tesis cemento andino
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0
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ
FACULTAD DE INGENIERIA ELÈCTRICA Y ELECTRÓNICA
CARACTERÍSTICAS DE COMPORTAMIENTO
ENERGÉTICAS DE MOTORES EN MEDIA TENSIÓN 2.2 Y
6.6 kV EN LA FABRICA CEMENTO ANDINO S.A.
TESIS
PRESENTADO POR
VARGAS NÚÑEZ MANUEL
PARA OPTAR EL TÍTULO DE
INGENIERO ELECTRICISTA
HUANCAYO – PERÚ
2012
1
ASESOR:
Ing EFRAIN DE LA CRUZ MONTES
2
A todos lo Ingenieros Electricistas que gracias a su trabajo facilitan el desarrollo y progreso de los pueblos.
Manuel
3
RESUMEN
En este trabajo se propone determinar las denominadas Características
Energéticas del motor que pueden definirse como las que dan la eficiencia, el
consumo de potencia reactiva, el factor de potencia, la corriente del estator y la
velocidad en función de la potencia de salida. Con estas características pueden
conocerse para cualquier corriente o potencia de entrada, la potencia entregada a
la carga mecánica y, con una carga mecánica determinada y un motor
seleccionado, el consumo de potencia tanto activa como reactiva, su corriente y
velocidad de rotación.
De esta manera se propone un método de caracterización energética que es una
combinación de los cuatro métodos generales, se basa en la utilización del circuito
equivalente exacto del motor de inducción resuelto a través de un programa en
MatLab y una estimación de pérdidas y de parámetros a partir de los datos de
catálogo de la máquina posteriormente se realiza las gráficas del comportamiento
de las características energéticas del motor obtenidas en MatLab y realizado
interpolaciones en las mismas nos permiten determinar el valor de la potencia
entregada del motor al molino de bolas.
Por tanto como resultado de esta evaluación se propone otro motor de menor
potencia para ello se realiza una evaluación económica costo beneficio que
justifique la inversión que debe hacerse en función de las ganancias obtenidas de
igual manera se explica los aspectos más importantes que comprenden lo que
podemos denominar gestión de motores en la industria. Finalmente, es muy
importante señalar que estos aspectos aquí explicados no deben ser considerados
de forma aislada sino como un sistema integral que pretende optimizar en cierta
medida la operación del motor aumentando su confiabilidad y su vida útil y
disminuyendo al máximo su consumo de energía activa y reactiva con la
consecuente disminución de emisión de gases contaminantes a la atmósfera.
EL AUTOR
4
INTRODUCCIÓN
Como es conocido, el motor de inducción es el consumidor de más del 60% de la
energía en las industrias y de aproximadamente, un 50% de la energía total que se
consume en el mundo.. Por otra parte, muchos motores se encuentran sólo a un
bajo por ciento de su plena carga o trabajan en condiciones de operación
diferentes a las nominales. Esto los hace consumir más energía que la que
tomarían si fueran bien seleccionados y operaran de acuerdo a sus parámetros de
diseño. Esto hace que, desde hace unos cuantos años, en casi todos los países
desarrollados se estén tomando medidas para disminuir la energía eléctrica de
entrada de este tipo de motores. Estas medidas se han hecho aún más necesarias
con el aumento de los precios del petróleo y de las emisiones de gases
contaminantes a la atmósfera.
Primeramente se hace un recuento de las pérdidas que ocurren en un motor de
inducción y de sus características como consumidor de potencia reactiva,
posteriormente se plantea el circuito equivalente a utilizar con una explicación de
sus parámetros, a continuación se explica, como se estiman tanto las pérdidas
nominales de la máquina como sus parámetros y las suposiciones que se hacen en
cuanto a su variación con la carga. En el presente trabajo se explica el programa
elaborado junto con un ejemplo de su aplicación. Después se explican las
consideraciones hechas y los programas elaborados.
Teniendo en consideración estos lineamientos es que la estructura del
trabajo ha sido de la manera siguiente:
En el Capítulo I, se inserta el planteamiento del estudio, objetivos e
hipótesis planteadas con sus respectivos componentes.
5
En el Capítulo II, igualmente se ha incluido lo referente al marco teórico y
las partes constitutivas de éste.
En el Capítulo III, se alude a la parte metodológica seguida en el proceso
de la investigación. y, finalmente,
En el Capítulo IV, se presentan los resultados alcanzados en la
investigación, que en sí constituyen los aportes para comprender la gestión eficaz
de los motores en una planta industrial
Es de estimar que las observaciones que nos proporcionen mejoren la
calidad y contenido de este trabajo, que en sí significa un estudio preliminar y
que, necesariamente, debe de ser ampliado y extendido con otras investigaciones
que se puedan hacer.
El Autor
6
ÍNDICE
Página del asesor
Dedicatoria
Resumen
Introducción
CAPÍTULO I
PLANTEAMIENTO DEL ESTUDIO
1.1. Planteamiento del problema 9
1.2. Formulación del problema 10
1.2.1 Problema General
1.3. Objetivos de la investigación. 10
1.3.1. Objetivo General.
1.4. Justificación delproyecto 11
1.5. Limitaciones de la investigación. 11
1.6. Hipótesis de la Investigación 11
1.6.1. Hipótesis General
1.7. Variables de la Investigación 11
1.7.1. Variable Independiente
1.7.2. Variable Dependiente
CAPÍTULO II
MOTORES TRIFÁSICOS DE CORRIENTE ALTERNA Y DESCRIPCIÓN SECCION MOLINOS CEMENTO ANDINO S.A.
2.1. Aplicación de los motores trifásicos ac 12
2.2. Construcción de los motores trifásicos ac 13
2.3. Especificaciones técnicas de un motor 16
2.3.1. Voltaje de trabajo 17
2.3.2. Frecuencia 17
2.3.3. Potencia desarrollada 17
2.3.4. Número de fases 17
2.3.5. Velocidad nominal 17
2.3.6. Corriente nominal 18
7
2.3.7. Eficiencia 18
2.3.8. Factor de potencia 19
2.3.9 Factor de servicio 19
2.3.10 Aislamiento térmico de los bobinados 20
2.4 Descripción de la sección molino de la empresa Cemento Andino S.A. 21
2.4.1 Descripción de la empresa Cemento Andino S.A. 22
2.4.2 Descripción del proceso de fabricación del cemento 22
2.4.3 Descripción de la sección molienda de cemento 29
2.4.3.1 Elementos que intervienen en el proceso de molienda.
2.4.3.2 Materia prima de los molinos
CAPÍTULO III
CARACTERÍSTICAS ENERGÉTICAS DE LOS MOTORES ELÉCTRICOS SECCIÓN MOLINOS CEMENTO ANDINO S.A.
3.1 Descripción de los motores en media tensión de la sección molino
de cemento de la fabrica CEMENTOANDINO S.A. 30
3.2 Motores en media tensión utilizados en los molinos de cemento. 31
3.2.1. Descripción de los motores 32
3.2.2. Tipos de arrancadores de los motores 34
3.2.3. Relación de motores de molinos de cemento 35
3.3 Características energéticas de un motor de inducción. 37
3.3.1. La eficiencia 37
3.3.2. El consumo de potencia reactiva 37
3.3.3. El factor de potencia 37
3.3.4. La corriente del estator 38
3.3.5. la velocidad 38
3.4. Descripción del método para determinar las características
Energéticas de los motores. 38
3.5. Estimación de las pérdidas y cálculo de los parámetros del
circuito equivalente de los motores en media tensión 40
3.5.1. Eficiencia y pérdidas en el motor de inducción trifásico 40
3.5.2. Circuito equivalente del motor de inducción trifásico 44
8
3.5.3. Estimación de pérdidas y cálculo de los parámetros 46
3.5.4. Determinación de las características energéticas 49
CAPÍTULO IV
OBTENCIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS ENERGÉTICAS DE LOS
MOTORES ELÉCTRICOS SECCIÓN MOLINOS CEMENTO ANDINO S.A.
4.1. Técnicas e instrumentos utilizados 52
4.1.1. Observación Directa 52
4.1.2. Recolección de datos utilizando instrumentos de medición 53
4.2. Determinación de las características energéticas 55
4.2.1. Datos del motor ( Caso de estudio) 55
4.2.2. Estimación de pérdidas y cálculo de parámetros del circuito
equivalente 56
4.2.3. Determinación de las Características energéticas del motor 57
4.2.4. Gráficas de las características energéticas obtenidas en MatLab 58
4.2.5. Cálculo de la potencia entregada al molino de bolas 62
4.3. Estudio de factibilidad técnico económico 66
4.3.1. Costo de operación de cada motor 66
4.3.2. Resultados de la evaluación económica 66
4.4.Propuesta de gestión eficaz de motores eléctricos 66
4.4.1. La selección y adquisición del motor y su sistema de
protección y accionamiento. 67
4.4.2. Sistema de monitoreo, diagnóstico y mantenimiento del motor 69
4.4.3. Estudios de eficiencia energética en los motores 72
CONCLUSIONES 73 RECOMENDACIONES 74 BIBLIOGRAFÍA 75 ANEXOS 76
9
CAPITULO I
PLANTEAMIENTO DEL ESTUDIO
1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Se ha comprobado que aproximadamente el 50% de la energía eléctrica que
se consume en el mundo es a través de los motores de inducción trifásica
por constituir todos estos la fuerza motriz principal de la industria moderna,
Unida a la campaña de ahorro de energía, a nivel mundial, ha motivado por
una parte hacer que los motores de inducción sean cada vez mas eficientes y
tomar medidas de corrección al buen uso de la energía eléctrica en dichas
maquinas
La Empresa Cemento Andino cuenta con un promedio de 30 motores en
media tensión, con niveles de tensión de 6,6 y 2,2kV, en toda la planta los
cuales son objeto de estudio del presente trabajo.
Es fundamental entonces determinar las características de comportamiento
energéticas de los motores de la sección molinos por ser un área
fundamental de la planta. Muchos motores se encuentran sólo aun bajo por
ciento de su plena carga o trabajan en condiciones de operación diferentes a
la nominal. Esto las hace consumir más energía que la que tomarían si
fueran bien seleccionados y operaran de acuerdo a sus parámetros de diseño
para es necesario evaluar el comportamiento energético de dichos motores.
1.2 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA:
1.2.1 PROBLEMA GENERAL:
10
¿Cómo determinar las características de comportamiento energéticas de los
motores en media tensión de la sección molinos de la fábrica Cemento
Andino S.A.?
1.3 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN
1.3.1 OBJETIVO GENERAL
Determinar las características de comportamiento energéticas de los motores
en media tensión sin necesidad de sacar fuera de servicio.
1.4 JUSTIFICACIÓN DEL PROYECTO
En una planta industrial, en el caso de Cemento Andino S.A. los equipos
responsables de accionar todos los mecanismos son los motores por ello es
necesario realizar un estudio de las características energéticas de dichos
motores.
Existen diferentes métodos para la determinación de estas características,
destacándose las normas de la IEC y las de la IEEE. Estos métodos
especialmente los de la IEEE, permiten evaluar las características
energéticas del motor con un elevado nivel de exactitud, ahora bien son
impracticables en la industria pues requieren retirar el motor de servicio y la
producción no debe interrumpirse además es necesario contar con un
laboratorio equipado con costosos instrumentos y equipos de medición.
De acuerdo a esto, se han desarrollado diferentes métodos que son
aplicables en las condiciones de la industria manteniendo el nivel de
exactitud requerido. Estos métodos pueden clasificarse en los siguientes
tipos: Método de datos de placa y de catálogo, de corriente, de
deslizamiento y de circuito equivalente.
En este proyecto se plantea un método de caracterización energética que es
una combinación de los métodos antes expuestos, se basa en la utilización
del circuito equivalente exacto del motor de inducción resuelto a través de
un programa en MATLAB y una estimación de pérdidas y parámetros a
partir de los datos de catálogo de la maquina
11
1.5 LIMITACIONES DE LA INVESTIGACIÓN
La limitación fundamental de este trabajo de investigación consistió en la
complejidad del estudio de la interdependencia de las variables que definen
el comportamiento e un motor, así como la escasez de información en la
literatura especializada en la problemática del cálculo de las características
energéticas de un motor.
A su vez, existe una deficiencia de laboratorios especializados para realizar
mediciones de características energéticas de un motor in situ. Por ello es
que se plantea dicho método de caracterización.
1.6 HIPÓTESIS DE LA INVESTIGACIÓN:
1.6.1 HIPÓTESIS GENERAL:
Haciendo uso de mediciones y sin necesidad de sacar fuera de
servicio los motores podemos determinar las características de
comportamiento energéticas de los motores en media tensión de la
sección molinos de la fábrica Cemento Andino S.A.
1.7 VARIABLES DE LA INVESTIGACIÓN
1.7.1 VARIABLE INDEPENDIENTE
Las características energéticas de los motores como: la eficiencia,
consumo de potencia reactiva, el factor de potencia, la corriente del
estator y la velocidad en función de la potencia de salida
1.7.2 VARIABLE DEPENDIENTE
La potencia entregada a la carga mecánica, el consumo de potencia
tanto activa como reactiva, la corriente y la velocidad de rotor de
un motor seleccionado.
12
CAPÍTULO II
CARACTERÍSTICAS ENERGÉTICAS DE LOS MOTORES
ELÉCTRICOS SECCIÓN MOLINOS CEMENTO ANDINO S.A.
2.1. APLICACIÓN DE LOS MOTORES TRIFÁSICOS AC :
Los motores AC son utilizados para muchas aplicaciones industriales, por
ejemplo en una planta cementera podemos encontrarlos en distintas áreas,
con el fin de lograr el movimiento de elementos como: bandas
trasportadoras, chancadoras, molinos, bombas, ventiladoras, etc. Y para
lograr el accionamiento de estos elementos, los motores se acoplan a otro
eje o engranaje para realizar este objetivo y poder transferir su energía
mecánica; por ejemplo, los motores eléctricos ubicados en el área de
molienda del clinker del cemento destinados al accionamiento de los
molinos (figura 2.1), se encuentran acoplados mediante un eje a reductores
de velocidad, los cuales están acoplados al molino.
Figura 2.1. Motor Eléctrico AC como parte de una Aplicación
13
2.2. CONSTRUCCIÓN DE LOS MOTORES TRIFÁSICOS AC
Los motores AC trifásicos se pueden clasificar (figura 2.2) dependiendo
de su forma de construcción de la siguiente manera:
Figura 2.2. Clasificación de los motores AC.
Todos los motores AC tienen partes en común, estas son: rotor y estator.
Como se muestra en la figura 2.3, el estator es la parte fija del motor y
el rotor es la parte giratoria. Los motores AC funcionan debido a la
interacción entre las fuerzas electromagnéticas generadas por el campo
magnético en el estator al alimentar sus bobinas con corriente alterna, y
el campo inducido en el rotor por el campo del estator.
Estator Rotor
14
Figura 2.3. Estator y rotor.
La diferencia entre un motor síncrono y un motor asíncrono es la forma en
que se induce la fuerza electromagnética en el rotor, esto se puede ver en la
siguiente figura 2.4:
Figura 2.4. Motor Asíncrono y Síncrono
En los motores síncronos se debe alimentar con corriente directa (DC) el
rotor para que pueda inducirse un campo electromagnético en éste, y en
los motores asíncronos no es necesario alimentar el rotor, ya que el
estator es el que se encarga de inducir el campo electromagnético en él,
esto resulta una ventaja de simplicidad en la operación para los
asíncronos, debido a que no debemos de poseer una fuente de corriente
directa para alimentar al rotor, basta con la alimentación AC.
15
Los motores asíncronos se dividen en: Rotor Devanado y Jaula de
Ardilla. Estos dos motores funcionan mediante el mismo principio, pero se
diferencian en la construcción de su rotor. El motor de Rotor Devanado
(figura 2.5) tiene bobinas en su rotor. Y el motor Jaula de Ardilla (figura
2.6) no tiene bobinas, sino barras metálicas en la superficie cilíndrica de su
rotor. El primero es el tipo de motor que se utiliza para el accionamiento de
los molinos de cemento
Figura 2.5. Rotor bobinado
Figura 2.6 Rotor jaula de ardilla.
El motor Jaula de Ardilla es el más utilizado de estos motores asíncronos,
ya que al no tener bobinado el rotor, y poseer barras metálicas, se vuelve
menos delicado y es más fácil de realizar su mantenimiento
Sin embargo los motores de rotor bobinado o anillos rozantes son
normalmente aplicados en cargas que poseen gran inercia o grande par en el
arranque. También son utilizados cuando hay limitaciones de corriente de
arranque en el sistema de alimentación. Estos motores son utilizados para
16
accionamiento de cargas como: molinos de bolas, molinos de cemento,
ventiladores, exhaustores, laminadores y picadoras, aplicados en la industria
del cemento,minería
, siderurgia entre otras. Estos últimos son materia de estudio del presente
trabajo.
2.3. ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DE UN MOTOR(1)
Existen una gran variedad de motores en el mercado, diseñados para
distintas aplicaciones. Estas características de diseño, se muestran a
través de sus especificaciones técnicas, siendo estas las que
describiremos a continuación:
• Voltaje de Trabajo
• Frecuencia
• Potencia Desarrollada
• Número de Fases
• Velocidad Nominal
• Corriente Nominal
• Eficiencia
• Factor de Potencia
• Factor de Servicio
• Aislamiento térmico de los Bobinado
2.3.1 Voltaje de trabajo
El voltaje de trabajo es el voltaje de alimentación que hay que
proporcionarle al motor para que su funcionamiento sea óptimo. Siempre
hay un rango de operación en el voltaje; éste es especificado por el
fabricante. Si se llega a alimentar al motor fuera del rango de operación,
el motor simplemente no funcionará o se dañara. Generalmente los
voltajes de alimentación de los motores trifásicos son 120V, 208V, 240V,
480V, 600V, 1000V, 2300V, 4160V, 6600, etc.
__________
(1) Chapman, Stephen J. Maquinas Eléctricas. Pag. 241-260, 387-439
17
2.3.2 Frecuencia
Es la frecuencia de la señal de alimentación para la cual el motor es
diseñado. Por ejemplo los motores americanos los fabrican para que
operen a 60Hz y los motores europeos los fabrican para que operen a
50Hz.
2.3.3 Potencia desarrollada
Es la potencia mecánica (eje) de salida que desarrolla el motor a plena
carga. La potencia de salida de los motores trifásicos va desde
aproximadamente 1/2 HP hasta 15,000HP.
2.3.4 Número de fases
Es el número de fases de la señal de alimentación para el motor. Si
los motores son monofásicos el número de fases es 1 (generalmente
son motores de 120V), y si son trifásicos el número de fases es 3
(generalmente son motores de 120V, 208V, 240V, 480V,
600V, 1000V, 2300V, 4160V y 6600).
2.3.5 Velocidad nominal
Es la velocidad a la cual el motor girará aproximadamente cuando el
motor esté a plena carga (100%). Las velocidades nominales son
generalmente menores a la velocidad síncrona. Si en la placa de un
motor se dice que la velocidad es de 1781 RPM, es porque estamos
hablando de un motor de 4 polos en donde su velocidad síncrona es
1800RPM a60Hz. Tenemos la tabla 2.1 de velocidades síncronas y
número de polos a 60Hz.
Tabla 2.1. Velocidad síncrona con el número de polos.
Número de Polos Velocidad Síncrona(60Hz)
2 3600
4 1800
6 1200
8 900
10 720
12 600
18
2.3.6 Corriente nominal
Es la corriente por fase del motor cuando está operando a plena carga.
Éste es un valor muy importante porque nos sirve para dimensionar las
protecciones del motor y seleccionar los conductores que se conectarán
al motor para alimentarlo.
2.3.7 Eficiencia
La eficiencia es la razón entre la potencia de salida y la potencia de
entrada. Ya que el motor es un equipo que convierte la energía
eléctrica en energía mecánica, la potencia eléctrica es convertida a
potencia mecánica, pero en el proceso de conversión existen pérdidas,
por lo que la potencia mecánica de salida no será igual a la potencia
eléctrica de entrada (figura 2.7)
Figura 2.7 Eficiencia del motor
La eficiencia del motor esta definida la ecuación 2.1, en donde T es el
torque o par de salida,y ωM es la velocidad de rotación del motor, V es el
voltaje por fase, FP es el factor de potencia eI es la corriente de línea:
√ (2.1)
2.3.8 Factor de potencia
El factor de potencia es un indicador de eficiencia del consumo de
energía de la red. La potencia eléctrica es una potencia compleja y ésta es
conformada por una potencia real y potencia reactiva. Para entender
19
mejor éste concepto, veamos primero el siguientetriángulo de
potencia eléctrica (figura 2.8).
Figura 2.8.Triángulo de potencia
Donde S es la Potencia Compleja, P es la Potencia Real, y Q es la
Potencia Reactiva. La magnitud de la potencia compleja estará dada por la
(Ec. 2.2)
(2.2)
El factor de potencia se puede calcular a través del coseno del ángulo que
existe entre la magnitud de potencia real y la potencia compleja (Ec. 2.3)
(2.3)
Entre mayor es el factor de potencia se consume menos potencia reactiva,
y entre menor es el factor de potencia se consume más potencia reactiva.
2.3.9 Factor de servicio
Este es el valor que indica que puede trabajar un motor arriba de la
potencia nominal. Por ejemplo, cuando las especificaciones de un
motor indican que éste tiene un factor de servicio de 1.0, significaría
que el motor está diseñado para trabajar óptimamente, hasta el
100% de su potencia nominal. Si se tuviera un factor de servicio de 1.2, el
motor estaría diseñado para trabajar hasta en un 20%, por encima de su
potencia nominal.
2.3.10 Aislamiento térmico de los bobinados
La Asociación Nacional de Manufactureros Eléctricos de los Estados
Unidos (NEMA) ha establecido clases de aislamiento térmico para los
bobinados (figura 2.9), para clasificar a los motores por su resistencia
térmica. Lo que indicaría cuales son los aumentos máximos de
20
temperatura, que podría soportar el motor en condiciones de trabajo. Las
clasificaciones
son: Clase A, Clase B, Clase F y Clase H.
Figura 2.9. Clases de aislamiento térmico de los bobinados
Cuando las especificaciones de un motor indican que el motor es clase de
F, significaría que el motor trabajando a una temperatura ambiente
de 40ºC, podría tener un incremento máximo de temperatura de 105ºC,
con un margen de 10ºC arriba de esa temperatura. Es decir, que la
temperatura máxima permisible para los bobinados de ese motor sería
de 145ºC con 10ºC de margen. Cuando las bobinas pasan del valor
permisible, el esmalte aislante que éstas tienen empezaría a derretirse,
pudiendo ocasionar un cortocircuito interno en el motor.
2.4. DESCRIPCIÓN DE LA SECCIÓN MOLINO DE LA EMPRESA
CEMENTO ANDINO S.A.
2.4.1 Descripción de la empresa CEMENTO ANDINO S.A.:
Cemento andino s.a. es una empresa dedicada a la fabricación y venta de
cemento de la más alta calidad. La fabrica esta localizada en la Sierra
Centra del Perú, en el centro poblado Condorcocha del distrito de La
Unión – Leticia, provincia de Tarma, Departamento de Junín, a 3900
metros sobre el nivel del mar y a 220 km al este de la ciudad de Lima.
Para contribuir a satisfacer la creciente demanda de cemento en la sierra
central y el resto del país, la empresa ha venido incrementando
21
paulatinamente su capacidad instalada, manteniéndose a la vanguardia de
la tecnología. La planta original entro en operación en 1958 con una
capacidad instalada de 90000 TM anuales, luego se realizó la primera
ampliación y modernización a proceso seco con intercambiador de calor
que comenzó a operar en 1963, elevando la capacidad de producción a
230000 TM anuales. Posteriormente, se ejecuto la segunda ampliación
que entro en operación en 1969, elevando la capacidad instalada a 480000
TM anuales. En 1988 se puso en marcha el proyecto de reparación ,
modernización y ampliación del Horno 3 , con lo que la planta alcanzó una
capacidad nominal de producción de 750000 TM anuales de cemento.
A finales de 1999, se puso en marcha el Proyecto de Modernización y
Ampliación de la línea del horno 2, incluyendo la instalación de la
trituradora primaria y la unidad de molienda de cemento con prensa de
rodillo y separador de alta eficiencia, a sí como un moderno sistema de
filtro de mangas para control de emisiones de polvo.
Entramos así al siglo XXI con una capacidad instalada mayor de 1000000
TM de clinker/año y 1150000 TM de cemento/año.
Con la excelente calidad de materias primas y la alta tecnología
desarrollada a lo largo de sus 50 años , Cemento Andino S.A. produce
además de su prestigioso cemento Pórtland Tipo I, los cementos Pórtland
especiales Tipos II y V, todos de bajo contenido de álcalis y desde 1998 se
viene produciendo el cemento Pórtland Adicionado Tipo I (PM). El
despacho se realiza en sacos de 42.5 kg y/o a granel.
2.4.2 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE FABRICACIÓN DEL
CEMENTO
El cemento es un material en forma de polvo muy fino que
convenientemente amasado con agua forma una pasta aglomerante que
fragua y endurece tanto al aire como en el agua. A causa de las reacciones
de
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a)
Se ini
las ma
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Extracció
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martillos T
22
ductos
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óxido
nteras,
maria
Titán),
23
Figura 2.11 Mezcla de elementos
b) Molino de crudo y Homogeneización
Como segundo paso, las materias primas obtenidas son mezcladas (a una
determinada proporción) por medio de unas balanzas y llevadas a la
Chancadora de Martillos Tandem y al molino de bolas del Crudo; de donde se
forma la Harina de Crudo (almacenada posteriormente en Silos de
Homogenización).
Figura 2.12 Proceso de homogenización
HARINA DE
CRUDO
C. Alta
C. Baja
Arcilla
OxidoFe
CHANCADORA DE
MARTILLOS
TANDEM
H
O
M
O
GE
NI
ZA
CI
Ó
N
24
Figura 2.13 Elaboración de Harina de crudo.
c) Elaboración del Clinker
En el Tercer, paso dicha harina de Crudo es precalentada por medio de
unos quemadores y llevada a los Hornos donde se termina de cocer y se
elabora el Clinker (almacenado en las canchas de Clinker para su
enfriamiento).
Figura 2.14 Elementos para la molienda de cemento
CLINKER
YESO (5%)
PUZOLANA
DOSIFICACIÓN Y
MOLIENDA
CEMENTO
TIPO I TIPOS TIPO II Portland TIPO V
PuzolánicoI(PM)
HARINA CRUDA
PRECALENTADA CLINKER
Q (Combustible)
HORNO
(1400 – 1500 °C)
SiO2 (S)
CaCO3 + Q ‐‐‐ CO2 + CaO (C) ‐‐‐ + Al2O3 (A) CLINKER
Fe2O3 (F)
25
Figura 2.15 Molienda de Cemento
Luego en el cuarto paso, el Clinker almacenado es mezclado (a una
determinada proporción) con el yeso (y en algunos casos con la puzolana),
molido en un Molino de Bolas y en una Prensa de Rodillos.
Figura 2.16 Despacho del Cemento
26
El producto obtenido de dicha molienda es el Cemento propiamente dicho.
Este cemento es almacenado en los Silos de Almacenamiento para su
embolsadura y distribución (ya sea en bolsas o a granel).
Tipos de Cemento que se elaboran en planta
Todos los tipos de cemento que se producen actualmente en el mundo, se
pueden encuadrar en dos grande grupos: los cementos simples o puros y los
cementos compuestos o con aditivos. Los primeros son simplemente la
mezcla de clinker y yeso que es el elemento regulador de fraguado y los
segundos lo constituyen la mezcla de clinker, yeso y aditivos que le dan al
producto final características mejoradas.
Los cementos puros llevan diferentes denominaciones y especificaciones
según su país de procedencia. En el ámbito americano corresponde
normalmente a los llamados Cementos Portland de acuerdo con las
características especiales de uso. Hay cinco tipos, pero actualmente en la
fábrica se producen:
Portland Tipo I: Para uso en obras de concreto en general y cuando no
se requiere de alguna condición especial. Se recomienda para
estructuras industriales, conjuntos habitacionales, puentes y todas
aquellas obras que se construyan sobre terrenos con contenido menor
de 150 ppm de sulfato soluble en agua.
Portland Tipo II: Para cuando se requiere de una moderada resistencia
a los sulfatos (agentes corrosivos) a un moderado calor de hidratación
(calor generado desde el interior al momento de solidificarse). Se
recomienda para estructuras industriales, puentes obras portuarias,
fabricación de tubos de concreto, alcantarillado, perforaciones y todas
aquellas obras sometidas a exposición moderada (suelos ácidos, agua
subterránea) con contenido del orden de 150 – 1,500 ppm de sulfatos
solubles en agua.
Dent
puzo
pozo
Cem
2.4.3 DE
Ce
mo
cem
con
tra
Portland T
sulfatos.
contacto d
del orden
tro de los
olánicos, de
os de petróle
mento Portla
Portland P
tipo I, esp
y concreto
hidratació
carbonatad
masivas y
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ligeramen
ESCRIPCI
emento And
olinos de bo
mento son m
n Blaine 29
ansmisión en
TTiippoo II
Tipo V: Par
Se recomie
de suelos ác
de 1,500 –
cementos
e escorias,
eo con agre
and adiciona
Puzolánico
pecialmente
o armado, e
ón y/o mod
das. Se rec
y muros de c
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nte ácidas.
Figu
IÓN DE LA
dino S.A. p
olas y 1 pre
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900, dichos
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ra usos dond
enda para es
cidos y/o ag
10,000 ppm
compuesto
de escoria
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ado que se f
I (PM): Pa
para uso en
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contención
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ura 2.17 Tip
A SECCIÓN
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TTiippoo IIII
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ciones
uarias,
aguas
O
nos (5
nos de
Tm/h
res de
((PPMM))
28
2.4.3.1 ELEMENTOS QUE INTERVIENEN EN EL PROCESO DE
MOLIENDA.
TOLVAS DE ALMACENAMIENTO .- Son tolvas donde se
almacenan yeso y Clinker, que van a constituir materia prima de los
molinos de bolas, este va ingresar mediante unas balanza
dosificadoras.
MOLINOS DE BOLAS.- Con una capacidad promedio de 13.3 Tm/h
con Blaine 2900, dichos molinos de bolas son accionados por motores
de transmisión en media tensión
MOTORES DE TRANSMISIÓN.- Son motores de inducción de
anillos rozantes con alimentación en media tensión (2200 y 6600
voltios), que accionan los molinos de bolas.
ELEVADOR DE CANGILONES.- Son fajas de jebes con cucharas
accionados por motores que se encargan de llevar el polvo de cemento
hacía los separadores.
SEPARADORES.- Recipientes donde se separan mediante vibración
el polvo de cemento adecuado según el Blaine, para ser transportado
hacía los silos de almacenamiento para su embolsado o en su defecto
retornar al molino de bolas para su mejor molido.
Todo este proceso obedece a un circuito cerrado de molido con un
Blaine adecuado .
Figura 2.18 Circuito cerrado de la molienda de cemento
29
2.4.3.2 MATERIA PRIMA DE LOS MOLINOS
a) El clinker :
La harina cruda al ser sometido a calor en los hornos a una
temperatura promedio de 1400 a 1500 °C, el resultado viene a ser el
clinker o cancha de clinker los cuales van a ser molidos.
Figura 2.19 Proceso de la elaboración del clinker
b) El yeso.- Es el sulfato de calcio, otro elemento constituyente del
clinker que entra en estado de piedra para ayudar en el fraguado
del cemento.
c) La puzolana.- Es roca volcánica muy desmenuzada que entra
directamente al molino sin necesidad de pasa por el horno cuando
se quiere obtener cemento puzolánico.
30
CAPITULO III
CARACTERÍSTICAS ENERGÉTICAS DE LOS MOTORES
ELÉCTRICOS SECCIÓN MOLINOS CEMENTO ANDINO S.A.
3.1 DESCRIPCIÓN DE LOS MOTORES EN MEDIA TENSIÓN DE LA
SECCIÓN MOLINO DE CEMENTO DE LA FABRICA CEMENTO
ANDINO S.A.
3.1.1 GENERALIDADES :
En este capítulo describiremos los motores de media tensión ya que son los
responsables del accionamiento de los molinos de cemento, por lo que
conocer sus características es de suma importancia para la operación de
éstos.
El motor de media tensión como se muestra en la siguiente figura 5.1, está
compuesto de las siguientes partes
Figura 3.1. Partes del Motor
31
Estator
Es la parte del motor donde se encuentran las bobinas, las cuales al pasar
por ellas una corriente producen un campo magnético giratorio, el cual
ocasionará el movimiento en el rotor.
Rotor
Es la parte giratoria del rotor, encargada de transmitir la fuerza mecánica
generada por éste, posee devanado con el mismo número de polos que el
estator.
Alimentación
Son los terminales donde se conectan los conductores que alimentan con
media tensión al estator del motor.
Cojinetes
También conocidos como baleros o rodamientos. Son piezas que se fijan
entre los extremos del eje del motor y su función es sostener al rotor
horizontalmente y a la vez permitir gire el rotor libremente a través del eje
horizontal.
Carcaza
Es el chasis del motor, que lo protege contra esfuerzos, golpes, suciedad,
entre otras cosas.
Ventilador
El ventilador es el encargado de enfriar al motor y no permitir el
calentamiento, ya sea por la disipación de potencia en los devanados o por
la fricción generada en la rotación del rotor.
3.2 MOTORES EN MEDIA TENSIÓN UTILIZADOS EN LOS MOLINOS
DE CEMENTO.
32
En la figura podemos ver el diagrama de los motores que será utilizado en
los molinos de cemento.
2200V 6600 V
FIGURA 3.2 Motores utilizados en los molinos
3.2.1 DESCRIPCIÓN DE LOS MOTORESEN MEDIA TENSIÓN :
En la fábrica, 26 motores de MT los cuales están conformados por
motores de 6,6 kV y 2,2 kV, de los cuales en la sección Molino de
cemento se encuentran 6 según tabla 3.1 , de los cuales los cuatro
primeros se alimentan en 2,2 kV de la línea proveniente de la CH
CARPAPATA y los dos últimos se alimentan en 6,6 kV del SEIN, de
la SE Condorcocha según diagrama unifilar en anexos
Pudiendo observar que los motores varían desde un valor minino de
300kW hasta un máximo de 1840kW, con los cuales podemos
accionar las diferentes cargas que son fundamentales en la fábrica. El
desempeño de cada motor de MT que se encuentra en la fabrica lo
observamos según lectura de sus tableros en las celdas (Fig. 5.3), que
cada uno de ellos no se encuentra operando a un 100%, sino a un valor
aproximado del 75% de su potencia nominal.
Motor
Molino 1
500 kW
Motor
Molino 2
500 kW
Motor
Molino 3
1400 kW
Motor
Molino 4
1200 kW
Motor
Molino 5
700 kW
Motor
Molino 6
1840 kW
33
Fig. 3.3 Tableros de las celdas en media tensión de los motores.
Por otro lado, hay algunos motores que solo son accionados por
momentos, y no operan constantemente como los demás, esto
ocasiona que su factor de utilización sea menor que los otros motores,
los cuales si operan casi continuamente.
Los motores que se encuentran en la fábrica, están diseñados para
operar a una altura de 3850 y 4000 msnm
3.2.1.1 Tipos de motores
Los motores en su gran mayoría son de rotor bobinado (Fig. 2.4) a
excepción de 2 (motor chancadora cónica y el motor del ventilador de
tiro del intercambiador horno 2.) los cuales son de jaula de ardilla. Por
otro lado se observo que todos los motores tienen un conexionado en
estrella.
34
Fig. 3.4 Revisando los carbones de un Motor de rotor bobinado
3.2.2 LOS ARRANCADORES EN LOS MOTORES EN MT
Con tal de limitar la corriente de armadura que fluye cuando se pone
en marcha un motor, es que se usan con gran frecuencia los
arrancadores. En la planta se encuentran una diversidad de tales, de
donde podemos resaltar la presencia de los arrancadores en baño de
aceite, y en poca magnitud los del tipo electrolíticos.
Las características de cada uno se pueden presentar a continuación:
IN
I3
I2
I1
I
tiempoT1 T2 T3 Tn
ARRANCADOR BAÑO DE ACEITE
Fig. 3.5 Gráfica de un arrancador en baño de aceite
35
tiempo
I
I1
I2
IN
T1 T2 Tn
ARRANCADOR ELECTROLÍTICO
Fig. 3.6 Gráfico de un arrancador electrolítico
El arrancador en baño en aceite, en la hora del arranque este toma
primero unas corrientes altísimas (corriente de arranque), y va
descendiendo poco a poco en un tiempo determinado, hasta llegar a su
valor nominal (Fig 3.5).
Mientras que los arrancadores electrolíticos usan un concepto
diferente, en el cual la corriente va en aumento desde un valor de 0
hasta su valor nominal, sin inyectar corrientes altísimas, al motor (Fig
3.6).
Tener arrancadores del tipo de baño en aceite, es un poco perjudicial,
ya que acortan la vida útil del motor, lo conveniente seria tener mas
arrancadores del tipo electrolítico.
3.2.3 RELACIÓN DE MOTORES DE MOLINO DE CEMENTO
TABLA 3.1 Relación de los motores en media tensión de la sección
Molino de Cemento
36
N° DESCRIPCION TIPO ALT AISL CON Is(A) Ir(A) FP FS PESO
(Kg)
POT
(KW) Vs Vr TIP ARR
TIP
ENF
TIP
PRO
VELOC.
(RPM)
MOLINO DE CEMENTO 1
1
MOTOR PRINCIPAL
MOLINO DE
CEMENTO 1
RB 3875 B Y 165 280 0,85 500 2200 1100 Baño de
aceite IP 33 1185
MOLINO DE CEMENTO 2
2
MOTOR PRINCIPAL
MOLINO DE
CEMENTO 2
RB 3875 B Y 165 280 0,85 500 2200 1100 Baño de
aceite IP 33 1185
MOLINO DE CEMENTO 3
3 MOTOR PRINCIPAL
MOL. CTO. 3 RB 3875 A Y 440 600 0,88 9700 1400 2200 1450
Baño de
aceite IP 21 890
MOLINO DE CEMENTO 4
4
MOTOR PRINCIPAL A"
MOLINO DE
CEMENTO 4"
RB 4000 B y 340 610 0,89 5500 1200 2200 1070 Electrolìtico forzado IP 21 1160
5
MOTOR PRINCIPAL B"
MOLINO DE
CEMENTO 4"
RB 4000 B Y 340 610 0,89 5500 1200 2200 1070 Electrolítico forzado IP 21 1160
MOLINO DE CEMENTO 5
6
MOTOR MOLINO
POLYCON RODILLO
FIJO
RB 4000 F Y 79 320 0,81 8200 700 6600 1350 IP 54 894
7
MOTOR MOLINO
POLYCON RODILLO
MOVIL
RB 4000 F Y 79 320 0,81 8200 700 6600 1350 IP 54 894
8
MOTOR VENTILADOR
DEL SEPARADOR
CTO. 5
RB 4000 F E 37,5 275 0,83 3800 336 6600 740 IP 54 1189
MOLINO DE CEMENTO 6
9
MOTOR PRINCIPAL
MOLINO DE BOLAS
CEMENTO 6
RB F Y 195 800 0,86 1 15000 1840 6600 1400 895
En donde se puede observar lo siguiente:
Los molinos del 1 al 4, son accionados por motores eléctricos con rotor
bobinado en media tensión a 2200 V.
37
Los molinos 5 y 6 , son accionados por motores eléctricos con rotor
bobinado en media tensión a 6600 V.
3.3 CARACTERÍSTICAS ENERGÉTICAS DE UN MOTOR DE
INDUCCIÓN(2).:
3.3.1 La eficiencia (η) .-El motor eléctrico absorbe energía eléctrica de la
línea y la transforma en energía mecánica disponible en el eje. El
rendimiento define la eficiencia con que se realiza esta
transformación.
Llamando “Potencia útil” Pu a la potencia mecánica disponible en el
eje y “Potencia absorbida” Pa, a la potencia eléctrica que el motor
saca de la red, el rendimiento o eficiencia será la relación entre
ambas, ósea.(1)
ú
(3.1)
3.3.2 El consumo de potencia reactiva (Q) .- Es la porción de potencia
aparente que no realiza trabajo. Apenas es transferida y almacenada
en los elementos reactivos (capacitores e inductancias) del circuito. )
√3. . .
(3.2)
.
(3.3)
3.3.3 El factor de potencia (FP) .-Este valor está indicado por ,
donde es el ángulo de desfasaje de la tensión en relación a la
corriente , es la relación entre la potencia real (áctiva) P y la potencia
aparente S.
_________ (3.4)
(2)Manual de Motores Eléctricos WEG. 2004
38
Así:
Carga resitiva :
carga inductiva : ,atrasado
carga capacitiva : , adelantado
los términos atrasado o adelantado se refieren a la fase de corriente
en relación a la fase de tensión.
3.3.4 La corriente del estator (Is) .-Es la corriente que el motor absorbe
de la red cuando funciona a potencia nominal , bajo tensión y
frecuencia nominales . El valor de la corriente nominal depende del
rendimiento o eficiencia η y del factor de potencia , del motor.
1000
√3. . η.
(3.5)
3.3.5 la velocidad (RPM).- Es la velocidad (rpm) del motor funcionando
a potencia nominal bajo tensión y frecuencia nominales depende del
deslizamiento y de la velocidad sincrónica.
1%
100
(3.6)
3.4 DESCRIPCIÓN DEL MÉTODO PARA DETERMINAR LAS
CARACTERÍSTICAS ENERGÉTICAS DE LOS MOTORES.
Existen diferentes métodos para la determinación de estas características,
destacándose las normas de la IEC(3) y las de la IEEE(4). Estos métodos,
especialmente los de la IEEE, permiten evaluar las características
energéticas del motor con un elevado nivel de exactitud, ahora bien son
impracticables en la industria pues requieren retirar el motor del servicio y
contar con un laboratorio equipado con costosos instrumentos y equipos de
medición.
De acuerdo a esto, se han desarrollado diferentes métodos que son
aplicables en las condiciones de la industria manteniendo el nivel de
39
exactitud requerido Estos métodos pueden clasificarse en los siguientes
tipos:
1. Métodos de datos de chapa y de catálogo
2. Métodos de corriente
3. Métodos de deslizamiento
4. Métodos de circuito equivalente.
Todos ellos se clasifican sobre la base de dos indicadores: la intrusividad y
la exactitud.
El nivel de intrusividad está dado por el tipo de datos requerido para cada
método, el costo asociado con el equipamiento instalado y la recolección y
procesamiento de los datos y las posibles interrupciones del servicio del
motor.
La exactitud generalmente se evalúa comparándolo con los métodos directos
de los cuales el método B de la IEEE ha demostrado ser el más exacto.
Debe señalarse que es imposible encontrar un método que mantenga niveles
de exactitud similares o siquiera próximos al de la IEEE 112 B sin acudir a
altos niveles de intrusividad los cuales no son admisibles en la industria.
Ahora bien, esto no significa que el problema no tenga solución ya que, para
los fines de una evaluación de factibilidad técnico económica de una medida
son admisibles errores de un 5% a un 10%. Este error puede significar, por
ejemplo, que la inversión necesaria para una propuesta en lugar de pagarse
en dos años se pague en dos años y seis meses. Como se comprende, la
decisión a tomar es en ambos casos la misma.
En este trabajo se propone un método de caracterización energética que es
una combinación de los cuatro métodos generales antes expuestos, se basa
en la utilización del circuito equivalente exacto del motor de inducción
resuelto a través de un programa en MatLab y una estimación de pérdidas y
de parámetros a partir de los datos de catálogo de la máquina.
40
Se considera como punto muy importante dentro de él la evaluación del
consumo de potencia reactiva ya que, está probado que muchas medidas o
cambios propuestos que ahorran potencia activa aumentan el consumo de
potencia reactiva y esto debe ser tenido en cuenta a la hora de realizar el
análisis técnico económico.
Primeramente se hace un recuento de las pérdidas que ocurren en un motor
de inducción y de sus características como consumidor de potencia reactiva,
posteriormente se plantea el circuito equivalente a utilizar con una
explicación de sus parámetros, a continuación se explica, como se estiman
tanto las pérdidas nominales de la máquina como sus parámetros y las
suposiciones que se hacen en cuanto a su variación con la carga. En el
siguiente epígrafe se explica el programa elaborado junto con algunos
ejemplos de su aplicación. Después se explican las consideraciones hechas y
los programas elaborados para considerar la posibilidad de un desbalance o
desequilibrio de tensiones que deba ser considerado y finalmente se analiza
la posibilidad de cambiar la conexión de los devanados del motor a
determinados valores de carga.
3.5 ESTIMACIÓN DE LAS PÉRDIDAS Y CÁLCULO DE LOS
PARÁMETROS DEL CIRCUITO EQUIVALENTE DE LOS
MOTORES EN MEDIA TENSIÓN.
3.5.1 Eficiencia y pérdidas en el motor de inducción trifásico(8)
La eficiencia o rendimiento de un motor de inducción trifásico se
define mediante cualquiera de las siguientes expresiones:
100.
100.
100.
en
en
sal
sal
en
sal
P
perdidasP
perdidasP
P
P
P
(3.7)
41
En esta expresión, Psal es la potencia de salida, Pen es la potencia
de entrada y perdidases la suma total de todas las pérdidas de
la máquina.
En el motor de inducción trifásico existen las siguientes pérdidas de
potencia:
1. Pérdidas de cobre en el estator pcobs.
2. Pérdidas de cobre en el rotor pcobr.
3. Pérdidas de acero o de núcleo pac
4. Perdidas mecánicas pmec y
5. Pérdidas adicionales pad
Las pérdidas de cobre en el estator son las que ocurren en la
resistencia del devanado del estator y están dadas por la expresión
siguiente:
sscobs RIp ..3 2 (3.8)
Donde Is es la corriente de cada fase del estator y Rs la resistencia
de cada fase.
Las pérdidas de cobre en el rotor son las que ocurren en la
resistencia del devanado del rotor y su expresión es:
rrcobr RIp ..3 2 (3.9)
Donde Ir es la corriente del rotor referida al estator y Rr la
resistencia del rotor también referida al estator.
Las pérdidas de acero ocurren en el acero activo de la máquina,
particularmente en el del estator ya que, al ser tan pequeña la
frecuencia del rotor, sus pérdidas de acero son prácticamente
despreciables. Existen dos tipos de pérdidas de acero las
histerésicas y las parásitas. Las primeras se deben al lazo de
42
histéresis presente en todo material ferromagnético y la expresión
específica (en Watts por m3) de estas pérdidas es:
khysmhyshys BfKp .. 1
(3.10)
Donde f1 es la frecuencia de alimentación, Bm es el valor pico de la
densidad de flujo en el acero y khys es el denominado coeficiente de
Steinmetz el cual puede suponerse igual a 2.
Por otra parte, las pérdidas parásitas o por corrientes de Foucault se
deben a la circulación de corriente por el núcleo. Para disminuirla,
se lamina el núcleo siendo t el espesor de las laminaciones. Su
expresión específica es:
acero
me
tBfp
.6
... 2221
2
(3.11)
Donde acero es la resistividad del material magnético.
Si la máquina opera a tensión y frecuencia aproximadamente
constantes, la densidad de flujo es constante y estas pérdidas
también lo son.
Las pérdidas mecánicas se deben a la fricción existente en los
rodamientos, el batimiento del aire y a la potencia consumida por el
ventilador de enfriamiento (si lo tiene). Pueden considerarse
proporcionales al cuadrado de la velocidad. Debido a que la
velocidad de un motor de inducción que opera a tensión y
frecuencia constantes varía muy poco con la carga, estas pérdidas
también pueden considerarse constantes.
Finalmente las pérdidas adicionales o indeterminadas son aquellas
no incluidas en ninguna de las anteriores. Se deben a fenómenos
electromagnéticos complejos o a imprecisiones en la fabricación de
43
la máquina, principalmente el ranurado del estator y el rotor que
crea pulsaciones de flujo y la existencia de armónicos espaciales de
fuerza magnetomotriz son las principales causas de estas pérdidas.
Son muy difíciles de conocer en la práctica, sólo el método B de la
IEEE las determina experimentalmente, todos los demás la suponen
en función de la potencia de salida. La norma IEC 32 4 supone que
son iguales a un 1,5% de la potencia de entrada.
De acuerdo a esto, las pérdidas existentes en un motor de inducción
pueden clasificarse en tres tipos:
1. Pérdidas variables, que dependen de la carga, son en este
caso las de cobre tanto del estator como del rotor. Están entre
el 50 y el 60% de las pérdidas totales.
2. Pérdidas constantes que, en motores que operan a tensión y
frecuencia constantes, pueden considerarse que no varían con
la carga. Son las de acero y las mecánicas que se encuentran
entre el 30% y el 40% de las pérdidas totales y
3. Pérdidas adicionales, las no incluidas en las anteriores de
difícil determinación y estimación que suelen estar entre el
15% y el 25% de las pérdidas totales.
El flujo de energía en un motor de inducción es tal que de la
energía eléctrica que recibe de la red pierde una parte en el cobre
del enrollado del estator y otra en el acero activo del estator,
pasando el resto al rotor donde una fracción se pierde en el cobre
del bobinado del rotor y otra en forma de pérdidas adicionales
(realmente una parte de estas pérdidas adicionales se consumen en
el estator). El resto se convierte a la forma mecánica. Una parte de
esta potencia convertida a mecánica se pierde por fricción y
batimiento de aire y el resto es la que aprovecha el mecanismo
accionado como potencia de salida del motor.
3.5.2
Desde
visto o
constru
Europa
tres ca
eficien
introdu
2. Circui
Fig
En la f
de ind
aplicad
compo
en la c
la corr
al estat
Los pa
Rs , la
consta
hace unos
obligados a
uyéndose lo
a, por ejemp
ategorías E
ntes y se si
ucción en la
ito equivale
.3.7 Circui
fig. 2.7 se m
ducción trifá
da al estato
onentes la c
corriente ma
riente de pér
tor Ir. La fu
arámetros de
a resistencia
ante y depen
cuantos añ
a disminuir
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plo, de acue
Eff1, Eff2
igue la tend
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fásico. En e
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ños, los fab
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nados Moto
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ios.
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ucida es Es
la cual pue
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a Eficienci
os motores t
os son los
cada vez m
ásico(8).
ción trifásic
or fase del m
tensión por
la cual tien
z se descom
mpo magnét
del rotor ref
.
ede conside
ra.
44
e han
iencia
a. En
tienen
más
más su
co.
motor
r fase
e dos
mpone
tico y
ferida
erarse
45
Rr, la resistencia del rotor referida es quizás el parámetro más
importante del motor. Debe ser relativamente pequeña en operación
estable y normal para que las pérdidas del rotor no sean grandes
pero , por otra parte, en el arranque debe ser relativamente alta para
aumentar el par de arranque ya que una resistencia de rotor muy
baja implica un bajo factor de potencia en el arranque y un también
bajo par de arranque.
Xds, Xdr son las reactancias de dispersión del estator y el rotor
respectivamente y evalúan el efecto del flujo de dispersión de cada
lado. Influyen en el par máximo del motor. Valores bajos de la
reactancia de dispersión dan lugar a altos pares de arranque y
viceversa. Ahora bien, cuando el motor debe trabajar con ondas no
sinusoidales, como es el caso de su operación con convertidores de
frecuencia es preferible que sus valores sean más grandes pues así
contribuyen a hacer más sinusoidal la corriente pues la filtran mejor
de las armónicas superiores. Valores grandes empeoran también el
factor de potencia y aumentan el consumo de potencia reactiva.
Xm es la reactancia magnetizante, la cual es la que corresponde al
flujo mutuo o magnetizante que caracteriza al campo de
acoplamiento. En realidad depende de la tensión, a bajos valores de
ésta, el circuito magnético no está saturado y su valor es alto. En
condiciones nominales, comienza la saturación del circuito
magnético y su valor disminuye. Es, por tanto, dependiente de la
tensión aplicada. Como en este caso se pretende analizar el
comportamiento del motor a tensión y frecuencia fijos, su valor se
supone constante.
Rm es la resistencia correspondiente a las pérdidas de acero. Se
supone en este caso que se cumple que:
46
m
smacac R
ERIp
22 .3
..3 (3.12)
Generalmente se cumple que mm XR y, en algunos casos, suele
despreciarse para simplificar el circuito. En este caso será tenida en
cuenta ya que, mediante ella se determinarán las pérdidas de acero
del motor.
Rad es la resistencia que sirve para evaluar las pérdidas adicionales
las cuales se supondrán proporcionales al cuadrado de la corriente
del rotor. Suposición que, aunque no es exacta, da resultados
aceptables4.
Finalmente, en la resistencia ssRr /1. se “consume” la potencia
convertida a la forma mecánica ya que:
s
sRIP rrmec
)1(...3 2
(3.13)
Donde mecP es la potencia convertida a la forma mecánica.
3.5.3. Pasos para la estimación de pérdidas y cálculo de los
parámetros
Para la aplicación del método propuesto se parte del conocimiento
de los siguientes datos de chapa y catálogo:
1. Tensión nominal en Volts (Un).
2. Potencia nominal en kW (Pn).
3. Corriente nominal en A (In).
4. Frecuencia nominal en Hz (fn).
5. Velocidad sincrónica en r/min (ns).
6. Velocidad nominal en r/min (nn).
7. Eficiencia nominal en % ηn).
47
8. Factor de potencia nominal en (fpn).
9. Par máximo en por unidad del par nominal (tmax).
Luego se siguen los siguientes pasos:
1. Se calcula la potencia nominal de entrada y la sumatoria de
pérdidas mediante las expresiones:
nenn
n
nenn
PPpérdidas
PP
.
. (3.14)
2. Se calculan las pérdidas de acero nominales pacn
suponiéndolas iguales al 20% de la sumatoria de las
pérdidas.
3. Se calculan las pérdidas mecánicas nominales determinando
previamente el coeficiente de pérdidas mecánicas y
multiplicándolo posteriormente por la potencia nominal11:
nfbnmec
nfb
PKp
PK
.
.5052,0
.
3296,0
(3.15)
4. Se calcula el deslizamiento nominal mediante la expresión:
s
nsn n
nns
(3.16)
5. Se calcula el deslizamiento para el par máximo por la
fórmula de Kloss(9):
nn
nnnm sts
ststtss
..2.21
..2.21.
max
max2maxmax
(3.17)
6. Se determina la corriente de vacío nominal a partir de la
realización del diagrama fasorial del motor obteniéndose la
siguiente expresión:
48
n
m
nnnon fp
s
sfpII .1. 2
(3.18)
7. Se calcula la resistencia del rotor en condiciones nominales
suponiéndola igual, en por unidad, al deslizamiento nominal
aplicando las siguientes expresiones:
basepurr
fasen
fasenbase
npur
ZRR
I
UZ
sR
..
.
.
.
(3.19)
8. Se determinan las reactancias de dispersión del estator y el
rotor, determinando primeramente la reactancia de
dispersión total que es la suma de las dos y separándolas
suponiendo que al estator corresponde un 40% y un 60% al
rotor :
m
rdrdscc s
RXXX
(3.20)
9. Mediante el diagrama fasorial del motor se determina la
corriente nominal del rotor:
nm
nnrn fp
s
sII .1.
2
(3.21)
10. Se calculan las pérdidas de cobre nominales del rotor:
rrncobrn RIp ..3 2 (3.22)
11. Se calculan las pérdidas adicionales nominales haciéndolas
iguales al 1,8% de la potencia nominal si el motor es menor
de 100 kW y suponiéndolas iguales al 1,5% de la potencia
nominal si el motor es mayor (según norma IEC 60034-2-1).
49
Con esta información se calcula la resistencia de pérdidas
adicionales:
2.3 rn
adnad I
pR
(3.23)
12. Se determinan las pérdidas de cobre nominales del estator y
con ellas la resistencia del estator:
2.3
)(
n
cobsns
cobrnadnmecnacncobsn
I
pR
pppppérdidasp
(3.24)
13. Mediante el diagrama fasorial del motor se calcula la fem
nominal del estator:
21,... ndsnnsnsnsn fpXIfpRIUE (3.25)
14. Se calcula la reactancia magnetizante
on
snm I
EX
(3.26)
15. Se calcula la resistencia de pérdidas de acero
acn
snm p
ER
2
.3 (3.27)
Como puede apreciarse, mediante este método quedan segregados
todas las pérdidas de la máquina y los parámetros del circuito
equivalente.
3.5.4. Pasos para la determinación de las características energéticas
Para determinar las características de eficiencia, factor de potencia,
potencia reactiva, corriente y velocidad en función de la potencia
de salida se resuelve el circuito equivalente para diferentes valores
de deslizamiento. Para cada valor de deslizamiento y suponiendo el
50
valor de tensión real que existe en la red a la cual va conectado el
motor:
1. Se resuelve el circuito equivalente calculando la corriente del
estator en módulo y ángulo y la corriente del rotor.
2. Se calcula el factor de potencia como:
)cos(fp en que es el ángulo de la corriente (3.28)
3. Se calcula la potencia de entrada como:
fpIUP sfsfen ...3 (3.29)
Donde
Usf es la tensión del estator de fase
Isf es la corriente del estator por fase.
4. Se determina la potencia reactiva como:
21...3 fpIUQ sfsfen (3.30)
5. Se calcula la velocidad en por unidad:
sn pu 1 donde, s es el deslizamiento. (3.31)
6. Se determina la potencia convertida a la forma mecánica
como:
s
sRIP rrmec
1...3 2
(3.32)
7. Se calculan las pérdidas mecánicas reales en función de las
pérdidas mecánicas nominales donde nn. es la velocidad
nominal.
2
.
.
pun
pumecnmec n
npp
(3.33)
51
8. Se determina la potencia de salida aplicando:
mecmecsal pPP (3.34)
9. Finalmente se calcula la eficiencia
en
sal
P
P
(3.35)
Con este algoritmo se realiza un lazo que comienza con un valor de
deslizamiento igual a 0,00001 y lo va incrementando en pasos de
0,0005 hasta llegar a un valor igual al 100% del deslizamiento
nominal. Todo se hace con la instrucción for en el programa
MatLab.
52
CAPITULO IV
OBTENCIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS ENERGÉTICAS DE LOS
MOTORES ELÉCTRICOS SECCIÓN MOLINOS CEMENTO ANDINO
S.A.
A continuación se describen los instrumentos y técnicas utilizadas para la
recolección de información durante el desarrollo del proyecto de investigación:
4.1 TÉCNICAS E INSTRUMENTOS UTILIZADOS:
4.1.1 Observación Directa
A través de esta técnica se conoció el funcionamiento de la planta de la
fabrica Cemento Andino S.A., Describiendo de esta manera todos los
procesos para la fabricación del cemento.
Observando también que el mayor consumo de energía eléctrica lo realizan
los motores que llegan a un promedio de 1000 entre pequeños y grandes. Es
por ello que se decide analizar los motores de mayor consumo de energía
nos referimos a los de media tensión con niveles de tensión de 2200 a 6600
voltios.
Este se muestra en al tabla 4.1.
TABLA 4.1. Relación de motores en media tensión
DESCRIPCION
POTENCIA
(Kw)
TENSIÓN
(V)
MOLIENDA CRUDA Y HOMOGENEIZACION
MOTOR TRITURADORA DE MARTILLOS TANDEM 1 450 6600
MOTOR PRINCIPAL MOLINO DE BOLAS CRUDO 1 1400 2200
MOTOR VENTILADOR DE TIRO MOL. CRUDO 1 1100 6600
MOTOR PRINCIPAL MOLINO DE CRUDO 2 1652 2200
MOTOR TRITURADORA DE MARTILLOS TANDEM 2 450 6600
MOTOR VENTILADOR DE TIRO CRUDO 2 1840 6600
53
HORNO I
MOTOR VENT. DE TIRO FILTRO DE MANGAS 1 Y 2 625 2200
HORNO 2
MOTOR VENT. DE TIRO FILTRO MANGAS 2 HOR. 2 500 2300
HORNO 3
MOTOR VENTILADOR DE TIRO - WT1 900 6600
MOTOR VENTILADOR DE TIRO (4º PISO) HOR. 3 750 6600
MOTOR VENTILADOR DE TIRO (NIVEL 0) WT2 1100 6600
MOTOR VENT. DE TIRO FILTRO MANGAS 1 HOR. 3 500 2300
MOTOR VENT. DE TIRO FILTRO MANGAS 2 HOR. 3 415 2300
MOTOR VENT. DE TIRO FILTRO MANGAS 3 HOR. 3 750 6600
TRANSPORTE DE CLINKER A TOLVAS
MOTOR PRINC.A" PRENSA DE RODILLO DE CLINKER" 300 2300
MOTOR PRINC.B" PRENSA DE RODILLO DE CLINKER" 300 2300
MOLIENDA DE CEMENTO I
MOTOR PRINCIPAL MOLINO DE CEMENTO 1 500 2200
MOLIENDA DE CEMENTO 2
MOTOR PRINCIPAL MOLINO DE CEMENTO 2 500 2200
MOLIENDA DE CEMENTO 3
MOTOR PRINCIPAL MOL. CTO. 3 1400 2200
MOLIENDA DE CEMENTO 4
MOTOR PRINCIPAL A" MOLINO DE CEMENTO 4" 1200 2200
MOTOR PRINCIPAL B" MOLINO DE CEMENTO 4" 1200 2200
MOLIENDA DE CEMENTO 5
MOTOR MOLINO POLYCON RODILLO FIJO 700 6,600
MOTOR MOLINO POLYCON RODILLO MOVIL 700 6,600
MOTOR VENTILADOR DEL SEPARADOR CTO. 5 336 6,600
MOLIENDA DE CEMENTO 6
MOTOR PRINCIPAL MOLINO DE BOLAS CEMENTO 6 1840 6600
MOLINO DE CARBON
MOTOR PRINCIPAL MOLINO DE CARBON 900 6600
4.1.2 Recolección de datos utilizando instrumentos de medición:
Se utilizaron los siguientes instrumentos:
1. Tacómetro digital. Este instrumento se utilizo para determinar la
velocidad de los motores en campo. (Fíg 4.1)
54
Fíg 4.1 Realizando mediciones con el tacómetro digital
2. Analizador de calidad de energía DRANETZ PP4300.-Este equipo
se instaló en la celda de media tensión que alimenta al motor para
registrar variables eléctricas de energía con relación a la calidad (V, I,
FP, Hz, kW, kVAR, VTHD, ITHD, armónicas h1...h50 y oscilaciones.
(Fíg 4.2)
Fig.4.2 Analizador de Redes DRANETZ
55
4.2 DETERMINACIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS
ENERGÉTICAS:
4.2.1 Datos del motor (Caso de estudio):
Para esto utilizamos lo datos obtenidos de la placa, de mediciones
realizadas y de catálogo de motores
Estos valores son, los que se utilizaron para determinar las características
energéticas del motor.
TABLA 4.2 Datos del Motor a evaluar
N° Datos de chapa y catálogo
MOTOR Molino
Cemento 4 1 Tensión nominal (V) Un 2200
2 Potencia nominal en (kW) Pn 1200
3 Corriente nominal (A) In 340
4 Frecuencia nominal (Hz) Fn 60
5 Velocidad sincrónica (RPM) Ns 1200
6 Velocidad nominal (r/min) Nn 1160
7 Eficiencia nominal (%) Efn 0.92
8 Factor de potencia fpn 0.85
9 Par máximo (Nm) tmáxn 2.0
10 Horas al año de operación 6500
TABLA 4.3 Lectura de mediciones realizadas:
Estado de carga
Uab (V)
Ubc (V)
Uca (V)
Up (V)
Ia (A)
Ib (A)
Ic (A)
Up (A)
Horas al año de operación
100% 2191 2188 2191 2190 259 255 259 257,6 6500
Los datos en la tabla mencionados corresponden a un motor de rotor
bobinado en media tensión que acciona un molino de bolas del cual se
tomarán las lecturas de potencia, tensión, corriente utilizando el
analizador de redes y también de velocidad utilizando el tacómetro digital.
56
Se desea analizar la posibilidad de cambiar este motor y tomar las medidas
necesarias que conduzcan a un ahorro de la energía activa y reactiva
consumida.
4.2.2 Estimación de pérdidas y cálculo de parámetros del circuito
equivalente:
Estos datos se determinaron de acuerdo a las formulas mencionadas en la
metodología de estudio utilizando el programa MatLab y realizando
algunas estimaciones de acuerdo a la teoría se determinaron los siguientes
valores para las pérdidas en un motor asíncrono y los parámetros de su
circuito equivalente por fase.
TABLA 4.4 Resumen de pérdidas:
N° PÉRDIDAS MOTOR Molino Cemento
1 Pérdidas de cobre en el estator (kW)
Pcus 17,99
2 Pérdidas de cobre en el rotor (kW)
Pcur 33,13
3 Pérdidas de acero o de núcleo (kW)
Pac 3,21
4 Pérdidas mecánicas (kW)
Pmec 12,86
5 Pérdidas adicionales (kW)
Pad 18,00
TABLA 4.5 Parámetros del circuito equivalente:
N° PARAMETROS SIMBOLO VALOR
1 Resistencia de estator por fase (Ω) Rs 0,0518
2 Resistencia del rotor por fase (Ω) Rr 0,1245
3 Reactancia de dispersión del estator (Ω) Xds 0,3718
4 Reactancia de dispersión del rotor (Ω) Xdr 0,5577
5 Reactancia magnetizante (Ω) Xm 11,0875
6 Resistencia de pérdidas del acero (Ω) Rm 1317,27
7 Resistencia de pérdidas adicionales (Ω) Rad 0,0676
57
4.2.3 Determinación de las Características energéticas del motor:
Con los valores obtenidos, se resuelve el circuito equivalente se calcula
aplicando ecuaciones de malla la corriente del estator en módulo y ángulo
y la corriente del rotor: (4.1)
..
..
Donde : (4.2)
Usf : Tensión del estator por fase
Zs :Impedancia del estator ( . ) (4.3)
Zr :Impedancia del rotor ( . (4.4)
Zm :Impedancia de magnetización (. .
.) (4.5)
TABLA 4.6 Valores de las características energéticas:
N° CARACTERÍSTICAS ENÉRGETICAS SIMBOLO VALOR
1 Corriente del estator (A) 298,83 180,27
ModIs 348,90 AngIs -31,10
2 Corriente del rotor (A) 307 73,06
Mod Ir 315,57 Ang Ir -13,38
3 Corriente de magnetización (A) 0, 9023 107,2
ModIm 107,20 AngIm -89,51
4 Factor de potencia (%) FP 85,63%
5 Potencia de entrada (kW) Pen 1266,3
6 Potencia reactiva (kVAR) Qen 684,88
7 Velocidad sincrónica(RPM) N 1200
8 Potencia de salida (kW) Psal 1066,1
9 Eficiencia (%) Ef 84,21
4.2.4 Gr
Co
des
has
hac
Co
mu
est
Fig. 4.3C
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directam
aument
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Co
rrie
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100
200
300
400
500
600
700
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nte
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Fig. 4.4CA
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10-3
10-2
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100
101
102
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Tabla 4.10 C
Motor Actual Nuevo
ARACTERIS
Tabla 4.11 E
Motor Actual Nuevo
er la eficien
nta:
os bobinado
miento posib
500 1000
EFICIENCIA
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Corriente 348,9 A 257,6 A
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Fig. 4.6 C
Fig. 4.
Pt
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CARACTER
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7 CARACTE
0 10600
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DE POTEN
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835,48 kW
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3000 4000 50Potencia de
EN FUNCIÓN D
NCIA REAC
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Potencia r684,88 671,83
CIDAD SINC
000 6000 70e salida (kW)
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000 6000 70e salida (kW)
DE LA POTENCI
CTIVA –PO
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CRONICA –
000 8000 90
TENCIA DE SAL
000 8000 900
IA DE SALIDA
OTENCIA D
tensión
–POTENCIA
000 10000
LIDA
00 10000
61
DE SALIDA
A DE SALID
A
DA
62
Es la velocidad ala cual gira el motor cuando esta trabajando accionando el
molino de bolas.
Tabla 4.11 Velocidad de operación del motor de media tensión
Motor Potencia Velocidad Actual 1066,1 kW 1160 RPM Nuevo 835,48 kW 1172 RPM
4.2.5 Cálculo de la potencia entregada al molino de bolas
Para determinar la potencia real entregada al molino se entra en la curva de la
figura 4.6 con la corriente leída promedio se determina la potencia de salida que
consume la carga. Si se interpola de la misma forma en la curva de eficiencia y
posteriormente se divide la potencia de salida entre esta eficiencia se obtiene la
potencia de entrada para este estado de carga. Finalmente puede conocerse la
potencia reactiva interpolando en la característica correspondiente. Todas estas
interpolaciones se hacen en el MatLab con la función spline Los resultados
obtenidos se muestran en la tabla que aparece a continuación:
Tabla 4.12 Resultados obtenidos del programa
Is (A)
Psal (kW)
Ef Pen (kW)
Qen (kVAr)
257,6 895,48 0,73 1138,7 671,83
Teniendo en cuenta el número de horas al año que funciona este motor con esta
carga consumirá en un año:
Motor Nuevo
Energía Activa =(1138,7)(6500) =7 401 550 kW hora y
Energía Reactiva = (671,83)(6500) = 4 366 914 kVAr hora.
Se propone entonces sustituir este motor por uno de menor potencia y alta
eficiencia, cuyos datos se muestran acontinuación como resultado del análisis del
programa y ayuda de catalogo de motores:
63
Tabla 4.13 Datos del nuevo motor a sustituir
RESULTADO DEL ANÁLISIS REALIZADO
Potencia solicitada por la carga (kW) 835,48
Potencia consumida (kW) 1138,7
DATOS DEL MOTOR NUEVO
Potencia nominal (kW) 900
Tensión nominal (V) 2200
Corriente nominal (A) 280
Velocidad nominal (RPM) 1172
Eficiencia(%) 90
Factor de potencia 0,85
Momento máximo (p.u.) 2,2
Potencia consumida (kW) 1007,6
Ahorro de potencia consumida (kW) 131,1
En este trabajo se ha explicado el método propuesto no sólo para determinar el
comportamiento energético de los motores de inducción trifásicos que operan a
velocidad constante, sino también para evaluar este comportamiento a partir de los
resultados obtenidos de mediciones simples las cuales pueden ser realizadas sin
desconectar el motor y con un nivel de intrusividad mínimo.
Se utilizan programas escritos en MatLab que permiten una evaluación rápida y
comparativa de las diferentes situaciones que pueden presentarse.
Como resumen final se señalan algunas consideraciones importantes que deben
tenerse en cuenta a la hora de hacer un estudio de ahorro de energía en este tipo de
motores que cubre más del 95 % de los existentes en la industria y los servicios:
64
Fig. 4.14. Texto del programa elaborado en MATLAB
65
66
4.3. ESTUDIO DE FACTIBILIDAD TÉCNICO ECONÓMICO:
Una vez conocido el consumo de energía tanto activa como reactiva de
cada motor. A pesar de lo evidente de estas medidas, ninguna puede
llevarse a cabo si previamente no se hace un estudio de factibilidad técnico
económico que justifique la inversión que debe hacerse en función de las
ganancias obtenidas.
4.3.1 COSTO DE OPERACIÓN DE CADA MOTOR:
$ (4.6)
Donde:
P = Potencia promedio consumida por el motor (kW)
H= Horas de operación al año
Precio = Precio promedio de energía
4.3.2 RESULTADOS DE LA EVALUACIÓN ECONÓMICA:
CRITERIOS DE COMPARACIÓN MOTOR ACTUAL
MOTOR NUEVO
Potencia promedio(kW) 1200 1000
Horas de operación al año (h) 6500 6500
precio promedio de energía ($/kWh) 0,05 0,05
Costo de operación ($) 390000 325000
Ahorro Anual($) 65000
Costo del motor nuevo ($) 120000 Tiempo de Recupero de la inversión (años) 1,85
4.4. PROPUESTA: GESTIÒN DE MOTORES
Se comprende entonces la necesidad de llevar a cabo una adecuada política
con respecto a todo lo que concierne a su adquisición, operación y
mantenimiento que redunde en un aumento de su confiabilidad
disminuyendo el tiempo medio entre fallos, un consumo mínimo de
67
potencia tanto activa como reactiva y una vida útil acorde con las
expectativas planteadas por sus fabricantes. Todos aquellos planes,
medidas y acciones en general que se tomen para cumplir estos objetivos
conforman lo que podemos denominar Gestión de Motores.
En este sentido deben quedar bien establecidos mediante procedimientos
claros los siguientes aspectos:
4.4.1 LA SELECCIÓN Y ADQUISICIÓN DEL MOTOR Y SU SISTEMA
DE PROTECCIÓN Y ACCIONAMIENTO.
Pueden darse dos situaciones: que el motor corresponda a una nueva
instalación o que se emplee para sustituir a otro como resultado de un
estudio de eficiencia energética o haber vencido su tiempo de vida útil.
En el primer caso se plantea un importante dilema, en la mayoría de los
casos, el motor no es seleccionado por un especialista eléctrico sino por el
denominado Fabricante Original (en inglés Original Equipment
Manufacturer OEM) el cual no le preocupa el costo de explotación del
motor sino la confiabilidad del equipo que fabrica y la rapidez con que se
lo entrega al usuario. Esto hace que, en muchos casos, se reciban motores
que van a operar subcargados o que no tienen la eficiencia adecuada. Esta
situación se da con frecuencia en equipos muy comunes en la industria
como son las motobombas, compresores y los ventiladores de todo tipo.
También puede darse el caso que la protección mecánica del motor (el IP)
no sea la adecuada para las condiciones ambientales de su explotación.
Para resolver este problema, es necesario que el inversionista de la
instalación industrial o de servicio donde se va a instalar el motor garantice
que en la selección de todo equipo donde existe un motor como fuerza
motriz, esté presente un especialista eléctrico calificado que tenga en
cuenta que el motor del equipo:
68
Tenga la capacidad y sea del tipo de servicio adecuado al mecanismo
que acciona
Sea de una tensión nominal acorde a la tensión existente en la Pizarra
General de Distribución a la que va conectado el motor.
Tenga una protección mecánica (IP) acorde con las condiciones en
que va a ser explotado
Sea del tipo Energy Efficient o Nema Premium si es comprado en
América o Eff1 o Eff2 si fue adquirido en la Unión Europea. En el
caso de ser adquirido en otro país debe ajustarse a uno de estos
criterios. Si el mecanismo va a operar pocas horas al año puede
admitirse un motor estandar o del tipo Eff3 que resulta más barato.
Tenga las protecciones eléctricas adecuadas a las normas vigentes y al
sistema de suministro eléctrico de la industria
Si necesita un accionamiento eléctrico de velocidad variable que sea
de un tipo que, por un lado cumpla los requerimientos técnicos del
equipo y, por otro, sea lo suficientemente moderno de acuerdo al
estado del arte de esta tecnología y cumpla los requerimientos de
calidad de la energía.
Si va a trabajar en condiciones difíciles (por ejemplo, grúas, equipos
de tracción u otros sometidos a frecuentes sobrecargas), debe
garantizar que el motor sea de un diseño especial para este tipo de
trabajo.
Exija y revise la literatura técnica del equipo en la cual debe venir la
del motor con sus datos de catálogo y especificando bajo que norma
se determinaron los parámetros energéticos que se ofrecen. Los datos
mínimos deben ser:
a. Marca, tipo y año de fabricación del motor.
b. Potencia nominal
c. Tensión nominal
d. Frecuencia nominal
e. Velocidad nominal
69
f. Corriente nominal
g. Eficiencia nominal
h. Factor de potencia nominal
i. Par de arranque
j. Corriente de arranque
k. Par máximo
l. Clase de aislamiento
m. Factor de servicio
En el caso que el motor tenga que ser seleccionado por un especialista es
necesario que esta selección se haga por un grupo multidisciplinario o
por el tecnólogo y el especialista eléctrico que:
Determinen los diagramas de carga (potencia en función del tiempo)
y tacométrico (velocidad en función del tiempo).
Con esta información, seleccionen el motor de acuerdo a un tipo de
servicio (continuo, periódico, de corta duración, etc) y cumpliendo
los parámetros eléctricos, energéticos y de tipo constructivo y de
protección mecánica adecuados. Deben cumplirse también, por
supuesto, los puntos del 4 al 8 del caso anterior.
4.4.2 SISTEMA DE MONITOREO, DIAGNÓSTICO Y
MANTENIMIENTO DEL MOTOR
Al ser el motor eléctrico la fuerza motriz principal de la industria, la
confiabilidad de su operación reviste una gran importancia para el
mantenimiento de la productividad y el ahorro de los gastos de reparación.
Ahora bien, no todos los motores deben ser considerados por igual desde
este punto de vista. Hay motores que operan en sistemas auxiliares que no
son determinantes en la producción, otros tienen unidades de reserva que
entran en operación inmediatamente en caso de fallar la que está en
operación y otros dan lugar a la interrupción del proceso productivo con
las consiguientes pérdidas por producción dejada de servir y gastos de
reparación.
70
Es necesario, por tanto, llevar a cabo una clasificación de los motores de
acuerdo al nivel de confiabilidad necesaria. En aquellos que estén en el
primer nivel de prioridad o que su potencia sea muy grande, debe
disponerse de un sistema de Mantenimiento Predictivo que comprenda:
Un plan de mantenimiento programado con un período de muestreo
adecuado de acuerdo a las especificaciones del fabricante y a las
posibilidades de la industria. Este plan de mantenimiento debe incluir
todo un conjunto de ensayos de diagnóstico con sus respectivas
recomendaciones.
Un sistema de monitoreo (condition monitoring) en tiempo real que
permita detectar fallos incipientes antes de que éstos se hagan
catastróficas.
Una base de datos de los motores en esta situación (viene a ser su
historia clínica) con toda la información necesaria para reconstruir su
“historia” y poder diagnosticar las causas de cualquier fallo.
Debido a que los sistemas de monitoreo y diagnóstico en tiempo real
suelen ser muy caros, sólo se justifican económicamente en el caso de
motores da alta prioridad y de gran potencia. En el caso de los motores
que estén en el segundo nivel de prioridad, sólo son necesarios los
puntos 1 y 3. En aquellos que su prioridad sea más baja, sólo se le
realizan ensayos de diagnóstico más sencillos y sus tiempos de
muestreo son mayores.
Si es necesario destacar que, en todos los casos, es muy conveniente, casi
diríamos que necesario, contar con una base de datos de todos los motores
de la industria donde se reflejen todas las incidencias relacionadas con su
adquisición, mantenimiento, reparación, etc.
El sistema de monitoreo, diagnóstico y mantenimiento que se propone
debe estar acorde con los principales fallos que ocurren en el motor que, en
orden de frecuencia de ocurrencia son los siguientes:
71
Fallos mecánicos (excentricidad, desalineamiento, vibración excesiva,
etc.) debidos a problemas con los rodamientos.
Fallos en el aislamiento del estator del motor debido a su
envejecimiento que provocan la existencia de espiras en cortocircuito
y, que de continuar profundizándose, pueden dar lugar a violentos
cortocircuitos entre espiras y deformaciones del acero activo.
La rotura de las barras del rotor.
Los ensayos de diagnóstico off line (quiere decir que se realizan no estando
el motor en operación, o sea, en períodos de mantenimiento) más
importantes a realizar son los siguientes:
Determinación del nivel de vibraciones.
Ensayos de aislamiento que comprenden:
a. Determinación de la resistencia de aislamiento, el índice de
polarización y el factor de absorción.
b. Determinación de la tangente delta
c. Ensayos de alta tensión de CA y CC
d. Ensayos de descargas parciales off line
El sistema de monitoreo y diagnóstico en tiempo real necesario en aquellos
motores en que se justifique económicamente comprende generalmente los
siguientes aspectos:
a) La determinación del espectro de corrientes del estator. Puede detectar
rotura de barras y problemas en los rodamientos.
b) La determinación de la amplitud y el espectro de frecuencias de las
vibraciones. Puede detectar problemas en los rodamientos y rotura de
barras.
c) La determinación del espectro del flujo axial del motor. Permite detectar
espiras en cortocircuito en el estator y rotura de barras.
d) Determinación on line de las descargas parciales. Es el método más
confiable para detectar fallos en el aislamiento.
72
4.4.3 ESTUDIOS DE EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LOS MOTORES
Debido a las causas explicadas en el primer punto, aun en los países más
desarrollados, existen en operación motores subcargados, de baja
eficiencia o que trabajan en lugares donde la calidad de la tensión no es la
mejor. Todo esto provoca un consumo de potencia tanto activa como
reactiva que puede ser disminuido tomando medidas que en muchos casos
se pagan en poco tiempo o requieren de gastos mínimos.
Entre las medidas que pueden tomarse para disminuir este consumo están:
Sustituir motores ineficientes o con baja carga por otros menos
consumidores de energía eléctrica.
Mejorar la calidad de la tensión eléctrica en los lugares donde los
motores se encuentran conectados o la conexión de sus devanados en
función de la carga.
Cambiar las condiciones de operación o las características de los
mecanismos accionados por los motores de manera que consuman
menos potencia. Ejemplo típico: operar las bombas centrífugas en
condiciones de máxima eficiencia y/o las de caudal variable por
variación de velocidad y no por estrangulación.
Mejorar las técnicas de enrollado, reparación y mantenimiento de los
motores.
73
CONCLUSIONES
1. Mediante mediciones simples las cuales las cuales son realizadas sin
desconectar el motor y con un nivel de intrusividad mínimo; Se determina
el comportamiento energético de los motores de inducción trifásicos que
operan a velocidad constante
2. Haciendo uso del software MatLab se determina analíticamente los valores
de las características energéticas del motor con los datos de placa, la
estimación de pérdidas y cálculo de parámetros del circuito equivalente.
3. Las gráficas del comportamiento de las características energéticas del
motor obtenidas en MatLab y realizando interpolaciones en las mismas
nos permiten determinar el valor de la potencia entregada del motor al
molino de bolas.
4. El estudio de factibilidad técnico económica permite evaluar que el tiempo
de recupero de la inversión en la compra del nuevo motor es de
aproximadamente 2 años.
5. Esta metodología se refiere solamente a motores alimentados con tensión y
frecuencia constantes.
74
RECOMENDACIONES
1. Poner en práctica la presente metodología ya que es una propuesta
frente a métodos experimentales que requieren uso de laboratorio con
costosos equipos de medición y posibles interrupciones del motor.
2. La estimación de la pérdidas adicionales o indeterminadas son muy
difíciles de conocer en la práctica para ello la norma IEC 60034-2-1
sugiere que sea el 1,5% de la potencia de entrada.
3. A pesar de lo evidente de estas medidas, ninguna puede llevarse a cabo
si previamente no se hace un estudio de factibilidad técnico económico
que justifique la inversión que debe hacerse.
4. En el caso que los motores sean sobredimensionados y con baja
eficiencia se sugiere sustituir dichos motores con baja carga por otros
menos consumidores de energía eléctrica y de alta eficiencia.
5. Una buena gestión de motores en la industria es realizar un
mantenimiento predictivo adecuado para mejorar de esta manera su
operación y su vida útil, mejorando su eficiencia y disminuyendo al
máximo su consumo de energía activa y reactiva con la consecuente
disminución de emisión de gases contaminantes a la atmósfera.
75
BIBLIOGRAFÍA
1. Chapman, Stephen J. “MAQUINAS ELÉCTRICAS. Editorial Prentice
Hall [2000]. Mexico.
2. Manual de Motores Elèctricos WEG. 2004
3. IEC 60034-2-1 . “APLICACIÓN EN LA DETERMINACIÓN DE LAS
PÉRDIDAS Y EL RENDIMIENTO DE MOTORES DE INDUCCIÓN
TRIFÁSICOS” , 2007.
4. IEEE “PROCEDIMIENTO NORMAL DE PRUEBAS PARA MOTORES
DE INDUCCIÓN TRIFÁSICOS Y GENERADORES”, Nov. 2004.
5. Javier Sainz Feito, “MÁQUINAS ELÉCTRICAS”, Editorial Prentice Hall,
2002.
6. Kostenko, M. Piotrovsky, L. “MÁQUINAS ELÉCTRICAS”, Editorial
Mir, Moscú, 1976.
7. Delores M. Etter, “SOLUCIÓN DE PROBLEMAS DE INGENIERIA
CON MATLAB”, Segunda Edición. Prentice – Hall .Hispanoámerica
76
ANEXOS
77
ANEXO 1
78
MATRIZ DE CONSISTENCIA
CARACTERÍSTICAS DE COMPORTAMIENTO ENERGÉTICAS DE LOS MOTORES EN MEDIA TENSIÓN 2.2 Y
6.6 Kv DE LOS SECCIÓN MOLINOS DE LA EMPRESA CEMENTO ANDINO S.A.
PROBLEMA OBJETIVOS JUSTIFICACIÓN DEL
TEMA HIPÓTESIS Y VARIABLES
GENERAL
¿Cómo determinar las
características de
comportamiento
energéticas de los
motores en media
tensión de la sección
molinos de la empresa
Cemento Andino S.A.?
GENERAL
Determinar las
características de
comportamiento
energéticas de los
motores en media
tensión sin
necesidad de sacar
fuera de servicio
Los motores de
inducción trifásicos son
los principales
consumidores de
energía eléctrica en el
mundo y desde hace
algunos años en
muchos países se llevan
a cabo estudios para la
disminución del
consumo de energía en
estos motores. Como
parte esencial de estos
estudios está la
determinación de su
eficiencia y del
consumo de energía del
motor in situ. En la
literatura técnica y en
las normas existen
diferentes métodos,
algunos muy exactos,
pero que requieren de
equipos más costosos,
tales como analizadores
de redes y medidores
de par, y otros más
aproximados pero más
sencillos por ser de más
fácil realización y más
baratos por utilizar un
mínimo de intrusividad.
GENERAL
Las características de
comportamiento energéticas
de los motores en media
tensión de la sección molinos
de la empresa Cemento
Andino S.A. se puede
determinar aplicando un
método no invasivo.
VARIABLE INDEPENDIENTE
Las características
energéticas de los motores
como: la eficiencia, consumo
de potencia reactiva, el
factor de potencia, la
corriente del estator y la
velocidad en función de la
potencia de salida
VARIABLE DEPENDIENTE
La potencia entregada a la
carga mecánica, el consumo
de potencia tanto activa
como reactiva, la corriente y
la velocidad de rotor de un
motor seleccionado.
79
METODOLOGÍA
DE ESTUDIO POBLACIÓN Y MUESTRA
TÉCNICAS
INSTRUMENTO DE
RECOLECCIÓN DE
DATOS
PROCEDIMIENTOS DE
INVESTIGACIÓN
Método:
‐Descriptivo
‐Experimental
Población:
26 Motores en media
tensión de la Empresa
Cemento Andino S.A..
Muestra:
1 motor de la sección de
molinos de la empresa
Cemento Andino S.A.
Técnica de Muestreo:
Aleatoria
Técnicas:
1)Observación directa
2) Mediciones utilizando
instrumentos
3) Elaboración de Tablas
para establecer
relaciones entre
variables
4) Diagramas en
MatLab relacionando
variables.
5) Análisis bibliográfico
Instrumentos:
1) Tacómetro digital
2) Analizador de
calidad de energía
3) Programa MatLab
Etapas del proceso de
investigación:
1)Información bibliográfica
2)Recopilar los datos de la
muestra
4) Realización de mediciones
3) Aplicación de teoría y
fórmulas
4) Tratamiento de los datos
utilizando programa
MatLab.
5)Sugerencias y conclusiones
80
ANEXO 2
81
82
ANEXO 3