidos en UNE-EN 60034-30[1] son valores para

frecuencias de 50 o 60 Hz, y un rango de potencias mayor al del rango de potencias usadaspara calcular el rendimiento mediante la interpolacin. Cabe recalcar que en este anlisisse trabaja siempre bajo valores normalizados de potencias, establecidas en lanormativa vigente aplicable.

A continuacin se muestran los lmites nominales del rendimiento para cadafrecuencia y potencia.

4.4.1 Lmites nominales de rendimiento en % a 50Hz para clasificacin IE1Potencia en kW 2 polos 4 polos 6 polos

0,75 72,1 72,1 70

1,1 75 75 72,9

1,5 77,2 77,2 75,2

2,2 79,7 79,7 77,7

3 81,5 81,5 79,7

4 83,1 83,1 81,4

5,5 84,7 84,7 83,1

7,5 86 86 84,7

11 87,6 87,6 86,4

15 88,7 88,7 87,7

18,5 89,3 89,3 88,6

22 89,9 89,9 89,2

30 90,7 90,7 90,2

37 91,2 91,2 90,8

45 91,7 91,7 91,4

55 92,1 92,1 91,9

75 92,7 92,7 92,6

90 93 93 92,9

110 93,3 93,3 93,3

132 93,5 93,5 93,5

160 93,8 93,8 93,8

200 hasta 375 94 94 94Tabla 4.3 Lmites nominales del rendimiento 50Hz IE1


20

Como se puede observar, las diferencias de rendimiento entre potencias son mnimasy a continuacin se muestra una grfica donde se aprecia la mnima diferencia que existeen tomar un de rendimiento valor ya definido por tabla o un valor de rendimiento calculadopor frmula mediante interpolacin:

Figura 4.1 Comparacin entre rendimientos para IE1 calculado por interpolacin y rendimiento por norma.

Se aprecia que apenas hay diferencia entre los valores de rendimiento calculados porinterpolacin y los valores del rendimiento establecidos por tabla en la norma UNE-EN60034-30[1]. Los valores con nombre INT son los rendimientos calculados con lafrmula 3.1 y los valores con el nombre TAB son los rendimientos estipulados pornorma en forma de tabla ya definida.

70

75

80

85

90

95

0 50 100 150 200

IE1 2p INT

IE1 4p INT

IE1 6p INT

IE1 2p TAB

IE1 4p TAB

IE1 6p TAB


21


0,75 77 78 73

1,1 78,5 79 75

1,5 81 81,5 77

2,2 81,5 83 78,5

3,7 84,5 85 83,5

5,5 86 87 85

7,5 87,5 87,5 86

11 87,5 88,5 89

15 88,5 89,5 89,5

18,5 89,5 90,5 90,2

22 89,5 91 91

30 90,2 91,7 91,7

37 91,5 92,4 91,7

45 91,7 93 91,7

55 92,4 93 92,7

75 93 93,2 93

90 93 93,,2 93

110 93 93,5 94,1

150 94,1 94,5 94,1

185 hasta 375 94,1 94,5 94,1Tabla 4.4 Lmites nominales del rendimiento 60Hz IE1

En este caso los valores de la tabla establecidos en la norma UNE-EN 60034-30[1]no pueden ser comparados con los valores de la frmula, ya que la frmula como bienantes se ha comentado, slo es aplicable para frecuencias de 50Hz.


22

A continuacin se muestra la curva de rendimientos correspondientes al cdigo IE1para 60Hz:



0,75 77,4 79,6 75,9

1,1 79,6 81,4 78,1

1,5 81,3 82,8 79,8

2,2 83,2 84,3 81,8

3 84,6 85,5 83,3

4 85,8 86,6 84,6

5,5 87 87,7 87,2

7,5 88,1 88,7 87,2

11 89,4 89,8 88,7

15 90,3 90,6 89,7

18,5 90,9 91,2 90,4

22 91,3 91,6 90,9

30 92 92,3 91,7

76

78

80

82

84

86

88

90

92

94

0 50 100 150

IE1 2p TAB

IE1 4p TAB

IE1 6p TAB


23

37 92,5 92,7 92,2

45 92,9 93,1 92,7

55 93,2 93,5 93,1

75 93,8 94 93,7

90 94,1 94,2 94

110 94,3 94,5 94,3

132 94,6 94,7 94,6

160 94,8 94,9 94,8

200 hasta 375 95 95,1 95Tabla 4.5 Lmites nominales del rendimiento 50Hz IE2



Con similitud al punto 3.4.1, no existe variacin entre las curvas de rendimientomediante el mtodo de clculo por interpolacin y los rendimientos establecidos por tablaen la normativa. Como se aprecia en la figura anterior, las curvas coinciden en todos suspuntos.

77

79

81

83

85

87

89

91

93

95

0 50 100 150 200

IE2 2p INT

IE2 4p INT

IE2 6p INT

IE2 2p TAB

IE2 2p TAB

IE2 6p TAB


24


0,75 75,5 82,5 80

1,1 82,5 84 85,5

1,5 84 84 86,5

2,2 85,5 87,5 87,5

3,7 87,5 87,5 87,5

5,5 88,5 89,5 89,5

7,5 89,5 89,5 89,5

11 90,2 91 90,2

15 90,2 91 90,2

18,5 91 92,4 91,7

22 91 92,4 91,7

30 91,7 93 93

37 92,4 93 93

45 93 93,6 93,6

55 93 94,1 93,6

75 93,6 94,5 94,1

90 94,5 94,5 94,1

110 94,5 95 95

150 95 95 95

185 hasta 375 95,4 95,4 95Tabla 4.6 Lmites nominales del rendimiento 60Hz IE2



25




0,75 80,7 82,5 78,9

1,1 82,7 84,1 81

1,5 84,2 85,3 82,5

2,2 85,9 86,7 84,3

3 87,1 87,7 85,6

4 88,1 88,6 86,8

5,5 89,2 89,6 88

7,5 90,1 90,4 89,1

11 91,2 91,4 90,3

15 91,9 92,1 91,2

18,5 92,4 92,6 91,7

22 92,7 93 92,2

30 93,3 93,6 92,9

75

80

85

90

95

0 50 100 150 200

IE2 2p TAB

IE2 4p TAB

IE2 6p TAB


26

37 93,7 93,9 93,3

45 94 94,2 93,7

55 94,3 94,6 94,1

75 94,7 95 94,6

90 95 95,2 94,9

110 95,2 95,4 95,1

132 95,4 95,6 95,4

160 95,6 95,8 95,6

200 hasta 375 95,8 96 95,8Tabla 4.7 Lmites nominales del rendimiento 50Hz IE3



No existe variacin entre las curvas de rendimiento mediante el mtodo de clculopor interpolacin y los rendimientos establecidos por tabla en la normativa, estnsuperpuestas una con la otra.

78

80

82

84

86

88

90

92

94

96

0 50 100 150 200

IE3 2p INT

IE3 4p INT

IE3 6p INT

IE3 2p TAB

IE3 2p TAB

IE3 6p TAB


27


0,75 77 85,5 82,5

1,1 84 86,5 87,5

1,5 85,5 86,5 88,5

2,2 86,5 89,5 89,5

3,7 88,5 89,5 89,5

5,5 89,5 91,7 91

7,5 90,2 91,7 91

11 91 92,4 91,7

15 91 93 91,7

18,5 91,7 93,6 93

22 91,7 93,6 93

30 92,4 94,1 94,1

37 93 94,5 94,1

45 93,6 95 94,5

55 93,6 95,4 94,5

75 94,1 95,4 95

90 95 95,4 95

110 95 95,8 95,8

150 95,4 96,2 95,8

185 hasta 375 95,8 96,2 95,8Tabla 4.8 Lmites nominales del rendimiento 60Hz IE3


28




77

79

81

83

85

87

89

91

93

95

97

0 50 100 150 200

IE3 2p TAB

IE3 4p TAB

IE3 6p TAB


29

5 Muestra de motores seleccionada

5.1 IntroduccinLa finalidad del estudio es demostrar si el nivel de eficiencia energtica ofrecido en

catlogo por el fabricante corresponde a los valores lmite de la norma y si a su vez, elfabricante cumple con la normativa. A posteriori, se realiza un clculo del rendimientomediante dos tcnicas de estimacin de parmetros diferentes que son obtenidos a travsde los datos facilitados por el fabricante. Por otro lado, se analiza el coste que tiene cadamotor durante un periodo de tiempo y si realmente es rentable la mejora de la eficienciaenergtica teniendo en cuenta el coste del nuevo motor y sus niveles de consumo.

Se ha trabajado con 7 fabricantes diferentes para conseguir un total de 1532 motores.

5.2 Origen y antecedentes de los datosLa base de datos utilizada en este trabajo fue realizada por el Sr. Manuel Cereijo

Neira en su Proyecto Final de Carrera: Mtodo para la estimacin del momento deinercia de mquinas de induccin trifsicas a partir de su peso y altura de eje presentadoen septiembre del ao 2011.

Posteriormente la misma base de datos se utiliz para un nuevo estudio por el Sr.Bartomeu Angulo Salonen en su Trabajo Final de Grado: Clculo y anlisis de losparmetros elctricos de un conjunto de motores de induccin, presentado en septiembredel ao 2013.

En este trabajo se aade una nueva tcnica de estimacin de parmetros elctricos,respecto al del Sr. Angulo, y a partir de dichos parmetros se estima el rendimiento delmotor. Por consiguiente se hizo un filtrado de datos de fabricante con tal de menguar elnmero de columnas de la base de datos.

En la fase de organizacin de la informacin, la base de datos contena 22 columnasde las cuales solo se necesitaban 12 para realizar este estudio. Por lo tanto se realiz unfiltrado de las columnas para as disminuir la cantidad de informacin a la realmentenecesaria.


30

5.3 Datos del catlogo utilizadosComo bien se ha dicho en el punto anterior, se realiz un filtrado de las columnas

existentes en la base de datos realizada por el compaero de facultad. Se pas de tener 22columnas a tener slo 12 para as partir de esa base con tal de aumentar las columnas pararealizar este estudio.

Se realiz una ampliacin del nmero de datos para llegar a un final de 55 columnasy un total de 1533 lneas.

Los datos del catlogo utilizados como base de este estudio han sido:

Nombre del fabricante La referencia del motor La potencia nominal en kW La velocidad de sincronismo El sincronismo La velocidad nominal Nmero de polos en formato numrico La intensidad nominal Conexionado estrella o tringulo Tensin de alimentacin Frecuencia Factor de potencia

A estos datos que forman la base del estudio, se le han aadido un total de 43 datosextra con tal de poder llegar al final de la investigacin, que sern explicados en los puntosque van a continuacin.


31

Como bien se ha dicho lneas atrs, se ha trabajado con 7 fabricantes diferentes condistintas cantidades de motores que forman el siguiente grfico:

Figura 5.1 Totalizacin de la cantidad de motores estudiada

La cantidad total de motores asciende a 1532, en un rango de potencias de 0,75kWhasta 375kW, que se dividen por fabricantes en:

CMG: 44 motores ABB: 368 motores SIEMENS: 339 motores LEROY SOMER: 233 motores MARELLI: 137 motores ROSSI: 104 motores WEG: 307 motores

ABB

SIEMENS

WEG

LEROY SOMER

MARELLI

ROSSI

CMG


32

6 Anlisis del rendimiento en los motores de la muestra

6.1 Anlisis de la clase de rendimiento energtico indicado por el fabricanteEn este estudio realizado como trabajo final de grado, se ha comprobado si realmente

el rendimiento ofrecido por el fabricante en el catlogo corresponde con la normativavigente y a su vez, si es respetada o no.

En esta parte del proyecto, se insert una columna nueva a la base de datos yamodificada. En esta columna nueva, se iba a mostrar la clasificacin energtica delrendimiento de cada motor y de cada fabricante.

La base de datos antigua esta columna era inexistente, por lo cual se insert uno poruno el valor de calificacin energtica del rendimiento de cada motor. Para realizar dichatarea, se us los mismos catlogos que en la base de datos de origen y dichos valoresfueron aadidos.

Cabe recalcar, que referente a los 1532 motores, se han incluido a los motores que nocumplan la norma. Los que no alcanzaban el valor mnimo de rendimiento para tenercalificacin energtica, cumpliendo la normativa vigente.

6.2 Clculo aproximado del rendimiento a partir de los parmetros estimadosGracias al documento Anlisis del clculo directo de los parmetros del circuito

equivalente en una amplia muestra de motores de induccin trifsicos por L.Guasch,F.Gonzalez, A.A.Jaramillo, L.Youb y J.A.Barrado[4] se ha podido examinar las dostcnicas a utilizar: Pedra y Haque. Con tal de poder realizar el clculo aproximado delrendimiento.

Habiendo ya incluido la calificacin energtica de los motores segn el catlogo, laotra parte de este estudio consta del clculo del rendimiento aproximado mediante losparmetros estimados usando las dos tcnicas, concretadas en el punto 5.2 y 5.3 de esteproyecto. Teniendo dos rendimientos distintos, se ha analizado el error de todos ellos y seha definido qu tcnica es la ms efectiva de las dos.

A posteriori, se ha realizado un seguimiento de la clase de rendimiento de cada motorcomparndolo con la clasificacin energtica fijada por el fabricante. Usando el valor depotencia normalizada de cada motor, su frecuencia y su nmero de polos con la finalidadde fijar los lmites nominales de cada clasificacin energtica. Que mediantecomparaciones, se ha contrastado la calificacin energtica de cada motor facilitada por elfabricante con la clasificacin energtica definida por potencia, nmero de polos yfrecuencia de cada uno. Y a su vez, demostrando si el fabricante ha cometido un error o no.

Con esto, se han aadido un total de 25 columnas ms a la base de datos con tal dehacer posible este proyecto.


33

6.2.1 Mtodo para el clculo del rendimientoPara poder calcular el rendimiento, se necesitan unos valores extra a los parmetros

estimados calculados en el punto 5.2 y 5.3 de este proyecto. En el clculo del rendimientoen el modelo del motor de induccin de jaula sencilla, se han despreciado las prdidasen el circuito magntico y las prdidas mecnicas, siendo as ms sencilla la expresinfinal.

Dado que se aplican dos tcnicas para estimar parmetros, se llega a dos valores derendimiento distintos.

Partiendo de la base del modelo de jaula sencilla en un motor de induccin:


Con los valores de los parmetros estimados ya calculados con las dos tcnicas dePedra y de Haque, se necesita calcular los valores de Is y Ir. Is es la corriente quecircula en el estator y Ir es la corriente que circula en el rotor. Como se calcula con dostcnicas distintas, tendremos un total de 4 intensidades para usar en la frmula delrendimiento.

Para calcular la corriente circulante en el rotor, Ir, es necesario realizar unequivalente de Thevenin en el circuito equivalente del modelo de jaula sencilla. Resultandoas:

Figura 6.2 Circuito equivalente del modelo jaula sencilla del MI con equivalente de Thevenin


34

Donde existen dos nuevos parmetros a calcular, Zth y Vth: Zth: Es la impedancia resultante del equivalente de Thevenin, que se calcula:Zth = ( )( ) (6.1) Vth: Es la tensin resultante de hacer el equivalente de Thevenin, donde:Vth = ( ) (6.2)

Realizando el equivalente de Thevenin, se han calculado 4 valores ms ya que usanen las dos tcnicas.

Por consiguiente, para calcular los valores de las corrientes en el rotor y en el estator,son necesarios los valores de las expresiones nombradas en el prrafo anterior. Donde lasexpresiones para calcular dichas corrientes son:

Ir: Corriente que circula en el rotor, donde se calcula:= | |( ) (6.3) Is: Corriente del estator, que se calcula:= ( ) ( ) (6.4)

Como bien se ha recalcado anteriormente, estos clculos han sido extrados deAnlisis del clculo directo de los parmetros del circuito equivalente en una ampliamuestra de motores de induccin trifsicos por L.Guasch, F.Gonzalez, A.A.Jaramillo,L.Youb y J.A.Barrado[3].

Teniendo as todos los valores necesarios para poder realizar la estimacin delrendimiento, mediante el documento Parameters calculation of single and double cagemodels for induction motors from manufacturer data por L.Guasch, F.Gonzalez,A.A.Jaramillo, L.Youb y J.A.Barrado[4] se ha podido obtener la frmula de laestimacin del rendimiento en el modelo de jaula sencilla, donde el rendimiento en % secalcula: = 100 (6.5)

As pues, al calcular el rendimiento estimado, se calculan dos rendimientos distintos.Un rendimiento con los parmetros estimados de la tcnica de Haque y otro rendimientodistinto obtenido mediante los parmetros estimados resultantes de la tcnica de Pedra.Realizando as una ampliacin de la base de datos de unas 19 columnas, con tal de alcanzarlos objetivos de este estudio.

Se ha analizado los dos tipos de rendimiento, uno por cada tcnica de clculo, y se hallegado a una serie de conclusiones. Se ha comparado el valor del rendimiento del motorque viene estipulado en el catlogo del fabricante con el valor de los rendimientosestimados con las dos tcnicas, realizando as el error de cada una. El objetivo de analizar


35

este error es para aclarar cul de las dos tcnicas es ms precisa. Donde se ha obtenido quepara el total de 1532 motores de la muestra:

316 de 1532 son los motores han presentado menor error con la tcnica deHaque.

1216 de 1532 son los motores que han presentado menor error mediante latcnica de Pedra.

Estos resultados se muestran grficamente en la Figura 6.3:

Figura 6.3 Resultado de la tcnica ms efectiva en motores de induccin de jaula sencilla

Se puede apreciar que la tcnica ms fiable y ms efectiva para calcular elrendimiento mediante parmetros estimados es la tcnica de Pedra, que presentamenor margen de error respecto al rendimiento fijado por el fabricante.

Se ha analizado tambin la evolucin de los errores de cada una de las tcnicas, enfuncin de la potencia nominal de los motores. En el caso de la tcnica de Haque dichaevolucin se presenta en la Figura 6.3.

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

Pedra Haque Total muestra


36

Figura 6.4 Anlisis del error en el mtodo de clculo del rendimiento con la tcnica de Haque

En la Figura 6.3 se observa que los errores son mucho mayores en el rango depotencias entre 0,75 kW hasta 50 kW. En el resto del rango de potencias, los errores seencuentran por debajo del 5% en la inmensa mayora de casos, lo que supone que el valorestimado ofrece un valor de confianza.

Aplicando la tcnica de Pedra, y representando de nuevo la evolucin de los erroresde rendimiento en funcin de la potencia nominal del motor, se observan grficamente losresultados obtenidos en la Figura 6.4.

0,00

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

12,00

14,00

16,00

18,00

20,00

0,00 50,00 100,00 150,00 200,00 250,00 300,00 350,00

Error HAQUE

|E.H|


37

Figura 6.5 Anlisis del error en el mtodo de clculo del rendimiento con la tcnica de Pedra.

La evolucin del error estimado mediante la tcnica de Pedra es similar a la yaobservada con la tcnica de Haque. Sin embargo, en este caso se observa que la gama depotencia con errores elevados es ms estrecha, entre 0 y 20 kW (entre 0 y 50 kW para latcnica de Haque), y entre 20 y 400 kW los errores son menores a los observados con latcnica anterior, siendo la inmensa mayora de los resultados inferiores al 4 %.

0,00

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

12,00

14,00

0,00 50,00 100,00 150,00 200,00 250,00 300,00 350,00 400,00

Error PEDRA

|E.P|


38

6.2.2 Clculo de la clase de rendimiento y comparacin con el valor facilitado por elfabricanteComo se ha explicado en el punto 6.2, en la base de datos de origen, no exista la

calificacin energtica IE de los motores, y por lo tanto fue aadida. Mirando loscatlogos, se ha ido introduciendo uno por uno cada valor.

Adems se ha introducido el valor de rendimiento que le correspondera al motor porcada calificacin energtica. Esta parte del estudio se ha realizado con la finalidad dedemostrar si realmente el fabricante ofrece lo que presenta en sus catlogos, comparndolocon la normativa UNE-EN 60034-30[1].

El anlisis se ha realizado en la muestra de 1532 motores de induccin trifsicos debaja tensin. El estudio compara la clasificacin energtica ofrecida por el fabricante conla que realmente le correspondera por norma, en base a: potencia, frecuencia y nmero depolos.

Por ejemplo: el motor de induccin con referencia SIEMENS MP-70 con unapotencia nominal de 30 kW presenta un rendimiento del 91,7% por catlogo y en elmismo, presenta una clasificacin energtica del rendimiento con valor IE2. Teniendoesto en cuenta, segn su potencia, frecuencia y nmero de polos se ha introducido el valorque le correspondera en cada una de las tres clasificaciones energticas. En este caso paraIE1 le correspondera un valor del rendimiento de 90,7%, para IE2 un 92.0% y paraIE3 un 93,3%. Como se puede apreciar, el valor del rendimiento que tiene el motor, estpor debajo del 92% de la clasificacin energtica IE2, por lo tanto a este motor lecorrespondera una calificacin energtica IE1 y no la de IE2 que define el fabricantepor catlogo.

Y as como en el ejemplo anterior, se ha ido analizando motor por motor. Realizandoel estudio de esta manera, se han llegado a una serie de conclusiones:

De la muestra total de 1532 motores, 210 motores no cumplen la clasificacinenergtica del rendimiento fijada por norma respecto a la que ofrecen en elcatlogo comercial.

De los 210 motores de los diferentes fabricantes que no cumplen lo queofrecen, 55 motores ofrecen una clasificacin energtica superior a laanalizada en este estudio. Dicha calificacin energtica corresponde a laIE4, donde en el punto 3.2 de este proyecto ya se especifica que este valorde clasificacin energtica no ha sido incluido en este estudio. Por lo tanto,el nmero de motores que no cumplen con lo que ofrecen se reduce a 155.


39

Figura 6.6 Resultado de los motores que incumplen la normativa vigente

Del total de 155 motores donde el fabricante no cumple con lo que ofrece, untotal de 60 motores quedan excluidos de la norma, ya que no llegan ni almenor rendimiento de las tres clasificaciones energticas del motor segn supotencia, frecuencia y nmero de polos.

Excluidos los 60 motores fuera de norma quedan 95 motores, de los que se hahecho un anlisis por fabricante:o ABB: 45/368 o 12% de su totalo SIEMENS: 2/339.o 0,58% de su totalo CMG: 0/44.o LEROY SOMER: 0/233.o MARELLI: 26/137 o 19% de su total.o ROSSI: 15/104 o 14,4% de su total.o WEG: 7/307 o 2,28% de su total.

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

Total muestra Mot. IE4 Mot.incumpl.norma


40

Quedando as repartido:

Figura 6.7 Reparticin de errores en la clasificacin energtica de los motores por fabricante

Como conclusin de este punto del estudio, se demuestra que un total del 10,12% dela muestra de los fabricantes de los motores analizados en este proyecto no cumplen con lanormativa vigente, ofreciendo clasificaciones energticas del rendimiento de sus motoresincorrectas.

Quedando fuertemente destacado de manera negativa el fabricante por el siguienteorden:

1. Marelli con un total del 19% de la muestra de sus motores2. Rossi con un total del 15% de la muestra total de sus motores3. ABB con un total del 12% de la muestra de sus motores

ABB

SIEMENS

MARELLI

ROSSI

WEG


41

7 Anlisis del impacto econmico de la implantacin de motores dealta eficiencia

7.1 Criterios utilizados para el estudioA parte de los estudios realizados en los puntos anteriores, en este proyecto se ha

hecho un ltimo anlisis del impacto econmico que causan los motores con distintasclasificaciones energticas del rendimiento en funcin del precio de la energa endiferentes tipos de contratacin de energa elctrica. Se ha tenido en cuenta el tipo deservicio en el cual funcionarn los motores seleccionados, el precio de su energa segn latarifa contratada. Por ltimo se analiza econmicamente un posible cambio de motor con elfin de mejorar la clasificacin energtica del rendimiento.

7.1.1 Clase de servicio del motorEn esta ltima parte del estudio, se ha utilizado una nueva parte de la norma UNE-

EN 60034[5], en concreto se utiliza la parte nmero 1. Nombrada UNE-EN 60034-01[6] exactamente esta parte habla de las caractersticas asignadas y caractersticas defuncionamiento que afectan a las mquinas rotativas.

En concreto se hace hincapi en punto 4, que afecta al servicio del motor deinduccin. Cuando se compra una mquina rotativa, en este caso un motor de induccin, elcomprador ha de especificar el servicio del mismo mediante grficas, numeracin oeligiendo uno de los servicios de S1 a S10. Si el comprador no especifica el tipo deservicio al fabricante, l considerar que el tipo de servicio ser S1 o servicio continuo.

En el caso de este proyecto, se ha considerado el tipo de servicio S1 o serviciocontinuo, para as poder calcular el coste de la energa elctrica que conllevar el motorseleccionado. En el servicio S1 el funcionamiento va en funcin de la carga constante quedurante el tiempo necesario y as se establecer un equilibrio trmico de la mismamquina.


42

El servicio S1 define su funcionamiento con las siguientes grficas, donde stashan sido extradas de la UNE-EN 60034-01[6]:

Figura 7.1 Funcionamiento del motor de induccin con servicio S1, grficas extradas de la UNE-EN-60034-1

Donde se observa que la temperatura de la mquina rotativa, despus de la puesta enmarcha, va subiendo a pesar que las prdidas elctricas y la carga son constantes.Alcanzando as su temperatura mxima cuando se estabiliza.

As pues definiendo la clase de servicio durante 24h y los 365 das del ao, ste hasido utilizado para realizar esta ltima parte de este proyecto.


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7.1.2 Precio de la energa, tarifa de Alta Tensin utilizadaComo bien se ha especificado en el punto nmero 1, el proyecto fue replanteado

despus de una idea inicial. Donde finalmente se mantuvo una pequea colaboracin con laempresa qumica de Tarragona, ya que algunos datos utilizados en esta parte del estudiohan sido facilitados por la empresa.

En este caso, uno de los datos ms importantes facilitados por la empresa hasido el precio de la energa.

En el estudio del impacto econmico se han descartado las tarifas ordinarias de bajatensin o BT. Dado que esta empresa qumica gasista lder en su sector en Tarragona tieneuna potencia contratada mayor a los 450 kW, se ha definido que sta empresa dispone deuna tarifa de alta tensin de 6 perodos. Esta tarifa AT 6.1 define que el precio medio es de65 /MWh.

Para realizar el clculo, se ha definido una equivalencia para conseguir el preciofinal en euros. La equivalencia del precio es definida como 0,065/kWh. Este valor hasido facilitado por la empresa, y es un valor medio anual. No se han podido facilitardatos con tal de realizar la media, ya que son datos oficiales y son confidenciales.

Dado que los motores analizados tienen un tipo de servicio S1 y funcionan las 24horas del da y los 365 das del ao, se define que: = = (7.1)

Donde la frmula de la energa define las unidades de la misma en kWh ya quedepende de la potencia y del tiempo. Como el motor funciona todo el ao, la energaresultar con unidades de kWao. = = 24 365 (7.2)

La potencia utilizada en la frmula de la Energa no es la misma que la potencianominal del motor. Todo motor tiene prdidas aunque puedan ser despreciables, perorealmente la potencia nominal del motor est definida como potencia de salida, donde elrendimiento queda definido: = 100 (7.3)

Donde el rendimiento que es facilitado por el catlogo del fabricante, al igual que lapotencia de salida o potencia nominal. Por tanto, la potencia de entrada siempre ser mayorque la de salida debido a las prdidas y la potencia de entrada es la que se utiliza para elclculo de la energa por cada motor.

Por lo tanto, el coste final de la energa anual mediante el precio medio de energafacilitado lneas atrs es: = (7.4)

Donde las unidades quedan: = , = (7.5)


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Se demuestra a continuacin la evolucin del precio de la energa a medida que secambia de clasificacin energtica del rendimiento. Se ha hecho un anlisis a 3 potenciasdistintas para cada clasificacin energtica del rendimiento. En las grficas mostradas acontinuacin se observa la evolucin del precio en euros de la energa y del rendimiento.

Las figuras mostradas a continuacin son en base a la muestra de motores, donde seha realizado un filtrado de 3 potencias distintas (1,5 kW, 15 kW y 160 kW). El estudioconsta de hacer un filtrado de una potencia de las tres elegidas con la misma clasificacinenergtica del rendimiento. Una vez filtrados los motores se realiza una media para saberel rendimiento medio nominal de la muestra filtrada para ver as su evolucin. Lo mismose hace para la siguiente clasificacin energtica con la misma potencia. Y as se calcula elcoste de la energa anual para poder apreciar su evolucin. Donde se observa:

Evolucin del coste de la energa de un motor de 1,5 kW a nivel anual y laevolucin de su rendimiento debido al cambio de clasificacin energtica:

Figura 7.2 Evolucin del coste de la energa y del rendimiento para una muestra de motores con potencia 1,5kW

77

78

79

80

81

82

83

84

85

1.010,00

1.020,00

1.030,00

1.040,00

1.050,00

1.060,00

1.070,00

1.080,00

IE1 IE2

Evolucin precio energa y rendimiento paraP=1,5kW

PRECIO

RENDIMIENTO


45

Evolucin del coste de la energa de un motor de 15 kW a nivel anual y laevolucin de su rendimiento debido al cambio de clasificacin energtica:

F igura 7.3 Evolucin del coste de la energa y del rendimiento para una muestra de motores con potencia 15kW

87

88

89

90

91

92

93

9.000,00

9.100,00

9.200,00

9.300,00

9.400,00

9.500,00

9.600,00

9.700,00

IE1 IE2 IE3

Evolucin precio energa y rendimiento paraP=15kW

PRECIO

RENDIMIENTO


46

Evolucin del coste de la energa de un motor de 160 kW a nivel anual y laevolucin de su rendimiento debido al cambio de clasificacin energtica:

F igura 7.4 Evolucin del coste de la energa y del rendimiento para una muestra de motores con potencia 160kW

Se observa en las figuras 7.2, 7.3, 7.4 que la progresin del coste de la energaelctrica de los motores seleccionados es inversa respecto a la progresin del rendimientocon una mejora de la clasificacin energtica. Donde se han sacado una serie deconclusiones de esta parte del estudio:

Si el rendimiento aumenta, la potencia elctrica de entrada que necesita elmotor para rotar disminuye y por consiguiente el precio de su energadisminuye.

Si el rendimiento disminuye, la potencia elctrica necesitada por el motor esmayor, por tanto: Cuanto menos rendimiento, ms potencia elctrica deentrada necesita y por tanto a nivel de energa es ms costoso.

Con el cambio de clasificacin energtica de un mismo motor, este cambioconlleva a una mejora. Ya que cuando se aumenta de clasificacinenergtica, el motor tendr mayor rendimiento y tendr menos costes deenerga que antes.

93,5

94

94,5

95

95,5

96

94.000,00

94.500,00

95.000,00

95.500,00

96.000,00

96.500,00

97.000,00

IE1 IE2 IE3

Evolucin precio energa y rendimiento paraP=160kW

PRECIO

RENDIMIENTO


47

7.2 Anlisis de cambio de clase IE1 a IE2Como bien se ha dicho en el principio del punto 7, por falta de documentacin se ha

realizado esta parte del estudio con datos de otro pas. Cabe recalcar que los lmites derendimiento nominal son distintos a los de 50Hz y los valores de potencias normalizadastambin. Y por tanto los lmites para realizar una correcta clasificacin energtica delrendimiento correspondern a las tablas 4.4, 4.6 y 4.8 de este proyecto.

Se ha realizado un seguimiento de los tres tipos de cambios de clasificacin y suimpacto econmico correspondiente. Los tres han sido analizados para 2, 4 y 6 polos. Perosiempre a 60 Hz.

En este caso se ha analizado un motor de 3 kW de 2 polos y a una misma frecuencia:

IE MOTOR (%) P(kW) p f ENERGA AOIE1 84,5 3 2 60 281,34 2021,54IE2 87,5 3 2 60 331,88 1952,23


En la tabla 7.1 se observa que con una mejora de clasificacin energtica delrendimiento del motor, se incrementa el rendimiento del mismo, reduciendo as el coste dela energa por ao. En este caso para mejorar la categora se debera de hacer una inversinde 331,88, lo que causara un recorte de gasto de la energa de unos 69,31 anuales. Paraamortizar esta inversin la empresa necesitar un plazo de 5 aos para amortizar la compradel nuevo motor mediante la mejora de clasificacin energtica del motor.

En el siguiente caso de este punto se analiza un motor de 15 kW de 4 polos y a unamisma frecuencia:

IE MOTOR (%) P(kW) p f ENERGA AOIE1 88,3 7,5 4 60 448,81 4836,35IE2 89,5 7,5 4 60 595,45 4771,51Tabla 7.2 Comparacin de un mismo motor con clasificacin IE1 a IE2 de 4 polos

En el caso para 4 polos, en la tabla 7.2 se observa la mejora mediante la compra deun nuevo motor con mejor clasificacin energtica del rendimiento y que a su vez ofrecems rendimiento y reduce los costes del mismo. Pero estamos en el mismo caso de quepara amortizar una inversin de cerca de 600, la empresa tardar 9 aos en recuperar esainversin

En el siguiente caso de este punto se analiza un motor de 1,1 kW de 6 polos y a unamisma frecuencia:

IE MOTOR (%) P(kW) p f ENERGA AOIE1 75,7 1,1 6 60 256,62 827,40IE2 86,5 1,1 6 60 309,11 724,09


En el caso de 6 polos, se vuelve a analizar una potencia ms pequea para ver eltiempo de la amortizacin de la inversin y se demuestra que para recuperar esa inversinde 309,11 la empresa tardar 3 aos en recuperarla mediante la reduccin del coste de laenerga.


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7.3 Anlisis de cambio de clase IE2 a IE3Se ha realizado un seguimiento del cambio de clasificacin y su impacto econmico

correspondiente. Se ha analizado para 2, 4 y 6 polos. Pero siempre a 60Hercios o Hz.

En este caso se ha analizado un motor de 15 kW de 2 polos y a una mismafrecuencia:

IE MOTOR (%) P(kW) p f ENERGA AOIE2 90,2 15 2 60 953,72 9468,96IE3 91 15 2 60 1398,9 9385,71


Para el cambio de clasificacin energtica del rendimiento para pasar de IE2 a IE3,pasa algo parecido a los casos anteriores. Se hace una inversin de cerca de 1400 paramejorar sta clasificacin del rendimiento con la finalidad de reducir los costes unos 90anuales. El rendimiento que ofrece es un poco ms alto pero no de manera notable, lo queimplica que la amortizacin de la inversin asciende a cerca de 16 aos.

En el siguiente caso de este punto se analiza un motor de 11kiloWattios o kW de 4polos y a una misma frecuencia:

IE MOTOR (%) P(kW) p f ENERGA AOIE2 91 11 4 60 802,35 6882,86IE3 92,4 11 4 60 1121,2 6778,57


En este caso la mejora es poco ms alta en cuanto al rendimiento, pero la inversinno justifica la reduccin de coste ya que slo son 104 de coste que se reduce. Que para loque es el coste del motor, la amortizacin del mismo alcanza los 11 aos.

En el siguiente caso de este punto se analiza un motor de 5,5kiloWattios o kW de 6polos y a una misma frecuencia:

IE MOTOR (%) P(kW) p f ENERGA AOIE2 89,5 5,5 6 60 646,55 3499,11IE3 91 5,5 6 60 1180,3 3441,43


Lo mismo pasa en este caso, donde la amortizacin alcanza la friolera cifra de 20aos para una mejora de 2 puntos en el rendimiento y una reduccin msera al lado de lagran inversin.


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7.4 Anlisis del cambio de IE1 a IE3Se ha realizado un seguimiento del cambio de clasificacin y su impacto econmico

correspondiente. Se ha analizado para 2, 4 y 6 polos. Pero siempre a 60Hercios o Hz.

En este caso se ha analizado un motor de 45 kW de 2 polos y a una mismafrecuencia:

IE MOTOR (%) P(kW) p f ENERGA AOIE1 92,4 45 2 60 2568,4 27730,52IE3 93,6 45 2 60 3641,6 27375,00


En el siguiente caso de este punto se analiza un motor de 18,5 kW de 4 polos y a unamisma frecuencia:

IE MOTOR (%) P(kW) p f ENERGA AOIE1 91,8 18,5 4 60 1182,3 11474,84IE3 93,6 18,5 4 60 1445 11254,17


En el siguiente caso de este punto se analiza un motor de 11 kW de 6 polos y a una mismafrecuencia:

IE MOTOR (%) P(kW) p f ENERGA AOIE1 89 11 6 60 1041,5 7037,53IE3 91,7 11 6 60 1653,9 6830,32


El cambio de clasificacin energtica de un motor, como se ha visto requiere unagran inversin y una larga amortizacin.

Este caso, es el ms predominante en la industria qumica de la provincia deTarragona. La industria de Tarragona es antigua y descatalogada pero continafuncionando. La mayora de motores de baja tensin trifsicos con rotor de jaula de ardillason con clasificacin energtica IE1 o IE2 y para cumplir la normativa vigente, deberaninstalar motores con una clasificacin energtica IE3. Aqu se ha demostrado este casoreal, donde para una inversin de un motor pequeo de 45 kW, demora una amortizacinque no es rentable. El cambio de motor en este caso implica una inversin de cerca de3700 que conllevar una mejora del conste del consumo del motor en unos 355 anuales.Para recuperar esta inversin se requieren unos 11 aos.

La cantidad media de aos de amortizacin del motor para recuperar la inversinequivale a unos 9 aos.

Como conclusin, se lanza una pregunta. Es realmente tan beneficiosa la mejora declasificacin energtica de nuestro motor, si realmente necesitamos un largo tiempo deamortizacin dnde durante el cual pueden aparecer nuevas normativas de eficienciaenergtica y que se tenga que volver a invertir?


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8 Conclusiones

Dado que el consumo de los motores de induccin trifsicos representa ms de 50%de toda la energa mundial, esto representa que el motor analizado en este proyecto es elpresente y el futuro. Es mquina de bajo coste con gastos de mantenimiento muyasequibles en comparacin a otros motores elctricos rotativos y con unos niveles deeficiencia suficientemente altos como para consolidarse como el modelo ms usado.

Todo motor tiene una placa de caractersticas donde contiene los datos ms utilizadosen este proyecto que son:

Potencia nominal Frecuencia Nmero de polos

Con estos datos, se ha realizado un anlisis mediante una frmula de estimacin conla finalidad de realizar una clasificacin energtica correcta del rendimiento. Dado que estafrmula solo es aplicable en casos donde la frecuencia es 50Hz, se ha llegado a laconclusin que el valor de rendimiento obtenido por frmula equivale con los valoresestipulados en la tabla de la normativa afectada. Es ms, el rendimiento calculado porfrmula es mucho ms exacto que por tabla ya que ofrece un mayor nmero de decimalespara realizar una clasificacin energtica del rendimiento ms estricta. Aunque por norma,slo se tenga en cuenta un solo decimal.

En la segunda parte del proyecto, el rendimiento del motor de induccin es calculadomediante una estimacin de parmetros mediante dos tcnicas, realizado as un anlisis dequ tcnica ofrece menos errores y por lo tanto, es ms fiable. El resultado es que la mejortcnica para realizar el clculo de parmetros por estimacin y as calcular correctamentesu rendimiento para cometer menos errores es la tcnica de PEDRA donde cerca del 80%de la muestra total analizada ha presentado menos errores mediante sta. Tambin sedemuestra que el rendimiento a estimar de un motor pequeo tiende a fallar ms que laestimacin del rendimiento de un motor mayor.

La muestra total de 1532 motores ha sido analizada motor por motor con la finalidadde demostrar que hay veces que el fabricante hace una incorrecta clasificacin energticadel rendimiento del motor que nos ofrece. En este proyecto se propone un mtodo muyefectivo donde la alarmante cifra del 10% de los motores de la muestra no cumple conaquello que determina la norma. Otra cifra alarmante, es que del 10% donde la normativano se cumple, el 40% de ste, no alcanza ni niveles mnimos para adquirir una clsificacinenergtica IE1. Donde el resto, el fabricante con ms errores, ordenados de mayor a menorcantidad, son: MARELLI, Rossi, ABB, WEG y SIEMENS.

En la ltima parte bajo el precio de la tarifa de alta tensin definida en el punto 7.1.2,se observa que a medida que se aumenta la clasificacin energtica de un mismo motor, elrendimiento aumenta. As como el rendimiento aumenta, la potencia necesitada por elmotor para funcionar, es menor y viceversa. Estableciendo as el canon de cuanta msclasificacin energtica del rendimiento del motor de induccin, menos coste por gasto deenerga de ste y a su vez, mayor rendimiento.


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El cambio de clasificacin energtica a mayor, parece que en principio es efectivo.Pero realmente es efectivo respecto al coste del motor de alta eficiencia? Esta pregunta hasido formulada en el ltimo punto del proyecto y la respuesta de la misma es NO. Debido ala continua diversidad de normativa y muchas anualmente modifican alguna parte de lamisma, la mejora de clasificacin energtica no es rentable. Los costes de inversin paracambiar la mquina son insostenibles en comparacin al beneficio que te implica cambiarde motor. O ms claro, no compensa gastarse una cantidad de dinero a nivel industrial quedicha inversin tardar en amortizarse en una media de 10 aos como mnimo cuando lanormativa est continuamente siendo modificada con nuevas condiciones.


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9 Referencias

UNE-EN 60034-30 [1]

Formula deslizamiento (2.1)

CENELEC [2]

Frmula para calcular el rendimiento mediante interpolacin (4.1)

Anlisis del clculo directo de los parmetros del circuito equivalente en una amplia

muestra de motores de induccin trifsicos por L.Guasch, F.Gonzalez, A.A.Jaramillo,

L.Youb y J.A.Barrado [3]

Frmula para calcular Rr con la tcnica de Haque (3.1)

Frmula para calcular Rs con la tcnica de Haque (3.2)

Frmula para calcular Xsd con la tcnica de Haque (3.3)

Frmula para calcular Xrd con la tcnica de Haque (3.4)

Frmula para calcular Xm con la tcnica de Haque (3.5)

Frmula para calcular Rr con la tcnica de Pedra (3.6)

Frmula para calcular Rs con la tcnica de Pedra (3.7)

Frmula para calcular Xm con la tcnica de Pedra (3.8)

Frmula para calcular Xsd con la tcnica de Pedra (3.9)

Frmula para calcular Xrd con la tcnica de Pedra (3.10)

Frmula para calcular Zth del equivalente de Thevenin (6.1)

Frmula para calcular Vth del equivalente de Thevenin (6.2)

Frmula para calcular Ir para el clculo del rendimiento estimado (6.3)

Frmula para calcular Is para el clculo del rendimiento estimado (6.4)

Parameters calculation of single and double cage models for induction motors from

manufacturer data por L.Guasch, F.Gonzalez, A.A.Jaramillo, L.Youb y J.A.Barrado [4]

Frmula para calcular rendimiento en % en el modelo de jaula sencilla (6.5)

UNE-EN 60034 [5]


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UNE-EN 60034-01 [6]

Frmula para calcular la energa de un motor (7.1)

Frmula para calcular la energa de un motor durante un ao (7.2)

Frmula para calcular la potencia de entrada mediante el rendimiento (7.3)

Frmula para calcular el precio anual en de la energa de un motor (7.4)

Frmula para definir unidades del precio de la energa anual (7.5)

ANALSIS DE LA CLASE DE RENDIMIENTO DELOS MOTORES DE INDUCCIN TRIFSICOS APARTIR DE LOS DATOS DEL FABRICANTEndice general1 Introduccin2 Motor de induccin trifsico3 Estimacin de parmetros4 Clases de rendimiento, normativa IEC60034-305 Muestra de motores seleccionada6 Anlisis del rendimiento en los motores de la muestra7 Anlisis del impacto econmico de la implantacin de motores dealta eficiencia8 Conclusiones9 Referencias

analÍsis de la clase de rendimiento de los motores …deeea.urv.cat/deeea/lguasch/tfg javier cortes...

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