Eficiencia en los sistemas eléctricos industriales_2011

Eficiencia en los sistemas eléctricos industriales

Camilo José Carrillo González

MITPA 2010-2011

1

2

Índice

• Energía y eficiencia• Calidad de Onda• Compensación de reactiva• La eficiencia en los motores eléctricos• La eficiencia en los sistema de iluminación• Caso práctico

3

“Take the Stairs Be More Energy Efficient”U.S. Energy Information Administration (www.eia.gov)

Energía y eficiencia

4

Consumo de energía en el mundoConsumo de energía final por sectores

(España, 2008)Consumo de

energía final por sector (%)

1973 2004

Industria 39 30Transporte 25 28

Otros 36 42

Consumo de energía final por país (%)

Comercial Residencial Total

EEUU 18 22 40Reino Unido 11 28 39

UE 11 26 37España 8 15 23Mundo 7 16 24

Consumo de energía en edificación

Fuentes:* “Guía Práctica de la Energía. Consumo Eficiente y Responsable” IDAE, rev. 2010* Luis Pérez-Lombarda, José Ortizb and Christine Poutb: “A review on buildings energy consumption information”, Energy and Buildings, Vol 40, n 3, 2008, pp. 394-398


5

Reparto de consumos en el hogar en España para un consumo medio

de 4.000 kWh/año

Energía y usos EEUU (%)

Reino Unido (%)

España (%)

Climatización 48 55 52Iluminación 22 17 33Equipamiento 13 5 10ACS 4 10 –Refrigeración 3 5 –Otros 11 9 5

Consumo de energía en edificios de oficinas

Fuentes:* “Guía Práctica de la Energía. Consumo Eficiente y Responsable” IDAE, rev. 2010* Luis Pérez-Lombarda, José Ortizb and Christine Poutb: “A review on buildings energy consumption information”, Energy and Buildings, Vol 40, n 3, 2008, pp. 394-398


6

Energía y eficiencia• Objetivos de la UE

Fuente:Promoting Energy Efficiency in EuropeIntelligent Energy, 2009

1 t diesel = 1.01 toe1 t petrol = 1.05 toe1 t biodiesel = 0.86 toe1 t bioethanol = 0.64 toe1 MWh = 0.22 toe

7

Energía y eficiencia• Intensidad final en la industria en España y UE.

8

Calidad de ondaConceptos

T = Período en s

Frecuencia en Hz: fr = 1/T

tiempo

tensión

Valor eficaz (V) o RMS

Forma de Onda v(t)

Ampl

itud

de O

nda

2

T

1RMS v t dtT

Calidad de ondaConceptos

• Perturbaciones que afectan a la amplitud de la onda

Fluctuaciones de tensión, Flicker

Huecos de tensión en interrupciones breves

• Perturbaciones que afectan a la forma de la onda

Armónicos, interarmónicos y subarmónicos

Variaciones de frecuencia

9

Calidad de ondaArmónicos

Onda distorsionada periódica

Onda Distorsionada Periódica

Característica: Distorsión periódica de la forma de onda

Origen: Consumos o generadores de comportamiento no-lineal (electrónica de potencia)

Impacto: Funcionamieno equipos, calentamiento transformadores, problemas en condensadores

10


Descomposición armónica

Onda Distorsionada Periódica

Nivel de Continua

Armónicos

Componente fundamental

Tercer armónico

COMPONENTESARMÓNICAS:

Cualquier forma de ondaperiódica no sinusoidal deuna frecuencia dada(frecuencia fundamental)se puede descomponeren ondas sinusoidalescuya frecuencia esmúltiplo de la frecuenciafundamental más unacomponente continua.o COMPONENTE FUNDAMENTAL:

Componente de la misma frecuencia que laforma de onda original.o ARMÓNICO DE ORDEN hComponente de frecuencia h veces lafundamental.o COMPONENTE CONTINUAoValor medio de la forma de onda periódica. 11


0h 1 h 1 0 h 1 h

h 1 h 1

ai t a cos h t b sen h t I 2 I cos h t

2

Ecuaciones del análisis armónico

Serie de Fourier

Coeficientes

Valores eficaces componentes

0 h 1 h 1T T T

2 2 2a i t dt ; a i t cos h t dt ; b i t sen h t dtT T T

1 1

h h 1

2 fr2 fr h 2 fr

Frec. fundamental:

Frec. armónicas:

2 2

1h hh h h h

a bI ; tan b a2

2

hh 1

I I

12


Propiedades serie Fourier

13


La simetría de media onda es la más habitual en los sistemas eléctricos.

Propiedades serie Fourier

14


Ecuaciones sistemas trifásicos equilibrados

R h 1 hh 1

2S h 1 h 3

h 1

2T h 1 h 3

h 1

i t 2 I cos h t

i t 2 I cos h t h

i t 2 I cos h t h

0 1 2 3 4 5 6 7 ...0 + - 0 + - 0 + ...

ORDEN DEL ARMÓNICO

SECUENCIA

• La componente fundamental se considera de secuencia directa «+»• Por el conductor de neutro circulan las corrientes homopolares «o» (h = 3·k)• La componentes de secuencia inversa provocan calentamiento en motores «-» (h = 3·k-1)

15

«-»«+»


Armónicos homopolares

1Nh Rh Sh Th 3k 1 3k3 i t i t i t i t 2 I cos 3k t ; h 3k

16


17

0

50

100

150

200

250

300

350

400

Inte

nsid

ad (A

)

I1 fund.I2 fund.I3 fund.I1 3º Arm.I2 3º Arm.I3 3º Arm.IN

EJEMPLO: MEDIDAS A LA SALIDA DE UN SAI EN UNA INSTALACIÓN INDUSTRIALI1 (A) I2 (A) I3 (A) IN (A)

Promedio 337,42 304,78 311,06 342,28Máximo 340,73 309,19 314,97 344,70Mínimo 325,10 295,27 300,26 334,46

I1 fund. (A)

I2 fund. (A)

I3 fund. (A)

I1 3º Arm. (A)

I2 3º Arm. (A)

I3 3º Arm. (A)

IN (A)

Promedio 298,01 269,61 274,90 139,78 124,78 126,05 342,34Máximo 301,11 274,40 278,91 140,86 125,83 126,76 344,70Mínimo 283,79 258,67 262,58 136,60 121,63 123,29 334,46

VALORES EFICACES

ARMÓNICOS


Espectro armónico

0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02-1

-0.5

0

0.5

1

tiempo en s

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 250

0.2

0.4

0.6

0.8

1

orden del armónico

RM

S a

rmón

ico

0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02-1

-0.5

0

0.5

1

tiempo en s

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 250

0.2

0.4

0.6

0.8

1

orden del armónico

RM

S a

rmón

ico

Forma de ondaOnda

Cuadrada

18

19

El nivel de distorsión de una forma de onda se valora con la denomina TasaTotal de Distorsión Armónica o THD, que se define como:

Para la tensión: Para la intensidad:

Donde Uh e Ih representan los armónicos de tensión e intensidad de orden h, olo que es lo mismo aquellos cuya frecuencia es hx50Hz.

Calidad de onda

n2h

h 1

1

UTHD_U

U

n2h

h 1

1

ITHD_ I

I

• En REDES INDUSTRIALES las tensiones e intensidades tienen una frecuenciade 50 Hz. Esto quiere decir que la componente fundamental es de 50 Hz y losarmónicos tienen una frecuencia múltiplo de este valor.

• Los armónicos habituales en la redes industriales son los impares,especialmente los armónicos 3º (150 Hz), el 5º (250 Hz) y el 7º (350 Hz).

Armónicos

Factor de cresta

Para ondas sinusoidales su valor es:

pico

RMS

UFC

U

2 1,4142

Utilizado en los polímetros

convencionales

20


Comportamiento elementos ante armónicos > Impedancia armónica

• Resistencia:

• Inductancia:

• Condensador:

21

Calidad de onda

h

h 1 1

h 1 1

R RX hX h LX X h 1 h C

Armónicos

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 10000

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

frecuencia en Hz

impe

danc

ia e

n O

hm

R=0.2 OhmL=0.00015 HC=0.002 F

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 10000

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

frecuencia en Hz

impe

danc

ia e

n O

hm

R=0.2 OhmL=0.00015 HC=0.002 F

2 2h h h h hU I Z I R X

Ley de Ohm

22

Medidas en un condensador

Urms = 232,8 VIrms = 2.13 A

THD-V = 2,6%(<5%)

THD-I > 17,5%

0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05-400

-200

0

200

400

tens

ión

en V

0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05-4

-2

0

2

4

corri

ente

en

A

tiempo en s

0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05-400

-200

0

200

400

tens

ión

en V

0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05-4

-2

0

2

4

corri

ente

en

A

tiempo en s


23

Medidas en un condensador

«sumidero armónicos»

Urms = 232,8 VIrms = 2.13 A

THD-V = 2,6%(<5%)

THD-I > 17,5%


0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 10000

0.5

1

1.5

2

2.5

3

frecuencia en Hz

arm

ónic

o en

%

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 10000

5

10

15

20

frecuencia en Hz

corri

ente

en

%

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 10000

0.5

1

1.5

2

2.5

3

frecuencia en Hz

arm

ónic

o en

%

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 10000

5

10

15

20

frecuencia en Hz

corri

ente

en

%

Compensación de reactiva

1 1 11

1cos ; cos

h h h Th

P U I u t i t dt P U IT

Potencia en una carga

Factor de potencia:0 1

PFPS

Potencia aparente:2 2

1 1

h hh h

S UI U I

Cos φ: : cos: cos

Sistemas lineales FPSistemas no lineales FP

Potencia reactiva:2 2

1 1 1; Q S P Q U I sen

Potencia generada por un condensador:

21 12 Q frCU

• C: capacidad del condensador (F)• fr: frecuencia de red (Hz)• U: valor eficaz tensión (V)

Armónicos

24

25

Calidad de ondaLímites

Frecuencia Redes con conexión síncrona: 50 Hz±1% (10s, 99,5% año); 50 Hz+4%-6% (10s, 100% tiempo) Redes sin conexión síncrona: 50 Hz±2% (10s, 95% semana); 50 Hz±15% (10s, 100% tiempo)

Amplitud Tensión nominal, Un: - 230 V entre fase y neutro (sistema a 4 hilos) - 400 V entre fases (sistema a 3 hilos)

Variaciones de tensión

Un±7% (10 min, 95% semana); Un+10%-15% (10 min, 100% tiempo)

Variaciones rápidas de tensión

5% Un (MT: 4%) 10% Un esporádicamente (MT: 6%) Parpadeo (flicker): Severidad de larga duración, Plt≤1 (2 h, 95% semana)

Huecos de tensión

En un año, desde algunas decenas a un millar, con duración menor de 1 s y profundidad inferior al 60% Uc. Hueco cuando la tensión de alimentación está entre el 90% y el 1% de Uc, entre 10 ms y 1 minuto. BT: 10 – 50%, MT: 10 – 50%

Interrupciones breves

En un año, desde algunas decenas a varias centenas, con duración menor de 1 s en el 70% de los casos. Interrupciones breves cuando la tensión es inferior al 1% de Uc durante menos de 3 min.

Interrupciones largas

En un año, desde 10 a 50, según las regiones. Interrupciones breves cuando la tensión es inferior al 1% de Uc durante más de 3 min

Sobretensiones temporales

1,5 kV. MT:1,7 Uc (directamente a tierra o a través de una impedancia)

2,0 Uc (sin toma de tierra o tierra compensada)

Desequilibrio U-/U+ ≤ 2% (10 min, 95% semana) En caso de líneas parcialmente monofásicas o bifásicas puede llegar al 3%.

Armónicos THD ≤ 8% (10 min, 95% semana) Nota- calculado hasta el armónicos 40. Interarmónicos Por DEFINIR

26

EFECTOS SOBRE CLIENTES INDUSTRIALES (MT) CARACTERÍSTICA UNE EN 50160

GRAVEDAD PROBABILIDAD

Frecuencia MEDIA MUY BAJA

Variaciones de tensión MEDIA MEDIA

Amplitud BAJA BAJA Variaciones rápidas

Parpadeo o flicker MUY BAJA BAJA

Huecos de tensión MEDIA MUY ALTA

Interrupciones breves ALTA ALTA

Interrupciones largas MUY ALTA MEDIA

Sobretensiones temporales entre fases y tierra (a frecuencia industrial) ALTA MUY BAJA

Sobretensiones transitorias entre fases y tierra MEDIA MEDIA

Desequilibrio de la tensión BAJA MUY BAJA

Tensiones armónicas MEDIA BAJA

Tensiones interarmónicas MEDIA MUY BAJA

Transmisión de señales de información por la red BAJA MUY BAJA

Calidad de ondaLímites

27

Potencia reactiva:• Relacionada con la creación de campos magnéticos (p.ej. motores eléctricos y transformadores).• Relacionada con la creación de campos eléctricos (p.ej. Condensadores).• Relacionada con distorsiones en la forma de onda de la tensión y/o intensidad (equipos electrónicos).• Circulación de potencia “NO” relacionada con la generación de trabajo útil.• Las cargas que llevan asociada la creación de un campo magnético (cargas inductivas) se dice que

“consumen” potencia reactiva (ej. Motores, lámparas fluorescentes,…).• Las cargas que llevan asociada la creación de un campo eléctrico (cargas capacitivas) se dice que

“generan” reactiva (ej. condensadores).

2 2 Q S PVAr


28


Factor de potencia:• Está entre 0 y 1.• Indicador de eficiencia en el

consumo. FP=1 Q=0• Generalmente se habla de cos φ

y de FP indistintamente. Sólo coinciden en sistemas lineales (formas de onda sinusoidales).

0 1 PFPS

29


APLICACIÓN• Alcanzar un cos φ determinado (mejorar el FP).

VENTAJAS• Aumento de la capacidad de transporte.• Reducción de la pérdidas por efecto Joule (I2R).• Ahorro en facturación (complemento de reactiva). Penalizaciones en la factura eléctrica, con

recargos de hasta el 47% y bonificaciones del 4%.

Carga P, Q P,Q´ Q

0

QC

Q’

QC

u(t) i(t)

30


R2R1

Motor

Carga resistiva

Siturar aquí para evitar penalizaciones por consumo de

reactiva (transformador propiedad de la distribuidora)

ó

Para reducir las pérdidas en el transformador o para reducir su

factor de carga

Situar aquí para reducir pérdidas en las líneas y

mejorar la tensión

Siturar aquí para evitar penalizaciones por reactiva de

la distribuidora

UBICACIÓN DE LA COMPENSACIÓN

Fuente: Power Quality and Energy Saving Solutions – What is Real? EATON CORP. 2008

31


500 kW PF=.88

500 kW PF=1

90m, 500mm2 Cable

12.47/0.48

%R=13,2 km, 170mm2

línea aerea12.47 kV

4.73 kW 0.44%

5.1 kW 0.47%

71.2 kW 6.65%PÉRDIDAS:

TOTAL PÉRDIDAS: 81 kW / 8.1%

1076 kW



32


500 kW PF=.88

500 kW PF=1

12.47/0.48

%R=112.47 kV

4.03 kW 0.38%

4.32 kW 0.40%

60.6 kW 6.23%PÉRDIDAS:

TORAL PÉRDIDAS: 68.9 kW / 6.89%

AHORROS ENERGÍA: 76 kW - 65 kW = 11 kW

250 kVAr

Se ahorran un 15% en pérdidas, aunque la energía neta consumida sólo se reduce en 11 kW o 1.1% de carga.

1065 kW

90m, 500mm2 Cable

3,2 km, 170mm2 línea aerea



33


INCONVENIENTES• La potencia reactiva generada depende de la tensión.

No adaptativo.• Son elementos sensibles armónicos• Resonancias• Su envejecimiento afecta la potencia reactiva que son

capaces de generar• Influyen en la estabilidad de la red

FP P S

2 2 Q S P

3 cos P UI

3S UI

22 Q fr C U

34


EJEMPLO COMPENSACIÓN REACTIVAReducción de la pérdidas por efecto Joule.

En un transformador con una potencia de 1.000 kVA cuando alimenta a una carga con un cos ϕ igual 0,7 ind, Si la carga se compensase para que su cos ϕ sea igual 0,95 ind. las pérdidas en el cobre disminuyen en torno a un 50%.

Trafo 1000 kVARcc 1%

Potencia 650 kWPérdidas nom. 10 kW

Pérdidas 1 8,6 kWCos fi 1 0,70 pu

Factor Carga 93%Pérdidas 2 4,7 kW

Cos fi 2 0,95 puFactor Carga 68%

P2/P1 54,29%Horas Año 6144 horas

Precio 90 €/MWhCoste 1 4.768 €Coste 2 2.589 €

35


EJEMPLO COMPENSACIÓN REACTIVACompensación de reactiva de un consumo.

Datos:• Potencia transformador : 400 KVA• Índice de carga : 90%• Cos ϕ inicial : 0,67 ind.• Cos ϕ objetivo : 0,98 ind.Reactiva necesaria:

BC inicial objetivoQ P tan tan 218,3kVAr

36


x 1

x 4

215 kVAr

OPCIÓN 1: TENSIÓN NOMINAL CONDENDADORES 400 V

37


x 3

x 4

2 2nom

BC,nom BC 2 2

U 440Q Q 218,3kVAr 264,11kVArU 400

262,5 kVAr

OPCIÓN 2: TENSIÓN NOMINAL CONDENDADORES 440 V

38


EJEMPLO COMPENSACIÓN REACTIVACompensación de reactiva de un consumo.

Datos:• Potencia transformador : 400 KVA• Índice de carga : 90%• Cos ϕ inicial : 0,75 ind.• Cos ϕ objetivo : 0,98 ind.Reactiva necesaria: QBC = 217 kVAr• OPCIÓN 1: Un = 400V; QBC,nom = 215,0 kVAr• OPCIÓN 2: Un = 440V; QBC,nom = 262,5 kVArResultados:• Reducción intensidad: 32% (Iinicial = 0,52 kA Ifinal = 0,36 kA)• Reducción pérdidas Joule: 53%• Índice de carga final: 61%

39


Armónicos Tensión (V) Int. Línea (A)1 229,09 284,233 13,86 130,145 2,04 64,397 1,58 23,799 1,02 8,30

11 0,75 10,80

0

50

100

150

200

250

300

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Armónicos

V - A

Tensión (V)Int. Línea (A)

THD_U = 6,24%

THD_I = 52,27%

Armónicos y compensación de reactiva

40

h h n n p ph n p

h h h n n n q qh n q

v(t) 2V sen(h t ) 2V sen(n t ) 2V sen(p t )

i(t) 2I sen(h t ) 2I sen(n t ) 2I sen(q t )

h h hTh

1P u t u t dt V I cosT

n n n

n1

rms rms

V I cos( )PFP cos( )S V I

n n nn

red opt 2h

h

nV I senC

hV

max 2

min 2 2opt h

h

P PFPS

S C hV

Compensación de reactivaArmónicos y compensación de reactiva

41

0,94 0,95 0,96 0,97 0,98 0,99

1

0 5 10 15 20 25 30

THD_I (%)

FP

30º20º 10º5º

φ1

h

h rms 1

TV 0 h>1

h h h 1 1 1h0V 0 h>1 V V

rms rms 1 rms

12

Condición inicial sin condensador:1P p(t) V I cos( ) V I cos( )T

S V I V Icos( )FP

1 THD I

1

max 2 2min

1

cosPFPS cos THD I


42


1

2

cos( )FP1 THD I

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0% 20% 40% 60% 80% 100% 120%

THD-I

FP

cos f i = 1cos f i = 0,9cos f i = 0,8cos f i = 0,7cos f i = 0,6

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0% 20% 40% 60% 80% 100% 120%

THD-I

FP

cos f i = 1cos f i = 0,9cos f i = 0,8cos f i = 0,7cos f i = 0,6

Efecto de la presencia de armónicos en el FP

Aplicable para THD-U <5% y THD-I > 40% (IEEE 1459-2009)


43


1

max 2 2min

1

cosPFPS cos THD I

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0% 20% 40% 60% 80% 100% 120%

THD-I

FP m

ax

cos fi = 1cos fi = 0,9cos fi = 0,8cos fi = 0,7cos fi = 0,6

FP máx alcanzable sólo con condensadores ante la presencia de armónicos de intensidad


44


45

e(t)

Leq

C i(t)

• Tensión de red sin armónicos: e(t) sinusoidal• Carga no lineal: fuente de corriente i(t)• Equivalente de la red: Leq• Batería de condensadores: C

2N

eqCC red

ULS

2

red

QCE

eq red eq

c red

Z L

Z 1 C

eqh eq

Ch C

Z hZZ Z h

• Evolución de la impedancia con la frecuencia

Zeq

Zc

h·Zeq

Zc/h

1 1I E 0

h hI h hV

1 1V CCres red

eq

S1fr frQ2 L C

¿frres coincide con alguna frecuencia armónica?

Compensación de reactivaArmónicos y resonancia

46

0 500 1000 1500 frecuencia en Hz

impe

danc

ia 300 Hz

400 Hz

350 Hz

Condensadores = sumideros de corrientes armónicas


47

s0 AHfr 1 2 CL

Frec. resonancia < armónico relevante

A frecuencias bajas: Comportamiento capacitivoA frecuencia altas: Comportamiento inductivo

R R

L

C CY

L

Compensación de reactivaFiltrado de armónicos

48

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000frecuencia

Mód

ulo

de la

Adm

itanc

ia Y(f) para (Lcc + Lt) =1mH e fp0=230Hz

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000frecuencia

Mód

ulo

de la

Adm

itanc

ia

Y(f) para (Lcc + Lt) =1mH e f'p0=180Hz fs0=215Hz


49

s0fr 1 2 CL

Fres. resonancia = armónico relevante

Filtro Sintonizado. Cortocircuito a la frecuencia de resonancia

I

U

<==>

IU

R R

L

C CY

L

I

U

<==>

IU

R R

L

C CY

L

RL

r

C

Filtro Damped. Baja impedancia en un rango de frecuencia


50

Carga NO LINEAL Modelo Fuente

Intensidad Armónica

Modelo de Red Fuente tensión con armónicos

Filtro Activo Serie (FAS)

Filtro Activo Paralelo (FAP)

Filtro activo


51

Distorsión en la intensidad demandada

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

0 0,01 0,02

t(sg)

Volti

os (A

mpe

rios)

Componentes armónicas de la Intensidad

0

20

40

60

80

100

120

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

k=f/50

Am

peri

os

2 2 2rms 1 2 n

1

I I I ..... I 103,96AI 100ATHD_ I(%) 28,43

1 1

1 1

rms

1

30º cos 0,866P 3UI cos 57,16kWS 3UI 68,6kVA

PFP 0,833 cosS

max soloCFP 0,95

Circuito sin compensar


52

Circuito con filtros

Filtrado de 5º y 7º armónico

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

0 0,01 0,02

t(sg)

Volti

os (A

mpe

rios)

Componentes armónicas de la Intensidad (filtro)

0

2 0

4 0

6 0

8 0

1 0 0

1 2 0

1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9

k = f / 5 0

rmsI 101ATHD_ I(%) 14,29

1 1

1 1

rms

30º cos 0,866P 3UI cos 57,157kWS 3UI 66,67kVA

PFP 0,857S

max soloCFP 0,967


53

Circuito con compensación

Compensación de reactiva sin filtrado

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

0 0,01 0,02

t(sg)

Volti

os (A

mpe

rios)

Componentes armónicas de la Intensidadcompensación

0

20

40

60

80

100

120

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19k=f/50

Am

peri

os

rms

1

I 91,14AI 86,6ATHD_ I(%) 32,83

1 1

1 1

0º cos 1P 3UI cos 57,157kW

8

FP

rmsS 3UI 60,15 kVAP 0,95 1S


54

Circuito con compensación y filtrado

rms

1

I 87,77AI 86,6ATHD_ I(%) 16,49

1 1

1 1

rms

0º cos 1P 3UI cos 57,157kWS 3UI 57,93kVA

PFP 0,987S


Filtrado de 5º y 7º armónico y compensación

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

0 0,01 0,02

t(sg)

Volti

os (A

mpe

rios)

Componentes armónicas de la Intensidadfiltro + compensación

0

20

40

60

80

100

120

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19k=f/50

Am

peri

os

55

Circuito con compensación y filtrado ideal

rms

1

I 86,6AI 86,6ATHD_ I(%) 0

1 1

1 1

rms

0º cos 1P 3UI cos 57,157kWS 3UI 57,157kVA

PFP 1S

Caso cos PFPS

Inicial 0,866 0,833 Inicial + filtro 5º +filtro 7º armónicos 0,866 0,857

Inicial + compensación óptima 1 0,95 Inicial + filtro 5º +filtro 7º armónicos +compensación óptima 1 0,987

Inicial + filtro activo ideal+ compensación óptima 1 1


56

Reactiva nominal (QN) 12,5 kVArTensión nominal (UN) 400 V

tiempo de descarga (t) 60 sTensión residual Ur (%) 10,00%

Tensión residual Ur 40 VFactor k 1

Frecuencia de red 50 HzReactancia del condensador Xc 38,400 OhmsAdmitancia del condensador Yc 0,0260 S

Capacidad C 82,89 μFResistencia de descarga mínima 0,273 MΩ

Pérdidas por fase Pr 0,20 W

Descarga de condensadores

Dispositivos de descarga:• Resistencias fijas a bornes del condensador:

seguro, lento y con pérdidas.• Resistencias de descarga rápidas, no

seguridad• Inductancias fijas a bornes del condensador,

rápido, seguro y con pérdidas mínimas.

En la norma UNE-EN 60381-1:• Uresidual < 75 V• Uresidual < 10% UN• En t = 180 s

N

R

tRU 2k C lnU


57

0

100

200

300

400

500

600

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

tiempo en s

tens

ión

en V

Reactiva nominal (QN) 12,5 kVArTensión nominal (UN) 400 V

tiempo de descarga (t) 60 sTensión residual Ur (%) 10,00%

Tensión residual Ur 40 VFactor k 1

Frecuencia de red 50 HzReactancia del condensador Xc 38,400 OhmsAdmitancia del condensador Yc 0,0260 S

Capacidad C 82,89 μFResistencia de descarga mínima 0,273 MΩ

Pérdidas por fase Pr 0,20 W

Descarga de condensadores

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

110

120

130

140

150

tiempo en s

R e

n M

Ohm

s

0

1

2

3

4

5

6

7

8

Pote

ncia

en

WRPr

t máx > 65ºC


58

Dispositivos de maniobra – Resistencias de preinserción

Dispositivos de maniobra:• Contactores con resistencia (o bobinas) de

preinserción • Interruptores sincronizados• Interruptores estáticos

L1

L2

L3

A1 A2

2 1

4 3

6 5

22 21

52 51

Resistencias de preinserción

Resistencias de descarga rápida

Resistencias de descarga fijas

1...6 Contactos principales 21...52 Contactos auxliares


59

Dispositivos de maniobra – Interruptores sincronizados

Características:• Interruptores con tiempo estable de maniobra (±2 ms)• Orden de disparo – Retardo – Cierre interruptores en paso por cero• Decalado de polos• Aislamiento dielectrico elevado durante cierre• Nivel de tensión > 15 kV

Orden de cierre del interruptor

Detección del cruce por cero

Retardo Tiempo de cierre de los polos A y B del interruptor

Tiempo de cierre del polo C del interruptor

Disparo del interruptor


60

Dispositivos de maniobra – Interruptores estáticos

Características:• Actuación instantánea• Mínima corriente de conexión:

• Elevadas pérdidas• Inductancia de conexión para evitar di/dt elevadas.• La protección con fusibles extrarrápidos

i(t)

e(t)

TR1

TR2

C

uC(t)

Interruptor de estado sólido

L

uL(t)

p NI 2 2I

Reactiva Nominal (MVAr)

Intensidad Nominal IN

(A)

Intensidad Conexión Ip

(A)

Int. con Int.

Estático I’p (A)

p

N

I2I

p

N

I2I

Capacidad

(F) Frec.

Oscilación (Hz)

Frec. Oscilación / Frec. Red

5 41,2 743,9 116,6 1276% 3,25E-06 637,8 12,8 10 82,5 1052,1 233,3 902% 6,50E-06 451,0 9,0 15 123,7 1288,5 349,9 736% 9,74E-06 368,2 7,4 20 165,0 1487,9 466,6 638% 1,30E-05 318,9 6,4 25 206,2 1663,5 583,2 570% 1,62E-05 285,2 5,7 30 247,4 1822,3 699,9 521%

200%

1,95E-05 260,4 5,2 Potencia de cortocircuito: 813 MVA; Tensión: 70 kV


61

La eficiencia en los motores eléctricos• El motor eléctrico en la industria En la UE la industria cerca del 65% de la energía eléctrica se "consume"en motores eléctricos (2006-2008). Se estima un ahorro potencial del 29%en las aplicaciones con motores (un 7% sobre total de la energía consumidaen la UE). El 60% del consumo está en: Aire comprimido, bombeo y ventilación. El 70% de las aplicaciones utilizan motores trifásicos de inducción tipojaula de ardilla. Un motor eléctrico consume en su funcionamiento unas cien veces másde lo que costó su compra. La mayor parte de los motores trabajan entre el 50 y 80% de sucapacidad nominal. La eficiencia de una instalación con motor eléctrico depende de variosfactores:

• la propia eficiencia del motor• el control de velocidad del motor• el dimensionado del motor• la calidad de suministro de energía (armónicos,…)• la transmisión mecánica• las prácticas de mantenimiento del uso final (bomba, ventilador,compresor, etc.)

Fuente: Energy Efficient Motor Driven Systems – EU Motor Challenge (2004)

62

País

Energía consumida

por motores eléctricos en la industria

Canadá 80%EEUU 75%India 70%UE 65%

China 60%Reino Unido 50%

Brasil 42%

Fuente: R. Saidur, T.M.I. Mahlia; “Energy, economic and environmental benefits of using high-efficiency motors to replace standard motors for the Malaysian industries”, Energy Policy 38(2010) 4617–4625

La eficiencia en los motores eléctricos• El motor eléctrico en la industria

63

Energía debida al uso de motores

eléctricos (%)

Ahorros potenciales

(%)

Residencial

Refrigeración 3,0 10Calefacción 2,1 20Aire Acondicionado 3,4 15Climatización distribuida 1,8 25Otros 1,6 5

TOTAL 11,9 15

Comercial

Refrigeración 2,2 10Compresores Climatización 3,3 15

Distribución Climatización 4,2 25

Otros 0,7 20TOTAL 10,4 18

Industrial

Refrigeración 1,5 10Bombas 5,7 20Ventilación 3,2 20Aire comprimido 3,6 15Transporte de material 2,8 15Procesado de material 5,2 15Otros 1,0 0

TOTAL 23,1 16

Empresas de servicio público

Bombas y ventiladores 4,9 15Procesado y transporte de material 2,2 15

TOTAL 7,1 19

Energía consumida en motores (% sobre el consumo de EEUU) y ahorros potenciales de la implantación de VVEnergía consumida en motores (% sobre el consumo de EEUU) y ahorros potenciales de la implantación de VV

Fuente:Frank Kreith, D. Yogi Goswami: “Handbook of Energy Efficiency and Renewable Energy” . CRC Press, 2007

AHORRO DE ENERGÍA

Adecuación del régimen de giro a la demanda de energía mecánica de la

aplicación

Variador de velocidad

La eficiencia en los motores eléctricos• El motor eléctricoen la industria

64


Fuente: Energy Efficient Motor Driven Systems – EU Motor Challenge (2004)

65


Fuente: Motors and drives– Carbon Trust (2007)

66

La eficiencia en los motores eléctricos• El motor asíncrono

– Se caracterizan por su velocidad de giro es casiproporcional a la frecuencia de la tensión en el estator.

– El rotor está formado por barras axiales cortocircuitadas ensus extremos con forma de jaula de ardilla.

– El campo creado por el estator origina el campo del rotorantagonista al que lo crea. Se origina el par.

– La magnetización del rotor implica un consumo depotencia reactiva, tanto actuando como motor y comogenerador.

Asíncrona

Motor OPEL Zafira FC (60kW/12.000 rpm)

R

R’ S

S’

T T’

67


– Deslizamiento (s):

Donde ns es la velocidad síncrona y n la velocidad de giro.ns = 3000 rpm / nº pares de polos (para 50 Hz).• Velocidad síncrona: 1000, 1500 y 3000 rpm• Deslizamiento: 3-8% (aerogeneradores < 1%)

– Modelo equivalente (estacionario):

s

s

n ns

n

c 21 sR R

s

68

La eficiencia en los motores eléctricos• El motor asíncrono Estable

Arranque

NominalCURVA PAR-VELOCIDAD

El rendimiento de un motor y elfactor de potencia disminuyencuando el motor trabaja cargadopor debajo del 50% de supotencia nominal.

69


0 0.05 0.1 0.15 0.20

1

2

3

Deslizamiento (pu)

pote

ncia

electricamecánicapérdidas

0 0.05 0.1 0.15 0.20

0.5

1

1.5

Deslizamiento (pu)

pote

ncia

reac

tiva

& F

P

QFP

0 0.05 0.1 0.15 0.20.5

0.6

0.7

0.8

0.9

Deslizamiento (pu)

rend

imie

nto

(pu)

0 0.5 1 1.50

0.5

1

potencia eléctrica

FP &

rend

FPrend

Bajo rend.

Bajo FP

70


Fuente: IEC/TS 60034-31 Ed 1.0

Rendimiento Factor de potencia

71

La eficiencia en los motores eléctricos• El motor asíncrono: sobredimensionamiento

Comparación de motores de 50 y 20 kW

Especificación Motor50 kW

Motor 20 kW

Reducción(mejoría)

Rendimiento (%) 60% 87% 26%Potencia solicitada (kW) 21,7 17,2 4,5

Perdidas (kW) 6,7 2,2 4,5Factor de potencia 0,49 0,84 63%

Corriente solicitada (A) 116 54 53%Perdidas en la alimentación (*) 40 x 103 R 8,7 x 103 R 78%

(*) Multiplicar por la resistencia de los conductores.

72

La eficiencia en los motores eléctricos• El motor asíncrono: motores de alta eficiencia

• La eficiencia de los motores depende de las perdidas: Perdidas en el Cu. Perdidas en el Fe o vacío Perdidas de Mecánicas en los rodamientos o ventilador. Perdidas por dispersión del flujo magnético.

• Utilización de mayor cantidadde cobre en el rotor y elestator.

Perdidas I²R• El núcleo esta construido con

laminados mas delgados y demayor permeabilidad.

Perdidas Fe

73


• Pérdidas por ventilaciónreducidas debidas a undiseño térmico y flujo deenfriamiento mejorados.

• Mejor control de calidad ymaquinado, lo que reducelas tolerancias y elentrehierro.

Fuente: IEC/TS 60034-31 Ed 1.0

74


• La normativa de referencia para la clasificación de motores es la IEC 60034-30:2008 publicada por el IEC (Comité Internacional Electrotécnico) que definetres niveles de eficiencia para motores de inducción de jaula de ardilla develocidad única: IE1, IE2 e IE3 (de menor a mayor eficiencia). Su objetivo esarmonizar los diferentes requerimientos internacionales para motores eléctricos.• Además, la IEC 60034-30 también introduce el nivel IE4 / Super PremiumEfficiency, un futuro nivel por encima de IE3.• IEC establece la norma IEC 60034-2-1 para la determinación de las perdidas yde la eficiencia energética de las máquinas eléctricas rotativas.

75


87%

88%

89%

90%

91%

92%

93%

94%

95%

96%

97%

0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00

22kW IE122kW IE222kW IE387%

88%89%90%91%92%93%94%95%96%97%

0,30 0,50 0,70 0,90

Rend

imiento

Factor de carga

55kW IE155kW IE255kW IE3

Fuente: UNE-EN 60034-30 (2010)

76


Fuente: UNE-EN 60034-30 (2010)

77


78

La eficiencia en los motores eléctricos• El motor asíncrono: variadores de velocidad

Variación de tensión

79


Variación de tensión/frecuencia MA

Enlace CC

RectificadorInversor

RED

Motor Asíncrono

Variador de frecuencia

80


AHORRO DE ENERGIAReducción controlada de la

Potencia del Motor

Ahorro promedio de energia mediante el uso de VSD

Inversor de Frecuencia

Bombas Centrífugas 20 a 50% Bombas Alternativas 10 a 30% Ventiladores / Extractores 20 a 50% Cintas Transportadoras 10 a 30%

81


Las mayores oportunidades de ahorro se centran en aplicaciones dondeel motor opera en un ciclo con diferentes cargas, las cuales presentanfactores de carga muy pequeños.

82

0

10

20

30

40

50

60

0 50 100 150 200 250 300

Caudal (m3/h)

Pote

ncia

(kW

)

PPmed

La eficiencia en los motores eléctricos• Bombeo con estrangulación: estimación ahorros

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 50 100 150 200 250

Caudal (m3/h)Pr

esió

n (m

)

H (med)H est (m)H valH sysH tot

Marca WEGTensión (V) 400

Rev (rpm) 2965Corriente (A) 53,1

Cos fi 0,89Pot.(kW) 30

MOTOR

APERTURA 45Presión (bar) 7,5

Presion (m) 76,45

Potencia (kW) 34,8Rendimiento 45,00%

Q (m3/h) 75,168

CON VARIADORPresión (m) 65,15

Potencia (kW) 22,36

Pot. VV / Pot. Val. 64,2%Red. Potencia 35,8%

Ahorro energía 26,39%Horas año 6048

83

La eficiencia en los motores eléctricos• Aire comprimido

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0% 20% 40% 60% 80% 100%

Carga

Pote

ncia

Pot. Con VV

Pot. OL/OL

Fuente: ATLAS COPCO

84

MSIPMSIP CCCAMSIP CCCA

– Ventajas:• Eficiencia elevada (> 95%)• Alta densidad de energía (imanes de tierras

raras)• Control sencillo• Refrigeración sencilla (no circulan corrientes

por el rotor)• Bajo mantenimiento, al no haber

escobillas,...

– Desventajas:• Precio, los imanes son la parte más cara• Velocidad máxima limitada (fallo por

sobretensiones)• Desmagnetización

Motores Síncronos de Imanes Permanentes

La eficiencia en los motores eléctricos

85

La eficiencia en los sistema de iluminación• Datos sobre el consumo de energía en elalumbrado

– El 19% del total de la energía mundial consumida se debe alalumbrado.

– El 70% de la energía consumida en un Ayuntamiento se debeal alumbrado público.

– El 20% del total de la energía eléctrica consumida en el hogarse debe al alumbrado.

Sector % de energía eléctrica dedicada a la iluminación

Oficinas 50 %Hospitales 20-30 %Industria 15 %Colegios 10-15 %

Comercios 15-70 %Hoteles 25-50 %

Residencial 10-15 %

86

Energía eléctrica

Energía lumínica

incandescencia

fluorescencia

descarga

estado sólido

plasma/inducción

La eficiencia en los sistema de iluminación

87

Lámpara fluorescenteRadiación luminosa29 %(lm)

Radiación invisible 1 %

Potencia Eléctrica Consumida

100 %(W)

Calor70 %

Eficacia luminosaRadiación luminosaPotencia eléctrica

lumen (lm)vatio (W)


88Fuente: Energylab 2009

Incandescente Descarga Estado sólido o Desarrollo tecnológico ensistemas de iluminaciónconvencionales: halógenas deúltima generación yhalogenuros.

o Fuerte desarrollo tecnológico enLED’s y OLED’s.

o Incremento en la eficiencia enlos sistemas auxiliares: fuentesde alimentación y balastoselectrónicos.


89


• Elementos de un sistema de iluminación Equipos Auxiliares

PérdidasECC = 20% Plamp (W)Equipo de conexión convencional

(Electromagnético) Pérdidas ECE = 1% P lamp(W)

Balasto Condensador Arrancador

Equipo de conexión electrónico

90


• Normativa RD1890/2008

o REAL DECRETO 1890/2008, de 14 de noviembre (BOE 19 de noviembre). Actuación legislativa: Reglamento de Eficiencia Energética en instalaciones de alumbrado exterior. REAL DECRETO 1890/2008, de 14 de noviembre.

o Se aprueba el Reglamento de eficiencia energética en instalaciones de alumbrado exterior y sus 7 instrucciones técnicas complementarias:

ITC – EA – 01: EFICIENCIA ENERGÉTICA

ITC – EA – 02: NIVELES DE ILUMINACIÓN

ITC – EA – 03: RESPLANDOR LUMINOSO NOCTURNO Y LUZ INTRUSAO MOLESTA

ITC – EA – 04: COMPONENTES DE LAS INSTALACIONES

ITC – EA – 05: DOCUMENTACIÓN TÉCNICA, VERIFICACIÓN E INSPECCIONES

ITC – EA – 06: MANTENIMIENTO DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA DE LAS INSTALACIONES

ITC – EA – 07: MEDICIONES LUMINOTÉCNICAS EN LAS INSTALACIONES DE ALUMBRADO

o Entrada en vigor: 1 de abril de 2009

91


• Normativa CTE – HE3: Eficiencia energética de las instalaciones de Iluminación

Real Decreto 314/2006, del 17 de Marzo de 2006

Ámbito de aplicación: Esta sección HE3 es de aplicación a las instalaciones de iluminación

interior en: Edificios de nueva construcción Rehabilitación de edificios existentes con una superficie útil

superior a 1000 m2, donde se renueve más del 25% de lasuperficie iluminada.

Reformas de locales comerciales y de edificios de usoadministrativo en los que se renueve la instalación deiluminación.

92


• Normativa CTE – HE3

Valor de Eficiencia Energética de la Instalación- Fórmula de cálculo La eficiencia energética de una instalación de iluminación de una zona, se determinará

mediante el valor de eficiencia energética de la instalación VEEI (W/m2 por cada 100lux) mediante la siguiente expresión:

P :potencia total instalada en lámparas más los equipos auxiliares [W]; S: superficie iluminada [m2];

Em: iluminancia media horizontal mantenida [lux].

Se comprobará para cada zona que el valor del VEEI no supera el valor límite:

P 100VEEI = ————

S Em

VEEIcálculo ≤ VEEIIímite

93

Eficiencia equipos auxiliares

Se establecen unos valores mínimos de eficiencia delos equipos de conexión asociados a las lámparasfluorescentes, halógenas de baja tensión y dedescarga.

Se establecen unos valores mínimos de eficiencia delos equipos de conexión asociados a las lámparasfluorescentes, halógenas de baja tensión y dedescarga.

Lámparas fluorescentes (RD 838/2002)


• Normativa CTE – HE3

94

Ahorro energético lámpara incandescente versus fluorescente compacta


• Ejemplos ahorro

95

Ahorro energético lámpara incandescente versus fluorescente compacta

CONVENCIONAL INCANDESCENTEConsumo: 60W

EFICIENTE Fluorescente compacta integradaConsumo: 12W

DIAS LABORABLES 4000 horas/añoPRECIO ENERGÍA 0,12 €/kWh

LAMPARA CONVENCIONAL 60 WCOSTE CONVENCIONAL 2,21 €

LAMPARA EFICIENTE 12 WCOSTE EFICIENTE 12,73 €

48 W192 kWh/año

23,04 €/añoDIFERENCIA COSTE 10,52 €

AMORTIZACIÓN SIMPLE 0,5 años

AHORROS


• Ejemplos ahorro

96

Ahorro energético halógena convencional versus halógena eficiente

CONVENCIONALHALÓGENAConsumo: 50W

EFICIENTEHALÓGENA MEJORADA (Ecoboost,...)Consumo: 30W


LAMPARA CONVENCIONAL 50 WCOSTE CONVENCIONAL 3,65 €

LAMPARA EFICIENTE 30 WCOSTE EFICIENTE 8,24 €

20 W80 kWh/año

9,60 €/añoDIFERENCIA COSTE 4,59 €

AMORTIZACIÓN SIMPLE 0,5 años

AHORROS


• Ejemplos ahorro

97

Ahorro energético fluorescente convencional versus eficiente

CONVENCIONAL Tubo fluorescente T8Balastro electromagnéticoPotencia nominal: 36W

EFICIENTE Tubo fluorescente T5Balastro electrónicoPotencia nominal: 28W


LAMPARA CONVENCIONAL 36 WCONSUMO CONVENCIONAL 44,1 W

COSTE LÁMPARA CONVENCIONAL 2 €COSTE Balasto Electromagnético 8 €

COSTE CONVENCIONAL 10 €LAMPARA EFICIENTE 28 WCONSUMO EFICIENTE 33 W

COSTE LÁMPARA EFICIENTE 4 €COSTE Balasto Electrónico 28 €

COSTE EFICIENTE 32 €11,1 W44,4 kWh/año5,33 €/año

DIFERENCIA COSTE 22 €AMORTIZACIÓN SIMPLE 4,1 años

AHORROS


• Ejemplos ahorro

98


• Funcionamiento: Lámpara fluorescente

Fuente: Wikipedia

Lámpara fluorescenteLos filamentos, al calentarse,desprenden electrones queionizan el gas argón que llena eltubo, formando un plasma queconduce la electricidad. Esteplasma excita los átomos delvapor de mercurio que, comoconsecuencia, emiten luz visibley ultravioleta.

350 400 450 500 550 600 650 700 750 800longitud de onda (nm)

99

La eficiencia en los sistema de iluminación• Funcionamiento: Lámpara fluorescente

Tensión y corriente

0

10

20

30

40

50

60

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

orden del armónico

tensió

n lám

para

(V)

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

orden del armónico

corrie

nte A

Corriente totalCorriente lámpara

0

10

20

30

40

50

60

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

orden del armónico

tensió

n lám

para

(V)

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

orden del armónico

corrie

nte A


-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

0 0,02

tiempo en s

tens

ión

en V

Tensión RedTensión lámpara

-0,6

-0,4

-0,2

0

0,2

0,4

0,6

0 0,02

tiempo en s

corri

ente

en

A


100

Lhist Tube

Starter

e(t)

i(t)

R

u(t) C+

200220240

0

0,6

0 0,01sg

A

Half period 10msg

200220240

0

100

0 0,01sg

V

Half period 10msg

Voltage of Tube Under Different Source Voltage Levels - u(t)

Current Across The Tube Under Different Source Voltage Levels - i(t)

RMS

e t 2 E sen 2 fr t

E 200V,220V,240Vfr 50Hz T 20msg


101


Lámpara fluorescenteMarcado comportamiento no-lineal. Porejemplo, la tensión disminuye con lacorriente (resistencia NEGATIVA)

ii t

ic

e u

L

C

P activa

Q reactiva

102


La eficiencia de la lámpara fluorescenteaumenta con la frecuencia de la tensiónde alimentación. Punto inflexión aprox. 30kHz.

100 101 102100

102

104

106

108

110

112

frecuencia en kHz

lum

en

La eficiencia de la lámparafluorescente depende de latemperatura

Fuente: IESNA

103


La eficiencia de la lámpara fluorescentedepende de la longitud del tubo y de susección.

Fuente: IESNA

104


Tensión y corrienteBalasto electromagnético. Pérdidas en el cobre y en el hierro.

Pérdidas en el Hierro: Área bajo la curva de histéresis.

MODELO: Resistencia + Reactancia (no lineal)

105


MODELADO Y SIMULACIÓN (IHA)

u0(t), il0(t), ica0(t) = 0

u(t), il(t)

e(t)

Yes

No

il(t)

Calculation of InitialConditions

Start

End

Error < 1e-3?

u(t)

Resolution ofNon-Linear Circuit

Lamp Iterative Process

Resolution of Linear Circuit

106


MODELADO Y SIMULACIÓN (IHA): Tensión y corriente en la lámparaE1

E2

t

E = VE,IE

iT(t)

iT(t)

u(t)

u(t)

t

IE

107

La eficiencia en los sistema de iluminación• Funcionamiento: Lámpara fluorescente compacta


108

La eficiencia en los sistema de iluminación• Funcionamiento: Lámpara fluorescente compacta


109

Caso práctico: análisis de un lámpara LED

Medidas CA LED 1Corriente (mA) 0,067

Tensión (V) 231,777

Potencia (W) 8,917

Potencia Aparente (VA) 15,433

Potencia Reactiva (VAr) 12,596

Cos fi 0,97

Factor de potencia 0,578

THD V (%) 3,58

THD I (%) 153,3

Flujo luminoso 246 lm

Iluminancia centro (Lux) 1567

Medidas CC LED 1Corriente (A) 0,684Tensión (V) 9,306

Potencia (W) 6,362

110

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20

5

10

15

20

tens

ion

en V

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1co

rrien

te e

n A

tiempo en s


0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02-500

0

500

tiempo en s

Tens

ion

en V

0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02-0.5

0

0.5

Cor

rient

e en

A

111


Análisis termográfico: máx. temp. 55ºC

27,5°C

55,0°C

SP01 SP02

SP03

SP04

SP05

SP06

28,5°C

52,8°C

SP01

SP02SP03

SP04

SP05

SP06

27,3°C

54,6°C

AR01

112

Caso práctico: BombeoSistemas

Elementos:• Máquina asíncrona

• Bomba

• Carga Hidráulica (sistema)

• Válvula regulación

• Regulador de velocidad

M Q

Rv H

VV

113

Caso práctico: BombeoModelo de la máquina asíncrona

Parámetros:• Rs: Resistencia del estátor

• Rr: Resistencia del rotor

• s: Deslizamiento

• Lls: Inductancia de dispersión de estátor

• Llr: Inductancia de dispersión de rótor

• Lm: Inductancia mútua

• RFe: Resistencia de pérdidas en el Fe.

– Deslizamiento (s):

• Donde ns es la velocidad síncrona y n la velocidad degiro. Deslizamiento: 3-8%

– Velocidad síncrona (ωs ó ns):

– Donde fr es la frecuencia de alimentación• p es el número de pares de polos• ns = 3000 rpm / nº pares de polos (para 50 Hz).• Velocidades síncronas: 1000, 1500 y 3000 rpm

s

s

n ns

n

s s2 fr p rad s ; n fr p 60 rpm

AC

Lls Llr

Rs Rr

RL=Rr·(1-s)/s

RFe Lm

E1

I1 I2

I0

Resistencia en Ω ó puInductancia en H ó pu

114


Valores por unidad1. Elección de potencia y tensión base

2. Típ: potencia nominal y tensión de línea

3. Elección velocidad base igual a la velocidad síncrona.

4. Cálculo del resto de valores base (corriente, impedancia y par mecánico)

AC

Lls Llr

Rs Rr

RL=Rr·(1-s)/s

RFe Lm

E1

I1 I2

I0

b bS VA ; U V

b b bb b b

b bb

S U SI ; Z ; M

I3U

b s

• TODOS los cálculos se hacen en valores por unidad.

• TODOS los parámetros y variables se pasa a valores por unidad.

• Los resultados pasan a unidades reales.

pu b pu bU U U ; Z Z Z

pu b pu bP P P ; M M M

115

Reactancias:

• Dependen de la frecuencia de alimentación (fr)

CÁLCULO DE INTENSIDADES


Variables:• E1: Tensión del estátor (típ. E1=E10)

• Is: Corriente del estátor

• Is: Corriente del rótor

• Io: Corriente de magnetización

AC

Lls Llr

Rs Rr

RL=Rr·(1-s)/s

RFe Lm

E1

I1 I2

I0

s,real s,imag s Is

r,real r,imag r Ir

1,real 1,imag 1 Ir

I j I I

I j I I

E j E E

s

r

1

IIE

ls lsX 2 fr L

lr lrX 2 fr L

1

s m ls m

rm m lr

R j X X jXR

jX j X Xs

s 1

r

I EI 0

m mX 2 fr L

116


Ecuaciones:• Ps: Potencia en el estátor

• Ps: Pérdidas de potencia estátor y rótor

• Potencia mecánica y par mecánico

AC

Lls Llr

Rs Rr

RL=Rr·(1-s)/s

RFe Lm

E1

I1 I2

I0

s sP jQ conj 1 sE I

2ss s sP I R 2

rr r rP I R

2m r r

1 sP I Rs

mPM

1 s

Ecuaciones Velocidad Variable:Tensión (E1) y frecuencia (fr) variable

• Impedancias (en pu)

• Frecuencia sincronismo:nom

frX Xfr

s 2 fr p rad s

117


Datos Motor Convencional:p = 2; %Pares de polosVs = 400; %Tensión Nominal (V)fn = 50; %Frecuencia de red (Hz)Pn = 3e3; %Potencia NominalRs = 2.08667; %OhmiosRr = 2.12220; %OhmiosXls = 4.273668; %OhmiosXlr = 4.273668; %OhmiosXm = 66.560161;%Ohmios

Datos Motor Eficiente:p = 2; %Pares de polosVs = 400; %Tensión Nominal (V)fn = 50; %Frecuencia de red (Hz)Pn = 3e3; %Potencia NominalRs = 1.5; %OhmiosRr = 1.99416; %OhmiosXls = 3.642159; %OhmiosXlr = 3.642159; %OhmiosXm = 72.252463;%Ohmios

118


Datos Motor Convencional:p = 2; %Pares de polosVs = 400; %Tensión Nominal (V)fn = 50; %Frecuencia de red (Hz)Pn = 3e3; %Potencia NominalRs = 2.08667; %OhmiosRr = 2.12220; %OhmiosXls = 4.273668; %OhmiosXlr = 4.273668; %OhmiosXm = 66.560161;%Ohmios

Datos Motor Eficiente:p = 2; %Pares de polosVs = 400; %Tensión Nominal (V)fn = 50; %Frecuencia de red (Hz)Pn = 3e3; %Potencia NominalRs = 1.5; %OhmiosRr = 1.99416; %OhmiosXls = 3.642159; %OhmiosXlr = 3.642159; %OhmiosXm = 72.252463;%Ohmios

900 950 1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300 13500

1

2

rpm

Pm

(pu)

900 950 1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300 13500

2

4

rpm

Ps

(pu)

900 950 1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300 13500

2

4

rpm

Qs

(pu)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 20

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

Potencia pu

FP

119

Caso práctico: BombeoBomba

Presión o altura

hidrúalica equiv.

Caudal

Curvas func. para distintos diámetros de rodete

Eficiencia

Potencia en el eje motor

Modelo complejo

Curvas fabricante

120


Curvas fabricante

121


21total estática2P v P

totalPH

g

utilP Q gH

Presión

Altura hidráulica H (m)

Potencia útil P (W)

Leyes de afinidad2 3

1 1 1 1 1 1

2 2 2 2 2 2

Q H P; ;

Q H P

Estimación de funcionamiento a

distintas velocidades de giro

Rendimiento bomba:• Eficiencia hidráulica (fricción del líquido con carcasa del rodete) • Eficiencia volumétrica (pérdidas de recirculación en anillos,…) • Eficiencia mecánica (fricción en rodamientos,…)

total

total

3

3

212

P presión Pa

H altura(hidráulica) m

densidad kg m

v velocidadfluido m s

velocidad bomba rad s

Q caudal m s

P potencia W

v presión dinámica Pa

bombaP Q gH Potencia Bomba P (W)

122


123

0 5 10 15 20 25

20222426

altu

ra m

0 5 10 15 20 250

1

2po

tenc

ia k

W

0 5 10 15 20 250

0.2

0.4

0.6

caudal m3/h

rend

imie

nto

%

bombasistema

bombaútil

Caso práctico: BombeoModelo carga hidráulica

3

2sis 0

0

mh

H H k QH 20

Q 20 H 22m

P 2kW60%

Modelo sistema

3

0

mh

H 20

Q 20 H 22m

Pto. funcionamiento

124

Caso práctico: BombeoModelo válvula

2val valH k Q

0 5 10 15 20 25

20222426

altu

ra m

0 5 10 15 20 250

1

2

pote

ncia

kW

0 5 10 15 20 250

0.2

0.4

0.6

caudal m3/h

rend

imie

nto

%

bomba

sistema

val

bombaútil

m

B

P 1,46kW49%

e

M

n 1472rpmP 2,2kW

91%FP 0,489

Modelo válvula mariposa

3mobj hQ 10

Pto. funcionamiento

M 94% Con motor eficiente

125

Caso práctico: BombeoCon Variador

u

B

P 0,55kW50%

3mobj hQ 10

Pto. funcionamiento

0 5 10 15 20 25

20222426

altu

ra m

Con variador

Se estima el comportamiento del variador de velocidad suponiendo que el motor adecua su velocidad para que la bomba de los 10 m3/h.

Tanto el rendimiento de la bomba como el del motor se estiman. Mediante el variador se consigue rendimientos altos.

126

Caso práctico: BombeoCon Variador

u

B

P 0,56kW51%

m

e

M

P 0,71kWn 1312rpm

P 0,79kW90%

3mobj hQ 10

Pto. funcionamiento

Con Variador de Velocidad



127

Caso práctico: BombeoModelo válvula

CUESTIONES A RESOLVER

• Modelado del motor eléctrico (convencional y eficiente)

• Modelado de la bomba

• Modelado del sistema

• Modelado de la válvula

• Modelado con variador de velocidad

• Resultados con motor convencional y eficiente: Velocidad de giro Eficiencia bomba y motor Presión Caudal

Eficiencia en los sistemas eléctricos industriales_2011

Documents

source voltage

pares de polos

compensacin

lmpara fluorescente

energy saving

ohmiosdatos

frecuencia

lcc lt