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Motores ABB de Alta Eficiencia

© ABB BU LV Motors October 11, 2010 | Slide 1

Motores ABB de Alta EficienciaNuevos estándares IEC

Ing. Ulises [email protected]

� Eficiencia energética ......

�…...porque es tan importante?


Razones para el ahorro energético

� El protocolo de Kyoto : reducir la emisión de CO2

� Este compromete a los paises a reducir las emisiones de gasesEste compromete a los paises a reducir las emisiones de gases

� Por ejemplo: La UE debe incrementar su eficiencia en 1% al año

� La producción de electricidad es muy cara

� Incremento de precios

� El consumo de petróleo, aumenta más rápido de lo que se encuentra.


� El consumo de petróleo, aumenta más rápido de lo que se encuentra.

� El mundo consume más de 25 Giga barriles/año, y solo se encuentran 10 Giga barriles/año

� Si esto continúa agotaremos nuestras reservas en menos de 20 años

Consumo eléctrico de motores en relación al consumo eléctrico total de varias industrias

� Plantas que producen Gases industriales 92%

� Plantas de Pulpa y Papel 84%

� Refinerías de Petróleo 82%

� Plantas de Químicas inorgánicas industriales 77%

� Plantas de Cemento 74%

� Plantas de materiales plásticos y de resinas 64%


Sources: Manufacturing Energy Consumption Survey 1991, Census of Manufacturers 1992

Costo del ciclo de vida de un motor eléctrico

Energía 97 % Un rebobinado 1% Costo de compra 2%


Afirmaciones

� Motores usan un promedio de 65% de la energía eléctrica en las plantas

� Motores normalmente trabajan con menos de 60% de su carga nominal y � Motores normalmente trabajan con menos de 60% de su carga nominal y como consecuencia tienen eficiencia baja.

� Motores pueden fácilmente superar su costo de compra dentro de pocos meses con los costos de la energía eléctrica.

� Muchos motores trabajan sin equipamiento de control (inversores), en instalaciones donde el control de la velocidad podría significar grandes ahorros de energía y costo

� Históricamente motores eran sobredimensionados para obtener una


� Históricamente motores eran sobredimensionados para obtener una margen de “seguridad”

Motores sobredimensionados

� Mediciones hechas en la industria de proceso

� Mediciones en industrias de proceso muestran que los motores instalados en promedio están cargados con solamente 50% de su potencia nominal

Aproximadamente 25% de los motores están cargados con menos que 30% � Aproximadamente 25% de los motores están cargados con menos que 30% de su potencia nominal (estos motores trabajan con una eficiencia muy baja y un factor de potencia también muy bajo)

� Consecuencias del uso de motores sobredimensionados

� Precio de compra mas alto

� Mayor consumo de energía eléctrica pues la eficiencia del motor disminuye con grados de carga inferiores al nominal.


� Costos mas altos de la distribución de energía pues aumenta el consumo de las potencias aparente y reactiva.

� Costos mas altos por tener que dimensionar otro equipamiento para el tamaño del motor (por ejemplo interruptores mas grandes)

Eficiencia, definición

PPInputPPInput

LossesP∑

PPoutput


� Eficiencia es la razón entre la Potencia de salida y la potencia de entrada

� Alta eficiencia significa que el motor convierte la mayor cantidad de potencia eléctrica en potencia mecánica (menos pérdidas)

Que factores hacen el motor eficiente?

Perdidas de los rodamientos, del ventilador (perdidas de fricción) (10%) - Ventilador menor- Sellos de los rodamientos

Perdidas del rotor (24%)- Acero de bajas perdidas- Laminaciones mas delgadas

- Sellos de los rodamientosPerdidas del estator (18%)- Acero de bajas perdidas- Laminaciones mas delgadas


Perdidas del cobre del estator (34%)-Optimización en colocar cobre en las ranuras-Conductores mas grandes

Perdidas del flujo magnético (14%)- Geometría optimizado de las ranuras

Exactitud en la producción

Optimizado No optimizado

� Características de un devanado de alta calidad

Alambre de cobre de alta pureza

Calidad del motor – Los devanados

Optimizado No optimizado� Alambre de cobre de alta pureza

� Optimización en colocar cobre en las ranuras

� Sistema de alta calidad de aislamiento y de impregnación de las ranuras

� Sistema de alta calidad de


aislamiento entre fases

� Acero del estator de alta calidad

IE1 Pentrada: 81,4kWIE2 Pentrada : 78,8kW

Tipo de Motor :M3AA 250 M

Ejemplo de ahorro energético

3.8kW

Pérdidas reducidas

Input

Output

Eficiencia IE1 : 92,14%

Eficiencia IE2 : 95,18%

75kW


Si el nivel de eficiencia incrementa 3% ,la reducción de pérdidas es 40%

Pérdidas reducidas

Output

6.4kWpérdidas

75kW

ABB EFF1 110 kW η = 95.6%ABB EFF2 110 kW η = 92.5%

Ejemplo de ahorro energético

ABB EFF1 Pentrada = 110/95.6 • 100 = 115.1 kWABB EFF2 Psalida = 110/92.5 • 100 = 118.9 kW (diferencia 3.8 kW )

Costos Operativos = X/año (8760 h, 0.05 US$/kWh)

ABB EFF1, C = 115.1 • 0.05 • 8760 = 50 414 US$ABB EFF2, C = 118.9 • 0.05 • 8760 = 52 078 US$


Ahorro = 1 664 US$ / año

Herramientas de software en Internet

� DriveSize� Herramienta extremadamente

fácil para dimensionamiento de fácil para dimensionamiento de motores y variadores de frecuencia

� Hoja de datos� Curvas

� Eff Save � Herramienta que calcula el retorno


� Herramienta que calcula el retorno de la inversión y la reducción de emisiones de gases que contribuyen al incremento de la temperatura global cuando usa motores ABB de alta eficiencia

Ventajas de usar motores de Alta Eficiencia.

� Ahorro de energía (reducción el las cuentas eléctricas)

� Intervalos de mantenimiento más largos (ahorro en horas-hombre).(ahorro en horas-hombre).

� Mínimo riesgo de parada de la producción.

� Mayor vida útil del motor (menor temperatura en el motor)

� Menor nivel de ruido

� Reduce el nivel de emisiones de CO2

Process Performance


En la Práctica

� Cúando invertir en Motores de Alta Eficiencia?

� Para todas las nuevas instalaciones

� En vez de rebobinar motores estándares antiguos

� Motores con ciclo de trabajo S1 (8760hrs/año)

� Para reemplazar motores sobredimensionados

� Para aplicaciones con variadores de velocidad.

� Como parte de un mantenimiento preventivo de un programa de conservación de energia.


programa de conservación de energia.

Niveles de Eficiencia


Motores Process Performance –Estan garantizados!

� Los 3 años de garantía que ofrece ABB es una prueba más, tanto de la gran experiencia en tanto de la gran experiencia en los entornos industriales, como de la absoluta seguridad y confianza que acreditan nuestros productos

� Cada motor ABB para la industria de proceso tiene una vida útil esperada no inferior a los 30 años operando a pleno


rendimiento

Motores y Conversores de Frecuencia

� Diseñado para Variador de velocidad como estándar

� Gran Stock de motores hasta frame 350 , UN≤ 500 V

� Eje preparado para encoder desde carcasa 160

� Opción de ventilación separada

� fácil modificacion

� Usa el mismo ventilador

� Bajo nivel de ruidol

Bobinado diseñado para VSD


� Bobinado diseñado para VSD

� Rodamientos aislados sobre 100 kW

Mejoras Motor Alta eficiencia

Diseño de carcaza� Diseño circular

� Incrementa el área de refrigeración, hasta 20% máshasta 20% más

� Mejora el sistema de ventilación


Old160-250

New160-250

Ventilación mejorada > Incremento de la vida útil del rodamiento

Motores nuevosmotores anteriores

59 °C46 °C

46 °C46 °C

Winding 75 °C

46 °CWinding 81 °C

Resultados: Incremento de temperatura del bobinado reducido en 6K


Resultados: Incremento de temperatura del bobinado reducido en 6K Incremento de temperatura del rodamiento lado de 41K a 28K.Diferencia entre rodamiento lado D y N reducido de 26 K hasta 10K.

La temperatura del motor está mejor distribuída..

VästeråsVaasa

MilanoSabadell

Helsinki

Menden Polonia

Motores de baja tensión en el mundoFabricas y centros de distribución

ShanghaiDelhi

Bangalore

MilanoSabadell

OsascoBetim

ArequipaLima

Panamá

Singapore

Santiago

BogotáCaracas

Quito

San José


Fábrica Motores BT

Alroude

Fábrica Maquinas MT

ABB workshop

Fábrica Motores CC

Machines service centerLV Motor stock

Authorized 3rd party workshops

Buenos Aires

Fábrica Motores BT nuevas 2009

Métodos de medición de Eficiencia


Métodos de medición de EficienciaIEC 60034-2-1(2007)

Introducción

� El esquema europeo de clasificación de eficiencia para motores AC de baja tensión fue introducido en 1998 y estableció tres niveles de eficiencia EFF1, EFF2 y EFF3, estableció tres niveles de eficiencia EFF1, EFF2 y EFF3, siendo EFF1 el nivel más alto.

� El esquema especificaba que la eficiencia debería ser medida de acuerdo con el estándar EN / IEC 60034-2: 1996.

� Esto ha sido reemplazado con un Nuevo estándar IEC, IEC 60034-2-1, el cual entró en vigencia en Setiembre del 2007; y también será publicado como EN 60034-2-1 en el


2007; y también será publicado como EN 60034-2-1 en el nivel CENELEC.

� Este nuevo estándar introduce nuevas reglas concernientes a los métodos de prueba que serán usados para determinar las pérdidas y la eficiencia.

Norma Técnica Peruana (NTP)

� Actualmente, en el Perú se viene elaborando la Norma Técnica Peruana (NTP), con la colaboración de algunas entidades involucradas de cerca en el tema de los motores entidades involucradas de cerca en el tema de los motores eléctricos de corriente alterna tales como entidades públicas del Estado, fabricantes, Universidades, distribuidores, Talleres, etc. El propósito de esta norma es lograr una estandarización en los niveles de eficiencia de los motores eléctricos comercializados en el mercado local, los cuales estarán basados en los nuevos estándares.

� A continuación una breve descripción de los nuevos


� A continuación una breve descripción de los nuevos métodos.

¿ Cómo se mide la eficiencia de un motor?

� La eficiencia de un motor se define como la relación entre la potencia de salida (mecánica) y la potencia de entrada (eléctrica). Esta puede ser medida directa e indirectamente.

� Medición directa , implica el cálculo de la potencia de entrada en base al voltaje y la corriente consumida y la potencia de salida basada en la velocidad de rotación y el torque.

� Medición Indirecta , implica el cálculo de la potencia de entrada y el


cálculo de la potencia de entrada y el cálculo de la potencia de salida en base a las pérdidas dentro del motor.

Pérdidas en el motor

PfrictionPentrada Piron

Protor

Pinput = Electrical power inputPoutput = Mechanical power output

Psalida

PLL

Pbobinadon

Las pérdidas en el motor se pueden separar en cinco principales áreas:

Pérdidas en el cobre


Pérdidas en el hierro

Pérdidas en el rotor

Pérdidas por fricción y ventilación

Pérdidas de carga adicionales

Las Pérdidas de carga adicionales son debido a: dispersión de flujo, imperfecciones mecánicas en el entrehierro, etc

De estos, los cuatro primeros tipos de pérdidas pueden ser determinados por la potencia de entrada y la corriente del motor. Laspérdidas por dispersión de carga son mucho más difíciles de determinar, por lo que se le permite a los fabricantes usar un estimado basado en la potencia del motor.

¿Cómo cambiarán los valores de eficiencia entre el antiguo y el Nuevo estándar?

� ¿Cómo cambiarán los valores de eficiencia entre el antiguo y el Nuevo estándar?

� La siguiente tabla muestra ejemplos de cómo variarán los valores de eficiencia para tres diferentes tamaños de motor.diferentes tamaños de motor.

� Note que los valores de diferentes fabricantes pueden no ser comparables.

� Potencia NominalMétodo antiguoEN/IEC 60034-2: 1996Método NuevoIEC 60034-2-1: 2007-2009Motor 7.5 KW,2 polos88.4%87.9%Motor 11 KW,4 polos90.9%90.3%Motor 160 KW,4 polos96.0%95.4%

Potencia Nominal Método antiguo Método Nuevo


Potencia Nominal Método antiguo

EN/IEC 60034-2: 1996

Método Nuevo

IEC 60034-2-1: 2007-2009

Motor 7.5 KW,2 polos 88.4% 87.9%

Motor 11 KW,4 polos 90.9% 90.3%

Motor 160 KW,4 polos 96.0% 95.4%

Como han cambiado los métodos de medición de eficiencia con el Nuevo estándar?

Medición de la eficiencia por el esquema de clasif icación europeo

Método antiguoEN/IEC 60034-2: 1996

Método NuevoIEC 60034-2-1: 2007-2009

Método Directo Método Directo

Método Indirecto:• Pérdidas por dispersión de carga

estimadas como 0.5 % de la potencia de entrada a plena carga

Método Indirecto:• Pérdidas por dispersión medidas• Pérdidas por dispersión de carga

estimadas como 2.5 % - 0.5 % de la potencia de entrada a plena carga

• Eh star – método alternativo con cálculos matemáticos de las pérdidas por dispersión de carga


Las pérdidas en el bobinado del estator y rotor son determinadas a 95°C

Las pérdidas en el bobinado del estator y rotor son determinadas a [ 25° C + temperatura rise medida]

Como han cambiado los métodos de medición de eficiencia con el Nuevo estándar?

� El nuevo método está basado en la medida real de las pérdidas por dispersión de carga bajo los estándares IEEE 112-B (2004) y CSA 390. Este será probablemente mucho más usado bajo el nuevo estándar. será probablemente mucho más usado bajo el nuevo estándar.

� El método indirecto fue muy usado por los fabricantes bajo el estándar antiguo.

� Sin embargo las reglas referidas a la estimación de las pérdidas por dispersión de carga se han hecho más exigentes bajo el nuevo estándar y los nuevos valores ahora están tomando en cuenta la medición de las pérdidas.

� El Nuevo estándar también introduce nuevos métodos opcionales:

� • Pérdidas por dispersión de carga halladas por medición


� • Pérdidas por dispersión de carga estimadas a 2.5% - 0.5% de la potencia de entrada a potencia nominal.

� • Eh star: Las pérdidas son medidas indirectamente, las pérdidas por dispersión de carga se calculan matemáticamente.

Valor asignado para pérdidas adicionales de carga(PLL)

3.00

2.50

PLL in % of P1_input

PLL_IEC60034-2-1 PLL_IEC60034-2_1996

2.50

2.00

1.50

1.00

0.50

0.000.1 1 10 100 1000 10000 100000

Rated output P2 kW

New standard

Old standard


0.1 1 10 100 1000 10000 100000

CEMEP range 1.1 kW - 90 kW

LV Motors range

� Nuevo estandar: PLL se asigna un valor de 2.5% - 1.0 % de la potencia de entrada a plena carga entre 0.1kW y 1000 kW

� Antiguo standard: PLL = 0.5% de la potencia de entrada.

� ¿ Cómo puede un usuario identificar cuál método de medida ha sido usado?Bajo el Nuevo estándar, los fabricantes pueden seleccionar cuál de los métodos de medición usarán. La documentación del motor deberá especificar el método usado.

Se debe notar que los valores de eficiencia entregados por � Se debe notar que los valores de eficiencia entregados por diferentes fabricantes se pueden comparar solamente si ambos usaron el mismo método.

� Cuál es la posición de ABB ?� Bajo este Nuevo estándar de eficiencia (IEC 60034-2-1: 2007-

09),

� ABB utiliza el Nuevo método indirecto con determinación de las pérdidas por dispersión de carga halladas por medición.


� Al mismo tiempo ABB está preparado para adecuarse al Nuevo estándar IEC 60034-30 , el cual se espera entre en vigencia en el 2009, éste introducirá un nuevo sistema internacional de clasificación de la eficiencia con los niveles IE1,IE2, IE3.

Métodos para medir la eficiencia

Additional load losses

Friction losses

Iron lossesLosses RotorLossesWinding

Method

0,5% of PinLosses from Losses from IEC Losses Losses rpm

Pin

rpmLosses from test Valid at 25°Cambient

Losses from test Valid at 25°Cambient

IEC 60034-2-1: 2007Sum of losses

Losses from no load test


From table(2,5 –1,0% of Pin)

NmPin IEC

60034-2-1: Losses from test

°

Losses from test

Losses from no

Losses from no

According to measuring

0,5% of PinLosses from test recalculated to75°K +20°Cambient

Losses from test recalculated to75°K +20°Cambient

IEC 60034-2: 1996Old



rpm


Nm

& rpm

60034-2-1: 2007Sum of losses

Valid at 25°Cambient

test Valid at 25°Cambient

from no load test

from no load test

rpmIEC 60034-2-1: 2007Eh-star





According to calculation

Niveles de Eficiencia


Niveles de EficienciaIEC 60034-30 (2008)

Historia y futuro

� Standares para clasificación de niveles de eficiencia

� CEMEP 1998

� Standards for Measuring of efficiency

� IEC 60034-2, 1996

� CSA C-390 and IEEE 112-B� EFF1, EFF2, EFF3

� 2-4 polos, 400V, 1,1 – 90 kW, 50 Hz, IP54/55

� Voluntary for motor producers to sign => To mark their products

� CSA C-390 and IEEE 112-B

� IEC 60034-2-1, 2007

Harmonized

� Draft: IEC 60034-30 2008

� IE1, IE2, IE3


� 2-6 pole, 1000V, 0,75 – 375 kW, 50 & 60 Hz, IP2x or higher

� EU – directive, Lot 11 (11/3-2009)

� Will be mandatory within EU

� 2011 (from 16th of June) - IE2

� 2015/17 - IE3 (IE2 & VSD)

Motores para uso con variador – velocidad máxima


� Las máximas velocidades permitidas para motores process performance en hierro fundido

� Motores con bobinado especial (reforzado)

� Motores mayores a 100 k

Motores para uso con variador – consideraciones

� Rodamiento aislado en lado no acople (eliminar corrientes de fuga)

� Motores con variacion de velocidad menor al 50%

� Ventilación forzada

� Precisión en velocidad

� encoder


� encoder

PN motor power in hp or kWTN motor torque is Nm or ft-lbn rotational speed in RPM

Ecuaciones que describen al motor

f frequency in Hzp number of poless slip in percentagefs synchronous frequency in Hzns synchronous rotational speed in RPMnn nominal rotational speed in RPMUn voltage at the motor terminalsI motor currentcosϕ motor power factorη motor efficiencyXk motor leakage reactance


Xk motor leakage reactanceTmaxmot is proportional to square of voltage.

Above field weakening point the nominal voltage is reached, maximum torque, flux and magnetizing current start to decrease

Torque T = = [Nm]P9550* n

P *

1032 πn

Ecuaciones importantes

n60

Power P =T x n9550 [kW]

Flux φφφφ ~Uf


MaxTorque Tmax ~ U

f( ) [Nm]

2

φφφφ ~ f

“ La amargura de la baja calidad aún

permanece

mucho después de que la dulzura del bajo

precio se ha olvidado”precio se ha olvidado”

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