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161109 jornada eficiència citcea

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

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161109 jornada eficiència citcea

  1. 1. Eficiència energètica a la indústria: Accionaments elèctrics Dr. Andreas Sumper Cap de Grup Enertrònica 1
  2. 2. Contenido  Introducción  Pérdidas en motores  Normas  Tecnología de motores de alta eficiencia  Ejemplo 2
  3. 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
  4. 4. 4 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. 5. Introducción 5 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. 6. Introducción 6 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. 7. Perdidas en motores 7 • 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. 8. Perdidas en los motores  Factores de influencia 8 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. 9. Normas 9 • 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. 10. Normas de eficiencia  Normas futuras 10 • 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. 11. Tecnología de motores de alta eficiencia 11 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. 12. Tecnología de motores de alta eficiencia  Materiales de motores 12 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. 13. Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM) 13 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. 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 14 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. 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. 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

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