CONTENIDO - Universidad Tecnológica de Tula - Tepeji
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<strong>CONTENIDO</strong><br />
RESUMEN ................................................................................................................... 5<br />
SUMMARY .................................................................................................................. 6<br />
INTRODUCCIÓN ........................................................................................................ 7<br />
ANTECEDENTES ..................................................................................................... 12<br />
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ............................................................................. 12<br />
OBJETIVOS .............................................................................................................. 14<br />
General ............................................................................................................................. 14<br />
Específicos ...................................................................................................................... 14<br />
JUSTIFICACIÓN ....................................................................................................... 15<br />
CAPÍTULO I ........................................................................................................... 17<br />
FUNDAMENTOS TEÓRICOS .................................................................................. 17<br />
INTRODUCCIÓN ...................................................................................................... 17<br />
1. BASES DEL VARIADOR ..................................................................................... 19<br />
1.1 Ten<strong>de</strong>ncias <strong>de</strong> tecnología <strong>de</strong> los variadores transistorizados ........................... 19<br />
1.2 Características <strong>de</strong>l variador .................................................................................... 20<br />
1.2.1 ¿Qué es un motor? ..................................................................................................................... 21<br />
1.2.2 Estructura <strong>de</strong>l motor ................................................................................................................... 21<br />
1.2.3 Características básicas <strong>de</strong>l motor ............................................................................................ 23<br />
1.2.4 Características <strong>de</strong>l motor controlado por un variador en torque y corriente ...................... 25<br />
1.2.5 Patrón v/f y torque <strong>de</strong> arranque ................................................................................................ 27<br />
1.2.6 Características <strong>de</strong> salida <strong>de</strong> un motor estándar ..................................................................... 34<br />
1.3 Estructura básica y operación principal <strong>de</strong>l variador <strong>de</strong> frecuencia ................. 36<br />
1.3.1 Estructura <strong>de</strong>l variador <strong>de</strong> frecuencia ...................................................................................... 36<br />
1
1.3.2 Operación <strong>de</strong>l circuito convertidor ............................................................................................ 38<br />
1.3.3 Operación <strong>de</strong>l circuito inversor ................................................................................................. 41<br />
1.4 Sistemas <strong>de</strong> control <strong>de</strong>l variador ............................................................................ 47<br />
1.4.1 Control V/f .................................................................................................................................... 47<br />
1.4.2 Control vector <strong>de</strong> flujo magnético ............................................................................................. 49<br />
1.4.3 Control vectorial .......................................................................................................................... 51<br />
1.5 Características <strong>de</strong>l torque <strong>de</strong> carga ....................................................................... 53<br />
1.5.1 Tipos <strong>de</strong> carga ............................................................................................................................. 53<br />
1.5.2 Características <strong>de</strong>l torque <strong>de</strong> carga y patrón V/f .................................................................... 57<br />
2. CARACTERÍSTICAS DEL VARIADOR EN AHORRO DE ENERGÍA ............... 59<br />
2.1 Principio básico <strong>de</strong>l ahorro <strong>de</strong> energía con un variador ..................................... 59<br />
2.2 Características <strong>de</strong>l torque variable (ventilador/bomba) ...................................... 62<br />
2.2.1 Potencia requerida PL para operación con potencia comercial ........................................... 63<br />
2.2.2 La comparación <strong>de</strong>l ahorro <strong>de</strong> energía entre el control <strong>de</strong> velocidad ................................. 66<br />
y el control <strong>de</strong> la válvula ....................................................................................................................... 66<br />
2.2.3 Comparación en ahorro <strong>de</strong> energía <strong>de</strong> los métodos <strong>de</strong> control ........................................... 71<br />
3. METAS TECNOLÓGICAS DEL VARIADOR EN APLICACIONES DE AHORRO<br />
DE ENERGÍA ............................................................................................................ 75<br />
3.1 Metas tecnológicas en aplicaciones <strong>de</strong> ahorro <strong>de</strong> energía ................................. 75<br />
3.2 Factor <strong>de</strong> potencia y eficiencia ............................................................................... 76<br />
3.2.1 Eficiencia <strong>de</strong>l motor y variador .................................................................................................. 76<br />
3.2.2 Entrada <strong>de</strong> corriente <strong>de</strong>l variador y mejora <strong>de</strong>l factor <strong>de</strong> potencia ...................................... 79<br />
2
CAPÍTULO II .......................................................................................................... 85<br />
1. Situación actual <strong>de</strong>l problema ........................................................................... 86<br />
1.1 Características físicas .............................................................................................. 86<br />
1.2 Características <strong>de</strong> operación .......................................................................... 88<br />
1.3 Operación futura ............................................................................................... 90<br />
1.3.1 Siguientes acciones .............................................................................................. 91<br />
1.3.2 Comportamiento electromecánico ...................................................................... 91<br />
CAPÍTULO III ........................................................................................................ 94<br />
1. Propuesta <strong>de</strong> solución al problema .................................................................. 95<br />
2. La propuesta ..................................................................................................... 96<br />
2.1 Cálculos para la selección <strong>de</strong>l variador <strong>de</strong> frecuencia ........................................ 98<br />
2.1.1 Situación <strong>de</strong> instalación y ambiente operacional ................................................................... 98<br />
2.1.2 Características eléctricas <strong>de</strong> alimentación .............................................................................. 98<br />
2.1.3 Potencia <strong>de</strong>l motor ...................................................................................................................... 98<br />
2.1.4 Corriente <strong>de</strong>l motor .................................................................................................................... 98<br />
2.2 Tipo <strong>de</strong> variador ........................................................................................................ 99<br />
2.3 Cálculos para seleccionar la alimentación <strong>de</strong>l sistema ..................................... 100<br />
2.4 Dimensionamiento <strong>de</strong> conductores para alimentación <strong>de</strong> sistema motor y<br />
variador <strong>de</strong> frecuencia ................................................................................................. 102<br />
3. Arranque y pruebas............................................................................................... 105<br />
3
3.1 Procedimiento <strong>de</strong> puesta en marcha <strong>de</strong>l mo<strong>de</strong>lo .................................................................... 107<br />
CAPÍTULO IV ...................................................................................................... 111<br />
1. Estudio Costo-Beneficio .................................................................................. 112<br />
1.1 Ambiente <strong>de</strong> la aplicación ..................................................................................... 112<br />
1.2 Beneficios <strong>de</strong>l cambio <strong>de</strong> sistema ........................................................................ 112<br />
1.3 Ahorro en el cambio <strong>de</strong>l sistema .......................................................................... 117<br />
1.4 Inversión <strong>de</strong> la aplicación y taza <strong>de</strong> retorno ....................................................... 122<br />
CONCLUSIONES ................................................................................................... 124<br />
ANEXOS .................................................................................................................. 125<br />
I.COTIZACIÓN ........................................................................................................ 126<br />
II.FOTOS ................................................................................................................. 127<br />
GLOSARIO.............................................................................................................. 128<br />
BIBLIOGRAFÍA....................................................................................................... 130<br />
FUENTES DE INFORMACIÓN .............................................................................. 131<br />
ÍNDICE DEL MATERIAL GRÁFICO ...................................................................... 132<br />
Figuras ........................................................................................................................... 132<br />
Tablas ............................................................................................................................. 133<br />
4
RESUMEN<br />
El siguiente proyecto es realizado para implementar un sistema que ayu<strong>de</strong><br />
a optimizar el uso <strong>de</strong> energía en el bombeo <strong>de</strong> agua tratada para nuestro cliente,<br />
con la ayuda <strong>de</strong> un variador <strong>de</strong> frecuencia para control <strong>de</strong> velocidad <strong>de</strong> rotación,<br />
caudal y presión <strong>de</strong> las bombas, este será flexible para la operación y seguro para<br />
los operadores, a<strong>de</strong>más tendrá un beneficio <strong>de</strong> un ahorro <strong>de</strong>l 5% equivalente a<br />
$40,000 dólares por año.<br />
El mencionado sistema se llevará a cabo con elementos hidráulicos,<br />
mecánicos y eléctricos <strong>de</strong>scritos más a<strong>de</strong>lante <strong>de</strong> forma <strong>de</strong>tallada para su mejor<br />
comprensión.<br />
Los elementos fueron elegidos bajo los estándares <strong>de</strong>scritos en la<br />
mencionada empresa, sin <strong>de</strong>scuidar los aspectos ambientales y <strong>de</strong> seguridad<br />
esperando que con estos dispositivos se lleve a cabo todo lo antes mencionado<br />
con el propósito <strong>de</strong> aplicarlo en las <strong>de</strong>más plantas <strong>de</strong>l grupo ATLATEC S. <strong>de</strong> R.L.<br />
<strong>de</strong> C.V.<br />
5
SUMMARY<br />
The following project is realized to implement a system that helps to<br />
optimize the use of energy in the water pumping treated for our client, with the aid<br />
of a drive of frequency for control of volume, turnover rate and pressure of the<br />
pumps, this will be flexible for the operation and insurance for the operators, in<br />
addition equivalent to $40.000 dollars per year will have a benefit of a saving of<br />
5%.<br />
The mentioned system will be carried out with hydraulic, mechanical and<br />
electrical elements <strong>de</strong>scribed more in front of <strong>de</strong>tailed form for its better<br />
un<strong>de</strong>rstanding.<br />
The elements were chosen un<strong>de</strong>r the standards <strong>de</strong>scribed in the mentioned<br />
company, without neglecting the environmental aspects and of security hoping that<br />
with these <strong>de</strong>vices all the indicated above one is carried out in or<strong>de</strong>r to apply it in<br />
the other plants of group ATLATEC S. of R.L of C.V.<br />
6
INTRODUCCIÓN<br />
La palabra Atlatec, surge <strong>de</strong>l Náhuatl, antigua lengua azteca hablada en México y<br />
América Central, Atl significa agua: forma <strong>de</strong> vida y fuente <strong>de</strong> <strong>de</strong>sarrollo<br />
tecnológico <strong>de</strong>l pueblo azteca, uniendo esta palabra con Tec, Tecnología, se<br />
forma la palabra ATLATEC, que significa Tecnología <strong>de</strong>l Agua en nuestro tiempo.<br />
Somos una <strong>de</strong> las empresas integradora <strong>de</strong> proyectos <strong>de</strong> infraestructura <strong>de</strong>l<br />
sector agua más importante en México por nuestro posicionamiento en el mercado<br />
y por volumen <strong>de</strong> ventas. Somos lí<strong>de</strong>res en el diseño, la construcción, el<br />
financiamiento y la operación <strong>de</strong> plantas <strong>de</strong> tratamiento <strong>de</strong> aguas residuales y el<br />
rehúso <strong>de</strong> aguas industriales.<br />
Para satisfacer <strong>de</strong> manera integral los requerimientos <strong>de</strong> nuestros clientes<br />
en Latinoamérica, contamos con oficinas en México, Perú, Chile, Brasil y<br />
Venezuela, teniendo nuestra oficina principal en Monterrey, México, contando con<br />
más <strong>de</strong> 600 empleados capacitados en las áreas: <strong>de</strong> <strong>de</strong>sarrollo <strong>de</strong> negocios,<br />
técnica, financiera, legal, <strong>de</strong> recursos humanos y administrativa.
Hemos <strong>de</strong>sarrollado más <strong>de</strong> 80 proyectos <strong>de</strong> tratamiento <strong>de</strong> aguas en<br />
México y Latinoamérica tanto en el sector Municipal como en el sector industrial.<br />
Tenemos más <strong>de</strong> 50 años <strong>de</strong> experiencia en la Operación y Mantenimiento<br />
<strong>de</strong> plantas <strong>de</strong> tratamiento <strong>de</strong> aguas.<br />
Contamos con especialistas <strong>de</strong> procesos, <strong>de</strong> diseño civil, mecánico, eléctrico y<br />
<strong>de</strong> instrumentación y control, soportados por las áreas <strong>de</strong> sistemas y<br />
abastecimientos en todas nuestras operaciones, para garantizar un servicio <strong>de</strong><br />
excelencia en:<br />
Ingeniería y construcción <strong>de</strong> plantas <strong>de</strong> tratamiento <strong>de</strong> aguas.<br />
Operación, mantenimiento y rehabilitación <strong>de</strong> plantas.<br />
Ingeniería y construcción <strong>de</strong> infraestructura y proyectos industriales.<br />
Operamos Plantas <strong>de</strong> Tratamiento <strong>de</strong> Aguas Residuales en 4 <strong>de</strong> 5 refinerías <strong>de</strong><br />
petróleo en México <strong>de</strong>l programa “Uso Integral <strong>de</strong>l Agua”. Tenemos a nuestro<br />
cargo la operación <strong>de</strong> plantas <strong>de</strong> tratamiento <strong>de</strong> aguas municipales, para la<br />
industria <strong>de</strong> generación <strong>de</strong> energía eléctrica, metal mecánica, <strong>de</strong> alimentos,<br />
papelera, cervecera y el rehúso <strong>de</strong> agua tratada municipal en la industria.<br />
8
Ofrecemos servicios integrales para el mejoramiento <strong>de</strong> la gestión,<br />
administración, operación y mantenimiento <strong>de</strong> sistemas <strong>de</strong> agua potable,<br />
alcantarillado y saneamiento.<br />
Nuestra empresa tiene como Misión: Contribuir al <strong>de</strong>sarrollo sustentable<br />
ofreciendo soluciones integrales relacionadas con el agua a la comunidad global.<br />
Ser una compañía global <strong>de</strong>l agua, lí<strong>de</strong>r, confiable y comprometida con el medio<br />
ambiente, siendo la mejor opción para nuestros clientes, empleados y socios.<br />
Siguiendo nuestros valores <strong>de</strong>:<br />
INTEGRIDAD: • Trabajar con la más alta moral y ética.<br />
CREATIVIDAD: • Tomar el reto <strong>de</strong> la innovación continua.<br />
DIVERSIDAD: • Fomentar la cultura <strong>de</strong> mente abierta.<br />
TRABAJO EN EQUIPO: • Crear confianza e incentivar la participación.<br />
DESARROLLO HUMANO: • Desarrollar a nuestros empleados su máximo<br />
potencial.<br />
Se alcanzarán todos los retos.<br />
9
Atlatec <strong>Tula</strong>, es parte <strong>de</strong> nuestra organización, que le brinda servicio a la<br />
Refinería Miguel Hidalgo, tratando sus aguas residuales y regresando el agua<br />
tratada para que Refinería la reutilice en sus torres <strong>de</strong> enfriamiento, <strong>de</strong> tal manera<br />
que con el presente proyecto se propone “Eficientar el <strong>de</strong>sempeño <strong>de</strong> las bombas<br />
<strong>de</strong> envío <strong>de</strong> agua tratada <strong>de</strong> Atlatec a Refinería <strong>de</strong> acuerdo a las necesida<strong>de</strong>s <strong>de</strong>l<br />
cliente”.<br />
En los documentos que se presentan a continuación, se recogen todos los<br />
datos y características que han sido obtenidos como resultado <strong>de</strong> los cálculos<br />
<strong>de</strong>sarrollados en los correspondientes anexos.<br />
Capítulo I Marco teórico: En este capítulo se presenta teoría que<br />
fundamenta el proyecto.<br />
Capítulo II Situación actual <strong>de</strong>l planteamiento <strong>de</strong>l problema: se <strong>de</strong>scribe<br />
paso a paso como se encuentra el problema base <strong>de</strong>l proyecto.<br />
Capítulo III Propuesta <strong>de</strong> solución al planteamiento <strong>de</strong>l problema: En este<br />
capítulo se <strong>de</strong>scribe cómo se solucionará, analizando la situación con estudios, así<br />
como resolver e implementar su solución, consi<strong>de</strong>rando las metodologías<br />
generales y particulares que se utilizarán, así como las técnicas que permitirán<br />
alcanzar el objetivo<br />
Capítulo IV Estudio Costo-Beneficio: Se realizará un estudio <strong>de</strong> factibilidad<br />
técnico económico relacionando las ventajas y <strong>de</strong>sventajas <strong>de</strong> la implementación.<br />
10
El objeto <strong>de</strong> estudio <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong>l mismo será el fundamento <strong>de</strong> la sucesiva<br />
operación en las bombas <strong>de</strong> envío <strong>de</strong> agua tratada a refinería, BC-302 A/B/C, las<br />
bases para la implementación <strong>de</strong>l variador <strong>de</strong> frecuencia, la <strong>de</strong>terminación <strong>de</strong>l plan<br />
para su ejecución y puesta en marcha, así como la evaluación financiera <strong>de</strong> los<br />
resultados que cabe esperar.<br />
Se propuso implementar un sistema eficiente para controlar la velocidad <strong>de</strong><br />
un motor eléctrico por medio <strong>de</strong> un variador electrónico <strong>de</strong> frecuencia. Este<br />
permite regular la frecuencia <strong>de</strong>l voltaje aplicado al motor, logrando modificar su<br />
velocidad, así como los puntos <strong>de</strong> variación <strong>de</strong> dichas velocida<strong>de</strong>s.<br />
Estos equipos se encuentran instalados y en funcionamiento en el área <strong>de</strong><br />
la subestación principal eléctrica <strong>de</strong> la planta.<br />
Igualmente, se preten<strong>de</strong> obtener el mejor equilibrio posible entre la<br />
funcionalidad <strong>de</strong> las instalaciones proyectadas, optimizando todos aquellos<br />
factores y agentes que intervienen, con el objetivo <strong>de</strong> brindar un producto <strong>de</strong> alta<br />
calidad.<br />
El principal fin <strong>de</strong>l presente proyecto será la maximización <strong>de</strong>l beneficio en<br />
base a añadir valor al producto actual, y obtener éste al menor costo posible. Por<br />
tanto, el proyecto habrá <strong>de</strong> buscar la óptima solución económica que satisfaga<br />
estos condicionantes.<br />
11
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA<br />
ANTECEDENTES<br />
Atlatec es la empresa encargada <strong>de</strong> recibir el agua enviada por la<br />
paraestatal Refinería Miguel Hidalgo para su tratamiento que a su vez es<br />
reenviada <strong>de</strong>spués <strong>de</strong> pasar por el proceso y cumplir con los parámetros<br />
requeridos por el cliente, esta agua es utilizada para el sistema <strong>de</strong> enfriamiento <strong>de</strong><br />
sus torres. Una <strong>de</strong> las partes importantes que el cliente solicita es:<br />
1. El envío <strong>de</strong>l agua <strong>de</strong> acuerdo a los parámetros expuestos en el contrato<br />
2. La cantidad <strong>de</strong>be <strong>de</strong> ser directamente proporcional al flujo <strong>de</strong> entrada<br />
3. El flujo recibido <strong>de</strong>pen<strong>de</strong>rá <strong>de</strong> los parámetros establecidos <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong>l<br />
contrato<br />
Está última condicionante es una parte importante <strong>de</strong> que la planta no se<br />
trabaje al 100% la cual su capacidad por diseño es <strong>de</strong> 240 lps, esto nos lleva a la<br />
necesidad <strong>de</strong> estrangular la válvula <strong>de</strong> <strong>de</strong>scarga por parte <strong>de</strong> personal <strong>de</strong><br />
12
operación, ocasionándonos que tengamos que re circular agua y a su vez<br />
provocando una contrapresión en la línea la cual es reflejada en el consumo <strong>de</strong><br />
energía <strong>de</strong> 50,000 Kw/mes ya que las bombas se ven saturadas y provocan que el<br />
motor consuma más energía, como consecuencia ocasiona multas por parte <strong>de</strong><br />
CFE.<br />
13
General<br />
OBJETIVOS<br />
Implementar un sistema <strong>de</strong> control <strong>de</strong> velocidad para un motor eléctrico por<br />
medio <strong>de</strong> un variador electrónico <strong>de</strong> frecuencia, para ahorrar energía eléctrica <strong>de</strong>l<br />
5%, en el proceso <strong>de</strong> envío <strong>de</strong> efluente, logrando cubrir las necesida<strong>de</strong>s <strong>de</strong>l<br />
cliente. Este sistema permitirá regular la frecuencia <strong>de</strong>l voltaje aplicado al motor,<br />
logrando modificar su velocidad, así como los puntos <strong>de</strong> variación <strong>de</strong> dichas<br />
velocida<strong>de</strong>s.<br />
Específicos<br />
1. Optimizar el uso <strong>de</strong> energía.<br />
2. Cálculo <strong>de</strong>l ahorro <strong>de</strong> energía usando variadores <strong>de</strong> frecuencia.<br />
3. Diseñar las modificaciones requeridas, en subestación para instalar el<br />
variador.<br />
4. Reducir costos <strong>de</strong> operación con el uso <strong>de</strong> variadores <strong>de</strong> frecuencia.<br />
5. Programar a<strong>de</strong>cuadamente el variador <strong>de</strong> frecuencia según la aplicación.<br />
14
JUSTIFICACIÓN<br />
La Planta <strong>de</strong> tratamiento <strong>de</strong> agua residual <strong>de</strong> Atlatec que sirve a la refinería<br />
“ Miguel Hidalgo”, se ubica en su mayor parte <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong> las instalaciones <strong>de</strong><br />
PEMEX ; con una baja eficiencia y ante la necesidad <strong>de</strong> un próximo incremento<br />
en el caudal <strong>de</strong> agua tratada a enviar a la refinería <strong>de</strong>l or<strong>de</strong>n <strong>de</strong> 240 a 260 lps,<br />
obliga a analizar hidráulicamente el comportamiento <strong>de</strong> la misma planta, ya que<br />
técnicamente no existe la capacidad <strong>de</strong> transportar un caudal superior a 218 lps, al<br />
igual existen problemas <strong>de</strong> presión en la tubería y la operación electromecánica<br />
no tiene flexibilidad.<br />
En tal sentido es necesario implementar un proyecto que resuelva esta<br />
problemática, por lo que se propone la instalación <strong>de</strong> un variador que permite en<br />
primer punto, tener control <strong>de</strong> la velocidad <strong>de</strong> rotación <strong>de</strong>l motor automáticamente,<br />
que a su vez permitirá regular los flujos necesarios solicitados bajo <strong>de</strong>manda <strong>de</strong><br />
agua tratada, eliminando la estrangulación <strong>de</strong> la válvula <strong>de</strong> mariposa.<br />
Segundo, al estar <strong>de</strong> forma manual esta hace que exista un mayor consumo <strong>de</strong><br />
energía al estar recirculando fluido en el último proceso <strong>de</strong> tratamiento, así que<br />
nos favorece para ahorrar energía.<br />
15
16<br />
CAPÍTULO I<br />
FUNDAMENTOS TEÓRICOS
CAPÍTULO I<br />
FUNDAMENTOS TEÓRICOS<br />
INTRODUCCIÓN<br />
Más <strong>de</strong>l 60% <strong>de</strong> la energía eléctrica <strong>de</strong>mandada en la actualidad es<br />
consumida por motores eléctricos. Por esto, uno <strong>de</strong> los puntos más relevantes<br />
para la industria en general ha sido estudiar el conjunto motor-carga y tratar <strong>de</strong><br />
optimizar el proceso completo. Normalmente suce<strong>de</strong> que los motores trabajan en<br />
condiciones <strong>de</strong> carga variable (líquidos, gases, etc.). En estos casos, la regulación<br />
electrónica <strong>de</strong> la velocidad <strong>de</strong> los motores en función <strong>de</strong> las necesida<strong>de</strong>s,<br />
sustituye a los sistemas tradicionales <strong>de</strong> control con resultados energéticos<br />
espectaculares.<br />
Sin embargo, los motores con menor nivel <strong>de</strong> exigencias en el<br />
mantenimiento son los motores asíncronos <strong>de</strong> jaula <strong>de</strong> ardilla, <strong>de</strong>bido a que<br />
carecen <strong>de</strong> colector, tienen una relación peso-potencia mucho menor que los <strong>de</strong><br />
motores <strong>de</strong> continua y, por tanto, un costo significativamente más bajo. Por estas<br />
razones, dada su capacidad <strong>de</strong> soportar sobrecargas y su elevado rendimiento, es<br />
el motor más atractivo para la industria.<br />
17
Des<strong>de</strong> hace aproximadamente 25 años, el elevado <strong>de</strong>sarrollo <strong>de</strong> la<br />
electrónica <strong>de</strong> potencia y los microprocesadores han permitido variar la velocidad<br />
<strong>de</strong> estos motores, <strong>de</strong> una forma rápida, robusta y fiable, mediante los reguladores<br />
electrónicos <strong>de</strong> velocidad, llamados comúnmente variadores <strong>de</strong> frecuencia.<br />
Para el caso <strong>de</strong>l presente proyecto:<br />
La elección <strong>de</strong> la instalación <strong>de</strong> un variador <strong>de</strong> frecuencia como método <strong>de</strong><br />
ahorro energético supone:<br />
• Reducción <strong>de</strong>l consumo <strong>de</strong> energía eléctrica.<br />
• Mejor control operativo, mejorando la rentabilidad y la productividad <strong>de</strong> los<br />
procesos productivos reduciendo la velocidad <strong>de</strong> los motores cuando no<br />
sea necesario.<br />
• Reducir las pérdidas <strong>de</strong> eficiencia <strong>de</strong>l motor e instalaciones.<br />
• Ahorro en mantenimiento (el motor trabaja siempre en las condiciones<br />
óptimas <strong>de</strong> funcionamiento).<br />
18
1. BASES DEL VARIADOR<br />
1.1 Ten<strong>de</strong>ncias <strong>de</strong> tecnología <strong>de</strong> los variadores transistorizados<br />
En controladores <strong>de</strong> variadores <strong>de</strong> velocidad <strong>de</strong> motor, los motores <strong>de</strong><br />
corriente directa (CD) los cuales requerían mantenimiento <strong>de</strong> escobillas fueron<br />
remplazados hace 20 años por los variadores transistorizados que manejan<br />
motores <strong>de</strong> inducción. Des<strong>de</strong> entonces, los variadores han sido mejorados para<br />
cumplir con las necesida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> mercado, soportados por la potencia <strong>de</strong> los<br />
transistores (circuito principal), los circuitos integrados y las microcomputadoras<br />
(circuito <strong>de</strong> control).<br />
La figura 1 indica las ten<strong>de</strong>ncias <strong>de</strong> la tecnología <strong>de</strong> los variadores<br />
transistorizados. Los variadores fueron creciendo según el <strong>de</strong>sarrollo <strong>de</strong> los<br />
componentes, dispositivos semiconductores fueron progresando para hacer que<br />
los variadores más compactos en tamaño y <strong>de</strong> mejor funcionamiento, la tecnología<br />
<strong>de</strong>l variador fue mejorada junto con sus aplicaciones.<br />
19
Figura 1. Ten<strong>de</strong>ncias <strong>de</strong> variadores transistorizados<br />
1.2 Características <strong>de</strong>l variador<br />
Esta sección explica las características fundamentales el cual será esencial<br />
para la selección y aplicación en este presente proyecto, por capacidad cuando un<br />
motor trifásico <strong>de</strong> jaula <strong>de</strong> ardilla es controlado por un variador.<br />
Ya que la operación con la energía comercial y la operación con el variador<br />
difiere <strong>de</strong> las características <strong>de</strong>l motor.<br />
20
1.2.1 ¿Qué es un motor?<br />
(Stephen J. Chapman, 2002) En resumen, un motor es un dispositivo que<br />
convierte la energía eléctrica a una fuerza rotativa (torque), es <strong>de</strong>cir, energía<br />
mecánica. Esta fuerza rotativa es utilizada para realizar varios trabajos.<br />
Salida <strong>de</strong> motor = Fuerza rotativa (torque) x velocidad = fuerza x velocidad.. (1.1)<br />
1.2.2 Estructura <strong>de</strong>l motor<br />
Por la estructura simple y rígida <strong>de</strong> un motor <strong>de</strong> jaula <strong>de</strong> ardilla pue<strong>de</strong> ser<br />
usado en una gran variedad <strong>de</strong> ambientes cómo al aire libre, ambiente húmedo y<br />
ambientes explosivos.<br />
Des<strong>de</strong> el aspecto <strong>de</strong> la estructura, los motores son largamente clasificados<br />
por el tipo <strong>de</strong> estructura <strong>de</strong>l motor, tipo <strong>de</strong> ventilación y protección <strong>de</strong> humedad. La<br />
figura 2 muestra un ejemplo <strong>de</strong> un motor totalmente contenido con ventilación a<br />
ventilador. La estructura es dividida en un área estacionaria y un área rotativa,<br />
cada uno consistiendo <strong>de</strong> partes mecánicas y partes eléctricas.<br />
El ventilador externo acoplado al eje para evitar que el motor se caliente.<br />
Cuando el motor es controlado por el variador a una baja velocidad, el efecto <strong>de</strong><br />
21
enfriamiento <strong>de</strong>l ventilador reduce. Para suprimir el aumento <strong>de</strong> temperatura <strong>de</strong>l<br />
motor sin el valor específico, la carga <strong>de</strong> torque permisible <strong>de</strong>be <strong>de</strong> ser reducido.<br />
(Stephen J. Chapman, 2002)<br />
Figura 2. Ejemplo <strong>de</strong> un motor totalmente contenido, enfriado por ventilador<br />
22
1.2.3 Características básicas <strong>de</strong>l motor<br />
(1) Curva torque/corriente<br />
La figura 3 muestra la característica <strong>de</strong>l motor cuando es directamente conectado<br />
a la energía eléctrica comercial.<br />
Figura 3. Relación entre la velocidad <strong>de</strong>l motor, corriente y torque<br />
23
(2) Velocidad <strong>de</strong>l motor<br />
(Muhammad H. Rashid, 2004) La velocidad <strong>de</strong>l motor es <strong>de</strong>terminada por el<br />
número <strong>de</strong> polos y la magnitud <strong>de</strong> la frecuencia <strong>de</strong> la energía eléctrica aplicada.<br />
Velocidad <strong>de</strong>l motor N = 120 X frecuencia f (Hz) X (1-S) [r/min] ……… (1.2)<br />
Numero <strong>de</strong> polos P<br />
Determinado por las Determinado por las<br />
especificaciones <strong>de</strong>l especificaciones <strong>de</strong> la<br />
motor carga<br />
Para la operación <strong>de</strong>l variador, la frecuencia f es variada cómo es <strong>de</strong>seada<br />
la velocidad <strong>de</strong>l motor.<br />
(3) ¿Qué es el torque nominal <strong>de</strong> motor?<br />
La “fuerza” producida por un motor es llamada torque. La fuerza es<br />
generalmente representado por {kgf} en un movimiento lineal, la fuerza <strong>de</strong>l motor<br />
es indicado por el torque, ya que el eje <strong>de</strong>l motor gira para producir la “fuerza”.<br />
“Fuerza rotativa en movimiento” = torque {kgf •m}<br />
El valor <strong>de</strong>l torque nominal <strong>de</strong>l motor pue<strong>de</strong> ser calculado por la expresión (1.3)<br />
24
Torque Nominal Tm = 974 X Potencia nominal <strong>de</strong>l motor P [kW] {kgf•m} …. (1.3)<br />
Velocidad nominal N [r/min]<br />
Datos <strong>de</strong> la placa <strong>de</strong>l motor<br />
Nota: La “velocidad nominal” indica la velocidad que trabaja en el torque<br />
nominal <strong>de</strong>l motor, y cuando el voltaje y frecuencia nominal es aplicado. El torque<br />
nominal <strong>de</strong>l motor no es el torque producido por el motor, es el torque <strong>de</strong> carga<br />
permitido si la operación continua es llevada a cabo a la velocidad nominal.<br />
1.2.4 Características <strong>de</strong>l motor controlado por un variador en torque y<br />
corriente<br />
La figura 4 muestra las características <strong>de</strong> torque comparado entre la<br />
operación con energía comercial y la operación con variador. El porcentaje [%]<br />
<strong>de</strong>nota la relación <strong>de</strong>l torque <strong>de</strong>l motor con el torque nominal. (Ejemplo: Motor <strong>de</strong> 4<br />
polos)<br />
25
Figura 4. Comparación <strong>de</strong> características <strong>de</strong> torque<br />
(1) Valores característicos aproximados cuando un motor estándar es<br />
usado con energía comercial<br />
Corriente <strong>de</strong> arranque Is = 600 a 700 [%]<br />
Torque <strong>de</strong> arranque Ts = 150 a 250 [%]<br />
Torque máximo Tm = 200 a 300 [%]<br />
Deslizamiento <strong>de</strong> carga nominal S = 3 a 5 [%]<br />
(2) Torque <strong>de</strong> arranque y corriente <strong>de</strong> arranque <strong>de</strong> un motor operado por<br />
un variador<br />
1) Ya que el motor es acelerado con su corriente <strong>de</strong> arranque y aceleración<br />
<strong>de</strong>ntro <strong>de</strong> la corriente <strong>de</strong> sobrecarga (150% <strong>de</strong> la potencia nominal <strong>de</strong><br />
operación), el torque <strong>de</strong> arranque y torque <strong>de</strong> aceleración son pequeños a<br />
26
comparación <strong>de</strong>l torque que se genera con energía comercial. En<br />
consecuencia <strong>de</strong> esto, el choque <strong>de</strong> inicio es más pequeño.<br />
2) Cuando la capacidad <strong>de</strong>l variador usado es un tamaño más gran<strong>de</strong> que el<br />
tamaño <strong>de</strong>l motor, el torque <strong>de</strong> arranque y <strong>de</strong> aceleración incrementa con el<br />
incremento <strong>de</strong> la capacidad <strong>de</strong> sobrecarga. A 10 Hz. o menos y el valor <strong>de</strong><br />
torque estándar <strong>de</strong> arranque (ajuste <strong>de</strong> fábrica), <strong>de</strong> cualquier manera, el<br />
torque <strong>de</strong> arranque no incrementara si la capacidad <strong>de</strong>l variador es<br />
incrementada por un tamaño, ya que un 150% o más corriente no fluirá<br />
<strong>de</strong>bido a la caída <strong>de</strong> voltaje <strong>de</strong>l motor.<br />
1.2.5 Patrón v/f y torque <strong>de</strong> arranque<br />
(1) ¿Cuándo el variador es usado para variar velocidad, porque también<br />
varía voltaje?<br />
Como se indica en el objetivo buscamos como variar la velocidad <strong>de</strong>l motor,<br />
entonces solo la frecuencia <strong>de</strong>be <strong>de</strong> ser variado cómo lo indica la expresión (1.2).<br />
De cualquier manera, si la salida <strong>de</strong> frecuencia es menor <strong>de</strong> 50 Hz con el voltaje<br />
constante, el flujo magnético <strong>de</strong>l motor incrementa (es saturado) y la corriente<br />
incrementa, cambiando el motor <strong>de</strong> sobrecalentamiento a quemarse.<br />
27
Esto pue<strong>de</strong> prevenirse haciendo el flujo magnético constante. Des<strong>de</strong> que la<br />
magnitud <strong>de</strong>l flujo magnético es directamente proporcional al voltaje e<br />
inversamente proporcional a la frecuencia cómo es indicado en la expresión (1.4),<br />
la aplicación <strong>de</strong> un voltaje el cual siempre establece esta relación resolverá este<br />
problema.<br />
Flujo magnético a Voltaje V = Cte .…… (1.4)<br />
Suponiendo que la velocidad sea reduzca a la mitad (<strong>de</strong> 60Hz a 30Hz),<br />
V 220[V ] 110[V ]<br />
f 60[Hz ] 30[Hz ] Cte……………….………………………….… (1.5)<br />
* Actualmente, se hace ligeramente mayor la caída <strong>de</strong> tensión <strong>de</strong> compensación<br />
<strong>de</strong>l motor.<br />
(2) Torque generado por el motor<br />
La relación entre el voltaje (V) aplicado al motor, la frecuencia (f) y el torque es<br />
representado por la expresión (1.6)<br />
Frecuencia f<br />
28
Torque T = K x V x I ……………………………………(1.6)<br />
K: Constante I: Corriente<br />
1) El torque es constante si le relación <strong>de</strong> V y f es constante.<br />
2) Cuando el voltaje (V) es constante y solo la frecuencia (f) varía, el torque es<br />
inversamente proporcional a la frecuencia si la corriente <strong>de</strong>l motor es<br />
constante.<br />
La relación entre el voltaje y el torque con relación a los cambios <strong>de</strong><br />
frecuencia se muestra en la figura 5. La relación entre la salida <strong>de</strong> voltaje y la<br />
salida <strong>de</strong> frecuencia <strong>de</strong>l variador es llamado “patrón V/f”, el cual es un factor<br />
importante en el control <strong>de</strong>l motor.<br />
f<br />
Figura 5. Torque constante y rango <strong>de</strong> salida constante<br />
29
(3) Torque <strong>de</strong> arranque<br />
La salida <strong>de</strong> voltaje <strong>de</strong>l variador <strong>de</strong>be <strong>de</strong> ser proporcional a la frecuencia<br />
(V/f=constante) <strong>de</strong>bajo <strong>de</strong> la frecuencia base cómo es mostrado en la Sección<br />
(2).<br />
De cualquier manera, el <strong>de</strong>vanado primario <strong>de</strong>l motor tiene resistencias y<br />
reactancias (llamadas impedancias colectivas) cómo es mostrado el circuito<br />
equivalente en la figura 8, y esas impedancias causan una caída <strong>de</strong> voltaje,<br />
reduciendo el torque generado por motor.<br />
En un motor estándar, el <strong>de</strong>vanado es diseñado en consi<strong>de</strong>ración <strong>de</strong> la<br />
caída <strong>de</strong> voltaje a 50Hz o 60 Hz. Cuando el motor estándar es controlado por<br />
un variador, el voltaje varía en la proporción para un cambio en la frecuencia f<br />
<strong>de</strong> salida. Especialmente en la región <strong>de</strong> baja frecuencia don<strong>de</strong> el voltaje es<br />
bajo, por tanto, una caída <strong>de</strong> voltaje es alta y el torque generado por el motor<br />
es mucho más pequeño que lo que se genera con la energía comercial.<br />
Por lo tanto, en la región <strong>de</strong> baja frecuencia, el voltaje es incrementado por<br />
un _V dado en la expresión (1.8) para hacer frente a la caída <strong>de</strong> voltaje<br />
suprimiendo el torque <strong>de</strong> salida <strong>de</strong>l motor. En compensación por el voltaje <strong>de</strong><br />
_V cómo es mostrado en la figura 7 es llamado Torque <strong>de</strong> Arranque.<br />
30
Figura 6. Patrón i<strong>de</strong>al V/f<br />
Figura 7. Patrón V/f con variador<br />
31
V : Voltaje Primario<br />
E : Voltaje primario inducido<br />
R1: Resistencia Primaria<br />
X1: Reactancia <strong>de</strong> fuga Primaria<br />
Xm: Reactancia <strong>de</strong> Excitación<br />
R2: Resistencia Secundaria<br />
X2: Reactancia <strong>de</strong> fuga Secundaria<br />
S : Deslizamiento<br />
En una ecuación <strong>de</strong> voltaje<br />
Figura 8 Circuito equivalente <strong>de</strong>l motor<br />
E = V - I1 (R1 + jX1)…………………… (1.7)<br />
= V - ΔV……………………………… … (1.8)<br />
dondé ΔV = I1 (R1 + jX1)<br />
I1 = I2 + jIm<br />
32
Un torque <strong>de</strong> Arranque es fijado según la caída <strong>de</strong> voltaje <strong>de</strong> ΔV. De<br />
cualquier manera, el control <strong>de</strong> flujo magnético es ejercitado por un vector<br />
aritmético para hacer que el voltaje primario inducido constante (E) si la corriente<br />
secundaria varia (I2), estabilizando la corriente <strong>de</strong> excitación Im y dando gran<br />
torque.<br />
Figura 9. Corriente <strong>de</strong> excitación v/s corriente secundaria<br />
(4) Operación arriba <strong>de</strong> 50 Hz o 60 Hz<br />
Ya que el variador no provee una salida <strong>de</strong> voltaje más alto que su voltaje<br />
<strong>de</strong> alimentación, la salida <strong>de</strong> voltaje es constante arriba <strong>de</strong> 50Hz o 60Hz <strong>de</strong><br />
frecuencia (frecuencia base).<br />
33
Ya que sólo la frecuencia es cambiada, el torque es inversamente<br />
proporcional a la frecuencia si la corriente <strong>de</strong>l motor es la misma, cómo es<br />
indicado en la expresión (1.7). Esta región es llamada “Salida constante”.<br />
1.2.6 Características <strong>de</strong> salida <strong>de</strong> un motor estándar<br />
Lo siguiente son las características <strong>de</strong> salida <strong>de</strong> un motor, mismo voltaje<br />
que se maneja en las bombas <strong>de</strong> envío <strong>de</strong> Atlatec; U.S. Electrical Motors jaula <strong>de</strong><br />
ardilla (4 polos) usado con un variador <strong>de</strong> la misma capacidad.<br />
220V 60Hz 200V 50Hz<br />
La salida <strong>de</strong> torque [%], La salida <strong>de</strong> torque [%],<br />
el torque nominal <strong>de</strong> un el torque nominal <strong>de</strong> un<br />
motor <strong>de</strong> 60Hz se asume motor <strong>de</strong> 60Hz se asume<br />
un 100%. un 100%.<br />
Estas son las frecuencias base <strong>de</strong>l variador y<br />
más no la <strong>de</strong>l voltaje <strong>de</strong> alimentación<br />
34
Figura 10. Características <strong>de</strong> salida <strong>de</strong> un motor estándar<br />
Cuando el impulso es Cuando el impulso es<br />
incrementado por 3.7 kW incrementado por 3.7 kW<br />
o menos <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong>l flujo o menos <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong>l flujo<br />
magnético <strong>de</strong> control magnético <strong>de</strong> control<br />
Torque Máximo en el ajuste Torque Máximo en el ajuste<br />
<strong>de</strong> fábrica (ajuste <strong>de</strong> impulso) <strong>de</strong> fábrica (ajuste <strong>de</strong> impulso)<br />
(1) El torque <strong>de</strong> operación continua es permisible en el torque <strong>de</strong> carga,<br />
restringido por el incremento <strong>de</strong> la temperatura <strong>de</strong>l motor. No es el valor<br />
máximo <strong>de</strong>l torque generado por el motor.<br />
35
(2) El torque máximo <strong>de</strong> corta duración es el torque máximo generado por el<br />
motor sin llegar a la capacidad <strong>de</strong> sobrecarga <strong>de</strong>l variador (150%). En<br />
consecuencia, incrementando la capacidad <strong>de</strong>l variador, incrementa el<br />
torque máximo. La corta duración <strong>de</strong>l torque máximo <strong>de</strong> corta duración<br />
indica la corriente <strong>de</strong> sobrecarga permisible que pasa por el variador,<br />
menos <strong>de</strong> 1 minuto. (Muhammad H. Rashid, 2004)<br />
1.3 Estructura básica y operación principal <strong>de</strong>l variador <strong>de</strong><br />
frecuencia<br />
1.3.1 Estructura <strong>de</strong>l variador <strong>de</strong> frecuencia<br />
(Álvarez Pulido Manuel, 2000) El variador transistorizado que produce<br />
potencia AC <strong>de</strong> cualquier frecuencia <strong>de</strong> la energía comercial (50Hz o 60Hz AC)<br />
para hacer funcionar un motor a una velocidad variable es estructurado cómo es<br />
mostrado en la figura 11. Es <strong>de</strong>cir, el variador está formado por el circuito con<br />
diseñado para convertir energía comercial a corriente directa y el circuito <strong>de</strong><br />
variador que está diseñado para convertir la corriente directa a corriente alterna <strong>de</strong><br />
frecuencia variable, y el circuito <strong>de</strong> control que controla los circuitos antes<br />
mencionadas.<br />
36
El convertidor hacia a<strong>de</strong>lante es diseñado para convertir AC a DC es<br />
llamado circuito convertidor, y el convertidor reversible es diseñado para convertir<br />
DC a AC es llamado circuito Inversor. En un variador transistorizado, todo el<br />
dispositivo incluyendo el circuito convertidor es llamado variador.<br />
Figura 11. Estructura <strong>de</strong> un variador transistorizado<br />
37
1.3.2 Operación <strong>de</strong>l circuito convertidor<br />
Cómo es <strong>de</strong>scrito en la sección 1.3.1, el área que hace la potencia DC<br />
usado en el circuito variador es llamado convertidor. Cómo se muestra en la figura<br />
12, el circuito convertidor consiste:<br />
1) El convertidor que realiza una rectificación completa <strong>de</strong> tres fases.<br />
2) Capacitor suavizador el cual suaviza los pulsos.<br />
3) Circuito que suprime las corrientes que fluyen cuando el capacitor suavizador<br />
es cargado.<br />
Figura 12. Circuito convertidor<br />
38
(1) Principio <strong>de</strong>l circuito convertidor<br />
Lo siguiente explica la forma <strong>de</strong> onda <strong>de</strong> la corriente <strong>de</strong> alimentación AC<br />
que aparece cuando DC es generado por una fase <strong>de</strong> potencia AC mostrada en la<br />
figura 13.<br />
Figura 13. Convertidor principal<br />
Cuando la onda senoidal <strong>de</strong> voltaje <strong>de</strong> el valor efectivo V ( el voltaje <strong>de</strong><br />
pulso PWM √ ) es la entrada <strong>de</strong> la energía <strong>de</strong> alimentación AC al<br />
convertidor, una corriente fluye por los diodos D1, D4 solo en la porción t1<br />
don<strong>de</strong> el potencial es más alto que un voltaje E <strong>de</strong> la sección <strong>de</strong> salida <strong>de</strong>l<br />
convertidor (DC).<br />
Si la mitad <strong>de</strong>l ciclo don<strong>de</strong> el voltaje AC es negativo, los diodos D2 y D3<br />
conducido en la porción t2, alimentando con una corriente negativa <strong>de</strong>l lado<br />
39
negativo AC. La entrada <strong>de</strong> corriente AC <strong>de</strong>l circuito convertidor no es una<br />
onda seno, pero una corriente <strong>de</strong> forma <strong>de</strong> onda distorsionada incluyendo<br />
armónicos.<br />
(2) Corrientes <strong>de</strong> alimentación estacionarias AC (tiempo <strong>de</strong> operación <strong>de</strong>l<br />
motor)<br />
Cuando seis diodos son usados para rectificar una onda completa <strong>de</strong><br />
potencia AC en una entrada <strong>de</strong> 3 fases, los diodos conducen en los tiempos que<br />
<strong>de</strong>muestran en la figura 14 y la entrada <strong>de</strong> corriente <strong>de</strong> forma <strong>de</strong> onda<br />
distorsionada cómo en una fase <strong>de</strong> potencia <strong>de</strong> alimentación.<br />
El capacitor <strong>de</strong> suavizado C, suaviza la forma <strong>de</strong> onda rectificada <strong>de</strong> tres<br />
fases por los diodos a DC teniendo unos cuantos pulsos. A una parada <strong>de</strong><br />
variador, el voltaje DC está arriba √ <strong>de</strong> veces (aprox. 280VDC a 200VAC) que el<br />
voltaje <strong>de</strong> alimentación AC. Durante la operación <strong>de</strong>l variador, el voltaje DC varía<br />
ligeramente con la salida (Torque/velocidad).<br />
40
1.3.3 Operación <strong>de</strong>l circuito inversor<br />
(1) Cómo hacer AC <strong>de</strong> DC<br />
Figura 14. Corrientes <strong>de</strong> entrada principales<br />
El circuito <strong>de</strong> variador hace potencia AC <strong>de</strong> potencia DC. Su principio<br />
fundamental se <strong>de</strong>scribe para la conversión <strong>de</strong> la DC en una sola fase AC<br />
utilizando una lámpara cómo una carga en lugar <strong>de</strong>l motor cómo un ejemplo<br />
mostrado en la figura 15.<br />
Encendiendo y apagando cuatro switches S1 a S4 conectados al voltaje <strong>de</strong><br />
alimentación DC hace AC cómo se muestra en la figura 16.<br />
41
Cuando los switches S1 y S4 están encendidos, una corriente fluye en la<br />
lámpara L en dirección <strong>de</strong> la flecha A.<br />
Cuando los switches S2 y S3 están encendidos, una corriente fluye en la<br />
lámpara L en dirección <strong>de</strong> la flecha B.<br />
Por lo tanto, alternando el encendido y apagado <strong>de</strong> los switches S1, S4 y<br />
los switches S2, S3, crean una corriente alterna el cual invierte la corriente que<br />
fluye en la lámpara L alternamente.<br />
Figura 15. Cómo crear corriente alterna<br />
42
(2) Cómo variar la frecuencia<br />
frecuencia.<br />
Figura 16. Forma <strong>de</strong> onda AC a 1Hz<br />
El tiempo <strong>de</strong> encen<strong>de</strong>r y apagar switches es variado para cambiar la<br />
Por ejemplo, repitiendo encendiendo S1 y S4 por 0.5 segundos y encendiendo<br />
S2 y S3 por 0.5 segundos cómo es mostrado en la figura 16, crea una corriente<br />
alternativa cuya dirección es invertida una vez en 1 segundo, es <strong>de</strong>cir, corriente<br />
alterna cuya frecuencia es <strong>de</strong> 1Hz.<br />
Figura 17. Frecuencia<br />
43
(3) Tres fases AC<br />
El circuito básico <strong>de</strong> un inversor <strong>de</strong> tres fases es mostrada en la figura 18.<br />
Figura 18. Circuito inversor básico <strong>de</strong> 3 fases<br />
Cuando los switches S1 al S6 son encendidos y apagados en el or<strong>de</strong>n que<br />
se <strong>de</strong>muestran en la figura 19, igualdad <strong>de</strong> intervalo <strong>de</strong> pulso <strong>de</strong> onda son dados<br />
entre U-V, V-W, y W-U, una onda rectangular <strong>de</strong> voltaje AC son aplicados al<br />
motor.<br />
Cambiando los periodos <strong>de</strong> encendido y apagado <strong>de</strong> estos switches, se<br />
cambia la frecuencia <strong>de</strong>seada al motor, y cambiando el voltaje DC, él también<br />
permite el voltaje <strong>de</strong> alimentación <strong>de</strong>l motor para ser variado al mismo tiempo.<br />
44
Figura 19. Cómo crear AC <strong>de</strong> tres fases<br />
(4) Estructura <strong>de</strong>l circuito <strong>de</strong> variador<br />
En el variador actual, seis transistores (IGBTs) son usados en lugar <strong>de</strong><br />
switches para configurar el circuito cómo es mostrado en la figura 20. Con un<br />
45
motor trifásico conectado, los transistores son encendidos y apagados<br />
alternamente para controlar el motor. Cambiando la secuencia <strong>de</strong> encendido y<br />
apagado <strong>de</strong> los transistores, cambia el giro <strong>de</strong>l motor. (Álvarez Pulido Manuel,<br />
2000).<br />
Figura 20. Variador transistorizado<br />
46
1.4.1 Control V/f<br />
1.4 Sistemas <strong>de</strong> control <strong>de</strong>l variador<br />
Tabla I. Comparación <strong>de</strong>l sistema <strong>de</strong> control<br />
(Schibli N. Nguyen & Rufer A., 2004) Cuando la frecuencia (f) es variado, la<br />
relación <strong>de</strong> voltaje <strong>de</strong> salida (V) se vuelve constante cómo es indicado en la línea<br />
punteada en la figura 22.<br />
47
En este sistema, un torque no se <strong>de</strong>sarrolla suficiente <strong>de</strong>s<strong>de</strong> que el voltaje<br />
actual es reducido a una caída <strong>de</strong> voltaje en el cableado y el <strong>de</strong>vanado primario<br />
<strong>de</strong>l motor. El fenómeno tiene una gran influencia en las velocida<strong>de</strong>s bajas. Por<br />
tanto, una caída <strong>de</strong> voltaje es pre-estimado, y el voltaje es incrementado por una<br />
cantidad indicado por la línea continua en la figura 22 para compensar la escasez<br />
<strong>de</strong> torque a baja velocidad. Esto es llamado Torque <strong>de</strong> Arranque.<br />
Si el torque <strong>de</strong> arranque es muy gran<strong>de</strong>, el torque generado es suficiente,<br />
pero una corriente excesiva fluye, causando que el variador sea más<br />
propenso a tener una sobre corriente (OCT).<br />
Figura 21. Diagrama <strong>de</strong> control <strong>de</strong> bloque V/f<br />
48
Figura 22. Patrón V/f<br />
1.4.2 Control vector <strong>de</strong> flujo magnético<br />
La salida <strong>de</strong> corriente <strong>de</strong>l variador es dividido en una corriente <strong>de</strong> excitación<br />
y una corriente <strong>de</strong> torque por el vector <strong>de</strong> operación, la frecuencia y el voltaje son<br />
compensados por una corriente <strong>de</strong> alimentación apropiado al torque <strong>de</strong> carga para<br />
mejorar el torque en velocidad baja y la precisión <strong>de</strong> velocidad.<br />
La corriente <strong>de</strong> salida (corriente <strong>de</strong> motor) <strong>de</strong>l variador es dividido en una<br />
corriente <strong>de</strong> excitación (corriente requerida para generar el flujo magnético)<br />
49
y la corriente <strong>de</strong> torque (corriente proporcional al torque <strong>de</strong> carga) por la<br />
operación <strong>de</strong> vector acordando por cada fase <strong>de</strong> la corriente relativa a la<br />
salida <strong>de</strong> voltaje.<br />
Figura 23. Vector <strong>de</strong> corriente<br />
La velocidad actual <strong>de</strong>l motor es estimada <strong>de</strong> la corriente <strong>de</strong> torque para<br />
compensar (el aumento o disminución) la salida <strong>de</strong> frecuencia para alcanzar<br />
la salida <strong>de</strong>seada.<br />
Cuando la corriente <strong>de</strong>l motor varia con la fluctuación <strong>de</strong> carga, la caída <strong>de</strong><br />
voltaje <strong>de</strong>l <strong>de</strong>vanado primario <strong>de</strong>l motor (incluyendo el cableado) también<br />
cambia, influenciando la magnitud <strong>de</strong> la corriente <strong>de</strong> excitación.<br />
Esta caída <strong>de</strong> voltaje es encontrada en el motor, las constantes primarias<br />
<strong>de</strong>l cableado primaria, la magnitud <strong>de</strong> la corriente <strong>de</strong> torque, y la salida <strong>de</strong> voltaje<br />
50
<strong>de</strong>l variador es compensado para (incrementar o <strong>de</strong>crementar) mantener el flujo<br />
magnético primario <strong>de</strong>l constante <strong>de</strong>l motor.<br />
Figura 24. Diagrama <strong>de</strong> bloques <strong>de</strong> control vectorial <strong>de</strong> flujo magnético<br />
1.4.3 Control vectorial<br />
La magnitud <strong>de</strong> una carga, es conocida <strong>de</strong>tectando la velocidad con el PLG<br />
y encontrando el <strong>de</strong>slizamiento <strong>de</strong>l motor por cálculos computados. Usando la<br />
magnitud <strong>de</strong> la carga encontrada en el camino, la salida <strong>de</strong> corriente <strong>de</strong>l variador<br />
es dividido en una corriente <strong>de</strong> excitación y una corriente <strong>de</strong> torque por una<br />
operación <strong>de</strong> vector, la frecuencia y el voltaje son controlados para alimentar <strong>de</strong><br />
forma óptima las corrientes respectivamente.<br />
51
Equipado con una corriente <strong>de</strong> retroalimentación <strong>de</strong> control, diseñado para<br />
computar la corriente <strong>de</strong> excitación necesaria y la corriente <strong>de</strong> torque individual, el<br />
control vectorial respon<strong>de</strong> rápidamente a la variación <strong>de</strong> carga por la corriente <strong>de</strong><br />
control <strong>de</strong> torque (rápida respuesta), habilitando el control <strong>de</strong> torque.<br />
Para computar la corriente <strong>de</strong> precisión, un motor <strong>de</strong>dicado <strong>de</strong>finiendo las<br />
constantes <strong>de</strong> motor <strong>de</strong>be <strong>de</strong> ser usado la precisión PLG (<strong>de</strong>tector <strong>de</strong> velocidad)<br />
por control vectorial. Cuando con el motor usado se provee con PLG, el auto-<br />
tunning se <strong>de</strong>be <strong>de</strong> hacer para obtener las constantes <strong>de</strong>l motor.<br />
Figura 25. Diagrama <strong>de</strong> bloques <strong>de</strong>l control vectorial<br />
52
1.5.1 Tipos <strong>de</strong> carga<br />
1.5 Características <strong>de</strong>l torque <strong>de</strong> carga<br />
Cómo es indicado en la expresión (1.9), la salida <strong>de</strong>l motor es directamente<br />
proporcional al producto <strong>de</strong> torque <strong>de</strong> carga y velocidad.<br />
……………………………………………………………….. (1.9)<br />
Don<strong>de</strong>, P = Salida [kW], T = torque [kg • m], N: velocidad [r/min]<br />
Existen varias relaciones entre el torque y la velocidad, las cuales son clasificadas<br />
<strong>de</strong> la siguiente manera:<br />
1) Carga <strong>de</strong> torque constante (T = constante): Si la velocidad varia, y el torque<br />
varía muy poco.<br />
2) Carga <strong>de</strong> salida constante (T x N = constante): Mientras la velocidad sube,<br />
el torque es más pequeño.<br />
3) Carga variable <strong>de</strong> torque cuadrático: Mientras la velocidad baja, el torque<br />
53
(T/N² = constante) también es reducido<br />
Cuando el motor es controlado por el variador a una velocidad, se <strong>de</strong>be <strong>de</strong><br />
enten<strong>de</strong>r que las características <strong>de</strong> la carga a seleccionar entre el variador y el<br />
motor. De lo contrario, no se pue<strong>de</strong> exponer plenamente su rendimiento ni sus<br />
<strong>de</strong>fectos, <strong>de</strong> este modo el sobrecalentamiento pue<strong>de</strong> ocurrir.<br />
(1) Carga <strong>de</strong> torque constante<br />
Un patrón V/F don<strong>de</strong> la región <strong>de</strong> caída <strong>de</strong> voltaje <strong>de</strong> baja velocidad es<br />
compensada <strong>de</strong>ntro la constante <strong>de</strong> control V/F es usado para ejercitar el control<br />
<strong>de</strong> velocidad. Esta compensación se hace generalmente en un variador<br />
transistorizado. Cuando un motor estándar es controlado, el torque a usar es<br />
restringido <strong>de</strong>bido a un aumento <strong>de</strong> la temperatura a una velocidad baja <strong>de</strong>l motor.<br />
Cuando el torque constante es necesario también en la región <strong>de</strong> baja<br />
velocidad, el uso <strong>de</strong> un motor <strong>de</strong> torque constante, será efectivo por que el uso <strong>de</strong><br />
un motor estándar hará que el motor y el variador sean tamaños muy gran<strong>de</strong>s y no<br />
será económico.<br />
54
(2) Carga <strong>de</strong> salida constante<br />
Des<strong>de</strong> que la salida <strong>de</strong> control constante <strong>de</strong> voltaje <strong>de</strong>l variador se lleva a<br />
cabo en el rango <strong>de</strong> frecuencia más alto que la frecuencia comercial, el torque<br />
generado por el motor tiene una salida característica constante, y un motor<br />
estándar y un variador transistorizado pue<strong>de</strong> ser combinado sin problema.<br />
Sin embargo, cómo constante <strong>de</strong> control V/f es ejercitado en el rango <strong>de</strong><br />
frecuencia más bajo que la frecuencia comercial, el torque generado por el motor<br />
tien<strong>de</strong> a ser opuesta a la carga <strong>de</strong> torque y la combinación <strong>de</strong> un motor estándar y<br />
<strong>de</strong> un variador transistorizado será difícil ejercer dicho control. Por tanto, el diseño<br />
<strong>de</strong>signado es <strong>de</strong>seado.<br />
(3) Carga variable <strong>de</strong> torque cuadrático<br />
Ya que una carga a baja velocidad sería extremadamente pequeña, no hay<br />
problemas en aspectos <strong>de</strong> temperatura, torque, y una perdida se incrementa<br />
<strong>de</strong>bido a la operación <strong>de</strong>l variador a la velocidad nominal.<br />
55
Efectos <strong>de</strong> ahorro <strong>de</strong> energía producidos por la operación variable <strong>de</strong><br />
velocidad pue<strong>de</strong> ser esperado en un damper y en una válvula <strong>de</strong> control.<br />
Usando el patrón V/f cómo es indicado por la línea punteada en la figura 26,<br />
así el voltaje así cómo disminuye la frecuencia para mejorar la eficiencia <strong>de</strong>l motor,<br />
produciendo un mayor efecto en ahorro <strong>de</strong> energía.<br />
Lo que se <strong>de</strong>be <strong>de</strong> tener en cuenta en el manejo <strong>de</strong> carga variable <strong>de</strong><br />
torque cuadrático no es incrementar la frecuencia fácilmente <strong>de</strong>s<strong>de</strong> el aumento <strong>de</strong><br />
la velocidad sobre la frecuencia comercial incrementara abruptamente la potencia<br />
más allá <strong>de</strong> las capacida<strong>de</strong>s <strong>de</strong>l motor y el variador, lo que lleva a una inoperancia<br />
o sobrecalentamiento.<br />
56
Figura 26. Patrón V/F <strong>de</strong> un variador transistorizado<br />
1.5.2 Características <strong>de</strong>l torque <strong>de</strong> carga y patrón V/f<br />
Las características <strong>de</strong>l torque <strong>de</strong> carga pue<strong>de</strong>n variar con las aplicaciones.<br />
Los ejemplos típicos y patrones aplicables están dados en la figura 27. El patrón<br />
característico V/f apropiado para la carga característica pue<strong>de</strong> ser seleccionado en<br />
la operación <strong>de</strong>l variador. (Schibli N. Nguyen & Rufer A., 2004).<br />
57
Figura 27. Tipos <strong>de</strong> carga y patrones V/f<br />
58
2. CARACTERÍSTICAS DEL VARIADOR EN AHORRO DE<br />
ENERGÍA<br />
2.1 Principio básico <strong>de</strong>l ahorro <strong>de</strong> energía con un variador<br />
(I.Q. Soto Cruz Juan José, 2001) Una maquinaría manejada con motores<br />
varía el torque <strong>de</strong> carga con velocidad.<br />
Por el otro lado, <strong>de</strong>s<strong>de</strong> que la salida <strong>de</strong>l motor es directamente proporcional al<br />
producto <strong>de</strong>l torque <strong>de</strong> carga y velocidad cómo se indica en la expresión (1.2), la<br />
salida requerida varía con la velocidad.<br />
Salida <strong>de</strong>l motor P = T x N/974 η [kW] ……………………………………. (2.1)<br />
T: Torque <strong>de</strong> carga <strong>de</strong>l motor equivalente <strong>de</strong>l eje [kg • m]<br />
N: Velocidad <strong>de</strong>l motor [r/min]<br />
η: Eficiencia <strong>de</strong> la maquinaria<br />
Cómo un motor estándar no pue<strong>de</strong> ser variado en velocidad generalmente,<br />
el método siguiente es usado para variar velocidad:<br />
Para una carga <strong>de</strong> torque constante, un acople es previsto entre el motor y<br />
la carga (por ejemplo, el acople <strong>de</strong> sobre corriente <strong>de</strong>l motor); o<br />
59
Para una carga <strong>de</strong> torque variable cuadrática, una válvula o parecido es<br />
usado para suprimir el volumen <strong>de</strong> aire o el agua. De cualquier manera,<br />
<strong>de</strong>s<strong>de</strong> que la velocidad <strong>de</strong> un motor estándar es constante, la salida <strong>de</strong>l<br />
motor (P = T x N/974_) varia un poco si la velocidad <strong>de</strong> la carga o la<br />
variación <strong>de</strong> volumen <strong>de</strong> aire/agua, lo cual significa que el resultado (P –<br />
PL) <strong>de</strong> restar la potencia requerida <strong>de</strong> la salida <strong>de</strong>l motor es <strong>de</strong>sperdiciado<br />
cómo perdida térmica en el acople.<br />
Por lo tanto, controlando un motor estándar con la potencia <strong>de</strong>l variador<br />
para variar la velocidad directamente, reducirá la salida <strong>de</strong>l motor <strong>de</strong> acuerdo con<br />
la frecuencia (P = PL), garantizando el ahorro <strong>de</strong> energía no solo para el torque <strong>de</strong><br />
carga variable, también para el torque <strong>de</strong> carga constante.<br />
Cuando un motor estándar es controlado por un variador, la salida <strong>de</strong>l<br />
variador será la frecuencia f apropiada para la velocidad <strong>de</strong>l motor, y la salida <strong>de</strong>l<br />
voltaje<br />
V a ese tiempo es <strong>de</strong>terminado por el V/f = al patrón <strong>de</strong> torque constante <strong>de</strong><br />
salida.<br />
60
Por lo tanto, cuando el motor se ejecuta a velocidad media f, es <strong>de</strong>cir, las<br />
caídas <strong>de</strong>l voltaje <strong>de</strong> salida V, y por lo tanto la potencia <strong>de</strong> salida V x I <strong>de</strong>l variador<br />
reduce si la salida <strong>de</strong> corriente I es constante.<br />
Por ejemplo, cuando el motor se ejecuta por el variador a 30Hz para reducir<br />
a la mitad la velocidad (<strong>de</strong> 60Hz a 30Hz), la salida <strong>de</strong> voltaje <strong>de</strong>l variador es<br />
reducido a la mitad según el patrón V/f en la expresión (1.5):<br />
Por tanto, la potencia <strong>de</strong> salida <strong>de</strong>l variador es reducido a la mitad.<br />
En consecuencia, la entrada <strong>de</strong> corriente es reducida, disminuyendo el consumo<br />
<strong>de</strong> potencia. Esto es, disminuyendo la salida <strong>de</strong>l motor naturalmente reduce la<br />
potencia <strong>de</strong> <strong>de</strong> entrada <strong>de</strong>l variador.<br />
Es <strong>de</strong>cir, comparado a otros sistemas (por ejemplo la operación con energía<br />
comercial y resistencias <strong>de</strong> control), “minimiza las perdidas producidos por otros<br />
dispositivos y minimizando la salida <strong>de</strong>l motor para eliminar el consumo <strong>de</strong><br />
potencia <strong>de</strong>sperdiciado, este es el principio básico <strong>de</strong>l ahorro <strong>de</strong> energía por el<br />
61
variador”, el método <strong>de</strong> ahorro <strong>de</strong> energía difiere entre los tipos <strong>de</strong> cargas, tales<br />
como los <strong>de</strong> torque <strong>de</strong> carga constante cuyo torque <strong>de</strong> carga varia poco si la<br />
velocidad cambia y el torque <strong>de</strong> carga variable cuyo torque <strong>de</strong> carga reduce si la<br />
velocidad disminuye.<br />
2.2 Características <strong>de</strong>l torque variable (ventilador/bomba)<br />
Dado que el torque <strong>de</strong> carga varía en proporción directa al cuadrado <strong>de</strong> la<br />
velocidad, la potencia <strong>de</strong>l eje es directamente proporcional a la tercera potencia <strong>de</strong><br />
la velocidad. Disminuyendo la velocidad <strong>de</strong>l motor, reduce la potencia <strong>de</strong>l eje<br />
mucho más que un torque <strong>de</strong> carga constante, produciendo más gran<strong>de</strong>s los<br />
efectos <strong>de</strong> ahorro <strong>de</strong> energía.<br />
Aplicaciones típicas son ventiladores, bombas, etc.<br />
Torque <strong>de</strong> carga T…. Directamente proporcional al cuadrado <strong>de</strong> la velocidad<br />
o (N) (T N²)<br />
Potencia <strong>de</strong> eje P…... Directamente proporcional a la tercera potencia <strong>de</strong> la<br />
o velocidad (N) (T N³)<br />
62
2.2.1 Potencia requerida PL para operación con potencia comercial<br />
La expresión siguiente es establecida por un torque <strong>de</strong> carga variable:<br />
P = T x N/974η = (KN²) x N/974 η = K x N³/974 η<br />
(K=constante proporcional)...(2.2)<br />
Ya que la salida <strong>de</strong>l motor es directamente proporcional a la tercera<br />
potencia <strong>de</strong> la velocidad, mayores efectos <strong>de</strong> ahorro <strong>de</strong> energía es producido.<br />
Una típica carga <strong>de</strong> torque variable es un ventilador o una bomba, y su<br />
potencia (llamado potencia <strong>de</strong> eje) es indicado en la expresión (2.3). El<br />
comportamiento <strong>de</strong> estos es representado por la curva Q-H (Referencia en las<br />
figuras <strong>de</strong>l 28 al<br />
31), don<strong>de</strong> la eficiencia y la potencia <strong>de</strong> eje PL son representadas<br />
simultáneamente.<br />
PL = 1.63H x Q/ η [kW] ……………………...……………………. (2.3)<br />
H : Presión [kg/cm²]<br />
Q : Volumen <strong>de</strong> aire/agua (m³/min)<br />
63
Figura 28. Características <strong>de</strong> una bomba con energía comercial<br />
Figura 29. Características <strong>de</strong> un ventilador con energía comercial<br />
Las características <strong>de</strong> las curvas <strong>de</strong> una bomba y un ventilador (figura 28,<br />
figura 29) representa la presión estática (H), eficiencia (_) y una potencia <strong>de</strong> eje<br />
64
(PL) relativamente al caudal o al volumen <strong>de</strong> aire cuando el motor esta operando a<br />
la velocidad nominal con la energía comercial.<br />
El caudal o el volumen <strong>de</strong> aire son ajustados por una válvula o un damper.<br />
Lo que llama la atención <strong>de</strong> estas curvas características son:<br />
La eficiencia es 0 cuando Q es 0, es <strong>de</strong>cir, cuando el volumen <strong>de</strong> aire/agua<br />
es cero, la potencia <strong>de</strong>l eje es necesario si la bomba o ventilador esta en<br />
funcionamiento.<br />
La baja eficiencia resulta un recordatorio <strong>de</strong> substrayendo la potencia <strong>de</strong> eje<br />
requerida <strong>de</strong> la salida <strong>de</strong>l motor es <strong>de</strong>sperdiciado cómo perdida térmica en el<br />
acoplamiento o en el damper.<br />
Cómo el caudal o el volumen <strong>de</strong> aire son más pequeños, la eficiencia es más baja<br />
y la proporción <strong>de</strong> residuos es mayor.<br />
Nota: Desplazamientos positivos en bombas y ventiladores son típicamente<br />
bombas <strong>de</strong> engranajes, bombas <strong>de</strong> veleta y sopladores <strong>de</strong> raíces son torques <strong>de</strong><br />
carga constante.<br />
65
2.2.2 La comparación <strong>de</strong>l ahorro <strong>de</strong> energía entre el control <strong>de</strong> velocidad<br />
y el control <strong>de</strong> la válvula<br />
Cuando la velocidad <strong>de</strong> la bomba/ventilador es variada, la curva<br />
característica varia en acuerdo con la siguiente regla.<br />
El caudal o el volumen <strong>de</strong> aire son<br />
directamente proporcionales a la<br />
velocidad<br />
Q N<br />
La presión estática es directamente<br />
proporcional al cuadrado <strong>de</strong> la<br />
velocidad<br />
H N²<br />
Por lo tanto, la potencia <strong>de</strong> eje es<br />
directamente proporcional al cubo <strong>de</strong><br />
la velocidad<br />
PL N³<br />
66
Figura 30. Características <strong>de</strong> una bomba a diferentes velocida<strong>de</strong>s<br />
Cuando la velocidad varía <strong>de</strong> N1 a N2 cómo es mostrado en la figura 30, el<br />
caudal, la presión y la potencia <strong>de</strong> eje varían <strong>de</strong> Q1, H1 y P1 a P2,<br />
respectivamente. (Des<strong>de</strong> que el caudal Q2 está en la intersección con la curva <strong>de</strong><br />
la resistencia <strong>de</strong> tubería en condiciones <strong>de</strong> operación actual, ambos H2 y P2 son<br />
ligeramente diferentes).<br />
La bomba será usada cómo un ejemplo para explicar la comparación <strong>de</strong>l<br />
ahorro <strong>de</strong> energía entre el control <strong>de</strong> velocidad y el control <strong>de</strong> válvula.<br />
Las características principales que <strong>de</strong>terminan las especificaciones <strong>de</strong> bomba son<br />
el total <strong>de</strong> cabeza (H) y el caudal (<strong>de</strong>scarga) Q [m³/min].<br />
Q es <strong>de</strong>terminado por el valor máximo <strong>de</strong> volumen <strong>de</strong> agua usado, y el total <strong>de</strong><br />
cabeza es encontrada por la expresión (2.5).<br />
67
Total <strong>de</strong> cabeza H [m] = Ha + H1 = (Hd + Hs) + H1 …………………….… (2.5)<br />
Ha: Cabeza actual<br />
(Nivel <strong>de</strong> agua diferencia entre el nivel <strong>de</strong> <strong>de</strong>scarga y nivel <strong>de</strong> succión)<br />
Hd: Lado <strong>de</strong> <strong>de</strong>scarga, actual cabeza<br />
Hs: Área <strong>de</strong> succión, actual cabeza<br />
HI: Perdida <strong>de</strong> cabeza <strong>de</strong>bido a tuberías, válvulas, etc.<br />
(Incluyendo la presión <strong>de</strong> agua final)<br />
Des<strong>de</strong> HI (perdida <strong>de</strong> cabeza) varia con el caudal, es indicado en la citada<br />
curva Q-H cómo una curva <strong>de</strong> resistencia <strong>de</strong> tubería, y a<strong>de</strong>más la rampa <strong>de</strong> esta<br />
resistencia es variada cuando existe una válvula <strong>de</strong> flujo ajustable a cualquier<br />
punto <strong>de</strong> la tubería.<br />
68
Figura 31. Características <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong>l control <strong>de</strong> válvula<br />
El punto don<strong>de</strong> la bomba opera <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong>l control <strong>de</strong> la válvula es el caudal<br />
Q1 a la intersección <strong>de</strong> la curva Q-H a la velocidad nominal <strong>de</strong> la bomba y perdida<br />
<strong>de</strong> cabeza H1 <strong>de</strong>bido a la tubería, válvula, etc. Cuando la válvula está<br />
completamente abierta, y la bomba opera con la presión H1.<br />
Cuando la válvula es controlada para reducir el flujo <strong>de</strong> Q1 a Q2, la curva<br />
<strong>de</strong> resistencia <strong>de</strong> la tubería cambia a B y la presión <strong>de</strong> la bomba se eleva a H2,<br />
pero la potencia <strong>de</strong> la bomba <strong>de</strong>crece ligeramente <strong>de</strong> P1 a P2‟ en acuerdo con la<br />
curva Q-PL (Eje <strong>de</strong> Potencia) a la velocidad nominal en la figura 28.<br />
69
De cualquier manera, la presión <strong>de</strong> la bomba es requerido al caudal Q2 es<br />
H‟ a la intersección con la curva <strong>de</strong> la resistencia <strong>de</strong> la tubería A, y H2-H‟ es una<br />
presión extra. Esta presión extra pue<strong>de</strong> dar efectos adversos en las tuberías <strong>de</strong><br />
agua y la liberación a través <strong>de</strong> una válvula <strong>de</strong> control <strong>de</strong> la presión.<br />
Adicionalmente, la potencia P‟ es <strong>de</strong>sperdiciado.<br />
Consumo <strong>de</strong> potencia <strong>de</strong>sperdiciado P’<br />
P’ = 1.63 (H2 – H’) x Q2/ η …………………… ………….………. (2.6)<br />
Por lo tanto, la operación más i<strong>de</strong>al pue<strong>de</strong> realizarse operando la bomba a<br />
un velocidad variable a N2 necesitado para un caudal Q2 (velocidad reducido <strong>de</strong><br />
N1 a N2) con la válvula completamente abierta para operar la bomba a la<br />
intersección <strong>de</strong> <strong>de</strong> curva <strong>de</strong> la resistencia <strong>de</strong> la tubería A en una velocidad N2 con<br />
la curva Q-H (Q2,H‟).<br />
√<br />
√(<br />
)<br />
……………………..……………...…….. (2.7)<br />
70
Se <strong>de</strong>be <strong>de</strong> notar que el ahorro <strong>de</strong> energía actual es la válvula don<strong>de</strong> la<br />
eficiencia <strong>de</strong>l motor η1 a N1 y que la eficiencia total <strong>de</strong>l motor-variador η 2 a N2<br />
son consi<strong>de</strong>rados más a<strong>de</strong>lante por la potencia <strong>de</strong>l eje cuando Q1 (N1) es<br />
reducido a Q2 (N2) en la curva mencionada Q-P (eje <strong>de</strong> potencia).<br />
Ahorro <strong>de</strong> potencia = (P2’/ η 1) – (P2/ η 2) ………………………………… (2.8)<br />
2.2.3 Comparación en ahorro <strong>de</strong> energía <strong>de</strong> los métodos <strong>de</strong> control<br />
Para operación comercial, el damper o válvula es generalmente usado para<br />
el control <strong>de</strong> volumen <strong>de</strong> aire o caudal <strong>de</strong> agua ya que el motor opera a una<br />
velocidad constante. De cualquier manera, la reducción <strong>de</strong> la potencia <strong>de</strong>l eje no<br />
es esperado en este sistema porque la pérdida <strong>de</strong>l damper o válvula ocurrirá si el<br />
volumen <strong>de</strong> aire o flujo es disminuido. (Referirse a la figura 32)<br />
El volumen <strong>de</strong> aire o caudal es directamente proporcional a la velocidad, el<br />
“control <strong>de</strong> velocidad” el cual ajusta el volumen <strong>de</strong> aire o caudal por un motor que<br />
este lo maneja un variador <strong>de</strong> frecuencia para variar la velocidad, la salida <strong>de</strong>l<br />
motor será según la velocidad, así ahorrando energía eléctrica.<br />
71
El sistema <strong>de</strong>l “variador <strong>de</strong> frecuencia” el cual pue<strong>de</strong> ser usado en un motor<br />
estándar, y así llevado a una optima velocidad <strong>de</strong> trabajo (es <strong>de</strong>cir, ahorro <strong>de</strong><br />
energía), cuando es usado un variador transistorizado, son ventajosos por su<br />
disponibilidad, fiabilidad entre otros aspectos.<br />
Específicamente, cómo es indicado en el área sombreada en la figura 33,<br />
cambiando la velocidad (volumen <strong>de</strong> aire) al 50%, reduce la potencia <strong>de</strong> eje <strong>de</strong>l<br />
motor a (1/2)³ = 1/8 cómo es comparado cuando la velocidad esta a un 100%.<br />
Figura 32. Operación característica <strong>de</strong>l ventilador<br />
(volumen <strong>de</strong> aire/velocidad potencia característica requerida)<br />
72
Figura 33. Tipos <strong>de</strong> carga y efectos <strong>de</strong>l ahorro energético<br />
El “actual sistema <strong>de</strong> acoplamiento” y el „intercambiador <strong>de</strong> fluido <strong>de</strong><br />
velocidad” que se usan convencionalmente cómo control <strong>de</strong> velocidad causan<br />
gran<strong>de</strong>s pérdidas <strong>de</strong> acoplamiento por el motor y la carga, esto tiene un efecto<br />
menor en el ahorro <strong>de</strong> energía comparado con un variador <strong>de</strong> frecuencia.<br />
Ejemplos <strong>de</strong> referencia para efectos <strong>de</strong> ahorro <strong>de</strong> energía<br />
Asumiendo que un motor <strong>de</strong> 15kW sea operado por un año al 60% <strong>de</strong>l<br />
volumen <strong>de</strong> aire, básicamente 24 horas al día y 300 días al año, el ahorro<br />
73
energético es calculado con el precio unitario <strong>de</strong> 86 centavos/kWh (en una<br />
empresa). (I.Q. Soto Cruz Juan José, 2001).<br />
1) Con variador<br />
2) Con damper (lado <strong>de</strong> <strong>de</strong>scarga)<br />
15 kW x 0.3 x 24h x 300 días = 32,400kWh ………… Q. 27,864<br />
15 kW x 0.9 x 24h x 300 días = 97,200kWh ………… Q. 83,592<br />
Por lo tanto, con el variador se obtiene un ahorro <strong>de</strong> 83,592 –<br />
27864 = Q. 55,728<br />
3) Con damper (lado <strong>de</strong> succión)<br />
15 kW x 0.6 x 24h x 300 días = 64,800kWh ………… Q. 55,728<br />
Por lo tanto, con el variador se obtiene un ahorro <strong>de</strong> 55,728 -<br />
27,864 = Q. 27,864<br />
74
3. METAS TECNOLÓGICAS DEL VARIADOR EN<br />
APLICACIONES DE AHORRO DE ENERGÍA<br />
3.1 Metas tecnológicas en aplicaciones <strong>de</strong> ahorro <strong>de</strong> energía<br />
Entre las metas tecnológicas <strong>de</strong> la operación <strong>de</strong> un variador, existen los<br />
siguientes artículos relacionados a las aplicaciones <strong>de</strong> ahorro energético.<br />
Algunos artículos ya han sido resueltos, aun así, la reducción <strong>de</strong> ruido o parecido<br />
pue<strong>de</strong> causar un nuevo problema <strong>de</strong>pendiendo <strong>de</strong> cómo el ruido es reducido.<br />
Tabla II. Tipos <strong>de</strong> metas tecnológicas<br />
75
3.2 Factor <strong>de</strong> potencia y eficiencia<br />
3.2.1 Eficiencia <strong>de</strong>l motor y variador<br />
(Aranda Usón Alfonso & Díaz <strong>de</strong> Garaio Sergio, 2010) Las perdidas ocurren<br />
en la sección <strong>de</strong>l convertidor <strong>de</strong>l variador, ya que el variador es un convertidor <strong>de</strong><br />
potencia el cual consiste <strong>de</strong> un convertidor hacia a<strong>de</strong>lante (convertidor) y el<br />
convertidor reverso (variador) cómo es <strong>de</strong>scrito en la sección anterior.<br />
Generalmente, la adopción <strong>de</strong>l variador se dice que ahorra energía. Su relación<br />
será <strong>de</strong>scrita usando la expresión <strong>de</strong> la relación entre la entrada <strong>de</strong> potencia <strong>de</strong>l<br />
variador y la eficiencia.<br />
Figura 34. Relación <strong>de</strong> potencia <strong>de</strong> entrada y salida<br />
1) Eficiencia = Salida = Salida .<br />
Entrada Salida + Perdida<br />
2) Entrada <strong>de</strong>l variador Pin = entrada <strong>de</strong>l motor Pm + Perdida <strong>de</strong>l variador Winv =<br />
76
Entrada <strong>de</strong>l variador Pin = Salida <strong>de</strong>l variador Pm .<br />
Eficiencia <strong>de</strong>l variador _m<br />
3) Potencia <strong>de</strong> entrada <strong>de</strong>l motor Pm = Salida <strong>de</strong>l motor Pout + Perdida <strong>de</strong>l motor<br />
Wm = Potencia <strong>de</strong> entrada <strong>de</strong>l motor Pm = Salida <strong>de</strong>l motor Pout .<br />
77<br />
Eficiencia <strong>de</strong>l motor _m<br />
4) Potencia <strong>de</strong> salida <strong>de</strong>l motor Pout = Salida <strong>de</strong>l torque <strong>de</strong>l motor + velocidad <strong>de</strong>l<br />
motor = Potencia <strong>de</strong> salida <strong>de</strong>l Mmtor Pout = Potencia <strong>de</strong> la máquina .<br />
Eficiencia <strong>de</strong> la máquina<br />
Por lo tanto, la potencia <strong>de</strong> entrada <strong>de</strong>l variador es <strong>de</strong> la siguiente forma.<br />
Potencia <strong>de</strong> entrada <strong>de</strong>l variador = Salida <strong>de</strong>l motor + Perdida <strong>de</strong>l motor +<br />
Perdida <strong>de</strong>l variador = Salida <strong>de</strong>l motor …........…………………………(3.1)<br />
Don<strong>de</strong><br />
Eficiencia total<br />
Eficiencia total = Eficiencia <strong>de</strong>l variador ηinv X<br />
Eficiencia <strong>de</strong>l motor con variador ηm................................. (3.2)<br />
Cómo se entendió en la expresión (3.1), la pérdida <strong>de</strong>l motor es mayor con<br />
la operación <strong>de</strong>l variador que con la operación con energía comercial <strong>de</strong>bido a la
influencia <strong>de</strong> armónicos, etc., y crece con la pérdida <strong>de</strong>l variador, la entrada <strong>de</strong><br />
potencia en operación <strong>de</strong>l variador es siempre más alta que la potencia <strong>de</strong><br />
operación con energía comercial cuando un motor trabaja al mismo tiempo.<br />
Sin embargo, al disminuir la velocidad <strong>de</strong>l motor con el variador, reduce la<br />
salida <strong>de</strong>l motor, en consecuencia la entrada <strong>de</strong> potencia requerida es menor a<br />
una menor velocidad si el torque <strong>de</strong> carga es constante.<br />
(Para una carga <strong>de</strong> torque variable cómo un ventilador o una bomba, la entrada <strong>de</strong><br />
potencia es mucho más bajo, resultando así un ahorro energético.) La figura<br />
40 <strong>de</strong>muestra datos eficientes totales. (Aranda Usón Alfonso & Díaz <strong>de</strong> Garaio<br />
Sergio, 2010).<br />
78
Figura 35. Eficiencia <strong>de</strong>l variador y eficiencia total<br />
(100% carga, salida <strong>de</strong> frecuencia 60hz)<br />
3.2.2 Entrada <strong>de</strong> corriente <strong>de</strong>l variador y mejora <strong>de</strong>l factor <strong>de</strong> potencia<br />
(Rolan Viloria José, 2002) Un factor <strong>de</strong> potencia es generalmente<br />
encontrado por el ángulo <strong>de</strong> fase Ø <strong>de</strong>l voltaje y la corriente cómo es mostrada en<br />
la figura 36.<br />
79
Figura 36. Forma <strong>de</strong> onda <strong>de</strong> entrada <strong>de</strong> voltaje/corriente<br />
De cualquier manera, ya que la entrada <strong>de</strong> corriente <strong>de</strong>l variador tiene una<br />
forma <strong>de</strong> onda distorsionada el cual incluye armónicos cómo es <strong>de</strong>scrito en la<br />
sección anterior, no pue<strong>de</strong> ser <strong>de</strong>finido por cos_ (el valor medido con un medidor<br />
<strong>de</strong> factor <strong>de</strong> potencia es 1).<br />
Por otro lado, cómo el factor <strong>de</strong> potencia es equivalente a la relación <strong>de</strong> la<br />
potencia activa a la potencia aparente, es encontrada por la expresión (3.3) para el<br />
variador.<br />
Factor <strong>de</strong> potencia = Potencia activa .<br />
Potencia aparente<br />
Factor <strong>de</strong> potencia = Potencia activa Pin .<br />
Potencia activa + Potencia reactiva<br />
Factor <strong>de</strong> potencia = Potencia <strong>de</strong> entrada <strong>de</strong>l variador ………...........(3)<br />
√ x Voltaje <strong>de</strong> alimentación x Corriente <strong>de</strong> entrada <strong>de</strong>l variador<br />
80
La forma <strong>de</strong> onda <strong>de</strong> la entrada <strong>de</strong> potencia <strong>de</strong>l variador varia el factor <strong>de</strong><br />
distorsión <strong>de</strong> la forma <strong>de</strong> onda con la impedancia <strong>de</strong> la potencia <strong>de</strong> entrada<br />
(reactancia <strong>de</strong>l transformador, cable y parecidos), resultando un cambio en la<br />
corriente <strong>de</strong> entrada (efectiva).<br />
Cómo crece la reactancia <strong>de</strong> la potencia <strong>de</strong> la alimentación, la corriente<br />
disminuye, mejorando el factor <strong>de</strong> potencia. Inversamente, cuando el variador es<br />
instalado extremadamente cerca a un transformador <strong>de</strong> gran potencia, por<br />
ejemplo, la corriente se incrementa cómo la reactancia disminuye, empeorando así<br />
el factor <strong>de</strong> potencia.<br />
Por tanto, una forma efectiva forma <strong>de</strong> mejorar el factor <strong>de</strong> potencia es<br />
incrementar la reactancia <strong>de</strong> la potencia <strong>de</strong> la alimentación. Entonces instalar:<br />
Un reactor en la entrada AC (mejorando el factor <strong>de</strong>l reactor AC incrementa<br />
el factor <strong>de</strong> potencia aproximadamente un 90%)<br />
Un reactor en el circuito <strong>de</strong> DC (mejorando el factor <strong>de</strong> potencia <strong>de</strong>l reactor<br />
DC incrementa el factor <strong>de</strong> potencia aproximadamente un 95%)<br />
81
Des<strong>de</strong> que el factor <strong>de</strong> potencia varia generalmente entre 0.6 y 0.9 con la<br />
condición <strong>de</strong> la reactancia <strong>de</strong> la alimentación <strong>de</strong> potencia cómo es <strong>de</strong>scrito arriba,<br />
la ecuación <strong>de</strong> corriente = potencia no incluye.<br />
Por lo tanto, la entrada <strong>de</strong> corriente <strong>de</strong>l variador pue<strong>de</strong> volverse menor que<br />
la corriente <strong>de</strong>l motor a la salida <strong>de</strong>l torque nominal.<br />
*Para la operación con potencia comercial, el factor <strong>de</strong> potencia <strong>de</strong>l motor es casi<br />
constante entre 0.75 y 0.85 y <strong>de</strong> esta manera si incluye la ecuación corriente =<br />
potencia. (Rolan Viloria José, 2002).<br />
Ejemplos <strong>de</strong> formas <strong>de</strong> onda <strong>de</strong> corriente medidas<br />
Instalación <strong>de</strong> un reactor <strong>de</strong> mejora <strong>de</strong> potencia tiene las siguientes<br />
ventajas ya que disminuye la corriente <strong>de</strong> entrada.<br />
Los periféricos <strong>de</strong> entrada <strong>de</strong>l variador (transformador, contactores<br />
magnéticos, cables) <strong>de</strong>ben <strong>de</strong> ser seleccionados para disminuir tamaño.<br />
Los armónicos <strong>de</strong> corriente <strong>de</strong> salida son reducidos<br />
El variador pue<strong>de</strong> ser protegido por picos <strong>de</strong> voltaje <strong>de</strong>l lado <strong>de</strong> la<br />
alimentación.<br />
82
La valor <strong>de</strong> la potencia pico <strong>de</strong> entrada en el circuito convertidor pue<strong>de</strong> ser<br />
suprimido.<br />
Figura 37. Sin reactor <strong>de</strong> potencia (20 hz <strong>de</strong> operación, forma <strong>de</strong> onda <strong>de</strong> corriente)<br />
83
Figura 38. Con reactor <strong>de</strong> potencia<br />
(20 hz <strong>de</strong> operación, forma <strong>de</strong> <strong>de</strong> corriente)<br />
84
85<br />
CAPÍTULO II<br />
SITUACIÓN ACTUAL DEL PPROBLEMA
1. Situación actual <strong>de</strong>l problema<br />
CAPÍTULO II<br />
Los criterios seguidos para la realización <strong>de</strong>l presente proyecto se basan en<br />
el estudio <strong>de</strong> las condiciones actuales <strong>de</strong> la producción <strong>de</strong> tratamiento <strong>de</strong> aguas<br />
residuales, así como <strong>de</strong> las características y cualida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> la materia prima y su<br />
<strong>de</strong>manda, enfocándola a un producto <strong>de</strong> gran calidad y buscando la flexibilidad en<br />
el sistema a proyectar.<br />
1.1 Características físicas<br />
La conducción tiene una longitud aproximada <strong>de</strong> 2,500 metros, el diámetro<br />
es variable <strong>de</strong>s<strong>de</strong> 18” hasta 6”, el material es acero al carbón cedula estándar<br />
principalmente y PEAD (polietileno <strong>de</strong> alta <strong>de</strong>nsidad) en el tramo inicial. La tubería<br />
está enterrada sólo en la parte <strong>de</strong> PEAD o en los cruces con vialida<strong>de</strong>s <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong><br />
la refinería, el acero esta en forma superficial sobre apoyos y a partir <strong>de</strong>l enlace <strong>de</strong><br />
1+100, va elevada aproximadamente 8 metros sobre el nivel <strong>de</strong>l piso junto con<br />
otras tubería <strong>de</strong> la refinería en “racks”.<br />
La conducción presenta una gran cantidad <strong>de</strong> codos (verticales y<br />
horizontales) y accesorios, las coor<strong>de</strong>nadas fueron obtenidas mediante un GPS<br />
(Sistema <strong>de</strong> Posicionamiento Global), correlacionadas al mapa fotográfico <strong>de</strong>l<br />
86
INEGI (Instituto Nacional <strong>de</strong> Estadística Geografía) don<strong>de</strong> adicionalmente se<br />
obtuvieron datos <strong>de</strong> elevación. Ver figura 39.<br />
Conduce el agua tratada hacia 5 torres <strong>de</strong> enfriamiento indicadas en el<br />
plano. El caudal entregado a cada una se estima <strong>de</strong> la siguiente forma:<br />
CT 503 - 80 lps; CT 504 - 20 lps; CT 501- 30 lps; CT 502 - 60 lps; CT 500 - 15 lps.<br />
Figura 39. Trazo <strong>de</strong>l conducto agua tratada Refinería PEMEX <strong>Tula</strong>, Hgo.<br />
87
1.2 Características <strong>de</strong> operación<br />
Con la intervención <strong>de</strong>l personal operativo se tomaron los datos en<br />
condiciones <strong>de</strong> bombeo con 178 lps, 208 lps y 218 lps. Asumiendo la entrega <strong>de</strong><br />
agua a torres <strong>de</strong> enfriamiento. Con las características <strong>de</strong> las tuberías y sus<br />
accesorios se estimó la piezometría, (representación <strong>de</strong> presiones) es <strong>de</strong> la forma<br />
indicada en la Figura 45, <strong>de</strong> la cual se tienen los siguientes comentarios:<br />
1. Las pérdidas <strong>de</strong> energía por accesorios y piezas especiales son<br />
significativas <strong>de</strong>bido a su gran número, <strong>de</strong>l or<strong>de</strong>n <strong>de</strong>l 20%.<br />
2. De acuerdo a las ecuaciones <strong>de</strong> flujo se estima que al final <strong>de</strong> la conducción<br />
existe una presión <strong>de</strong>l or<strong>de</strong>n <strong>de</strong> 2 Kg / cm 2 lo cual indica las posibilida<strong>de</strong>s<br />
<strong>de</strong> una mayor elevación <strong>de</strong>l perfil <strong>de</strong> la tubería, las válvulas <strong>de</strong> entrega a las<br />
torres <strong>de</strong> enfriamiento están estranguladas en exceso, faltan eliminadoras<br />
<strong>de</strong> aire en los codos verticales o bien una combinación <strong>de</strong> los puntos<br />
anteriores.<br />
3. La presión <strong>de</strong> operación en las bombas <strong>de</strong> agua tratada es <strong>de</strong>l or<strong>de</strong>n <strong>de</strong> los<br />
12.3 Kg/cm 2 (175 pulgadas 2 para un caudal <strong>de</strong> 208 lps, excediendo las<br />
especificaciones <strong>de</strong> trabajo <strong>de</strong> tubería <strong>de</strong> PEAD (9.5 Kg/cm 2 ) y <strong>de</strong> válvulas<br />
y accesorios (125-150 in 2 ).<br />
88
4. La falta <strong>de</strong> flexibilidad en operación obliga a estrangular las válvulas a la<br />
salida <strong>de</strong> bombas, a “re circular” agua bombeada.<br />
5. No existe sistema <strong>de</strong> protección para efectos <strong>de</strong> golpe <strong>de</strong> ariete por paro <strong>de</strong><br />
bombas.<br />
Figura 40. Perfil <strong>de</strong>l conducto agua tratada Refinería PEMEX <strong>Tula</strong>, Hgo.<br />
89
1.3 Operación futura<br />
Conducir a la refinería <strong>de</strong>l or<strong>de</strong>n <strong>de</strong> 240 a 260 lps en las condiciones<br />
actuales, sugiere 2 Kg/cm 2 adicionales <strong>de</strong> presión en las bombas (ver Figura 41<br />
<strong>de</strong>bajo línea color rojo). Lo cual no es posible por las características <strong>de</strong>l impulsor y<br />
la potencia <strong>de</strong> motores, a<strong>de</strong>más no es recomendable ya que la presión <strong>de</strong> trabajo<br />
en tuberías ya está sobrepasada.<br />
Figura 41. Perfil <strong>de</strong>l conducto agua tratada Refinería PEMEX (2)<br />
90
Por lo que es obligado el optimizar la conducción buscando la forma <strong>de</strong><br />
disminuir las pérdidas <strong>de</strong> energía, así como reducir las sobrepresiones por<br />
estrangulamiento <strong>de</strong> válvulas en los puntos <strong>de</strong> entrega (torres <strong>de</strong> enfriamiento).<br />
1.3.1 Siguientes acciones<br />
Dentro <strong>de</strong> las instalaciones <strong>de</strong> la planta <strong>de</strong> tratamiento los medidores <strong>de</strong><br />
presión presentan incongruencia ya que no es posible una lectura mayor en el<br />
manómetro cercano al medidor <strong>de</strong> caudal que el <strong>de</strong> la salida <strong>de</strong> las bombas, por lo<br />
que se sugiere la verificación mediante el cambio <strong>de</strong> los mismos.<br />
Hay que <strong>de</strong>finir el comportamiento <strong>de</strong> las bombas a diferente velocidad <strong>de</strong><br />
rotación así como el or<strong>de</strong>n <strong>de</strong> magnitud <strong>de</strong> inversión para la instalación <strong>de</strong><br />
variadores <strong>de</strong> frecuencia, estando en contacto con la fábrica <strong>de</strong> las bombas<br />
trabajando en proporcionar esta información.<br />
1.3.2 Comportamiento electromecánico<br />
El sistema <strong>de</strong> bombeo <strong>de</strong> agua tratada cuenta con tres unida<strong>de</strong>s (A, B, C)<br />
<strong>de</strong> las cuales una está en Stand-by. Fueron modificadas las características <strong>de</strong> los<br />
91
equipos en el año 2004 con una capacidad <strong>de</strong> bombeo <strong>de</strong> 140 lps cada uno con<br />
una CDT (Cabeza Dinámica Total) <strong>de</strong> 120 m.c.a. (metros columna <strong>de</strong> agua), por lo<br />
cual se hizo necesario el empleo <strong>de</strong> motores <strong>de</strong> 350 HP en cada unidad.<br />
Como se ha <strong>de</strong>scrito se realizaron mediciones para las condiciones <strong>de</strong><br />
bombeo con 178 lps, 208 lps y 218 lps. Debido a la nula flexibilidad <strong>de</strong> manejo <strong>de</strong><br />
caudal, el control <strong>de</strong>l mismo se hace mediante el estrangulamiento <strong>de</strong> válvulas <strong>de</strong><br />
mariposa a la salida <strong>de</strong> cada bomba y/o la recirculación <strong>de</strong> agua bombeada<br />
retornándola al tanque <strong>de</strong> agua tratada. En ambas condiciones la consecuencia es<br />
la misma, es <strong>de</strong>cir el <strong>de</strong>sperdicio <strong>de</strong> energía.<br />
El resultado <strong>de</strong> acuerdo a las mediciones efectuadas muestra la factibilidad<br />
<strong>de</strong> reducir <strong>de</strong>l or<strong>de</strong>n <strong>de</strong> $50,000 pesos / mes sólo con evitar tener que estrangular<br />
válvulas y re circular el agua, esto para el régimen <strong>de</strong> bombeo <strong>de</strong> 204 lps.<br />
Si consi<strong>de</strong>ramos adicionalmente reducir las pérdidas <strong>de</strong> energía excesivas<br />
por falta <strong>de</strong> accesorios o por estrangulamientos excesivos en las <strong>de</strong>scargas a<br />
torres <strong>de</strong> enfriamiento, la cantidad <strong>de</strong> ahorro es <strong>de</strong>l or<strong>de</strong>n <strong>de</strong> $70,000 pesos /<br />
mes.<br />
92
En vista <strong>de</strong>l compromiso <strong>de</strong> Atlatec para entregar el caudal a 7 kg/cm 2 en<br />
las instalaciones <strong>de</strong> PEMEX, si se hacen a<strong>de</strong>cuaciones mayores como tuberías en<br />
paralelo el monto <strong>de</strong> ahorro <strong>de</strong> energía es consi<strong>de</strong>rablemente mayor, o bien la<br />
posibilidad <strong>de</strong> hacer el cargo adicional por “extra potencia” usada.<br />
En la siguiente tabla se representan datos <strong>de</strong> consumo actual <strong>de</strong> las<br />
bombas BC-302 A/B/C.<br />
Tabla III. Consumo actual <strong>de</strong> energía<br />
CONSUMO ACTUAL<br />
Equipo<br />
Bomba <strong>de</strong> envío a Refinería Total <strong>de</strong> energía<br />
TAG BC-302A BC-302B BC-302C eléctrica<br />
N0. <strong>de</strong> equipo 1 1 1 3<br />
HP 350 350 350 1050<br />
HP total 350 350 350 1050<br />
Equipos en operación 1 - 1 2<br />
Operación HP<br />
350 0 350 700<br />
Tiempo <strong>de</strong> operación hr/mes 730 730 730 2190<br />
Carga 87% - 72% 79%<br />
Potencia total HP/mes 221,742 - 182,689 404,431<br />
Amparaje 386 - 386 1,158<br />
Amparaje consumido 335 - 276 611<br />
kWh/mes 165,419 - 136,286 301,705<br />
Diferencias entre bombas en<br />
kWh/mes<br />
93<br />
29,133.62 -<br />
Flujo (lps) 190 -<br />
En esta tabla se aprecia el consumo actual <strong>de</strong> los quipos <strong>de</strong> bombeo para un flujo<br />
<strong>de</strong> 190 litros por segundo.
94<br />
CAPÍTULO III<br />
PROPUESTA DE SOLUCIÓN AL PROBLEMA
1. Propuesta <strong>de</strong> solución al problema<br />
CAPÍTULO III<br />
En conclusión el problema es que el cliente no es constante en la solicitud<br />
<strong>de</strong>l líquido, es <strong>de</strong>cir que en ciertos momentos solicita el máximo <strong>de</strong> flujo y otros<br />
solicita la mitad <strong>de</strong> flujo o menos, <strong>de</strong> tal forma que para po<strong>de</strong>r cumplir con el<br />
cliente cuando solicita flujo que nuestro equipo no pue<strong>de</strong> mandar normalmente se<br />
tiene la necesidad <strong>de</strong> <strong>de</strong>sviar cierta cantidad <strong>de</strong> flujo <strong>de</strong> <strong>de</strong>scarga al tanque <strong>de</strong><br />
almacenamiento y ayudarnos estrangulando la válvula <strong>de</strong> mariposa <strong>de</strong> <strong>de</strong>scarga<br />
generando sobrecarga al motor y fricción en la línea <strong>de</strong> <strong>de</strong>scarga.<br />
Una <strong>de</strong> las soluciones más práctica y rentable para cumplir con el cliente,<br />
es la instalación <strong>de</strong> un variador <strong>de</strong> frecuencia <strong>de</strong> 460 volts para una capacidad <strong>de</strong><br />
350 HP´s , marca General Electric la cual <strong>de</strong> la evaluación <strong>de</strong> los equipos éste fue<br />
el que cumple con las expectativas técnicas, <strong>de</strong> calidad y costo, con la instalación<br />
<strong>de</strong> este equipo cumpliremos con los objetivos trazados que son ahorrar energía<br />
eléctrica, cumplir con el envió <strong>de</strong> acuerdo a las necesida<strong>de</strong>s <strong>de</strong>l cliente, no<br />
reprocesar líquido, disminuir la fricción que genera el estrangulamiento <strong>de</strong> la<br />
válvula sobre la tubería.<br />
95
2. La propuesta<br />
En el siguiente apartado se explica la metodología propuesta a partir <strong>de</strong>l<br />
conocimiento <strong>de</strong> una necesidad <strong>de</strong> implementar un VDF para lograr eficientar el<br />
ahorro <strong>de</strong> energía en las bombas <strong>de</strong> envío <strong>de</strong> efluente, para que nos permita<br />
cumplir con la reducción en el costo <strong>de</strong> energía. A continuación se <strong>de</strong>scribe paso a<br />
paso el <strong>de</strong>sarrollo <strong>de</strong>l mismo a partir <strong>de</strong>l uso y aplicación <strong>de</strong> dicho sistema.<br />
La propuesta que a continuación se presenta en este capítulo consiste en la<br />
automatización <strong>de</strong>l motor, el cual como ya se mencionó es solo ajuste en la<br />
presión <strong>de</strong> la bomba <strong>de</strong>bido a los requerimientos <strong>de</strong>l cliente, <strong>de</strong> aquí partimos<br />
porque es don<strong>de</strong> se consume la energía <strong>de</strong> dicho sistema, una por caída directa<br />
<strong>de</strong> la presión (estrangulación) y la segunda por el aumento <strong>de</strong>l flujo en la bomba<br />
(recirculación).<br />
Los datos <strong>de</strong>scritos en el capítulo anterior nos ayudó también para<br />
concentrarnos en las máquinas <strong>de</strong> energía que funcionan más <strong>de</strong> ocho horas al<br />
día, para tal caso se <strong>de</strong>terminó ser un aplicación <strong>de</strong> carga variable, el cual se tuvo<br />
en cuenta el uso <strong>de</strong> un variador, porque tradicionalmente, los motores <strong>de</strong> bombas<br />
96
y ventiladores funcionan a cinco velocida<strong>de</strong>s fijas para bombear el flujo máximo a<br />
través <strong>de</strong>l sistema.<br />
Como consecuencia, los costos <strong>de</strong> energía permanecen constantemente<br />
altos, aunque está realmente varía <strong>de</strong> acuerdo al régimen <strong>de</strong> flujo. Las bombas<br />
representan > 50 % <strong>de</strong> uso <strong>de</strong> motores, muchos están sobredimensionados y<br />
están funcionando con una eficiencia inferior a la óptima, reduciendo la velocidad<br />
<strong>de</strong> la bomba en un 20% se pue<strong>de</strong> ahorrar hasta un 50% <strong>de</strong> energía.<br />
En la Fig. 42 se muestra una comparación <strong>de</strong>l consumo <strong>de</strong> energía por válvulas<br />
contra el control <strong>de</strong> velocidad variable en el sistema <strong>de</strong> bombeo.<br />
Figura 42. Comparación <strong>de</strong>l consumo <strong>de</strong> energía<br />
97
2.1 Cálculos para la selección <strong>de</strong>l variador <strong>de</strong> frecuencia<br />
2.1.1 Situación <strong>de</strong> instalación y ambiente operacional<br />
En este caso, la temperatura ambiente es <strong>de</strong> 25° C promedio y la humedad<br />
relativa es 85% promedio. El ambiente es húmedo, por lo que el variador tiene que<br />
ser instalado <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong> un ambiente seco, limpio y climatizado. En otras palabras<br />
se <strong>de</strong>be instalar <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong> un cuarto <strong>de</strong> control completamente cerrado, que<br />
contenga aire acondicionado.<br />
2.1.2 Características eléctricas <strong>de</strong> alimentación<br />
El voltaje para la alimentación <strong>de</strong>l variador será <strong>de</strong> 460 VCA, 60 Hz.<br />
2.1.3 Potencia <strong>de</strong>l motor<br />
La potencia <strong>de</strong>l motor para este caso es <strong>de</strong> 350 HP.<br />
2.1.4 Corriente <strong>de</strong>l motor<br />
Tomando en cuenta el motor <strong>de</strong> 350 HP tenemos:<br />
√<br />
98
2.2 Tipo <strong>de</strong> variador<br />
√<br />
Las armónicas son las componentes no fundamentales <strong>de</strong> la frecuencia <strong>de</strong><br />
una onda <strong>de</strong> energía eléctrica <strong>de</strong>formada a 60 Hz. Estas tienen frecuencias que<br />
son múltiples enteros <strong>de</strong> la frecuencia fundamental <strong>de</strong> 60 Hz. En general, las<br />
armónicas son producidas por equipo electrónico que, al estar presentes en la red<br />
eléctrica, producen falsos disparos, calentamiento <strong>de</strong> conductores y bajo factor <strong>de</strong><br />
potencia. Debido a que los variadores con mayor número <strong>de</strong> armónicas son los <strong>de</strong><br />
6 pulsos, se elegirá uno <strong>de</strong> 12 pulsos, fuente <strong>de</strong> voltaje, con las secciones <strong>de</strong><br />
convertidor e inversor compuestas por IGBT, los cuales tienen una repuesta más<br />
precisa en la etapa <strong>de</strong> switcheo y generan menos armónicas.<br />
99
2.3 Cálculos para seleccionar la alimentación <strong>de</strong>l sistema<br />
La carga <strong>de</strong> alimentación <strong>de</strong>l sistema se calcula para 3 motores <strong>de</strong> 350 HP<br />
con un factor <strong>de</strong> potencia <strong>de</strong> 0.96 y un transformador <strong>de</strong> 23 Kv para arranque y<br />
equipo auxiliar en bajo voltaje, <strong>de</strong> acuerdo a la Figura 43.<br />
Figura 43. Diagrama unifilar <strong>de</strong>l proyecto<br />
100
Entonces se tiene:<br />
3 motores 350 HP c/u = 1,050 HP = 782.98 Kw<br />
1 transformador 23 Kv = 11,155.42 Kw<br />
Calculando la corriente nominal para la carga total, tenemos:<br />
√<br />
√<br />
101
2.4 Dimensionamiento <strong>de</strong> conductores para alimentación <strong>de</strong> sistema motor<br />
y variador <strong>de</strong> frecuencia<br />
Para la alimentación <strong>de</strong>l sistema motor y variador se utilizarán cables<br />
aislados, los cuales podrán ser <strong>de</strong> aislamiento seco termoplástico o termoestable<br />
a<strong>de</strong>cuado para el nivel <strong>de</strong> voltaje utilizado, que cumplan con las normas técnicas.<br />
La instalación <strong>de</strong>be cumplir como mínimo las siguientes consi<strong>de</strong>raciones:<br />
- El aislamiento <strong>de</strong>l cable tiene que ser para 5 Kv<br />
- El cable <strong>de</strong>be ser <strong>de</strong>l tipo apantallado con aislamiento XLPE<br />
- La longitud <strong>de</strong>l cable entre el variador y el motor no <strong>de</strong>be ser mayor a 300m<br />
En la siguiente figura se pue<strong>de</strong> observar el diagrama <strong>de</strong> la instalación <strong>de</strong>l sistema.<br />
102
Figura 44. Alimentación eléctrica <strong>de</strong>l sistema propuesto.<br />
Para la alimentación <strong>de</strong> la barra principal, tenemos una corriente nominal <strong>de</strong><br />
1, 600 Amp. Una distancia <strong>de</strong> 400 m y un porcentaje <strong>de</strong> caída <strong>de</strong> tensión máxima<br />
<strong>de</strong> 3%.<br />
Calculando en área <strong>de</strong> los conductores para una distancia <strong>de</strong> 400 m se tiene:<br />
103
√<br />
√<br />
229.6 mm 2<br />
Debido a que el área correspon<strong>de</strong> a un cable calibre 500 MCM MV-90 y según<br />
tabla IV.<br />
Tabla IV. Resistencia contra temperatura <strong>de</strong> diferentes calibres<br />
104
Soporta 470 amperios, se calculará el calibre <strong>de</strong>l conductor por medio <strong>de</strong> la<br />
siguiente operación:<br />
1600 / 470 = 3.4<br />
Entonces se eligen 4 conductores calibre 500 MCM por fase para alimentar la<br />
barra, lo que da una disponibilidad <strong>de</strong> 1,880 amperios.<br />
Para la alimentación <strong>de</strong> la barra variable tenemos que existe una distancia <strong>de</strong> 25<br />
m, pero por el valor <strong>de</strong> voltaje que se manejará y <strong>de</strong>bido a que dicha barra es<br />
partida y solo alimentará un motor a la vez, la caída <strong>de</strong> voltaje es <strong>de</strong>spreciable.<br />
Entonces, ya que la corriente <strong>de</strong> un solo motor es .341 Amp., para alimentar los<br />
motores <strong>de</strong>s<strong>de</strong> la barra variable, la caída <strong>de</strong> voltaje es <strong>de</strong>spreciable, ya que el<br />
cálculo para una distancia mayor a 400 m el porcentaje para cada motor es <strong>de</strong> 4/0<br />
AWG por fase.<br />
3. Arranque y pruebas<br />
En el presente apartado, se <strong>de</strong>scribe el arranque <strong>de</strong>l sistema propuesto, el tipo <strong>de</strong><br />
conexión y la forma <strong>de</strong> trabajo, con el funcionamiento <strong>de</strong> este mo<strong>de</strong>lo, se<br />
preten<strong>de</strong>, mediante algunas mediciones efectuadas, <strong>de</strong>mostrar en primera<br />
instalándolo a un motor a 60 Hz conectado a un variador <strong>de</strong> frecuencia se pue<strong>de</strong><br />
105
sincronizar a una fuente <strong>de</strong> frecuencia fija, en este caso la misma fuente que<br />
alimenta el variador.<br />
Dicho mo<strong>de</strong>lo se construyó utilizando los siguientes dispositivos:<br />
- Variador <strong>de</strong> frecuencia <strong>de</strong> 350 HP, 460 VCA, PWM<br />
- Motor eléctrico <strong>de</strong> inducción <strong>de</strong> 350 HP, 460 VCA<br />
- Contactores <strong>de</strong> 3 polos, 460 volts, 30 Amp.<br />
- Estaciones <strong>de</strong> mando para el control <strong>de</strong> los contactores<br />
- El transformador <strong>de</strong> potencia <strong>de</strong> 23 Kv<br />
- Interruptores automáticos <strong>de</strong> protección<br />
Todos los dispositivos mencionados anteriormente se conectaron <strong>de</strong> la manera<br />
que se muestra en la Figura 45.<br />
106
Figura 45. Diagrama <strong>de</strong> conexión<br />
3.1 Procedimiento <strong>de</strong> puesta en marcha <strong>de</strong>l mo<strong>de</strong>lo<br />
Se proce<strong>de</strong> a energizar el mo<strong>de</strong>lo mediante el circuito principal <strong>de</strong>s<strong>de</strong> la<br />
fuente trifásica <strong>de</strong> 460 volts y 60 Hz. Al estar energizado el variador <strong>de</strong><br />
frecuencia, se empieza a aumentar la frecuencia poco a poco hasta llegar a<br />
107
60 Hz. En este momento se medirán las formas <strong>de</strong> onda <strong>de</strong> las señales <strong>de</strong><br />
la salida <strong>de</strong>l variador y la fuente <strong>de</strong> alimentación, con la ayuda <strong>de</strong> un<br />
osciloscopio <strong>de</strong> dos canales. El resultado en la figura 46.<br />
Figura 46. Formas <strong>de</strong> onda <strong>de</strong> las dos fuentes<br />
En la figura anterior se pue<strong>de</strong> observar la regulación <strong>de</strong> la tensión <strong>de</strong> la<br />
salida variando la anchura <strong>de</strong> los pulsos. Esto permite que el funcionamiento <strong>de</strong>l<br />
motor se asemeje a uno alimentado por tensiones senoidales <strong>de</strong> la red.<br />
Seguidamente, se energiza un sincronoscopio y observando el apuntador<br />
<strong>de</strong>l mismo, se proce<strong>de</strong> a sincronizar el motor con la red <strong>de</strong> alimentación. Dicha<br />
maniobra, se efectúa cuando las dos ondas se encuentran en fase como lo<br />
muestra la figura 47 un instante antes <strong>de</strong> realizar la operación.<br />
108
Figura 47. Ondas <strong>de</strong> voltaje en fase antes <strong>de</strong> la sincronización<br />
Como se pue<strong>de</strong> observar en la anterior figura, la diferencia <strong>de</strong> voltaje entre las dos<br />
fuentes en ese instante es muy cercana a cero, por lo que es posible realizar la<br />
maniobra seguramente en este instante. Cabe mencionar que durante la<br />
operación <strong>de</strong> sincronización, no existió ninguna distorsión ni tampoco ningún<br />
problema con el variador <strong>de</strong> frecuencia al quitarle la carga instantáneamente, ya<br />
que todos los equipos mo<strong>de</strong>rnos tienen protección por baja carga.<br />
109
El propósito principal <strong>de</strong> este mo<strong>de</strong>lo es <strong>de</strong>mostrar la posibilidad <strong>de</strong> sincronizar un<br />
motor eléctrico <strong>de</strong> inducción accionado por un variador <strong>de</strong> frecuencia para el<br />
ahorro <strong>de</strong> energía, sin tener ningún problema. A la vez, se pue<strong>de</strong> utilizar el<br />
variador <strong>de</strong> frecuencia como arrancador para varios motores eléctricos y así evitar<br />
picos <strong>de</strong> corriente en el arranque sin necesidad <strong>de</strong> la instalación <strong>de</strong> un arrancador<br />
para cada motor; aclarado que los motores trabajarán a su velocidad nominal.<br />
Se podría <strong>de</strong>cir también que al utilizar un sincronoscopio eléctrico, se pue<strong>de</strong><br />
realizar la maniobra <strong>de</strong> sincronización <strong>de</strong> una forma más precisa y segura, ya que<br />
este tipo <strong>de</strong> aparatos se pue<strong>de</strong>n programar para que gobiernen automáticamente<br />
el variador para llevarlos al punto en el que las diferencias <strong>de</strong> voltaje y frecuencia<br />
<strong>de</strong> las dos fuentes sea muy cercana a cero.<br />
110
111<br />
CAPÍTULO IV<br />
ESTUDIO COSTO - BENEFICIO
1. Estudio Costo-Beneficio<br />
1.1 Ambiente <strong>de</strong> la aplicación<br />
CAPÍTULO IV<br />
La aplicación se realizó en Planta Tratadora <strong>de</strong> Aguas Residuales, en la cual<br />
tienen un fuerte consumo energético, uno <strong>de</strong> ellos son 3 motores <strong>de</strong> 350 HP <strong>de</strong> la<br />
mano con las bombas <strong>de</strong> envío (efluente). Actualmente estas máquinas trabajan<br />
en arranque estrella <strong>de</strong>lta (Y-Δ).<br />
1.2 Beneficios <strong>de</strong>l cambio <strong>de</strong> sistema<br />
En este estudio vamos a po<strong>de</strong>r apreciar la diferencia <strong>de</strong>l sistema <strong>de</strong> control <strong>de</strong>l<br />
motor <strong>de</strong> la bomba, nos referiremos al sistema actual al proceso <strong>de</strong> arranque<br />
estrella – <strong>de</strong>lta (Y-Δ). y el sistema nuevo al control con variador <strong>de</strong> frecuencia.<br />
Para empezar, tenemos las comparaciones <strong>de</strong> arranque <strong>de</strong> los dos sistemas.<br />
112
Figura 48. Arranque con sistema actual<br />
Po<strong>de</strong>mos apreciar un pico bastante alto en el arranque con el arranque estrella<br />
– <strong>de</strong>lta (Y-Δ), tan alto que se logra apreciar bien en la gráfica y vemos el arranque<br />
con el sistema nuevo. El variador forma una pendiente <strong>de</strong> corriente para llegar a la<br />
corriente <strong>de</strong> consumo <strong>de</strong>l motor.<br />
113
Figura49. Arranque con sistema nuevo (variador <strong>de</strong> frecuencia)<br />
A continuación vamos a visualizar <strong>de</strong>talladamente la gráfica <strong>de</strong> cerca con el<br />
sistema actual.<br />
114
Figura 50. Arranque con sistema actual <strong>de</strong>tallado<br />
Po<strong>de</strong>mos apreciar un pico <strong>de</strong> corriente al cambio <strong>de</strong> contactores estrella-<strong>de</strong>lta,<br />
este es <strong>de</strong> 223.9 A y se produce actualmente cada vez que se apaga y encien<strong>de</strong><br />
el motor, para ver <strong>de</strong> cerca el comportamiento <strong>de</strong> la corriente con el arranque <strong>de</strong><br />
contactores, vemos la siguiente figura.<br />
115
Figura 51. Tiempos <strong>de</strong> arranque con sistema actual<br />
Vemos claramente el arranque en estrella, luego un tiempo muerto, y al<br />
conectarse en <strong>de</strong>lta se aprecia claramente el pico <strong>de</strong> corriente. Este pico <strong>de</strong><br />
corriente que dura poco tiempo (350mseg), afecta al motor con el sistema actual,<br />
acortando así su tiempo <strong>de</strong> vida y como pudimos apreciar con el sistema nuevo, el<br />
variador realiza una pendiente <strong>de</strong> corriente hasta llegar a la corriente requerida.<br />
116
1.3 Ahorro en el cambio <strong>de</strong>l sistema<br />
Ahora, vamos a comparar el consumo (kWh) <strong>de</strong>l motor, esta medición se efectuó<br />
<strong>de</strong> 10 minutos, ya que consi<strong>de</strong>ramos que el comportamiento es igual en todo un<br />
día en trabajo constante.<br />
Tabla V. Consumo con sistema actual (estrella-<strong>de</strong>lta)<br />
CONSUMO ACTUAL<br />
Equipo<br />
Bomba <strong>de</strong> envío a Refinería Total <strong>de</strong> energía<br />
TAG BC-302A BC-302B BC-302C eléctrica<br />
N0. <strong>de</strong> equipo 1 1 1 3<br />
HP 350 350 350 1050<br />
HP total 350 350 350 1050<br />
Equipos en operación 1 - 1 2<br />
Operación HP<br />
350 0 350 700<br />
Tiempo <strong>de</strong> operación hr/mes 730 730 730 2190<br />
Carga 87% - 72% 79%<br />
Potencia total HP/mes 221,742 - 182,689 404,431<br />
Amparaje 386 - 386 1,158<br />
Amparaje consumido 335 - 276 611<br />
kWh/mes 165,419 - 136,286 301,705.78<br />
Flujo (lps) 190<br />
117
Tabla VI. Consumo con sistema nuevo (variador <strong>de</strong> frecuencia)<br />
CONSUMO CON VARIADOR<br />
118<br />
Equipo<br />
Bomba <strong>de</strong> envío a Refinería<br />
TAG BC-302A BC-302B BC-302C<br />
Total <strong>de</strong><br />
energía<br />
eléctrica<br />
N0. <strong>de</strong> equipo 1 1 1 3<br />
HP 350 350 350 1050<br />
HP total 350 350 350 1050<br />
Equipos en operación 1 - 1 2<br />
Operación HP<br />
350 350 350 1050<br />
Tiempo <strong>de</strong> operación hr/mes 730 730 730 2190<br />
Carga - 54% 91% 72%<br />
Potencia total HP/mes 190,534 137,679 231,671 559,884<br />
Amparaje 386 386 386 1,158<br />
Amparaje consumido - 208 350 558<br />
kWh/mes - 102,708.35 172,826.55 275,534.91<br />
Flujo (lps) 190
Tabla VII. Comparación <strong>de</strong> ahorro <strong>de</strong> energía con instalación <strong>de</strong> un drive<br />
CONSUMO CON<br />
VARIADOR<br />
119<br />
Equipo<br />
Bomba <strong>de</strong> envío a<br />
Refinería Total<br />
TAG BC-302A BC-302B<br />
N0. <strong>de</strong> equipo 1 1 2<br />
HP 350 350 1050<br />
HP total 350 350 1050<br />
Equipos en operación 1 1 2<br />
Operación HP 350 350 700<br />
Tiempo <strong>de</strong> operación<br />
hr/mes<br />
730 730 1460<br />
Carga 54% 91% 48%<br />
Potencia total HP/mes 137,679 231,671 369,350<br />
Amparaje 386 386 1,158<br />
Amparaje consumido 208 350 558<br />
kWh/mes SIN VARIADOR 165,419.70 136,286.08 301,705.78<br />
kWh/mes CON VARIADOR 102,708.35 172,826.55 275,534.91<br />
Flujo (lps) 190<br />
Ahorro kWh/mes 26,170.88<br />
Ahorro = kWh/mes SIN VARIADOR - kWh/mes CON VARIADOR<br />
Ahorro = 301,705.78 - 275,534.91 = 26,170.88 kWh/mes
Tabla VIII. Lectura adquirida con medidor<br />
Duración 10 minutos constante<br />
Consumo kWh (en 10 min.) 2.79 2.55<br />
Con estos datos, po<strong>de</strong>mos hacer la proyección <strong>de</strong>l consumo con el sistema actual<br />
y el consumo con el sistema nuevo. Así se podrá apreciar el ahorro mensual al<br />
cambiar <strong>de</strong> sistema el control <strong>de</strong> los motores.<br />
Tabla IX. Cálculos <strong>de</strong> ahorro energético<br />
Antes Consumo Después<br />
2.79 Consumo kWh (10 min.) 2.55<br />
419.03 Consumo kWh (1 hr.) 382.68<br />
10,056.85 Consumo kWh (1 día) 9,184.49<br />
301,705.78 Consumo kWh (1 mes) 275,534.91<br />
3,620,469.36 Consumo kWh (1 año) 3,306,418.92<br />
Con esto po<strong>de</strong>mos obtener el ahorro diario al cambiar <strong>de</strong> sistema, este ahorro<br />
seria <strong>de</strong>:<br />
Sin Sistema – Con Sistema = Ahorro<br />
10,056.85 - 9,184.49 = 872.36 kWh / día<br />
120
Con un ahorro mensual <strong>de</strong>:<br />
Y esto nos llevaría a un ahorro anual <strong>de</strong>:<br />
Sin Sistema – Con Sistema = Ahorro<br />
301,705.78 - 275,534.91 = 26,170.87 kWh /mes<br />
Sin Sistema – Con Sistema = Ahorro<br />
3, 620,469.36 - 3, 306,418.92 = 296,050.44 kWh / año<br />
Tenemos un costo <strong>de</strong> kWh a 1.56, con esto po<strong>de</strong>mos obtener el ahorro diario,<br />
mensual y anual.<br />
AHORRO DIARIO 872.36 * (1.56) = $1,360.88<br />
AHORRO MENSUAL 26,170.87 * (1.56) = $40,826.55<br />
AHORRO ANUAL 296,050.44 * (1.56) = $461,838.68<br />
121
1.4 Inversión <strong>de</strong> la aplicación y taza <strong>de</strong> retorno<br />
que incluye:<br />
Cómo un complemento <strong>de</strong>l estudio, se adjunta el precio <strong>de</strong> la inversión y lo<br />
Este precio incluye:<br />
Variador <strong>de</strong> frecuencia para motores<br />
1. Variador <strong>de</strong> frecuencia <strong>de</strong> 350 HP en 460 v.c.a.<br />
2. Software <strong>de</strong> programación, ajuste y monitoreo<br />
3. Asesoría para la instalación y puesta en marcha así como el uso <strong>de</strong><br />
software.<br />
4. Asesoría para la operación y recomendaciones <strong>de</strong> mantenimiento.<br />
PRECIO: $ 17,003.00 USD<br />
$199,275.16 MN<br />
Se <strong>de</strong>be tomar en cuenta que el tiempo <strong>de</strong> vida útil <strong>de</strong> los variadores <strong>de</strong><br />
frecuencia General Electric es <strong>de</strong> 10 años.<br />
122
Tomando en cuenta que el variador se paga en 5 meses po<strong>de</strong>mos ver que<br />
existe un ahorro <strong>de</strong> 7 meses en energía eléctrica por año.<br />
Como mencionamos anteriormente, son 3 bombas, entonces po<strong>de</strong>mos<br />
<strong>de</strong>ducir que el ahorro instalando un variador <strong>de</strong> frecuencia en cada bomba,<br />
haciendo la misma inversión en cada bomba, obtenemos lo siguiente:<br />
Precio <strong>de</strong> inversión en los 3 motores: $ 597,825.48<br />
123
CONCLUSIONES<br />
Se pue<strong>de</strong> plantear que la aplicación <strong>de</strong> los variadores <strong>de</strong> velocidad en el<br />
control <strong>de</strong> motores eléctricos, cómo en sistemas <strong>de</strong> bombeo, a pesar <strong>de</strong> su<br />
inversión inicial (que se amortiza en un breve tiempo a partir <strong>de</strong> ahorro que<br />
introduce), logra una mayor eficiencia y racionalidad en la operación <strong>de</strong>l sistema,<br />
<strong>de</strong>bido a los niveles <strong>de</strong> ahorro <strong>de</strong> energía eléctrica que se obtienen.<br />
También se pue<strong>de</strong> observar que con la instalación <strong>de</strong> variadores <strong>de</strong><br />
frecuencia, po<strong>de</strong>mos observar que evitamos los picos <strong>de</strong> corriente bastante<br />
fuertes a los motores, esto quiere <strong>de</strong>cir que aumentamos la vida útil <strong>de</strong> estos y los<br />
tiempos entre mantenimientos se alargan.<br />
Tenemos también que resaltar que el ahorro energético se podrá hacer si<br />
los motores están sobre dimensionados, si el motor trabaja mucho tiempo en<br />
vacío, entre otros. El variador generará el ahorro energético si se le baja la<br />
velocidad al motor.<br />
Las ventajas que daría el variador <strong>de</strong> frecuencia en caso <strong>de</strong> que no se<br />
pueda bajar la velocidad al motor, seria la protección al motor, cambio <strong>de</strong><br />
velocidad en funcionamiento (para evitar cambios mecánicos), auto diagnóstico<br />
(en el motor o efectos externos), arranque y paro controlado.<br />
124
125<br />
ANEXOS
I.COTIZACIÓN<br />
ANEXOS<br />
ATLATEC SA <strong>de</strong> CV. 13 <strong>de</strong> Febrero <strong>de</strong> 2011.<br />
Carr. <strong>Tula</strong>-Refinería<br />
Km.5.5 frente a canal Salto- Tlamaco<br />
2da Sección <strong>de</strong>l Llano.<br />
<strong>Tula</strong> <strong>de</strong> Allen<strong>de</strong>, Hidalgo.<br />
TEL. 01 (773) 732 6308 EXT. 09 y 10<br />
At‟n Lic. IVON GARCIA REF. Ing. Juan Niño<br />
En atención a su amable solicitud estamos presentando la siguiente cotización <strong>de</strong><br />
equipos eléctricos/ electrónicos.<br />
Parte Cant. Descripción Precio Unit. Total partida<br />
01 01 BOMBA DE ENVIO AREF BC-302 A/B/C<br />
Nota<br />
Incluye:<br />
Variador <strong>de</strong> frecuencia <strong>de</strong> 350 hp en 460 vca.<br />
Mo<strong>de</strong>lo 6KFP43350X8XXXA1 ( USO PAR<br />
VARIABLE , BOMBA )<br />
Incluye reactor <strong>de</strong> línea <strong>de</strong> 5 % <strong>de</strong> impedancia en<br />
gabinete Nema. Mo<strong>de</strong>lo 37G50003N MARCA<br />
General Electric.<br />
PLAZO DE ENTREGA 4 A 6 SEMANAS<br />
126<br />
$ 17,003.00<br />
USD<br />
1. Software <strong>de</strong> programación, ajuste y monitoreo software <strong>de</strong> ahorro <strong>de</strong> energía.<br />
2. Asesoría para la instalación y puesta en macha así como el uso <strong>de</strong> software.<br />
3. Asesoría para la operación y recomendaciones <strong>de</strong> mantenimiento.<br />
$ 17,003.00<br />
USD
II.FOTOS<br />
Imagen 1.Variador Imagen 2.Bombas <strong>de</strong> envío<br />
Imagen 3.Válvula <strong>de</strong> mariposa<br />
127
GLOSARIO<br />
Módulo transistorizado: Transistores <strong>de</strong> potencia son combinados para<br />
hacer un paquete completo. Mejora el tamaño compacto y la productividad<br />
<strong>de</strong> los variadores.<br />
Transistor <strong>de</strong> alta señal <strong>de</strong> ganancia: Controla gran corriente con un bajo<br />
nivel se <strong>de</strong> control (corriente <strong>de</strong> base). Simplifica el control <strong>de</strong>l circuito y<br />
reduce la generación <strong>de</strong> calor.<br />
IGBT: Transistor para cambios rápidos (10kHz) o más. Alto acarreo <strong>de</strong><br />
frecuencia PWM resuelve el problema <strong>de</strong> ruido durante la operación <strong>de</strong><br />
motor.<br />
IPM (Módulo Módulo transistorizado integrado con el inteligente <strong>de</strong><br />
potencia): controlador <strong>de</strong> circuito base y funciones <strong>de</strong> protección. Esto<br />
hace el tamaño compacto y mejora el funcionamiento.<br />
DSP (Procesador Microprocesador exclusivamente diseñado <strong>de</strong> señal<br />
digital): para operación digital rápida. El control vectorial <strong>de</strong> flujo magnético<br />
es ejercitado por un motor estándar para lograr un alto troqué y una baja<br />
velocidad.<br />
128
RISC (Set <strong>de</strong> instrucciones reducidas <strong>de</strong> computadora): Computadora<br />
simplificada en instrucciones y formatos <strong>de</strong> instrucción <strong>de</strong> asegurar la<br />
operación rápida. Incrementando el proceso <strong>de</strong> velocidad, realiza el control<br />
<strong>de</strong> flujo vectorial avanzado el cual habilita un gran torque y una operación<br />
extremadamente estable a baja velocidad.<br />
Polietileno reticulado (XLPE): es un material termoestable (una vez<br />
reticulado no se ablanda con el calor) presenta mejores características<br />
eléctricas y térmicas que el PVC por lo que se utiliza en la construcción <strong>de</strong><br />
cables <strong>de</strong> baja, media y alta tensión.<br />
129
BIBLIOGRAFÍA<br />
[1] Muhammad H. Rashid (2004). Circuitos, dispositivos y aplicaciones.<br />
Electrónica <strong>de</strong> potencia. México: Tercera edición Prentice Hall.<br />
[2] Stephen J. Chapman (2002). Máquinas eléctricas. México: Tercera edición.<br />
Editorial Mc Graw Hill.<br />
[3] Murphy, Turnbull (2006). Electrónica <strong>de</strong> Control <strong>de</strong> motores <strong>de</strong> A.C. México:<br />
Primera edición. Editorial Pergamon Press.<br />
[4] Schibli, N., Nguyen, t. & Rufer, A.; (2004). A Tres Fases Conversor Multinivel<br />
<strong>de</strong> Alto Rango para Motor <strong>de</strong> Inducción (pp. 978-986). Colombia: Amoros.<br />
[5] I.Q. Soto Cruz Juan José (2001). Fundamentos sobre ahorro <strong>de</strong> energía (pp.<br />
Sec. 3.1 – 3.29). Yucatán: Ediciones <strong>de</strong> la <strong>Universidad</strong> Autónoma <strong>de</strong> Yucatán.<br />
[6] Martín Juan Carlos & García Pilar (2004). Arranque y variación <strong>de</strong> velocidad<br />
<strong>de</strong> motores. Automatismos Industriales (pp. 194 - 218). México: Editorial Editex.<br />
130
[7] Álvarez Pulido Manuel (2000). Convertidores <strong>de</strong> frecuencia, controladores <strong>de</strong><br />
motores (pp. 18 - 27). Barcelona España: Ediciones Marcombo.<br />
[8] Aranda Usón Alfonso & Díaz <strong>de</strong> Garaio Sergio (2010). Eficiencia energética en<br />
instalaciones y equipamiento <strong>de</strong> motores (209 – 215). Puebla: Prensas<br />
universitarias <strong>de</strong> Puebla.<br />
[9] Rolan Viloria José (2002). Equipos e instalaciones electrotécnicas (60-84).<br />
México: Thomson Paranninfo.<br />
FUENTES DE INFORMACIÓN<br />
http://www.inverter-china.com/blog-es/upload/frequency-inverter-for-energy-saving<br />
www.instrumentacionycontrol.net/.../208-icomo-instalar-y-configura<br />
www.mx.sew-eurodrive.com/Variadores<br />
www.automation.siemens.com/mcms/.../DA51-2-2007-2008-es.pdf<br />
www.garal.pt/pdf/Grupos_c_variador.pdf<br />
131
Figuras<br />
ÍNDICE DEL MATERIAL GRÁFICO<br />
Figura 1. Ten<strong>de</strong>ncias <strong>de</strong> variadores transistorizados ............................................................... 20<br />
Figura 2. Ejemplo <strong>de</strong> un motor totalmente contenido, enfriado por ventilador ..................... 22<br />
Figura 3. Relación entre la velocidad <strong>de</strong>l motor, corriente y torque ....................................... 23<br />
Figura 4. Comparación <strong>de</strong> características <strong>de</strong> torque ................................................................ 26<br />
Figura 5. Torque constante y rango <strong>de</strong> salida constante ......................................................... 29<br />
Figura 6. Patrón i<strong>de</strong>al V/f ............................................................................................................... 31<br />
Figura 7. Patrón V/f con variador ................................................................................................. 31<br />
Figura 8 Circuito equivalente <strong>de</strong>l motor ...................................................................................... 32<br />
Figura 9. Corriente <strong>de</strong> excitación v/s corriente secundaria ...................................................... 33<br />
Figura 10. Características <strong>de</strong> salida <strong>de</strong> un motor estándar ..................................................... 35<br />
Figura 11. Estructura <strong>de</strong> un variador transistorizado ................................................................ 37<br />
Figura 12. Circuito convertidor ..................................................................................................... 38<br />
Figura 13. Convertidor principal ................................................................................................... 39<br />
Figura 14. Corrientes <strong>de</strong> entrada principales ............................................................................. 41<br />
Figura 15. Cómo crear corriente alterna ..................................................................................... 42<br />
Figura 16. Forma <strong>de</strong> onda AC a 1Hz .......................................................................................... 43<br />
Figura 17. Frecuencia .................................................................................................................... 43<br />
Figura 18. Circuito inversor básico <strong>de</strong> 3 fases ........................................................................... 44<br />
Figura 19. Cómo crear AC <strong>de</strong> tres fases .................................................................................... 45<br />
Figura 20. Variador transistorizado .............................................................................................. 46<br />
Figura 21. Diagrama <strong>de</strong> control <strong>de</strong> bloque V/f ........................................................................... 48<br />
Figura 22. Patrón V/f ...................................................................................................................... 49<br />
Figura 23. Vector <strong>de</strong> corriente ...................................................................................................... 50<br />
Figura 24. Diagrama <strong>de</strong> bloques <strong>de</strong> control vectorial <strong>de</strong> flujo magnético .............................. 51<br />
Figura 25. Diagrama <strong>de</strong> bloques <strong>de</strong>l control vectorial .............................................................. 52<br />
Figura 26. Patrón V/F <strong>de</strong> un variador transistorizado ............................................................... 57<br />
Figura 27. Tipos <strong>de</strong> carga y patrones V/f .................................................................................... 58<br />
Figura 28. Características <strong>de</strong> una bomba con energía comercial .......................................... 64<br />
Figura 29. Características <strong>de</strong> un ventilador con energía comercial ....................................... 64<br />
Figura 30. Características <strong>de</strong> una bomba a diferentes velocida<strong>de</strong>s ...................................... 67<br />
Figura 31. Características <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong>l control <strong>de</strong> válvula .......................................................... 69<br />
Figura 32. Operación característica <strong>de</strong>l ventilador .................................................................... 72<br />
(volumen <strong>de</strong> aire/velocidad potencia característica requerida) ............................................... 72<br />
Figura 33. Tipos <strong>de</strong> carga y efectos <strong>de</strong>l ahorro energético ..................................................... 73<br />
Figura 34. Relación <strong>de</strong> potencia <strong>de</strong> entrada y salida ................................................................ 76<br />
132
Figura 35. Eficiencia <strong>de</strong>l variador y eficiencia total ................................................................... 79<br />
(100% carga, salida <strong>de</strong> frecuencia 60hz) ................................................................................... 79<br />
Figura 36. Forma <strong>de</strong> onda <strong>de</strong> entrada <strong>de</strong> voltaje/corriente ...................................................... 80<br />
Figura 37. Sin reactor <strong>de</strong> potencia (20 hz <strong>de</strong> operación, forma <strong>de</strong> onda <strong>de</strong> corriente) ....... 83<br />
Figura 38. Con reactor <strong>de</strong> potencia ............................................................................................. 84<br />
(20 hz <strong>de</strong> operación, forma <strong>de</strong> <strong>de</strong> corriente) .............................................................................. 84<br />
Figura 39. Trazo <strong>de</strong>l conducto agua tratada Refinería PEMEX <strong>Tula</strong>, Hgo. .......................... 87<br />
Figura 40. Perfil <strong>de</strong>l conducto agua tratada Refinería PEMEX <strong>Tula</strong>, Hgo............................. 89<br />
Figura 41. Perfil <strong>de</strong>l conducto agua tratada Refinería PEMEX (2) ......................................... 90<br />
Figura 42. Comparación <strong>de</strong>l consumo <strong>de</strong> energía .................................................................... 97<br />
Figura 43. Diagrama unifilar <strong>de</strong>l proyecto ................................................................................. 100<br />
Figura 44. Alimentación eléctrica <strong>de</strong>l sistema propuesto. ...................................................... 103<br />
Figura 45. Diagrama <strong>de</strong> conexión .............................................................................................. 107<br />
Figura 46. Formas <strong>de</strong> onda <strong>de</strong> las dos fuentes ....................................................................... 108<br />
Figura 47. Ondas <strong>de</strong> voltaje en fase antes <strong>de</strong> la sincronización ........................................... 109<br />
Figura 48. Arranque con sistema actual ................................................................................... 113<br />
Figura49. Arranque con sistema nuevo (variador <strong>de</strong> frecuencia) ......................................... 114<br />
Figura 50. Arranque con sistema actual <strong>de</strong>tallado .................................................................. 115<br />
Figura 51. Tiempos <strong>de</strong> arranque con sistema actual .............................................................. 116<br />
Tablas<br />
Tabla I. Comparación <strong>de</strong>l sistema <strong>de</strong> control ............................................................................. 47<br />
Tabla II. Tipos <strong>de</strong> metas tecnológicas ......................................................................................... 75<br />
Tabla III. Consumo actual <strong>de</strong> energía ......................................................................................... 93<br />
Tabla IV. Resistencia contra temperatura <strong>de</strong> diferentes calibres ......................................... 104<br />
Tabla V. Consumo con sistema actual (estrella-<strong>de</strong>lta) .......................................................... 117<br />
Tabla VI. Consumo con sistema nuevo (variador <strong>de</strong> frecuencia) ......................................... 118<br />
Tabla VII. Comparación <strong>de</strong> ahorro <strong>de</strong> energía con instalación <strong>de</strong> un drive ........................ 119<br />
Tabla VIII. Lectura adquirida con medidor ................................................................................ 120<br />
Tabla IX. Cálculos <strong>de</strong> ahorro energético .................................................................................. 120<br />
133
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