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Nuevas Oportunidades de Ahorro Energetico
aplicando las recientes Tecnologías de
Motores de Alta Eficiencia
Enrique C. Quispe O., Ph. D.
Profesor Titular UAO
Grupo Investigación en Energías GIEN.
Simposio
Eficiencia Energética y
Energías Renovables
Centro Eventos Valle del Pacifico
Cali, Mayo 6 al 8 de 2015
Contenido
1. El Mercado de los Motores Eléctricos: La Eficiencia
Energética.
2.
Eficiencia de un Motor Eléctrico: Conceptos claves para el
ahorro energético.
3. Costos del Ciclo de Vida de Motores Eléctricos
4. Motores de Alta Eficiencia: Nuevas Tecnologías.
5. Normas y Eficiencia en Motores Eléctricos.
6. Nuevas Oportunidades de Ahorro de Energía.
E. C. Quispe
1. El Mercado de los Motores Eléctricos:
La Eficiencia Energética.
E. C. Quispe
Energía Eléctrica Mundial por Fuente de Energía
El 80 % de la electricidad del mundo se produce usando combustibles fósiles
Fuente: International Energy Agency.
E. C. Quispe
Emisiones de CO2 por combustible
Fuente: I E A Key World Energy 2012, Statistics
E. C. Quispe
Escenarios de Estrategias para la Reducción del CO2
Fuente: International Energy Agency 2010
E. C. Quispe
Incrementar la Eficiencia Energética en el uso de la energia,
constituye el 43% de las opciones de reducción de GEI, para
evitar un incremento de temperatura media del planeta
superior a 1.5°C en el año 2034 y controlar los efectos del
cambio climático. (*)
El uso eficiente de la energía eléctrica en las empresas de
uso intensivo de energía, constituye un aporte a la
competitividad empresarial.
-
Disminuye costos de producción (ahorra dinero, aumenta
utilidades)
Bueno para el medio ambiente.( se emite menos CO2)
Bueno para la sociedad (reduce demanda, responsabilidad
social)
(*) Fuente: Panel Intergubernamental de Cambio Climático en 2011
E. C. Quispe
Concepto de Eficiencia Energética
Conjunto de actividades que permiten disminuir
el consumo energético de un proceso o servicio,
manteniendo el mismo nivel de producción
del producto ó del servicio.
E. Quispe 26
¿Cómo incrementamos la EFICIENCIA ENERGÉTICA en el
USO de la ENERGÍA ELÉCTRICA?
1. Por cambio tecnológico y uso eficiente de equipos
Usando equipos de mayor eficiencia y nuevas tecnologías,
motores de alta eficiencia, variadores de frecuencia,
iluminación eficiente, etc.
2. Por Gestión Energética
Implementando un Sistema de Gestión de Energía SGE que
Planifique y controle el consumo de energía. El SGE
permite una administración eficiente de la energía y que
la
eficiencia se incremente o sostenga en el tiempo.
E. C. Quispe
Motores Eléctricos en el consumo mundial de Energía Eléctrica.
Fuente: I E A Key World Energy 2012, Statistics
E. C. Quispe
Tipos de Motores Eléctricos
Motores eléctricos
Motores de CC
de conmutación
electrónica - de imanes
permanentes sin
escobillas
de excitación en serie
de excitación en
paralelo
Motores de CA
de escobillas
de excitación mixta
universal
de imanes permanentes
Fuente: de Almeida, Energy Using Product Report Final 2008.
E. C. Quispe
síncrono
de inducción
monofásico
trifásico
Estructura de motor DC (corriente continua)
Fuente: Reliance Electric, Catlogo.
E. C. Quispe
Estructura de Motor Inducción (Asincrónico)
Fuente: Catalogo Siemens.
E. C. Quispe
Consumo de Electricidad en el Sector Industrial
de la Unión Europea
Fuente: de Almeida, Energy Using Product Report Final 2008.
E. C. Quispe
Mercado de motores eléctricos en la EU-25
9 millones de motores AC vs. 350,000 motores DC
Fuente: de Almeida, Energy Using Product Report Final 2008.
E. C. Quispe
Mercado de motores AC en la EU-25
Fuente: de Almeida, Energy Using Product Report Final 2008.
E. C. Quispe
El mercado mundial de los motores eléctricos esta
actualmente dominado por los MOTORES DE
INDUCCIÓN TRIFÁSICOS.
Aunque han aparecido nuevas tecnologías.
E. Quispe 26
Tipos de Motores y sus Usos
MOTORES de CC
MOTORES de CC CONVENCIONALES
MOTORES de CC de IMANES PERMANENTES
MOTORES de CA
MOTORES de INDUCCIÓN de JAULA DE ARDILLA (se usan en más del 90% de las aplicaciones industriales)
MOTORES de INDUCCIÓN de ROTOR DEVANADO
MOTORES SÍNCRONOS de IMANES PERMANENTES
MOTORES SÍNCRONOS
CON EXCITACIÓN SEPARADA
MOTORES DE RELUCTANCIA CONMUTADA
USOS DOMÉSTICOS
TERCIARIOS Y SERVICIOS
SERVICIOS PÚBLICOS (PLANTAS DE BOMBEO Y DE TRATAMIENTO DE AGUA)
USOS INDUSTRIALES
0,1 kW
1 kW
Fuente: Anibal De Almeida, 2012.
E. C. Quispe
10 kW
100 kW
1000 kW
Potencia
3. Eficiencia de un Motor Eléctrico de
Inducción: Conceptos claves para el
Ahorro Energético
E. C. Quispe
Concepto de Eficiencia
Flujo de Potencia en un motor de inducción
E. C. Quispe
Naturaleza de las Pérdidas en el Motor
• Las pérdidas resistivas (perdidas efecto Joule) se expresan mediante I2R, y
aumentan rápidamente con la carga del motor. Las pérdidas joule aparecen
como calor generado por la resistencia eléctrica a la corriente que fluye en
el devanado del estator, y en las barras del conductor y en los anillos de los
extremos del rotor.
• Las pérdidas en el hierro ocurren en el laminado de acero del estátor y del
rotor. Se deben a la histéresis y a las corrientes de Foucault, y aumentan
aproximadamente con la densidad de flujo al cuadrado.
• Las pérdidas mecánicas se deben a la fricción en los cojinetes y a las
pérdidas por ventilación y resistencia al viento.
• Pérdidas Adicionales por corrientes de fuga (Eddy) se debe a los armónicos
de la densidad de flujo del entrehierro, a las imperfecciones mecánicas en
el entrehierro.
E. C. Quispe
Variación de las Perdidas con la carga
E. C. Quispe
Concepto de Eficiencia del Motor
E. C. Quispe
Definición de Eficiencia
E. C. Quispe
Conceptos Claves para el Ahorro Energía
La EF se mantiene constante
entre 50% y 100% de la carga
El FP disminuye con la
carga
E. C. Quispe
El Ahorro de Energía depende de la Eficiencia
E. C. Quispe
Oportunidades de Ahorro en el Uso de Motores Eléctricos
Fuente: E C Quispe, Revista El Hombre y la Máquina, 2004.
E. C. Quispe
Eficiencia en los Sistemas Accionados con
Motores Eléctricos

PSALIDA(ÚTIL)
PENTRADA

PEJE
PELÉCTRICA
PPÉRDIDAS
 1 
PENTRADA
PEJE  T  
SISTEMA  VEV MOTOR TRANSMISIÓN USO FINAL 
Fuente: de Almeida, Energy Using Product Report Final 2008.
E. C. Quispe
PÚTIL
PENTRADA
3. Costos del Ciclo de Vida en
Motores Eléctricos de Inducción
E. C. Quispe
Costo del Ciclo de Vida de los
Motores de Inducción Jaula de Ardilla
• Costo Ciclo de Vida Motor: Costo Compra + Costo
Energía+ Costo Mantenimiento + Costo Reparación.
• Un motor de inducción puede consumir por año una
cantidad de energía equivalente a entre 5 y 10 veces su
costo inicial. En toda su vida útil de aproximadamente
12-20 años, representa entre 60 y 200 veces su costo
inicial.
Fuente: ISR- Universidad de Coimbra, U. Autónoma Occidente
E. C. Quispe
Relación Costo de Compra y Costo Ciclo de Vida
en un Motor de Inducción
Motor IE3 de 11 kW, con 4000 horas de funcionamiento por año, ciclo de vida 15 años 0,0754 € /kWh
Fuente: ISR- Universidad de Coimbra.
E. C. Quispe
4. Motores de Alta Eficiencia
Nuevas Tecnologías
E. C. Quispe
Motores de inducción de Alta Eficiencia
(Energy Efficient Motor-EEM)
• Motores de diseño especial
• Mayor eficiencia (2-6% más).
• Pueden lograr que se reduzcan las facturas de energía y los
costos de mantenimiento
• Más material de mayor calidad – más caros (25-30%)
• Vida útil más larga (menor temperatura operativa)
• Por lo general, menor par de arranque (depende de la forma
de las ranuras del rotor)
• Mayor corriente de arranque (depende del par de arranque)
• Menor deslizamiento (1%)
• Mayor inercia del rotor
E. C. Quispe
Característica de un motor Premium
E. C. Quispe
E. C. Quispe
Motor de inducción energéticamente eficiente - rotor de cobre de
fundición y rotor de aluminio (4 polos y 1,1 kW)
EFICIENCIA POR EL
MÉTODO DIRECTO
Fuente: De Almeida 2012
E. C. Quispe
recomendaciones
• El costo de operación es determinado por la eficiencia
de operación del motor.
• Si el motor va a ser usado con poca frecuencia, no
suele ser rentable realizar inversiones adicionales en
diseños eficientes. Por otra parte, si el motor va a
trabajar en forma continua por mas de 4000 horas al
año, un motor de alta efciencia puede retornar la
inversión más rápidamente.
E. C. Quispe
Nuevas Tecnología de Motores de Alta Eficiencia
Motor de Reluctancia Conmutada SR (Swichted Reluctance Motor)
Motor con rotor con doble saliencia
(estator-rotor). Con bobinas de
fase montadas alrededor los polos
diametralmente opuestos del
estátor.
La energización de una fase
hará que el rotor se mueva
para alinearse con los polos
del estátor, lo que minimiza
la reluctancia del trayecto.
Tienen un par suave y alta
eficiencia.
Fuente: De Almeida, Energy Using Product Report Final 2008.
E. C. Quispe
ESTÁTOR: 8 POLOS
ROTOR: 6 POLOS
Tecnología Emergente
LSPM (Line Start Permanent Magnet)
• Motor híbrido con rotor de jaula de
ardilla equipado con imanes
permanentes de alta energía (NeFeB),
conveniente para arranque directo.
• Intercambiables por
motores de inducción (misma
relación potencia x marco).
Fuente: de Almeida, 2008. Flygt Experior
E. C. Quispe
Tecnología Emergente
Motor Sincrónico de Reluctancia
Fuente: de Almeida, 2012
E. C. Quispe
5. Normas y Eficiencia en
Motores Eléctricos.
E. C. Quispe
Normas Internacionales sobre Motores Eléctricos
EUROPA Y MUNDO
Norma IEC 60034
International Electrothecnical Commision
Dimensiones en mm, potencia en watts
Colombia
NTC 2805….(Comité 131 espejo del IEC)
USA
Norma NEMA. MG1.2004
National Electrical Manufacturers Association
Dimensiones en pulgadas, potencia en HP
E. C. Quispe
Evolución de Motores de Alta Eficiencia
• 1992 el Congreso USA dio el EPACT´92 Energy Policy Act, que dio
nacimiento al High efficiency Motor. NEMA MG1. 1992.
• 2006 el Federal Energy Management Program [FEMP] anuncio que
el NEMA Premium era el motor Standard para aplicaciones comerciales
en Industriales. NEMA MG1.2006.
• 2007 se firmo el Energy Independence and Security Act EISA
2007, que introdujo obligatoriamente el NEMA Premium a partir de
diciembre de 2010.
• 2008 en Europa se edito la norma IEC 60034-30 (2008) que
clasifico los motores según su eficiencia:
- IE 1: Motor de eficiencia estándar (EFF2 CEMEP)
- IE 2 : Motor de Alta Eficiencia
(EFF1 CEMEP, EPACT´92)
- IE 3: Motor de Eficiencia Premium (Nema Premium)
- IE 4 : Motor de Eficiencia Super Premium
E. C. Quispe
Evolución Motores Alta Eficiencia NEMA (USA)
1992 HIGH EFFICIENCY
2007 PREMIUM EFFICIENT
SUPER PREMIUM
ULTRA PREMIUM
E. C. Quispe
EPACT 1992 Energy Policy Act
EISA 2007 Energy Independence
and Security Act
Armonización de las normas de clasificación de
eficiencia en el mundo - IEC 60034-30
Cuatro clases de eficiencia:
• IE1: eficiencia estándar (anterior Eff2)
• IE2: eficiencia alta (anterior Eff1, EPAct) 2011
• IE3: eficiencia Premium (16-20% menos pérdidas que IE2) 2015
• IE4 : eficiencia Super-Premium se presentó en IEC 60034-30-1
• IE5: Ultra-Premium
E. C. Quispe
¿Qué es un motor Premium?
• Los motores Premium IE3 tienen por lo menos un 15%
menos de pérdidas que los motores IE2.
Son motores de Inducción de Jaula de Aedilla de diseño y
construcción especial.
E. C. Quispe
¿Qué es un motor Super-Premium?
• Los motores Super-Premium (clase IE4) tienen que
tener por lo menos un 15% menos de pérdidas que los
IE3/Premium.
• Se puede conseguir en Motores de Induccion con
mucho esfuerzo, normalmente son motores de
reluctancia o de imán permanente
E. C. Quispe
Ahorros Energéticos entre IE
Ahorros energéticos potenciales según la mejora
en la clase de eficiencia
E. C. Quispe
• IEC 60034-31 (Edición 1.0: 2010): Guía para la selección y
aplicación de motores energéticamente eficientes, incluidas
las aplicaciones con velocidad variable
Ofrece directrices técnicas para el uso de motores
energéticamente eficientes en aplicaciones con velocidad
constante y variable. No se tratan aspectos de puro carácter
comercial.
E. C. Quispe
Tecnologías de los motores de mayor eficiencia
Fte: De Almeida 2013
E. C. Quispe
Norma IEC 60034-30 (2008) Clasifica los motores
de inducción según su eficiencia
Clases de eficiencia de la IEC 60034-30 y clases de eficiencia Super-Premium IE4 de la IEC 60034-31
E. C. Quispe
Que es un Motor Ultra-Premium
• El motor de eficiencia ultra-Premium es un motor
clase IE5 que tiene 20% menos de pérdidas con
relación a IE4.
• Las tecnologías de los motores para IE5 no están bien
desarrolladas en la actualidad y no están
comercialmente disponibles.
E. C. Quispe
Motores Super-Premium
E. C. Quispe
(Norma IEC 60034-30)
Arranque
directo
IE1 IE2
IE3
IE4
IE5
Motores de inducción de jaula trifásicos (ASM)
Sí
Ok Ok
Ok
Difícil
No
Motores de inducción de rotor devanado
Sí
Ok Ok
Ok
Difícil
No
Motores de inducción monofásicos (un condensador)
Sí
Ok Difícil
No
No
No
Motores de inducción monofásicos (dos condensadores
conmutables)
Sí
Ok Ok
Difícil
No
No
Motores síncronos de imanes permanentes (PMSM)
No
Ok Ok
Ok
Ok
Difícil
Motores síncronos de rotor devanado
Algunos
Ok Ok
Ok
Ok
Difícil
Motores de imanes permanentes de arranque directo
(LSPM)
Sí
Ok Ok
Ok
Ok
Difícil
Motores de reluctancia de campo senoidal
Algunos
Ok Ok
Ok
Difícil
No
E. C. Quispe
MEPS (normas de rendimiento energético mínimo) mundo
Niveles de eficiencia
Clases de eficiencia
Norma de ensayo
Norma de rendimiento
IEC 60034-2-1
Eficiencia Premium
IEC 60034-30
IE3
MEPS
EE.UU. 2011
Europa 2015 * ( >7,5 kW), 2017
Incertidumbre baja
Alta eficiencia
IE2
EE.UU.
Canadá
México
Australia
Nueva Zelandia
Brasil
Corea
China (2011)
Europa (2011)
Suiza (2011)
Eficiencia estándar
IE1
China
Brasil
Costa Rica
Israel
Taiwán
Suiza
Incertidumbre media
E. C. Quispe
Conclusiones
• Hay una tendencia a nivel mundial de aumentar la
eficiencia de motores eléctricos.
• Existe una equivalencia entre las normas NEMA e IEC.
• A mayor eficiencia el costo de energía del motor
disminuye.
• Los motores de inducción son muy usados en las clases
IE1, IE2 e IE3.
• Para las clases IE4 e IE5 no se usan motores de inducción y
hay tecnologías emergentes.
• Hay nuevas oportunidades de ahorro usando los motores
de nueva tecnología IE4 (motor sincrónico de reluctancia,
motor de doble reluctancia, imanes permanentes)
E. C. Quispe
Preguntas?
[email protected] , [email protected]
E. C. Quispe