Eficiència energètica a la industria. accionaments elèctrics i motors. CITCEA

1. Eficiència energètica a la indústria:
Accionaments elèctrics
Dr. Andreas Sumper
Cap de Grup Enertrònica
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2. Contenido
 Introducción
 Pérdidas en motores
 Normas
 Tecnología de motores de alta eficiencia
 Ejemplo
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3. 3
CITCEA-UPC is a centre for research and technology
innovation born in 2001 inside the Technical University of
Catalonia (UPC) supported by the Government of Catalonia.
15 years' experience, 60 people, 110 customers, 200 projects,
9 M€ turnover, 10 patents, 1 spin-off (teknoCEA), more than
200 conference papers; more than 100 journal paper.
ACTIVITY FIELDS
MECHATRONICS:
Power electronics and electrical drives.
Automation, industrial ICTs.
ENERTRONICS:
Generation, transmission and distribution of electrical energy. Economics, market and
regulation of electrical energy.
LIFE LONG LEARNING:
LLL Masters in Mechatronics and Enertronics. Courses and Seminars for professionals.
MECHATRONICS
Power electronics and converters, special
for applications in wind and PV
Digital control with DSP
Industrial communications
Data acquisition and signal processing
Process automation and Motion control
Electric vehicles and battery chargers
Design of electrical machines
ENERTRONICS
Electrical generation from renewable and
distributed generation
Wind generator design
Distribution and transmission grids
Control of wind generators and wind farms
Offshore wind farms and HVDC
Microgrids and smart grids
Condition monitoring and PQ

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Custom power electronics systems for research labs
•Power converters from 10 kW to 120 kW
•Control cards based on TI DSP
•PC embedded based HMI. Industrial Communications
•Application oriented DSP starter kits
•Educational test-benches
•Application examples:
•Emulators: energy resources (Grid, PV, Wind, Diesel,
Fuel-cell), storage and loads. Ready to be used.
•Research and educational AC and DC microgrids
•Battery and electrical vehicle chargers/dischargers.V2G
CITCEA-UPC Spin-off company
www.teknocea.cat
teknocea@teknocea.cat

5. Introducción
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Necesidad de reducir la
demana
Motores y
accionamientos tienen
un uso muy extendido
en la industria, en
servicios y en edificios
En consumo, los
motores y
accionamientos
representan un 40% del
consumo total de hoy
en día
65% de la electricidad
consumida en la
industria es debido a
los motores. Un 90% de
ellos son máquinas de
inducción
Para conseguir altas
eficiencias hay que
mejorar la eficiencia de
los motores y de los
accionamientos

6. Introducción
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Aspectos a tener en cuenta en relación a la eficiencia de accionamientos
Punto de vista
tecnologico:
• Motor
• Convertidor
• Pérdidas
mecánicas
Política energética:
• Legislación
• Estandarización
Las pérdidas dependen de:
• La tecnología del motor
• Materiales
• Diseño
• Condiciones
ambientales,...
Ejemplo:
Tenemos un motor de inducción de 7.5 kW a
plena carga y en operación continua con una
eficiencia de 89%. La vida útil es de 25000 h, el
coste es de 70 €/kW con un coste de 10
c€/kWh. Cuanto cuesta el motor y cuanto cuesta
la energía?
El coste del motor es solo €525 el coste de la
energía es €21067, un 2.5% y 97.5%
respectivamente al coste total de explotación.

7. Perdidas en motores
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• La eficiencia aumenta incrementando el volumen de las partes activas
(núcleo y conductores)
• Para motores pequeños, las pérdidas Joule en el estator son importantes:
Perdidas Joule  50% de las totales; Máquinas grandes 25%.
Localización de las pérdidas :
• Bobinaje (stator y rotor)
• Circuito magnético (stator y rotor núcleo)
• Cojinetes y entrehierro (perdidas mecánicas)
• Stray load losses
• Perdidas contantes
• Perdidas dependiendo de la
carga

8. Perdidas en los motores
 Factores de influencia
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La eficiencia depende de:
• Temperatura de operación y tamaño del motor
• Control del motor
• Transmisión mecánica
• Práctica de mantenimiento
• Eficiencia mecánica
• Calidad de suministro
• Etc.
Si el motor no trabaja en las condiciones para la
cuales está diseñado pierde eficiencia
Las condiciones de operación que afectan más a la eficiencia:
• Las cargas son diferentes a la del diseño
• Temperatura diferente a la del diseño
• Mal mantenimiento
• Mala calidad de suministro

9. Normas
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• Clasificación de motores de Eficiencia IEC 60034-30
Eficiencia IEC 60034-30
Europa
(CEMEP)
EEUU
Super premium IE4
Premium IE3
NEMA
Premium
High IE2 EFF1 Epact
Standard IE1 EFF2
Harmonisation of European and American classification
• La Comisión introduce en la directiva Dir. 2009/125/EG la clasificación de la IEC
• Introduce el concepto “minimum efficiency performance standards” (MEPS)
Fases de introducción MEPS:
• 16/06/2011: 0.75 – 375 kW mínimo IE2
• 01/01/2015: 7.5 – 375 kW mínimo IE3 o IE2 en aplicaciones de VSD
• 01/01/2017: también para motores de 0.75 – 7.5 kW

10. Normas de eficiencia
 Normas futuras
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• Aplicaciones modernas
necesitan un control
adecuado de par y
velocidad:
• Uso de convertidores
• Motores de imanes permanentes
• Motores de reluctancia
• Nueva norma respecto a variadores
de velocidad: 60034-2-3
• Temas importantes:
• Multibles combinaciones de par y velocidad son posibles
• Muchos grados de libertad
• No hay un sistema establecido como medirlo
La IEC sugiere la utilización de mapas de
eficiencia
Figure : Efficiency map of a IE1, 11 kW, 400V,
4 pole induction motor + converter

11. Tecnología de motores de alta eficiencia
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Hay 2 formas como promover la alta eficiencia
Estandarización
Clasificación
Legislación
Desarrollo tecnológico
 Variadores
 Motores de alta eficiencia
Como construir un motor de
alta eficiencia :
 Mejores materiales
 Mejor diseño
 Mejor fabricación
Balance optimo
entre eficiencia y
coste de
producción.
Figure: Cut-open view of a high efficiency induction motor

12. Tecnología de motores de alta eficiencia
 Materiales de motores
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Metodo tradicional de incrementar eficiencia aumentar tamaño
… precios han incrementado Se busca una solución optima
MENOS ES MAS
Menos material combinado con un diseño optimo
Comparación de costes de un motor de inducción de
750 W en 2000 y 2009.

13. Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM)
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Alta densidad
de potencia
(mas corriente de estator)
Alta Eficiencia
(corrientes magnetizantes
bajos)
Mas rango de velocidad con
un par const.(mas eficiente a
bajas velocudades) Menos Inertia
(menos peso en el rotor).
Es una alternativa a los
motores de inducción y es
mejor que el IE3 y IE4.
Desventaja Se precisa un variador de
fecuencia
Figure 12: PMSM
Tecnología de motores de alta eficiencia

14.  Imanes permanetes
• Mejora significamente las perdidas
• Brushless Dc (BLDC)  Forma de tensión trapeziodal
• Permanent magnet synchronous motor (PMSM) Forma de tensión sinusoidal
• Imanes de tierras raras son caras….
• Acero y cobre se ha encarecido pero el Neodimio es más barato
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Table: Comparison of the material cost of a 750 Watt
permanent magnet motor
Figure: Historic price evolution of magnet material.
Tecnología de motores de alta eficiencia

15. Tenemos un motor en una industria que trabaja 8 meses/año, 30 días/mes, y
h/día. En la configuración actual se usa un motor de 50 kW estandar (con 78%).
Una auditoría energética ha determinado que la potencia requerída son sólo 11.7
kW. Se propone instalar un motor de 22 kW eficiencia IE3 (coste retrofit 264
Euros). Calular los ahorros possibles con la solución, teniendo un coste de 0.15
Euro/kWh de energía.
Ejemplo

16. Solución
Solución antigua Solución nueva
Potencia nominal [kW] 50 22
Eficiencia en el punto de trabajo
[%]
78 93.8
Consumo real [kW] 11.7/0.78 = 15 11.7/0.938 = 12.473
Ahorros en potencia [kW] 15 – 12.473 = 2.527
Ahorros anuales [kWh] 2.527*8*30*24 =14 555
Ahorros anuales [Euro] 14 555*0.15 = 2 183
Coste Motor [Euro] - 1 324
Coste Retrofit[Euro] - 264
Costes totales [Euro] - 1 588
Payback 1 588/2 183= 0.73