Eficiencia energetica a la industria: Accionaments electrics

Dr. Andreas Sumper

Cap de Grup Enertrònica

1

Contenido

Introducción

Pérdidas en motores

Normas

Tecnología de motores de alta eficiencia

Ejemplo

2

3

CITCEA-UPC is a centre for research and technology

innovation born in 2001 inside the Technical University of

Catalonia (UPC) supported by the Government of Catalonia.

15 years' experience, 60 people, 110 customers, 200 projects,

9 M€ turnover, 10 patents, 1 spin-off (teknoCEA), more than

200 conference papers; more than 100 journal paper.

ACTIVITY FIELDS

MECHATRONICS:

Power electronics and electrical drives.

Automation, industrial ICTs.

ENERTRONICS:

Generation, transmission and distribution of electrical energy. Economics, market and

regulation of electrical energy.

LIFE LONG LEARNING:

LLL Masters in Mechatronics and Enertronics. Courses and Seminars for professionals.

MECHATRONICS

Power electronics and converters, special

for applications in wind and PV

Digital control with DSP

Industrial communications

Data acquisition and signal processing

Process automation and Motion control

Electric vehicles and battery chargers

Design of electrical machines

ENERTRONICS

Electrical generation from renewable and

distributed generation

Wind generator design

Distribution and transmission grids

Control of wind generators and wind farms

Offshore wind farms and HVDC

Microgrids and smart grids

Condition monitoring and PQ

4

Custom power electronics systems for research labs

•Power converters from 10 kW to 120 kW

•Control cards based on TI DSP

•PC embedded based HMI. Industrial Communications

•Application oriented DSP starter kits

•Educational test-benches

•Application examples:

•Emulators: energy resources (Grid, PV, Wind, Diesel,

Fuel-cell), storage and loads. Ready to be used.

•Research and educational AC and DC microgrids

•Battery and electrical vehicle chargers/dischargers.V2G

CITCEA-UPC Spin-off company

www.teknocea.cat

teknocea@teknocea.cat

Introducción

5

Necesidad de reducir la demana

Motores y accionamientos tienen un uso muy extendido en la industria, en servicios y en edificios

En consumo, los motores y

accionamientos representan un 40% del

consumo total de hoy en día

65% de la electricidad consumida en la

industria es debido a los motores. Un 90% de ellos son máquinas de

inducción

Para conseguir altas eficiencias hay que

mejorar la eficiencia de los motores y de los

accionamientos

Introducción

6

Aspectos a tener en cuenta en relación a la eficiencia de accionamientos

Punto de vista

tecnologico:

• Motor

• Convertidor

• Pérdidas

mecánicas

Política energética:

• Legislación

• Estandarización

Las pérdidas dependen de:

• La tecnología del motor

• Materiales

• Diseño

• Condiciones

ambientales,...

Ejemplo:

Tenemos un motor de inducción de 7.5 kW a

plena carga y en operación continua con una

eficiencia de 89%. La vida útil es de 25000 h, el

coste es de 70 €/kW con un coste de 10

c€/kWh. Cuanto cuesta el motor y cuanto cuesta

la energía?

El coste del motor es solo €525 el coste de la

energía es €21067, un 2.5% y 97.5%

respectivamente al coste total de explotación.

Perdidas en motores

7

• La eficiencia aumenta incrementando el volumen de las partes activas

(núcleo y conductores) • Para motores pequeños, las pérdidas Joule en el estator son importantes:

Perdidas Joule 50% de las totales; Máquinas grandes 25%.

Localización de las pérdidas :

• Bobinaje (stator y rotor)

• Circuito magnético (stator y rotor núcleo)

• Cojinetes y entrehierro (perdidas mecánicas)

• Stray load losses

• Perdidas contantes

• Perdidas dependiendo de la

carga

Perdidas en los motores

Factores de influencia

8

La eficiencia depende de:

• Temperatura de operación y tamaño del motor

• Control del motor

• Transmisión mecánica

• Práctica de mantenimiento

• Eficiencia mecánica

• Calidad de suministro

• Etc.

Si el motor no trabaja en las condiciones para la

cuales está diseñado pierde eficiencia

Las condiciones de operación que afectan más a la eficiencia:

• Las cargas son diferentes a la del diseño

• Temperatura diferente a la del diseño

• Mal mantenimiento

• Mala calidad de suministro

Normas

9

• Clasificación de motores de Eficiencia IEC 60034-30

Eficiencia IEC 60034-30 Europa (CEMEP)

EEUU

Super premium IE4

Premium IE3 NEMA

Premium

High IE2 EFF1 Epact

Standard IE1 EFF2

Harmonisation of European and American classification

• La Comisión introduce en la directiva Dir. 2009/125/EG la clasificación de la IEC • Introduce el concepto “minimum efficiency performance standards” (MEPS)

Fases de introducción MEPS:

• 16/06/2011: 0.75 – 375 kW mínimo IE2

• 01/01/2015: 7.5 – 375 kW mínimo IE3 o IE2 en aplicaciones de VSD

• 01/01/2017: también para motores de 0.75 – 7.5 kW

Normas de eficiencia

Normas futuras

10

• Aplicaciones modernas

necesitan un control

adecuado de par y

velocidad: • Uso de convertidores

• Motores de imanes permanentes

• Motores de reluctancia

• Nueva norma respecto a variadores

de velocidad: 60034-2-3

• Temas importantes:

• Multibles combinaciones de par y velocidad son posibles

• Muchos grados de libertad

• No hay un sistema establecido como medirlo

La IEC sugiere la utilización de mapas de

eficiencia

Figure : Efficiency map of a IE1, 11 kW, 400V,

4 pole induction motor + converter

Tecnología de motores de alta eficiencia

11

Hay 2 formas como promover la alta eficiencia

Estandarización

Clasificación

Legislación

Desarrollo tecnológico

Variadores

Motores de alta eficiencia

Como construir un motor de

alta eficiencia :

Mejores materiales

Mejor diseño

Mejor fabricación

Balance optimo

entre eficiencia y

coste de

producción.

Figure: Cut-open view of a high efficiency induction motor

Tecnología de motores de alta eficiencia

Materiales de motores

12

Metodo tradicional de incrementar eficiencia aumentar tamaño

… precios han incrementado Se busca una solución optima

MENOS ES MAS

Menos material combinado con un diseño optimo

Comparación de costes de un motor de inducción de

750 W en 2000 y 2009.

Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM)

13

Alta densidad

de potencia

(mas corriente de estator)

Alta Eficiencia

(corrientes magnetizantes

bajos)

Mas rango de velocidad con

un par const.(mas eficiente a

bajas velocudades) Menos Inertia

(menos peso en el rotor).

Es una alternativa a los

motores de inducción y es

mejor que el IE3 y IE4.

Desventaja Se precisa un variador de

fecuencia

Figure 12: PMSM

Tecnología de motores de alta eficiencia

Imanes permanetes

• Mejora significamente las perdidas

• Brushless Dc (BLDC) Forma de tensión trapeziodal

• Permanent magnet synchronous motor (PMSM) Forma de tensión sinusoidal

• Imanes de tierras raras son caras….

• Acero y cobre se ha encarecido pero el Neodimio es más barato

14

Table: Comparison of the material cost of a 750 Watt

permanent magnet motor

Figure: Historic price evolution of magnet material.

Tecnología de motores de alta eficiencia

Tenemos un motor en una industria que trabaja 8 meses/año, 30 días/mes, y h/día. En la configuración actual se usa un motor de 50 kW estandar (con 78%). Una auditoría energética ha determinado que la potencia requerída son sólo 11.7 kW. Se propone instalar un motor de 22 kW eficiencia IE3 (coste retrofit 264 Euros). Calular los ahorros possibles con la solución, teniendo un coste de 0.15 Euro/kWh de energía.

Ejemplo

Solución

Solución antigua Solución nueva

Potencia nominal [kW] 50 22

Eficiencia en el punto de trabajo

[%]

78 93.8

Consumo real [kW] 11.7/0.78 = 15 11.7/0.938 = 12.473

Ahorros en potencia [kW] 15 – 12.473 = 2.527

Ahorros anuales [kWh] 2.527*8*30*24 =14 555

Ahorros anuales [Euro] 14 555*0.15 = 2 183

Coste Motor [Euro] - 1 324

Coste Retrofit[Euro] - 264

Costes totales [Euro] - 1 588

Payback 1 588/2 183= 0.73