Cálculo para la instalación eléctrica de un motor monofásico de CA (página 2)

Debido a lo cerca que está la velocidad del rotor de la velocidad sincrónica y a su poca variación con la carga, la medición de velocidad debe hacerse en este caso utilizando este tipo de tacómetro. Su nivel de invasividad es bajo, ya que funciona proyectando un haz de luz sobre el eje del motor y conectándolo a la misma red de alimentación. Es necesario sacar el motor de servicio sólo para hacerle una marca en el eje. Su exactitud está alrededor de 1 r/min en motores de cuatro polos. Ahora bien, es necesario también disponer de este instrumento o comprarlo, en cuyo caso su precio es superior al de un amperímetro de gancho. La medición de la velocidad y el cálculo del deslizamiento pueden ser utilizados para determinar la potencia de salida, ya que el par o momento electromagnético es proporcional al deslizamiento.Medición de la corriente y la tensión

Un hook-on o instrumento de gancho puede servir para determinar la corriente y la tensión de trabajo del motor, y con ella ayudar a determinar la potencia de entrada. Es poco invasivo aunque la medición de tensión lo es algo más. Estos instrumentos pueden tener un error de hasta 0,5 %. No es necesario sacar el motor de servicio. Si existe una pizarra o panel con amperímetro y (o) voltímetro que lean la corriente y la tensión del motor el método no es invasivo, pero hay que tener en cuenta que la exactitud de los instrumentos de panel no es buena en general.Medición del consumo mediante un analizador de redes

La conexión de un analizador de redes a la entrada del motor es el método más exacto para determinar la potencia de entrada del motor. También pueden leerse la corriente y la potencia reactiva y determinar el factor de potencia. Es invasivo y, a menos que el instrumento esté conectado permanentemente, es necesario detener el motor para su instalación. Este instrumento es relativamente caro.Medición directa del par o momento

Puede emplearse un medidor de par cuya medición, unida a la de la velocidad, da la potencia de salida. Es muy exacto, pero también es caro y altamente invasivo, y necesita sacar el motor de servicio para la instalación del medidor, y adicionalmente su costo es elevado..Realización de ensayos sin carga

Este método necesita desacoplar el motor y conectarle instrumentos de medición para llevar a cabo los ensayos. A partir de estos ensayos y, en combinación con otras acciones, puede determinarse el consumo del motor y la potencia entregada a la carga.

Estimación estadística de pérdidas

Se refiere a estimar el valor de algunas de las pérdidas, tales como las adicionales, las de acero y las mecánicas, a partir de un conocimiento previo del tipo y fabricante del motor del cual se poseen datos relativos de pérdidas. El método es muy sencillo y económico, y no invasivo, pero su exactitud depende del conocimiento que se tenga de la probable distribución de sus pérdidas.Utilización del circuito equivalente

Si se conocen los parámetros del circuito equivalente pueden determinarse con ellos, y en combinación con otras acciones, la potencia de entrada y la de salida del motor. Su exactitud depende de la de medición o estimación de los parámetros. No es invasivo y sí muy sencillo de aplicar.Utilización de un inversor de frecuencia variable [Grantham y McKinnon, 2004]

Este método tiene la ventaja de poder determinar la eficiencia y la distribución de pérdidas del motor con bastante exactitud y sin tener necesidad de acoplarle una carga o electrodinamómetro. Es muy apropiado, por tanto, para motores grandes. Ahora bien, es necesario sacar el motor de servicio, conectarlo a un inversor y necesita, evidentemente, de recursos no disponibles con facilidad y de alta inversión inicial. Por ello, no es adecuado para el análisis que se pretende hacer.Aplicando algunas de estas acciones pueden usarse las normas de la IEEE o de la IEC [IEEE, 1996; IEC, 1994] y obtener, con bastante exactitud, la potencia consumida y la entregada al mecanismo accionado. Ahora bien, requieren del empleo de las acciones más invasivas y necesitadas de recursos materiales y, por lo tanto, no son recomendables para ser empleadas en una caracterización energética del motor in situ.

2. Planteamiento del problema

La identificación del problema que se presenta es poder desarrollar métodos que permitan conocer el consumo de energía de cada motor instalado y el de algún otro que se proponga como alternativa más eficiente. Para esto existen diferentes métodos; algunos son más exactos pero implican la utilización de un equipamiento más caro y la realización de ensayos de relativamente larga duración.

Se tiene un alimentador trifásico de conductor TW en tubo conduit, que debe suministrar corriente a un motor de inducción trifásica a 440, 60 C/S con las siguientes características:

25 HP, rotor devanado, y arranque a voltaje reducido con autotransformador.

Calcular:

Los calibres de conductores, tamaño de tubo conduit, corriente eléctrica de los circuitos, interruptor termo magnético.

Actualmente no existen resultados de trabajos realizados, según revisión exhaustiva realizada en la red.

3. Justificación

Se ha comprobado que aproximadamente 50 % de la energía eléctrica que se consume en el mundo es a través de los motores de inducción trifásicos por constituir la fuerza motriz principal de la industria moderna. Esta realidad, unida a la crisis energética de fines del siglo pasado y principios del actual, ha motivado, por una parte, la fabricación de motores cada vez más eficientes, y por otra, la adopción de disposiciones legales por parte de los gobiernos de muchos países tendientes a obligar a los usuarios de los motores a tomar todas las medidas conducentes a la disminución del consumo de energía eléctrica de estas máquinas [De Almeida, 2000; Office…, 1998].

Se justifica desde el punto de vista económico, porque debe determinarse la potencia consumida por el motor y la entregada al mecanismo accionado, o sea, la eficiencia. El nivel de exactitud requerido no es grande y pueden emplearse métodos más sencillos, aunque más aproximados. En el presente trabajo se exponen primeramente los métodos más importantes que se utilizan en la actualidad y se propone uno, desarrollado por los autores, que sólo necesita de las lecturas de tensión y corriente de un instrumento de gancho (hook-on).

Los resultados de la investigación serán divulgados en extenso a través de la revista electrónica Monografías de prestigio internacional en la dirección URL:

http://www.monografias.com/, Revista Mexicana de Pedagogía con URL: http://cuauhtemoc-distritofederal.olx.com.mx/revista-mexicana-de-pedagogia-editorial-jertalhum-iid-18277205n, Memorias de Congresos Internacionales como 3er. Congreso Internacional de la Academia Mexicana Multidisciplinaria, 3er. Congreso Internacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico 2011, 6º. Congreso Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico DGETI 2010, XVII Congreso Internacional de Investigación Educativa Tamaulipas 2011 "Nuevas alternativas para aprender".

Se pondrá a disposición de los usuarios interesados, estudiantes, docentes y autoridades educativas que deseen utilizar el material digital, en los planteles pertenecientes al Sistema nacional de Bachillerato.

4. Hipótesis

La explicación tentativa del fenómeno a investigar queda formulada por la proposición que relaciona dos variables siguientes:

Hi: "Los usuarios que utilicen el método propuesto para el cálculo de la instalación de motores eléctricos de CA podrán obtener con bastante exactitud la potencia consumida y la entregada al mecanismo accionado, que el método convencional utilizado"

5. Objetivos

5.1 Objetivo general

Que los estudiantes de la especialidad de Técnicos en Electricidad sean capaces de desarrollar métodos que permitan conocer el consumo de energía de cada motor instalado y el de algún otro que se proponga como alternativa más eficiente.

5.2 Objetivos específicos

• Diseñar el método para el cálculo de la instalación de motores eléctricos trifásicos de CA.

• Aplicar el método para el cálculo de la instalación de motores eléctricos trifásicos de CA.

• Evaluar el grado de funcionalidad mediante instrumentos de valoración que causen impacto en el desempeño académico de los estudiantes.

6. Marco teórico

6.1 Marco histórico

En 2008, la SEMS implementó la Reforma Integral de la Educación Media Superior que dará origen en 2010 del Sistema Nacional de Bachillerato, en donde la aplicación de conocimientos, habilidades cognitivas, valores y actitudes permitirán obtener un desempeño eficiente en el ámbito profesional.. (Progre, 2008)

En este proyecto, lo fundamental no es, como en el caso de los proyectos científicos, describir o explicar, sino producir algo nuevo con un protocolo "formal", con el fin de resolver una necesidad de reducir el consumo de energía eléctrica por un dispositivo eléctrico que cause un impacto económico en la reducción de costos. (Prieto, 2008)

En ese sentido, todo lo que tiene que hacer el profesional de la electricidad es implementar un método propuesto que incida en el objeto de conocimiento con eficiencia y la pérdida de energía mínima. (Blogspot, 2008)

6.2 Marco conceptual

Motor monofásico de CA

Dispositivo eléctrico que transforma la corriente alterna en energía mecánica para darle movimiento al mecanismo interconectado, aprovechando al máximo la reconversión de energía en trabajo eficiente.

6.3 Marco contextual

La investigación se realizará en el CBTis 209, ubicado en el km 92.5 de la carretera Tampico-Mante, Ejido González, Cd. González, Tam., México, durante el periodo escolar Ago´09-Ene´10.

7. Metodología

7.1 Cronograma de actividades

7.2 Recursos económicos, materiales y humanos

7.2.1 Recursos humanos

7.2.2 Recursos materiales

Fuentes: Papelería ABC, calle Morelos No. 201 sur, Col. Centro, Cd. Mante, Tam., 20 de febrero de 2010 y Ferretería y Tlapalería San Martín, Calle Allende Y Manuel González, Col. Centro, González, Tam., México., 24 de febrero de 2010.

7. 3 Proceso

Método propuesto

El método propuesto es una combinación de la medición de la corriente y la tensión, la estimación estadística de las pérdidas y la utilización del circuito equivalente. Sus resultados preliminares se mostraron por Costa y Vilaragut [2004]. Sólo necesita de las lecturas de corriente y tensión en las tres fases del motor en operación y del conocimiento de sus datos de catálogo. A partir de esta información se aplica el programa CARACMOT, confeccionado en MATLAB para determinar los parámetros del motor, hacer una estimación de pérdidas [Costa, et al., 2004a; Costa, et al., 2004b], calcular la potencia que entrega el motor a la carga y con ella seleccionar en un catálogo un motor de alta eficiencia u otro de ejecución básica, pero de una potencia adecuada al mecanismo que acciona. Mediante el programa PROPMOT, también elaborado en MATLAB, se calculan los parámetros del nuevo motor, se determina cuál sería la corriente que consumiría y la potencia a su entrada.

7.4 Capacitación

Las autores serán instruidos sobre el cálculo de instalaciones de motores eléctricas de corriente alterna monofásico a cargo del Ing. Constantino E. Sánchez Muñiz , asesor técnico y M. C. Arturo Vázquez Córdova, asesor de la metodología.

Asimismo, se les orientará en el diseño de un instrumento de evaluación denominado Matriz o rúbrica de valoración, a efecto de medir el grado de funcionalidad y su impacto pedagógico en el aprendizaje significativo del tema de Medidas de dispersión o variabilidad. Para la recogida de datos de campo se diseñará un instrumento denominado Tabla de frecuencia, de la muestra significativa que será seleccionada de un universo o población escolar de 160 alumnos del 5º. Semestre del bachillerato tecnológico.

7.5 Instrumentos

Se realizará una prueba del grado de funcionalidad con el instrumento de medición denominado Óhmetro, para determinar la continuidad de la corriente en el motor eléctrico.

7.6 Coordinación y supervisión

La coordinación del trabajo de investigación será realizada por el Ing. Constantino E. Sánchez Muñiz, asesor técnico, M. C. Arturo Vázquez Córdova, asesor de la metodología y supervisados por la los supervisores de la Cpmisión Federal de Electricidad.

8. Grado de Innovación

Permite la aplicación de la tecnología eléctrica en el funcionamiento eficaz del motor eléctrico para darle movimiento a los equipos interconectados.

9. Grado de Factibilidad

El proyecto es viable de realizar, pues se cuenta con los recursos técnicos, financieros, materiales, humanos y sociales existentes, así como la capacidad instalada y plataforma tecnológica necesaria y suficiente.

9.1 Factibilidad financiera

El proyecto es viable financieramente, para realizarlo tiene un costo aproximado de $7176.00 (Siete Mil Ciento Setenta y Seis pesos 00/100 M. N.) considerando los recursos humanos y materiales, con una cobertura de medio año. Sin embargo, al no realizarse y de continuar el problema de carecer de un motor eléctrico el costo será mayor.

9.2 Factibilidad técnica

El desarrollo del proyecto es viable de realizar en virtud de contar con la tecnología eléctrica.

10. Impacto social y desarrollo sustentable

El uso del motor eléctrico instalado genera un impacto económico significativo contribuyendo al logro del dominio académico del estudiante de EMS, con bajos costos en su adquisición, promoviendo el desarrollo sustentable.

11. Análisis de resultados

Alimentar el motor, 25 HP, 440 V.

Corriente plena, carga para un motor de 25 HP

IPC= 32 A=Tabla 3.5, p. 191

Calibre del circuito derivado

I=1.25 X IPC=1.25 X 32 = 40 A

Conductor seleccionado calibre No. 8 Tabla 2.7, p. 89

Para que una intensidad de 40 A

Tubo conduit para tres conductores calibre No. 8

Tubo conduit= 13 mm= 1" Tabla 2.8, p. 91

Protección del circuito derivado con interruptor termo magnético

I1in = 150% x IPC= 1.5 X 40 A= 60 A

Interruptor termomagnético seleccionado 75 A

Con el objetivo de tener una idea de la magnitud de los errores que pueden cometerse con este método aproximado, se partió de la base de suponer un error de 15 % máximo en los datos de catálogo tal y como lo expresan los fabricantes.

Considerando que la resistencia del rotor es el parámetro que más influye en sus características se supuso en ella una variación de 15 % para ambos motores, volviéndose a calcular el ahorro en kilowatt, que en este caso dio 2,545 kW, que comparado con el anterior de 2,265 kW arroja una diferencia de 12,3 %, lo que puede considerarse un error aceptable por encontrarse por debajo de 15 % especificado por los fabricantes para los datos de catálogo. La eficiencia correspondiente a ese valor de potencia de salida fue de 86,04 % y el consumo de potencia del motor, resultado de dividir esta última por la eficiencia, resultó ser 24,21 kW.

Se propone entonces sustituir este motor por uno de menor potencia y alta eficiencia marca WEG, cuyos datos se muestran en el anexo 2. Las características de corriente, eficiencia y factor de potencia en función de la potencia de salida, resultados de la aplicación del programa PROPMOT, se muestran respectivamente en las figuras 4, 5 y 6. En este caso se supuso la conexión del motor en delta.

Fig. 1. Corriente en función de potencia de salida del motor seleccionado para el compresor.

Fig. 2. Eficiencia en función de potencia de salida del motor seleccionado para el Compresor.

Fig. 3. Factor de potencia en función de la potencia de salida del motor seleccionado para el compresor.

12. Conclusiones

Se ha desarrollado un método para evaluar energéticamente el comportamiento de los motores de inducción trifásicos que tiene la ventaja de ser sencillo de aplicar y necesitar solamente los datos de chapa o catálogo del motor y lecturas tomadas con un amperímetro de gancho.

Es un método aplicable a motores mayores de 15 kW y permite hacer de manera rápida y sencilla cualquier análisis de factibilidad técnico-económica, y con la exactitud requerida para este tipo de estudio.

13. Anexo: Foto galería

14. Bibliografía

Camarena, P. Instalaciones eléctricas residenciales, Editorial LIMUSA, México.

Costa, A. y M. Vilaragut. Determinación del comportamiento energético del motor de inducción a partir de sus datos de catálogo y la lectura de las corrientes del estator, III Taller Caribeño de Energía y Medio Ambiente. Cienfuegos: abr., 2004.

De Almeida, Aníbal T., et.al. Improvement the Penetration of Energy Efficient Motors and Drives. Proyecto SAVE II, 2000.

Enrique Harper, Instalaciones eléctricas residenciales e industriales. Editorial LIMUSA, México,

Rosenberg, Reparación de motores eléctricos, Editorial G. Gilli, S. A. de C. V., México. 2004.

SUBSECRETARÍA DE EDUCACIÓN MEDIA SUPERIOR

DIRECCIÓN GENERAL DE EDUCACIÓN TECNOLOGICA INDUSTRIAL

SUBDIRECCIÓN DE ENLACE OPERATIVO EN TAMAULIPAS

CENTRO DE BACHILLERATO TECNOLOGICO INDUSTRIAL Y DE SERVICIOS 209

Autor:

M. C. Arturo Vázquez Córdova

Ing. Humberto Hernández Reynaga

Ing. Luis Ramón Toro Hernández

Ing. Francisco Vidales Cano

Plantel:

CBTis 209

Cd. González, Tam., 20 de mayo de 2010