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Moto res Elctr icos de Al ta Ef ic ienc ia
Ing . A lfredo A guilar [email protected]
www.ingenieriaenergeticaintegral.com
Ingeniera Energtica Integral, S.A. de C.V.
Lucerna No. 62 5 p, Col. Jurez, Mxico, D.F., CP 06600Tel. 57 05 21 61, 57 05 17 06, Fax 57 05 16 89
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Especialista en Ahorro de Energa, Optimizacin de Procesos y ModernizacinTecnolgica
Ingeniero en Energa distinguido con LA MEDALLA AL MERITO UNIVERSITARIOpor obtener en la Divisin de Ciencia Bsicas e Ingeniera de la UniversidadAutnoma Metropolitana Unidad Iztapalapa, las mejores calificaciones enestudios profesionales de Licenciatura
Primer lugar del Premio Nacional de Ahorro de Energa Elctrica en el certamende 1998 en carcter del representante de su empresa, recibi el premio de
manos del Presidente de los Estados Unidos Mexicanos, el 13 de agosto de1999, en la Residencia Oficial de los Pinos
Primer lugar del Premio Nacional de Ahorro de Energa Elctrica en el certamende 1999, en carcter de asesor energtico principal de las plantas de DELPHIAUTOMOTIVE SISTEMS Divisin Noreste de Mxico.
Su empresa Ingeniera Energtica Integral, ha ganado en 15 de sus proyectos en
Premio Nacional de Ahorro de Energa. Ha dirigido, administrado, coordinado y/o ejecutado proyectos de ahorro de
energa, automatizacin y mejora tecnolgica en ms de 300 empresas de toda laRepblica Mexicana
Ha impartido ms 500 cursos especializados en temas de ahorro de energa
Fue Profesor de Matemticas, Fsica y Computacin y en la UniversidadAnhuac de Mxico de la Maestra en Ahorro de Energa.
Expositor: Ing. Alfredo Aguilar Galvn
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INGENIERIA ENERGETICA INTEGRAL S.A. de C.V.
Primer Lugar en Mxico del Premio Nacional de Ahorro de Energa
Antecedentes
17 AOS DEEXPERIENCIAACUMULADA
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Los Motores ElctricosEn Mxico desde hace 17 aos se han estadosustituyendo motores de eficiencia estndar porotros de alta eficiencia y recientemente por
eficiencia Premium.
Otra medida de ahorro es la incorporacinConvertidores de Frecuencia Variable.
Nuestra empresa ha dado seguimiento a este tipode acciones con el fin de verificar la certeza deestas medidas,
Queremos compartir con el pblico interesado losresultados de esta verificacin.
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Los Motores Elctricos
Representan hasta el 80% delconsumo de energa en una industria.
tiles para todo tipo de aplicacionesmecnicas.
Molinos, Bandas,Bombas, Compresores,Tornos, Elevadores etc.
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Los Motores Elctricos
Existen en variedad de potencia
En una rasuradora elctrica, 15 W
En algn Compresor, 300 hp
En un Bambury de una industriaLlantera 10,000 hp
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Los Motores Elctricos
Son Equipos de Larga Duracin
La vida mnima 10 aos
En muchas industrias todava haymotores de mas de 50 aos.
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Los Motores Elctricos
Son Equipos de muy eficientes.
Eficiencia de Motor Combustin Interna
Alrededor del 40%
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Eficiencia:es la justificacin para la sustitucin
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Energa ElctricaEntrante
Energa MecnicaSaliente
Prdidas
EntraPotencia
SalePotenciaEficiencia
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Comparativo de Eficiencia
65
70
75
80
85
90
95
100
1 3 5 10 15 20 30 50 75 100 150 200
HP
Eficiencia%
Estndar Alta Eficiencia Premium
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Las Prdidas dependen del tipo de fabricacin, losmateriales y mtodo de diseo del motor.
Tipo de
Prdidas
Donde
OcurrenQue factores las determinan Como se disminuyen
Independientesdel ndice de
carga
Ncleo,
armazn,
rodamientos,
ventilador
Tipo, calidad y cantidad del material
magnticoCapacidad de eliminar el calor
Friccin entre las partes rodantes
Tipo de material aislante
Empleando acero de mejor calidad magntica,
como acero al silicio
Con una armadura diseada para disipar
mejor el calorUtilizando un material aislante que resista
mayor temperatura
Con un ventilador de enfriamiento de diseo
aerodinmico
Utilizando baleros antifriccin
Dependientes
del ndice de
carga
Estator y
Rotor
La potencia entregada por el motor
reflejada por el ndice de carga
y la corriente elctricasu magnitud es el cuadrado de la
corriente por la resistencia elctrica
del conductor
I2R
Utilizando conductores de mejor calidad con
menor resistencia elctricaCon un dimetro adecuado y mayor cantidad
del conductor elctrico, ms cobre
Mayor rea de laminacin
Espacio del entrehierro mas estrecho
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Energa ElctricaEntrante
Energa MecnicaSaliente
PrdidasEficiencia
EntraPotencia
SalePotenciaEficiencia
EntraPotencia
PrdidasEntraPotenciaEficiencia
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Procedimiento para Determinar
La Eficiencia en funcin
del Factor de Carga
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Factor de Carga
motordelNominalPotencia
entregadarealPotenciaCargadeFactor
La potencia nominal de un motor elctrico indica la potenciamecnica de salida.
El factor de carga es un ndice que indica la potencia que estentregando el motor en relacin con la que puede entregar.
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Factor de Carga
70%
75%
80%
85%
90%
95%
25% 50% 75% 100%
Factor de carga
Eficiencia 20 Hp Std
30 HP Std40 Hp Std
20 Hp AE30 Hp AE40 Hp AE
Std: Motor Estndar
AE: Motor de Alta Eficiencia
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Recopilacin de informacin :
Marca
Potencia (Hp)
Voltaje de placa
Corriente de placa
Velocidad de rotacin a plena carga
Nmero de polos
Eficiencia nominal
Tipo: abierto, cerrado o a prueba de explosinEquipo acoplado: bomba, ventilador, compresor, banda
transportadora, etc.
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Medicin elctrica:
Corriente por fase: I1, I2, I3 Voltaje entre fases: V1-2, V1-3, V2-3
Factor de potencia
Mediciones de las RPM con tacmetro
Aportacin de corrientes armnicas
Conocer el tiempo de operacin del motor,
S es de manera continua
S tiene varios paros y arranques durante el da,Tipo de transmisin, es decir, si est acoplado de maneradirecta o mediante una banda, etc.
Tipo de arrancador (tensin plena o tensin reducida)
Forma de control ya sea manual o automtico.
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Determinacinde la eficiencia
en referencia
a los
datos de placa.
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1000
FPxIxVx3)kW(DemandaPotencia
Determinacin de la Eficiencia
demandadaPotencia
salidadePotenciaEficiencia
Energa ElctricaEntrante
Energa MecnicaSaliente
Prdidas
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Determinacin del factor de carga
%100aleficienciaplacaPotencia
medidaPotencia
FC
En muchos casos ser necesario interpolarpara determinar la eficiencia alfactor de carga correspondiente
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Los fabricantes nos reportan la eficiencia
OTOR 1800 rpm EFICIENCIA F. DE POTENCIA
Facc de Carga
HP25% 50% 75% 100% 25% 50% 75% 100%
7.5 77.25 84.55 86.25 85.68 43.45 65.93 76.4 81.26
10 79.2 85.43 86.93 86.44 45.25 68.4 78.35 82.8
15 78.3 85.43 87.15 87.24 48.65 69.8 79.98 83.96
20 82.4 86.73 88.48 88.6 56.7 73.58 82.45 84.2
25 82.8 88.83 89.7 88.78 53.85 78.03 83.93 84.68
30 84.55 89.3 90.28 89.6 68.45 80.05 82.95 85.54
40 83.75 88.38 90.13 90.48 55.75 74.7 82.05 86.08
50 85.95 90.2 91.25 91.24 59.5 78.7 84.73 85.78
60 84.2 90.53 91.4 91.66 57.75 76.55 83.4 85.18
75 85.65 90.9 92.08 92.08 58.05 78.1 84.35 85.82
100 84.5 90.83 91.83 92.18 58.75 78.73 85 86.6
S conocemos el
Factor de Carga
Podemos
Inferir la
Eficiencia
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Eficiencia de algunos motores
77
79
81
83
85
87
89
91
93
25% 50% 75% 100%
Factor de carga
Eficien
cia% 7.5
10
15
20
25
30
40
50
60
75
100
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Ajustes de eficiencia.
Variacin de voltaje.
Desbalanceo de voltaje.
Motor reembobinado.
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Variacin de voltaje.
Relacin entre el voltaje nominal conrespecto al voltaje de operacin
1001 xalminVoltajeno
medidopromedioVoltajeVariacin%
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Efecto de variacin de voltaje en el motor
-8
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
-15
-12.5
-10
-7.5 -5
-2.5 0
2.5 5
7.5 1
0
12.5 1
5
Ajustes por Variacin de Voltaje
Eficiencia
Factor de Potencia
Corriente
Porc
entajedecambio
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-3
-2.5
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
-15
-12
.5-1
0
-7.5 -5
-2.5 0
2.5 5
7.5 1
0
12
.5 15
Ajustes en la Eficiencia por Variacin de Voltaje
EficienciaPorcen
tajedecam
bio
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Desbalance de voltaje.Mxima Diferencia al Prom.
% Desbalance de Voltaje = ------------------------------------- x 100Voltaje Promedio
Mxima Diferencia al promedio = Volt mximo -Volt promedio , , Volt promedio - Volt mnimo
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Desbalance de voltaje.
75%
80%
85%
90%
95%
100%
01% 2% 3% 4% 5%
Factor de Disminucin en laEficiencia por desbalanceo de Voltaje
Porcentaje de desbalanceo
Factordedisminu
cin
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Comparativo entre Estndar y AE
70%
75%
80%
85%
90%
95%
25% 50% 75% 100%
Factor de carga
Eficiencia 20 Hp Std
30 HP Std40 Hp Std
20 Hp AE
30 Hp AE40 Hp AE
Std: Motor Estndar
AE: Motor de Alta Eficiencia
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Opciones de Sustitucin
Motores de AE de menor tamao. Cuando el motorestndar esta trabajando con bajo factor de carga.
Aplicacin de Motores de AE mismo tamao.Cuando el motor estndar esta trabajando con unfactor de carga entre 60 y 90%.
Aplicacin de Motores de AE de mayor tamao.
Cuando el motor estndar esta trabajando con unfactor de carga mayor al 90%.
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70%
75%
80%
85%
90%
95%
25% 50% 75% 100%
30 Hp AE
40 HP Std
Actual
Propuesta
Eficiencia
Factor de carga
Ejemplo
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Seleccin del tamao adecuado delmotor
Se debe satisfacer el par resistente que la carga presenta en elarranque y durante la operacin del equipo acoplado paracualquier condicin de carga del proceso.
La velocidad de operacin del motor (RPM) deber ser lascorrectas de acuerdo a la requerida por el equipo acoplado o elproceso.
85.075.0
FlechalaenPotenciaAdecuadaPotencia
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Resultados de laSustitucin de 100 Motores
Pertenecen a 4 Industrias Diferentes localizadas en
diferentes estados de Mxico
El cambio fue por motores de Eficiencia Premium
Se midi antes y despus de la sustitucin
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Potencia No. De Motores% AhorroLogrado
Promedio
Eficiencia
Promedio anterior
FP Promedio
anterior
7.5 3 12.7% 81.1% 83.3%
10 12 10.8% 80.2% 80.2%
15 17 11.9% 79.9% 81.5%
20 11 10.5% 82.0% 80.0%
25 9 8.7% 82.1% 86.2%
30 13 11.4% 80.7% 79.2%
40 10 12.0% 81.6% 77.6%
50 10 12.8% 82.4% 81.1%
60 4 12.7% 80.3% 88.7%
75 2 9.0% 83.5% 88.5%
100 8 9.7% 82.5% 83.0%
150 3 5.6% 89.3% 84.3%
200 2 6.5% 88.2% 84.0%
Total o Promedio 104 10.3% 82.6% 82.9%
Resumen de motores evaluados
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Resumen de motores evaluados
Cantidad de Motores por Potencia
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
7.5 10 15 20 25 30 40 50 60 75 100 150 200
Potencia HP
La mayora se encuentra entre 10 y 50 HPEl mayor nmero esta en 15 HP.
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Resumen de motores evaluados
% de Ahorro Medido
0%
2%
4%
6%
8%
10%
12%
14%
7.5 10 15 20 25 30 40 50 60 75 100 150 200
Potencia HP
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Resumen de motores evaluadosLos resultados logrados y corroborados con mediciones
arrojan un 10% de ahorro en promedio,
Obtenindose ms de un 12% de ahorro en la sustitucin demotores de 7.5, 40, 50 y 60 HP.
El menor ahorro se obtuvo
en motores de gran potenciade 150 y 200 HP.
% de Ahorro Medido
0%
2%
4%
6%
8%
10%
12%
14%
7.5 10 15 20 25 30 40 50 60 75 100 150 200
Potencia HP
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Eficiencia de los anteriores motoresEficiencia Promedio Motores Anteriores
74%
76%
78%
80%
82%
84%
86%
88%
90%
92%
7.5 10 15 20 25 30 40 50 60 75 100 150 200
Factor de Carga No. De Motores
% Ahorro
Logrado
Promedio
Eficiencia
Promedio Anterior
FP Promedio
anterior
Menor al 50% 64 11.1% 80.9% 79.2%
Entre 50% y 90% 36 10.7% 83.2% 83.9%
Mayor al 90% 4 11.0% 86.0% 86.8%
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Resumen de motores evaluados
La eficiencia de los motores sustituidos era menor al 90%, esto seexplica porque los motores anteriores estaban muy usados, por lomenos con 20 aos de vida, todos haban sufrido algunareparacin y la gran mayora operaba a baja carga.
64 motores trabajaban a baja carga, por ello la sustitucin fue porun motor de potencia menor.
4 trabajan a un factor de carga mayor al 90%, la sustitucin fuepor un motor de mayor potencia, y tambin se obtuvieron ahorros,
esto debido a la eficiencia de los motores NEMA Premium,ubicada en un rango que va desde 91 hasta 96% segn el tipo demotor.
El resto de los motores fue sustituido por motores de la mismapotencia que el actual.
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Resumen de motores evaluados
El total de los 104 motores anteriores demandaba una potenciaelctrica de 1,902 kW.
Todos los motores son de uso intensivo
Los nuevos de eficiencia NEMA Premium demandan 1,719 kW,
Se obtuvo un ahorro de 183 kW.
En cuanto a su consumo energtico
Antes 8,947,628 de kWh,
Nuevos 7,884,047 kWh,
Ahorro de 1,063,581 kWh al ao.
El ahorro econmico de casi 200,000 dlares americanos,
Inversin requerida menor a 500,000 dlares.
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El ahorro se ve reflejadoen el recibo elctrico
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El ahorro se ve reflejadoen el recibo elctrico
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Factores crticos a tomar en cuenta
Circunstancias que hay que tomar en consideracin para evitarque la sustitucin se convierta en un fracaso.
Considerar el perfil de carga de la aplicacin, es necesariorealizar una medicin integral por un periodo que refleje lasvariaciones de carga en el tiempo.
Trabajar con datos puntuales no es prudente, aun haciendo unalabor estadstica.
Tomar en cuenta toda la gama de productos para los cualestrabaja el motor, por ejemplo si se tiene una empresa papelera,considerar las diferentes clases de papel
En las especificaciones del motor deben tomar en cuenta lasnecesidades mximas.
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Factores crticos a tomar en cuenta
El acoplamiento entre la aplicacin y el motor elctrico, esfundamental verificar el tipo de cople requerido as como la flechaque se requiere.
Los cambios que la estructura de montaje requiere para soportarlos nuevos motores, estos pueden representar un costo
importante y deben ser considerados para determinar larentabilidad de cada medida.
El tiempo de operacin, la rentabilidad de la sustitucin esta ligadaen forma directa con el tiempo de uso del motor.
En caso de que la carga sea muy variable podra incorporarse unconvertidor de frecuencia variable
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Factores crticos a tomar en cuenta
Si el equipo acoplado esta mal calculado, los problemas en elmotor elctrico son solo un sntoma de un problema mayor.
En ocasiones el principal ahorro de energa esta en el equipoacoplado al motor elctrico,
En un programa de ahorro de energa debe estudiarse porseparado el motor y el equipo acoplado ambos tienen unaeficiencia de operacin y para ambos existen posibilidades demejora.
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ConclusionesResulta factible sustituir motores estndar por motores de eficiencia NEMA Premium con
buenos resultados tanto de ahorro energtico como de ahorro econmico.
Es importante observar las siguientes circunstancias.
Motores de Menor Tamao. Cuando el estndar trabaja con bajo factor de carga.
Motores del Mismo Tamao. Cuando el estndar trabaja con un factor de carga entre 50 y
90%.
Motores de de Mayor Tamao. Cuando el estndar trabaja con un factor de carga mayor al90%.
Deben tomarse muy en serio las condiciones de arranque, velocidad, alimentacin elctrica,
perfil de carga y torqu tipo requerido.
Por otro lado la sustitucin debe estar avalada por un estudio minucioso de las condiciones deoperacin tanto del motor como de la carga acoplada.
El potencial de ahorro energtico para motores de eficiencia estndar en operacin contina
es de por lo menos un 5%, pudiendo ser mayor si trabaja a baja carga.
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Gracias