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APLICACIONES INDUSTRIALES
Evaluación energética de motores de inducción a través del modelo de motor agregado
Energy evaluation of induction motors through aggregate motor model
Ing. Ignacio Romero RuedaI, Dra. Miriam Vilaragut LlanesII, Ing. Bárbara M. Pérez MenaI, Ing. Oscar W. Peña GuilarteI ]]>
I Instituto Superior Minero Metalúrgico (ISMM), Las Coloradas, Holguín, Cuba.
RESUMEN
Este trabajo armoniza los datos nominales del motor agregado, mediciones de tensión y corriente en el suministro eléctrico al grupo de motores asincrónicos y el método del momento en el entrehierro para determinar el estado de carga, la eficiencia y demás magnitudes que caracterizan energéticamente al grupo de motores a través del equivalente. Se define el factor de incidencia como la relación entre la potencia demandada por el motor agregado y la demanda total. Los motores seleccionados tienen coeficientes de incidencias iguales o mayores que el coeficiente de incidencia medio del conjunto de agregados, garantizando que predominen los de mayor potencia, disminuyendo el número a considerar y definiendo la eficiencia como parámetro de decisión. Los resultados demuestran que el motor agregado determina el potencial de ahorro asociado a una barra de potencia con precisión, disminuyendo el volumen de cálculo, simplificando la búsqueda y en menor tiempo.
Palabras clave: evaluación energética, modelo de motor agregado, momento en el entrehierro, motor de inducción.
ABSTRACT
This work concur the nominal data of the aggregate motor, voltage and current measurements in the asynchronous motors group electric supply and the air gap torque's method to determine the load state, the efficiency and other magnitudes that characterize energetically the group of motors by the equivalent one. The incidence factor is defined as the relationship between the aggregate motor's demanded power and the total demand. The designated motors have same or bigger incidence coefficients than the half incidence coefficient of the group of aggregate, ensuring that predominate the most powerful, reducing the number to consider and defining the efficiency as a decision parameter. The results demonstrate that the aggregate motor determines accurately the saving potential associated to a power bus, decreasing the calculation volume, simplifying the search and in smaller time.
Keywords: energy evaluation, aggregate motor model, air gap torque, induction motor.
INTRODUCCIÓN
El motor de inducción representa un alto por ciento en el consumo de energía eléctrica. Existen instalaciones que cuentan con alto número de motores inducción y se hace engorroso y largo analizar el comportamiento de los mismos individualmente, por ello surge el modelo de motor agregado [1-3]. Generalmente se trabaja con modelos obtenidos en base a los parámetros nominales y es frecuente utilizarlo en análisis dinámicos [4-5], no existe referencia al uso del mismo con fines energético. La combinación del método del momento en el entrehierro (MME) con mediciones en el punto de suministro eléctrico permite adaptar al motor agregado nominal a las condiciones reales y a partir del mismo determinar el comportamiento energético del grupo de motores de inducción.
La validación del método de agregación se realiza comparando los resultados obtenidos del motor agregado con la suma de los motores individuales, tomando como criterio básico para el análisis que la potencia de salida del motor agregado es igual a la potencia total desarrollada por el grupo de motores de inducción [2, 6, 7]. Este trabajo tiene como objetivo mostrar la validez y exactitud de utilizar el modelo de motor de inducción agregado combinado con el MME para evaluar el potencial de ahorro de energía asociado a una barra de potencia eléctrica en baja tensión formada por motores de inducción, logrando disminuir el volumen de cálculo comparado con un análisis exhaustivo del total de motores.
El trabajo se estructura en tres partes: en primer lugar se obtienen los diagramas monolineales equivalentes, definiendo los motores agregados de diferentes niveles; en segundo lugar se aplica el momento MME para determinar las características de servicios de todos los motores agregados y seleccionar el motor agregado a realizarle un análisis particular y en tercer lugar se selecciona de este último agregado el motor de inducción más significativo para el análisis del reemplazo.
En el desarrollo del trabajo se determina el comportamiento energético de todos los motores agregados y se realiza un pronóstico de energía asociada a la barra completa; se seleccionan los motores agregados más significativos de acuerdo al coeficiente de incidencia, realizando una valoración del porciento que representan con respecto al total de motores agregado; se selecciona uno de estos agregados para un análisis individual y por último se obtiene un comportamiento energético más específico del motor de inducción, más significativo, que integra este agregado y se realiza un análisis del comportamiento real y pronóstico de ahorro de energía por sustitución de este motor de inducción.
DESARROLLO ]]>
MOTORES DE INDUCCIÓN AGREGADOS POR BARRASActualmente los motores de inducción se encuentran en las más diversas aplicaciones, industriales, sector residencial y los servicios [8]. Para ser agrupados en equivalentes, formando los agregados, y que sirvan con fines energéticos tienen que cumplir determinadas condiciones, las cuales se enumeran a continuación:
1. Motores de inducción en baja tensión.
2. Conexión directa a barra, sin que medie ningún elemento de fuerza y/o control, (variadores de velocidad, reactores y transformadores de potencia fundamentalmente).
3. Pertenecen a una misma barra, sin compensación individual de reactivo.
4. Están operando en régimen estable.
5. Se consideran despreciables los procesos transitorios normales de cambio en la carga.
6. La barra presenta un alimentador principal.
7. No se consideran los motores en reservas.
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La existencia de motores de diferentes potencias, tipos de cargas que accionan, velocidades, etc., conectados a una misma barra de potencia hace difícil emitir un criterio único de agrupamiento, se parte de la existencia de un alimentador común que permita las mediciones generales para obtener el modelo agregado ajustados a las condiciones reales, lo cual servirá para realizar una valoración sobre el uso de la energía en ese alimentador o barra. Se tomó como objeto de estudio la barra de potencia 5TP4 con tensión de 0.48 kV, la misma constituye una subestación con dos transformadores de 1000 kVA formada por seis barras secundarias a las cuales se conectan 37 motores de inducción, pertenecientes a la planta de secaderos de la empresa niquelífera Ernesto Che Guevara de Moa.Composición de motores agregados
La figura 1, se obtiene agrupando los motores de inducción por cada barra secundaria de la subestación 5TP4, donde M1 hasta M29 representan motores agregados. La nomenclatura asociada a cada motor representa la función que realiza en el proceso industrial.
Los puntos a efectuar las mediciones para formar los motores agregados se corresponden con cada barra secundaria. Ahora existen motores que corresponden a la carga que existían por barras secundarias, en lo delante agregados de primer nivel. La posibilidad de obtener motores agregados no se limitan a las barras secundarias, se puede realizar a través de las barras principales, al tener presente que siempre exista un alimentador común. Los motores agregados de segundo nivel se obtienen por unión de agregados de primer nivel según la figura 2, resultando M6 = [M4 M5], M9 = [M7 M8] y M12 = [M10 M11].
Para obtener los motores agregados de tercer nivel (1T5TP4 y 2T5TP4) se consideran los motores agregados resultantes de cada barra secundaria, resultando M28 = [M1 M6] y M29 = [M2 M3 M9 M12]. Luego el monolineal se modifica nuevamente para la subestación 5TP4 según la figura 3.
La obtención de los modelos agregados nominales por barra se realiza por la metodología que aparece en [2, 9], implementada a través del software Matlab. En primer lugar se obtienen los nueve motores agregados del primer nivel ver figura 1, en segundo lugar los agregados del segundo nivel ver figura 2, y finalmente se obtienen los agregados de tercer nivel o directo a barra ver figura 3. Los datos nominales de cada motor agregado se presentan en el anexo A, tabla A.1 y tabla A.2. Aplicando la metodología desarrollada en Romero y Perez (2008) se obtienen los parámetros nominales del circuito equivalente para cada motor agregado. Combinando las mediciones y los datos nominales en el MME se determinan las características de funcionamiento del agregado, que permite seleccionar el o los agregados al análisis individual, y obtener el comportamiento energético de los motores de inducción reales valorando las posibilidades de ahorro de energía en menor tiempo que un análisis exhaustivo de todos los motores que integran la barra. El esquema general aplicado se muestra en el anexo B.
Criterios de selección del motor agregado al análisis individual
Cuando se analiza el comportamiento energético de motores agregados el coeficiente de carga y la eficiencia se refieren a grupos de motores y tienen en cuenta la carga real de cada motor en barra. Se adiciona a la toma de decisión el factor de incidencia individual (kinc), definido como la relación entre la potencia demandada por el motor agregado individual y la demanda total de la barra de potencia eléctrica en baja tensión, ecuación (1) en %.
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donde: n es el número de motores y P1i la potencia demandada por cada motor agregado, [W].Se define el coeficiente de incidencia medio (kinc.m), como la relación entre la potencia media demandada por el conjunto de motores agregados y la demanda total de la barra (2), en %.
Los motores a seleccionar, para la investigación individual, son aquellos que sus coeficientes de incidencias sean iguales o mayores que el factor de incidencia medio del conjunto de motores agregados. La ecuación (1) garantiza que predominen los motores agregados de mayor potencia, disminuye el número a considerar y permite definir la eficiencia como parámetro de decisión. Este trabajo utiliza el método del costo del ciclo de vida para evaluar las opciones de ahorro de energía a lo largo de la vida útil del motor seleccionado [11]. Cuando se calcula el consumo de energía, las pérdidas y sus costos, el procedimiento es someter al motor seleccionado al mismo diagrama de carga que el desarrollado por el motor original en servicio [12]. Este proceso considera el estado de carga real del nuevo motor y encuentra su eficiencia operacional interpolando entre los valores de eficiencia declarada por el fabricante para éste en el 50, 75 y 100 % de estado de carga.
RESULTADOS Y DISCUSIONES
Las mediciones básicas para determinar el comportamiento de las cargas con motores de inducción en régimen estacionario lo constituyen las formas de ondas de tensiones y corrientes. A partir de la ecuación de momento electromagnético sólo se necesitan las corrientes de dos fases ia y ib, y las tensiones de líneas vab y vca [13-15]. El registro de las mediciones, atendiendo a que se necesita para estudios energéticos, se toma a un intervalo de 10 minutos durante las 24 horas; las formas de ondas toman 128 muestra por ciclo garantizando que se mantengan las propiedades de las magnitudes medidas con gran exactitud. La base de datos se elabora en formato de estructura (3) para ser interpretada por la aplicación computacional.
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donde: [DO] = matriz formas de ondas de tensiones y corrientes; [Df] = matriz frecuencia; [Dv] = matriz velocidad; [def] = celda de datos nominales de los motores agregados e individuales.
Aplicación del MME y selección del motor agregado para el análisis individual
Las características de funcionamiento de cada motor agregado del primer nivel de integración perteneciente a la barra 5TP4 obtenidas a través del MME se muestran en la tabla 1, ordenada por el coeficiente de incidencia kinc en forma ascendente.
En la tabla 1, kinc = factor de incidencia; Pn = potencia nominal del motor agregado; P1 = potencia real medida en el alimentador común de la barra; I1 = corriente por el estator; P2 = potencia de salida y η la eficiencia, para el estado de carga (kc) actual del motor agregado.
El coeficiente de incidencia medio es kinc.m = 11 % cuando se analizan los agregados del primer escalón, reduciendo el trabajo del análisis particularizado a cuatro motores (M1, M5, M8 y M11) simplificando el volumen de mediciones y cálculo a realizar. Cuando se consideran todos los motores agregados el coeficiente de incidencia medio es kinc.m = 7.14 %, ahora existen nueve motores agregados a seleccionar para la investigación individual y se observa la correspondencia siguiente: M5 pertenece a M6, M8 a M9 y M11 a M12, al mismo tiempo, todos a M28 y M29. El orden de análisis personalizado en este caso será M1, M5, M11 y M8 dado por la eficiencia y el factor de carga como criterios de definición.
Potencial de ahorro en la barra de potencia eléctrica 5TP4
Aplicando el MME se obtiene el gráfico de carga del motor agregado del primer nivel, seleccionado previamente para un análisis individual, que permite la selección de un motor de inducción por el método de la potencia equivalente. El potencial de ahorro asociado al motor agregado se obtiene por diferencia entre la energía consumida por el motor agregado en funcionamiento y el consumo de energía pronosticada para el nuevo motor de inducción seleccionado, bajo los siguientes datos para el cálculo económico:
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• Vida útil del motor 12 años
La tabla 2, muestra el resumen para la barra 5TP4 con nueve motores agregados del primer nivel de integración del pronóstico de energía consumida por el motor en funcionamiento actual y el nuevo seleccionado, por año y por día, además aparece el ahorro de energía por diferencia de consumo entre estos motores sometiendo a ambos al mismo gráfico de carga obtenido por el MME [12].
En la tabla 2, se sigue la siguiente nomenclatura: MOaño, MOdía = consumo de energía del motor original al año, y al día respectivamente [kW]; MNaño, MNdía = consumo de energía del motor seleccionado al año, y al día respectivamente [kW]; Aaño, Adía = ahorro de energía anual y al día respectivamente, [kWh].
La fila "M(1-5-8-11)" en la tabla 2, representa la suma de la energía correspondientes a los motores agregados M1, M5, M8 y M11 seleccionados previamente como los de mayores incidencias dentro de la barra 5TP4 precisando que este factor se obtiene por la demanda de potencia real y no la nominal. La fila "Total" es la suma de la energía para todos los agregados de la barra y la fila "% del total" muestra el porciento que representan los motores seleccionados dentro del total en barra, observando que constituyen el 87 % de la energía total, esto significa que se puede estimar el ahorro de energía en barra sin necesidad del análisis individual de todos los motores. ]]>
Características de funcionamiento para el motor agregado del primer nivel, M8
Se ha seleccionado el motor agregado M8 para un análisis detallado: El motor M8 corresponde al VESEC5, formado por tres motores (18; 85 y 90 kW) y uno en reserva de 90 kW. Las mediciones de cada motor de inducción individual y del agregado están almacenadas en la base de datos "M8_con_agg.mat" de Matlab, contiene información de las formas de ondas de tensiones y corrientes, de los datos nominales y de la frecuencia según la estructura en MATLAB:
DE1 =
Estructura [1x4] con cuatro campos: [Motor agregado (1) y motores de inducción (2, 3 y 4)]
DE1(3) = (el número (3) corresponde al segundo motor de inducción)
DO: (Matriz de [3072x6] de las formas de ondas de tensión y corrientes)
Df: (Matriz de [24 filas] correspondiente al resumen de frecuencia por mediciones)
Dnr: (Matriz de velocidad [ ] vacía) ]]>
DN: (Celda de [1x13] que contiene los datos nominales del motor)
La tabla 3, presenta el resumen de los resultados obtenido para el motor agregado M8, después de aplicar el MME donde se destaca un bajo coeficiente de carga kc = 0.58 en valores reales.
Las prioridades en el análisis de los motores individuales correspondiente al agregado M8 lo ofrece el coeficiente de incidencia de cada motor comparado con su valor medio. El coeficiente de incidencia medio para estos motores es kinc.m = 33.33 %, entonces se prioriza el motor de inducción MI-2 dado su menor valor de eficiencia según muestra la tabla 4, junto a otras magnitudes que caracterizan el funcionamiento del mismo.
Potencial de ahorro para el motor agregado M8
La evaluación del potencial de ahorro de energía asociado al motor M8 se obtiene de forma similar a como se realizó para la barra 5TP4 en el apartado b). La tabla 5, muestra los resultados de la energía consumida por el motor en funcionamiento y estimada para el motor seleccionado, de la energía ahorrada al año y diaria del motor agregado M8 con respecto a la suma de los motores. Se aprecia que el error (err(%)) es menor del 6% en todos los casos, justificando una vez más la efectividad del motor agregado como equivalente del grupo de motores. ]]>
Además de la influencia de la eficiencia y el factor de carga se puede considerar el período de recuperación de la inversión (PRI) en la selección de motores de inducción, en este caso el motor MI-2 presenta el menor valor con 3.36 años. Dado que la evaluación energética se hace realidad para motores de inducción y no en agregados se realiza el análisis para el motor de inducción número dos (MI-2) utilizando el MME, seleccionando el motor sustituto al cual se le aplica el mismo gráfico de carga del motor en funcionamiento para pronosticar el comportamiento y consumo de energía.Resultados de la evaluación energética para el motor de inducción MI-2
El motor MI-2 tiene potencia nominal 85 kW. Las mediciones de las formas de ondas de tensión y corriente están contenidas en la base de datos "M8_2.mat" de Matlab con la información de la estructura referida al motor de inducción MI-2. La tabla 6, presenta los resultados para el motor MI-2 después de aplicar el MME donde se destaca el bajo coeficiente de carga kc = 0.59. Junto a los datos operacionales se presentan los nominales del motor MI-2 que permite comparar los diferentes parámetros promedio reales del mismo. La potencia nominal se reduce a 55.95 kW de 85 kW el motor en funcionamiento. En la tabla 6, aparece el resumen de los resultados para la evaluación del potencial de ahorro de energía a través del motor de inducción MI-2.
La tabla 7, recoge los datos iniciales del cálculo económico y los resultados referidos al costo del ciclo de vida obtenido para el motor MI-2. También se presenta el tiempo de recuperación de la inversión de 3.36 años y un CCV diferencial de 2514.97 USD.
Las principales características que determinan el comportamiento energético del motor de inducción MI-2, se presentan desde figura 4, hasta la figura 9.
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La figura 4, muestra el comportamiento de la potencia de entrada para el motor en funcionamiento con valor promedio de 55.41 kW y el estimado para el motor seleccionado con 52.65 kW con diferencia de 2.76 kW visto en la tabla 7, como ahorro por sustitución. El momento electromagnético figura 5, también muestra la diferencia entre ambos motores (435.19 Nm vs 412.04 Nm), debido a la reducción de corriente del motor por disminución de potencia nominal.
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La figura 6, muestra el comportamiento de la eficiencia para el motor en funcionamiento con valor medio de 0.91 y el estimado para el motor seleccionado de 0.958 con diferencia de 0.048 a favor de este último. El factor de carga figura 7, también muestra la diferencia entre ambos motores (0.593 vs 0.901) debido a la reducción de la potencia nominal del motor seleccionado.La figura 8, muestra el comportamiento anual de la energía consumida en 8760 hs para el motor en funcionamiento con valor promedio de 19948.473 kWh y total 478763.35 kWh y para el motor seleccionado se estima un valor de 18954.2 kWh y total 454900.776 kWh con diferencia de 994.274 kWh y ahorro total de 23862.574 kWh representado en la figura 9, como ahorro de energía por sustitución. Diariamente la energía consumida en 24 hs para el motor en funcionamiento tiene valor promedio 55.412 kWh y total 1329.90 kWh y el pronóstico para el seleccionado de 52.651 kWh y total 1263.613 kWh para una diferencia de 2.762 kWh y ahorro total de 66.285 kWh.
Como resultado de la sustitución del motor en funcionamiento de 85 kW por otro de 55.95 kW, se reduce la corriente demandada desde la red (110.96 vs 84.29 A), disminuyen las pérdidas totales (4.98 vs 2.22 kW), mejora la eficiencia (0.91 vs 0.96) y el factor de potencia (0.64 vs 0.80) considerando que existe un nivel de incertidumbre en el pronóstico [16]. La velocidad prácticamente permanece constante por tanto el momento no tiene variación significativa.
CONCLUSIONES
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• La combinación de las mediciones en barras, los parámetros del motor agregado y el algoritmo del método del momento en el entrehierro permiten adaptar el motor agregado a las condiciones reales de operación en barras, obteniendo las características que determinan su comportamiento energético a cualquier estado de carga.
REFERENCIAS
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Recibido: Enero del 2012
Aprobado: Abril del 2012
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Ignacio Romero Rueda, Ingeniero Eléctrico, Master en Ciencia, Profesor Auxiliar, Instituto Superior Minero Metalúrgico (ISMM), Las Coloradas, Holguín, Cuba. e-mail: iromero@ismm.edu.cu, iromero66@hotmail.es
Anexo A. Datos nominales de motores agregados.
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Tabla A.1.
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Anexo B. Esquema en bloques para la evaluación energética en barra de potencia eléctrica a través del modelo de motor agregado.
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