Ahorro de energia en motores.tecnologia weg

Transformando Energía en Soluciones

OPORTUNIDADES PARA EL AHORRO DE ENERGÍA
ELÉCTRICA A TRAVÉS DEL USO DE MOTORES DE
EFICIENCIA ALTA E INVERSORES DE FRECUENCIA

OPORTUNIDADES PARA EL AHORRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA A
TRAVÉS DEL USO DE MOTORES DE EFICIENCIA ALTA E
INVERSORES DE FRECUENCIA

PRESENTACIÓN


WEG nace en 1961 en la ciudad de Jaragua Do Soul, Estado de Santa Catarina al sur de Brasil,
siendo su primera razón social: “ELECTROMOTORES JARAGUA LTDA ”

Inicia operaciones el 16 de Septiembre de 1961 con un capital inicial equivalente a
$12 000,00 us dlls

El nombre de WEG nace de la conjunción
de las iniciales del nombre de sus fundadores:

W Werner Ricardo Voigt (Ing. Electricista)
E Eggon João Da Silva (Administrador)
G Gerarldo Werninghaus (Ing. Mecánico)

Del alemán:
PRIMER MOTOR WEG FABRICADO
WEG = camino POR ELECTROMOTORES JARAGUA LTDA


Producción anual de
9000000
motores:
1961 146 unidades 8000000

1965 9 486 unidades 7000000

1966 12 987 unidades 6000000
Unidades producidas
1970 45 560 unidades
5000000
1971 62 772 unidades
4000000
1972 104 134 unidades
3000000
1977 458 437 unidades
2000000
1978 631 536 unidades
1000000
1984 855 557 unidades
1985 1 034 879 unidades 0
1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005
2000 6 826 842 unidades Año

2001 8 040 700 unidades
2003 10 165 800 unidades


WEG actualmente cuenta con fabricas en:

JARAGUA DO SUL (BRASIL*):

PARQUE INDUSTRIAL I
PARQUE INDUSTRIAL II
FABRICA DE WEG QUIMICA

BLUMENAU (BRASIL):

FABRICA DE TRANSFORMADORES

SAU PAULO (BRASIL):

FABRICA DE APPLIANCE

ARGENTINA:

FABRICA DE ACCIONAMIENTOS
FABRICA DE APPLIANCE

PORTUGAL:

FABRICA DE MOTORES DE MEDIA Y ALTA TENSIÓN

MÉXICO:

FABRICA DE MOTORES DE BAJA TENSIÓN *Casa matríz y coporativo


WEG en México inicia sus operaciones como fabrica el
1o de Agosto del 2000.

Con una planta ubicada en Tlalnepantla, Edo. de México
con 200 empleados y una producción mensual de 5000
Motores trifásicos en baja tensión.

Hasta Agosto del 2004 esta planta fabricaba:

-Motores de inducción trifásicos en baja tensión desde 0,25hp
hasta 100hp.
-Generadores síncronos de polos salientes desde 21kVA hasta
600kVA.
-Tableros de control en baja tensión.

Y comercializaba:

-Motores monofásicos.
-Equipo de control (Inversores, Softstarters).
-Accionamientos (Relevadores, Interruptores, Capacitores, etc).
-Motores en Media y Alta tensión.
-Transformadores de Potencia


En Septiembre 17 del 2004, WEG México continúa sus operaciones en una planta nueva
ubicada en Huhuetoca, Estado de México.

En su fase inicial esta planta tiene 2 naves industriales con una superficie de 20 000m 2 cada
una, se preveé en la primera etapa de crecimiento pasar de 200 empleados a 400.

La nueva planta producirá:

Motores monofásicos: 250 000 anuales
Motores trifásicos en baja tensión de 1 a 500hp: 100 000 anuales
Motores trifásicos en media tensión hasta 5000hp y 4,1kV: 600 anuales
Generadores síncronos desde 21kVA hasta 600kVA: 850 anuales
Arrancadores a Tensión Reducida*: 500 anuales

Así mismo contará con laboratorios de:

Motores monofásicos
Motores trifásicos en baja y media tensión
Metrología e instrumentación

*Convencionales y electrónicos (sofstarters)


Continuando con la comercialización de:

- Motores de Alta Tensión
-Transformadores (Potencia, distribución, reactores, etc.)
- Accionamientos (contactores, arrancadores, interruptores, etc.)
- Equipo de control (Sofstarters, Drives)
- Pinturas, Barnices y Resinas

Incrementando su infraestructura para satisfacer las necesidades del mercado de motores
Especiales, tanto a nivel local como a nivel exportación.


Los motores de inducción tipo jaula de ardilla son los motores eléctricos más populares y
utilizados dentro del ámbito industrial y doméstico.

Tradicionalmente a este tipo de motor eléctrico se le ha considerado como “caballos de batalla”
y son empleados en un sinúmero de aplicaciones.


Su gran posicionamiento en los mercados lo han ganado gracias a que ofrecen:

-Una alta eficiencia en el proceso de conversión de energía electromecánica
-Un bajo costo de mantenimiento
-Una excelente relación entre tamaño de armazón y potencia útil de salida
-Una vida útil de operación adecuada
-Una gran facilidad de adaptación a aplicaciones especiales
-Un razonable precio de venta

Solo presentaban hasta hace algunos años dos características que en algunas aplicaciones los
dejaban en desventaja frente a otros tipos de motores eléctricos:

-Su comportamiento al arranque
-Su control de velocidad

Sin embargo, ahora con la aplicación de los inversores de frecuencia, ambas características han
sido controladas


El advenimiento de los inversores de frecuencia probocó en un inicio que se realizaran inversiones
en investigaciones para desarrollar motores para “uso con inversores”.

No fueron pocos los esfuerzos, así mismo dentro de estas investigaciones se tuvieron algunos
éxitos, pero también muchos fracasos.

Después de estas investigaciones se concluyó que era más rentable adaptar al motor estándar
de uso general para ser utilizados con inversores de frecuencia que tener una línea de
producción especializada en motores para “uso con inversores”.

Salvo en aplicaciones muy especiales se puede afirmar que el motor de uso general ha respondido
adecuadamente a las exigencias de los inversores sin necesidad de alteraciones en su fabricación.

Lo anterior y la popularidad cada día más creciente del uso de inversores ha hecho que el motor
de inducción tipo jaula de uso general, siga posicionándose cada día más en los mercados
industrial y doméstico.


Más aún, gracias a su construcción física, el motor de inducción con rotor tipo jaula, tiene
un excelente comportamiento dinámico, el cual puede ser utilizado cuando se requiera
arranques y paros contínuos, reversiones, control de velocidad, etc.

Lo anterior debido a que poseé un rotor con baja inercia, libre de conmutador, anillos rozantes
y escobillas, una gran rigidéz, y un control desde el diseño de la inductancia y resistencia.

Estas características no habían sido explotadas al máximo sino hasta el desarrollo del control
vectorial.

Por todo esto se puede afirmar que el motor de inducción tipo jaula junto con los inversores
de frecuencia representan una excelente alternativa de reemplazo contra los sistemas
tradicionales como puede ser el motor de CD y el motor de inducción con rotor devanado.


PRINCIPIOS BÁSICOS DE
OPERACIÓN DEL MOTOR DE
INDUCCIÓN


DEFINICIÓN DEL MOTOR DE INDUCCIÓN: Máquina eléctrica que
convierte energía eléctrica en energía mecánica

W per
W en
W sal

W en = Energía de entrada en forma eléctrica
W sal = Energía de salida en forma mecánica
W per = Energía perdida durante el proceso en forma de calor


PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA:

“LA ENERGÍA NO SE CREA NI SE DESTRUYE, SOLO SE TRANSFORMA”

Este enunciado puede ser expresado:

W en = W sal + W per

La energía eléctrica que entra es igual a la energía mecánica que sale más
Las pérdidas que ocurren durante el proceso


W en W sal

W per

DENTRO DEL MOTOR EXISTE UN
SISTEMA QUE CONVIERTE
LA ENERGÍA ELÉCTRICA EN
MECÁNICA


ESTATOR:
1. NÚCLEO (ACERO)
2. BOBINAS

ROTOR:
1. NÚCLEO (ACERO)
2. JAULA*
COMPONENTES DEL
SISTEMA DE CONVERSIÓN
DE ENERGÍA ELÉCTRICA EN
MECÁNICA

*LA JAULA DE ARDILLA ES EL DEVANADO DEL ROTOR, ESTE DEVANADO ESTÁ EN CORTO
CIRCUITO PERMANENTEMENTE Y EN MOTORES CHICOS EN COMUNMENTE
FABRICADO EN INYECCIÓN DE ALUMINIO SOBRE EL NÚCELO DE ROTOR
DIRECTAMENTE


Partes constitutivas de un motor de inducción tipo jaula TCCV


MOTOR DE USO GENERAL:

De acuerdo a NEMA MG 1, 2003; un motor de uso general es el correspondiente al motor
Diseño B y que cumple con:

Parámetro Símbolo Apartado/valor Tolerancia

Par de arranque T ARR 12.38.1 Mín

Par mínimo T M IN 12.40.1 Mín

Par máximo T MAX 12.39.1 Mín

Corriente de arranque I ARR 12.35.1 Máx

Deslizamiento s 5% Máx

Eficiencia η 12.60 12.59.2

Momento de inercia wk 2 12.55.1

Aislamiento F (155ºC)

Factor de servicio f.s. 1,15


CURVA PAR-CORRIENTE V.S. DESLIZAMIENTO DE MOTOR DISEÑO NEMA B

I/ I n T/ Tn I arr
(LRC)

6 Tmáx
NOMENCLATURA
Tarr
T = Par (LRT)
Tn = Par nominal 5
Tarr = Par arranque a rotor 2 Tmin
bloqueado
Tarro = Par de arranque en 4
vacío
Tmin = Par mínimo
Tmáx = Par máximo Tarro
I = Corriente 3 Tn
I n = Corriente nominal
I arr = Corriente arranque 1
I o = Corriente vacío 2
s = deslizamiento
sn = deslizamiento nominal In
(FLA)
1

s sn Io
0 0
1 0,5 0

Condición nominal (de placa de operación)


MOTORES DE EFICIENCIA
ALTA


DEFINICIÓN DE EFICIENCIA

Eficiencia = Potencia de salida / Potencia de entrada

Potencia de entrada = Potencia de salida + Pérdidas

Eficiencia = Potencia de salida / ( Potencia de salida + Pérdidas )

η = P sal / ( P sal + P erd )

De esta definición se deduce que las pérdidas y la eficiencia
tienen una relación inversa.


Las pérdidas en el motor se clasifican en:

1. FIJAS: No dependen del punto de carga de
operación del motor.

2. VARIABLES: Si dependen del punto de carga de
operación del motor.


Las pérdidas en le motor se clasifican en:

1. FIJAS: 1.1. Pérdidas mecánicas: - Fricción
- Ventilación
1.2. Pérdidas magnéticas: - Histéresis
- Corrientes
Parásitas

2. VARIABLES: 2.1. Pérdidas en el estator
2.2. Pérdidas en el rotor
2.3. Pérdidas indeterminadas


% DE PERDIDAS* TÍPICAS EN UN MOTOR DE 100HP
4 POLOS EFICIENCIA ALTA, TOTALMENTE CERRADO

Pérdidas mecánicas 0,33 kW 7,97 %
Pérdidas núcleo 0,74 kW 17,87 %
Pérdidas en estator 1,29 kW 31,16 %
Pérdidas en rotor 1,41 kW 34,06 %
Pérdidas indeterminadas 0,37 kW 8,94%

Total 4,14 kW 100,0 %

*De pruebas de laboratorio


% DE PERDIDAS* TÍPICAS EN UN MOTOR DE 100HP
4 POLOS EFICIENCIA ALTA, TOTALMENTE CERRADO

Potencia de salida 74,60 kW
Total de pérdidas 4,14 kW

Eficiencia = ( 74,60 / ( 74,60 + 4,14 ) ) ( 100 ) = 94,74 %

η = 94,74 %


PORCENTAJES TÍPICOS DE PERDIDAS EN LA
LITERATURA ESPECIALIZADA

Tipo de pérdida Prueba Docto 1 Docto2
(1999) (1995) (1994)

Pérdidas mecánicas 7,97 % 6,72 % 24 %
Pérdidas núcleo 17,87 % 25,37 % 29 %
Pérdidas en estator 31,16 % 47,26 % 20 %
Pérdidas en rotor 34,06 % 18,66 % 21 %
Pérdidas indeterminadas 8,94 % 1,99 % 6 %

Total 100 % 100 % 100 %


POTENCIA Polos
2 4 6
kW HP nom nom nom
0,746 1,0 75,5 82,5 80,0
1,1 1,5 82,5 84,0 85,5
1,5 2,0 84,0 84,0 86,5
2,2 3,0 85,5 87,5 87,5
3,7 5,0 87,5 87,5 87,5
Tabla de eficiencias 5,6 7,5 88,5 89,5 89,5
para motores TCCVE 7,5 10 89,5 89,5 89,5
de la NOM-016-2002 11,2 15 90,2 91,0 90,2
15 20 90,2 91,0 90,2
18,6 25 91,0 92,4 91,7
22 30 91,0 92,4 91,7
30 40 91,7 93,0 93,0
37 50 92,4 93,0 93,0
44 60 93,0 93,6 93,6
55 75 93,0 94,1 93,6
75 100 93,6 94,5 94,1
93 125 94,5 94,5 94,1
111 150 94,5 95,0 95,0
150 200 95,0 95,0 95,0


COMPARACION DE RESULTADOS V.S. LA NOM-016

Para el motor de 75kW (100HP):

Eficiencia obtenida de laboratorio: 94,7 %
Eficiencia nominal de la NOM: 94,5 %
Eficiencia mínima asociada (NOM): 93,6 %


DETERMINACION DE LA EFICIENCIA
(Método de prueba)

1. Para motores trifásicos:

NOM-016-ENER-2002; Eficiencia energética de motores de corriente
alterna trifásicos, de inducción, tipo jaula de ardilla, de uso general en
potencia nominal de 0,746 a 373 kW. Límites, métodos de prueba y marcado.

Publicada en el DOF el 13/ene/03
En vigor desde abr/03

2. Para motores monofásicos:

NOM-014-ENER-1997; Eficiencia energética de motores de corriente
alterna monofásicos, de inducción, tipo jaula de ardilla, de uso general en
potencia nominal de 0,180 a 1,500 kW. Límites, métodos de prueba y marcado.

Publicada en el DOF el 04/feb/97
En vigor desde ago/99


(Método de prueba)

Pasos en la prueba de eficiencia energética:

a. Medición de resistencia en frío
b. Prueba de estabilidad térmica
c. Determinación de incremento de temperatura
d. Prueba a diferentes cargas ( 150% - 25% )
e. Determinación de corrección de dinamómetro
f. Prueba sin carga a diferentes tensiones ( 150% - 50% )

Otras pruebas desarrolladas en el laboratorio:

g. Prueba a rotor bloqueado y tensión reducida
h. Prueba de arranque a tensión plena
i. Curva de par-corriente v.s. deslizamiento (velocidad)
j. Vibración
k. Medición de ruido


(Método de prueba)

Documentos internacionales:

1. IEEE STD 112-2001, Standard test procedure for polyphase induction
motors and generators

2. ANSI/IEEE STD 114-1982, Test procedure for single-phase induction
motors

3. CSA 390-98, Energy Efficiency test methods for three-phase induction
motors

4. NEMA MG-1/2003, Part 12, Motors and Generators


FACTORES QUE INFLUYEN EN EL NIVEL DE PERDIDAS

Diseño
Selección Proceso de
(aplicación) fabricación

PÉRDIDAS
Instalación Alimentación
eléctrica eléctrica

Instalación
mecánica


FACTORES QUE INFLUYEN EN EL NIVEL DE PERDIDAS

1. DISEÑO:

a. Acero Eléctrico:- Volumen
- Permeabilidad magnética
- Diseño de ranuras
b. Bobinados: - Factor de devanado
- Factor de relleno
c. Mecánico: - Rodamientos y lubricación
- Ventilador
- Transferencia de calor
- Disipación térmica


FACTORES QUE INFLUYEN EN EL NIVEL DE PÉRDIDAS

2. PROCESO DE FABRICACION:

a. Automatización de procesos
b. Control de Calidad
c. Precisión de maquinados
d. Fundición
e. Balanceo
f. Materia Prima



3. ALIMENTACION ELECTRICA:

a. Calidad en la señal
b. Tensión
c. Frecuencia



4. INSTALACION MECANICA:

a. Acoplamientos (ajustes)
b. Tensión en bandas
c. Sujeción mecánica
d. Alineación
e. Ventilación



5. INSTALACION ELECTRICA:

a. Conexión eléctrica
b. Tierras



6. SELECCION:

a. Nivel de carga
b. Tipo de operación
c. Temperatura ambiente
d. Altitud


El promedio de la eficiencia de un lote de producción deberá reportar
el valor de eficiencia nominal, y una muestra probada en el laboratorio
deberá al menos cumplir con el valor mínimo asociado

Eficiencia
(η)

η nom 94,5%

η minasoc 93,6%

Muestras del lote A


COMPARACIÓN ENTRE DISPOSITIVOS

Eficiencia
100

80

60

40

20

0
compresor motor motor motor motor
Diesel automóvil 75kW 75kW
ef std ef alta


QUE MOTORES NO DEBEN CUMPLIR CON LA NOM

1. Motores de uso definido o especial
2. Motores de alto par de arranque
3. Motores de 2 o más velocidades
4. Motores de más de 8 polos
5. Motores menores a 0,746 kW (1HP)
6. Motores superiores a 373 kW (500HP)


CUANDO SE JUSTIFICA UN MOTOR DE AE

1. Instalaciones nuevas
2. En la compra de equipo nuevo como: bombas
compresores, ventiladores, etc...
3. En el reemplazo de equipo viejo y en mal estado
4. En lugar de reembobinar
5. Como parte de un programa de ahorro de
eficiencia energética


COMO APROVECHAR AL MAXIMO LA AE

1. Cargas con operación continua
2. Nivel de tensión de acuerdo a placa
3. Tensión balanceada
4. Acoplamiento e instalación mecánica correcta
5. Buena ventilación
6. Instalación eléctrica correcta
7. Nivel de carga mecánica entre 85% y 100%
8. Mantenimiento de rodamientos


OTRAS ALTERNATIVAS PARA AHORRO DE
ENERGIA ELECTRICA

1. Motor + Inversor de frecuencia
2. Motores Hi-output
3. Arranque Y-D


(conceptos básicos)


DEFINICIÓN DEL INVERSOR DE FRECUENCIA: Dispositivo cuya función
es la de controlar la velocidad y par del motor a través de la transformación
de tensión y frecuencia fijas de la red de alimentación en tensión y
frecuencia variables

Tensión y frecuencia
Inversor
variables

Motor
Carga

Tensión y frecuencia fijas


CONFIGURACIÓN GENERAL DE UN INVERSOR DE FRECUENCIA (DRIVE)

Voltaje variable
Alimentación frecuencia variable
senoidal
trifásica
CD/CA
M
CA/CD Filtro 3~

Voltaje fijo
y frecuencia fija Unidad de control Sensor de velocidad
(mando)


Modulación de amplitud de voltaje de salida en una onda PWM

Fundamental Fundamental

RMS


u1 u2 u3

ωt
U
0 π 2π

u1 U/2

U/2

u2

u3

Pulsos

U

-U Onda fundamental

i1 Corriente


CONTROL DE PAR


Control de par
PAR
T/T N IARR TMAX

TARR
TMIN

A través del control de
TN
par se logra una mayor
precisión en el control
de la velocidad

S=1 DESLIZAMIENTO SN S=0
S


VELOCIDAD:
120 ⋅ f1 ⋅ (1 − s)
n=
p

DONDE: n = velocidad (min-1)
f1 = frecuencia de la red (Hz)
s = deslizamiento (pu)
p = número de polos

PAR Y FLUJO:
T = φm ⋅ I 2

V1
φm ≅
f1

DONDE: T = Par mecánico (Nm)
φm = flujo de magnetización (Wb)
I2 = corriente del rotor (A)
V1 = Tensión de alimentación en estator (V)


Curvas de salida del motor alimentado con inversor de frecuencia
Tensión (V)
Vn

fn
frecuencia (Hz)
Par (Nm)

Tn

Par
constante
fn
frecuencia (Hz)
Potencia (kW)
Pn

fn
frecuencia (Hz)


T/ Tn Tmáx T/ Tn Tmáx
APLICACIONES DE PAR CONSTANTE
Tarr Tarr
2 2
-LAMINADORAS
-INDUSTRIA DEL PAPEL Tacel Tacel

-INDUSTRIA CEMENTERA 1 1

-TRANSPORTADORAS Tcarga
-GRÚAS Tcarga
0 s 0 s
-ELEVADORES 1 0,5 0 1 0,5 0
Carga constante Aceleración lineal

APLICACIONES DE PAR VARIABLE T/ Tn Tmáx T/ Tn Tmáx
Tarr Tarr
-BOMBAS CENTRÍFUGAS 2 2

-VENTILADORES
Tacel
-COMPRESORES
1 1 Tacel

Tcarga
0 s 0 s
1 0,5 0 1 0,5 0
Aceleración cuadrática Volante de inercia


ASPECTOS PRÁCTICOS EN LA
APLICACIÓN DE INVERSORES
Y MOTORES


FENÓMENOS INHERENTES A LA OPERACIÓN DE
MOTORES CON INVERSORES DE FRECUENCIA

Cuando un motor es operado por un inversor de frecuencia, existen algunos
fenómenos inherentes que deben considerarse, ya sea para limitarlos o controlarlos.

Cada fabricante de motores tiene alternativas propias de acuerdo a su experiencia e
investigaciones que ayudan al Ingeniero Proyectista a lograr una buena selección en
la aplicación de motores con inversores.

WEG México recomienda no descuidar estos aspectos para garantizar una mejor
operación de los equipos, y pone a disposíción de sus clientes el apoyo de su
departamento de Asistencia Técnica para tal efecto.


LEMENTOS CONSIDERADOS EN EL ESTUDIO DE MOTORES PARA
SER USADOS POR INVERSORES DE FRECUENCIA

1. SISTEMA DE AISLAMIENTO (SOBRE TENSIONES)
2. SISTEMA DE AISLAMIENTO (ARMÓNICOS)
3. CORRIENTE EN RODAMIENTOS
4. LÍMITES DE VELOCIDAD MÁXIMOS RECOMENDADOS
5. PAR/POTENCIA CONSTANTE
6. REFRIGERACIÓN (BAJAS VELOCIDADES)
7. INSTALACIÓN ELÉCTRICA
8. AHORRO EN EL CONSUMO DE ENERGÍA


1. SISTEMAS DE AISLAMIENTO - SOBRETENSIÓN:

Cuando el inversor es utilizado en conjunto con el motor, los pulsos
de la señal en combinación con la impedancia en las terminales del
motor son causa de sobretensiones, estas sobretensiones pueden ser
repetitivas de tal
manera que dañen
el sistema de
aislamiento del motor,
siendo la parte más
vulnerable el inicio
de las bobinas.


PARA MOTORES HASTA 460V E INCLUSO, NO SE REQUIERE DEL USO DE FILTROS BAJO LAS
SIGUIENTES CONDICIONES:

Rise time del inversor: tr ≥ 0,1 µs*

Máxima tensión pico: VPICO ≤ 3,1 VNOM

Mínimo tiempo entre pulsos consecutivos: t mtep ≥ 6 µs*

Máxima frecuencia de conmutación: 5kHz

Máxima dv/dt (a la salida del inversor): dV/dt ≤ 5200 [V/µs]
Tensión VPICO

100% ( 2 )460
90%
∆V = (0 ,8 ) ( 2 )(460 ) = 520 ,4
10% dV ∆V 520 ,4 V
= = = 5204  
dt ∆t 0 ,1  µs 

∆t Rise time=0,1µs *información del fabricante


En la operación de motores con inversores de frecuencia, los criterios adoptados por
NEMA para evitar una posible degradación del sistema de aislamiento son:

NEMA MG1, 1998, parte 30: Motores de uso general usados con Inversores:

Para tensión ≤ 600V
V pico ≤ 1 kV
Rise Time (t r ) ≥ 2 µs
Para tensión > 600V
V pico ≤ (2,04)(V nom )

NEMA MG1, 1998, parte 31: Motores de uso específico usados con Inversores:

Para tensión ≤ 600V
V pico ≤ (3,1)(V nom )
Rise Time (t r ) ≥ 0,1 µs
Para tensión > 600V
V pico ≤ (2,04)(V nom )


2. SISTEMAS DE AISLAMIENTO - ARMÓNICOS:

Debido al tipo de señales que se manejan con la alimentación por inversores de frecuencia, se
generan armónicos que influyen en la operación del motor, algunos de los efectos son:

a. Aumento en la temperatura de operación
b. Aumento en el nivel de ruido
c. Aumento en la vibración
d. Aumento en la pérdidas
e. Disminución de la eficiencia


2.a AUMENTO EN LA TEMPERATURA
DURANTE LA OPERACIÓN T (°C)
CLASE F:
155°C
T =35°C
ALIMENTACIÓN SENOIDAL:

F.S. = 1.15
∆T = 80°C
AISLAMIENTO CLASE F
∆T=80°C

INVERSOR DE FRECUENCIA:

F.S. = 1.0
∆T = 115°C
AISLAMIENTO CLASE F TAMB=40°C


b NIVEL DE RUIDO:

ruido en un motor se puede definir como “una energía mecánica radiante la cual viaja en forma
esurizada a través del aire”.

un motor existen 3 fuentes principales de ruido:

Ventilador
Rodamientos
Magnético; zumbido debido a la excitación magnética en el núcleo

ta última causa está presente cuando el motor es alimentado con ondas senoidales, ya que el
tator presenta una vibración en las láminas que forman su núcleo de 60 veces por segundo;
ando la alimentación es con inversores, la señal de alta frecuencia aumenta este nivel de
ración incrementando el ruido magnético.

eneralmente este incremento se ve reflejado en la banda A; La siguiente tabla muestra algunas
ediciones de laboratorio registradas y comparadas entre el ruido de motores estándar al
r alimentados con señales senoidales y con inversor de frecuencia.


Como en la misma tabla se puede ver, no existe una regla general que se aplique sobre el
incremento en el ruido, ya que mucho dependerá de la compresión que el núcleo magnético
tenga durante su fabricación.

Nivel de presión sonora medio [dB(A)]

Frecuencia de Límite de
Alimentación
conmutación norma
Motor senoidal
2,5 kHz 5,0 kHz (60Hz) (IEC 34/9)

20hp 71,4 73,2 68,4 75
30hp 74,1 73,4 72,7 75
50hp 75,6 75,9 74,7 78
75hp 78,7 75,4 75,3 82
100hp 79,7 75,9 75,7 84


2.c NIVEL DE VIBRACIÓN:

La vibración también se ve incrementada al momento de alimentar a los motores con inversores
de frecuencia, un estudio de laboratorio hecho sobre un motor de 20hp, 4p, 60Hz, armazón 256T
arrojó los siguientes resultados:

5
2

6

Mediciones de vibración
hechas de acuerdo a
IEC 34-14: 3
4

1


Vibración (mm/s)
Conmutación Punto de medición
Hz IEC 34-14
(kHz) 1 2 3 4 5
2,5 0,50 0,45 0,15 0,30 0,30
10
5,0 0,60 0,25 0,15 0,40 0,15
2,5 1,40 1,10 0,60 0,90 0,80
30
5,0 1,30 0,95 0,55 0,90 0,95
2,5 0,95 1,25 0,55 0,45 0,60
50
5,0 0,85 1,20 0,40 0,40 0,60
2,5 0,95 1,10 0,70 0,40 0,60 2,80
60 5,0 0,95 1,15 0,50 0,45 0,40
Red senoidal 0,90 1,10 0,40 0,30 0,35
2,5 1,00 1,10 0,40 0,30 0,35
80
5,0 1,00 1,20 0,40 0,35 0,35
2,5 1,20 1,30 0,45 0,40 0,45
100
5,0 1,30 1,40 0,45 0,40 0,45


2. d y e AUMENTO DE PÉRDIDAS Y DISMINUCIÓN DE EFICIENCIA
DEFINICION DE EFICIENCIA

Eficiencia = Potencia de salida / Potencia de entrada

Potencia de entrada = Potencia de salida + Pérdidas

Eficiencia = Potencia de salida / ( Potencia de salida + Pérdidas )

P sal
η=
P sal + P erd

De esta definición se deduce que las pérdidas y la eficiencia tienen una relación inversa.


Las pérdidas en el motor se clasifican en:

Característica
Tipo Clasificación Origen/causa
s
Fricción
Mecánicas
No dependen de Ventilación
Fijas la carga del
Histéresis
motor Magnéticas
(núcleo) Corrientes
Parásitas
Estator Efecto Joule

Rotor Efecto Joule
Sí dependen de
Variables la carga del Flujo de fuga
motor Irregularidades en
Indeterminadas
láminas
etc.


El tipo de señal utilizada por los inversores de frecuencia, trae consigo una influencia en
todas las pérdidas del motor, dando como consecuencia una disminución en el nivel de eficiencia.

Hasta el momento la cuantificación del incremento en cada tipo de pérdida es un proceso
complicado, sin embargo analizando tres muestras de laboratorio:

η a carga plena y 60Hz
Potencia
Polos
(hp) Senoidal Inversor

15 4 87,69% 85,60%
40 4 91,70% 86,00%
75 4 92,68% 91,40%


3. CORRIENTE EN RODAMIENTOS:

on corrientes eléctricas inducidas en la flecha del motor y descargadas a través de los
odamientos, y básicamente se clasifican en:

) Deflujo homoplar: Debidas a un flujo magnético inducido desde el centro de la flecha y
etorna a través de la carcaza. Estas corrientes son de intensidad baja y normalmente su
fecto es despreciable.

) De flujo enlazado en la flecha (flujo de penetración): Son más comunes y de mayor
ntensidad que las anteriores, su efecto es importante sobre el rodamiento.


entro de las principales causas que originan estas corrientes están:

Cuando los rodamientos conducen corriente eléctrica.
Cuando la máquina tiene una autoinducción; Básicamente las tensiones eléctricas en la
flecha son producidas debido a una distribución asimétrica en el flujo magnético.
Cuando existen tensiones eléctricas creadas por cargas electrostáticas; La flecha, aislada
por la película lubricante en el rodamiento, es cargada eléctricamente hasta que el voltaje
es suficientemente grande para romper la película lubricante. Las corrientes eléctricas
fluyen instantaneamente a través del rodamiento y se presenta una caída de tensión,
este ciclo es repetido una y otra vez.

uando los motores son operados con inversores de frecuencia la causa b) es el principal
igen de esta corrientes.

ependiendo de la cantidad de densidad de corriente presente será la intensidad del daño en
damientos, se considera que densidades de corriente superiores a 2,1 A/mm 2 son suficientes
omo para provocar daño en rodamientos en menos de 1000 hrs. de trabajo contínuo.


os daños en rodamientos debido a estas corrientes se manifiestan:

) En forma de cráteres, estos son más comunes en rodamientos de bolas y estos cráteres
se presentan sobretodo en la parte interior de la pista exterior y sobre la superficie
de la bola
) En forma de flautas, estos aunque son más comunes en rodamientos de rodillos, también
se manifiestan en los rodamientos de bolas cuando el tamaño de cráter permite un
movimiento giroscópico de la bola y con el tiempo va formando el canal o flauta.

n ambos casos se tiene una contribución importante de parte del rodamiento al aumento del
uido en la operación del motor.


4. LÍMITES DE VELOCIDAD MÁXIMOS RECOMENDADOS :

Dependiendo de la construcción de cada motor existe un límite de velocidad que no se
recomienda sobrepasar para cada motor, en caso de tener una aplicación donde se deba
rebasar este límte es necesario consultarlo con el departamento de Asistencia Técnica.
Velocidad límite (min -1 ) motores TCCV/diseño a 60Hz
Potencia (CP)
2 polos 4 polos 6 polos
1 7200 3600 2400
1,5 7200 3600 2400
2 7200 3600 2400
3 7200 3600 2400
5 7200 3600 2400
7,5 5400 3600 2400
10 5400 3600 2400
15 5400 3600 2400
20 5400 3600 2400
25 5400 2700 2400
30 5400 2700 2400
40 4500 2700 2400


tabla anterior es un ejemplo de altas velocidades de operación máximas admisibles
a motores WEG y que deben considerar:

La tabla aplica a motores Eficiencia Premium de fabricación estándar, diseño NEMA B.
Se puede tener una tolerancia respecto a las velocidades de la tabla en un +10% por un
tiempo de 2 minutos.
Los motores pueden mantener una potencia constante hasta 90Hz1).
En algunas aplicaciones puede ser necesario un balanceo más preciso1).
El ruido en el rango de velocidades de la tabla puede ser mayor al especificado por NEMA 2).
La vida útil de los rodamientos puede verse disminuida en este rango de velocidades.
Para velocidades y potencias no enlistadas favor de contactar con el departamento de
Asistencia Técnica.
Para aplicaciones con cargas radiales severas o irregulares, se recomienda verificar el
tamaño del rodamiento, así como la grasa empleada.

ra condiciones de operación especiales se recomienda contactar con el departamento de Asistencia Técnica
aumento en el nivel de ruido tiene 2 componentes básicos: armónicos y ventilador


. PAR/POTENCIA CONSTANTE:

uando un motor es especificado 4:1, esto significa que el motor puede trabajar en un rango de
4, 2/4, 3/4 y 4/4 de su frecuencia nominal a par o potencia nominal constante para cada valor
e frecuencia manteniendo el incremento de temperatura.

sí por ejemplo, un motor de 20CP, 4polos especificado 4:1, con los siguientes datos de placa:

Potencia: 20hp
polos 4
Tensión: 460V
Frecuencia: 60Hz
Velocidad nominal: 1760 min-1
Par nominal: 80,95 Nm

eberá poder mantener el par de 80,95 Nm a 15Hz, 30Hz, 45Hz y 60Hz alimentado por un
versor con fs=1,0 y ∆T=115°C para cada punto de frecuencia.


omercialmente los motores para ser usados por inversores son especificados en las siguientes
aciones en Par constante:

1 (15Hz, 30Hz, 45Hz y 60Hz)
:1 (6Hz, 12Hz, 18Hz, 24Hz, 30Hz, 36Hz, 42Hz, 48Hz, 54Hz y 60Hz)
00:1 (desde 0,06Hz)

mismo sucede para la Potencia constante a las mismas relaciones de frecuencia.

ra el caso de motores 1000:1 estos motores son suministrados con refrigeración forzada y
la mayoría de los casos se suministran en el armazón correspondiente a la siguiente potencia
tandarizada, esto es: Un motor de 25CP, 4p que normalmente se fabrica en armazón 284T, en
rigeración forzada se suministrará en un armazón tamaño 286T.


. REFRIGERACIÓN (BAJAS VELOCIDADES):

omo hasta el momento se ha expuesto, el incremento de temperatura por la operación del
otor con inversor de frecuencia, así como la operación en bajas frecuencias, hace que para
gunas aplicaciones sea necesario la refrigeración forzada.

in embargo cuando el proyecto no requiera de motores con refrigeración forzada y sean
ilizados motores de fabricación estándar, se recomienda tener algunas precauciones para
vitar un mal desempeño en su sistema de refrigeración propio:

Instalar los motores en lugares donde se permita una libre circulación de aire fresco
No bloquear las rendijas de la cubierta del ventilador
No exponer el motor a radiaciones de calor inecesarias
Asegurar:
- Un buen acoplamiento mecánico con la carga (poleas, bandas, coples, etc.)
- Una buena instalación eléctrica (conexión, aislamiento, tierras, etc.)
- Un nivel de carga adecuada

sí mismo es posible tener un incremento en el nivel de ruido por fuentes electromagnéticas.


7. INSTALACIÓN ELÉCTRICA:

s recomendable tener una instalación eléctrica de acuerdo a las normas NOM aplicables al
aso, así mismo verificar que:

. Garantizar una buena puesta a tierra del inversor y motor
. No compartir el sistema de tierras con equipos que operen con corrientes elevadas
. No tener una distancia mayor a la recomendada por el fabricante entre motor e inversor
. Uso de filtros


. AHORRO EN EL CONSUMO DE ENERGÍA:

e pueden tener importantes ahorros en el consumo de energía eléctrica cuando se hace una
decuada proyección del grupo motor-inversor.

obre todo cuando en el proceso se tenga variaciones en la carga, a través del control de par
elocidad se puede tener un buen rendimiento en la operación.

emplos típicos son en aplicaciones de bombas de agua, refigeración y aire acondicionado, etc.

continuación se expone un ejemplo sencillo de una aplicación enfocada a sustituir el control
e flujo de agua hecho por válvula y se propone el control por el inversor.

s importante señalar que para poder hacer una buena proyección es necesario tener algún
ndamento de la aplicación en cuestión, para este caso en particular es recomendable
n conocimiento básico de los conceptos manejados en bombas de agua y comportamiento
e la curva de operación del motor.


EJEMPLO DE SELECCIÓN


El trabajo desarrollado por la partícula al recorrer
una distancia dl es:
y dτ = w · dl = w dl cos α
dy = dl cos α posición B
por lo tanto:
dτ = w dy
dτ = W dy
y el trabajo desarrollado durante la trayectoria A-B es: peso w

∫
A
τ= W dy = W ( y A - y B ) = - W H
B α dl

H
El signo es negativo debido a la
referencia de ejes tomado yB
peso w
La potencia está dada
por: P = τ / t

posición A

yA
peso w


POTENCIA TEÓRICA: Es la potencia transmitida a la bomba por el motor, para que esta produzca la carga
necesaria

POTENCIA REAL: Es la potencia que se debe proporcionar a la bomba para que esta eleve el agua, esto
implica que la bomba además de vencer el nivel H, a este se le deberá anexar el nivel h’ el cual constituye
a las perdidas por conducción

en forma matemática:

PT = γ Q H

P R = γ Q ( H + h’ )

sin embargo a esta potencia real se le deberá considerar la eficiencia de la bomba, la cual esta expresada
por η’ e incluyéndola en la ecuación:

P R = γ Q ( H + h’ ) / η’

siendo esta ultima la potencia real requerida por la bomba y el sistema y con la cual el motor es elegido

PM = P R

donde: P M = Potencia del motor


con base a la ecuación de potencia:

P =τ/ t

esta puede ser expresada en función a las características de un liquido cuyo gasto es:

Q = v / t

donde: v = volumen que pasa por un tubo en un tiempo t
γ = peso especifico

la ecuación de potencia se puede transformar en:

P =γ Q H

finalmente se puede expresar:

Energía = Potencia por tiempo en horas trabajado


DETERMINACION DE CURVA Q-H PARA LA BOMBA Y EL SISTEMA

η 65%
válvula H v1 η 70%
manómetro v2 η 80%
η 70%
v3 η 65%
bomba v4

η 85%
agua
v1>v2>v3>v4
esquema general de prueba
para obtener la curva Q-H Q


SITUACION: una bomba esta proyectada para trabajar 8 horas bajo las condiciones de gasto indicadas en
la figura, analice el consumo de energía cuando el gasto es controlado por válvula y por inversor

líquido:
agua Q = 0,024 m3/s
Condiciones de operación durante el día
Q
1 1
0,6
H = 54 m
0,3

2 4 6 8 hrs
η b = 0,86
tiempo de uso = 8 hrs diarias

Velocidad de giro
n = 3600 min-1


Selección del motor adecuado para las condiciones descritas

líquido: Utilizando la ecuación de potencia real adecuada para unidades en ( kW )
Q = 0,024 m3/s y calculando para Q = 0,024 m3/s (condición máxima de operación)
agua
PR = γ Q ( H + h’ ) / η’
PR = ( 9,81 ) Q H / η b ( kW )
PR = ( 9,81 )( 0,024 )( 54 ) / ( 0,86 ) ( kW )
PR = 14,78 ( kW )

H = 54 m como P R = P M

se requiere un motor de: 14,78 kW = 19,71 CP

se elige un motor de: 20 CP, 2 polos

Velocidad de giro
η b = 0,86 n = 3600 min-1



Revisión del equipo seleccionado (arranque directo):

Datos del motor: 20 cp ( 15 kW ) Datos rodete: D = 250 mm
3520 min -1 ancho = 23 mm
cos φ = 0,90 peso = 5,15 kg
I = 23,3 A J r = 0,0402 kgm 2
V = 460 V Datos bomba: potencia = 21 cp ( 15,7 kW )
f = 60 Hz T l = 4,245 kgm
T = 40,5 Nm T l = 41,65 Nm
T st = 200 % ( 81 Nm )
I st = 620 % ( 144,5 A )
T max = 250 % ( 101,3 Nm )
J = 0,11539 Kgm 2
η = 90,2 %

J total = 0,0402+0,11539 = 0,15559 kg-m 2 PAR NOMINAL

T acc = ( 0,45 )( T st + T max ) - ( 1/3 )( T l ) PAR “T” (p.u.)
T acc = ( 0,45 )( 81 + 101,3 ) - ( 1/3 )( 41,65 ) G A
AR
T acc = 68,15 Nm AC
EL
RD
PA
t st = ( J total ) ( k 1 / T acc )
t st = ( 0,15562 ) ( 415 / 68,15 ) DESLIZAMIENTO “S” (p.u.)
t st = 0,95 s
CURVA DE PAR VELOCIDAD V.S. PAR DE LA CARGA

CURVAS CARACTERÍSTICAS EN FUNCIÓN DE LA POTENCIA DE SALIDA
Motor Trifásico de Inducción - Rotor tipo Jaula
0,0

C - Deslizamiento (%)
100 1,0
C
90 0,9 1,0
A
80 0,8 2,0
B
70 0,7 3,0

60 0,6 4,0

50 0,5 5,0

40 0,4 80

D - Corriente 230V (A)
B - Factor de potencia

60
A - Eficiencia

40
D
20

0
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130
Potencia de salida en relación a la Potencia nominal (%)

Cliente: : WEG México
Línea de producto : W21 Sebere Duty High Efficiency

Potencia : 20,0 CP Ip/In : 6,20 - Código G
Carcaza : 256T Régimen de servicio : S1
-1
Velocidad nominal : 3520 min Factor de servicio : 1,25
Frecuencia : 60 Hz Categoría :B
Tensión nominal : 208-230/460 V Par de arranque : 200 %
Clase de asilamiento :F Par máximo : 250 %
Corriente nominal : 51,4-46,5/23,3 A

CURVAS CARACTERÍSTICAS EN FUNCIÓN DE LA VELOCIDAD
Motor Trifásico de Inducción - Rotor tipo Jaula
5,0 10

B - Corriente (Ip/In)
C
4,5 9,0
A
4,0 8,0
B
3,5 7,0
B
3,0 6,0

2,5 5,0
A
2,0 4,0

1,5 3,0

1,0 2,0
A - Par (T/Tn)

D
0,5 1,0

0,0 0,0
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Velocidad (%)

Cliente: : WEG México
Línea de producto : W21 Sebere Duty High Efficiency

Potencia : 20,0 CP Ip/In : 6,20 - Código G
Carcaza : 256T Régimen de servicio : S1
-1
Velocidad nominal : 3520 min Factor de servicio : 1,25
Frecuencia : 60 Hz Categoría :B
Tensión nominal : 208-230/460 V Par de arranque : 200 %
Clase de asilamiento :F Par máximo : 250 %
Corriente nominal : 51,4-46,5/23,3 A


Dimensiones físicas del motor seleccionado (armazón 256T)

2E 2F H BA A
10,000 10,000 0,531 4,250 12,126
B C D G J
11,732 24,945 6,250 0,817 2,520
K O P T S
2,559 12,431 12,283 2,087 0,375
R ES N- W U AB
1,406 2,756 4,000 1,625 10,079
AA d1
NPT 1,1/ 2" A4
dimensiones en pulgadas


Si se analiza el control por válvula y de acuerdo a la curva H-Q de la bomba, al motor se le demandará
la siguiente potencia por cada periodo de operación:

H
1,15H
líquido:
Q 1,1H
agua
1H

H Q
0,3Q 0,6Q 1Q

a. Para las 2 primeras horas: P R = 14,78 kW
b. Para las 2 segundas horas: P R = 4,73 kW
velocidad c. Para las 2 terceras horas: P R = 14,78 kW
de giro d. Para las ultimas 2 horas: P R = 9,75 kW
ηb
n
Por cada etapa de demanda de potncia de la bomba se debe evaluar la energía
demandada por el motor a la red de alimentación.
Lo anterior se hace utilizando las curvas características en función de la potencia
de salida del motor; Para este caso:


Las eficiencias para los puntos de demanda de potencia por la bomba al motor
son:

líquido: a. η = 90,0 %
agua Q b. η = 86,0 %
c. η = 90,0 %
d. η = 89,0 %

La energía demandada a la red por cada etapa es:

a. P IN = 14,78 / 0,900 = 16,42 kW
H b. P IN = 4,73 / 0,860 = 5,50 kW
c. P IN = 14,78 / 0,900 = 16,42 kW
d. P IN = 9,75 / 0,895 = 10,89 kW

Los kWh consumidos son:

velocidad a. kWh = (16,42)(2) = 32,84 kWh
de giro b. kWh = (5,50)(2) = 11,00 kWh
ηb
n c. kWh = (16,42)(2) = 32,84 kWh
d. kWh = (10,89)(2) = 21,78 kWh

tiempo de uso = 8 hrs diarias El costo de la operación será:

costo diario = ( 32,84+11,00+32,84+21,78 )( 1,00* ) = $ 98,46

*Solo para fines demostrativos se asume una tarifa de 1 kWh = $1,00 mx pesos


En el caso de control por inversor de frecuencia, se utilizará las mismas curvas características de operación
para el motor y la bomba, pero para esta última ahora en lugar de “movernos” en una curva a velocidad
constante, lo haremos en curvas de diferentes velocidades, tal como se muestra la figura:

H
líquido:
agua Q

1H

0,5H
0,45H
H
v3 v2 v1
0,3Q 0,6Q 1Q Q

Con este nuevo esquema se tiene una potencia demandada al motor:

velocidad a. primeras 2 horas: P R = 14,78 kW
de giro b. segundas 2 horas: P R = 1,99 kW
ηb
n c terceras 2 horas: P R = 14,78 kW
d. ultimas 2 horas: P R = 4,43 kW
Nuevamente acudimos a la curva del motor para obtener la demanda de energía
Del motor a la red.

Las eficiencias para los puntos de demanda de potencia por la bomba al motor
ahora son:

a. η = 90,0 %
líquido: b. η = 73,5 %
agua Q c. η = 90,0 %
d. η = 84,5 %

La energía demandada a la red por cada etapa es:

a. P IN = 14,78 / 0,900 = 16,42 kW
b. P IN = 1,99 / 0,735 = 2,71 kW
H c. P IN = 14,78 / 0,900 = 16,42 kW
d. P IN = 4,43 / 0,845 = 5,24 kW

Los kWh consumidos son:

a. kWh = (16,42)(2) = 32,84 kWh
velocidad b. kWh = (2,71)(2) = 5,42 kWh
de giro c. kWh = (16,42)(2) = 32,84 kWh
ηb d. kWh = (5,24)(2) = 10,48 kWh
n

El costo de la operación será:
costo diario = ( 32,84+5,42+32,84+10,48 )( 1,00* ) = $ 81,58

El costo diario de operación se reduce en un 17,15%

*Solo para fines demostrativos se asume una tarifa de 1 kWh = $1,00 mx pesos


Arreglo típico de laboratorio para realizar pruebas a un motor alimentado por
un inversor de frecuencia

Inversor de frecuencia
Torquímetro

Motor a prueba Dinamómetro

Transformando Energía en Soluciones

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