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CONTENIDO
RESUMEN ................................................................................................................... 5
SUMMARY .................................................................................................................. 6
INTRODUCCIÓN ........................................................................................................ 7
ANTECEDENTES ..................................................................................................... 12
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA............................................................................. 12
OBJETIVOS .............................................................................................................. 14
General ............................................................................................................................. 14
Específicos ...................................................................................................................... 14
JUSTIFICACIÓN ....................................................................................................... 15
CAPÍTULO I ........................................................................................................... 17
FUNDAMENTOS TEÓRICOS .................................................................................. 17
INTRODUCCIÓN ...................................................................................................... 17
1. BASES DEL VARIADOR ..................................................................................... 19
1.1 Tendencias de tecnología de los variadores transistorizados ........................... 19
1.2 Características del variador .................................................................................... 20
1.2.1 ¿Qué es un motor? ..................................................................................................................... 21
1.2.2 Estructura del motor ................................................................................................................... 21
1.2.3 Características básicas del motor ............................................................................................ 23
1.2.4 Características del motor controlado por un variador en torque y corriente ...................... 25
1.2.5 Patrón v/f y torque de arranque ................................................................................................ 27
1.2.6 Características de salida de un motor estándar ..................................................................... 34
1.3 Estructura básica y operación principal del variador de frecuencia ................. 36
1.3.1 Estructura del variador de frecuencia ...................................................................................... 36
1
1.3.2 Operación del circuito convertidor ............................................................................................ 38
1.3.3 Operación del circuito inversor ................................................................................................. 41
1.4 Sistemas de control del variador ............................................................................ 47
1.4.1 Control V/f .................................................................................................................................... 47
1.4.2 Control vector de flujo magnético ............................................................................................. 49
1.4.3 Control vectorial .......................................................................................................................... 51
1.5 Características del torque de carga ....................................................................... 53
1.5.1 Tipos de carga ............................................................................................................................. 53
1.5.2 Características del torque de carga y patrón V/f .................................................................... 57
2. CARACTERÍSTICAS DEL VARIADOR EN AHORRO DE ENERGÍA ............... 59
2.1 Principio básico del ahorro de energía con un variador ..................................... 59
2.2 Características del torque variable (ventilador/bomba) ...................................... 62
2.2.1 Potencia requerida PL para operación con potencia comercial ........................................... 63
2.2.2 La comparación del ahorro de energía entre el control de velocidad ................................. 66
y el control de la válvula ....................................................................................................................... 66
2.2.3 Comparación en ahorro de energía de los métodos de control ........................................... 71
3. METAS TECNOLÓGICAS DEL VARIADOR EN APLICACIONES DE AHORRO
DE ENERGÍA ............................................................................................................ 75
3.1 Metas tecnológicas en aplicaciones de ahorro de energía ................................. 75
3.2 Factor de potencia y eficiencia ............................................................................... 76
3.2.1 Eficiencia del motor y variador .................................................................................................. 76
3.2.2 Entrada de corriente del variador y mejora del factor de potencia ...................................... 79
2
CAPÍTULO II.......................................................................................................... 85
1. Situación actual del problema ........................................................................... 86
1.1 Características físicas .............................................................................................. 86
1.2 Características de operación .......................................................................... 88
1.3 Operación futura ............................................................................................... 90
1.3.1 Siguientes acciones .............................................................................................. 91
1.3.2 Comportamiento electromecánico ...................................................................... 91
CAPÍTULO III ........................................................................................................ 94
1. Propuesta de solución al problema.................................................................. 95
2. La propuesta ..................................................................................................... 96
2.1 Cálculos para la selección del variador de frecuencia ........................................ 98
2.1.1 Situación de instalación y ambiente operacional ................................................................... 98
2.1.2 Características eléctricas de alimentación .............................................................................. 98
2.1.3 Potencia del motor ...................................................................................................................... 98
2.1.4 Corriente del motor .................................................................................................................... 98
2.2 Tipo de variador ........................................................................................................ 99
2.3 Cálculos para seleccionar la alimentación del sistema ..................................... 100
2.4 Dimensionamiento de conductores para alimentación de sistema motor y
variador de frecuencia ................................................................................................. 102
3.
Arranque y pruebas............................................................................................... 105
3
3.1 Procedimiento de puesta en marcha del modelo .................................................................... 107
CAPÍTULO IV ...................................................................................................... 111
1. Estudio Costo-Beneficio .................................................................................. 112
1.1 Ambiente de la aplicación ..................................................................................... 112
1.2 Beneficios del cambio de sistema ........................................................................ 112
1.3 Ahorro en el cambio del sistema .......................................................................... 117
1.4 Inversión de la aplicación y taza de retorno ....................................................... 122
CONCLUSIONES ................................................................................................... 124
ANEXOS.................................................................................................................. 125
I.COTIZACIÓN ........................................................................................................ 126
II.FOTOS ................................................................................................................. 127
GLOSARIO.............................................................................................................. 128
BIBLIOGRAFÍA....................................................................................................... 130
FUENTES DE INFORMACIÓN .............................................................................. 131
ÍNDICE DEL MATERIAL GRÁFICO ...................................................................... 132
Figuras ........................................................................................................................... 132
Tablas ............................................................................................................................. 133
4
RESUMEN
El siguiente proyecto es realizado para implementar un sistema que ayude
a optimizar el uso de energía en el bombeo de agua tratada para nuestro cliente,
con la ayuda de un variador de frecuencia para control de velocidad de rotación,
caudal y presión de las bombas, este será flexible para la operación y seguro para
los operadores, además tendrá un beneficio de un ahorro del 5% equivalente a
$40,000 dólares por año.
El
mencionado sistema se llevará a cabo con elementos hidráulicos,
mecánicos y eléctricos descritos más adelante de forma detallada para su mejor
comprensión.
Los elementos fueron elegidos
bajo los estándares descritos en la
mencionada empresa, sin descuidar los aspectos ambientales y de seguridad
esperando que con estos dispositivos se lleve a cabo todo lo antes mencionado
con el propósito de aplicarlo en las demás plantas del grupo ATLATEC S. de R.L.
de C.V.
5
SUMMARY
The following project is realized to implement a system that helps to
optimize the use of energy in the water pumping treated for our client, with the aid
of a drive of frequency for control of volume, turnover rate and pressure of the
pumps, this will be flexible for the operation and insurance for the operators, in
addition equivalent to $40.000 dollars per year will have a benefit of a saving of
5%.
The mentioned system will be carried out with hydraulic, mechanical and
electrical elements described more in front of detailed form for its better
understanding.
The elements were chosen under the standards described in the mentioned
company, without neglecting the environmental aspects and of security hoping that
with these devices all the indicated above one is carried out in order to apply it in
the other plants of group ATLATEC S. of R.L of C.V.
6
INTRODUCCIÓN
La palabra Atlatec, surge del Náhuatl, antigua lengua azteca hablada en México y
América Central, Atl significa agua: forma de vida y fuente de desarrollo
tecnológico del pueblo azteca, uniendo esta palabra con Tec, Tecnología, se
forma la palabra ATLATEC, que significa Tecnología del Agua en nuestro tiempo.
Somos una de las empresas integradora de proyectos de infraestructura del
sector agua más importante en México por nuestro posicionamiento en el mercado
y por volumen de ventas. Somos líderes en el diseño, la construcción, el
financiamiento y la operación de plantas de tratamiento de aguas residuales y el
rehúso de aguas industriales.
Para satisfacer de manera integral los requerimientos de nuestros clientes
en Latinoamérica, contamos con oficinas en México, Perú, Chile, Brasil y
Venezuela, teniendo nuestra oficina principal en Monterrey, México, contando con
más de 600 empleados capacitados en las áreas: de desarrollo de negocios,
técnica, financiera, legal, de recursos humanos y administrativa.
Hemos desarrollado más de 80 proyectos de tratamiento de aguas en
México y Latinoamérica tanto en el sector Municipal como en el sector industrial.
Tenemos más de 50 años de experiencia en la Operación y Mantenimiento
de plantas de tratamiento de aguas.
Contamos con especialistas de procesos, de diseño civil, mecánico, eléctrico y
de instrumentación y control, soportados por las áreas de sistemas y
abastecimientos en todas nuestras operaciones, para garantizar un servicio de
excelencia en:

Ingeniería y construcción de plantas de tratamiento de aguas.

Operación, mantenimiento y rehabilitación de plantas.

Ingeniería y construcción de infraestructura y proyectos industriales.
Operamos Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales en 4 de 5 refinerías de
petróleo en México del programa “Uso Integral del Agua”. Tenemos a nuestro
cargo la operación de plantas de tratamiento de aguas municipales, para la
industria de generación de energía eléctrica, metal mecánica, de alimentos,
papelera, cervecera y el rehúso de agua tratada municipal en la industria.
8
Ofrecemos servicios integrales para el mejoramiento de la gestión,
administración, operación y mantenimiento de sistemas de agua potable,
alcantarillado y saneamiento.
Nuestra empresa tiene como Misión: Contribuir al desarrollo sustentable
ofreciendo soluciones integrales relacionadas con el agua a la comunidad global.
Ser una compañía global del agua, líder, confiable y comprometida con el medio
ambiente, siendo la mejor opción para nuestros clientes, empleados y socios.
Siguiendo nuestros valores de:
INTEGRIDAD: • Trabajar con la más alta moral y ética.
CREATIVIDAD: • Tomar el reto de la innovación continua.
DIVERSIDAD: • Fomentar la cultura de mente abierta.
TRABAJO EN EQUIPO: • Crear confianza e incentivar la participación.
DESARROLLO HUMANO: • Desarrollar a nuestros empleados su máximo
potencial.
Se alcanzarán todos los retos.
9
Atlatec Tula, es parte de nuestra organización, que le brinda servicio a la
Refinería Miguel Hidalgo, tratando sus aguas residuales y regresando el agua
tratada para que Refinería la reutilice en sus torres de enfriamiento, de tal manera
que con el presente proyecto se propone “Eficientar el desempeño de las bombas
de envío de agua tratada de Atlatec a Refinería de acuerdo a las necesidades del
cliente”.
En los documentos que se presentan a continuación, se recogen todos los
datos y características que han sido obtenidos como resultado de los cálculos
desarrollados en los correspondientes anexos.
Capítulo I Marco teórico: En este capítulo se presenta
teoría que
fundamenta el proyecto.
Capítulo II Situación actual del planteamiento del problema: se describe
paso a paso como se encuentra el problema base del proyecto.
Capítulo III Propuesta de solución al planteamiento del problema: En este
capítulo se describe cómo se solucionará, analizando la situación con estudios, así
como resolver
e implementar su solución, considerando las metodologías
generales y particulares que se utilizarán, así como las técnicas que permitirán
alcanzar el objetivo
Capítulo IV Estudio Costo-Beneficio: Se realizará un estudio de factibilidad
técnico económico relacionando las ventajas y desventajas de la implementación.
10
El objeto de estudio dentro del mismo será el fundamento de la sucesiva
operación en las bombas de envío de agua tratada a refinería, BC-302 A/B/C, las
bases para la implementación del variador de frecuencia, la determinación del plan
para su ejecución y puesta en marcha, así como la evaluación financiera de los
resultados que cabe esperar.
Se propuso implementar un sistema eficiente para controlar la velocidad de
un motor eléctrico por medio de un variador electrónico de frecuencia. Este
permite regular la frecuencia del voltaje aplicado al motor, logrando modificar su
velocidad, así como los puntos de variación de dichas velocidades.
Estos equipos se encuentran instalados y en funcionamiento en el área de
la subestación principal eléctrica de la planta.
Igualmente, se pretende obtener el mejor equilibrio posible entre la
funcionalidad de las instalaciones proyectadas, optimizando todos aquellos
factores y agentes que intervienen, con el objetivo de brindar un producto de alta
calidad.
El principal fin del presente proyecto será la maximización del beneficio en
base a añadir valor al producto actual, y obtener éste al menor costo posible. Por
tanto, el proyecto habrá de buscar la óptima solución económica que satisfaga
estos condicionantes.
11
ANTECEDENTES
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Atlatec es la empresa encargada de recibir el agua enviada por la
paraestatal Refinería Miguel Hidalgo para su tratamiento que a su vez es
reenviada después de pasar por el proceso y cumplir con los parámetros
requeridos por el cliente, esta agua es utilizada para el sistema de enfriamiento de
sus torres. Una de las partes importantes que el cliente solicita es:
1. El envío del agua de acuerdo a los parámetros expuestos en el contrato
2. La cantidad debe de ser directamente proporcional al flujo de entrada
3. El flujo recibido dependerá de los parámetros establecidos dentro del
contrato
Está última condicionante es una parte importante de que la planta no se
trabaje al 100% la cual su capacidad por diseño es de 240 lps, esto nos lleva a la
necesidad de estrangular la válvula de descarga por parte de personal de
12
operación, ocasionándonos que tengamos que re circular agua y a su vez
provocando una contrapresión en la línea la cual es reflejada en el consumo de
energía de 50,000 Kw/mes ya que las bombas se ven saturadas y provocan que el
motor consuma más energía, como consecuencia ocasiona multas por parte de
CFE.
13
OBJETIVOS
General
Implementar un sistema de control de velocidad para un motor eléctrico por
medio de un variador electrónico de frecuencia, para ahorrar energía eléctrica del
5%, en el proceso de envío de efluente, logrando cubrir las necesidades del
cliente. Este sistema permitirá regular la frecuencia del voltaje aplicado al motor,
logrando modificar su velocidad, así como los puntos de variación de dichas
velocidades.
Específicos
1. Optimizar el uso de energía.
2. Cálculo del ahorro de energía usando variadores de frecuencia.
3. Diseñar las modificaciones requeridas, en subestación para instalar el
variador.
4. Reducir costos de operación con el uso de variadores de frecuencia.
5. Programar adecuadamente el variador de frecuencia según la aplicación.
14
JUSTIFICACIÓN
La Planta de tratamiento de agua residual de Atlatec que sirve a la refinería
“ Miguel Hidalgo”, se ubica en su mayor parte dentro de las instalaciones de
PEMEX ; con una baja eficiencia y ante la necesidad de un próximo incremento
en el caudal de agua tratada a enviar a la refinería del orden de 240 a 260 lps,
obliga a analizar hidráulicamente el comportamiento de la misma planta, ya que
técnicamente no existe la capacidad de transportar un caudal superior a 218 lps, al
igual existen problemas de presión en la tubería y la operación electromecánica
no tiene flexibilidad.
En tal sentido es necesario implementar un proyecto que resuelva esta
problemática, por lo que se propone la instalación de un variador que permite en
primer punto, tener control de la velocidad de rotación del motor automáticamente,
que a su vez permitirá regular los flujos necesarios solicitados bajo demanda de
agua tratada, eliminando la estrangulación de la válvula de mariposa.
Segundo, al estar de forma manual esta hace que exista un mayor consumo de
energía al estar recirculando fluido en el último proceso de tratamiento, así que
nos favorece para ahorrar energía.
15
CAPÍTULO I
FUNDAMENTOS TEÓRICOS
16
CAPÍTULO I
FUNDAMENTOS TEÓRICOS
INTRODUCCIÓN
Más del 60% de la energía eléctrica demandada en la actualidad es
consumida por motores eléctricos. Por esto, uno de los puntos más relevantes
para la industria en general ha sido estudiar el conjunto motor-carga y tratar de
optimizar el proceso completo. Normalmente sucede que los motores trabajan en
condiciones de carga variable (líquidos, gases, etc.). En estos casos, la regulación
electrónica de la velocidad de los motores en función de las necesidades,
sustituye a los sistemas tradicionales de control con resultados energéticos
espectaculares.
Sin embargo, los motores con menor nivel de exigencias en el
mantenimiento son los motores asíncronos de jaula de ardilla, debido a que
carecen de colector, tienen una relación peso-potencia mucho menor que los de
motores de continua y, por tanto, un costo significativamente más bajo. Por estas
razones, dada su capacidad de soportar sobrecargas y su elevado rendimiento, es
el motor más atractivo para la industria.
17
Desde hace aproximadamente 25 años, el elevado desarrollo de la
electrónica de potencia y los microprocesadores han permitido variar la velocidad
de estos motores, de una forma rápida, robusta y fiable, mediante los reguladores
electrónicos de velocidad, llamados comúnmente variadores de frecuencia.
Para el caso del presente proyecto:
La elección de la instalación de un variador de frecuencia como método de
ahorro energético supone:
• Reducción del consumo de energía eléctrica.
• Mejor control operativo, mejorando la rentabilidad y la productividad de los
procesos productivos reduciendo la velocidad de los motores cuando no
sea necesario.
• Reducir las pérdidas de eficiencia del motor e instalaciones.
• Ahorro en mantenimiento (el motor trabaja siempre en las condiciones
óptimas de funcionamiento).
18
1. BASES DEL VARIADOR
1.1 Tendencias de tecnología de los variadores transistorizados
En controladores de variadores de velocidad de motor, los motores de
corriente directa (CD) los cuales requerían mantenimiento de escobillas fueron
remplazados hace 20 años por los variadores transistorizados que manejan
motores de inducción. Desde entonces, los variadores han sido mejorados para
cumplir con las necesidades de mercado, soportados por la potencia de los
transistores (circuito principal), los circuitos integrados y las microcomputadoras
(circuito de control).
La figura 1 indica las tendencias de la tecnología de los variadores
transistorizados. Los variadores fueron creciendo según el desarrollo de los
componentes, dispositivos semiconductores fueron progresando para hacer que
los variadores más compactos en tamaño y de mejor funcionamiento, la tecnología
del variador fue mejorada junto con sus aplicaciones.
19
Figura 1. Tendencias de variadores transistorizados
1.2 Características del variador
Esta sección explica las características fundamentales el cual será esencial
para la selección y aplicación en este presente proyecto, por capacidad cuando un
motor trifásico de jaula de ardilla es controlado por un variador.
Ya que la operación con la energía comercial y la operación con el variador
difiere de las características del motor.
20
1.2.1 ¿Qué es un motor?
(Stephen J. Chapman, 2002) En resumen, un motor es un dispositivo que
convierte la energía eléctrica a una fuerza rotativa (torque), es decir, energía
mecánica. Esta fuerza rotativa es utilizada para realizar varios trabajos.
Salida de motor = Fuerza rotativa (torque) x velocidad = fuerza x velocidad.. (1.1)
1.2.2 Estructura del motor
Por la estructura simple y rígida de un motor de jaula de ardilla puede ser
usado en una gran variedad de ambientes cómo al aire libre, ambiente húmedo y
ambientes explosivos.
Desde el aspecto de la estructura, los motores son largamente clasificados
por el tipo de estructura del motor, tipo de ventilación y protección de humedad. La
figura 2 muestra un ejemplo de un motor totalmente contenido con ventilación a
ventilador. La estructura es dividida en un área estacionaria y un área rotativa,
cada uno consistiendo de partes mecánicas y partes eléctricas.
El ventilador externo acoplado al eje para evitar que el motor se caliente.
Cuando el motor es controlado por el variador a una baja velocidad, el efecto de
21
enfriamiento del ventilador reduce. Para suprimir el aumento de temperatura del
motor sin el valor específico, la carga de torque permisible debe de ser reducido.
(Stephen J. Chapman, 2002)
Figura 2. Ejemplo de un motor totalmente contenido, enfriado por ventilador
22
1.2.3 Características básicas del motor
(1) Curva torque/corriente
La figura 3 muestra la característica del motor cuando es directamente conectado
a la energía eléctrica comercial.
Figura 3. Relación entre la velocidad del motor, corriente y torque
23
(2) Velocidad del motor
(Muhammad H. Rashid, 2004) La velocidad del motor es determinada por el
número de polos y la magnitud de la frecuencia de la energía eléctrica aplicada.
Velocidad del motor N = 120 X frecuencia f (Hz)
Numero de polos P
Determinado por las
especificaciones del
motor
X (1-S) [r/min] ……… (1.2)
Determinado por las
especificaciones de la
carga
Para la operación del variador, la frecuencia f es variada cómo es deseada
la velocidad del motor.
(3) ¿Qué es el torque nominal de motor?
La “fuerza” producida por un motor es llamada torque. La fuerza es
generalmente representado por {kgf} en un movimiento lineal, la fuerza del motor
es indicado por el torque, ya que el eje del motor gira para producir la “fuerza”.
“Fuerza rotativa en movimiento” = torque {kgf •m}
El valor del torque nominal del motor puede ser calculado por la expresión (1.3)
24
Torque Nominal Tm = 974 X Potencia nominal del motor P [kW] {kgf•m} …. (1.3)
Velocidad nominal N [r/min]
Datos de la placa del motor
Nota: La “velocidad nominal” indica la velocidad que trabaja en el torque
nominal del motor, y cuando el voltaje y frecuencia nominal es aplicado. El torque
nominal del motor no es el torque producido por el motor, es el torque de carga
permitido si la operación continua es llevada a cabo a la velocidad nominal.
1.2.4 Características del motor controlado por un variador en torque y
corriente
La figura 4 muestra las características de torque comparado entre la
operación con energía comercial y la operación con variador. El porcentaje [%]
denota la relación del torque del motor con el torque nominal. (Ejemplo: Motor de 4
polos)
25
Figura 4. Comparación de características de torque
(1) Valores característicos aproximados cuando un motor estándar es
usado con energía comercial




Corriente de arranque
Torque de arranque
Torque máximo
Deslizamiento de carga nominal
Is = 600 a 700 [%]
Ts = 150 a 250 [%]
Tm = 200 a 300 [%]
S=
3 a 5 [%]
(2) Torque de arranque y corriente de arranque de un motor operado por
un variador
1) Ya que el motor es acelerado con su corriente de arranque y aceleración
dentro de la corriente de sobrecarga (150% de la potencia nominal de
operación), el torque de arranque y torque de aceleración son pequeños a
26
comparación del torque que se genera con energía comercial. En
consecuencia de esto, el choque de inicio es más pequeño.
2) Cuando la capacidad del variador usado es un tamaño más grande que el
tamaño del motor, el torque de arranque y de aceleración incrementa con el
incremento de la capacidad de sobrecarga. A 10 Hz. o menos y el valor de
torque estándar de arranque (ajuste de fábrica), de cualquier manera, el
torque de arranque no incrementara si la capacidad del variador es
incrementada por un tamaño, ya que un 150% o más corriente no fluirá
debido a la caída de voltaje del motor.
1.2.5 Patrón v/f y torque de arranque
(1) ¿Cuándo el variador es usado para variar velocidad, porque también
varía voltaje?
Como se indica en el objetivo buscamos como variar la velocidad del motor,
entonces solo la frecuencia debe de ser variado cómo lo indica la expresión (1.2).
De cualquier manera, si la salida de frecuencia es menor de 50 Hz con el voltaje
constante, el flujo magnético del motor incrementa (es saturado) y la corriente
incrementa, cambiando el motor de sobrecalentamiento a quemarse.
27
Esto puede prevenirse haciendo el flujo magnético constante. Desde que la
magnitud del flujo magnético es directamente proporcional al voltaje e
inversamente proporcional a la frecuencia cómo es indicado en la expresión (1.4),
la aplicación de un voltaje el cual siempre establece esta relación resolverá este
problema.
Flujo
magnético
a
Voltaje
= Cte .…… (1.4)
V
Frecuencia
f
Suponiendo que la velocidad sea reduzca a la mitad (de 60Hz a 30Hz),
V
f
220[V ]
60[Hz ]
110[V ]
30[Hz ]
Cte……………….………………………….… (1.5)
* Actualmente, se hace ligeramente mayor la caída de tensión de compensación
del motor.
(2) Torque generado por el motor
La relación entre el voltaje (V) aplicado al motor, la frecuencia (f) y el torque es
representado por la expresión (1.6)
28
Torque
T
=
K
x
I ……………………………………(1.6)
V x
f
K: Constante
I: Corriente
1) El torque es constante si le relación de V y f es constante.
2) Cuando el voltaje (V) es constante y solo la frecuencia (f) varía, el torque es
inversamente proporcional a la frecuencia si la corriente del motor es
constante.
La relación entre el voltaje y el torque con relación a los cambios de
frecuencia se muestra en la figura 5. La relación entre la salida de voltaje y la
salida de frecuencia del variador es llamado “patrón V/f”, el cual es un factor
importante en el control del motor.
Figura 5. Torque constante y rango de salida constante
29
(3) Torque de arranque
La salida de voltaje del variador debe de ser proporcional a la frecuencia
(V/f=constante) debajo de la frecuencia base cómo es mostrado en la Sección
(2).
De cualquier manera, el devanado primario del motor tiene resistencias y
reactancias (llamadas impedancias colectivas) cómo es mostrado el circuito
equivalente en la figura 8, y esas impedancias causan una caída de voltaje,
reduciendo el torque generado por motor.
En un motor estándar, el devanado es diseñado en consideración de la
caída de voltaje a 50Hz o 60 Hz. Cuando el motor estándar es controlado por
un variador, el voltaje varía en la proporción para un cambio en la frecuencia f
de salida. Especialmente en la región de baja frecuencia donde el voltaje es
bajo, por tanto, una caída de voltaje es alta y el torque generado por el motor
es mucho más pequeño que lo que se genera con la energía comercial.
Por lo tanto, en la región de baja frecuencia, el voltaje es incrementado por
un _V dado en la expresión (1.8) para hacer frente a la caída de voltaje
suprimiendo el torque de salida del motor. En compensación por el voltaje de
_V cómo es mostrado en la figura 7 es llamado Torque de Arranque.
30
Figura 6. Patrón ideal V/f
Figura 7. Patrón V/f con variador
31
Figura 8 Circuito equivalente del motor
V : Voltaje Primario
E : Voltaje primario inducido
R1: Resistencia Primaria
X1: Reactancia de fuga Primaria
Xm: Reactancia de Excitación
R2: Resistencia Secundaria
X2: Reactancia de fuga Secundaria
S : Deslizamiento
En una ecuación de voltaje
E = V - I1 (R1 + jX1)…………………… (1.7)
= V - ΔV……………………………… … (1.8)
dondé ΔV = I1 (R1 + jX1)
I1 = I2 + jIm
32
Un torque de Arranque es fijado según la caída de voltaje de ΔV. De
cualquier manera, el control de flujo magnético es ejercitado por un vector
aritmético para hacer que el voltaje primario inducido constante (E) si la corriente
secundaria varia (I2), estabilizando la corriente de excitación Im y dando gran
torque.
Figura 9. Corriente de excitación v/s corriente secundaria
(4) Operación arriba de 50 Hz o 60 Hz
Ya que el variador no provee una salida de voltaje más alto que su voltaje
de alimentación, la salida de voltaje es constante arriba de 50Hz o 60Hz de
frecuencia (frecuencia base).
33
Ya que sólo la frecuencia es cambiada, el torque es inversamente
proporcional a la frecuencia si la corriente del motor es la misma, cómo es
indicado en la expresión (1.7). Esta región es llamada “Salida constante”.
1.2.6 Características de salida de un motor estándar
Lo siguiente son las características de salida de un motor, mismo voltaje
que se maneja en las bombas de envío de Atlatec; U.S. Electrical Motors jaula de
ardilla (4 polos) usado con un variador de la misma capacidad.
Estas son las frecuencias base del variador y
más no la del voltaje de alimentación
220V 60Hz
200V 50Hz
La salida de torque [%],
La salida de torque [%],
el torque nominal de un
el torque nominal de un
motor de 60Hz se asume
motor de 60Hz se asume
un 100%.
un 100%.
34
Figura 10. Características de salida de un motor estándar
Cuando el impulso es
incrementado por 3.7 kW
o menos dentro del flujo
magnético de control
Cuando el impulso es
incrementado por 3.7 kW
o menos dentro del flujo
magnético de control
Torque Máximo en el ajuste
de fábrica (ajuste de impulso)
Torque Máximo en el ajuste
de fábrica (ajuste de impulso)
(1) El torque de operación continua es permisible en el torque de carga,
restringido por el incremento de la temperatura del motor. No es el valor
máximo del torque generado por el motor.
35
(2) El torque máximo de corta duración es el torque máximo generado por el
motor sin llegar a la capacidad de sobrecarga del variador (150%). En
consecuencia, incrementando la capacidad del variador, incrementa el
torque máximo. La corta duración del torque máximo de corta duración
indica la corriente de sobrecarga permisible que pasa por el variador,
menos de 1 minuto. (Muhammad H. Rashid, 2004)
1.3 Estructura básica y operación principal del variador de
frecuencia
1.3.1 Estructura del variador de frecuencia
(Álvarez Pulido Manuel, 2000) El variador transistorizado que produce
potencia AC de cualquier frecuencia de la energía comercial (50Hz o 60Hz AC)
para hacer funcionar un motor a una velocidad variable es estructurado cómo es
mostrado en la figura 11. Es decir, el variador está formado por el circuito con
diseñado para convertir energía comercial a corriente directa y el circuito de
variador que está diseñado para convertir la corriente directa a corriente alterna de
frecuencia variable, y el circuito de control que controla los circuitos antes
mencionadas.
36
El convertidor hacia adelante es diseñado para convertir AC a DC es
llamado circuito convertidor, y el convertidor reversible es diseñado para convertir
DC a AC es llamado circuito Inversor. En un variador transistorizado, todo el
dispositivo incluyendo el circuito convertidor es llamado variador.
Figura 11. Estructura de un variador transistorizado
37
1.3.2 Operación del circuito convertidor
Cómo es descrito en la sección 1.3.1, el área que hace la potencia DC
usado en el circuito variador es llamado convertidor. Cómo se muestra en la figura
12, el circuito convertidor consiste:
1) El convertidor que realiza una rectificación completa de tres fases.
2) Capacitor suavizador el cual suaviza los pulsos.
3) Circuito que suprime las corrientes que fluyen cuando el capacitor suavizador
es cargado.
Figura 12. Circuito convertidor
38
(1) Principio del circuito convertidor
Lo siguiente explica la forma de onda de la corriente de alimentación AC
que aparece cuando DC es generado por una fase de potencia AC mostrada en la
figura 13.
Figura 13. Convertidor principal

Cuando la onda senoidal de voltaje de el valor efectivo V ( el voltaje de
pulso PWM √
) es la entrada de la energía de alimentación AC al
convertidor, una corriente fluye por los diodos D1, D4 solo en la porción t1
donde el potencial es más alto que un voltaje E de la sección de salida del
convertidor (DC).

Si la mitad del ciclo donde el voltaje AC es negativo, los diodos D2 y D3
conducido en la porción t2, alimentando con una corriente negativa del lado
39
negativo AC. La entrada de corriente AC del circuito convertidor no es una
onda seno, pero una corriente de forma de onda distorsionada incluyendo
armónicos.
(2) Corrientes de alimentación estacionarias AC (tiempo de operación del
motor)
Cuando seis diodos son usados para rectificar una onda completa de
potencia AC en una entrada de 3 fases, los diodos conducen en los tiempos que
demuestran en la figura 14 y la entrada de corriente de forma de onda
distorsionada cómo en una fase de potencia de alimentación.
El capacitor de suavizado C, suaviza la forma de onda rectificada de tres
fases por los diodos a DC teniendo unos cuantos pulsos. A una parada de
variador, el voltaje DC está arriba √ de veces (aprox. 280VDC a 200VAC) que el
voltaje de alimentación AC. Durante la operación del variador, el voltaje DC varía
ligeramente con la salida (Torque/velocidad).
40
Figura 14. Corrientes de entrada principales
1.3.3 Operación del circuito inversor
(1) Cómo hacer AC de DC
El circuito de variador hace potencia AC de potencia DC. Su principio
fundamental se describe para la conversión de la DC en una sola fase AC
utilizando una lámpara cómo una carga en lugar del motor cómo un ejemplo
mostrado en la figura 15.
Encendiendo y apagando cuatro switches S1 a S4 conectados al voltaje de
alimentación DC hace AC cómo se muestra en la figura 16.
41

Cuando los switches S1 y S4 están encendidos, una corriente fluye en la
lámpara L en dirección de la flecha A.

Cuando los switches S2 y S3 están encendidos, una corriente fluye en la
lámpara L en dirección de la flecha B.
Por lo tanto, alternando el encendido y apagado de los switches S1, S4 y
los switches S2, S3, crean una corriente alterna el cual invierte la corriente que
fluye en la lámpara L alternamente.
Figura 15. Cómo crear corriente alterna
42
Figura 16. Forma de onda AC a 1Hz
(2) Cómo variar la frecuencia
El tiempo de encender y apagar switches es variado para cambiar la
frecuencia.
Por ejemplo, repitiendo encendiendo S1 y S4 por 0.5 segundos y encendiendo
S2 y S3 por 0.5 segundos cómo es mostrado en la figura 16, crea una corriente
alternativa cuya dirección es invertida una vez en 1 segundo, es decir, corriente
alterna cuya frecuencia es de 1Hz.
Figura 17. Frecuencia
43
(3) Tres fases AC
El circuito básico de un inversor de tres fases es mostrada en la figura 18.
Figura 18. Circuito inversor básico de 3 fases
Cuando los switches S1 al S6 son encendidos y apagados en el orden que
se demuestran en la figura 19, igualdad de intervalo de pulso de onda son dados
entre U-V, V-W, y W-U, una onda rectangular de voltaje AC son aplicados al
motor.
Cambiando los periodos de encendido y apagado de estos switches, se
cambia la frecuencia deseada al motor, y cambiando el voltaje DC, él también
permite el voltaje de alimentación del motor para ser variado al mismo tiempo.
44
Figura 19. Cómo crear AC de tres fases
(4) Estructura del circuito de variador
En el variador actual, seis transistores (IGBTs) son usados en lugar de
switches para configurar el circuito cómo es mostrado en la figura 20. Con un
45
motor trifásico conectado, los transistores son encendidos y apagados
alternamente para controlar el motor. Cambiando la secuencia de encendido y
apagado de los transistores, cambia el giro del motor. (Álvarez Pulido Manuel,
2000).
Figura 20. Variador transistorizado
46
1.4 Sistemas de control del variador
Tabla I. Comparación del sistema de control
1.4.1 Control V/f
(Schibli N. Nguyen & Rufer A., 2004) Cuando la frecuencia (f) es variado, la
relación de voltaje de salida (V) se vuelve constante cómo es indicado en la línea
punteada en la figura 22.
47
En este sistema, un torque no se desarrolla suficiente desde que el voltaje
actual es reducido a una caída de voltaje en el cableado y el devanado primario
del motor. El fenómeno tiene una gran influencia en las velocidades bajas. Por
tanto, una caída de voltaje es pre-estimado, y el voltaje es incrementado por una
cantidad indicado por la línea continua en la figura 22 para compensar la escasez
de torque a baja velocidad. Esto es llamado Torque de Arranque.

Si el torque de arranque es muy grande, el torque generado es suficiente,
pero una corriente excesiva fluye, causando que el variador sea más
propenso a tener una sobre corriente (OCT).
Figura 21. Diagrama de control de bloque V/f
48
Figura 22. Patrón V/f
1.4.2 Control vector de flujo magnético
La salida de corriente del variador es dividido en una corriente de excitación
y una corriente de torque por el vector de operación, la frecuencia y el voltaje son
compensados por una corriente de alimentación apropiado al torque de carga para
mejorar el torque en velocidad baja y la precisión de velocidad.

La corriente de salida (corriente de motor) del variador es dividido en una
corriente de excitación (corriente requerida para generar el flujo magnético)
49
y la corriente de torque (corriente proporcional al torque de carga) por la
operación de vector acordando por cada fase de la corriente relativa a la
salida de voltaje.
Figura 23. Vector de corriente

La velocidad actual del motor es estimada de la corriente de torque para
compensar (el aumento o disminución) la salida de frecuencia para alcanzar
la salida deseada.

Cuando la corriente del motor varia con la fluctuación de carga, la caída de
voltaje del devanado primario del motor (incluyendo el cableado) también
cambia, influenciando la magnitud de la corriente de excitación.
Esta caída de voltaje es encontrada en el motor, las constantes primarias
del cableado primaria, la magnitud de la corriente de torque, y la salida de voltaje
50
del variador es compensado para (incrementar o decrementar) mantener el flujo
magnético primario del constante del motor.
Figura 24. Diagrama de bloques de control vectorial de flujo magnético
1.4.3 Control vectorial
La magnitud de una carga, es conocida detectando la velocidad con el PLG
y encontrando el deslizamiento del motor por cálculos computados. Usando la
magnitud de la carga encontrada en el camino, la salida de corriente del variador
es dividido en una corriente de excitación y una corriente de torque por una
operación de vector, la frecuencia y el voltaje son controlados para alimentar de
forma óptima las corrientes respectivamente.
51
Equipado con una corriente de retroalimentación de control, diseñado para
computar la corriente de excitación necesaria y la corriente de torque individual, el
control vectorial responde rápidamente a la variación de carga por la corriente de
control de torque (rápida respuesta), habilitando el control de torque.
Para computar la corriente de precisión, un motor dedicado definiendo las
constantes de motor debe de ser usado la precisión PLG (detector de velocidad)
por control vectorial. Cuando con el motor usado se provee con PLG, el autotunning se debe de hacer para obtener las constantes del motor.
Figura 25. Diagrama de bloques del control vectorial
52
1.5 Características del torque de carga
1.5.1 Tipos de carga
Cómo es indicado en la expresión (1.9), la salida del motor es directamente
proporcional al producto de torque de carga y velocidad.
……………………………………………………………….. (1.9)
Donde, P = Salida [kW], T = torque [kg • m], N: velocidad [r/min]
Existen varias relaciones entre el torque y la velocidad, las cuales son clasificadas
de la siguiente manera:
1) Carga de torque constante (T = constante): Si la velocidad varia, y el torque
varía muy poco.
2) Carga de salida constante (T x N = constante): Mientras la velocidad sube,
el torque es más pequeño.
3) Carga variable de torque cuadrático: Mientras la velocidad baja, el torque
53
(T/N² = constante) también es reducido
Cuando el motor es controlado por el variador a una velocidad, se debe de
entender que las características de la carga a seleccionar entre el variador y el
motor. De lo contrario, no se puede exponer plenamente su rendimiento ni sus
defectos, de este modo el sobrecalentamiento puede ocurrir.
(1) Carga de torque constante
Un patrón V/F donde la región de caída de voltaje de baja velocidad es
compensada dentro la constante de control V/F es usado para ejercitar el control
de velocidad. Esta compensación se hace generalmente en un variador
transistorizado. Cuando un motor estándar es controlado, el torque a usar es
restringido debido a un aumento de la temperatura a una velocidad baja del motor.
Cuando el torque constante es necesario también en la región de baja
velocidad, el uso de un motor de torque constante, será efectivo por que el uso de
un motor estándar hará que el motor y el variador sean tamaños muy grandes y no
será económico.
54
(2) Carga de salida constante
Desde que la salida de control constante de voltaje del variador se lleva a
cabo en el rango de frecuencia más alto que la frecuencia comercial, el torque
generado por el motor tiene una salida característica constante, y un motor
estándar y un variador transistorizado puede ser combinado sin problema.
Sin embargo, cómo constante de control V/f es ejercitado en el rango de
frecuencia más bajo que la frecuencia comercial, el torque generado por el motor
tiende a ser opuesta a la carga de torque y la combinación de un motor estándar y
de un variador transistorizado será difícil ejercer dicho control. Por tanto, el diseño
designado es deseado.
(3) Carga variable de torque cuadrático
Ya que una carga a baja velocidad sería extremadamente pequeña, no hay
problemas en aspectos de temperatura, torque, y una perdida se incrementa
debido a la operación del variador a la velocidad nominal.
55
Efectos de ahorro de energía producidos por la operación variable de
velocidad puede ser esperado en un damper y en una válvula de control.
Usando el patrón V/f cómo es indicado por la línea punteada en la figura 26,
así el voltaje así cómo disminuye la frecuencia para mejorar la eficiencia del motor,
produciendo un mayor efecto en ahorro de energía.
Lo que se debe de tener en cuenta en el manejo de carga variable de
torque cuadrático no es incrementar la frecuencia fácilmente desde el aumento de
la velocidad sobre la frecuencia comercial incrementara abruptamente la potencia
más allá de las capacidades del motor y el variador, lo que lleva a una inoperancia
o sobrecalentamiento.
56
Figura 26. Patrón V/F de un variador transistorizado
1.5.2 Características del torque de carga y patrón V/f
Las características del torque de carga pueden variar con las aplicaciones.
Los ejemplos típicos y patrones aplicables están dados en la figura 27. El patrón
característico V/f apropiado para la carga característica puede ser seleccionado en
la operación del variador. (Schibli N. Nguyen & Rufer A., 2004).
57
Figura 27. Tipos de carga y patrones V/f
58
2. CARACTERÍSTICAS DEL VARIADOR EN AHORRO DE
ENERGÍA
2.1 Principio básico del ahorro de energía con un variador
(I.Q. Soto Cruz Juan José, 2001) Una maquinaría manejada con motores
varía el torque de carga con velocidad.
Por el otro lado, desde que la salida del motor es directamente proporcional al
producto del torque de carga y velocidad cómo se indica en la expresión (1.2), la
salida requerida varía con la velocidad.
Salida del motor
P = T x N/974 η [kW] ……………………………………. (2.1)
T: Torque de carga del motor equivalente del eje [kg • m]
N: Velocidad del motor [r/min]
η: Eficiencia de la maquinaria
Cómo un motor estándar no puede ser variado en velocidad generalmente,
el método siguiente es usado para variar velocidad:

Para una carga de torque constante, un acople es previsto entre el motor y
la carga (por ejemplo, el acople de sobre corriente del motor); o
59

Para una carga de torque variable cuadrática, una válvula o parecido es
usado para suprimir el volumen de aire o el agua. De cualquier manera,
desde que la velocidad de un motor estándar es constante, la salida del
motor (P = T x N/974_) varia un poco si la velocidad de la carga o la
variación de volumen de aire/agua, lo cual significa que el resultado (P –
PL) de restar la potencia requerida de la salida del motor es desperdiciado
cómo perdida térmica en el acople.
Por lo tanto, controlando un motor estándar con la potencia del variador
para variar la velocidad directamente, reducirá la salida del motor de acuerdo con
la frecuencia (P = PL), garantizando el ahorro de energía no solo para el torque de
carga variable, también para el torque de carga constante.
Cuando un motor estándar es controlado por un variador, la salida del
variador será la frecuencia f apropiada para la velocidad del motor, y la salida del
voltaje
V a ese tiempo es determinado por el V/f = al patrón de torque constante de
salida.
60
Por lo tanto, cuando el motor se ejecuta a velocidad media f, es decir, las
caídas del voltaje de salida V, y por lo tanto la potencia de salida V x I del variador
reduce si la salida de corriente I es constante.
Por ejemplo, cuando el motor se ejecuta por el variador a 30Hz para reducir
a la mitad la velocidad (de 60Hz a 30Hz), la salida de voltaje del variador es
reducido a la mitad según el patrón V/f en la expresión (1.5):
Por tanto, la potencia de salida del variador es reducido a la mitad.
En consecuencia, la entrada de corriente es reducida, disminuyendo el consumo
de potencia. Esto es, disminuyendo la salida del motor naturalmente reduce la
potencia de de entrada del variador.
Es decir, comparado a otros sistemas (por ejemplo la operación con energía
comercial y resistencias de control), “minimiza las perdidas producidos por otros
dispositivos y minimizando la salida del motor para eliminar el consumo de
potencia desperdiciado, este es el principio básico del ahorro de energía por el
61
variador”, el método de ahorro de energía difiere entre los tipos de cargas, tales
como los de torque de carga constante cuyo torque de carga varia poco si la
velocidad cambia y el torque de carga variable cuyo torque de carga reduce si la
velocidad disminuye.
2.2 Características del torque variable (ventilador/bomba)
Dado que el torque de carga varía en proporción directa al cuadrado de la
velocidad, la potencia del eje es directamente proporcional a la tercera potencia de
la velocidad. Disminuyendo la velocidad del motor, reduce la potencia del eje
mucho más que un torque de carga constante, produciendo más grandes los
efectos de ahorro de energía.
Aplicaciones típicas son ventiladores, bombas, etc.
Torque de carga T…. Directamente proporcional al cuadrado de la velocidad
o (N) (T N²)
Potencia de eje P…... Directamente proporcional a la tercera potencia de la
o velocidad (N) (T N³)
62
2.2.1 Potencia requerida PL para operación con potencia comercial
La expresión siguiente es establecida por un torque de carga variable:
P = T x N/974η = (KN²) x N/974 η = K x N³/974 η
(K=constante proporcional)...(2.2)
Ya que la salida del motor es directamente proporcional a la tercera
potencia de la velocidad, mayores efectos de ahorro de energía es producido.
Una típica carga de torque variable es un ventilador o una bomba, y su
potencia (llamado potencia de eje) es indicado en la expresión (2.3). El
comportamiento de estos es representado por la curva Q-H (Referencia en las
figuras del 28 al
31), donde la eficiencia y la potencia de eje PL son representadas
simultáneamente.
PL = 1.63H x Q/ η [kW] ……………………...……………………. (2.3)
H : Presión [kg/cm²]
Q : Volumen de aire/agua (m³/min)
63
Figura 28. Características de una bomba con energía comercial
Figura 29. Características de un ventilador con energía comercial
Las características de las curvas de una bomba y un ventilador (figura 28,
figura 29) representa la presión estática (H), eficiencia (_) y una potencia de eje
64
(PL) relativamente al caudal o al volumen de aire cuando el motor esta operando a
la velocidad nominal con la energía comercial.
El caudal o el volumen de aire son ajustados por una válvula o un damper.
Lo que llama la atención de estas curvas características son:

La eficiencia es 0 cuando Q es 0, es decir, cuando el volumen de aire/agua
es cero, la potencia del eje es necesario si la bomba o ventilador esta en
funcionamiento.
La baja eficiencia resulta un recordatorio de substrayendo la potencia de eje
requerida de la salida del motor es desperdiciado cómo perdida térmica en el
acoplamiento o en el damper.
Cómo el caudal o el volumen de aire son más pequeños, la eficiencia es más baja
y la proporción de residuos es mayor.
Nota: Desplazamientos positivos en bombas y ventiladores son típicamente
bombas de engranajes, bombas de veleta y sopladores de raíces son torques de
carga constante.
65
2.2.2 La comparación del ahorro de energía entre el control de velocidad
y el control de la válvula
Cuando la velocidad de la bomba/ventilador es variada, la curva
característica varia en acuerdo con la siguiente regla.
El caudal o el volumen de aire son
directamente proporcionales a la
velocidad
Q N
La presión estática es directamente
proporcional al cuadrado de la
velocidad
H N²
Por lo tanto, la potencia de eje es
directamente proporcional al cubo de
la velocidad
PL N³
66
Figura 30. Características de una bomba a diferentes velocidades
Cuando la velocidad varía de N1 a N2 cómo es mostrado en la figura 30, el
caudal, la presión y la potencia de eje varían de Q1, H1 y P1 a P2,
respectivamente. (Desde que el caudal Q2 está en la intersección con la curva de
la resistencia de tubería en condiciones de operación actual, ambos H2 y P2 son
ligeramente diferentes).
La bomba será usada cómo un ejemplo para explicar la comparación del
ahorro de energía entre el control de velocidad y el control de válvula.
Las características principales que determinan las especificaciones de bomba son
el total de cabeza (H) y el caudal (descarga) Q [m³/min].
Q es determinado por el valor máximo de volumen de agua usado, y el total de
cabeza es encontrada por la expresión (2.5).
67
Total de cabeza H [m] = Ha + H1 = (Hd + Hs) + H1 …………………….… (2.5)
Ha: Cabeza actual
(Nivel de agua diferencia entre el nivel de descarga y nivel de succión)
Hd: Lado de descarga, actual cabeza
Hs: Área de succión, actual cabeza
HI: Perdida de cabeza debido a tuberías, válvulas, etc.
(Incluyendo la presión de agua final)
Desde HI (perdida de cabeza) varia con el caudal, es indicado en la citada
curva Q-H cómo una curva de resistencia de tubería, y además la rampa de esta
resistencia es variada cuando existe una válvula de flujo ajustable a cualquier
punto de la tubería.
68
Figura 31. Características dentro del control de válvula
El punto donde la bomba opera dentro del control de la válvula es el caudal
Q1 a la intersección de la curva Q-H a la velocidad nominal de la bomba y perdida
de cabeza H1 debido a la tubería, válvula, etc. Cuando la válvula está
completamente abierta, y la bomba opera con la presión H1.
Cuando la válvula es controlada para reducir el flujo de Q1 a Q2, la curva
de resistencia de la tubería cambia a B y la presión de la bomba se eleva a H2,
pero la potencia de la bomba decrece ligeramente de P1 a P2‟ en acuerdo con la
curva Q-PL (Eje de Potencia) a la velocidad nominal en la figura 28.
69
De cualquier manera, la presión de la bomba es requerido al caudal Q2 es
H‟ a la intersección con la curva de la resistencia de la tubería A, y H2-H‟ es una
presión extra. Esta presión extra puede dar efectos adversos en las tuberías de
agua y la liberación a través de una válvula de control de la presión.
Adicionalmente, la potencia P‟ es desperdiciado.
Consumo de potencia desperdiciado P’
P’ = 1.63 (H2 – H’) x Q2/ η …………………… ………….………. (2.6)
Por lo tanto, la operación más ideal puede realizarse operando la bomba a
un velocidad variable a N2 necesitado para un caudal Q2 (velocidad reducido de
N1 a N2) con la válvula completamente abierta para operar la bomba a la
intersección de de curva de la resistencia de la tubería A en una velocidad N2 con
la curva Q-H (Q2,H‟).
√
√( )
……………………..……………...…….. (2.7)
70
Se debe de notar que el ahorro de energía actual es la válvula donde la
eficiencia del motor η1 a N1 y que la eficiencia total del motor-variador η 2 a N2
son considerados más adelante por la potencia del eje cuando Q1 (N1) es
reducido a Q2 (N2) en la curva mencionada Q-P (eje de potencia).
Ahorro de potencia = (P2’/ η 1) – (P2/ η 2) ………………………………… (2.8)
2.2.3 Comparación en ahorro de energía de los métodos de control
Para operación comercial, el damper o válvula es generalmente usado para
el control de volumen de aire o caudal de agua ya que el motor opera a una
velocidad constante. De cualquier manera, la reducción de la potencia del eje no
es esperado en este sistema porque la pérdida del damper o válvula ocurrirá si el
volumen de aire o flujo es disminuido. (Referirse a la figura 32)
El volumen de aire o caudal es directamente proporcional a la velocidad, el
“control de velocidad” el cual ajusta el volumen de aire o caudal por un motor que
este lo maneja un variador de frecuencia para variar la velocidad, la salida del
motor será según la velocidad, así ahorrando energía eléctrica.
71
El sistema del “variador de frecuencia” el cual puede ser usado en un motor
estándar, y así llevado a una optima velocidad de trabajo (es decir, ahorro de
energía), cuando es usado un variador transistorizado, son ventajosos por su
disponibilidad, fiabilidad entre otros aspectos.
Específicamente, cómo es indicado en el área sombreada en la figura 33,
cambiando la velocidad (volumen de aire) al 50%, reduce la potencia de eje del
motor a (1/2)³ = 1/8 cómo es comparado cuando la velocidad esta a un 100%.
Figura 32. Operación característica del ventilador
(volumen de aire/velocidad potencia característica requerida)
72
Figura 33. Tipos de carga y efectos del ahorro energético
El “actual sistema de acoplamiento” y el „intercambiador de fluido de
velocidad” que se usan convencionalmente cómo control de velocidad causan
grandes pérdidas de acoplamiento por el motor y la carga, esto tiene un efecto
menor en el ahorro de energía comparado con un variador de frecuencia.
Ejemplos de referencia para efectos de ahorro de energía
Asumiendo que un motor de 15kW sea operado por un año al 60% del
volumen de aire, básicamente 24 horas al día y 300 días al año, el ahorro
73
energético es calculado con el precio unitario de 86 centavos/kWh (en una
empresa). (I.Q. Soto Cruz Juan José, 2001).
1) Con variador
15 kW x 0.3 x 24h x 300 días = 32,400kWh ………… Q. 27,864
2) Con damper (lado de descarga)
15 kW x 0.9 x 24h x 300 días = 97,200kWh ………… Q. 83,592
Por lo tanto, con el variador se obtiene un ahorro de 83,592 –
27864 = Q. 55,728
3) Con damper (lado de succión)
15 kW x 0.6 x 24h x 300 días = 64,800kWh ………… Q. 55,728
Por lo tanto, con el variador se obtiene un ahorro de 55,728 27,864 = Q. 27,864
74
3. METAS TECNOLÓGICAS DEL VARIADOR EN
APLICACIONES DE AHORRO DE ENERGÍA
3.1 Metas tecnológicas en aplicaciones de ahorro de energía
Entre las metas tecnológicas de la operación de un variador, existen los
siguientes artículos relacionados a las aplicaciones de ahorro energético.
Algunos artículos ya han sido resueltos, aun así, la reducción de ruido o parecido
puede causar un nuevo problema dependiendo de cómo el ruido es reducido.
Tabla II. Tipos de metas tecnológicas
75
3.2 Factor de potencia y eficiencia
3.2.1 Eficiencia del motor y variador
(Aranda Usón Alfonso & Díaz de Garaio Sergio, 2010) Las perdidas ocurren
en la sección del convertidor del variador, ya que el variador es un convertidor de
potencia el cual consiste de un convertidor hacia adelante (convertidor) y el
convertidor reverso (variador) cómo es descrito en la sección anterior.
Generalmente, la adopción del variador se dice que ahorra energía. Su relación
será descrita usando la expresión de la relación entre la entrada de potencia del
variador y la eficiencia.
Figura 34. Relación de potencia de entrada y salida
1) Eficiencia =
Salida
Entrada
=
Salida .
Salida + Perdida
2) Entrada del variador Pin = entrada del motor Pm + Perdida del variador Winv =
76
Entrada del variador Pin =
Salida del variador Pm .
Eficiencia del variador _m
3) Potencia de entrada del motor Pm = Salida del motor Pout + Perdida del motor
Wm = Potencia de entrada del motor Pm =
Salida del motor Pout .
Eficiencia del motor _m
4) Potencia de salida del motor Pout = Salida del torque del motor + velocidad del
motor = Potencia de salida del Mmtor Pout =
Potencia de la máquina .
Eficiencia de la máquina
Por lo tanto, la potencia de entrada del variador es de la siguiente forma.
Potencia de entrada del variador = Salida del motor + Perdida del motor +
Perdida del variador =
Salida del motor …........…………………………(3.1)
Eficiencia total
Donde
Eficiencia total = Eficiencia del variador ηinv X
Eficiencia del motor con variador ηm................................. (3.2)
Cómo se entendió en la expresión (3.1), la pérdida del motor es mayor con
la operación del variador que con la operación con energía comercial debido a la
77
influencia de armónicos, etc., y crece con la pérdida del variador, la entrada de
potencia en operación del variador es siempre más alta que la potencia de
operación con energía comercial cuando un motor trabaja al mismo tiempo.
Sin embargo, al disminuir la velocidad del motor con el variador, reduce la
salida del motor, en consecuencia la entrada de potencia requerida es menor a
una menor velocidad si el torque de carga es constante.
(Para una carga de torque variable cómo un ventilador o una bomba, la entrada de
potencia es mucho más bajo, resultando así un ahorro energético.) La figura
40 demuestra datos eficientes totales. (Aranda Usón Alfonso & Díaz de Garaio
Sergio, 2010).
78
Figura 35. Eficiencia del variador y eficiencia total
(100% carga, salida de frecuencia 60hz)
3.2.2 Entrada de corriente del variador y mejora del factor de potencia
(Rolan Viloria José, 2002) Un factor de potencia es generalmente
encontrado por el ángulo de fase Ø del voltaje y la corriente cómo es mostrada en
la figura 36.
79
Figura 36. Forma de onda de entrada de voltaje/corriente
De cualquier manera, ya que la entrada de corriente del variador tiene una
forma de onda distorsionada el cual incluye armónicos cómo es descrito en la
sección anterior, no puede ser definido por cos_ (el valor medido con un medidor
de factor de potencia es 1).
Por otro lado, cómo el factor de potencia es equivalente a la relación de la
potencia activa a la potencia aparente, es encontrada por la expresión (3.3) para el
variador.
Factor de potencia =
Potencia activa .
Potencia aparente
Factor de potencia =
Potencia activa Pin .
Potencia activa + Potencia reactiva
Factor de potencia =
Potencia de entrada del variador
………...........(3)
√ x Voltaje de alimentación x Corriente de entrada del variador
80
La forma de onda de la entrada de potencia del variador varia el factor de
distorsión de la forma de onda con la impedancia de la potencia de entrada
(reactancia del transformador, cable y parecidos), resultando un cambio en la
corriente de entrada (efectiva).
Cómo crece la reactancia de la potencia de la alimentación, la corriente
disminuye, mejorando el factor de potencia. Inversamente, cuando el variador es
instalado extremadamente cerca a un transformador de gran potencia, por
ejemplo, la corriente se incrementa cómo la reactancia disminuye, empeorando así
el factor de potencia.
Por tanto, una forma efectiva forma de mejorar el factor de potencia es
incrementar la reactancia de la potencia de la alimentación. Entonces instalar:

Un reactor en la entrada AC (mejorando el factor del reactor AC incrementa
el factor de potencia aproximadamente un 90%)

Un reactor en el circuito de DC (mejorando el factor de potencia del reactor
DC incrementa el factor de potencia aproximadamente un 95%)
81
Desde que el factor de potencia varia generalmente entre 0.6 y 0.9 con la
condición de la reactancia de la alimentación de potencia cómo es descrito arriba,
la ecuación de corriente = potencia no incluye.
Por lo tanto, la entrada de corriente del variador puede volverse menor que
la corriente del motor a la salida del torque nominal.
*Para la operación con potencia comercial, el factor de potencia del motor es casi
constante entre 0.75 y 0.85 y de esta manera si incluye la ecuación corriente =
potencia. (Rolan Viloria José, 2002).
Ejemplos de formas de onda de corriente medidas
Instalación de un reactor de mejora de potencia tiene las siguientes
ventajas ya que disminuye la corriente de entrada.

Los periféricos de entrada del variador (transformador, contactores
magnéticos, cables) deben de ser seleccionados para disminuir tamaño.

Los armónicos de corriente de salida son reducidos

El variador puede ser protegido por picos de voltaje del lado de la
alimentación.
82

La valor de la potencia pico de entrada en el circuito convertidor puede ser
suprimido.
Figura 37. Sin reactor de potencia (20 hz de operación, forma de onda de corriente)
83
Figura 38. Con reactor de potencia
(20 hz de operación, forma de de corriente)
84
CAPÍTULO II
SITUACIÓN ACTUAL DEL PPROBLEMA
85
CAPÍTULO II
1. Situación actual del problema
Los criterios seguidos para la realización del presente proyecto se basan en
el estudio de las condiciones actuales de la producción de tratamiento de aguas
residuales, así como de las características y cualidades de la materia prima y su
demanda, enfocándola a un producto de gran calidad y buscando la flexibilidad en
el sistema a proyectar.
1.1 Características físicas
La conducción tiene una longitud aproximada de 2,500 metros, el diámetro
es variable desde 18” hasta 6”, el material es acero al carbón cedula estándar
principalmente y PEAD (polietileno de alta densidad) en el tramo inicial. La tubería
está enterrada sólo en la parte de PEAD o en los cruces con vialidades dentro de
la refinería, el acero esta en forma superficial sobre apoyos y a partir del enlace de
1+100, va elevada aproximadamente 8 metros sobre el nivel del piso junto con
otras tubería de la refinería en “racks”.
La conducción presenta una gran cantidad de codos (verticales y
horizontales) y accesorios, las coordenadas fueron obtenidas mediante un GPS
(Sistema de Posicionamiento Global),
correlacionadas al mapa fotográfico del
86
INEGI (Instituto Nacional de Estadística Geografía)
donde adicionalmente se
obtuvieron datos de elevación. Ver figura 39.
Conduce el agua tratada hacia 5 torres de enfriamiento indicadas en el
plano. El caudal entregado a cada una se estima de la siguiente forma:
CT 503 - 80 lps; CT 504 - 20 lps; CT 501- 30 lps; CT 502 - 60 lps; CT 500 - 15 lps.
Figura 39. Trazo del conducto agua tratada Refinería PEMEX Tula, Hgo.
87
1.2 Características de operación
Con la intervención del personal operativo se tomaron los datos en
condiciones de bombeo con 178 lps, 208 lps y 218 lps. Asumiendo la entrega de
agua a torres de enfriamiento. Con las características de las tuberías y sus
accesorios se estimó la piezometría, (representación de presiones) es de la forma
indicada en la Figura 45, de la cual se tienen los siguientes comentarios:
1. Las pérdidas de energía por accesorios y piezas especiales son
significativas debido a su gran número, del orden del 20%.
2. De acuerdo a las ecuaciones de flujo se estima que al final de la conducción
existe una presión del orden de 2 Kg / cm2 lo cual indica las posibilidades
de una mayor elevación del perfil de la tubería, las válvulas de entrega a las
torres de enfriamiento están estranguladas en exceso, faltan eliminadoras
de aire en los codos verticales o bien una combinación de los puntos
anteriores.
3. La presión de operación en las bombas de agua tratada es del orden de los
12.3 Kg/cm2 (175 pulgadas2 para un caudal de 208 lps, excediendo las
especificaciones de trabajo de tubería de PEAD (9.5 Kg/cm 2) y de válvulas
y accesorios (125-150 in2).
88
4. La falta de flexibilidad en operación obliga a estrangular las válvulas a la
salida de bombas, a “re circular” agua bombeada.
5. No existe sistema de protección para efectos de golpe de ariete por paro de
bombas.
Figura 40. Perfil del conducto agua tratada Refinería PEMEX Tula, Hgo.
89
1.3 Operación futura
Conducir a la refinería del orden de 240 a 260 lps en las condiciones
actuales, sugiere 2 Kg/cm2 adicionales de presión en las bombas (ver Figura 41
debajo línea color rojo). Lo cual no es posible por las características del impulsor y
la potencia de motores, además no es recomendable ya que la presión de trabajo
en tuberías ya está sobrepasada.
Figura 41. Perfil del conducto agua tratada Refinería PEMEX (2)
90
Por lo que es obligado el optimizar la conducción buscando la forma de
disminuir las pérdidas de energía, así como reducir las sobrepresiones por
estrangulamiento de válvulas en los puntos de entrega (torres de enfriamiento).
1.3.1 Siguientes acciones
Dentro de las instalaciones de la planta de tratamiento los medidores de
presión presentan incongruencia ya que no es posible una lectura mayor en el
manómetro cercano al medidor de caudal que el de la salida de las bombas, por lo
que se sugiere la verificación mediante el cambio de los mismos.
Hay que definir el comportamiento de las bombas a diferente velocidad de
rotación así como el orden de magnitud de inversión para la instalación de
variadores de frecuencia, estando en contacto con la fábrica de las bombas
trabajando en proporcionar esta información.
1.3.2 Comportamiento electromecánico
El sistema de bombeo de agua tratada cuenta con tres unidades (A, B, C)
de las cuales una está en Stand-by. Fueron modificadas las características de los
91
equipos en el año 2004 con una capacidad de bombeo de 140 lps cada uno con
una CDT (Cabeza Dinámica Total) de 120 m.c.a. (metros columna de agua), por lo
cual se hizo necesario el empleo de motores de 350 HP en cada unidad.
Como se ha descrito se realizaron mediciones para las condiciones de
bombeo con 178 lps, 208 lps y 218 lps. Debido a la nula flexibilidad de manejo de
caudal, el control del mismo se hace mediante el estrangulamiento de válvulas de
mariposa a la salida de cada bomba y/o la recirculación de agua bombeada
retornándola al tanque de agua tratada. En ambas condiciones la consecuencia es
la misma, es decir el desperdicio de energía.
El resultado de acuerdo a las mediciones efectuadas muestra la factibilidad
de reducir del orden de $50,000 pesos / mes sólo con evitar tener que estrangular
válvulas y re circular el agua, esto para el régimen de bombeo de 204 lps.
Si consideramos adicionalmente reducir las pérdidas de energía excesivas
por falta de accesorios o por estrangulamientos excesivos en las descargas a
torres de enfriamiento, la cantidad de ahorro es del orden de $70,000 pesos /
mes.
92
En vista del compromiso de Atlatec para entregar el caudal a 7 kg/cm2 en
las instalaciones de PEMEX, si se hacen adecuaciones mayores como tuberías en
paralelo el monto de ahorro de energía es considerablemente mayor, o bien la
posibilidad de hacer el cargo adicional por “extra potencia” usada.
En la siguiente tabla se representan datos de consumo actual de las
bombas BC-302 A/B/C.
Tabla III. Consumo actual de energía
CONSUMO ACTUAL
Equipo
Bomba de envío a Refinería
BC-302A
BC-302B
BC-302C
Total de energía
eléctrica
1
1
1
3
HP
350
350
350
1050
HP total
350
350
350
1050
1
-
1
2
350
0
350
700
Tiempo de operación hr/mes
730
730
730
2190
Carga
87%
-
72%
79%
221,742
-
182,689
404,431
Amparaje
386
-
386
1,158
Amparaje consumido
335
-
276
611
165,419
-
136,286
301,705
TAG
N0. de equipo
Equipos en operación
Operación HP
Potencia total HP/mes
kWh/mes
Diferencias entre bombas en
kWh/mes
Flujo (lps)
29,133.62
-
190
-
En esta tabla se aprecia el consumo actual de los quipos de bombeo para un flujo
de 190 litros por segundo.
93
CAPÍTULO III
PROPUESTA DE SOLUCIÓN AL PROBLEMA
94
CAPÍTULO III
1. Propuesta de solución al problema
En conclusión el problema es que el cliente no es constante en la solicitud
del líquido, es decir que en ciertos momentos solicita el máximo de flujo y otros
solicita la mitad de flujo o menos, de tal forma que para poder cumplir con el
cliente cuando solicita flujo que nuestro equipo no puede mandar normalmente se
tiene la necesidad de desviar cierta cantidad de flujo de descarga al tanque de
almacenamiento y ayudarnos estrangulando la válvula de mariposa de descarga
generando sobrecarga al motor y fricción en la línea de descarga.
Una de las soluciones más práctica y rentable para cumplir con el cliente,
es la instalación de un variador de frecuencia de 460 volts para una capacidad de
350 HP´s , marca General Electric la cual de la evaluación de los equipos éste fue
el que cumple con las expectativas técnicas, de calidad y costo, con la instalación
de este equipo cumpliremos con los objetivos trazados que son ahorrar energía
eléctrica, cumplir con el envió de acuerdo a las necesidades del cliente, no
reprocesar líquido, disminuir la fricción que genera el estrangulamiento de la
válvula sobre la tubería.
95
2. La propuesta
En el siguiente apartado se explica la metodología propuesta a partir del
conocimiento de una necesidad de implementar un VDF para lograr eficientar el
ahorro de energía en las bombas de envío de efluente, para que nos permita
cumplir con la reducción en el costo de energía. A continuación se describe paso a
paso el desarrollo del mismo a partir del uso y aplicación de dicho sistema.
La propuesta que a continuación se presenta en este capítulo consiste en la
automatización del motor, el cual como ya se mencionó es solo ajuste
en la
presión de la bomba debido a los requerimientos del cliente, de aquí partimos
porque es donde se consume la energía de dicho sistema, una por caída directa
de la presión (estrangulación) y la segunda por el aumento del flujo en la bomba
(recirculación).
Los datos descritos en el capítulo anterior nos ayudó
también para
concentrarnos en las máquinas de energía que funcionan más de ocho horas al
día, para tal caso se determinó ser un aplicación de carga variable, el cual se tuvo
en cuenta el uso de un variador, porque tradicionalmente, los motores de bombas
96
y ventiladores funcionan a cinco velocidades fijas para bombear el flujo máximo a
través del sistema.
Como consecuencia, los costos de energía permanecen constantemente
altos, aunque está realmente varía de acuerdo al régimen de flujo. Las bombas
representan > 50 % de uso de motores, muchos están sobredimensionados y
están funcionando con una eficiencia inferior a la óptima, reduciendo la velocidad
de la bomba en un 20% se puede ahorrar hasta un 50% de energía.
En la Fig. 42 se muestra una comparación del consumo de energía por válvulas
contra el control de velocidad variable en el sistema de bombeo.
Figura 42. Comparación del consumo de energía
97
2.1 Cálculos para la selección del variador de frecuencia
2.1.1 Situación de instalación y ambiente operacional
En este caso, la temperatura ambiente es de 25° C promedio y la humedad
relativa es 85% promedio. El ambiente es húmedo, por lo que el variador tiene que
ser instalado dentro de un ambiente seco, limpio y climatizado. En otras palabras
se debe instalar dentro de un cuarto de control completamente cerrado, que
contenga aire acondicionado.
2.1.2 Características eléctricas de alimentación
El voltaje para la alimentación del variador será de 460 VCA, 60 Hz.
2.1.3 Potencia del motor
La potencia del motor para este caso es de 350 HP.
2.1.4 Corriente del motor
Tomando en cuenta el motor de 350 HP tenemos:
√
98
√
2.2 Tipo de variador
Las armónicas son las componentes no fundamentales de la frecuencia de
una onda de energía eléctrica deformada a 60 Hz. Estas tienen frecuencias que
son múltiples enteros de la frecuencia fundamental de 60 Hz. En general, las
armónicas son producidas por equipo electrónico que, al estar presentes en la red
eléctrica, producen falsos disparos, calentamiento de conductores y bajo factor de
potencia. Debido a que los variadores con mayor número de armónicas son los de
6 pulsos, se elegirá uno de 12 pulsos, fuente de voltaje, con las secciones de
convertidor e inversor compuestas por IGBT, los cuales tienen una repuesta más
precisa en la etapa de switcheo y generan menos armónicas.
99
2.3 Cálculos para seleccionar la alimentación del sistema
La carga de alimentación del sistema se calcula para 3 motores de 350 HP
con un factor de potencia de 0.96 y un transformador de 23 Kv para arranque y
equipo auxiliar en bajo voltaje, de acuerdo a la Figura 43.
Figura 43. Diagrama unifilar del proyecto
100
Entonces se tiene:
3 motores 350 HP c/u = 1,050 HP = 782.98 Kw
1 transformador 23 Kv = 11,155.42 Kw
Calculando la corriente nominal para la carga total, tenemos:
√
√
101
2.4 Dimensionamiento de conductores para alimentación de sistema motor
y variador de frecuencia
Para la alimentación del sistema motor y variador
se utilizarán cables
aislados, los cuales podrán ser de aislamiento seco termoplástico o termoestable
adecuado para el nivel de voltaje utilizado, que cumplan con las normas técnicas.
La instalación debe cumplir como mínimo las siguientes consideraciones:
-
El aislamiento del cable tiene que ser para 5 Kv
-
El cable debe ser del tipo apantallado con aislamiento XLPE
-
La longitud del cable entre el variador y el motor no debe ser mayor a 300m
En la siguiente figura se puede observar el diagrama de la instalación del sistema.
102
Figura 44. Alimentación eléctrica del sistema propuesto.
Para la alimentación de la barra principal, tenemos una corriente nominal de
1, 600 Amp. Una distancia de 400 m y un porcentaje de caída de tensión máxima
de 3%.
Calculando en área de los conductores para una distancia de 400 m se tiene:
103
√
√
229.6 mm2
Debido a que el área corresponde a un cable calibre 500 MCM MV-90 y según
tabla IV.
Tabla IV. Resistencia contra temperatura de diferentes calibres
104
Soporta 470 amperios, se calculará el calibre del conductor por medio de la
siguiente operación:
1600 / 470 = 3.4
Entonces se eligen 4 conductores calibre 500 MCM por fase para alimentar la
barra, lo que da una disponibilidad de 1,880 amperios.
Para la alimentación de la barra variable tenemos que existe una distancia de 25
m, pero por el valor de voltaje que se manejará y debido a que dicha barra es
partida y solo alimentará un motor a la vez, la caída de voltaje es despreciable.
Entonces, ya que la corriente de un solo motor es .341 Amp., para alimentar los
motores desde la barra variable, la caída de voltaje es despreciable, ya que el
cálculo para una distancia mayor a 400 m el porcentaje para cada motor es de 4/0
AWG por fase.
3. Arranque y pruebas
En el presente apartado, se describe el arranque del sistema propuesto, el tipo de
conexión y la forma de trabajo, con el funcionamiento de este modelo, se
pretende, mediante algunas mediciones efectuadas, demostrar en primera
instalándolo a un motor a 60 Hz conectado a un variador de frecuencia se puede
105
sincronizar a una fuente de frecuencia fija, en este caso la misma fuente que
alimenta el variador.
Dicho modelo se construyó utilizando los siguientes dispositivos:
-
Variador de frecuencia de 350 HP, 460 VCA, PWM
-
Motor eléctrico de inducción de 350 HP, 460 VCA
-
Contactores de 3 polos, 460 volts, 30 Amp.
-
Estaciones de mando para el control de los contactores
-
El transformador de potencia de 23 Kv
-
Interruptores automáticos de protección
Todos los dispositivos mencionados anteriormente se conectaron de la manera
que se muestra en la Figura 45.
106
Figura 45. Diagrama de conexión
3.1 Procedimiento de puesta en marcha del modelo
Se procede a energizar el modelo mediante el circuito principal desde la
fuente trifásica de 460 volts y 60 Hz. Al estar energizado el variador de
frecuencia, se empieza a aumentar la frecuencia poco a poco hasta llegar a
107
60 Hz. En este momento se medirán las formas de onda de las señales de
la salida del variador y la fuente de alimentación, con la ayuda de un
osciloscopio de dos canales. El resultado en la figura 46.
Figura 46. Formas de onda de las dos fuentes
En la figura anterior se puede observar la regulación de la tensión de la
salida variando la anchura de los pulsos. Esto permite que el funcionamiento del
motor se asemeje a uno alimentado por tensiones senoidales de la red.
Seguidamente, se energiza un sincronoscopio y observando el apuntador
del mismo, se procede a sincronizar el motor con la red de alimentación. Dicha
maniobra, se efectúa cuando las dos ondas se encuentran en fase como lo
muestra la figura 47 un instante antes de realizar la operación.
108
Figura 47. Ondas de voltaje en fase antes de la sincronización
Como se puede observar en la anterior figura, la diferencia de voltaje entre las dos
fuentes en ese instante es muy cercana a cero, por lo que es posible realizar la
maniobra seguramente en este instante. Cabe mencionar que durante la
operación de sincronización, no existió ninguna distorsión ni tampoco ningún
problema con el variador de frecuencia al quitarle la carga instantáneamente, ya
que todos los equipos modernos tienen protección por baja carga.
109
El propósito principal de este modelo es demostrar la posibilidad de sincronizar un
motor eléctrico de inducción accionado por un variador de frecuencia para el
ahorro de energía, sin tener ningún problema. A la vez, se puede utilizar el
variador de frecuencia como arrancador para varios motores eléctricos y así evitar
picos de corriente en el arranque sin necesidad de la instalación de un arrancador
para cada motor; aclarado que los motores trabajarán a su velocidad nominal.
Se podría decir también que al utilizar un sincronoscopio eléctrico, se puede
realizar la maniobra de sincronización de una forma más precisa y segura, ya que
este tipo de aparatos se pueden programar para que gobiernen automáticamente
el variador para llevarlos al punto en el que las diferencias de voltaje y frecuencia
de las dos fuentes sea muy cercana a cero.
110
CAPÍTULO IV
ESTUDIO COSTO - BENEFICIO
111
CAPÍTULO IV
1. Estudio Costo-Beneficio
1.1 Ambiente de la aplicación
La aplicación se realizó en Planta Tratadora de Aguas Residuales, en la cual
tienen un fuerte consumo energético, uno de ellos son 3 motores de 350 HP de la
mano con las bombas de envío (efluente). Actualmente estas máquinas trabajan
en arranque estrella delta (Y-Δ).
1.2 Beneficios del cambio de sistema
En este estudio vamos a poder apreciar la diferencia del sistema de control del
motor de la bomba, nos referiremos al sistema actual al proceso de arranque
estrella – delta (Y-Δ). y el sistema nuevo al control con variador de frecuencia.
Para empezar, tenemos las comparaciones de arranque de los dos sistemas.
112
Figura 48. Arranque con sistema actual
Podemos apreciar un pico bastante alto en el arranque con el arranque estrella
– delta (Y-Δ), tan alto que se logra apreciar bien en la gráfica y vemos el arranque
con el sistema nuevo. El variador forma una pendiente de corriente para llegar a la
corriente de consumo del motor.
113
Figura49. Arranque con sistema nuevo (variador de frecuencia)
A continuación vamos a visualizar detalladamente la gráfica de cerca con el
sistema actual.
114
Figura 50. Arranque con sistema actual detallado
Podemos apreciar un pico de corriente al cambio de contactores estrella-delta,
este es de 223.9 A y se produce actualmente cada vez que se apaga y enciende
el motor, para ver de cerca el comportamiento de la corriente con el arranque de
contactores, vemos la siguiente figura.
115
Figura 51. Tiempos de arranque con sistema actual
Vemos claramente el arranque en estrella, luego un tiempo muerto, y al
conectarse en delta se aprecia claramente el pico de corriente. Este pico de
corriente que dura poco tiempo (350mseg), afecta al motor con el sistema actual,
acortando así su tiempo de vida y como pudimos apreciar con el sistema nuevo, el
variador realiza una pendiente de corriente hasta llegar a la corriente requerida.
116
1.3 Ahorro en el cambio del sistema
Ahora, vamos a comparar el consumo (kWh) del motor, esta medición se efectuó
de 10 minutos, ya que consideramos que el comportamiento es igual en todo un
día en trabajo constante.
Tabla V. Consumo con sistema actual (estrella-delta)
CONSUMO ACTUAL
Equipo
Bomba de envío a Refinería
BC-302A
BC-302B
BC-302C
Total de energía
eléctrica
1
1
1
3
HP
350
350
350
1050
HP total
350
350
350
1050
1
-
1
2
350
0
350
700
Tiempo de operación hr/mes
730
730
730
2190
Carga
87%
-
72%
79%
221,742
-
182,689
404,431
Amparaje
386
-
386
1,158
Amparaje consumido
335
-
276
611
165,419
-
136,286
301,705.78
TAG
N0. de equipo
Equipos en operación
Operación HP
Potencia total HP/mes
kWh/mes
Flujo (lps)
190
117
Tabla VI. Consumo con sistema nuevo (variador de frecuencia)
Equipo
CONSUMO CON VARIADOR
BC-302A
BC-302B
BC-302C
Total de
energía
eléctrica
1
1
1
3
HP
350
350
350
1050
HP total
350
350
350
1050
1
-
1
2
350
350
350
1050
730
730
730
2190
-
54%
91%
72%
190,534
137,679
231,671
559,884
386
386
386
1,158
Amparaje consumido
-
208
350
558
kWh/mes
-
TAG
N0. de equipo
Equipos en operación
Operación HP
Tiempo de operación hr/mes
Carga
Potencia total HP/mes
Amparaje
Bomba de envío a Refinería
102,708.35 172,826.55
Flujo (lps)
190
118
275,534.91
Tabla VII. Comparación de ahorro de energía con instalación de un drive
CONSUMO CON
VARIADOR
TAG
Equipo
Bomba de envío a
Refinería
Total
BC-302A
BC-302B
1
1
2
HP
350
350
1050
HP total
350
350
1050
1
1
2
Operación HP
350
350
700
Tiempo de operación
hr/mes
730
730
1460
Carga
54%
91%
48%
137,679
231,671
369,350
Amparaje
386
386
1,158
Amparaje consumido
208
350
558
N0. de equipo
Equipos en operación
Potencia total HP/mes
kWh/mes SIN VARIADOR
165,419.70 136,286.08
301,705.78
kWh/mes CON VARIADOR
102,708.35 172,826.55
275,534.91
Flujo (lps)
190
Ahorro kWh/mes
26,170.88
Ahorro = kWh/mes SIN VARIADOR - kWh/mes CON VARIADOR
Ahorro = 301,705.78 - 275,534.91 = 26,170.88 kWh/mes
119
Tabla VIII. Lectura adquirida con medidor
Duración
Consumo kWh (en 10 min.)
10 minutos constante
2.79
2.55
Con estos datos, podemos hacer la proyección del consumo con el sistema actual
y el consumo con el sistema nuevo. Así se podrá apreciar el ahorro mensual al
cambiar de sistema el control de los motores.
Tabla IX. Cálculos de ahorro energético
Antes
2.79
419.03
10,056.85
301,705.78
3,620,469.36
Consumo
Consumo kWh (10 min.)
Consumo kWh (1 hr.)
Consumo kWh (1 día)
Consumo kWh (1 mes)
Consumo kWh (1 año)
Después
2.55
382.68
9,184.49
275,534.91
3,306,418.92
Con esto podemos obtener el ahorro diario al cambiar de sistema, este ahorro
seria de:
Sin Sistema – Con Sistema = Ahorro
10,056.85 -
9,184.49
120
= 872.36 kWh / día
Con un ahorro mensual de:
Sin Sistema – Con Sistema = Ahorro
301,705.78 - 275,534.91
= 26,170.87 kWh /mes
Y esto nos llevaría a un ahorro anual de:
Sin Sistema – Con Sistema = Ahorro
3, 620,469.36 - 3, 306,418.92 = 296,050.44 kWh / año
Tenemos un costo de kWh a 1.56, con esto podemos obtener el ahorro diario,
mensual y anual.
AHORRO DIARIO 872.36 * (1.56) = $1,360.88
AHORRO MENSUAL 26,170.87 * (1.56) = $40,826.55
AHORRO ANUAL 296,050.44 * (1.56) = $461,838.68
121
1.4 Inversión de la aplicación y taza de retorno
Cómo un complemento del estudio, se adjunta el precio de la inversión y lo
que incluye:
Variador de frecuencia para motores
Este precio incluye:
1. Variador de frecuencia de 350 HP en 460 v.c.a.
2. Software de programación, ajuste y monitoreo
3. Asesoría para la instalación y puesta en marcha así como el uso de
software.
4. Asesoría para la operación y recomendaciones de mantenimiento.
PRECIO: $ 17,003.00 USD
$199,275.16 MN
Se debe tomar en cuenta que el tiempo de vida útil de los variadores de
frecuencia General Electric es de 10 años.
122
Tomando en cuenta que el variador se paga en 5 meses podemos ver que
existe un ahorro de 7 meses en energía eléctrica por año.
Como mencionamos anteriormente, son 3 bombas, entonces podemos
deducir que el ahorro instalando un variador de frecuencia en cada bomba,
haciendo la misma inversión en cada bomba, obtenemos lo siguiente:
Precio de inversión en los 3 motores: $ 597,825.48
123
CONCLUSIONES
Se puede plantear que la aplicación de los variadores de velocidad en el
control de motores eléctricos, cómo en sistemas de bombeo, a pesar de su
inversión inicial (que se amortiza en un breve tiempo a partir de ahorro que
introduce), logra una mayor eficiencia y racionalidad en la operación del sistema,
debido a los niveles de ahorro de energía eléctrica que se obtienen.
También se puede observar que con la instalación de variadores de
frecuencia, podemos observar que evitamos los picos de corriente bastante
fuertes a los motores, esto quiere decir que aumentamos la vida útil de estos y los
tiempos entre mantenimientos se alargan.
Tenemos también que resaltar que el ahorro energético se podrá hacer si
los motores están sobre dimensionados, si el motor trabaja mucho tiempo en
vacío, entre otros. El variador generará el ahorro energético si se le baja la
velocidad al motor.
Las ventajas que daría el variador de frecuencia en caso de que no se
pueda bajar la velocidad al motor, seria la protección al motor, cambio de
velocidad en funcionamiento (para evitar cambios mecánicos), auto diagnóstico
(en el motor o efectos externos), arranque y paro controlado.
124
ANEXOS
125
ANEXOS
I.COTIZACIÓN
ATLATEC SA de CV.
Carr. Tula-Refinería
Km.5.5 frente a canal Salto- Tlamaco
2da Sección del Llano.
Tula de Allende, Hidalgo.
TEL. 01 (773) 732 6308 EXT. 09 y 10
At‟n Lic. IVON GARCIA
13 de Febrero de 2011.
REF. Ing. Juan Niño
En atención a su amable solicitud estamos presentando la siguiente cotización de
equipos eléctricos/ electrónicos.
Parte Cant.
01
Descripción
01
BOMBA DE ENVIO AREF
Precio Unit.
BC-302 A/B/C
Variador de frecuencia de 350 hp en 460 vca.
Modelo 6KFP43350X8XXXA1 ( USO PAR
VARIABLE , BOMBA )
$ 17,003.00
$ 17,003.00
USD
USD
Incluye reactor de línea de 5 % de impedancia en
gabinete Nema. Modelo 37G50003N MARCA
General Electric.
PLAZO DE ENTREGA
4 A 6 SEMANAS
Nota
Incluye:
1. Software de programación, ajuste y monitoreo software de ahorro de energía.
2. Asesoría para la instalación y puesta en macha así como el uso de software.
3. Asesoría para la operación y recomendaciones de mantenimiento.
126
Total partida
II.FOTOS
Imagen 2.Bombas de envío
Imagen 1.Variador
Imagen 3.Válvula de mariposa
127
GLOSARIO

Módulo transistorizado: Transistores de potencia son combinados para
hacer un paquete completo. Mejora el tamaño compacto y la productividad
de los variadores.

Transistor de alta señal de ganancia: Controla gran corriente con un bajo
nivel se de control (corriente de base). Simplifica el control del circuito y
reduce la generación de calor.

IGBT: Transistor para cambios rápidos (10kHz) o más. Alto acarreo de
frecuencia PWM resuelve el problema de ruido durante la operación de
motor.

IPM (Módulo Módulo transistorizado integrado con el inteligente de
potencia): controlador de circuito base y funciones de protección. Esto
hace el tamaño compacto y mejora el funcionamiento.

DSP (Procesador Microprocesador exclusivamente diseñado de señal
digital): para operación digital rápida. El control vectorial de flujo magnético
es ejercitado por un motor estándar para lograr un alto troqué y una baja
velocidad.
128

RISC (Set de instrucciones reducidas de computadora): Computadora
simplificada en instrucciones y
formatos de instrucción de asegurar la
operación rápida. Incrementando el proceso de velocidad, realiza el control
de flujo vectorial avanzado el cual habilita un gran torque y una operación
extremadamente estable a baja velocidad.

Polietileno reticulado (XLPE): es un material termoestable (una vez
reticulado no se ablanda con el calor) presenta mejores características
eléctricas y térmicas que el PVC por lo que se utiliza en la construcción de
cables de baja, media y alta tensión.
129
BIBLIOGRAFÍA
[1]
Muhammad H. Rashid (2004). Circuitos, dispositivos y aplicaciones.
Electrónica de potencia. México: Tercera edición Prentice Hall.
[2] Stephen J. Chapman (2002). Máquinas eléctricas. México: Tercera edición.
Editorial Mc Graw Hill.
[3] Murphy, Turnbull (2006). Electrónica de Control de motores de A.C. México:
Primera edición. Editorial Pergamon Press.
[4] Schibli, N., Nguyen, t. & Rufer, A.; (2004). A Tres Fases Conversor Multinivel
de Alto Rango para Motor de Inducción (pp. 978-986). Colombia: Amoros.
[5] I.Q. Soto Cruz Juan José (2001). Fundamentos sobre ahorro de energía (pp.
Sec. 3.1 – 3.29). Yucatán: Ediciones de la Universidad Autónoma de Yucatán.
[6] Martín Juan Carlos & García Pilar (2004). Arranque y variación de velocidad
de motores. Automatismos Industriales (pp. 194 - 218). México: Editorial Editex.
130
[7] Álvarez Pulido Manuel (2000). Convertidores de frecuencia, controladores de
motores (pp. 18 - 27). Barcelona España: Ediciones Marcombo.
[8] Aranda Usón Alfonso & Díaz de Garaio Sergio (2010). Eficiencia energética en
instalaciones y equipamiento de motores (209 – 215). Puebla: Prensas
universitarias de Puebla.
[9] Rolan Viloria José (2002). Equipos e instalaciones electrotécnicas (60-84).
México: Thomson Paranninfo.
FUENTES DE INFORMACIÓN
http://www.inverter-china.com/blog-es/upload/frequency-inverter-for-energy-saving
www.instrumentacionycontrol.net/.../208-icomo-instalar-y-configura
www.mx.sew-eurodrive.com/Variadores
www.automation.siemens.com/mcms/.../DA51-2-2007-2008-es.pdf
www.garal.pt/pdf/Grupos_c_variador.pdf
131
ÍNDICE DEL MATERIAL GRÁFICO
Figuras
Figura 1. Tendencias de variadores transistorizados ............................................................... 20
Figura 2. Ejemplo de un motor totalmente contenido, enfriado por ventilador ..................... 22
Figura 3. Relación entre la velocidad del motor, corriente y torque ....................................... 23
Figura 4. Comparación de características de torque ................................................................ 26
Figura 5. Torque constante y rango de salida constante ......................................................... 29
Figura 6. Patrón ideal V/f............................................................................................................... 31
Figura 7. Patrón V/f con variador ................................................................................................. 31
Figura 8 Circuito equivalente del motor ...................................................................................... 32
Figura 9. Corriente de excitación v/s corriente secundaria ...................................................... 33
Figura 10. Características de salida de un motor estándar ..................................................... 35
Figura 11. Estructura de un variador transistorizado ................................................................ 37
Figura 12. Circuito convertidor ..................................................................................................... 38
Figura 13. Convertidor principal ................................................................................................... 39
Figura 14. Corrientes de entrada principales ............................................................................. 41
Figura 15. Cómo crear corriente alterna ..................................................................................... 42
Figura 16. Forma de onda AC a 1Hz .......................................................................................... 43
Figura 17. Frecuencia .................................................................................................................... 43
Figura 18. Circuito inversor básico de 3 fases ........................................................................... 44
Figura 19. Cómo crear AC de tres fases .................................................................................... 45
Figura 20. Variador transistorizado.............................................................................................. 46
Figura 21. Diagrama de control de bloque V/f ........................................................................... 48
Figura 22. Patrón V/f ...................................................................................................................... 49
Figura 23. Vector de corriente ...................................................................................................... 50
Figura 24. Diagrama de bloques de control vectorial de flujo magnético .............................. 51
Figura 25. Diagrama de bloques del control vectorial .............................................................. 52
Figura 26. Patrón V/F de un variador transistorizado ............................................................... 57
Figura 27. Tipos de carga y patrones V/f.................................................................................... 58
Figura 28. Características de una bomba con energía comercial .......................................... 64
Figura 29. Características de un ventilador con energía comercial ....................................... 64
Figura 30. Características de una bomba a diferentes velocidades ...................................... 67
Figura 31. Características dentro del control de válvula .......................................................... 69
Figura 32. Operación característica del ventilador .................................................................... 72
(volumen de aire/velocidad potencia característica requerida) ............................................... 72
Figura 33. Tipos de carga y efectos del ahorro energético ..................................................... 73
Figura 34. Relación de potencia de entrada y salida................................................................ 76
132
Figura 35. Eficiencia del variador y eficiencia total ................................................................... 79
(100% carga, salida de frecuencia 60hz) ................................................................................... 79
Figura 36. Forma de onda de entrada de voltaje/corriente ...................................................... 80
Figura 37. Sin reactor de potencia (20 hz de operación, forma de onda de corriente) ....... 83
Figura 38. Con reactor de potencia ............................................................................................. 84
(20 hz de operación, forma de de corriente) .............................................................................. 84
Figura 39. Trazo del conducto agua tratada Refinería PEMEX Tula, Hgo. .......................... 87
Figura 40. Perfil del conducto agua tratada Refinería PEMEX Tula, Hgo............................. 89
Figura 41. Perfil del conducto agua tratada Refinería PEMEX (2) ......................................... 90
Figura 42. Comparación del consumo de energía .................................................................... 97
Figura 43. Diagrama unifilar del proyecto ................................................................................. 100
Figura 44. Alimentación eléctrica del sistema propuesto. ...................................................... 103
Figura 45. Diagrama de conexión .............................................................................................. 107
Figura 46. Formas de onda de las dos fuentes ....................................................................... 108
Figura 47. Ondas de voltaje en fase antes de la sincronización........................................... 109
Figura 48. Arranque con sistema actual ................................................................................... 113
Figura49. Arranque con sistema nuevo (variador de frecuencia) ......................................... 114
Figura 50. Arranque con sistema actual detallado .................................................................. 115
Figura 51. Tiempos de arranque con sistema actual .............................................................. 116
Tablas
Tabla I. Comparación del sistema de control ............................................................................. 47
Tabla II. Tipos de metas tecnológicas......................................................................................... 75
Tabla III. Consumo actual de energía ......................................................................................... 93
Tabla IV. Resistencia contra temperatura de diferentes calibres ......................................... 104
Tabla V. Consumo con sistema actual (estrella-delta) .......................................................... 117
Tabla VI. Consumo con sistema nuevo (variador de frecuencia) ......................................... 118
Tabla VII. Comparación de ahorro de energía con instalación de un drive ........................ 119
Tabla VIII. Lectura adquirida con medidor................................................................................ 120
Tabla IX. Cálculos de ahorro energético .................................................................................. 120
133
134