USO FINAL de La Energía

USO FINAL DE LA

ENERGÍA ELÉCTRICA

Dr.C. Percy Viego FelipeDr.C. Marcos de Armas Teyra

Dr.C. Arturo Padrón PadrónDr.C. Julio Gómez Sarduy

Dr.C. Ignacio Pérez AbrilDr. C. Leonardo Casas Fernández

Centro de Estudios de Energía y Medio AmbienteUniversidad de Cienfuegos

Cienfuegos2007

USO FINAL DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA

Dr.C. Percy Viego Felipe*Dr.C. Marcos de Armas Teyra*Dr.C. Arturo Padrón Padrón*Dr.C. Julio Gómez Sarduy*Dr.C. Ignacio Pérez Abril**Dr. C. Leonardo Casas Fernández**

* Centro de Estudios de Energía y Medio Ambiente Universidad de Cienfuegos “Carlos Rafael Rodríguez”.Carretera a Rodas, km 4. Cuatro Caminos, Cienfuegos, Cuba.

** Centro de Estudios de Electroenergética Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas.Carr. de Camajuaní, km 5½Santa Clara, Cuba

ISBN Editorial UNIVERSO SURUniversidad de Cienfuegos2007

Carretera a Rodas, km 4. Cuatro Caminos. CP. 59430.CienfuegosCuba.

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CONTENIDO

Página

INTRODUCCIÓN

CAPÍTULO 1. MOTORES ASINCRÓNICOS DE ALTA EFICIENCIA1.1. Evaluación de la eficiencia de las máquinas asincrónicas en

condiciones de campo

1.2. Motores asincrónicos de alta eficiencia

1.3. Métodos de análisis económico

1.4. Motores de alta eficiencia para reemplazar motores de más baja

eficiencia en operación

1.5. Compra de un nuevo motor de alta eficiencia contra el rebobinado

del que ha fallado

1.6. Efecto de un deslizamiento reducido

1.7. Factores que determinan la rentabilidad del empleo de motores de

alta eficiencia

CAPÍTULO 2. SELECCIÓN DE MOTORES ASINCRÓNICOS2.1. Especificación de motores asincrónicos

2.2. Regímenes de trabajo de los motores

2.3. Selección en cuanto a potencia de motores para servicio continuo

2.4. Oportunidades de ahorro por sustitución de motores subcargados

2.5. Oportunidades de ahorro por sustitución de motores monofásicos

CAPÍTULO 3. AHORRO DE ENERGÍA CON ACCIONAMIENTOS EFICIENTES3.1. Introducción

3.2. Diferentes maneras de controlar el flujo de agua

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3.3. Comparación entre el método de estrangulamiento y el método de

velocidad variable

3.4. Métodos empleados para lograr la regulación de velocidad

3.5. Particularidades del método de control por frecuencia

3.6. Análisis comparativo de los diferentes métodos de control

3.7. Evaluación económica

3.8. Accionamientos para sistemas de ventilación

3.9. Accionamientos para elevadores

3.10.Selección de motores accionados con convertidores de frecuencia

CAPITULO 4. SELECCIÓN Y RÉGIMEN DE TRABAJO ECONÓMICO DE LOS TRANSFORMADORES4.1. Introducción

4.2. Eficiencia de los transformadores

4.3. Criterios para la selección de transformadores

4.4 Evaluación económica de proyectos para la compra de

transformadores de alta eficiencia.

4.5. Transformadores para cargas no lineales

4.6. Subestaciones con varios transformadores

4.7. Estudio de caso

CAPITULO 5. MEJORA DE LA EFECTIVIDAD Y EFICIENCIADE LOS SISTEMAS DE ILUMINACIÓN5.1. Introducción

5.2. Terminología de iluminación

5.3. Lámparas

5.4. Luminarias

5.5. Mejoramiento de la iluminación e incremento de la eficiencia

BIBLIOGRAFIA

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INTRODUCCIÓN

Cada día resulta más urgente la aplicación de medidas que conduzcan al ahorro de energía

eléctrica. A nivel de empresa, para poder lograr reducciones de costos de producción que

aumenten la rentabilidad y la competitividad; y, a nivel nacional, para reducir el consumo y la

demanda, así como para utilizar más eficientemente la infraestructura de generación y

transporte de la energía, de suerte que se requieran menores inversiones de capital en el

sector eléctrico.

Los motores eléctricos consumen una gran cantidad de la energía eléctrica generada. En la

industria, estas máquinas consumen más del 50%. Entre los motores eléctricos, los

asincrónicos trifásicos constituyen la inmensa mayoría. Esto indica la importancia de trabajar

en las medidas que permitan contribuir al objetivo de ahorrar energía y gastos capitales en el

campo de ese tipo de motores.

La correcta especificación de un motor asincrónico y la selección adecuada de su potencia

para un mecanismo industrial dado, tienen especial importancia. Un motor mal seleccionado,

puede provocar la disminución de su vida útil, daños a la producción y los servicios e,

inclusive, representar un peligro para el personal que los opera. Si la capacidad del motor es

insuficiente, además de reducirse su período de explotación por sobrecalentamiento, puede

no ser capaz de cumplir los requerimientos tecnológicos que el mecanismo impone al

accionamiento. Por otra parte, si está sobredimensionado provoca una inversión inicial

superior a la necesaria y una operación a valores de eficiencia usualmente menores que el

normal. Además, por ser estos motores asincrónicos, se presenta un marcado

empeoramiento del factor de potencia. Por todas estas razones, la selección de la capacidad

de un motor a partir de los requerimientos de la carga, usualmente variable en el tiempo,

debe realizarse cuidadosamente para cada aplicación.

Los motores, transformadores y accionamientos de alta eficiencia, como su nombre lo indica,

presentan menos pérdidas que los convencionales. Esto permite – a partir del ahorro de

energía resultante de la mayor eficiencia que poseen – recuperar (en un tiempo

frecuentemente adecuado desde el punto de vista económico) el gasto adicional que impone

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su mayor costo inicial. Consecuentemente, se obtienen ganancias hasta el final de su vida

útil. Además, ofrecen otras ventajas que aquí se analizan.

La determinación de la capacidad adecuada de los transformadores y el cálculo del régimen

de trabajo más económico de los mismos, permite reducir las pérdidas y lograr importantes

ahorros mediante la evaluación técnico-económica, de acuerdo con el estado de carga en el

sistema que alimentan.

La energía eléctrica empleada en la iluminación de muchas instalaciones alcanza

generalmente un por ciento no despreciable del total de la energía utilizada. Si se instalan

sistemas de iluminación eficaces y eficientes, cuyas bases se esbozan en este material, se

reduce el gasto de energía y los costos, y se incrementa la productividad. Los nuevos

sistemas también producen una mayor calidad de la iluminación, lo que mejora las

condiciones ambientales y el confort del medio laboral.

Para evaluar correctamente la rentabilidad de las medidas a las que se ha hecho mención,

es necesario aplicar métodos modernos de análisis económico, llamados de descuento, que

permiten incluir factores tales como la inflación del costo de la energía, las tasas de

descuento, los impuestos sobre las ganancias y la depreciación de los equipos.

Los principios y procedimientos que se presentan, posibilitan llevar a cabo los diagnósticos y

establecer las metodologías para el estudio e implementación de proyectos exitosos de

ahorro de energía en las instalaciones eléctricas. Este proceder forma parte Tecnología de

Gestión Total Eficiente de la Energía, desarrollada en el Centro de Estudios de Energía y

Medio Ambiente de la Universidad de Cienfuegos “Carlos Rafael Rodríguez”.

El enfoque desde el punto de vista técnico que se ha desarrollado en el libro, hace que el

material pueda ser asimilado sin mayores dificultades, tanto por especialistas en sistemas y

equipos eléctricos industriales, como por aquellos que sólo tienen conocimientos básicos de

ingeniería eléctrica.

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CAPITULO 1

MOTORES ASINCRÓNICOS DE ALTA EFICIENCIA

1.1. EVALUACIÓN DE LA EFICIENCIA DE LAS MÁQUINAS ASINCRÓNICAS EN CONDICIONES DE CAMPO

1.1.1. Introducción

Un programa de perfeccionamiento energético difícilmente puede considerarse completo sin

una evaluación de la eficiencia de los motores más potentes y críticos de una instalación. En

la actualidad, debido a los precios crecientes y las exigencias de ahorro de energía, el valor

de la eficiencia juega un papel fundamental en la industria. Un ejemplo:

Un motor operando a 91% de eficiencia consume por cada kW desarrollado 1.0989 kW de la

fuente. Si el período de explotación se extiende a 7000 horas anuales, como es típico en

muchas instalaciones, se consume un total de:

7.68 .

Un mejoramiento de la eficiencia en sólo 0.1% arroja un ahorro de:

Si el costo de la energía es de 0.055 , se ahorran 0.509 .

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Debido a la elevada efectividad económica cuando se mejora ligeramente la eficiencia, es

necesario que los ingenieros que desarrollan su actividad en la industria, estén relacionados

con los diferentes métodos de evaluación de la eficiencia, con el grado de complejidad de

cada uno de éstos, con la precisión que se obtiene, y sobre todo, que puedan seleccionar o

establecer un procedimiento de acuerdo con su situación específica.

El objetivo de la evaluación está en determinar el estado de carga y la eficiencia operacional

con vistas a identificar el potencial de ahorro y aplicar las herramientas necesarias para

elevar la competitividad. Aunque este tipo de programa se sustenta desde bases

económicas, en la actualidad es necesario considerar, además, su dimensión ambiental.

1.1.2. Normas y eficiencia

La mayoría de los motores existentes en la industria han sido evaluados en fábrica por una

de las normas siguientes: IEC 34-2 extensamente aplicada en el mundo; la IEEE -112 y

NEMA MG1 aplicadas fundamentalmente en USA; y las JEC-37 y CS-390 empleadas en el

Japón y Canadá, respectivamente. La NEMA MG1 y la CS-390 armonizan con la IEEE-112.

Bajo una de estas normas se estampan los datos de placa de las máquinas eléctricas que

diariamente accionan en las industrias.

Muchos ingenieros tienden a considerar los datos de placa como valores veraces y

comprobados. Sin embargo, hay que tener presente que éstos son el resultado de la

evaluación estadística de un gran número de máquinas similares y que se obtienen de

ensayos efectuados bajo una de estas normas. En consecuencia, un mismo motor evaluado

bajo normas diferentes arroja distintos resultados. Una de las principales causas de esta

diferencia está en la forma en que evalúan las pérdidas adicionales. Así, un motor probado

bajo la norma JEC puede aparecer un 2 % más eficiente que si se ensaya bajo la IEEE 112 B (Ver Tabla 1.1). La marcada influencia de la determinación de las pérdidas adicionales, se

puede observar en la Tabla 1.2.

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Tabla1.1. Eficiencia operacional de un motor de jaula de ardilla de 75 kW y 1200 rpm.

Carga (%) 25 50 75 100

Método Directo 85.4 90.7 92.3 92.3

IEEE-112 85.7 90.9 92.3 92.4

IEC-34-2 85.7 91.5 93.3 93.7

JEC 86.1 91.8 93.7 94.2

Tabla 1.2. Pérdidas adicionales a potencia nominal según distintas normas

Pérdidas adicionales

IEEE-112 NEMA MG1 IEC-34-2

0.750 - 90 kW 1.8% de PSALIDA 1.2 % de PSALIDA 0.5% PENTRADA

91 – 375 kW 1.5 % de PSALIDA 1.2 % de PSALIDA 0.5% PENTRADA

376 – 1800 kW 1.2 % de PSALIDA 1.2 % de PSALIDA 0.5% PENTRADA

kW 0.9 % de PSALIDA 0.9 % de PSALIDA 0.5% PENTRADA

En la industria surgen complicaciones debido a que las condiciones establecidas por las

normas no son las existentes en campo, y el límite de desbalance de tensión, contenido de

armónicos, etc., puede ser excedido en una medida considerable (Ver Tabla 1.3). Así sucede

con la diferencia entre la tensión de placa y el valor real aplicado en muchas situaciones

específicas. Por otra parte, algunas de las técnicas empleadas para determinar la eficiencia

presuponen un elevado grado de intrusión si se necesita detener la producción para obtener

los datos necesarios para calcular las pérdidas y las potencias, valores que, en determinadas

ocasiones, son difíciles de obtener.

Tabla 1.3. Condiciones de calidad de la fuente de suministro exigidas por las normas para

los ensayos en motores.

IEEE-112 NEMA MG1 IEC-34-12Desbalance de tensión

(%)

Contenido armónico - - 0.02

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(THD)

Como grado de intrusión se puede tomar el costo asociado con el tiempo de trabajo, los

materiales, el tiempo de parada, etc. En determinadas industrias algunos de los ensayos

necesarios pueden llevarse a cabo en el período inactivo o durante las paradas

programadas. En determinados casos no se dispone de las fuentes y equipos necesarios

para algunas pruebas. Entonces, cuando se decide evaluar un motor en condiciones de

campo, es importante usar las técnicas más apropiadas para obtener resultados

suficientemente aceptables.

1.1.3. Métodos y mediciones para la evaluación de la eficiencia

Existen muchos métodos para determinar la eficiencia; por ejemplo: la IEEE-112 establece

cinco métodos denominados A,B,C,E y F con las variantes E1, F1. En la práctica industrial los

métodos de evaluación toman nombres genéricos y pueden fundarse en la combinación de

varios métodos básicos. Entre ellos se tiene:

Método de los datos de placa

Método del deslizamiento

Método de la corriente

Método del circuito equivalente

Método de segregación de pérdidas

Métodos estadísticos

Método del momento en el entrehierro

Método del momento en el eje o método directo

En todos los métodos la eficiencia se calcula según la ecuación:

La potencia de salida es la potencia de entrada menos las pérdidas. De la forma en como se

determinan las pérdidas depende la exactitud del método aplicado.

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Entre las mediciones necesarias pueden encontrarse:

Lectura de la placa

Medición de la velocidad por medios ópticos

Medición de la corriente con amperímetros de gancho

Medición de los tensiones de fase o de línea

Medición de la potencia de entrada

Determinación de la resistencia del estator

Temperatura del devanado

Medición del momento en el eje

Datos de ensayos de vacío y cortocircuito

Forma de ondas de tensión y la corriente

Análisis armónico

La adquisición de todos estos datos requieren de instrumentos con errores individuales

menores de 0.5% a plena escala, incluyendo los efectos de la amplitud y fase. Este tipo de

requerimiento lo cubren diferentes tipos de analizadores de redes existentes en el mercado.

Si este no es el caso, deben tomarse las máximas precauciones en la toma y adquisición de

datos. En particular, en las condiciones de campo, la medición de la velocidad debe

realizarse con tacómetros ópticos.

Si el objetivo de la medición de la velocidad es determinar la potencia conociendo el

momento, el error en velocidad conduce a mayores desviaciones en la potencia. Por otra

parte, si lo que se pretende es determinar la eficiencia a partir de los datos del fabricante o

de datos estadísticos, este error será menos significante si el motor opera sobre el 75% de la

carga nominal. Esto se debe al comportamiento aproximadamente constante de la eficiencia

entre el 75 y 100% de la carga.

Con carga inferior al 50% de la carga nominal, los errores de todo tipo tienden a

incrementarse y más aún a medida que la potencia del motor se reduce. Esto se debe al

comportamiento no lineal de las características de estas máquinas en esa zona.

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Método de los datos de placa

Este método se basa en considerar la eficiencia de placa constante para todo estado de

carga de la máquina.

Sin embargo, una parte de los motores industriales trabajan por debajo del 75% de carga. En

este rango, la dependencia de la eficiencia con la carga no debe considerarse constante.

En forma general, las máquinas de mayor potencia y menor número de polos tienden a

mantener la eficiencia dentro de un rango de poca variación hasta aproximadamente un 50 %

de carga. Las de menor potencia y menor velocidad manifiestan una mayor variación y un

notable decrecimiento de la eficiencia para factores de carga inferiores al 50%.

Con este método existen otras dificultades:

El tipo de norma que sustenta el valor de placa

Los datos de placa son el resultado de la evaluación estadística de un gran número

de máquinas similares y de ensayos efectuados bajo una de estas normas.

La calidad de la energía en campo, con relación a las condiciones en las cuales se

determinaron los datos de placa.

Si el motor es rebobinado o no (incertidumbre): Un criterio aproximado es que en los

motores de potencia inferior a 30 kW, en el rebobinado la eficiencia se reduce en un

2% y en un 1% para mayores potencias. Se excluyen aquellos reparados en talleres

acreditados en programas de alta calidad EASA-Q o ISO 9000.

Procedimiento:

La eficiencia nominal de placa se utiliza para determinar la eficiencia operacional y el estado

de carga de la manera siguiente:

Se toma la medición de la potencia de entrada o en su defecto la tensión, la corriente

y el factor de potencia promedio de las fases

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Se calcula la potencia de entrada según:

Se calcula la potencia de entrada nominal por:

Se calcula el factor de carga como:

Si se tienen las características operacionales del fabricante, con ellas se puede precisar la

eficiencia y el factor de carga.

En ocasiones, es difícil determinar la eficiencia de un motor que ha estado en servicio por

largo tiempo. No está fuera de lo común que la placa se haya perdido, esté pintada y no se

disponga del catálogo. En estos casos, se pueden utilizar estimados de eficiencia de

motores de diseño estándar a partir del frame y otros datos. Este estimado es poco preciso,

más aún si el motor ha sido rebobinado y probablemente su eficiencia reducida.

Por supuesto, el límite inferior está en que es mejor hacer una evaluación de eficiencia por

este método, que no hacer ningún tipo de evaluación.

Con el factor de carga se conoce en cuánto el motor está subcargado y si se debe

reemplazar. Un estudio de la efectividad de la sustitución se puede realizar con el auxilio del

MOTOR MASTER +. Estos aspectos se tratarán más adelante.

Método del deslizamiento

Este método supone que el estado de carga es proporcional a la relación del deslizamiento

medido y el deslizamiento nominal:

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Este procedimiento se recomienda sólo cuando se tiene un tacómetro óptico y no se dispone

de lecturas de potencia de entrada.

Debido a que el deslizamiento varía con la tensión efectiva real, se ha hecho un refinamiento

en la fórmula anterior:

Con la potencia de salida, se conoce el factor de carga y de los datos del fabricante o

estimados estadísticos se determina la eficiencia operacional del motor.

Método de la corriente

Este método propone que el estado de carga es proporcional a la relación de la corriente

medida y la corriente nominal:

Cuando hay variación en la magnitud de la tensión aplicada en las condiciones de trabajo, se

realiza la modificación siguiente:

Esta ecuación es útil para determinar estados de carga entre el 50 % y plena carga. El

comportamiento del motor también podría obtenerse de los datos del fabricante o por

estimados estadísticos como los del MOTOR MASTER + .

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Método del circuito equivalente

Este método se basa en la solución del circuito equivalente de estado estable, que modela la

máquina asincrónica.

Su ventaja fundamental radica en que la eficiencia y el comportamiento del motor se pueden

determinar para diferentes estados de carga.

Pero hay que conocer los valores de las resistencias, reactancias y el deslizamiento, lo que

hace el procedimiento impráctico para evaluaciones de campo.

Método de segregación de las pérdidas

Este método determina la magnitud de las pérdidas totales como la suma de cinco grupos

mostrados en la Tabla 1.4 (donde también se da el porcentaje aproximado que representan

de las pérdidas para un diseño estándar de la NEMA tipo B). Se requiere un banco de

pruebas, lo que lo hace también inapropiado para mediciones in situ.

Métodos estadísticos

Son métodos basados en la recopilación de una gran cantidad de datos de motores de

distintos fabricantes, con los que se elabora una gran base de datos que sirve para la

determinación de la eficiencia del motor que se desee. Un ejemplo conocido de este tipo de

método es el que emplea el MOTOR MASTER +.

El único inconveniente es que las características operacionales del motor pueden diferir de

las que se encuentran en la base de datos (entre otros casos, si el motor ha sido

rebobinado).

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Tabla 1.4. Pérdidas totales promedio para un diseño estándar de la NEMA Tipo B.

Categoría de las pérdidas

Porcentaje del total depérdidas

Pérdidas en el cobre del estator 37

Pérdidas en el cobre del rotor 18

Pérdidas en el núcleo 20

Pérdidas por fricción y ventilación 9

Pérdidas adicionales 16

Pérdidas totales 100

Método del momento en el eje

El método de la potencia en el eje es el procedimiento más directo y da los resultados más

precisos en la evaluación de la eficiencia.

Sin embargo, este método es usualmente poco adecuado para un ambiente industrial, ya que

es altamente intrusivo y requiere de un acoplamiento especial para determinar la potencia en

el eje. Su precisión depende de sensores de momento, su calidad y alineamiento, etc. Entre

otros inconvenientes adicionales están el alto costo del equipamiento y la complejidad del

procedimiento.

Método del momento en el entrehierro

El método de la medición del momento en el entrehierro parte de determinar la potencia en

el entrehierro para deducir la potencia en el eje y requiere la medición de tensión y

corrientes de línea instantáneos y del procesamiento de un grupo de ecuaciones integrales.

La variante más sofisticada necesita las formas de onda. Sus limitaciones son similares a las

del método del momento en el eje en un ambiente de campo.

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1.1.4. Eficiencia del motor en condiciones reales de operación

El cálculo de la eficiencia de los motores para las diferentes condiciones de operación se

realiza aproximadamente según:

donde:

FC: eficiencia del motor evaluada sólo a partir de las condición de carga actual.

Ajustada: eficiencia de operación, evaluada al factor de carga actual y ajustada por las

condiciones de operación.

VV: ajuste por variación de tensión.

DV: ajuste por desbalance de tensión.

R: ajuste por rebobinado.

AR : ajuste por contaminación armónica

Una vez determinada la eficiencia del motor en función del factor de carga, se deben realizar

los ajustes derivados de las condiciones reales de explotación:

Diferencia o variación de tensión (cuando existe diferencia entre la tensión de

operación del motor y el tensión nominal del mismo).

Desbalance de tensión (cuando hay diferencia entre las tensiones de línea que

alimentan al motor).

Contaminación con armónicos superiores.

Motor rebobinado (cuando el motor ha sido rebobinado).

Los factores de ajuste se determinan de manera individual y al ser aplicados usualmente

reducen la eficiencia. En algunas ocasiones es necesario aplicar más de uno de los factores

de ajuste; por ejemplo, puede ser necesario aplicar a la vez ajustes por variación de tensión y

rebobinado.

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Variación de tensión

La variación porcentual de la tensión se obtiene mediante la siguiente ecuación:

Una vez obtenido este valor, con ayuda de la Figura 1.1, se determina el porcentaje de

cambio en la eficiencia. En esa figura, se muestran también las afectaciones en el factor de

potencia, la velocidad y la corriente.

Independientemente de la afectación sobre la eficiencia y otros parámetros de operación, las

normas establecen los límites de variación de tensión permisible para la operación de los

motores. Así, la NEMA fija un 10 % y la IEC un 5 % para operación continua (y hasta un

10 % en períodos limitados de tiempo), en condiciones de frecuencia nominal.

Soluciones para corregir la variación de tensión

Para corregir la variación de tensión deben realizarse ajustes en las instalaciones eléctricas

tales como:

Verificar la tensión entre el transformador y el alimentador del motor. En caso de existir

una caída de tensión superior al 5%, se debe incrementar el calibre del conductor.

Si el factor de potencia es bajo (menor a 80%) en las líneas de alimentación al motor,

deberá compensarse el reactivo hasta lograr un valor de al menos el 90%, para reducir la

caída de tensión.

En caso de presentar una desviación de tensión superior o inferior en la alimentación del

motor, debe analizarse si puede llevarse a cabo un ajuste los “taps” o derivaciones del

transformador, para aproximar la tensión al valor nominal del motor.

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Figura 1.1. Afectaciones en la eficiencia, factor de potencia, velocidad y corriente en función

del porcentaje de la variación de tensión.

Desbalance de tensión

La operación con tensiones desbalanceadas es la condición anormal más generalizada que

sufren las máquinas asincrónicas en los sistemas eléctricos industriales. Sin embargo, no

siempre se presta la atención debida a este problema, incurriéndose en pérdidas y gastos

más allá de lo necesario, y en otros problemas relacionados con la demanda, el

calentamiento, las protecciones, etc.

Causas del desbalance

Las causas del desbalance pueden ser varias e incluso combinarse. Entre las fundamentales

se tiene:

Conexión de cargas monofásicas en redes trifásicas

Bancos de transformadores en estrella y delta abierta alimentando cargas apartadas

Operación bajo falla de equipos de corrección del factor de potencia

Impedancias asimétricas en las redes de alimentación

Falta de fase en algunos puntos del sistema

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Fallas monofásicas a tierra no identificadas

Desperfectos en los empalmes, uniones y contactos

Transposición incompleta de las líneas de transmisión

Fuente de suministro inestable o desbalanceada

Efectos del desbalance

Entre los principales efectos del desbalance sobre las máquinas asincrónicas se encuentran:

Aumenta el calentamiento y se reduce la eficiencia

Reducción del momento de arranque y el momento máximo

Aumenta el deslizamiento

Asimetría en las corrientes y aumento de los kVA necesarios para el arranque

Aumento del ruido y las vibraciones, principalmente de 120 Hz de frecuencia

El régimen desbalanceado afecta al sistema en cuanto:

1. Aumenta el consumo energético y el costo operacional

2. El desbalance de las corrientes es varias veces superior al desbalance de las

tensiones

3. Crea dificultades en el ajuste de las protecciones

4. Significa un aumento de la carga

5. Distorsiona el factor de potencia real

Las normas internacionales han establecido límites en la explotación de las máquinas y

procedimientos para determinar el grado de desbalance de un sistema.

La norma ANSI C50.41.4.2 establece que un desbalance superior a un 1% es una condición

inadecuada que debe eliminarse. La norma IEC 34.1.12.2.1 plantea que los motores deben

ser capaces de operar por un largo período de tiempo con un desbalance de un 1% o por un

corto período de tiempo que no exceda varios minutos con un desbalance de 1.5%. La norma

NEMA MG1 14.35 establece un ajuste de la capacidad de los motores en función del

desbalance y define el % de desbalance como:

20

En la Figura 1.2 se da el factor de ajuste en función del desbalance.

Contaminación de armónicos

No hay un consenso único en lo referente a la forma de evaluar el grado de afectación de la

eficiencia de un motor por la presencia de armónicos superiores en el sistema. Dado que el

efecto que ocasionan los mismos lleva también a la reducción de la eficiencia (aunque la

norma NEMA no lo especifica), se ha sugerido trabajar con una aproximación que consiste

en utilizar un factor de ajuste igual al del desbalance, tomando en lugar del por ciento de

desbalance, el por ciento de la distorsión armónica total:

La curva de ajuste se muestra en la Figura 1.2 a).

Es intolerable operar el motor cuando el THD es mayor de un 5 %.

También se ha sugerido utilizar un factor de ajuste a partir del factor de tensión armónica

(HVF), que viene dado por la expresión:

donde Vn es el valor por unidad de la tensión de cada armónico (V) y n es el orden del

armónico.

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Esta curva se desarrolla suponiendo que solo están presentes armónicos impares (excepto el

tercer armónico y sus múltiplos), es decir, que los armónicos pares son despreciables. No

puede aplicarse si los desbalances de tensión no son despreciables.

a) Factor de ajuste por desbalance de tensión

b) Factor de ajuste por factor de tensión armónica

Figura 1.2. Factores de ajuste de la potencia nominal en función del porcentaje de de

desbalance de tensión y del factor de tensión armónica.

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La curva se puede emplear solo en los casos en que el motor trabaja a plena carga y a

tensión y frecuencia nominal, lo que significa que no puede utilizarse en el caso de que el

motor trabaje con variadores de frecuencia.

Ajuste por rebobinado

El rebobinado de los motores implica pérdidas de eficiencia cuando en el proceso de

reparación se somete a altas temperaturas (sin tener control de éstas), a golpes, torsiones y

desarmes incorrectos. Por tales motivos la eficiencia se reduce entre un 1% y hasta un 5%

en dependencia de la potencia, velocidad y tipo de motor. Este factor tiende a ser menor a

medida que aumenta la potencia de la máquina. Para evitar grandes pérdidas de eficiencia, e

incluso para mantener la eficiencia nominal del motor, es muy importante que la reparación

se realice en talleres acreditados en programas de alta calidad EASA-Q o ISO 9000.

Ejemplo

Se tiene un motor asincrónico, con los siguientes datos de placa:

Potencia (kW): 250

Tensión (V): 440

Corriente (A): 407

Velocidad (rpm): 1782

Eficiencia (%): 94.6

Tipo: Cerrado (IP55)

Rotor: Bobinado

Se realizaron las siguientes mediciones con carga constante:

Tensión entre fases (V):

o V1-2 = 421.9

o V1-3 = 418.0

o V2-3 = 413.2

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Corriente por fase (A):

o I1 = 305

o I2 = 324

o I3 = 336

Factor de potencia por fase (%):

o fp1 = 78

o fp2 = 75

o fp3 = 77

Factor de potencia trifásico (%): 76,7

Potencia de entrada total (kW): 213.7

Velocidad (rpm): 1787

Se requiere conocer la potencia de salida mecánica en las condiciones medidas, haciendo el

ajuste necesario al valor de la eficiencia.

NOTA: El motor fue reparado en una ocasión

Solución

Determinación del factor de carga

Potencia de entrada eléctrica medida: 213.7 kW

Potencia nominal de salida: 250 kW

Eficiencia nominal: 94.6 %

El factor de carga será:

Calculo de eficiencia ajustada del motor

24

Para realizar esta evaluación, se requiere calcular primero la eficiencia al factor de carga

actual. La eficiencia se calcula de acuerdo con el método de interpolación lineal. Las

eficiencias a los diferentes factores de carga se obtienen de los datos del fabricante:

Con FC1=75.0 %, 1 = 93.9 %

Con FC2=100.0 %, 2 = 94.6 %

Interpolando: para FC= 80.0 %, 80% = 94.04 %

Es decir, la eficiencia a un factor de carga de 80 % es 94.04 %.

Ajuste por variación de tensión:

La tensión promedio se calcula según:

El ajuste por variación de tensión se determina con el auxilio de curva de la Figura 1.1:

VV = – 0.5%

Ajuste por desbalance de tensión: se calcula la máxima diferencia al promedio, para elegir

cuál de los valores obtenidos es el máximo y utilizar éste en el cálculo del factor de ajuste por

desbalance de tensión:

En este caso:

25

=

(%) 1.08100%

417.7

4.5100x

PromedioTensión

Promedio al Diferencia Máxima (%) tensión de Desbalance

El ajuste por desbalance de tensión de la curva correspondiente de la Figura 1.2 es:

DV = 0.98, aproximadamente.

Ajuste por rebobinado: se toma igual a 1.0 % (fue reparado una vez).

Por lo tanto, la eficiencia ajustada (no hay contaminación armónica, por lo que AR = 1) queda

de la siguiente manera:

La potencia real de salida en el eje se determina por:

Psal mec = 193.7 kW

1.1.5. Técnicas de inteligencia artificial

Como se ha observado anteriormente, existen dificultades relacionadas con la determinación

precisa de la eficiencia en condiciones de campo (con la necesaria baja intrusión), teniendo

además en cuenta las afectaciones que provocan el desbalance y la variación de tensión y

frecuencia, la contaminación armónica y el posible rebobinado.

Para dar solución a estos problemas, se están desarrollando intensamente métodos basados

en técnicas de inteligencia artificial (algoritmos genéticos, redes neuronales, lógica difusa y

otros, puros o combinados) con excelentes resultados.

26

Desde luego, hay que tener en cuenta que para trabajar con estos métodos se requiere de

instrumentos adecuados y precisos (analizadores de redes, tacómetros ópticos, etc.),

facilidades computacionales, softwares y personal calificado en estos procedimientos.

1.2. MOTORES ASINCRÓNICOS DE ALTA EFICIENCIA

1.2.1. Incremento de la eficiencia en los motores asincrónicos

El incremento de la eficiencia en los motores asincrónicos de jaula de ardilla se logra con la

reducción de las pérdidas en 5 áreas: pérdidas en el cobre del estator, pérdidas en el

cobre del rotor, pérdidas en el núcleo, pérdidas por fricción y ventilación y pérdidas

adicionales. La forma en que se distribuyen relativamente estas pérdidas depende del tipo y

tamaño del motor y, para tener una idea general, en la Figura 1.3 se puede observar cómo

se distribuyen las pérdidas en motores de distinta capacidad construidos por un fabricante

europeo. En esa figura se puede evidenciar cómo resulta relativamente amplio el intervalo en

que varía cada una de las pérdidas.

En un sentido muy general, la distribución promedio de las pérdidas para los motores Diseño

B del estándar NEMA, se puede resumir tal como se muestra en la Tabla 1.4. Sin embargo,

para cada caso, hay una distribución específica.

Las pérdidas pueden reducirse hasta alrededor de un 50% a través del uso de mejores

materiales, optimizando la geometría, ajustando mejor el motor con la carga y mejorando el

proceso de fabricación.

27

Figura 1.3. Distribución de las pérdidas en motores de distinta capacidad

Cuando se intenta maximizar la eficiencia de un motor, debe considerarse que ésta puede

incrementarse por dos métodos diferentes. Una posibilidad es seguir el camino en el cual la

mejoría se logra fundamentalmente a base de adicionar materiales y empleando tecnologías

más costosas. La otra posibilidad es optimizar el diseño del motor utilizando métodos de

optimización. La diferencia entre los dos enfoques es que en el primer caso la mejoría se

alcanza modificando un diseño existente, mientras que en el segundo caso se obtienen

diseños totalmente nuevos.

En la primera variante, el incremento de los materiales implica fundamentalmente aumentar

el volumen del material activo (acero electrotécnico y material conductor de la corriente) y las

mejoras tecnológicas significan emplear aceros electrotécnicos de mejor calidad, utilizar un

mayor factor de llenado en las ranuras, incrementar el número de ranuras del estator y del

rotor, etc.

Resulta importante que el logro de una mayor eficiencia, especialmente cuando se parte de

valores elevados, se alcance fundamentalmente (mientras en mayor medida sea, mejor) por

la vía de la optimización del diseño.

A continuación se realizan consideraciones sobre algunas de las pérdidas y la forma de

reducirlas.

28

Pérdidas de cobre en el estator

Las pérdidas de cobre (I2R en los devanados del motor) tiene dos componentes: las del

estator y las del rotor.

Las pérdidas de cobre en el estator son una función de la corriente que fluye en el devanado

del estator y de la resistencia de ese devanado. La corriente de línea en el estator puede

expresarse como:

Cuando se desea mejorar el comportamiento del motor, es importante reconocer la

interdependencia entre la eficiencia y el factor de potencia. Si se reescribe la relación

precedente y se despeja el factor de potencia:

Por lo tanto, si se incrementa la eficiencia, el factor de potencia tenderá a decrecer. Para que

el factor de potencia permanezca constante, la corriente del estator debe reducirse en

proporción al aumento de la eficiencia. Si se pretende que el factor de potencia mejore,

entonces la corriente debe disminuir más que lo que la eficiencia aumente.

Desde el punto de vista del diseño, esto es difícil de lograr debido a que hay que

cumplimentar otros requerimientos operacionales como el momento máximo.

Por otra parte, de la expresión:

29

se evidencia que las pérdidas en el estator (I2R) serán inversamente proporcionales al

cuadrado de la eficiencia y del factor de potencia (de la expresión anterior elevada al

cuadrado). Además, son directamente proporcionales a la resistencia del devanado del

estator.

Para una configuración dada, la resistencia del devanado es inversamente proporcional al

área del cobre. Mientras más área de cobre, menor serán las pérdidas. El aumento del área

del cobre puede lograrse mediante la colocación en las ranuras de conductores de más

sección o a través de un incremento de las dimensiones de las ranuras.

Una variación en la configuración del devanado puede conducir también a una reducción de

estas pérdidas, si se logra disminuir con ello la longitud media de las bobinas. Ese es el caso

en que se logra reducir la longitud de las cabezas de bobina.

Pérdidas de cobre en el rotor

Las pérdidas de cobre en el rotor se pueden reducir incrementando la cantidad de material

conductor (en las barras y en los anillos), utilizando materiales de mayor conductividad, así

como aumentando el flujo total que atraviesa el entrehierro. La magnitud de estos cambios

está limitada por el momento mínimo de arranque requerido, la corriente máxima de arranque

permisible y el factor de potencia mínimo aceptable.

Pérdidas de núcleo

La inducción en la estructura ferromagnética es un factor importante que determina este tipo

de pérdidas. Las pérdidas de núcleo se pueden reducir incrementando la longitud de la

estructura ferromagnética y, como consecuencia, disminuyendo la inducción. Esto reduce las

pérdidas por unidad de peso; pero debido a que el peso total aumenta, la mejoría en cuanto

a pérdidas no es proporcional a la reducción unitaria de éstas. La reducción en la carga

magnética también reduce la corriente de magnetización; y esto influye positivamente en el

factor de potencia.

30

También se pueden reducir las pérdidas de núcleo por medio de la utilización de

laminaciones más finas. Por ejemplo, empleando laminaciones de 0.35 mm en lugar de

laminaciones de 0.5 mm, se puede lograr un efecto favorable. La reducción en las pérdidas

de núcleo por esta vía se encuentra en un intervalo aproximado de 10 a 25 %, dependiendo

esto del método de procesar las laminaciones de acero y del método de montaje para

conformar el núcleo.

Ha habido un considerable progreso en cuanto a utilizar aceros con pérdidas específicas

inferiores, tanto en el caso del acero al silicio como en el de laminado en frío (bajo contenido

de silicio). El tipo de acero utilizado depende de las capacidades de procesamiento del

fabricante.

Sin embargo, muy pocas veces se pueden obtener las reducciones esperadas en las

pérdidas de núcleo, debido a toda una serie de variables que están presentes en

procesamiento y conformación de los núcleos. Con el uso de aceros con alto contenido de

silicio y laminas más finas, se puede llegar a reducciones de un 10 a un 40 % en las

pérdidas de núcleo. Una desventaja del acero con alto contenido de silicio es que, con

inducciones altas, la permeabilidad puede ser más baja, con el correspondiente incremento

de corriente de magnetización requerida. Esto tiende a reducir el factor de potencia y a

aumentar las pérdidas de cobre en el estator del motor.

Pérdidas de fricción y ventilación

Las pérdidas por fricción y ventilación son debidas a la fricción en los rodamientos y a las

pérdidas por batimiento con el aire en el ventilador y en otros elementos rotativos del motor.

La fricción en los rodamientos es una función de las dimensiones de éste, de la velocidad,

del tipo de rodamiento, de la carga y de la lubricación usada. Estas pérdidas quedan

relativamente fijadas para un tipo de diseño y, debido a que constituyen un porcentaje

pequeño de las pérdidas totales del motor, los cambios que se pueden hacer en el diseño

para reducirlas, no afectan significativamente la eficiencia del motor.

31

La mayor parte de las pérdidas por ventilación están asociadas a los ventiladores y a la

cantidad de ventilación requerida para extraer el calor generado por otras pérdidas en el

motor, tal como las pérdidas de cobre, las de núcleo y las adicionales. Según se reducen las

pérdidas que generan calor, es posible reducir el volumen de aire requerido para removerlas

y, de esta manera, se pueden reducir las pérdidas por ventilación. Esto resulta válido

especialmente en el caso de los motores cerrados con ventilación externa forzada.

Otro camino es el logro de un mejor diseño aerodinámico. Uno de los subproductos

importantes de la reducción de las pérdidas por ventilación, es la disminución de los niveles

de ruido.

Pérdidas adicionales

Las pérdidas adicionales son pérdidas residuales en el motor, que son difíciles de determinar

por medio de mediciones directas o de cálculos. Estas pérdidas están relacionadas con la

carga y generalmente se supone que varían con el cuadrado del momento de salida.

La naturaleza de estas pérdidas es muy compleja. Son una función de muchos factores de

diseño y de fabricación del motor. Algunos de los elementos que influyen en estas pérdidas

son: el diseño del devanado; la relación entre la magnitud del entrehierro y la abertura de las

ranuras; la relación entre el número de ranuras del estator y del rotor; la inducción en el

entrehierro; las condiciones en la superficie del rotor; el tipo de contacto superficial entre las

barras y las laminaciones del rotor. Mediante un diseño cuidadoso, se pueden minimizar

algunos de los factores que contribuyen a la magnitud de las pérdidas adicionales. Aquellas

pérdidas que están asociadas al procesamiento, tal como las condiciones superficiales del

rotor, se pueden minimizar a través de un control cuidadoso del proceso de fabricación. Las

pérdidas adicionales son las más difíciles de controlar en el motor, debido al gran número de

variables que contribuyen a las mismas.

Balance de las pérdidas

32

Dentro de un intervalo limitado de eficiencia, las distintas pérdidas analizadas son

independientes unas de otras. Sin embargo, cuando se procuran mejoras sustanciales en la

eficiencia, se encuentra que las mismas están muy fuertemente entrelazadas.

El diseño final del motor es un balance entre las diferentes pérdidas, con el objetivo de

obtener una eficiencia elevada y aún poder satisfacer otros requerimientos operacionales,

que incluye el momento de arranque, la corriente de arranque, el momento máximo y el

factor de potencia.

La distribución de las pérdidas indicada en la Tabla 1.3, muestra la significación de los

cambios en el diseño que conducen a incrementar la eficiencia del motor. Sin embargo,

según aumenta la potencia de salida (y en consecuencia la eficiencia nominal), se

incrementa también el grado de dificultad para mejorar esa eficiencia y, por lo tanto, el costo

de mejorar la eficiencia de un motor. Considérese solamente las pérdidas de cobre del

estator y del rotor. Para mejorar un punto en la eficiencia nominal, se requiere un aumento

creciente en la reducción de esas pérdidas, según se puede observar en la Tabla 1.5,

confeccionada para valores promedio de los diseños B de la NEMA.

En la Tabla 1.6 se muestra un sumario de las medidas que se pueden tomar por los

diseñadores para incrementar la eficiencia y los efectos que esto provoca.

Tabla 1.5. Reducción requerida en las pérdidas de cobre para incrementar la eficiencia en

un punto.

hpEficiencia original

(%)

Eficiencia incrementada

(%)

Reducción requerida en las

pérdidas de cobre (%)

1 73.0 74.0 8

5 83.0 84.0 11

25 89.0 90.0 16

50 90.5 91.5 19

100 91.5 92.5 28

33

200 93.0 94.0 38

1.2.2. Ventajas y limitaciones de los motores de alta eficiencia

En la mayoría de los casos - aunque esto depende de cada diseño específico - además de la

reducción de las pérdidas y el consecuente incremento de la eficiencia, se pueden considerar

las siguientes ventajas y limitaciones al trabajar con estas máquinas:

a) Estos motores tienden a operar a una menor temperatura. Esto aumenta su plazo de

servicio. Por ejemplo, para los aislamientos clase B o F, una reducción de 10 oC en la

temperatura de trabajo incrementa su vida útil en aproximadamente dos veces.

Correspondientemente, el costo total de motor para el usuario, disminuye. Este efecto es

más pronunciado en los motores de menos de 100 hp.

Tabla 1.6. Medidas de diseño para incrementar la eficiencia.

Pérdidas Posibles cambios de diseño

Efectos positivos Efectos adversos

Pérdidas de cobre en el estator

1. Aumento de la cantidad de cobre en la ranura

1. Reducción de la resistencia del estator

1. Aumento del costo y dificultades constructivas

2. Aumento de las dimensiones de las ranuras de estator y de la cantidad de cobre en la ranura


2. Aumento del costo y dificultades constructivas

3. Disminución de la longitud de las cabezas de bobina


3. Posible aumento de la corriente transitoria en el arranque y dificultades constructivas

Pérdidas de núcleo (histéresis y corrientes parásitas)

1. Uso de acero electrotécnico con menos pérdidas específicas

1. Reducción de las pérdidas por histéresis

1. Aumento del costo y reducida disponibilidad de materiales

2. Reducción del grueso de las laminaciones

2. Reducción de las pérdidas por corrientes parásitas

2. Aumento del costo y disponibilidad de materiales

3. Aumento de la 3. Reducción de las 3. Aumento del costo

34

longitud del núcleo pérdidas de núcleo y de la corriente de magnetización

4. Mejora en el procesamiento y tratamiento del acero

4. Reducción de las pérdidas por corrientes parásitas

4. Aumento del costo y del gasto de la energía en el procesamiento

Tabla 1.6 (continuación). Medidas de diseño para incrementar la eficiencia.

Pérdidas Posibles cambios de diseño

Efectos positivos Efectos adversos

Pérdidas de cobre en el rotor

1. Incremento de la inducción en el entrehierro

1. Reducción del deslizamiento y de las pérdidas de cobre en el rotor

1. Aumento de la corriente transitoria y estable en el arranque

2. Aumento de la sección de las barras

2. Reducción de las pérdidas de cobre en el rotor

2. Posible aumento de la corriente transitoria y estable en el arranque y reducción del momento de arranque

3. Aumento de la sección de los anillos



4. Incremento de la conductividad en las barras y en los anillos



Pérdidas por fricción y ventilación

1. Optimización del diseño del ventilador

1. Reducción de la temperatura de operación

1. Puede causar un incremento de los niveles de ruido y puede conducir a ventiladores unidireccionales.

2. Optimización de la selección de los rodamientos

2. Reducción de las pérdidas por fricción

2. Puede afectar los niveles de ruido o imponer restricciones de velocidad o de carga a los rodamientos

Pérdidas adicionales 1. Aislar las barras del rotor

1. Reducción de las corrientes entre las barras y las laminaciones

1. Incremento del costo

2. Incrementar el entrehierro

2. Reducción de las pérdidas superficiales de alta frecuencia

2. Reducción del factor de potencia

3. Eliminar la inclinación de las barras

3. Reducción de las pérdidas en el rotor

3. Puede incrementar el nivel de ruido y afectar las características de momento

4. Dividir los conductores en el sentido de la profundidad

4. Reducción de las corrientes parásitas

4. Dificultad para la construcción y alto costo

5. Transponer las vueltas 5. Reducción de las corrientes parásitas

5. Dificultad para la construcción y alto costo

35

En la Figura 1.4 se da un esquema de las mejoras técnicas que plantea un fabricante que

presentan sus motores de alta eficiencia.

Figura 1.4. Mejoras técnicas para obtener un motor de alta eficiencia

b) Los motores de alta eficiencia poseen generalmente menos deslizamiento (debido a los

cambios que se producen en los parámetros del rotor) que los motores de eficiencia

36

estándar. También el efecto es más marcado en los de pequeña capacidad. La mayor

velocidad puede ser ventajosa en muchos casos. Sin embargo, el incremento de la carga,

que se puede producir sobre todo cuando se accionan ventiladores o bombas centrífugas,

debe valorarse en cada situación.

c) El momento de arranque y el momento máximo son en algunos diseños ligeramente

mayores y en otros ligeramente menores, cuestión que resulta necesario analizar

casuísticamente en cada aplicación. Cuando son mayores, las condiciones de operación son

más favorables si el motor trabaja a tensiones inferiores al nominal.

d) La corriente de arranque suele ser mayor. Esto puede provocar que se sobrepasen los

límites máximos de caída de tensión en la red. También puede influir en la capacidad de los

equipos de maniobra, aunque muchas veces se puede operar con los mismos que se usan

con los motores estándar y a veces sólo resulta necesario el cambio de los elementos

térmicos. Sin embargo, un estudio realizado comparando determinados tipos de motores de

alta eficiencia de la generación que cumple con las normas IEEE Std. 841 de 1994, con los

de la generación previa (IEEE Std. 841 de 1986), arroja valores semejantes de kVA/hp.

e) La corriente transitoria en el arranque, que tiene su máximo en el primer medio ciclo, se

incrementa debido a la tendencia a un mayor valor de la relación X/R en el motor de alta

eficiencia. Aunque esta corriente puede no afectar el tamaño del arrancador, sí afecta el

disparo instantáneo del disyuntor del motor, por lo que hay que buscar un compromiso entre

la coordinación del disyuntor y los disparos en el arranque.

f) El factor de potencia de los motores de alta eficiencia ha tendido a ser inferior al

correspondiente al diseño estándar equivalente. En la Tabla 1.7 se muestran los principales

valores a plena carga de un motor de 10 hp diseño estándar y de uno de diseño de alta

eficiencia de un mismo tipo y fabricante.

Sin embargo, actualmente, no en todos los casos se presenta esa situación. En el estudio

comparativo mencionado en d), se encontró que los motores de alta eficiencia tienen un

factor de potencia mayor que los estándar en el intervalo de 3 a 10 hp; inferior en el intervalo

37

de 15 a 40 hp; aproximadamente igual de 50 a 100 hp; y de nuevo menor de 125 hp en

adelante.

Tabla 1.7. Comparación entre las características operacionales a plena carga.

10 hp, 4 polos, 460 V, TEFC.

Parámetros Diseñoestándar

Diseño de alta eficiencia

Eficiencia [%] 86.5 91.0

Factor de potencia [%] 85.2 83.6

Corriente nominal [A] 13.0 12

Corriente de arranque [A] 81.0 81.0

Momento de arranque (%) 190 210

Momento máximo (%) 280 270

Incremento de temperatura [oC] 72 66

Deslizamiento [%] 3.6 3.3

Costo (USD) 606.00 788.00

Cuando se va a decidir la compra de un motor de alta eficiencia que presente un factor de

potencia menor que el que tendría su equivalente de eficiencia estándar, se deben

considerar los costos asociados a la corrección del factor de potencia que habría que realizar

mediante la instalación de bancos de capacitores u otros medios.

Esto es especialmente necesario si la tarifa eléctrica implica penalizaciones e incentivos

sobre el factor de potencia y si el motor en cuestión es una parte considerable de la carga del

usuario.

38

Sin embargo, cuando se presentan reducciones del factor de potencia, éstas usualmente

están en el intervalo, cuando mas, de 2 a 5 puntos y esto, en la mayoría de los casos, no es

suficiente como para merecer mucha atención.

Al considerar las limitaciones que se han analizado aquí, debe tenerse en cuenta la

necesidad del uso de motores de alta eficiencia. Se le ofrece al consumidor oportunidades

para incrementar la eficiencia con una recuperación de la inversión adicional en un tiempo

razonable.

La transición hacia niveles más altos de eficiencia, no comprometen el comportamiento del

motor. De hecho, debido a las pérdidas menores, existe en muchos casos la oportunidad de

mejorar las características de operación y de incrementar la vida útil del motor

Países como los EE.UU., Canadá y México, han tomado medidas legales para introducir

compulsivamente (entre otros equipos), motores eléctricos de alta eficiencia. Por ejemplo,

una legislación norteamericana (EPACT-92) autorizó al Departamento de Energía a

establecer estándares para la eficiencia y para los métodos con los cuales ésta se determina.

En cuanto a motores asincrónicos, cubre aquellos que sean: polifásicos de propósitos

generales; de 1 a 200 hp; horizontales; de jaula de ardilla (abiertos y totalmente cerrados con

ventilación forzada); de una velocidad; de 2 a 6 polos; y de 230 a 460 V y 60 Hz. La

legislación establece que los fabricantes de motores tienen que diseñar las máquinas con

una eficiencia de 2 a 6% mayor a la de los diseños estándar.

En la Tabla 1.8 se muestran las eficiencias nominales mínimas establecidas por esta

legislación.

Tabla 1.8. Eficiencias nominales mínimas. Niveles legislativos

39

También en los EEUU, una alianza de grupos públicos y privados y el gobierno, denominada

Consorcio para la Eficiencia Energética, desarrolló paralelamente un conjunto de niveles de

eficiencia superiores a los definidos en el EPACT, denominado Premium-Efficiency.

Actualmente se fabrican motores con alta eficiencia y eficiencia premium, los cuales tienen

eficiencia de 3 a 10% superiores a la de los motores de eficiencia estándar y aunque son

más caros, su aplicación puede ser sumamente rentable.

1.3. MÉTODOS DE ANÁLISIS ECONÓMICO

Método del VPN diferencial

Cuando se comparan dos alternativas, como resulta el caso de motores con distintas

eficiencia, es más conveniente utilizar un método comparativo dentro de los métodos de

descuento, aunque pueden utilizarse otros como el CCV. Así, si se aplica el método del VPN

diferencial (la inversión será la diferencia entre los costos de los motores o inversión

incremental) se tiene, para un año dado, los siguientes elementos:

Ahorros por el uso de un motor de mayor eficiencia (ingresos)

- diferencia de gastos de instalación y mantenimiento

40

- depreciación del motor por la inversión incremental

= beneficios antes de los impuestos

Beneficios antes de los impuestos

- impuestos (totales)

= ganancia después de los impuestos (total)

Ganancia después de los impuestos (total)

+ depreciación del motor por la inversión incremental

= flujo de efectivo (o de caja) no descontado (total)

Flujo de efectivo no descontado (total) x factor de descuento

= flujo de efectivo descontado (total)

Flujo de efectivo descontado (total)

+ flujo total acumulado de efectivo descontado que existía al finalizar el año anterior

(para el primero año, se resta la inversión incremental)

= Flujo total acumulado de efectivo descontado

El valor presente neto (VPN) es el flujo total de efectivo acumulado al finalizar la vida útil.

Con el método del VPN diferencial, se pueden considerar los valores reales del tiempo de

recuperación de la inversión (PRI), de la ganancia neta al finalizar la vida útil y permite hacer

análisis de sensibilidad para valorar la influencia de distintos factores.

Cuando se hacen análisis diferenciales entre dos alternativas, se puede utilizar también

ventajosamente la tasa interna de retorno (TIR). La TIR diferencial se definiría como la tasa

de descuento o de interés que produce un VPN diferencial cero al finalizar la vida útil.

El VPN y la TIR se usan en el desarrollo de distintas metodologías de eficiencia para ayudar

a los usuarios a tomar decisiones sólidas.

41

Ahorros por el uso de un motor de mayor eficiencia

Ahorro en energía eléctrica

Con el método del VPN diferencial, los ingresos pueden considerarse igual a los ahorros

anuales por la reducción de las pérdidas al emplear una máquina de mayor eficiencia.

Como cada año el costo de la energía eléctrica estará afectado por la inflación, este será:

($/kWh)

donde:

: costo inicial de la energía eléctrica en el primer año ($/kWh),

Infl : tasa de inflación anual de la energía eléctrica (%),

n: año que ha transcurrido.

La tasa de inflación (Infl) puede evaluarse a través del aumento del factor K de la tarifa.

El valor de la energía eléctrica que se ahorra será:

($)

donde:

FC : factor de carga del motor (p.u.)

Psal : potencia de salida (kW)

: tiempo de trabajo anual del motor (h)

b : eficiencia del motor de baja eficiencia (estándar) (%)

a : eficiencia del motor de alta eficiencia (%)

Cuando hay distintas tarifas horarias o el tiempo de trabajo mensual varía o ambas cosas, es

necesario realizar los cálculos para cada variante y después calcular el total.

Ahorro por reducción de la demanda máxima

42

En algunas tarifas se cobra un cargo mensual por la máxima demanda registrada. En otros

casos, se cobra una penalización si la demanda máxima sobrepasa el valor de la demanda

contratada. Debido a que para la misma potencia de salida el motor de alta eficiencia tiene

menor potencia de entrada que el de eficiencia estándar, se produce también en estos casos

un ahorro al contribuirse a la reducción de la demanda máxima. El costo de la demanda

máxima variará anualmente de la misma forma que el costo del kWh (se le aplica el mismo

factor K). Asi:

($/kW/mes)

donde:

: costo inicial de la demanda máxima ($/kW/mes).

El ahorro se determina a partir de:

($)

donde:

: potencia de entrada del motor de eficiencia estándar (kW)

: potencia de entrada del motor de alta eficiencia (kW)

Los valores de esas potencias de entrada se calculan por medio de las expresiones:

(kW)

y

(kW)

Ahorro total

El ahorro total anual viene dado por:

43

($)

Gastos de instalación y mantenimiento

En los análisis diferenciales, sólo se incluyen en el flujo de efectivo las diferencias entre las

dos alternativas. Entonces, si al considerarse dos alternativas A y B los costos de instalación

y mantenimiento no difieren mucho, éstos pueden dejarse fuera del análisis (el costo

diferencial es cero).

Depreciación por la inversión incremental

La depreciación sobre el incremento de la inversión se resta primero de los ahorros para

permitir el cálculo de los beneficios antes de los impuestos y después se vuelve a sumar para

calcular el flujo de efectivo.

La depreciación de los motores se considerará lineal. Entonces:

($)

donde:

T : vida útil o plazo de servicio de los motores (años)

Ingresos antes de los impuestos

Sin considerar los impuestos, la magnitud del ahorro neto (ingresos) será:

($)

Ingresos después de los impuestos

La tasa total de impuestos se basa en las tasas nacionales o ramales. El ahorro neto

(ingresos) después de ser incluidos los impuestos vendrá dado por:

44

($)

donde:

I : valor de los impuestos (%)

Flujo total de efectivo no descontado

La magnitud total del valor del flujo acumulado al finalizar el año (considerando los ingresos

logrados a partir de los ahorros y los gastos habidos, que son cero en este caso) sin

considerar los descuentos, es el flujo total de efectivo no descontado. Este será el ahorro con

impuestos más la depreciación. La depreciación del capital invertido había sido primero

restada de los ahorros para permitir el cálculo de los beneficios antes de los impuestos;

entonces ahora se vuelve a sumar como un flujo positivo de efectivo. De esta forma:

, ($)

Factor de descuento

Una vez que se definen los flujos de efectivo para cada año de acuerdo con la vida útil

considerada para el motor, ellos se descuentan (basado en la tasa de interés) para reflejar

su valor real.

El factor de descuento se calcula por medio de la expresión:

donde:

D: tasa de descuento (%),

Flujo total de efectivo descontado

A partir del factor anterior, el flujo total de efectivo descontado en el año será:

45

($)

Flujo total acumulado de efectivo descontado

El flujo total acumulado de efectivo descontado al finalizar cada año será el flujo total de

efectivo descontado de ese año más el flujo total acumulado de efectivo descontado que

existía al finalizar el año anterior. Para el primer año, este valor es la inversión realizada (que

puede ser considerado el flujo total acumulado de efectivo descontado de un año

denominado cero y que se toma negativo; ver la primera columna de la Tabla 1.9). De esta

forma:

($)

donde:

: flujo total acumulado de efectivo descontado al finalizar el año anterior. ($).

Valor presente neto (VPN) y tasa interna de retorno (TIR)

El valor presente neto (VPN), como se vio anteriormente, es el flujo total acumulado de

efectivo descontado al finalizar la vida útil.

Cuando se comparan dos alternativas, aquella con el mayor valor calculado de VPN será la

mejor. Con el método del VPN, se pueden considerar los valores reales del tiempo de

recuperación de la inversión, de la ganancia neta al finalizar la vida útil y permite hacer

análisis de sensibilidad para valorar la influencia de distintos factores.

Cuando se hacen análisis diferenciales entre dos alternativas, se puede utilizar

ventajosamente la tasa interna de retorno (TIR). La TIR se define como la tasa de descuento

que produce un VPN cero al finalizar la vida útil.

El VPN y la TIR se usan en el desarrollo de distintas metodologías de eficiencia para ayudar

a los usuarios a tomar decisiones sólidas.

46

Estudio de caso 1

Para ilustrar el método del flujo de efectivo, se evalúa económicamente una inversión en una

nueva instalación con el uso del VPN.

En una instalación industrial mejicana, a la que en abril de 1997 se le aplicaba la tarifa O-M

(media tensión, con demanda menor de 500 kW), se deseaba analizar la alternativa de

comprar motores de alta eficiencia, en lugar de motores de eficiencia estándar. Uno de los

equipos que emplea un motor de 7.5 hp, trabaja los tres turnos durante 11 meses (es decir,

un promedio de 670 horas mensuales con base en 12 meses).

La O-M establece cargos por consumo de energía (sin diferencias horarias) y por demanda

máxima medida (15 min). La unidad monetaria es el peso mexicano (MXP). La depreciación

se considera lineal. Estos y otros datos generales, correspondientes al año para el que se

realizó el estudio (1997), se muestran en la Tabla 1.9.

Tabla 1.9. Ejemplo de cálculo para comprar un motor de alta eficiencia de 7.5 hp.

DATOS INICIALESP nominal (HP) 7.5 Costo inicial de la energía

(MXP/kWh)0.31701

Número de polos 4 Costo inicial dem.max ((MXP/kW/mes)

43.5144

Tensión (V) 440 Inflación energía (%/año) 14Factor de servicio 1.15 Impuestos (%) 35

Factor de carga (p.u.) 0.75 Tasa de descuento (%) 15Eficiencia del motor de alta ef.(%) 90.6 Capital invertido (diferencia de

costo) (MXP)1300

Eficiencia del motor de baja ef. (%) 86.1 Vida útil (años) 6Tiempo de operación mensual (h) 670

RESULTADOSAño 0 1 2 3 4 5 6

Costo de la energía (MXP) 0.31701 0.36139 0.41198 0.46966 0.53541 0.61037Costo dem.max ((MXP/kW/mes)

43.5144 49.6064 56.5513 64.4684 73.4940 83.4940

Ahorro energía (MXP) 616.98 703.36 801.83 914.08 1042.06 1187.95Pent max. alta ef.(kW) 6.17549 6.17549 6.17549 6.17549 6.17549 6.17549Pent max. baja ef.(kW) 6.49825 6.49825 6.49825 6.49825 6.49825 6.49825Ahorro por dem.max.

(MXP)168.54 192.13 219.03 249.70 284.65 345.50

Ahorro total (MXP) 785.52 895.49 1020.86 1163.78 1326.71 1512.45Depreciación (MXP) 216.67 216.67 216.67 216.67 216.67 216.67Ahorro sin impuestos 568.85 678.82 804.19 947.11 1110.04 1265.45

47

(MXP)Ahorro con impuestos

(MXP)369.75 441.24 522.72 615.62 721.53 822.57

Flujo total de efectivo no descontado (MXP)

586.42 657.90 739.39 832.29 938.19 1069.54

Factor de descuento (p.u.)

0.86957 0.75614 0.65751 0.57175 0.49718 0.43233

Flujo total de efectivo descontado (MXP)

509.93 497.46 486.16 475.86 466.45 462.39

Flujo total de efectivo descontado acumulado

(MXP)

-1300.00 -790.07 -292.60 193.55 669.42 1135.87 VPN = 1598.26

Como se observa, las variables para el cálculo son: potencia nominal del motor, factor de

carga del motor, los dos valores de eficiencia a comparar, la inversión incremental, el tiempo

de operación anual del motor, el costo de la energía eléctrica, el costo de la demanda

máxima, la tasa de inflación en el costo de la energía y la tasa de descuento. Se determinan

los valores con una hoja electrónica de cálculo Excel.

Los flujos de efectivo se descuentan y el VPN se determina para la vida útil que se considera.

La inversión incremental representa un flujo negativo de efectivo en el año cero. Este flujo

negativo se reduce cada año por el flujo positivo producido por los ahorros en energía

eléctrica y en demanda máxima.

La inversión se recupera en el tercer año y, al final de la vida útil, se obtiene una ganancia de

1598.26 MXP.

La inversión se recupera en el tercer año y, al final de la vida útil, se obtiene una ganancia de

1598.26 MXP. Estos datos indican que la inversión es aceptable.

Estudio de caso 2

Para mostrar la aplicación de la TIR con el método del flujo de efectivo, se evalúa ahora

económicamente una inversión en un motor de 500 hp para una instalación nueva en una

industria norteamericana.

Las variables en este caso son las mismas que en el ejemplo anterior, salvo que no se aplica

el cargo por demanda máxima. El costo de la energía es el promedio, considerando 3 tarifas

horarias.

48

El resultado del cálculo iterativo de la Tabla 1.10, demuestra que se justifica un gasto

adicional de 2775.43 USD - resulta una TIR del 25% - para comprar un motor de 500 hp de

alta eficiencia.

Tabla 1.10. Ejemplo de cálculo para comprar un motor de alta eficiencia de 500 hp.

Capacidad nominal: 500 hpFactor de carga: 75%Diferencia de costo capital: 2775.43 USDEficiencia del motor estándar: 94.4%Eficiencia del motor nuevo: 95.7%Tiempo de operación anual: 8000 hAhorro de energía: 32204.7 kWh/añoCosto de la energía: 0.035 USD/kWhImpuestos 37 %Inflación del costo de la energía: 2.5%/añoTasa de descuento (aquí igual al TIR) 25%/añoValor actual neto final: 0.00 USD.Nota: Las eficiencias de los motores deben corresponder al factor de carga especificado

Tabla 1.10 (Continuación).

.Ejemplo de cálculo para comprar un motor de alta eficiencia de 500 hp.

Plazo de servicio supuesto: 6 años

Año 0 1 2 3 4 5 6Costo de la

energía(USD/kWh)

0.035 0.03588 0.03677 0.03769 0.03863 0.0396

Ahorros(USD)

1127.17 1155.34 1184.23 1213.83 1244.18 1275.28

Menos depreciación

(USD)-555.09 -888.14 -527.33 -333.05 333.05 138.77

Antes de losimpuestos

(USD)572.08 267.21 656.90 880.78 911.13 1136.51

Menos los impuestos(37%)

(USD)-211.67 -98.87 -243.05 -325.89 -337.12 -420.51

Después de losimpuestos

(USD)360.41 168.34 413.84 554.89 574.01 716.00

Depreciación(USD)

555.09 888.14 527.33 333.05 333.05 138.77

Flujo total deefectivo 915.50 1056.48 941.18 887.94 907.06 854.77

49

(USD)Factor de descuento

0.8000 0.6400 0.5120 0.4096 0.3277 0.2621

Flujo descontado

(USD)732.40 676.15 481.88 363.70 297.23 224.07

Menos diferencia de capital

(USD)

-2775.43

Flujo total descontado

(USD)-2775.43 732.40 676.15 481.88 363.70 297.23 224.07

Flujo total acumulado de

efectivo descontado

(USD)

-2775.43 -2043.04 -1366.89 -885.01 -521.31 -224.08 VPN =0.00

1.4. MOTORES DE ALTA EFICIENCIA PARA REEMPLAZAR MOTORES DE MÁS BAJA EFICIENCIA EN OPERACIÓN

Una cuestión que resulta de interés es determinar cuándo se justifica económicamente

reemplazar motores que están trabajando satisfactoriamente por motores nuevos de alta

eficiencia.

La Tabla 1.11 muestra el VPN calculado para 6 motores de capacidad diferente. Se supuso

que el motor en operación tenía una eficiencia estándar y el sustituto una alta eficiencia, con

base en los datos de un fabricante. También esa tabla muestra la diferencia entre los valores

de eficiencia. El VPN calculado a 12% de tasa de descuento es negativo para todas las

capacidades consideradas en la evaluación. Los valores negativos de VPN indican que esta

es una inversión inaceptable; y lo sería más aún en casos con mayores tasas de descuento.

Por lo tanto, en una planta industrial con condiciones operacionales y costos también

similares de la energía eléctrica a los utilizados en este caso, el reemplazo de un motor

existente que está operando satisfactoriamente por un motor nuevo de mayor eficiencia, no

resulta satisfactorio desde el punto de vista económico, a no ser que se ofrezcan incentivos

por parte de la empresa eléctrica u otros organismos.

50

Si el motor existente ha estado en servicio durante muchos años (con múltiples rebobinados)

y tiene una eficiencia muy baja en relación con el nuevo motor o si el costo de la electricidad

es muy alto, entonces aún es posible que un reemplazo sea económicamente atractivo. Se

requiere un análisis caso por caso para llegar a conclusiones apropiadas.

El costo anual de las reparaciones y de las sustituciones de los motores puede exceder

significativamente el costo capital de nuevos motores. Al tomar decisiones en cuanto a

reparar o reemplazar motores cuando se producen fallas y otros problemas, se necesita

considerar varios factores. Entre ellos están:

Historia de la operación y de la reparación de los motores,

Calidad y costo de las reparaciones,

Diferencia de eficiencia entre el motor reparado y el motor nuevo.

Tabla 1.11. Valor presente neto por hp cuando se reemplaza un motor estándar en operación

por uno de alta eficiencia.

Tasa de interés: 12%

Carga del motor: 75%

Costo de la energía: 0.035 USD/kWh

Inflación de la

energía:

2.5%/año

Tiempo de operación: 8000 h

Vida útil: 12 años

Capacidad

(hp)

Polos Incremento de

eficiencia (%)

VPN/hp a 12% de

tasa de descuento

3 4 5.7 -57.30

10 2 3.2 -31.57

25 4 2.2 -27.90

50 6 2.7 -28.63

51

100 2 4.5 - 1.80

200 6 1.5 -22.65

Lo más común es que el historial, la calidad de las reparaciones y la eficiencia no se

consideren. Con demasiada frecuencia, las reparaciones se dejan a la discreción de la

empresa reparadora. Usualmente el consumidor quiere que el motor se repare y devuelva

tan rápido como sea posible. El costo, la calidad y el comportamiento del motor, en caso de

que se evalúen, son casi siempre preocupaciones secundarias. Una vez reparado, el motor

regresa a realizar el mismo servicio o a formar parte de la reserva con poca consideración en

relación con la historia del motor. Este tipo de gerencia hace poco por mantener una

adecuada información sobre el motor y sobre la calidad de las reparaciones que ha sufrido.

Hay que ajustar los sistemas de gerencia para lograr que información tal como la eficiencia

esté disponible para aquellos que tienen que tomar decisiones. Además de proveer esta

información crítica, un correcto sistema puede también brindar otras ventajas económicas, tal

como reducción de inventarios y un incremento de la disponibilidad gracias al monitoreo de

las fallas y al mantenimiento preventivo.

1.5. COMPRA DE UN NUEVO MOTOR DE ALTA EFICIENCIA CONTRA EL REBOBINADO DEL QUE HA FALLADO

Determinar el costo real de la reparación y del posible incremento de la eficiencia es una

consideración importante cuando se evalúa el reemplazo o el rebobinado de un motor.

Estudio de caso: aplicación a motores de armazón NEMA

Las figuras 1.5 y 1.6 muestran gráficamente cómo el incremento de la eficiencia puede influir

en la decisión del usuario en cuanto a reemplazar o rebobinar un motor fabricado según los

estándares NEMA.

En la Figura 1.5 se compara el costo para los usuarios de motores nuevos contra el costo

nacional promedio en USA para reacondicionar y rebobinar motores de estándar NEMA. El

promedio nacional se utiliza como ejemplo; el costo real de reparación para el usuario puede

ser menor que este promedio. El reacondicionamiento incluye la limpieza, la rehabilitación del

52

aislamiento (barnizado y secado), la sustitución de los rodamientos y el balanceo de la

máquina. El proceso de rebobinado incluye, en adición a los aspectos mencionados

anteriormente, el rebobinado del estator y la instalación de nuevos terminales.

Figura 1.5. Reparación contra reemplazo. Costo de la reparación comparado con el costo

del motor nuevo. (No se considera la eficiencia ni el VPN).

Figura 1.6. Reparación contra reemplazo. Incremento de la eficiencia en 2% sobre la

existente.

Los datos utilizados para elaborar la Figura 1.5 son los costos iniciales y no incluyen el

cambio en el valor del dinero o los ahorros debido al incremento de la eficiencia. Los valores

indican que el reacondicionamiento de motores de armazón NEMA de capacidad menor de 5

hp es más costoso que la compra de un nuevo motor. De igual manera, rebobinar un motor

de armazón NEMA de capacidad menor de 30 hp es más costoso que comprar un motor

nuevo.

53

En la Figura 1.6 se observa cómo la consideración de la eficiencia puede afectar la decisión

en cuanto al reemplazo o no. Los datos para la figura fueron obtenidos suponiendo una

eficiencia del motor existente un 2% menor que la eficiencia del motor de reemplazo. Esta

suposición es conservadora. También se considera una TIR del 25 %.

La Figura 1.6 indica que considerando la eficiencia y la TIR, en el intervalo de 30 a 60 hp se

traspasa la frontera entre qué resulta más ventajoso: el rebobinado o la compra de un nuevo

motor. Los costos de reacondicionamiento no se muestran porque la vida de un motor

reacondicionado no se puede considerar igual a la de un motor rebobinado o nuevo.

Debido a las muchas variables que están implicadas tal como el costo de la reparación, las

figuras 1.5 y 1.6 no pretenden servir como una guía general para decidir entre el reemplazo o

la reparación. Ellas representan simplemente un caso y tratan de animar a los especialistas a

incluir el efecto de la eficiencia cuando tengan que tomar decisiones en cuanto a reparación

o reemplazo.

1.6. EFECTO DE UN DESLIZAMIENTO REDUCIDO

Las ecuaciones utilizadas para calcular los ahorros por eficiencia del motor, implícitamente

suponen que la carga se mantiene igual cuando el motor de eficiencia estándar se reemplaza

por un motor de mayor eficiencia. Dependiendo del motor, del equipo accionado y del

proceso asociado, esto puede ser o no una buena suposición.

Tal como se analizó anteriormente, los motores de alta eficiencia operan usualmente a una

velocidad ligeramente superior y esto afecta la potencia consumida por la carga, sobre todo

con cargas centrífugas.

Así por ejemplo, un fabricante ofrece un motor de alta eficiencia de 150 hp y 4 polos, con una

velocidad de 1790 rpm a 75% de carga, contra 1789 rpm para el de eficiencia estándar (1

rpm de diferencia). Por otra parte, el motor de alta eficiencia de 30 hp y 4 polos de este

fabricante tiene una velocidad de 1781 rpm a 75% de carga contra 1775 rpm del diseño

54

estándar (6 rpm de diferencia). Debe tenerse en cuenta que diferencias de 10 rpm entre

distintos diseños no son extrañas en la industria.

Con el motor de alta eficiencia, el incremento en la velocidad de operación debido al

deslizamiento reducido tiende a incrementar la carga total y contrarresta parcialmente los

ahorros. Este efecto puede comprenderse más claramente usando el ejemplo del motor de

30 hp descrito en el párrafo anterior. Los valores de alta eficiencia y estándar a 75% de carga

son 94.3 y 90.9, respectivamente. Cuando los efectos de la carga se desprecian, la reducción

pronosticada de potencia de entrada por el uso del motor de alta eficiencia es:

30 hp (0.75) (1/0.909) - (1/0.943) = 0.892 hp

y

0.892 hp x (746 W/hp) = 655.43 W.

Si la carga accionada es un ventilador, el aumento en la carga del motor es proporcional al

incremento por unidad de la velocidad elevado al cubo:

= 22.7 hp.

La carga incrementada del motor es 0.9% más alta que la carga base de 22.5 hp (30 x 0.75

hp) que se tenía con el motor de eficiencia estándar. La potencia eléctrica de entrada para el

motor de eficiencia estándar es:

22.5 hp x 746/0.909 = 18465.35 W.

Con el motor de alta eficiencia, la potencia de entrada se reduce a:

22.7 hp x 746/0.943 = 17957.79 W,

La reducción de potencia producida es 507.56 W. El efecto del cambio de deslizamiento es

reducir el ahorro real de energía de 655.43 a 507.56 W, una reducción del 24% en los

ahorros pronosticados.

55

Si el incremento en la carga del motor produce un aumento del trabajo útil, entonces la

reducción en los ahorros de energía no debe preocupar. Sin embargo, en los casos en que el

incremento de carga no añade trabajo útil, es necesario considerar en las evaluaciones de

eficiencia el efecto del deslizamiento. Es de notar que el efecto de la reducción del

deslizamiento sobre otros tipos de carga con diferente característica, es normalmente inferior

que para el caso de la carga de ventilación considerada.

1.7. FACTORES QUE DETERMINAN LA RENTABILIDAD DEL EMPLEO DE MOTORES DE ALTA EFICIENCIA

¿Cuándo se debe considerar el empleo de un motor de alta eficiencia?

El empleo de un motor de alta eficiencia debe considerarse en las circunstancias siguientes:

En toda nueva instalación

Cuando se compran equipos tales como compresores, sistemas de calentamiento,

refrigeración aire acondicionado y bombas, etc.

Cuando se remodelan las instalaciones y se modifican los procesos

En lugar de reparar un motor viejo de eficiencia estándar

Cuando se reemplazan motores subcargados y sobredimensionados

Como parte de programas de mantenimiento preventivo o de conservación energética e

impacto ambiental

La efectividad económica de la aplicación de un motor de alta eficiencia en una situación

específica depende de varios factores, que incluyen el precio de compra, la eficiencia, las

horas anuales de uso, la tarifa eléctrica, el costo de la instalación y tiempo de parada, el

criterio de período de recuperación de la empresa, y los incentivos que se reciban.

La compra de un motor de alta eficiencia en lugar de reparar un motor que ha fallado, debe

considerarse cuando, entre otras cosas, el costo del rebobinado excede el 65 % del costo del

motor y cuando el motor quemado había sido ya reparado o en talleres no certificados o con

anterioridad a 1980

56

1.7.1. Cómo iniciar un programa de motores eficientes

Para iniciar un programa de mejoramiento de la eficiencia en motores de una industria, se

deben inventariar todos los motores y clasificarlos de acuerdo con el tipo de accionamiento

mecánico, horas, régimen y horario de trabajo. La atención debe centrarse los aspectos

siguientes:

Motores de uso general no diseñados especialmente

Potencias desde 7.5 a 400 kW

Tiempo de operación anual superior a 2000 horas (típicamente en la industria cuando se

exceden las 4000 horas al año)

Motores con carga constante (no intermitente, cíclica o fluctuante)

Motores estándar viejos o rebobinados

De fácil instalación y que no induzcan inversiones adicionales

Posibilidad de cambio de horario de trabajo del motor

Condiciones de la calidad de la energía

Un estudio de este tipo permite tomar medidas y clasificar las máquinas de acuerdo con el

momento de reposición:

Reposición inmediata

Sustituir cuando falle

Mantener la situación actual

El costo adicional de un motor de alta eficiencia se recupera mediante el ahorro de energía y

reducción de la demanda. En aplicaciones típicas industriales, los motores eficientes son

efectivos económicamente cuando arrojan un período de recuperación de la inversión en el

entorno de los dos-tres años o menos.

Programas como el mencionado MOTOR MASTER + calculan el ahorro económico cuando

se usan motores de alta eficiencia considerando el tipo de motor, el precio, las horas de

explotación anual, las tarifas, el factor de carga y el incentivo, si lo hay, de la empresa

57

eléctrica. La evaluación económica la realiza por el criterio del Costo del Ciclo de Vida (CCV)

y el período de recuperación.

1.7.2. Programas de incentivos para el ahorro de energía

Muchas compañías eléctricas de numerosos países han promovido, desde hace años,

planes para una mejor gestión, con la intención de ahorrar energía y de posponer los

costosos incrementos de las capacidades de generación, a través de incentivar a los

usuarios a utilizar equipos eléctricos más eficientes, entre los cuales se encuentran los

motores. Entre estos planes han estado aquellos, muy populares, que efectúan descuentos

en efectivo a los compradores de motores eficientes. Estos incentivos hacen que proyectos

como el reemplazo de motores de eficiencia estándar, que de otra forma no serían atractivos

para el usuario, lo sean.

Incentivos típicos de una compañía norteamericana se muestran en la Tabla 1.12. Los

descuentos son relativamente mayores para las capacidades menores, debido a que éstas

predominan más en el mercado (más del 80 % de los motores están por debajo de los 10

hp). En ciertos casos, los descuentos dependen del nivel de eficiencia mejorada que tenga el

nuevo motor.

El ahorro con la compra de motores de alta eficiencia por parte de los consumidores, como

se explicó anteriormente en este capítulo, se traduce en dos posibles beneficios que afectan

a la empresa eléctrica de dos formas diferentes. El primero es la reducción en el consumo de

energía por la operación del motor. El segundo, la reducción de la demanda. Debido a que

los grandes consumidores deben pagar tarifas tanto por energía como por demanda, ellos

también resultan doblemente beneficiados. Los pequeños consumidores, que sólo pagan por

consumo de energía, se benefician por el primer aspecto. Así, en un estudio de caso, la TIR

para un motor nuevo de alta eficiencia de 1000 hp, se incrementó de 32 % a más de 50 %,

gracias a un descuento de 3000 USD (48 % del costo incremental del motor de mayor

eficiencia).

Tabla 1.12. Incentivos típicos aplicados por una compañía eléctrica norteamericana.

58

Potencia (hp)

(1800 rpm)

Descuento

(USD)

Potencia (hp)

(1800 rpm)

Descuento

(USD)

1 30 30 350

2 45 40 430

3 60 50 500

5 80 60 610

7.5 110 75 730

10 140 100 920

15 200 125 1130

20 260 200 1300

25 300 250 1700

.

Los ahorros para la empresa eléctrica por reducción de la demanda máxima, son más

difíciles de valorar económicamente que aquellos debido a la disminución del consumo de

energía. Por un lado, no todas las partes de los sistemas de distribución resultan igualmente

capaces de suministrar una determinada demanda máxima. Por otra, la demanda de

corriente del motor depende tanto del factor de potencia como de la eficiencia. Como se

analizó previamente, en la actualidad, el factor de potencia de un motor de alta eficiencia

puede ser igual, mayor o menor que uno de eficiencia estándar. El factor de potencia de los

motores no está regulado por las normas.

Sin embargo, la situación perspectiva en muchos países es diferente. Según las compañías

eléctricas ven el advenimiento de la desregulación del mercado como parte de la política

neoliberal, que conduce a la competencia en la venta de energía, se está produciendo un

cambio en el clima económico alrededor de los planes de descuento. El hecho de que los

desembolsos por descuentos representen una reducción de las ganancias, se está

convirtiendo en un factor dominante para reducir o cortar esos planes. Si los costos de

operación (que incluyen los descuentos) no son lo suficientemente bajos, las empresas

perderán mercados.

A lo anterior se añaden otros factores: las normas que obligan a la utilización de motores

eficientes; los usuarios que, conociendo ya las ventajas, están dispuestos a comprar esos

motores con o sin descuentos; el cambio del cuadro en cuanto a costos evitados, dado por la

59

posibilidad, en muchas regiones, de satisfacer el crecimiento de la demanda

fundamentalmente con plantas pico (en lo que ha influido los logros en el “aplanamiento “ del

gráfico diario de carga a través de una adecuada administración de la demanda).

60

CAPÍTULO 2

SELECCIÓN DE MOTORES ASINCRÓNICOS

2.1. ESPECIFICACIÓN DE MOTORES ASINCRÓNICOS

Para especificar un motor asincrónico trifásico, es imprescindible suministrar todos los datos

necesarios. Algunos ingenieros describen lo que necesitan con sólo algunos aspectos

básicos, por ejemplo: potencia de salida, 100 hp; 1770 rpm; 440 V; trifásico. Pero se necesita

información adicional, tal como la protección necesaria para el medio ambiente donde va a

trabajar, el tipo de régimen, la eficiencia, el factor de potencia, etc. Otra práctica común

cuando se va a remodelar o expandir una instalación, es utilizar las mismas especificaciones

que se tenían en la fábrica anteriormente. Pero, ¿qué sucede si la aplicación o el medio

ambiente han cambiado; o si los viejos motores estaban incorrectamente especificados?

Por todas estas razones, las especificaciones de un motor deben ser cuidadosamente

establecidas para cada aplicación y, por lo tanto, al seleccionarlo, hay que tenerlas en

cuenta. El no hacerlo, conducirá a que se generen costos innecesarios de inversión,

reducciones en la vida útil del motor, deterioros en la carga y, lo que es más lamentable,

accidentes, todo lo cual está asociado a pérdidas económicas para el usuario.

De aquí que resulta necesario realizar una especificación completa de los motores, teniendo

en cuenta todos los aspectos que dependen de las aplicaciones, condiciones operacionales y

medioambientales y otras exigencias.

En la Tabla 2.1 se muestran los aspectos que en cuanto a especificación, se recomienda

evaluar siempre, así como aquellos que en determinadas circunstancias resulta necesario

hacerlo.

61

Tabla 2.1. Especificaciones necesarias para los motores asincrónicos

EVALUAR SIEMPRE LA ESPECIFICACIÓN DE:

ESPECIFICAR CUANDO SEA NECESARIO:

Potencia y factor de servicio (si corresponde)

Factores relacionados con motores accionados por convertidor de frecuencia

Suministro eléctrico (incluyendo factores relacionados con la calidad de la energía)

Tipo de eje de los motores verticales

Velocidad Rotación y empuje axial de los motores verticales

Régimen Frecuencia de arranque y de inversión de rotación

Características de momento Tipo de frenajeEficiencia Medios de detección de la temperatura de

los rodamientosFactor de potencia Medios de detección de la temperatura del

estatorFrame Medios de detección de la vibraciones

Tipo de protección (enclosure) Protección contra descargas eléctricasMontaje Protecciones eléctricas

Temperatura ambiente Transformadores de corrienteIncremento de temperatura Tipo de acoplamiento con la carga

Clase de aislamiento BaseAltitud Previsiones en cuanto a la tierra

Inercia en el eje del motor DrenajesMétodo de arranque Pruebas a ser realizadas

Límites de la corriente de arranque OtrosTolerancias en cuanto a vibración y

balance Caja de terminales

Nivel de ruidoExtensión del eje

Dirección de rotaciónRodamientos

A continuación se tratan algunas de las principales especificaciones.

2.1.1. Suministro eléctrico

La IEC requiere que los motores sean adecuados para la operación con una tensión de

suministro que tenga un factor de tensión armónica (HVF) (ver acápite 1.1.4), menor de 2 %.

62

La NEMA no especifica ninguna reducción de la potencia nominal del motor para un THD de

hasta 5 %, para motores hasta 5000 hp y tensiones de operación de 7200 V o menos.

Tampoco establece requerimientos en cuanto a THD para motores que están fuera de esta

categoría.

Aunque no está normado, es recomendable, por lo menos, reducir aproximadamente la

potencia nominal en función del THD, tal como se vio en el acápite 1.1.4.

Los motores IEC deben ser adecuados para operación en un sistema virtualmente

balanceado, con componentes de secuencia negativa que no exceda el 1 % de la

componente de secuencia positiva. La NEMA permite un máximo desbalance de tensión del

1 % sin reducción de la potencia nominal el motor.

2.1.2. Tolerancia de variación de tensión y de frecuencia

Las variaciones permisibles de tensión y frecuencia se tratan de manera diferente por las

normas NEMA e IEC. Según la Norma NEMA MG1, el motor asincrónico debe ser capaz de

funcionar de manera satisfactoria cuando se alimenta con tensiones hasta 10 % por encima

o por debajo de la nominal, siempre que la frecuencia sea la nominal. Si hubiera una

variación simultánea en la frecuencia y la tensión, la tolerancia de variación de tensión se

reduce de manera que la suma de las dos variaciones no sobrepase un 10 %, partiendo

de que la variación de la frecuencia no exceda 5 %. Se especifica que el comportamiento

con estas variaciones no necesariamente será el mismo que a tensiones y frecuencias

nominales.

La Norma IEC-34-1 ofrece dos opciones con las variaciones de tensión y frecuencia, tal

como se da en la Tabla 2.2.

La IEC 34-1 también establece que las máquinas deben ser capaces de lograr su

comportamiento nominal dentro de la Zona A, pero permite que ese comportamiento difiera.

La operación continua dentro de la Zona B no es recomendada.

63

Tabla 2.2. Variaciones de tensión y frecuencia para motores según la IEC 34-1.

ZONA A ZONA BTensión (%) Frecuencia (%) Tensión (%) Frecuencia (%)

105 102 110 103

103 98 105 95

100 102 100 103

100 98 100 95

95 100 90 100

97 102 93 103

2.1.3. Operación con tensiones desbalanceadas

La NEMA permite un desbalance máximo de tensión de un 1 %, más allá del cual se

especifica una reducción de la potencia nominal (ver Figura 1.2). Como ya se planteó, la IEC

34-1 establece que los motores sean adecuados para la operación en un sistema donde la

tensión de secuencia negativa no exceda un 1 % de la tensión de secuencia positiva.

2.1.4. Requerimientos de momento

La mejor manera de evaluar los requerimientos de momento es superponer las curvas de

momento contra velocidad de la carga y del motor. Las curvas de los motores las proveen

los fabricantes y las de las cargas, o bien las obtenemos también de los fabricantes o se

determinan por los métodos conocidos.

La Figura 2.1 muestra la curva de velocidad contra momento para una carga de baja inercia y

típica de una bomba centrífuga (Mext), con la curva del motor superpuesta (Mem). Hay que

asegurarse de que los valores de las curvas son para la tensión aplicada en los terminales

del motor durante la aceleración. Un motor que se arranca directo de la línea toma varias

veces la corriente nominal, lo cual reduce la tensión aplicado en los terminales a alrededor de

64

un 90 %. Además, la tensión de línea se reduce si otros motores están siendo arrancados al

mismo tiempo. Por estas razones, la curva del motor debe reflejar el momento producido

considerando la reducción de la tensión. Aspectos importantes de las curvas son:

1. Momento de arranque o de rotor bloqueado (Punto A).

2. Momento de aceleración (Macc). Para asegurar que la carga se acelera lo suficientemente

rápido, el motor debe desarrollar un momento sustancialmente mayor que el de la carga a

través de todo el período de aceleración, hasta la región cercana al punto de operación.

3. Momento máximo (Punto B).

4. Punto de operación (Punto C). Es el intercepto entre ambas curvas. Los requerimientos de

momento de la carga en este punto, no deben nunca exceder el momento nominal en forma

continua. De otra manera, las sobrecargas incrementarán la temperatura de operación y

acortarán la vida del motor.

Figura 2.1. Curvas de momento del motor y la carga contra velocidad y de corriente contra

velocidad (en unidades relativas).

65

Cuando se emplean métodos de arranque para reducir la corriente a rotor bloqueado, es

importante estar seguro de que el momento del motor, que depende aproximadamente del

cuadrado de la tensión aplicada por fase, sea por lo menos un 30% mayor que el de la

carga.

De acuerdo con las características de momento y de corriente contra velocidad, los motores

asincrónicos son clasificados en categorías o clases de diseños, cada una de las cuales se

adecua al tipo de carga.

La Norma IEC 34 – 12 establece las categorías N, H y D, a las que corresponden las curvas

que se muestran en la Figura 2.2.

Figura 2.2. Curvas de momento típicas para las categorías de momento N, H y D, según la

IEC.

A su vez, la Norma NEMA norteamericana establece los requerimientos mínimos de

momento para diseños básicos de motores, a través de las Clases de Diseño (A, B, C, D).

En Figura 2.3 se dan curvas de momento típicas para las clases señaladas.

Para ambas normas, se establecen los momentos mínimos de arranque, aceleración, y

máximo con respecto al nominal, para distintos números de polos e intervalo de potencia

nominal.

66

2.1.5. Corriente de arranque

La máxima corriente de arranque (o de rotor bloqueado) se da en las normas en función de la

potencia nominal del motor. Los valores son válidos para cualquier cantidad de polos y están

expresados en términos de la potencia aparente absorbida con el rotor bloqueado en

relación a la potencia nominal: kVA/hp ó kVA/kW. En la Tabla 2.3 a) y b), se dan las que

corresponden a las normas IEC 34-2.5 y ANSI C50.41.27.2, a tensión y frecuencia nominal.

Figura 2.3. Curvas de momento típicas para las clases de diseño A, B, C y D, según la

NEMA.

Como se observa en la Tabla 2.3 a), bajo la Norma ANSI, la indicación del valor de la

corriente de rotor bloqueado en la placa de identificación del motor se hace a través de la

letra de código normalizada que da la indicación del intervalo de valores.

La máxima corriente a rotor bloqueado puede calcularse por:

67

donde: CL son los KVA/hp según la letra de código

Tabla 2.3. Normas de corriente de arranque.

a) Máximos kVA de arranque como función de la potencia de salida según la IEC.

Intervalo de potencia (kW) Máxima potencia aparente de rotor bloqueado (p.u.)

0.4 ≤ 6.3 13

6.3 ≤ 25 12

25 ≤ 100 11

100 ≤ 630 10

b) Letra de código de designación para los kVA de arranque por hp según la ANSI.

Código KVA/hp Código KVA/hp

A 0.0 – 3.14 L 9.0 – 9.99

B 3.15 – 3.54 M 10.0 – 11.09

C 3.55 – 3.99 N 11.2 – 12.49

D 4.0 – 4.49 P 12.5 – 13.99

E 4.5 – 4.99 R 14.0 – 15.99

F 5.0 – 5.99 S 16.0 – 17.99

G 5.6 – 6.29 T 18.0 – 19.09

H 6.3 – 7.09 U 22.0 – 22.09

J 7.1 – 7.99 V 22.4 ó más

K 8.0 – 8.99

2.1.6. Limitación de la corriente de arranque

El método preferido para el arranque de los motores asincrónicos de jaula de ardilla es el

directo de la línea. Esto produce el máximo momento para la aceleración y lleva al sistema

motor-carga al punto de operación en el tiempo más reducido. Debe tenerse en cuenta que

para un determinado motor, las curvas de momento y de corriente son fijas para una tensión

constante, independientemente del tipo de carga.

68

Desafortunadamente, el arranque directo está asociado a una gran corriente de arranque,

que puede tener consecuencias perjudiciales:

Gran caída de tensión en el sistema de alimentación de la red. Esto puede afectar a

los equipos que se encuentran instalados en el sistema.

El sistema de protección, los cables y los contactores, deberán ser dimensionados

para esas elevadas corrientes, lo que significa mayores costos.

La imposición de restricciones por parte de algunas empresas de energía eléctrica a

las caídas de tensión.

Si el arranque directo no es aceptable, hay que considerar métodos de reducir la corriente de

arranque, que en los motores de jaula de ardilla se logra reduciendo la tensión aplicada a los

devanados.

Métodos de arranque

Arranque estrella-delta (Y- )

Para este tipo de arranque, es necesario que el motor esté diseñado para trabajar en

operación normal en delta y que sus devanados puedan conectarse en estrella para el

arranque (6 terminales) según se muestra en la Figura 2.4.

Figura 2.4. Esquema de conexiones para arranque Y-

El momento de arranque (proporcional aproximadamente al cuadrado de la tensión aplicada

al motor) quedará usualmente reducido a un 25 % - 33 % (dependiendo de la caída de

69

tensión en la línea) del momento de arranque en delta. Por este motivo, será siempre

conveniente que para este tipo de arranque se use un motor diseñado para un momento de

arranque elevado.

La corriente de arranque en la línea se reduce en una proporción similar.

En el siguiente ejemplo se demuestra el comportamiento del momento y de de la corriente de

arranque con este método, despreciando las caídas de tensión en la línea.

Ejemplo

Un motor que opera en delta tiene los siguientes parámetros:

Potencia de salida nominal: 75 kW Momento nominal: 483 N-m

Corriente nominal: 121 A Momento de arranque/momento nominal: 2.3

Tensión: 440 V Momento máximo/momento nominal: 2.3

Eficiencia: 94.9 % Corriente de arranque: 858.10

Factor de potencia: 0.86 Corriente de arranque/corriente nominal: 7.1

Calcule la reducción que se produce en el momento y en la corriente de línea de arranque

con un método Y-, considerando que la tensión de línea se mantiene constante.

Cuando está conectado en Y en el arranque, la tensión por fase se reduce en veces.

Considerando el momento directamente proporcional al cuadrado de la tensión:

Momento de arranque/momento nominal:

Es decir, que se reduce a un tercio, que en valor absoluto es: 161 N-m.

La corriente de arranque resultante en la línea con la conexión estrella con respecto a la

corriente de arranque en la línea en la conexión de operación delta:

70

donde Zf es la impedancia por fase ().

En valor absoluto es:

En la Figura 2.5. se muestra un ejemplo del comportamiento de las características de un

motor con este tipo de arranque.

Figura 2.5. Ejemplo de las características momento y corriente de un motor con un arranque

Y-.

Antes de decidirse por el uso de este método, será necesario verificar si el momento de

arranque será suficiente para mover la carga, con el margen de seguridad adecuado

(momento de aceleración por lo menos un 30% mayor que el de la carga en todo el intervalo

de aceleración). Además, como hay límites con respecto a qué duración puede tener el

71

período de aceleración, este requerimiento debe chequearse antes de especificar cómo debe

arrancarse el motor.

El arranque Y-, en general, solo debe ser aplicado para arranques en vacío o con

características de carga centrífuga (como la de la Figura 2.5). El instante en el cual se

cambia de estrella a delta (conexión normal de trabajo) debe ser analizado estrictamente (ver

Figura 2.5), para que tanto la corriente como el momento sean los adecuados en el período

final de aceleración, hasta llegar al estado estable final .

Otra desventaja de este tipo de arranque es la formación de arcos y sobretensiones en el

proceso de conmutación de una conexión a otra.

Arranque serie-paralelo

Este tipo de arranque exige nueve terminales en el motor, con cada fase dividida en dos

mitades. En el arranque, la máquina es conectada en Y o en con las dos mitades en serie,

hasta alcanzar la velocidad adecuada para conmutar a Y ó con las dos mitades conectadas

en paralelo, que es la condición en que operan normalmente durante su trabajo. Esto se

muestra en la Figura 2.6. En este caso, la reducción del momento es por debajo del 25 % (la

tensión por mitad de la fase se reduce a 1/2 cuando está en serie), por lo que las condiciones

son más críticas que para el método Y- y, en consecuencia, su aplicación es más limitada.

Figura 2.6. Esquemas de conexiones para arranque serie-paralelo, tanto Y como .

72

En el arranque estrella serie-estrella paralelo, la corriente en la línea del motor (que es la

corriente en la red) en el arranque en Y serie, es (despreciando las caídas de tensión en las

líneas): Vf/(2xZparte). Y si estuviese conectado en Y paralelo: Vf/(Zparte /2). La relación es:

donde Zparte es la impedancia de cada una de las mitades de la fase ().

Como se observa, la corriente se reduce en la misma proporción que el momento. Las

mismas reducciones ocurren con el arranque serie- paralelo

Debido a que también hay conmutación, se presentan similares problemas a los señalados

en el caso estrella-delta.

Arranque con autotransformador

La tensión con este tipo de arranque es reducida a través de un autotransformador que

normalmente cuenta con taps en 50, 65 y 80 %. La corriente en la línea y el momento de

arranque se reducen proporcionalmente a la reducción de la tensión al cuadrado (más la

reducción por la caída de tensión). Con el siguiente ejemplo se ve con más claridad este

comportamiento.

Ejemplo

Calcule la disminución que se produce en el momento y en la corriente de línea en el

arranque con un método de autotransformador con el tap al 65 %, para el motor dado en el

ejemplo anterior. Considere que la tensión de línea se mantiene constante.

Momento de arranque/momento nominal:

La corriente de arranque en los terminales del motor con el tap al 65 %:

73

La corriente de arranque en la red (lado de alta del autotransformador) con el tap al 65 %:

O sea, que la reducción es:

Por otra parte, como no hay conmutación interna en el motor, se evitan los problemas que se

crean en el caso estrella-delta o serie-paralelo en el interior del mismo.

Arranque con resistores en serie con la línea

En este método se colocan resistores en serie en cada una de las líneas, provocando una

caída de tensión en ellos y, como consecuencia, una disminución de la corriente de arranque

según se reduzca la tensión aplicada al motor. El momento se reduce en proporción a la

tensión resultante al cuadrado. Es decir, en este caso la disminución de la corriente de

arranque que se logra es menor que en los casos anteriores (proporcional a la tensión).

Cuando el motor está próximo a su velocidad nominal, se conecta directamente a la red.

Durante el período de arranque, mejora el factor de potencia, pero tiene el inconveniente de

producir mayores pérdidas de energía en los resistores. Desde luego, el período de arranque

usualmente tiene poca significación desde el punto de vista energético.

En la práctica, este método es poco utilizado.

Arranque con reactores en serie con la línea

74

Este método de arranque es similar al anterior. Se tienen pérdidas menores. Pero las

inductancias son más caras y se utiliza en la práctica sólo para el arranque de motores de

gran potencia y en media tensión.

En todos estos casos en que hay conmutación, ya sea dentro o fuera del motor, se producen

fenómenos transitorios que pueden provocar corrientes transitorias con efectos perjudiciales

para el sistema. Para reducir este problema, en los métodos dados anteriormente, se

emplean arrancadores que en la que no hay nunca una apertura total del circuito (transición

de circuito cerrado). Naturalmente, esto encarece el equipamiento.

Arranque electrónico (soft start)

Los avancen en la electrónica permitieron la creación del arrancador electrónico, que

consiste en un conjunto de pares de tiristores (SCR) o combinaciones de tiristores/diodos, en

cada borne del motor.

El ángulo de disparo de cada par de tiristores es controlado electrónicamente para aplicar

una tensión variable a los terminales del motor durante la aceleración. Este comportamiento

es llamado arranque suave o soft start. Al final del período de arranque, normalmente

ajustable entre 2 y 30 segundos, la tensión alcanza su valor máximo luego de la aceleración

suave o una rampa ascendente, en vez de ser sometido a incrementos o saltos repentinos,

como ocurre con los métodos de arranque anteriores. De esta manera se consigue

mantener, como es deseable, la corriente de arranque en la línea próxima a la nominal y con

variaciones suaves.

Además de la ventaja del control de la corriente durante el arranque, este método también

presenta a su favor el hecho de no contar con partes móviles o que generen arco, como

sucede en los arrancadores electromecánicos. Este es uno de sus puntos fuertes, que hace

que la vida útil del arrancador sea más larga (hasta centenares de millones de maniobras).

75

El costo inicial elevado de este equipo es un importante aspecto a tener en cuenta para su

selección. Hay que considerar además, los problemas de contaminación armónica que puede

crear este tipo de arranque.

Como se verá en el capítulo correspondiente, cuando se emplean variadores electrónicos de

velocidad con los motores asincrónicos, la función de arranque suave está normalmente

implícita.

En el caso de los motores de rotor bobinado, la corriente y el momento de arranque se

controlan por medio de las resistencias insertadas en el circuito del rotor, que pueden ser

también utilizadas para el control de velocidad. Aquí, se presenta una oportunidad de ahorro

si se suprimen las pérdidas en estos reóstatos empleando la electrónica de potencia.

2.1.7. Clases de aislamiento

Los materiales aislantes se dividen en clases de aislamiento. Cada clase (formada por la

combinación de varios materiales), tiene una designación correspondiente a la temperatura

que es el límite superior del intervalo de aplicación del material aislante en condiciones

operacionales normales.

El aislamiento del devanado de un motor se determina sobre la base del incremento de

temperatura en el mismo y de la temperatura ambiente. El aislamiento está normalmente

diseñado para el punto más caliente en el motor a su potencia nominal y a la temperatura

ambiente de 40 ºC. A los motores que trabajan en condiciones de temperatura ambiente por

encima de 40 ºC, generalmente se les deprecia su potencia nominal.

La IEC 34-1 reconoce 5 clases de aislamiento (A, E, B, F y H), mientras que la NEMA MG1

tiene solo 4 (la Clase E no está incluida. En las dos normas, el incremento de temperatura y

el método de medición son ligeramente diferentes. Las tablas 2.4 y 2.5, muestran los

incrementos de temperatura para las dos normas para todas las clases de aislamiento

cubiertas.

76

Tabla 2.4. Límites de incremento de temperatura en o C según la IEC

Clase de aislamientoNotas A E B F H

1 65 75 85 110 130

2 60 75 80 105 125

3 60 75 80 105 125

4 65 - 90 110 130

5 60 - 80 100 125

6 65 - 85 105 130

Nota 1: Medida por resistencia. Motores de 600 W o menos.Nota 2: Medida por resistencia. Motores de 600 W a 200 kW.Nota 3: Medida por resistencia. Motores de 200 kW a 5000 kW.Nota 4: Medida por detector embebido. Motores de 200 kW a 5000 kW.Nota 5: Medida por resistencia. Motores de 5000 kW o mas.Nota 6: Medida por detector embebido. Motores de 5000 kW o mas.

(para motores de alta tensión, la IEC establece limitaciones adicionales cuando la tensión nominal es 11 kV o más

Tabla 2.5. Límites de incremento de temperatura en o C según la NEMA

Notas A B F H1 60 80 105 125

2 70 90 115 140

3 65 55 110 135

4 60 80 105 125

Nota 1: Medida por resistencia. Motores de todas las capacidades.Nota 2: Medida por detector embebido. Motores de 1500 hp menosNota 3: Medida por detector embebido. Motores mayores de 1500 hp a 7000 V o menos.Nota 4: Medida por detector embebido. Motores mayores de 1500 hp a mas de 7000 V.

Las normas de motores fijan la máxima elevación de temperatura media (t), que es la que

aparece en la placa de los motores. La temperatura del punto más caliente queda de esta

forma limitada.

77

El tipo de aislamiento que se selecciona depende de las condiciones de servicio, de la

tensión y del tamaño del motor. Por ejemplo, para climas cálidos y altitudes elevadas, se

debe utilizar un aislamiento por lo menos Clase F. Actualmente, hay una tendencia a diseñar

el motor para un incremento de temperatura correspondiente a una clase de aislamiento (por

ejemplo, Clase B) y fabricarlo con una clase superior (por ejemplo, Clase F), con el objetivo

de tener un mayor margen de seguridad y aumentar la fiabilidad y la vida útil del motor.

Los motores de alta tensión, requieren de una integridad mayor del aislamiento que los de

baja tensión. Se utiliza mucho la impregnación al vacío (VPI).

Trabajar un motor en forma continua con una carga que provoque incremento estable de

temperatura por encima de la nominal del aislamiento, reduce su vida útil. La vida útil del

aislamiento se relaciona con el envejecimiento gradual del aislante, que se va deteriorando,

perdiendo su capacidad aislante, hasta que no cumple las normas mínimas establecidas para

su función o lo que es peor, se quema, produciendo la interrupción inesperada de la función

del motor. Una regla aproximada es que un aumento de 8 a 10 grados en la temperatura

normada del aislamiento en forma continua, reduce su vida aproximadamente a la mitad.

2.1.8. Temperatura ambiente y altitud

La IEC 34-1 no requiere de reducción de la potencia nominal por altitud, si esta se encuentra

entre 1000 m y 4000 m. Esta norma supone que el enfriamiento reducido que resulta de la

altura, se compensa con la reducción en la máxima temperatura ambiente a un valor inferior

a 40 oC. La NEMA establece reducir el incremento de temperatura de la Tabla 2.5 en un l %

por cada 100 m de altitud por encima de los 1000 m.

Cada una de estas normas trata en forma diferente la temperatura ambiente cuando ésta es

superior a los 40 oC.

La IEC 34-1 especifica que para una máxima temperatura de enfriamiento entre 40 oC y 60 oC, los límites de incremento de temperatura deben ser reducidos en la magnitud por la cual

la temperatura excede los 40 oC. ANSI C50.41 establece una reducción del incremento de

temperatura de 10 oC para temperaturas ambientes por encima de 50 oC y hasta 60 oC.

78

Otra forma de resolver estos problemas de altitud y alta temperatura ambiente, es utilizar un

motor con una clase superior de aislamiento o emplear un motor sobredimensionado.

2.1.9. Grado de protección del motor

El medio ambiente en el cual se instala el motor, tiene un gran efecto en la vida útil del

mismo. La vida se acortará severamente si los motores no se protegen adecuadamente del

polvo, la humedad y otros contaminantes. Las carcasas y demás accesorios de los equipos

eléctricos (entre ellos los motores, desde luego), de acuerdo con las características del lugar

donde serán instalados y de su accesibilidad, deben ofrecer un determinado grado de

protección. Así, los motores abiertos protegidos (ODP) son más baratos, pero no son

adecuados para instalarlos en exteriores o en atmósferas con polvo, por ejemplo. En estos

casos, es necesario emplear, por ejemplo, motores totalmente cerrados con ventilador

montado externamente (TEFC). Y así, hay atmósferas que requieren de motores a prueba

de explosión.

La Norma IEC 34-5 define los grados de protección de los equipos eléctricos por medio de

las letras características IP (International Protection), seguidas por dos dígitos. El primer

dígito indica el grado de protección contra la penetración de cuerpos extraños sólidos y

contra el contacto accidental. El segundo, el grado de protección contra la penetración del

agua al interior del motor. En la Tabla 2.4 se dan los significados de los dos dígitos.

Tabla 2.6. Significados del primer y segundo dígitos

PRIMER DIGITO SEGUNDO DIGITODígito Significado Dígito Dígitos

0 Sin protección 0 Sin protección1 Cuerpos extraños mayores de 50

mm.1 Gotas verticales de agua

2 Cuerpos extraños mayores de 12 mm.

2 Gotas de agua hasta una inclinación de 15º con la vertical

3 Cuerpos extraños mayores de 2.5 mm.

3 Agua de lluvia hasta una inclinación de 60º con la vertical

4 Cuerpos extraños mayores de 1.0 mm.

4 Salpicaduras en todas las direcciones

5 Protección contra acumulación de 5 Chorros de agua en todas las

79

polvo direcciones6 Totalmente protegidos contra el

polvo6 Agua de olaje fuerte

7 Inmersión temporaria8 Inmersión permanente

Aunque los dígitos indicativos del grado de protección puedan ser combinados de muchas

formas, solo algunos tipos de protección son empleados en los casos normales. Entre los

abiertos: IP21, IP22, IP23; y entre los cerrados: IP44, IP54 (ambientes con mucho polvo) e

IP55 (casos en que los equipos son lavados periódicamente con mangueras como puede ser

en fábricas de papel). En esto debe considerarse que cualquier grado de protección satisface

plenamente los grados de protección inferiores (dígitos menores). Esto permite la

programación de la producción para grados que satisfagan muchos casos, con la ventaja

adicional para el comprador en las situaciones de ambientes menos exigentes.

Motores a prueba de ambientes agresivos

Los ambientes agresivos tales como astilleros, instalaciones portuarias, industria pesquera y

múltiples aplicaciones navales, industria química y petroquímica, exigen que los

equipamientos instalados sean perfectamente adecuados para soportar tales circunstancias

con alta confiabilidad y sin presentar problemas de ningún tipo. La letra W colocada entre las

letras IP y los números que indican el grado de protección, señalan que el motor está

protegido contra ambientes agresivos.

Motores a prueba de explosión

Los motores a prueba de explosión son destinados a trabajar en ambientes clasificados

como peligrosos por contener gases, vapores, polvos o fibras inflamables o explosivas.

2.1.10. Factor de servicio

Se llama factor de servicio (SF) al factor que, aplicado a la potencia nominal, indica la carga

que puede ser acoplada continuamente al motor, manteniéndose igual otras condiciones

especificadas.

80

Nótese que se trata de una capacidad de sobrecarga continua, o sea, una reserva de

potencia que da al motor una capacidad de soportar mejor el funcionamiento en condiciones

desfavorables. El SF no debe ser confundido con la capacidad de sobrecarga momentánea

(por ejemplo, 60 % de exceso de momento durante 15 segundos, a tensión y frecuencia

nominal, según la IEC 34-1). Si SF = 1 (o no se especifica ninguno en la placa), significa que

el motor no fue proyectado para funcionar continuamente por encima de su potencia nominal.

La IEC 34-1 no reconoce el factor de servicio. Para la NEMA, el estándar es 100 % de carga

o SF de 1.0 para operación continua. Cuando se especifican factores de servicio superiores,

esta norma sugiere un valor de 1.15.

La NEMA también establece límites sobre el comportamiento del motor con cargas a SF. Se

permite que la eficiencia, el factor de potencia y la velocidad sean diferentes que a carga

nominal, y que el incremento de temperatura para un factor de servicio de 1.15 sea 10 oC

mayor que para condiciones nominales. Esta norma también advierte que el aislamiento a

carga de SF se envejecerá dos veces más rápido que para carga nominal

2.1.11. Otros factores

Eficiencia

Como ya se ha analizado, el costo de operación es una preocupación importante, y la

eficiencia es uno de los factores claves que determina ese costo. La eficiencia varía

significativamente de acuerdo con el diseño y el fabricante, por lo que se debe considerar

como una parte clave de las especificaciones del motor.

Ya se discutió anteriormente, que si el motor se va a usar con poca frecuencia, no suele ser

rentable realizar inversiones adicionales en diseños más eficientes. Por otra parte, si el motor

va a trabajar en forma continua por miles de horas al año, un motor de un diseño más

eficiente resarcirá la inversión más rápidamente.

Factor de potencia

81

Otro de los valores que resulta necesario especificar es el factor de potencia. Cuando los

factores de potencia son bajos, la empresa eléctrica penaliza a los usuarios porque tienen

que suministrar una cantidad adicional de potencia aparente. Si el motor va a perjudicar este

aspecto, empeorando el factor de potencia, podría ser necesario instalar bancos de

capacitores en los terminales del motor o en otra parte del sistema de suministro eléctrico

para contrarrestar los kVAR inductivos. La cantidad de potencia reactiva necesaria, se puede

calcular por los métodos conocidos. En estos casos, será preciso incluir en los costos

relacionados con la instalación del motor, los costos de los capacitores, su accionamiento y

protección, necesarios para compensar el factor de potencia.

Condiciones Inercia

La inercia de la carga es otro factor que puede afectar el tamaño del motor. Mientras mayor

sea la inercia, más calor generará el motor según se acelera. Las normas especifican el

momento de inercia máximo de la carga y los tiempos máximos de aceleración aceptables.

Debe recordarse que el momento de inercia total del sistema es la suma del de la carga y del

motor. Cuando hay reductores, hay que referir el momento de inercia de la carga al eje del

motor.

Si los valores reales totales de la inercia son mayores que esos valores normalizados, (por

ejemplo, un gran ventilador), el fabricante del motor debe examinar el diseño para ver si la

máquina puede soportar este calor adicional.

Frecuencia de arranque permitida

La elevada corriente que el motor toma en el período de arranque produce calentamientos

que hay que considerar cuando se realizan arranque sucesivos.

La Norma NEMA MG1 permite dos arranques sucesivos, con la condición que llegue al

reposo entre arranques y con el motor inicialmente a temperatura ambiente; o un arranque

con el motor inicialmente a temperatura que no exceda a la de carga nominal, siempre que la

82

inercia de la carga, el momento de la carga durante la aceleración y la tensión aplicada son

aquellos para los que el motor fue diseñado.

La IEC 34-12, para las potencias y tensiones a las que se aplica, permite el mismo número

de arranques que la NEMA. Sin embargo, el momento durante la aceleración y la inercia para

esta condición de operación están normados.

Ruido

El ruido es importante porque afecta la calidad del medio ambiente de trabajo y está sujeto a

regulaciones. El usuario es el responsable de asegurar el cumplimiento de las regulaciones.

Por ejemplo, en USA, la Occupational Safety and Health Administration (OSHA) no permite

más de 90 dB totales de ruido en locales donde los trabajadores estén laborando durante la

jornada completa de trabajo.

Es inevitable que los motores produzcan ruido ya sea por fenómenos magnéticos, por

rozamiento en los cojinetes o por influencia del aire refrigerante. Sin embargo, normalmente

en una instalación el motor eléctrico no es la única fuente de ruido y debe analizarse las

fuentes de mayor influencia. Si una vez realizado el análisis, los requerimientos de ruido no

se especifican, el fabricante puede suministrar diseños estándar. Si se especifican, se

suministran diseños de bajo nivel de ruido.

2.2. REGÍMENES DE TRABAJO DE LOS MOTORES

2.2.1. Consideraciones iniciales

Al alimentarse la máquina y circular corriente por sus devanados, se producen pérdidas que

se convierten en calor y elevan la temperatura de sus diferentes partes. Pero no todo el calor

que se produce internamente en la máquina se emplea en elevar su temperatura; una parte

se transmite al exterior y cuando todo el calor generado se transfiere al medio ambiente, la

temperatura se estabiliza en su valor final el cual, como es lógico, tiene que ser menor que el

máximo permisible por el aislamiento. Realizar un análisis exacto del proceso de

transferencia de calor en la máquina se hace muy complejo, ya que el flujo de calor en ella

83

depende del estado de carga. Cuando está en vacío, el núcleo se calienta más que los

devanados y el calor fluye del núcleo al devanado; cuando está a plena carga sucede lo

contrario y se invierte el sentido de flujo de calor. Además, la transmisión de calor se lleva a

cabo por conducción y por convección, fundamentalmente; y cada uno de estos procesos

tiene sus expresiones matemáticas específicas.

Por otra parte, como componente de fuerza de los accionamientos eléctricos, los motores

pueden estar sometidos a condiciones de operación muy diversas; su carga puede

permanecer constante o variar cíclicamente, alternar los períodos de trabajo con los de

pausa e, incluso, tener un carácter completamente aleatorio. Esto influye en el calentamiento

y elevación de temperatura de la máquina y debe tenerse en cuenta para su selección.

Tomando en consideración la importancia que tiene en la selección del motor sus

condiciones de calentamiento y, en relación con esto, su régimen de operación, se hará un

breve estudio de estos temas.

2.2.2. Calentamiento y enfriamiento de los motores

Para simplificar el análisis, se supone que la máquina es un cuerpo sólido homogéneo cuya

temperatura es igual en todos sus puntos, incluso en aquellos que se encuentran en contacto

con el aire circundante, o sea, se supone que la conductividad térmica del motor es infinita.

Además, se supone también que el ritmo al cual se transmite calor al medio es proporcional a

la primera potencia de la diferencia de temperatura entre el motor y el ambiente.

A partir de las consideraciones señaladas, la ecuación que representa el aumento con el

tiempo del incremento de la temperatura del motor sobre la temperatura ambiente

(considerada como 40 C), es:

(oC)

donde SS: temperatura del motor en estado estable (C); TH: constante de tiempo térmica del

motor; 0: valor inicial del incremento de temperatura sobre la del ambiente (C).

84

Si se parte de la temperatura ambiente:

(oC)

Estas ecuaciones se representan gráficamente en la Figura 2.7 mediante las curvas 1 y 2,

respectivamente.

Cuando la máquina se desconecta de la red de suministro o se le reduce o elimina su carga

mecánica, se produce su enfriamiento. En general, la constante de tiempo térmica de

calentamiento no es igual a la de enfriamiento, debido a que cuando se desconecta el motor

de la línea y éste no gira, empeoran sus condiciones de enfriamiento. La curva 3 de la Figura

2.7 corresponde a esta condición.

Figura 2.7. Curvas de calentamiento y enfriamiento de un motor eléctrico.

La curva de calentamiento de una máquina eléctrica y su temperatura estable de trabajo

depende de la carga. Al aumentar la carga, el proceso de calentamiento se acelera y se

alcanza una temperatura estable superior. En la Figura 2.8 se muestra, mediante la curva 1,

el calentamiento o elevación de temperatura de la máquina con carga nominal, bajo la cual

se alcanza la temperatura estable SS1 .

Si la carga aumenta (y el motor se ha enfriado previamente a la temperatura ambiente), la

curva de calentamiento correspondiente sería la 2. En este caso, se alcanza una temperatura

estable (SS2 ) superior a la permisible (SS1 ). Esto quiere decir que, con este estado de carga,

el motor no puede trabajar de forma continua. Ahora bien, puede hacerlo durante un período

85

de tiempo igual a t1, que es el tiempo que demora en alcanzar la temperatura permisible SS1.

Evidentemente, al aumentar la carga el proceso de calentamiento se acelera debido al

incremento de las pérdidas y aumenta la temperatura estable.

Figura 2.8. Comparación de las curvas de calentamiento de un motor eléctrico para dos

estados de carga diferentes.

Debe señalarse que la curva real de calentamiento de una máquina eléctrica se aparta

ligeramente de la forma exponencial que se obtiene teóricamente; las diferencias mayores se

encuentran en los primeros instantes del proceso.

2.2.3. Servicios nominales

Con el objetivo de normalizar los regímenes de trabajo a los cuales puede someterse un

motor y simplificar los cálculos, en la selección de las máquinas se definen 9 servicios

nominales (según la IEC): S1 a S9. Tres de ellos se pueden considerar básicos: el continuo,

el temporal y el intermitente periódico.

Servicio continuo (S1)

En el servicio continuo (S1), el motor lleva la carga por un período de tiempo tal, que alcanza

su temperatura de equilibrio estable. En la Figura 2.9 se muestran diagramas de carga

simplificados de mecanismos que someten al motor a este servicio. La Figura 2.9 a)

corresponde al caso en que la carga es constante y la 2.9 b) a la situación en la cual la carga

86

es continua pero variable. Ejemplos de estos mecanismos son las bombas de alimentación

de las calderas, algunos compresores y ventiladores, grupos moto-generadores y otros

equipos que operan de forma continua.

Servicio temporal (S2)

En el servicio temporal, los períodos de trabajo y de pausa se alternan de tal forma que, en

el de trabajo, la temperatura no llega a alcanzar su valor estable y en el de pausa, se enfría a

la temperatura ambiente. En la Figura 2.10 se muestra con línea continua el diagrama de

carga simplificado de este servicio y con línea discontinua, su variación de temperatura. Se

fabrican motores para trabajar con este servicio, en los cuales se especifica la potencia y el

tiempo de trabajo permisible, que está normalizado (según la IEC) en 15, 30 o 60 minutos

(por ejemplo, S2 60 min).

Figura 2.9. Diagramas de carga de servicio continuo

87

Figura 2.10. Diagrama de carga y curvas de calentamiento del servicio temporal

Como ejemplos de mecanismos que sometan al motor a un servicio temporal, pueden

señalarse algunas mesas giratorias, dispositivos de apertura de compuertas o puertas

móviles.

Servicio intermitente periódico (S3)

En el servicio intermitente periódico se alternan períodos de trabajo y períodos de pausa de

forma tal que, durante los períodos de trabajo, la temperatura del motor no llega a alcanzar

su valor estable SS y durante los períodos de pausa, el motor no llega a enfriarse a la

temperatura ambiente. En la Figura 2.11 se ilustra un diagrama de carga simplificado de este

servicio con línea continua y, con línea discontinua, la variación de temperatura del motor.

Como se comprende analizando esta figura, un motor eléctrico diseñado para entregar de

forma continua la potencia que pide esta carga, trabajando en servicio intermitente, se

encuentra subutilizado, ya que nunca llegaría a alcanzar su incremento de temperatura

máximo SS. En este caso, se puede trabajar con un motor cuya temperatura máxima

permisible sea max . En correspondencia, se fabrican motores especialmente diseñados para

este régimen de trabajo. En ellos es necesario definir el denominado coeficiente de

continuidad de conexión o factor de intermitencia () el cual, expresado en por ciento, es

igual a:

%

88

donde tt es el tiempo de trabajo y tp es de pausa.

Los valores en porcentaje del factor de intermitencia normalizado y para los cuales se

fabrican motores de servicio intermitente son (según la IEC): 15%, 25%, 40%, y 60% (por

ejemplo, S3 25%). La máxima duración de un ciclo es 10 minutos, por lo que con tiempos de

trabajo mayores, debe ser seleccionado un motor de servicio continuo. Entre los mecanismos

de régimen intermitente periódico, se encuentran grúas y elevadores.

Figura 2.11. Diagrama de carga y curvas de calentamiento del servicio intermitente periódico

Otros servicios

Los servicios antes mencionados son los fundamentales. Sin embargo, además, existen

otros que no serán analizados aquí: Servicio intermitente con arranques frecuentes (S4);

Servicio intermitente con arranque y frenado eléctrico (S5); Servicio continuo con carga

intermitente (S6); Servicio continuo con carga intermitente y frenado eléctrico (S7); Servicio

con cambios de velocidad periódicos (S8); Servicio no periódico con variaciones de velocidad

(S9).

2.3. SELECCIÓN EN CUANTO A POTENCIA DE MOTORES PARA SERVICIO CONTINUO

89

A continuación se describen los métodos usuales para la selección en el caso de servicio

continuo, que es el caso más común. La selección de la potencia del motor eléctrico para un

mecanismo de servicio continuo que trabaja con potencia constante es muy sencilla cuando

se conoce el valor de potencia que demanda la carga, ya que solamente se debe buscar en

un catálogo un motor de potencia igual o ligeramente superior a la de la carga.

Cuando la carga es variable el procedimiento se hace algo más complejo, ya que entonces

se debe seleccionar un motor cuya potencia nominal sea tal que, con la carga dada, la

temperatura estable máxima que alcance sea igual a la permisible.

2.3.1. Método de las pérdidas promedio

El motor se debe seleccionar teniendo en cuenta que las pérdidas promedio que se

produzcan en un ciclo de trabajo del mecanismo sean iguales o ligeramente inferiores a las

pérdidas nominales. Como el incremento de temperatura depende directamente de las

pérdidas, esto garantiza que nunca se sobrepase la temperatura máxima permisible, ya que

entonces se cumple que:

per = (C)

donde per : elevación de temperatura permisible (C); : pérdidas promedio en el ciclo

de trabajo (W); : valor de las pérdidas con la potencia nominal (W); : coeficiente de

transmisión de calor del motor (W/C).

En la Figura 2.12 se muestra un ejemplo de diagrama de carga de este tipo. En la misma

figura se ilustra la variación de las pérdidas. Las pérdidas promedio están dadas, en este

caso, por la expresión:

= =

90

Figura 2.12. Diagrama de carga de servicio continuo y carga variable.

Como se comprende, para poder determinar las pérdidas promedio es necesario conocer el

valor de las pérdidas para cada estado de carga. Esto se puede lograr si, a su vez, se tiene

la característica de eficiencia del motor en función de su carga. Debido a que inicialmente

aún no se ha seleccionado el motor al cual se le quiere determinar las pérdidas, se debe

hacer primero una preselección tentativa y calcular las pérdidas promedio del motor

preseleccionado con la carga dada. Si el valor de estas pérdidas promedio es muy diferente

al de las pérdidas nominales, se debe seleccionar otro motor y repetir el proceso hasta que

se obtenga una máquina cuyas pérdidas nominales sean aproximadamente iguales o

superiores a las promedio.

Este método es bastante exacto y se puede aplicar a todo tipo de motor en casi todas las

condiciones de trabajo, pero tiene dos grandes inconvenientes: requiere del conocimiento de

la curva de eficiencia del motor, la cual no siempre está disponible y se basa en un cálculo

iterativo, lo que lo hace largo y engorroso.

2.3.2. Método de la corriente equivalente

Un método más sencillo es el de la corriente equivalente, que se basa en suponer que la

corriente variable del motor puede sustituirse por un valor equivalente de corriente Ieq que

produce las mismas pérdidas. Las pérdidas promedio pueden determinarse mediante la

expresión:

91

Qprom = k(pC + I2eqReq) (W)

donde: k es una constante; pC es el valor de las pérdidas constantes (W) - mecánicas y de

núcleo - ; y Req es la resistencia interna equivalente del motor (). El valor de las pérdidas

para cada estado de carga está dado por la ecuación:

Qi = k(pc + I2iReq) (W)

Sustituyendo las expresiones se obtiene:

pC+ Req = (W)

De esta expresión se puede deducir el valor de la corriente equivalente, después de eliminar

términos a ambos lados del signo de igualdad:

(A)

Este método presenta el inconveniente de que, cuando no es el caso de un sistema motor-

carga en operación, necesita del conocimiento de la corriente que tomaría el motor aún no

seleccionado con la carga del mecanismo a accionar. Se utiliza fundamentalmente cuando el

diagrama de carga del mecanismo se obtiene acoplándole un motor de prueba del mismo

tipo que el posteriormente seleccionado, ya que en este caso el diagrama de carga se tiene

directamente en corriente. La corriente nominal del motor debe ser igual o ligeramente

superior a la equivalente.

Para aplicar este método se ha supuesto hasta el momento que los valores de corriente son

constantes en cada período de tiempo (en que no varía la carga) y que cambian

bruscamente al variar la carga (que se supone varía también bruscamente). En realidad,

92

esto no sucede así en la mayoría de los casos y un diagrama típico real de carga puede

tener la forma que se muestra en la Figura 2.13.

Figura 2.13. Aproximación trapezoidal de un diagrama de carga real.

Lo primero que se debe hacer en este caso es aproximar el diagrama a trapecios o

rectángulos, tal como se aprecia en esa figura con línea discontinua y de puntos. Ahora

bien, de esta forma aún no se puede aplicar la ecuación para hallar la corriente equivalente

Ieq, ya que la variación lineal de la corriente en el período t 3 se debe convertir en un valor

constante. La aproximación a un diagrama de carga ideal se muestra en la Figura 2.14. En

este caso la corriente de valor constante I21 correspondiente al período t3 se determina como:

(A)

93

Figura 2.14. Aproximación rectangular de un diagrama de carga trapezoidal (diagrama de

carga ideal).

2.3.3. Método del momento equivalente

Teniendo en cuenta que para flujo constante (caso del motor asincrónico) el momento es

aceptablemente proporcional a la corriente en el intervalo de operación con carga estable del

motor, se aplica también el método denominado del momento equivalente, en el cual se

utiliza la expresión siguiente para el cálculo:

(N-m)

donde Mi son los valores de momento correspondientes a los valores de corriente de la de Ieq.

Cuando se tiene una nueva instalación, este método tiene la ventaja que el momento de la

carga puede determinarse a partir del mecanismo a accionar sin necesidad de hacer

selección tentativa del motor o acoplar un motor de prueba al mecanismo.

2.3.4. Método de la potencia equivalente

94

Cuando la velocidad de la carga no varía apreciablemente, como es el caso de los motores

de jaula de ardilla de velocidad constante, la potencia se puede considerar directamente

proporcional al momento y se aplica el método de la potencia equivalente, para el cual se

utiliza la ecuación siguiente:

(W)

donde Pi son los valores de potencia correspondientes (W).

2.3.5. Efecto del arranque, el frenado y las pausas

Si en un ciclo de trabajo los procesos de arranque y frenado, así como las pausas ocupan

un tiempo significativo, la expresión del momento equivalente (o de potencia o de corriente),

se debe modificar de la siguiente manera:

(W)

donde Ma y Mf : valores promedio de los momentos de arranque y frenado, respectivamente

(N-m); ta, tf y t0 : tiempos de arranque, frenado y pausa, respectivamente (min); T0 :

coeficiente que tiene en cuenta el empeoramiento de las condiciones de ventilación durante

la pausa; Ta : coeficiente que tiene en cuenta el empeoramiento de las condiciones de

ventilación durante el arranque y el frenado.

Los valores de T0 varían según los tipos de motores. Para motores con ventilación forzada:

T0 = 1; para motores cerrados con ventilación forzada (TEFC): T0 = 0.3; y para motores

abiertos: T0 = 0.25 a 0.35.

y

95

2.3.6. Comprobación por sobrecarga y en el arranque

Después de seleccionar el motor, se debe comprobar por sobrecarga, o sea, comprobar que

el momento (o corriente o potencia) máximo que hay en el ciclo de trabajo, es menor que el

momento (o corriente o potencia) máximo que puede suministrar el motor seleccionado.

Aquí se debe tomar un factor de seguridad que contempla posibles errores de cálculo, caída

de tensión de línea, etc. De esta forma, se debe cumplir que (por ejemplo, si se trabaja con

momento):

momento máximo en el ciclo (0.7 a 0.8) x (momento máximo del motor seleccionado)

Si no se cumple lo anterior, el motor se debe seleccionar por sobrecarga, o sea, partir de

determinar el momento máximo y hacer la selección de tal modo, que el valor del momento

máximo en el ciclo no sea superior al momento máximo que puede dar el motor.

De manera similar, en los casos que se requiera, se debe hacer la comprobación para el

momento de arranque.

Para ilustrar la aplicación del método se desarrollará un ejemplo sencillo.

2.3.7. Ejemplo

Seleccione la potencia del motor asincrónico para una bomba industrial de régimen continuo,

al cual le corresponden los siguientes valores de potencia y de tiempo:

P1 = 25 kW P2 = 10 kW P3 = 47 kW

t1 = 2 min t2 = 4 min t3 = 1 min

La bomba requiere un motor de 4 polos. Se utilizará un motor de jaula de ardilla de propósito

general, TEFC, servicio continuo (S1), estándar E NEMA.

96

Solución

Debido a que la velocidad permanece prácticamente constante, se puede emplear el método

de la potencia equivalente. En este caso:

=

y

La potencia equivalente que se obtiene es: Peq = = 23.48 kW

Buscando en el catálogo de un fabricante, se encuentra un motor de 30 Kw, 1770 rpm,

Mmax/Mn = 2.0, el cual cumple los requisitos de la carga desde el punto de vista del

calentamiento. Se debe comprobar el motor seleccionado por sobrecarga. Para esto se

halla el momento máximo que pide la carga y se compara con el máximo que es capaz de

dar el motor.

El momento máximo que pide la carga se calcula a partir de la potencia máxima del ciclo:

Mmax.c =

El momento nominal del motor es:

Mn =

Como el factor de sobrecarga (momento máximo relativo) del motor es 2.0, el momento

máximo absoluto es: Mmax = 2.0 Mn .

o sea, que: Mmax = 2.0 161.85 = 323.70 N - m

97

Si se toma un factor de seguridad igual a 0.75: 253.57> (0.75 323.70 = 242.78) N- m

Y el motor no resulta adecuado para el momento máximo de la carga. Es necesario entonces

analizar el siguiente motor en la escala de potencia: 37 kW, 1770 rpm, Mmax/Mn =2.3.

El momento máximo absoluto de este motor ahora será:

Mmax = 2.3 x Mn = 2.3 199.62 = 459.13 N-m

Entonces: 253.57 (0.75 459.13 = 344.35) N - m

Este motor sí resulta adecuado para los requerimientos de momento máximo.

Ahora bien, obsérvese que el motor ha resultado tener 1.57 veces la potencia requerida

desde el punto de vista térmico, es decir, estará bastante subcargado. Sin embargo, esta es

la selección que hay que realizar inevitablemente debido al momento máximo requerido.

2.4. OPORTUNIDADES DE AHORRO POR SUSTITUCIÓN DE MOTORES SUBCARGADOS

Una parte de los motores que operan en el ambiente industrial lo hacen con un factor de

carga inferior al 60%. Aquellos que han sido bien seleccionados o que están integrados

monolíticamente a la carga, lo hacen usualmente entre el 75 y el 90% de la potencia de

placa. Es difícil encontrar máquinas cargadas totalmente a su capacidad nominal.

Las causas de los motores subcargados en la industria se deben a alguna de las

situaciones siguientes:

La maquinaría posee mayor capacidad de producción y está subutilizada.

El personal no determinó la carga requerida al realizar la compra de un motor y

seleccionó un motor inadecuado más potente que el necesario.

98

Se reemplazó un motor quemado por una unidad de mayor potencia, al no tener uno de

reserva con la capacidad apropiada.

Se consideraron futuros incrementos en la producción.

Los requerimientos del proceso disminuyeron.

La sustitución de los motores sobredimensionados por otros cuya potencia de salida se

aproxime a la carga real demandada, se realiza típicamente para reducir el costo capital y

cuando se trata de mejorar el factor de potencia y reducir las pérdidas de energía en los

alimentadores de la instalación. Aunque se estima que se obtiene mayor eficiencia en el

sistema carga - motor con la sustitución, se necesita información adicional para determinar el

ahorro efectivo de energía eléctrica.

Entre los datos necesarios se encuentran la carga real, la velocidad de rotación, la eficiencia

operacional del motor existente y los correspondientes del motor que se instalará al mismo

tipo de carga. Dos ejemplos brindan la claridad suficiente:

Problema 1

Se desea considerar el reemplazo de un motor de 2 polos, de 50 hp, eficiencia estándar,

TEFC, que trabaja a un factor de carga constante de 50 % (25 hp), por uno de 25 hp de las

mismas características, que se encuentra en la reserva. Si el motor en cuestión opera 4000

horas por año, compare la potencia de entrada requerida por los dos motores y la cantidad

de energía que será consumida anualmente por cada uno.

Solución

Consultando el comportamiento de la eficiencia, se encuentra un fabricante que a 50 % de

carga (25 hp), el motor de 50 hp, 2 polos, tiene una eficiencia de 87.6 %. A 100 % de carga

(25 hp), el motor de 25 hp, 2 polos, tiene una eficiencia de 88.5 %.

La potencia de entrada al motor de 50 hp: 25 x 0.746/0.876 = 18.65/0.876 = 21.31 kW


99

La energía consumida por el motor de 50 hp: 21.31 x 4000 = 85240 kWh


Como conclusión, obsérvese que se ahorra energía, aunque relativamente poca, con esa

sustitución.

Problema 2

Repita el caso anterior, si ahora se trata de reemplazar motores de 4 polos, es decir,

considerar el cambio de un motor de 4 polos, de 50 hp, que trabaja a un factor de carga

constante de 50 % (25 hp), por uno de 25 hp de las mismas características, que se encuentra

en la reserva.

Solución

Con el mismo fabricante, a 50 % de carga (25 hp), el motor de 50 hp, 4 polos, tiene una

eficiencia de 92.3 %. A 100 % de carga (25 hp), el motor de 25 hp tiene una eficiencia de

89.5 %.





En este caso, se gasta más energía con el motor de 25 hp cargado al 100 % que con el de

50 hp cargado al 50 %.

El ejemplo anterior destruye un mito: que siempre resulta energéticamente conveniente

cambiar un motor subcargado por uno de la potencia adecuada que se encuentra en la

reserva.

100

La realidad es que esto depende del tipo y de la eficiencia de cada motor, del estado de

carga en cuestión y de los ahorros adicionales que se obtengan por mejora del factor de

potencia en el circuito o sistema. Debe tomarse una precaución adicional cuando el motor

que va a reemplazar el existente es de alta eficiencia, si el mecanismo accionado es una

bomba o un ventilador, cuya demanda depende del cubo de la velocidad de rotación.

Procedimiento de evaluación

Seleccionar el motor con bajo factor de carga.

Determinar el factor de carga del motor que reemplazará al motor actual

Determinar la eficiencia del motor con la nueva aplicación al factor de carga propuesto

Evaluar el ahorro de energía total en el sistema

Calcular el ahorro económico

Determinar la rentabilidad de la medida

Un programa como el MOTOR MASTER + es una herramienta que contiene los algoritmos

necesarios para efectuar los cálculos de reposición y el auxilio en la administración de la

energía y los cálculos económicos relacionados con los motores asincrónicos ya sean

estándar, sobredimensionados o de alta eficiencia.

La evaluación económica de los estudios sobre la selección de la potencia adecuada se lleva

a cabo siguiendo los mismos procedimientos generales que se han estudiado, con la

consideración de ciertos aspectos particulares correspondientes al caso.

Debe tenerse en cuenta que cuando se selecciona un motor de menor capacidad para

sustituir un motor mayor subcargado, el factor de potencia mejora. Por ejemplo, tomando el

catálogo de un fabricante, el factor de potencia de un motor de 30 hp a 50 % de carga es

75.2 %, mientras que con un motor de 15hp a 100 % de carga, el factor de potencia alcanza

un valor de 86.3 %.

Estudio de caso: selección de motores en una empresa azucarera

101

Para ilustrar estos y otros aspectos, se analiza a continuación un estudio realizado para

lograr ahorros en inversión capital y en energía, por medio de la selección adecuada de la

potencia de motores - y de los correspondientes reductores de velocidad - en tandem de una

empresa azucarera. En este estudio está implicada la sustitución de los motores en

operación, por motores de menor capacidad pero de una mayor eficiencia. La evaluación

económica se realizó utilizando métodos de flujo de efectivo.

a) Introducción

Los motores utilizados para accionar los molinos en los tandem azucareros, representan un

porcentaje alto de la capacidad total instalada y consumen una gran parte de la energía.

Uno de los problemas que existen en la industria azucarera de la Provincia de Cienfuegos - y

en todo el país - es la inadecuada selección de una gran cantidad de esos motores (en

general sobredimensionados), lo cual conduce a un costo capital (de estos motores y de los

reductores acoplados) innecesariamente alto y a un aumento del consumo de energía

eléctrica y del impacto ambiental asociado.

La primera parte de un estudio para corregir estos problemas, se llevó a cabo en el Empresa

Azucarera “14 de Julio” en la mencionada provincia. Su capacidad de molienda es de 3800

ton/día.

Cuando el estudio comenzó, el tandem estaba equipado con cuatro motores asincrónicos de

rotor bobinado, uno de ellos para accionar las cuchillas; un segundo la desmenuzadora; y los

otros dos accionando los molinos 1-2-3 y 4-5 respectivamente. Los datos de esos motores

originales se muestran en la Tabla 2.7.

b) Selección de la potencia adecuada

La selección de la potencia adecuada de los motores se realizó aplicando el método de las

pérdidas promedio. Las pérdidas se determinan utilizando las características de eficiencia y

los diagramas de carga tomados durante el período de molienda. Debido a que con este tipo

102

de carga las corrientes varían muy abruptamente durante los diferentes intervalos de tiempo,

los diagramas de carga se dividen en una serie de curvas promedio linealizadas.

Para la selección de la potencia de los motores, se consideró un intervalo crítico de una hora,

en el cual la corriente promedio es la más elevada (para el mayor índice de molienda

observado). De esta manera, se tomó en cuenta la posibilidad de que exista el mayor índice

de molienda (y, en correspondencia, el mayor calentamiento de los motores) durante un

período largo de tiempo. La capacidad de sobrecarga se evalúa considerando los valores

más altos de corriente en los diagramas de carga.

En la Tabla 2.7, junto con los datos fundamentales de los motores originales, se muestran los

de los motores seleccionados. De acuerdo con la potencia de los motores seleccionados, se

seleccionaron también los reductores.

c) Análisis de flujo de efectivo

El análisis de costos se basa en cálculos de flujo de efectivo. Para esto, se elaboraron hojas

electrónicas de cálculo utilizando Microsoft Excel. Las ecuaciones se desarrollaron para

hacer el estudio de forma comparativa.

Tabla 2.7. Datos fundamentales de los motores originales y seleccionados en el tandem.

(Tipo de motor: asincrónico de rotor bobinado).

Cuchillas DesmenuzadoraDatos

fundamentales Motor

originalMotor

seleccionadoMotor

originalMotor

seleccionadoPotencia nominal

(kW)250 250 400 320

Velocidad sincrónica (rpm)

600 600 600 600

Tensión nominal (kV)

0.44 0.44 6.3 6.3

Factor de potencia 78.5 78.5 78 80.8

103

nominal (%)Eficiencia nominal

(%)92.8 92.8 92.2 93.9

Corriente nominal (A)

450 450 51 38.6

Momento máximo (p.u.)

2.4 2.4 2.3 2.3

Costo del motor y del reductor (CUC)

53205 53205 105840 89572

Molinos 1-2-3 Molinos 4-5Datos

fundamentales Motor

originalMotor

seleccionadoMotor

originalMotor

seleccionadoPotencia nominal

(kW)800 500 800 500

Velocidad sincrónica (rpm)

900 900 900 900

Tensión nominal (kV)

6.3 6.3 6.3 6.3

Factor de potencia nominal (%)

81 78 81 78

Eficiencia nominal (%)

95.3 94.8 95.3 94.8

Corriente nominal (A)

95 61.9 95 61.9

Momento máximo (p.u.)

2.0 2.5 2.0 2.5

Costo del motor y del reductor (CUC)

159380 102650 159380 102650

Debido a que en condiciones normales de operación la empresa entrega energía activa a la

red nacional, el costo del kWh se toma de acuerdo con la tarifa aplicada para los ingenios

azucareros que cogeneran. La demanda máxima se paga sólo en caso de que la demanda

contratada se sobrepase. De acuerdo con la propia resolución, la potencia reactiva no se

considera. De aquí que no se tomen en cuenta los costos de la demanda máxima y las

penalizaciones relacionadas con el factor de potencia. Igualmente, debido a que los ahorros

totales son menores que la diferencia en depreciación, no hay que pagar impuestos y C bi =

Cai (I = 0).

Otras consideraciones para el análisis de flujo de efectivo son:

1. La inversión da comienzo en 1997.

104

2. Las inversiones en nuevos motores y reductores de menor capacidad se realizan sólo en

el caso en que la vida útil del motor termine o esté próxima a su final; cuando las máquinas

originales pueden utilizarse en otros molinos (en el mismo ingenio o en otros de la provincia);

o cuando es conveniente aumentar el inventario de equipos.

3. Se considera un tiempo de operación de 2448 horas, correspondiente a una cosecha

promedio de 4 meses, trabajando los tres turnos diarios.

4. No se consideran las diferencias en pérdidas en las líneas, transformadores y reductores.

5. Se consideró en ese período un precio promedio del kWh de 0.0501 CUC/kWh (tomando

CUC CUP). Este valor es el resultado de promediar el precio a la hora pico (0.05

CUC/kWh) y durante el resto del día (0.033 CUC/kWh) y multiplicarlo por el factor de

combustible.

6. A partir de estudios realizados en la Provincia de Cienfuegos, la inflación de la energía era

de 2.88 % por año.

7. Se consideraron solamente las máquinas que ser ofertan en el mercado cubano. Fueron

promediados sus parámetros operacionales y sus precios.

8. Según estadísticas actuales de la Provincia, se consideró una vida útil promedio de los

motores de 15 años.

9. Se consideró una tasa de descuento de 12 %.

10. Se consideran que los costos adicionales relacionados con el mantenimiento y la

instalación son iguales, tanto para los motores y reductores originales como para los

seleccionados.

11. La depreciación se considera lineal y, debido a que hay un decrecimiento en el costo

capital, su diferencia es negativa.

105

12. El valor presente al final de cada año es el flujo total descontado más el valor presente

del año anterior. Para el primer año, el valor presente del año anterior son los ahorros en

costo capital y se considera un valor negativo: VPN-1 = - Ci.

d) Resultados

La Tabla 2.8 se obtuvo de la hoja electrónica correspondiente al motor de los molinos 4 y 5,

de acuerdo con la selección que se muestra en la Tabla 2.7 Las bases para el cálculo y las

unidades se muestran en dicha tabla.

En la Tabla 2.9 se presentan los resultados relacionados con la reducción acumulada de

consumo de energía, los ahorros en costos capitales y el valor presente neto al final de la

vida útil de los motores de toda la planta moledora.

Según se muestra en las tablas 2.8 y 2.9, los resultados son notablemente atractivos. Desde

el punto de vista de los costos, los ahorros son considerables y, debido a que hay una

reducción en los costos capitales, los beneficios económicos comienzan en el primer año. Al

final de la vida útil, el VPN en toda la planta moledora alcanza los 133947.96 CUC.

También hay una reducción del consumo de energía durante los 15 años de 122666.78 kWh

(sin considerar las pérdidas en las líneas, transformadores y reductores), lo que a su vez

conduce a un decrecimiento de los efectos contaminantes.

Tabla 2.8. Ejemplo de cálculo para los molinos 4 y 5.

BasesPotencia de salida del motor

original (kW)407 Costo inicial de la

energía (CUC/kWh)0.0501

Potencia de salida del motor seleccionado (kW)

407 Impuestos (%) 0

Eficiencia del motor original (%) 94.54 Tasa de descuento (%)

12

Eficiencia del motor seleccionado (%)

94.8 Inflación de la energía (%/año)

2.88

106

Factor de potencia del motor original (%)

72.12 Meses totales de operación por año

4

Factor de potencia del motor seleccionado (%)

75 Horas totales de operación por mes

612

Costo del motor y del reductor originales (CUC)

159380 Horas totales de operación anual

2448

Costo del motor y del reductor seleccionados (CUC)

102650 Vida útil (años) 15

Resultados Año 1 2 3 5 10 15

Reducción en el consumo de energía

anual (kWh)

2890.38194 2890.38194 2890.38194 2890.38194 2890.38194 2890.38194

Reducción acumulada en el

consumo de energía (kWh)

2890.38194 5780.76389 8671.14583 14451.9097 28903.8194 43355.7291

Costo de la energía eléctrica (CUC/kWh)

0.0501 0.05154288 0.05302731 0.05612567 0.06468689 0.07455402

Costo del consumo de energía con el

motor original (CUC)

52799.2739 54319.8930 55884.3059 59149.5946 68172.0809 78570.8277

Costo del consumo de energía con el

motor seleccionado (CUC)

52654.4658 54170.9144 55731.0367 58987.3700 67985.1110 78355.3381

Ahorro total en electricidad (CUC)

144.808135 148.978609 153.269193 162.224626 186.969842 215.489612

Ahorro en costo capital (CUC)

56730 56730 56730 56730 56730 56730

Depreciación(CUC) -3782 -3782 -3782 -3782 -3782 -3782Ahorro antes de los impuestos (CUC)

3926.80813 3930.97861 3935.26919 3944.22462 3968.96984 3997.48961

Ahorro después de los impuestos (CUC)

3926.808135 3930.97861 3935.269194 3939.683346 3968.96984 3997.48961

Flujo total de efectivo (CUC)

144.8081353 148.978609 153.2691936 157.6833464 186.969842 215.489612

Factor de descuento 0.892857143 0.79719387 0.711780248 0.635518078 0.32197323 0.18269626Flujo descontado

(CUC)129.292978 118.764835 109.0939846 100.2106173 60.1992852 39.3691464

Valor presente(CUC) 56859.29298 56978.0578 57087.1518 57187.36242 57638.7183 57873.6969

Tabla 2.9. Resultados para toda la planta moledora

Resultados Molinos 4-5

Molinos 1-2-3

Desmenuzadora Cuchillas Total

Reducción acumulada en el

consumo de energía (kWh)

43355.73 48138.80 31172.25 0.00 122666.78

Ahorro en costo capital (CUC)

56730.00 56730.00 16268.00 0.00 129728.00

Valor presente neto (CUC)

57873.70 57382.84 17691.42 0.00 133947.96

107

2.5. OPORTUNIDADES DE AHORRO POR SUSTITUCIÓN DE MOTORES MONOFÁSICOS

En determinadas instalaciones se encuentran trabajando motores monofásicos de diseño

estándar y algunos antiguos cuya eficiencia no supera la eficiencia de los motores trifásicos o

de los monofásicos actuales. Una oportunidad de ahorro por incremento de la eficiencia es

hacer las sustituciones correspondientes.

Pero esto hay que analizarlo casuísticamente y con cuidado, ya que no solo depende de los

resultados de los análisis económicos que tomen en cuenta la inversión y los ahorros. Por

ejemplo, en algunos diseños un motor monofásico con capacitor puede resultar más eficiente

que uno trifásico de igual potencia. A manera de ejemplo, se muestran en la Tabla 2.10

datos de este tipo de máquinas ofertadas por un fabricante.

Tabla 2.10. Eficiencia de motores trifásicos y monofásicos con capacitor, 4 polos, TEFC.

Trifásicos Monofásicos Eficiencia % Eficiencia %

Factor de carga Factor de carga0.5 0.75 1 0.5 0.75 1

Potencia (kW)0.74 61 66 70 60 68 731.1 64 71 74 67 69 701.5 71 74 77 67 71 722.2 69 72 74 74 76 783 71 75 76 72 77 78

108

3.7 79 82 82 76 77 785.5 75 77 78 79 85 887.5 79 81 82 78 82 849.2 78 81 81 80 83 85

109

CAPITULO 3

AHORRO DE ENERGÍA CONACCIONAMIENTOS EFICIENTES

3.1. INTRODUCCIÓN

Después de los motores eléctricos, las bombas y los ventiladores son las máquinas más

utilizadas en el mundo. Esto significa que una combinación de motor y bomba o de motor y

ventilador, constituyen áreas importantes donde el uso de la energía puede hacerse más

eficiente. Así, hay una gran cantidad de ventajas a lograr, en parte asegurando que el

sistema esté correctamente dimensionado, y en parte usándolo racionalmente. Otros tipos de

cargas (elevadores, grúas, compresores, transportadores, máquinas herramientas,

extrusoras, máquinas textiles, etc.) también ofrecen en la actualidad un importante campo

para el ahorro, utilizando adecuadamente accionamientos eficientes.

Una nueva generación de accionamientos de velocidad variable, que permite que los

motores asincrónicos sean tan controlables y eficientes como sus contrapartes de CD, ha

evolucionado rápidamente con los avances de la electrónica del estado sólido y sin los

mayores costos que anteriormente implicaba. Estos accionamientos se aplican en una gran

variedad de casos sin importar la potencia nominal del motor o su localización dentro de

una planta.

Los nuevos sistemas de accionamiento, como los que emplean control por frecuencia tipo

PWM, permiten lograr, con una alta eficiencia, la operación de las cargas en condiciones muy

favorables para el ahorro.

En este capítulo se estudian los principios fundamentales y las potencialidades de ahorro

mediante la regulación de velocidad con el empleo de motores asincrónicos en aquellas

110

instalaciones donde resulta necesario regular el flujo con bombas y ventiladores centrífugos

y en un caso importantes de regulación de la velocidad de la carga: los elevadores.

3.2. DIFERENTES MANERAS DE CONTROLAR EL FLUJO DE AGUA

Métodos de velocidad constante

a) Métodos de arranque y parada

La manera más simple de regular el flujo es usando un tablero de pulsadores para un control

de arranque y parada (on-off) del motor. Desconectando el motor cuando no se necesita, se

elimina el uso innecesario de la energía de la misma forma que se logra con un interruptor

para iluminación.

Pero este método tiene sus limitaciones. Una de ellas es su incapacidad para reducir la

potencia de salida durante el tiempo de operación. No es siempre deseable, por razones

funcionales, ambientales, de seguridad o de comodidad, que una determinada función sea

completamente desactivada.

Por otra parte, una desventaja seria de este control es el desgaste mecánico que resulta,

sobre todo, cuando se controlan grandes flujos y grandes presiones. Las constantes paradas

y arranques pueden limitar radicalmente el tiempo de servicio de una instalación. A pesar de

estas dificultades, este método se utiliza comúnmente en tratamiento de agua potable y de

residuales. En la Figura 3.1 se muestra un ejemplo de cómo pueden producirse golpes

hidráulicos con los arranques y paradas.

111

Figura 3.1. Efecto de los golpes hidráulicos con arranques y paradas.

b) Métodos de estrangulamiento

El estrangulamiento es un viejo método de control de flujo que utiliza un damper o una

válvula de estrangulamiento para restringir el flujo.

Independientemente de la posición de la válvula, la bomba opera continuamente a velocidad

aproximadamente constante. Los requerimientos de potencia decrecen sólo marginalmente

según la bomba se fuerce continuamente a operar contra la presión y la resistencia causada

por el estrangulamiento.

Esto significa que el estrangulamiento, muy usado en tiempos pasados debido a la

simplicidad de su construcción y a su bajo costo inicial, en la mayoría de los casos no puede

aceptarse hoy en día debido a su baja eficiencia, sus pérdidas de energía extremadamente

altas y sus altos costos totales.

112

c) Métodos de desvío

El desvío o recirculación (by-passing) es un método usado algunas veces en accionamientos

para el bombeo. En este caso, el flujo se reduce retornando parte de él a través de una

tubería de desvío desde la salida de la bomba, hacia la entrada de la misma. El flujo se

controla por medio de una válvula en la tubería de desvío.

El desvío, como el estrangulamiento, tiene una baja eficiencia y casi no ofrece posibilidades

para el ahorro de energía. El alto consumo hace que este método sea inadecuado en

aplicaciones que requieren un volumen variable de flujo.

d) Bombas de paso variable

Comparado con los casos anteriores, las bombas de paso variable poseen un tipo más

avanzado de control. Los impelentes de las bombas axiales se equipan con álabes cuyos

ángulos pueden ajustarse de acuerdo con el volumen de flujo requerido. Por medio de los

álabes de paso variable, es posible lograr una alta eficiencia dentro de un amplio intervalo de

flujo, pero el método resulta muy costoso.

Métodos paso a paso

Hasta aquí se discutieron algunos de los métodos caracterizados en su diseño básico porque

son accionados por motores de velocidad constante. Hay otro grupo que incluye los

accionamientos que proporcionan un control paso a paso y que usan conjuntamente

velocidad constante y velocidad variable. A continuación se explican algunas variantes de

este método.

a) Control de un paso

El método usual de lograr un cambio de velocidad por pasos es cambiar el número de polos

en un motor de jaula de ardilla.

113

Esto se obtiene equipando al motor con dos devanados separados o con un devanado de

dos velocidades con cambio de conexiones del tipo Dahlander. Estos motores usualmente

permiten obtener dos velocidades. Lo más frecuente es que la más baja sea dos tercios o la

mitad de la velocidad más alta. Aparte de esos dos valores, no hay otra forma de regular la

velocidad del motor; es decir, son motores de dos velocidades.

Un motor de dos velocidades puede ser una solución adecuada cuando hay dos operaciones

con gran diferencia de flujo o de presión.

Cuando se cambia de velocidad, surge a veces la necesidad de controlar el golpe hidráulico

que puede ocurrir, de manera tal que se eviten los posibles daños que éste ocasiona.

b) Control por pasos sucesivos

Para utilizar la energía más eficientemente y para lograr una mejor capacidad de flujo y

presión, las bombas pueden conectarse en serie o en paralelo. Es posible usar una bomba

de velocidad constante para obtener el flujo básico y una bomba de velocidad variable para

cubrir el intervalo variable.

También es posible tener bombas que operen alternativamente, por ejemplo, unas

trabajando continuamente durante el día y otras durante la noche. De esta forma las bombas

se alternan en la reserva. Frecuentemente se emplean bombas idénticas, permitiendo una

reserva y una opción para diferentes capacidades. La operación en paralelo de bombas se

utiliza cuando se requiere una disponibilidad muy alta. En este caso el flujo se ajusta

sacando de operación una de ellas.

Métodos de velocidad variable

Las leyes de la afinidad proveen la base para el análisis económico del control de velocidad

variable aplicado a las bombas centrífugas. Estas leyes se pueden expresar según las

ecuaciones siguientes:

114

donde n1 , n2; y Q1 , Q2 son las velocidades y los flujos en dos condiciones distintas (1 y 2)

de operación, respectivamente.

donde H1 , H2 son las cargas dinámicas totales en las condiciones 1 y 2 de operación,

respectivamente.

donde P1 , P2 son las potencias al freno de la bomba (potencias de salida del motor) en las

condiciones 1 y 2 de operación, respectivamente.

Es decir, que si la velocidad se reduce (n2 < n1), el flujo se reduce en la misma proporción,

mientras que las pérdidas debidas a la fricción se reducen con el cuadrado de la proporción;

y, lo que es más importante, la potencia disminuye con el cubo de dicha proporción.

La expresión general para determinar la potencia de una bomba está dada por:

donde k depende de la densidad del líquido y es la eficiencia de la bomba y la transmisión.

3.3. COMPARACIÓN ENTRE EL MÉTODO DE ESTRANGULAMIENTO Y EL MÉTODO DE VELOCIDAD VARIABLE

115

Con el estrangulamiento, la reducción de flujo se obtiene al precio de un incremento en las

pérdidas, mientras que con el control por velocidad variable resulta posible el desplazamiento

paralelo de las características de la bomba sin incrementar las pérdidas; y los requerimientos

de potencia son radicalmente reducidos según la velocidad disminuye.

Las Figura 3.2 a) y b) muestran un ejemplo de cómo el control por velocidad variable del flujo

de una bomba centrífuga puede reducir la potencia requerida a menos de la mitad, si se

compara con el método por estrangulamiento. Las escalas están en valores por unidad.

De la Figura 3.2 a) se puede deducir la potencia requerida con el método de

estrangulamiento. A es el punto de operación a máximo flujo: 1.0. La carga H es 1.0. La

potencia requerida es entonces: Pnom ; B representa el punto de operación a 70% de flujo:

0.7. La carga es 1.25. La potencia es ahora:

La Figura 3.2 b) muestra iguales relaciones para la misma bomba centrífuga, pero ahora con

control de velocidad variable. Como en la figura anterior, las curvas que se interceptan en el

punto A, requiriendo una potencia igual a Pnom a máximo flujo.

El punto B en este caso representa el punto de operación a 70% de flujo y 60% de carga. La

potencia es entonces:

116

a) Regulación por estrangulamiento b ) Control por velocidad variable.

Figura 3.2. Reducción de la potencia requerida con el control de velocidad variable

En este caso, la potencia con el control de velocidad variable es menor que la mitad de la

potencia requerida con estrangulamiento.

El efecto de la carga estática sobre las potencialidades de ahorro pueden evaluarse a partir

de los valores aproximados de la Tabla 3.1. En esa tabla se comparan, para distintos

porcentajes de carga estática, ahorros de energía con sistemas de velocidad variable

referidos al caso del estrangulamiento. Las cifras corresponden a un 70% de flujo. Obsérvese

como el incremento de la carga estática produce importantes reducciones en las

posibilidades de ahorro.

Tabla 3.1. Ejemplos del efecto de la carga estática en el ahorro de energía con métodos de

control de velocidad variable.

Características de la bomba y

de la instalación

Carga estática [%]

Ahorro de energía con control por velocidad variable a 70% de flujo

[%]0 57

25 46

50 37

75 27

100 18

117

3.4. MÉTODOS EMPLEADOS PARA LOGRAR LA REGULACIÓN DE VELOCIDAD

Hay diferentes métodos disponibles para controles de velocidad variable. Algunos de ellos

han cedido al paso del tiempo. Entre los más importantes se tienen:

Regulación mecánica

Control hidráulico

Acoplamiento de corrientes parásitas

Control por tensión

Control por frecuencia

a) Regulación mecánica

Los métodos convencionales de control de velocidad incluyen los reguladores mecánicos.

Sus transmisiones consisten, en la mayoría de los casos, de correas en V moviéndose sobre

poleas cónicas ajustables. Las poleas se ajustan manualmente o por medio de

accionamientos.

Hoy en día, las transmisiones de este tipo han sido casi totalmente reemplazadas por

sistemas de control hidráulicos o electrónicos, aunque aún se usan.

b) Control hidráulico

Hay diferentes tipos de transmisiones y acoplamientos hidráulicos, que por muchos años han

sido usados para el control de velocidad.

La velocidad requerida se logra a través de un deslizamiento hidráulico entre paletas

montadas en el eje del motor y en el eje de la bomba, en un contenedor rotatorio con aceite.

118

La velocidad de la bomba se varía cambiando el nivel de aceite en el contenedor. El motor

rota a velocidad constante.

Hay acoplamientos hidráulicos tanto para requerimientos de alta como de baja potencia.

Se han desarrollado muchas variantes tanto de acoplamientos hidráulicos, como de

viscohidráulicos de discos múltiples. En esta última técnica, el momento se transmite a través

de la fricción viscosa de una película de aceite entre discos. Cambiando la distancia entre los

discos al mismo tiempo que se ajusta el flujo de aceite, se logra una velocidad variable.

c) Acoplamiento por corrientes parásitas

Los acoplamientos por corrientes parásitas o de inducción se han utilizado a través de

muchas décadas para accionar una carga de velocidad variable con un motor de velocidad

constante. Como en el acoplamiento hidráulico, el momento se transmite sin contacto

mecánico entre el eje del motor y el eje de la carga.

Como con el uso de este acoplamiento el motor se conecta directamente a la fuente y no se

incluye electrónica de potencia, no existen riesgos en cuanto a la presencia de armónicos en

el sistema eléctrico, ruido o radiointerferencias.

d) Control por tensión

El control por tensión es un método usado fundamentalmente para el control de ventiladores

pero se emplea también en bombas. Esta técnica se basa en (por medio de un regulador)

generar una tensión variable para aplicarlo al motor. En épocas anteriores, el regulador era

siempre un transformador con diferentes "taps"; pero hoy, se emplean reguladores

electrónicos.

Debido a que la frecuencia en el estator del motor permanece constante, este tipo de control

produce una variación del deslizamiento del rotor y, en consecuencia, de la velocidad.

119

El método se basa en que el momento desarrollado por un motor asincrónico es

aproximadamente proporcional al cuadrado de la tensión aplicada a sus terminales (ver

Figura 3.3).

El requerimiento de alta resistencia en el rotor para la obtención de una gama de regulación

de la velocidad lo suficientemente grande y el de una mayor capacidad de ventilación para la

operación a bajas velocidades implica que, por lo general, los motores estándar no puedan

utilizarse para el control por tensión.

La disminución de la velocidad se logra a costa de un aumento de las pérdidas en el rotor,

las cuales provocan un mayor calentamiento en el mismo. El calor es generado

principalmente a una velocidad de alrededor de 2/3 de la velocidad nominal.

Para mayor seguridad, el motor que se va a trabajar con control por tensión se selecciona

usualmente de una capacidad mayor que la requerida (normalmente un valor más en la

escala de potencia).

120

Figura 3.3. Control de velocidad por medio de la variación de la tensión terminal.

Características de momento contra deslizamiento.

Los reguladores de tensión utilizados más frecuentemente, están equipados con filtros de

armónicos, funciones para el arranque suave y para la protección del motor. El sistema de

control se combina con reguladores de presión o temperatura integrados.

En instalaciones residenciales, hoteleras o en aquellas con equipos electrónicos sensibles, el

regulador de tensión debe equiparse con supresores de interferencia para radiofrecuencias.

Cuando menos, deben emplearse cables apantallados.

e) Control por frecuencia

Como se planteó anteriormente, controlar la velocidad de un motor de jaula de ardilla por

frecuencia puede considerarse el método más eficaz y eficiente. A continuación, se analizan

algunas características básicas del mismo.

3.5. PARTICULARIDADES DEL MÉTODO DE CONTROL POR FRECUENCIA

El método se fundamenta en que la velocidad sincrónica del campo magnético rotatorio de

un motor asincrónico puede ser controlada por medio de la variación de la frecuencia de

línea, ya que:

(rpm)

donde ns: velocidad sincrónica (rpm); f: frecuencia de la línea (Hz); y P: número de polos.

Para mantener la densidad de flujo aproximadamente constante, la tensión de línea debe

variarse también proporcionalmente a la frecuencia, es decir, constante. El momento

máximo permanece también prácticamente constante en esas condiciones.

121

El método más utilizado actualmente es el control de la tensión y la frecuencia, utilizando

técnicas de modulación por ancho de pulso (MAP ó PWM, por su siglas en inglés). En la

Figura 3.4 se muestra un esquema de este tipo de variador de velocidad.

Figura 3.4. Esquema de un sistema de variador de velocidad por PWM

Tanto la frecuencia como la tensión de salida pueden controlarse independientemente. La

Figura 3.5 muestra ondas típicas de tensión de salida de una fase del accionamiento, para la

situación en que la frecuencia y la tensión han variado simultáneamente en forma lineal.

Estas formas de onda son simplificadas en la figura, ya que el accionamiento tiene una

frecuencia portadora mucho más alta que la que se muestra.

Figura 3.5. Control de tensión y frecuencia con PWM

122

a) 120, 60 Hz

b) 60 V, 30 Hz

En la Figura 3.5 a) se observa la tensión de salida ajustada a una frecuencia de 60 Hz y una

tensión efectiva de 120 V. La Figura 3.5 b) muestra la salida ajustada a una frecuencia de 30

Hz y una tensión efectiva de 60 V. Obsérvese que la máxima tensión producida por el

accionamiento permanece igual en los dos casos; el nivel de tensión efectiva se controla por

la fracción de tiempo en que la tensión se activa; y la frecuencia, por la velocidad a la cual la

polaridad de las pulsaciones se conmuta de positivo a negativo y viceversa.

Es a veces aconsejable una desviación con respecto a la regla constante, en los

casos en que el momento de la carga disminuye rápidamente con la reducción de la

velocidad, por ejemplo, en los accionamientos de cargas centrífugas donde . En este

caso, la disminución mucho más rápida de la tensión en comparación con la frecuencia,

provoca una reducción del flujo y mejora los indicadores energéticos del motor ( y ), al

mismo tiempo que la disminución del momento máximo no es peligrosa desde el punto de

vista de la capacidad de sobrecarga.

En adición a su función de regular la velocidad, los convertidores de frecuencia actuales

ofrecen otras características ventajosas. A continuación se verán algunas de ellas.

a) Por medio de una alta frecuencia de pulsos, es posible lograr una corriente casi sinusoidal

en el motor, un contenido mínimo de armónicos y un bajo nivel de ruido, aunque las pérdidas

a altas frecuencias de pulsos pueden ser elevadas.

b) Reducción del desgaste mecánico de la bomba y aumento de su duración.

c) Reducción de las oscilaciones de presión en la red de líneas y mayor cuidado de éstas.

d) Es posible seleccionar entre distintas funciones de aceleración y desaceleración,

permitiendo arranques y paradas suaves. Puede proveerse un incremento del momento de

arranque de 150% o más con respecto al momento nominal. Esto significa un arranque

confiable, aún con cargas elevadas.

123

e) Simplificación de la red de tuberías al eliminar válvulas de estrangulación, control por by

pass, etc.

f) El motor suele tener una capacidad elevada en un intervalo de frecuencia (de 35 a 50 Hz

para una máquina de 50 Hz, en la Figura 3.6). Esto significa que, en muchas ocasiones, el

motor y el convertidor de frecuencia no tienen que sobredimensionarse. El área bajo la curva

representa el intervalo típico donde un motor controlado por frecuencia puede cargarse sin

necesidad de enfriamiento adicional. Si el motor se utiliza en forma continua en el área sobre

la curva a bajas velocidades, se requiere un enfriamiento separado. Alternativamente, puede

seleccionarse un motor de mayor capacidad.

Figura 3.6. Ejemplo de cargabilidad de un motor controlado por un convertidor de frecuencia

g) Debido a las características de diseño de los convertidores, el factor de potencia del

sistema convertidor – motor es cercano a la unidad.

h) Otra excelente característica es la facilidad de un arranque volante (flying), esto es,

conectar un motor que está girando.

124

h) Un frenado efectivo puede lograrse utilizando un sistema integrado al equipo o una unidad

extra de frenado dinámico (frenado con corriente directa). De esta forma es posible, por

ejemplo, mantener la carga estacionaria. El paso de la condición de frenado a la de arranque

a plena carga se ejecuta fácilmente.

g) Gracias a las propiedades de estas nuevas generaciones de convertidores de frecuencia,

el ruido en el motor es muy bajo. Esto permite su uso en medios sensibles al ruido como

oficinas, instalaciones hoteleras y hospitales.

3.6. ANÁLISIS COMPARATIVO DE LOS DIFERENTES MÉTODOS DE CONTROL

Partiendo de las diferentes formas de control que se han discutido para ajustar el flujo, se

hará un análisis comparativo con seis de las más importantes.

La Figura 3.7 muestra el consumo relativo de potencia con cada uno. Allí se observa el

requerimiento de potencia de los diferentes métodos considerando un control ideal sin

pérdidas, y donde la carga estática del sistema se supone igual a cero. Cuando hay carga

estática, las posibilidades de reducir el consumo son más limitadas, como ya se explicó.

Al analizar la figura mencionada, hay que tener en cuenta que la forma de las curvas se

afecta por muchos factores tales como la eficiencia del sistema, el diseño del mismo, el punto

de operación seleccionado y el equipo de control.

125

Figura 3.7. Consumo relativo de potencia con seis tipos diferentes de control.

La regulación por variación de tensión tiene un consumo de potencia equivalente al de los

acoplamientos hidráulicos y por corrientes parásitas.

Para evaluar adecuadamente un proyecto de ahorro mediante el uso de accionamientos

eficientes, resulta conveniente usar un método de descuento comparativo, como lo es el VPN

diferencial.

Posibilidades de aplicación

Entre las principales oportunidades de aplicación de los métodos de velocidad variable, se

encuentran:

Sistemas automáticos de suministro de agua

Sistemas de ventilación y extracción

Control de temperatura del agua en las torres de enfriamiento

Regulación del aire frío inyectado en las fábricas de hielo para impedir la formación de

burbujas

Controles de nivel de tanques y recipientes

Alimentadores y transportadores

126

Agitadores y mezcladores

Ajustes de tiro forzado e inducido en generadores de vapor

Separadores centrífugos

Máquinas pulidoras

Elevadores

Instalaciones de climatización

Control de la ventilación de establos de ganado

Como se ha señalado, el control por velocidad variable tiene muchas características que

ayudan a hacer la inversión atractiva. Una de estas características, la economía desde el

punto de vista energético, resulta la más fácil de calcular y sobre la cual, debe basarse

preferentemente una evaluación de la inversión.

Estudio de caso

En las figuras 3.8 y 3.9 se muestran los resultados experimentales de corridas realizadas en

un laboratorio, donde se obtienen las características de potencia de entrada y eficiencia

contra flujo, respectivamente, empleando estrangulamiento y control de velocidad por

frecuencia, en un sistema con las siguientes parámetros:

Motor:

Asincrónico trifásico tipo HXUR 36862 (Oy Stromberg Ab, Finlandia),

22 kW, 380 V,

4 polos, 43 A,

1460 rpm, ,

50 Hz, .

Bomba:

Centrífuga ALHLSTRÖM KHN-12.

127

Convertidor:

PWM tipo SAMI GS,

Corriente nominal: 12 A,

Frecuencia de conmutación: 1 a 12 kHz.

En este caso se puede determinar que la reducción de la potencia de entrada para, por

ejemplo, un 50 % de flujo (30 l/s) es de unos 9 kW (un 36 %), mientras que con las

características idealizadas de la Figura 3.7, se obtendría para un 50 % del flujo, una

reducción de alrededor del 6 % en la potencia de entrada. Esta diferencia se debe a los

aspectos despreciados para obtener las curvas en aquella figura.

Figura 3.8. Potencia de entrada en función del flujo para un control por estrangulamiento y

para un control de velocidad por frecuencia.

128

3.7. EVALUACIÓN ECONÓMICA

Como se ha señalado, el control por velocidad variable tiene muchas características que

ayudan a hacer la inversión atractiva.

Al igual que se vio en el caso de los motores, para evaluar un proyecto se puede seleccionar

entre varios métodos de cálculo. Las ventajas y desventajas analizadas en aquel caso, son

también válidas aquí. Usualmente resulta conveniente usar el método de descuento en forma

comparativa con el VPN diferencial.

Figura 3.9. Eficiencia en función del flujo para un control por estrangulamiento y para un

control de velocidad por frecuencia.

129

Ejemplo con el VPN diferencial

A continuación se presentan dos ejemplos, que fueron desarrollados con ayuda de un

programa elaborado al efecto.

El primer ejemplo es el de una instalación existente, que emplea para una bomba un método

de control por estrangulamiento. Se desea evaluar económicamente la alternativa de utilizar

un sistema de control por frecuencia para regular el flujo. La potencia nominal del motor es

de 30 kW, el flujo medio es el 70% del flujo nominal, el tiempo de operación es de 7000

horas, el precio promedio de la electricidad es de 0.05 USD y la tasa de descuento es de

20%.

Comparado con el estrangulamiento, el convertidor de frecuencia representa una inversión

adicional de 5480 USD, incluyendo la instalación, que se estima en un 20% del costo del

convertidor.

En la Figura 3.10 se observa la diferencia en los requerimientos de potencia utilizando el

control por estrangulamiento y utilizando el control por frecuencia, para el caso de la bomba

descrito en este ejemplo (con el motor de 30 kW).

En la columna “Ejemplo 1” de la Tabla 3.2 se muestra el resultado de los cálculos.

Tabla 3.2. Resultados de los cálculos económicos para los ejemplos 1 y 2.

Datos de entrada Ejemplo 1 Ejemplo 2

BombaFlujo nominal (máxima demanda de flujo) (m3/h): 400 700Carga al flujo máximo dado (m): 20 45Carga a cero flujo (m): 25 56Eficiencia (máxima de la curva) (%): 80 85

MotorPotencia nominal (kW): 30 110Eficiencia (%): 93 95

SistemaFlujo promedio (m3/h): 280 490Carga estática (m): 0 0

130

Caída de presión a través de la válvula de estrangulamiento abierta a flujo nominal (m): 3 3Densidad del líquido (kg/dm3): 1 1Tiempo anual de operación (h): 7000 7000

Parámetros económicosVida útil (años): 10 10Precio de la energía eléctrica (USD): 0.05 0.05Tasa de descuento (%): 20 20Tasa de inflación (%): 4.5 4.5Inversión total adicional (USD): 5480 13188

Resultados calculadosAhorro anual total (USD/año): 5500 18562Valor presente neto (VPN) (USD): 20338 73925Cada kW invertido cuesta (USD): 183 120Tiempo de recuperación (años): 2 1

El segundo ejemplo, es el de un caso análogo con un motor de 110 kW de potencia nominal.

Como en el primer caso, el motor se instala en una estación de bombeo controlada por

estrangulamiento.

Aquí también se considera una media de flujo de 70% del máximo, un tiempo de operación

de 7000 horas, un costo de la energía eléctrica de 0.05 USD y una tasa de descuento de

20%.

En la Figura 3.11 se representan las diferencias en requerimientos de potencia para el

accionamiento con el motor de 110 kW.

En la columna “Ejemplo 2” de la Tabla 3.2 se muestra el resultado de los cálculos.

131

Figura 3.10. Diferencia en los requerimientos de potencia para una bomba accionada por un

motor de 30 kW con estrangulamiento y con control de velocidad variable.

Figura 3.11. Diferencia en los requerimientos de potencia para una bomba accionada por un

motor de 110 kW con estrangulamiento y con control de velocidad variable.

132

En ambos casos se observa un elevado valor del VPN y período de recuperación de la

inversión reducido, lo que pone en evidencia lo atractivo de la inversión.

3.8. ACCIONAMIENTOS PARA SISTEMAS DE VENTILACIÓN

3.8.1. Métodos de control

A través de los años se han desarrollado varios métodos de control del flujo de aire. El

diagrama de la Figura 3.12 ilustra los requerimientos idealizados de potencia (al igual que en

el caso de las bombas) con los siete métodos de control más comunes.

Debido a que los análisis son aproximados resulta necesario, para los casos específicos,

llevar a cabo un cuidadoso cálculo económico antes de tomar una decisión.

Estrangulamiento

Como en el caso de las bombas, aquí también el estrangulamiento es un método de control

ineficiente y que produce malgasto de energía. Muy raramente puede aceptarse hoy en día.

La curva 1 en la Figura 3.12 representa el estrangulamiento en ventiladores con paletas tipo

B. Según muestra el diagrama, este tipo de ventilador tiene un intervalo limitado, que permite

reducir el flujo hasta alrededor de un 50% en ese ejemplo.

La otra curva de estrangulamiento, la 2 en la misma figura, representa a los ventiladores con

paletas tipo F. El estrangulamiento con estos ventiladores, como se puede ver, significa una

pérdida de energía algo menor que con el tipo B.

133

Figura 3.12. Requerimientos de potencia con distintos métodos de control para ventiladores.

A pesar de lo expresado en cuanto a su ineficiencia, hay ciertas aplicaciones en el intervalo

de bajas potencias (el control con damper comúnmente se emplea con ventiladores radiales

de paletas tipo F, cuando el volumen de flujo es pequeño, de hasta unos 3 metros cúbicos

por segundo) y, fundamentalmente, en la ventilación doméstica.

Como los resultados económicos con este método son pobres, los accionamientos con

velocidad variable resulta la mejor alternativa.

Control por álabes guías a la entrada

Este método es una manera usual de controlar el volumen de aire de un ventilador. Esta

técnica se usa cuando se controla el flujo en grandes intervalos y para volúmenes de flujo

entre 2 y 30 metros cúbicos por segundo. Los ángulos de los álabes guías, construidos a la

entrada de un ventilador radial, pueden ajustarse de manera que el volumen de aire se haga

rotar en la misma dirección que el impelente.

También en este caso el control con velocidad variable es la alternativa más efectiva.

134

Una manera eficiente de reducir los requerimientos de potencia con este tipo de control, es

equipando el ventilador con un motor de dos velocidades o empleando dos motores para dos

intervalos de operación distintos.

Como se muestra en el diagrama de la Figura 3.12, se logran considerables economías

cuando el ventilador está equipado con un motor de dos velocidades.

Control por tensión, control hidráulico y control por corrientes parásitas

En el caso de los ventiladores, a semejanza de lo analizado para las bombas, el control por

tensión es también un método por deslizamiento en el cual las pérdidas eléctricas en el rotor

son aproximadamente proporcionales al mismo. Esto significa que, a mitad de la velocidad

(con 50% de deslizamiento), más de la mitad de la potencia del motor se disipa en forma de

calor.

Para ventiladores acoplados por correa, por ejemplo, se han desarrollado motores especiales

con una alta resistencia en el rotor (el rotor se construye con una jaula de ardilla de una

aleación especial) y mayores aletas de ventilación. Una variante muy utilizada consiste en

construir el motor con el rotor externo, con lo cual el flujo de aire puede entrar directamente

en contacto con el rotor y así el exceso de calor puede extraerse rápidamente.

El control por tensión se utiliza fundamentalmente en los ventiladores de baja potencia,

mientras que los acoplamientos hidráulicos y por corrientes parásitas se usan en los de gran

potencia.

d) Control por álabes de paso variable

El comportamiento de los ventiladores axiales puede ajustarse variando los ángulos de los

álabes de los impelentes. De esta manera, es posible lograr una alta eficiencia a través de un

gran intervalo de flujo. La variación del paso de los álabes puede realizarse en reposo o

durante la operación.

135

Para ventiladores, el control por paso variable se aplica sólo a los tipos axiales (su costo es

mayor), preferiblemente aquellos que manejan grandes volúmenes de aire (que excedan los

30 metros cúbicos por segundo). Resulta muy caro para el control de pequeños volúmenes

de aire.

Con este método se pueden lograr eficiencias que se aproximen a aquellas de los

convertidores de frecuencia. La eficiencia se puede incrementar aún más utilizando motores

de dos velocidades. Sin embargo, aún es este último caso, el control por frecuencia puede

convertirse en una mejor alternativa.

Los otros dos factores a considerar son los costos de mantenimiento (principalmente con

ventiladores que son controlados durante la operación) y el ruido. (Los ventiladores radiales

pueden ser más ventajosos en lo que se refiere al ruido).

e) Control por frecuencia

El control de velocidad con el empleo de convertidores de frecuencia para ventiladores se

incrementa crecientemente. Al igual que para el caso de las bombas, en la aplicación con

ventiladores este método proporciona varias ventajas en cuanto al consumo de energía,

facilidades operacionales, costos de mantenimiento, el medio ambiente y otros.

3.8.2. Esfuerzos dinámicos

Con los controles por velocidad variable en los ventiladores axiales, es importante tomar

precauciones con respecto a los esfuerzos dinámicos a los que pueden estar expuestos y

analizar cómo pueden reducirse éstos, de acuerdo con las consideraciones que se hacen a

continuación.

Todas las máquinas rotatorias están expuestas a disturbios dinámicos que ocurren a la

frecuencia asociada con la velocidad de rotación o a múltiplos de esa frecuencia. En

consecuencia, resulta aconsejable evitar situaciones en las que el ventilador o sus

instalaciones comienzan a resonar con esas frecuencias.

136

Una ventaja ofrecida por los convertidores de frecuencia modernos es la posibilidad de evitar

cualquier frecuencia de resonancia. Esto presupone que estas velocidades resonantes

puedan identificarse midiendo los máximos de vibración mientras el ventilador se opera en

todo su intervalo de velocidad.

Sin embargo, hay oscilaciones que no se manifiestan como vibraciones medibles. Esto se

aplica, en primer lugar, a los ventiladores axiales donde la resonancia puede ocurrir en los

álabes, conduciendo a fatigas que no se advierten. De aquí que resulta particularmente

importante consultar al fabricante antes de que el motor se equipe con un control de

velocidad variable. Adicionalmente, hay una regla general que dice que un ventilador

controlado por velocidad variable se considera un sistema completo, donde el proveedor

debe ser responsable de la compatibilidad entre los diferentes componentes, con el objetivo

de lograr la mejor operación y fiabilidad.

3.9. ACCIONAMIENTOS PARA ELEVADORES

La utilización para elevadores de sistemas de control por frecuencia del tipo frecuencia

variable-tensión variable (con una técnica PWM con alta frecuencia de conmutación)

empleando un motor asincrónico, resulta también la mejor manera de regular la velocidad. El

módulo de accionamiento está en interfase con la computadora que controla el elevador, la

cual produce los comandos para arranques, paradas y los modos de operación. El sistema

de accionamiento trabaja inteligentemente en todos los modos y fases de la operación del

elevador.

En la Figura 3.13 se puede observar, para distintas velocidades, el consumo de corriente

con un sistema de ese tipo (llamado aquí V3F por sus fabricantes) en comparación con un

control de tensión variable (ACVV). La ventaja es especialmente notable a bajas velocidades.

137

Figura 3.13. Consumo de corriente en función de las velocidades de operación en

elevadores. (Método de tensión variable y método tensión variable-frecuencia variable)

En la Figura 3.14 se muestra una comparación similar con un sistema de control que emplea

un motor de dos velocidades. En la Tabla 3.3 se analizan ejemplos del consumo de energía

de elevadores que emplean este sistema, en comparación con sistemas con motores

asincrónicos de dos velocidades, con control por tensión variable y con motores de corriente

directa.

138

Figura 3.14. Consumo de corriente en función de las velocidades de operación en elevadores

(Método de dos velocidades y método tensión variable-frecuencia variable).

Una característica del método V3F es que el accionamiento, tal como se había analizado con

los casos anteriores, prácticamente absorbe sólo corriente activa de la red. Esto mantiene el

factor de potencia cerca de la unidad todo el tiempo. Los sistemas más antiguos, raramente

alcanzan un valor mayor de 0.7, por lo que frecuentemente se requiere de una

compensación del factor de potencia. El alto valor de factor de potencia y el deslizamiento

mínimo, reduce la corriente de línea substancialmente.

Una gran ventaja es su baja corriente de arranque, lo cual significa hasta un 50% menos de

capacidad para el suministro. Además, al operar continuamente cerca de su velocidad

sincrónica variable, el motor trabaja sin absorber las grandes corrientes de aceleración y

139

deceleración, típicas de los sistemas más viejos. Menores corrientes significan menos

pérdidas en el motor, lo que se traduce en un consumo menor de energía.

Dependiendo de la carga del elevador, de la velocidad y de la intensidad del tráfico, los

ahorros varían de un 15 a un 50% en comparación con los sistemas tradicionales con

accionamientos de CA. El método es superior incluso a los accionamientos de CD de estado

sólido.

En los edificios con un intenso tráfico, el control V3F contribuye a largo plazo a importantes

ahorros económicos. Aún en edificios residenciales sin mucho tráfico, la inversión es

productiva por tener un consumo de aproximadamente un 25% menos de energía que un

accionamiento tradicional de dos velocidades.

En resumen, en comparación con los sistemas tradicionales, las ventajas del control V3F se

traduce en ahorros a cuenta de:

Menor consumo de energía

Capacidad más reducida de conductores y protecciones

Disminución de las necesidades de enfriamiento en el cuarto de máquinas

Menor capacidad de los sistemas de frenado de emergencia

No compensación del factor de potencia

Además de los aspectos económicos, con este accionamiento la velocidad de referencia

generada electrónicamente se sigue por el motor suavemente en cada paso. Los parámetros

de aceleración, de deceleración y de sacudidas son preestablecidos por el diseñador. Así se

puede lograr un balance ideal entre el comportamiento dinámico y la comodidad del pasajero.

Tabla 3.3. Comparación en el consumo de energía.

Dos velocidades

140

Consumo de energía [kWh/año]

2340 2700

Especificación: 630 kg, 1.0 m/s, 100000 paradas/año.

ACVVConsumo de energía

[kWh/año]6200 10000


Corriente directaConsumo de energía

[kWh/año]25000 28000


3.10. SELECCIÓN DE MOTORES ACCIONADOS CON CONVERTIDORES DE FRECUENCIA

3.10.1. Consideraciones generales

Cuando se utiliza un motor asincrónico con convertidor de frecuencia, en adición a los

criterios generales de selección, se deben considerar los siguientes aspectos:

1. Comprobar siempre:

Cargabilidad del convertidor y del motor para la aplicación específica

Nivel de aislamiento del motor

Sistema de tierra del motor, del equipo accionado y del posible tacómetro.

2. A altas velocidades, debe prestarse especial atención a:

Construcción de los rodamientos

Lubricación

Ruido del ventilador

Balanceo

Velocidades críticas

Sellos de los ejes

Momento máximo del motor.

3. A bajas velocidades, debe evaluarse lo siguiente:

141

Lubricación de los rodamientos

Ventilación del motor

Ruido electromagnético

3.10.2 Guía para la selección del motor

La tensión (y la corriente) con el cual el convertidor alimenta al motor no es puramente

sinusoidal lo cual, como resultado, incrementa las pérdidas, las vibraciones y el ruido de los

motores. Distintos convertidores con diferentes frecuencias de corte y de modulación,

proporcionan comportamientos diferentes para el mismo motor. Por esta razón, no resulta

recomendable utilizar métodos empíricos generales para determinar la cargabilidad del

motor. Por la misma causa, en muchas aplicaciones resulta recomendable adquirir el sistema

convertidor-motor suministrado por el mismo fabricante.

Cuando se va a utilizar un motor convencional con un convertidor de frecuencia, se debe

hacer la selección a partir de las curvas de cargabilidad del motor, correspondientes a los

distintos tipos de convertidores de frecuencia que suministran los fabricantes. En la Figura

3.15, se muestra una curva de cargabilidad con un tipo de convertidor de frecuencia. Este

tipo de curva muestra el momento máximo continuo de la carga para un motor TEFC, como

función de la frecuencia, que da el mismo incremento de temperatura que cuando trabaja a

una frecuencia y tensión nominal sinusoidal y plena carga. Además, se muestra la zona de

operación a bajas velocidades que requiere ventilación separada, así como los momentos

que pueden desarrollarse en el proceso de arranque y las sobrecargas de corto tiempo

permisibles.

142

Figura 3.15. Cargabilidad de un motor con convertidor de frecuencia tipo SAMI STAR de la

ABB.

Hay que considerar que cuando se presentan aplicaciones en condiciones críticas con

carcasas tamaño 355 y 400, puede requerirse de diseños especiales en el rotor.

Es recomendable, debido a los esfuerzos eléctricos y térmicos a los que son sometidos los

motores accionados por convertidores de frecuencia, el empleo de sistemas de aislamiento

reforzados, utilizando aislamiento clase H en los conductores y clase F para el resto del

sistema. De esto resulta un aislamiento equivalente a clase F.

Criterios generales de selección

a) Tensión de suministro

b) Tipo de característica de momento de la carga (constante, bomba, etc.)

c) Intervalo de velocidad

d) Necesidad especial de alto momento de arranque

e) Necesidades especiales para el medio ambiente

Además, debe tomarse en consideración que:

El momento real de la carga debe estar en todos los puntos por debajo del indicado por la

curva de cargabilidad (Se debe observar que hay que conocer qué tipo de convertidor va

143

a ser usado). Si la operación no es continua en todos los puntos, se puede sobrepasar el

momento indicado por la curva, pero este caso requiere de una evaluación especial.

El momento máximo del motor debe ser por lo menos 40% mayor que el momento a

cualquier frecuencia.

La velocidad máxima permisible del motor no se puede exceder.

Se debe comprobar técnica y económicamente, si un sistema separado de enfriamiento

reduce el tamaño del motor y, consecuentemente, el tamaño del convertidor.

Consideraciones sobre la selección del convertidor adecuado

Se selecciona el convertidor adecuado a la potencia nominal del motor.

Se comprueba también que la corriente nominal del convertidor sea igual o mayor que

la del motor seleccionado.

Se comprueba que el momento máximo relativo del motor sea Mmax/Mnom 2.9. Si no

lo es, se necesita una información adicional para la selección del convertidor o se

toma el siguiente convertidor en la escala de potencia.

Se verifica, si hay requerimientos de alto momento de arranque, que éstos se puedan

satisfacer.

144

CAPÍTULO 4

SELECCIÓN Y RÉGIMEN DE TRABAJO ECONÓMICO DE LOS TRANSFORMADORES

4.1. INTRODUCCIÓN

La eficiencia total de un sistema eléctrico es la combinación de la eficiencia de cada uno de

sus componentes. Entre éstos se encuentran los transformadores. Los transformadores son

equipos imprescindibles en los sistemas industriales debido a que transforman toda la

potencia recibida de la red de suministro al nivel de tensión requerido por el consumidor

final.

Aunque la eficiencia de los transformadores es usualmente elevada, las pérdidas que en

ellos se producen son una parte considerable de las pérdidas del sistema de distribución

industrial o de servicios. En consecuencia, la evaluación de estas pérdidas es importante

cuando se desea minimizar los costos de operación de un sistema.

Un comportamiento bastante generalizado entre los ingenieros de potencia, es la tendencia

a cargar a plena carga los transformadores tratando con ello de no afectar el factor de

potencia y obtener, a la vez, la mayor utilización de la capacidad disponible. En realidad,

cuando se tiene en cuenta el aspecto energético, este es sólo un elemento más a considerar

en la evaluación económica para el uso eficiente de los transformadores.

4.2. EFICIENCIA DE LOS TRANSFORMADORES

De forma similar a como se define la eficiencia en los motores asincrónicos, la eficiencia de

los transformadores está dada por:

145

Las pérdidas en los transformadores pueden clasificarse en pérdidas en vacío o sin carga y

pérdidas bajo carga. Las pérdidas en vacío (P0) son, fundamentalmente, pérdidas

histerésicas y parásitas en el núcleo del transformador y a los efectos prácticos pueden

considerarse constantes e independiente de estado de carga.

Las pérdidas con carga son la suma de las pérdidas de cobre en ambos devanados ( I2R),

más un grupo de pérdidas menores que se agrupan como pérdidas adicionales. Las

pérdidas adicionales pueden ignorarse, de modo que las pérdidas bajo carga (PCU) son

proporcionales al cuadrado del estado de carga. Si las pérdidas de cobre a plena carga en el

transformador (llamas usualmente pérdidas de cortocircuito) se denominan como PCUN, las

pérdidas bajo una carga cualquiera se pueden expresar como:

(W)

Expresando la potencia de salida de acuerdo con el coeficiente de carga y la potencia

nominal del transformador para un factor de potencia dado, es posible determinar la

eficiencia como:

Para un factor de potencia establecido, el único valor variable es el coeficiente de carga. Si

se deriva la expresión anterior con relación a este coeficiente y se iguala a cero, se obtiene el

valor del coeficiente de carga para el cual la eficiencia es máxima. Efectuando esta operación

se tiene:

de donde:

146

Es decir, la eficiencia alcanza su valor máximo para una carga tal en que las pérdidas

variables son iguales a las pérdidas constantes. Este valor de eficiencia es superior en la

medida que el factor de potencia de la carga se eleva. El significado de este resultado es, en

muchas ocasiones, mal interpretado.

Ejemplo1

En un sistema industrial se monta un transformador de 100 KVA; 6.3/0.48 kV con unas

perdidas de vacío de 0.365 kW y pérdidas de cobre nominales de 1.97 kW. Determine qué

carga se debe alimentar con un factor de potencia de 0.8 para obtener la máxima eficiencia

en la transformación, cuál es el valor de ésta y qué eficiencia se obtendría si el transformador

se carga totalmente.

Las pérdidas en este estado de máxima eficiencia son: 2 x 0.365 = 0.73 kW

A plena carga:

Las pérdidas en ese estado son: 2.335 kW

147

Como puede verse, las pérdidas totales incrementan un 319% cuando la carga crece de un

43% a 100 % de carga. Con la sobrecarga, la eficiencia se reduce aún más.

En este ejemplo, los cálculos se han realizado para un transformador que posee una relación

de pérdidas variables a fijas de:

Si se analizan en detalle los datos ofrecidos por los fabricantes de transformadores, se

encuentra que estos se fabrican con diferentes relaciones de pérdidas. En dependencia de la

relación de pérdidas se determina el estado de carga óptimo de un transformador. Los

transformadores de baja relación tienen su máxima eficiencia más próxima a plena carga.

Aquellos de alta relación tienen su máxima eficiencia a cargas parciales más alejadas de la

nominal (ver Figura 4.1).

Figura 4.1 Dependencia entre la relación de pérdidas del transformador y su carga optima.

Ejemplo 2

Un transformador trifásico de 1000 kVA de potencia tiene pérdidas en vacío: Po=2.45 kW y

pérdidas de cortocircuito: PCUN=12.2 kW. Determine el coeficiente de carga para el cual la

148

012345678

0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25

Carga del transformador en p.u. para maxima eficiencia.

Rel

acio

n de

per

dida

s de

l tr

ansf

orm

ador

.

eficiencia del transformador es máxima, y obtenga los gráficos de comportamiento de la

eficiencia en función de la carga, para cos2 = 1 y cos2 = 0.8.

Solución:

La eficiencia del transformador será máxima con:

Se calcula la eficiencia para los valores de factor de potencia especificados, variando el

coeficiente de carga y se grafican los resultados en las curvas que se muestran en la Figura

4.2.

Figura 4.2 Comportamiento de la eficiencia de un transformador en función de la carga en

p.u. para dos diferentes factores de potencia.

En el intervalo de , la eficiencia disminuye muy poco.

Esta propiedad de la variación de la eficiencia es típica de los transformadores de potencia.

149

4.3. CRITERIOS PARA LA SELECCIÓN DE TRANSFORMADORES

De las consideraciones anteriores se obtienen las conclusiones siguientes:

La máxima eficiencia de un transformador totalmente cargado se logra sólo cuando

las pérdidas de cobre a plena carga son iguales a las perdidas en vacío. Es decir, en

función de su diseño y el estado de carga.

Para seleccionar un transformador que opere eficientemente es necesario estimar o

conocer el comportamiento promedio de la carga en la instalación dada. Un

transformador ligeramente cargado debe seleccionarse con una relación de pérdidas

elevada.

Sin embargo, estas conclusiones no son totalmente suficientes; la decisión correcta se

alcanza luego de considerar los costos totales de las alternativas que se tengan para

seleccionar un transformador.

En el análisis económico se consideran todos los elementos de costos que diferencian las

alternativas; costos iguales se omiten. Entre éstos pueden incorporarse la corrección del

factor de potencia y la capacidad de interrupción de los equipos de maniobra, sobre todo,

cuando se selecciona el transformador general de suministro de una instalación.

Las técnicas a emplear son las de flujo descontado, como el VPN diferencial o el CCV.

En la selección de transformadores se debe tener presente que:

Para determinar aproximadamente la mínima capacidad necesaria del transformador

de acuerdo con el diagrama de carga del sistema que alimenta, se puede acudir a una

expresión semejante a la de potencia equivalente en un motor asincrónico, vista

anteriormente:

150

En el caso de los transformadores, la capacidad de sobrecarga hay que evaluarla a

partir del tipo de transformador y de las especificaciones del fabricante.

Se debe seleccionar un transformador en lugar de dos o más para satisfacer un

determinado nivel de carga, si no se imponen condiciones especiales en el sistema

Entre las opciones se evalúa la aplicación de los transformadores de alta eficiencia

existentes en el mercado

Es preferible emplear transformadores trifásicos a grupos de transformadores

monofásicos o bancos asimétricos

Deben evaluarse las condiciones de la calidad de la energía en el suministro y la

probable distorsión armónica de la carga que se alimenta.

Una tarifa con elevados costos de la energía favorece la selección de un

transformador que resulte subcargado.

Cuando se selecciona un transformador subcargado se pueden obtener algunos de

los beneficios siguientes:

1. Mejor regulación de tensión

2. Mejor comportamiento de los motores durante el arranque

3. Se puede asumir mayor fiabilidad en el sistema

4. Capacidad adicional para casos de emergencia o incrementos futuros de carga

5. No se producen sobrecalentamientos locales y aumenta la vida útil

6. Adaptabilidad a ambientes de elevada temperatura

151

Selección del número de transformadores

Como se expresó anteriormente, siempre se prefiere seleccionar un solo transformador en

lugar de dos o más para satisfacer un determinado nivel de carga, si no se imponen

condiciones especiales en el sistema.

La alimentación de reserva se procura ejecutar desde una subestación vecina. Esto se debe

a que, en general, la instalación de un solo transformador garantiza el mínimo de gastos. Si

las exigencias de alimentación de reserva de los consumidores demandan la instalación de

más de un transformador, se debe tratar de que el número no exceda a dos.

En el proyecto de subestaciones, es necesario tener en cuenta los requerimientos de las

reservas, partiendo de consideraciones que en cuanto a las categorías de fiabilidad tienen de

los receptores de energía eléctrica.

Los consumidores de primera categoría deben tener alimentación desde dos fuentes

independientes. Con ello se puede asegurar la reserva de la alimentación de los otros

consumidores. Cuando la continuidad del servicio se garantiza desde dos subestaciones, en

cada una de ellas se puede instalar un solo transformador. Cuando esto se hace desde una

sola subestación, en cada sección de las barras es necesario tener por lo menos un

transformador. En este caso, las potencias de los transformadores deben seleccionarse de

tal manera que si uno falla, el otro debe garantizar el suministro de los consumidores de

primera categoría, tomando en cuenta la capacidad de sobrecarga admisible de esos

transformadores.

Al propio tiempo se debe señalar que en las subestaciones de talleres con dos

transformadores, resulta conveniente mantener las secciones de las barras de baja tensión

en trabajo independiente. Con esto, la corriente de cortocircuito se reduce y se facilitan las

condiciones de trabajo de los equipos con tensión de hasta 600 V. Ante la desconexión de

uno de los transformadores, el otro toma la carga como resultado de la conexión del

seccionalizador automático.

152

La aplicación de la alimentación de reserva de los consumidores de primera categoría debe

realizarse automáticamente.

El suministro de los consumidores de segunda categoría se debe garantizar por medio de

una reserva accionada automáticamente o manualmente por el personal de servicio. Cuando

el suministro es de una subestación, se deben tener dos transformadores o un transformador

de reserva, para varias subestaciones que alimentan consumidores de segunda categoría,

de manera que la sustitución del transformador averiado pueda efectuarse en un plazo de

pocas horas. Durante este tiempo pueden ser introducidas limitaciones de alimentación,

teniendo en cuenta las posibilidades de sobrecarga de los transformadores que permanecen

en servicio.

4.4 EVALUACIÓN ECONÓMICA DE PROYECTOS PARA LA COMPRA DE TRANSFORMADORES DE ALTA EFICIENCIA.

En nuestros días, en el ambiente industrial y de servicios, donde se sigue incrementando la

utilización de los equipos eléctricos y los costos de la energía mantienen su incremento, las

pérdidas en los transformadores toman un mayor significado. Esas pérdidas, aunque

relativamente pequeñas en comparación con las de otros equipos eléctricos rotatorios de

capacidad semejante, contribuyen al costo de la energía y no pueden despreciarse. Esto ha

resultado en un gran interés por el uso de transformadores de alta eficiencia, al igual que ha

sucedido con otros equipos de eficiencia mejorada. Hasta las pérdidas más pequeñas son

reducidas a través de grandes esfuerzos investigativos realizados para mejorar el diseño y

los materiales utilizados. Esto, desde luego, incrementa el costo del transformador.

Estos costos adicionales iniciales, pueden ser recuperados con el ahorro de energía en el

futuro. Los costos adicionales son considerados como una inversión inicial.

Para la evaluación económica de las alternativas, se pueden emplear las técnicas de

descuento ya analizadas, incluyendo cálculos del valor presente del costo de las pérdidas

(consideradas como gastos), empleando el método del Costo del Ciclo de Vida (CCV). Es

posible también emplear Tasa Interna de retorno (TIR). Esta TIR puede ser comparada con

153

un mínimo permisible, usado para evaluar inversiones alternativas en las empresas o ramas

de los sectores de producción y servicio.

Evaluación económica de alternativas.

Una comparación adecuada de alternativas de transformadores empleando los principios del

Costo del Ciclo de Vida, se lleva a cabo contabilizando y descontando todos los costos

asociados con la compra y operación del transformador.

Generalmente pueden preverse dos costos de operación: costo de la demanda contratada

(Cd) y costo de la energía (Ce).

La evaluación del efecto económico debe ser hecha en el momento de comprarlo,

considerando el año cero como año base y actualizando los costos anuales.

El incremento esperado de la demanda y la energía pueden tenerse en cuenta calculándolos

como un porcentaje de los del año base en el futuro. Diferentes porcentajes de incrementos

de los costos de la demanda (PID) y la energía (PIE) pueden esperarse si se tiene en cuenta

la posible ampliación o remodelación dentro de la industria producto del desarrollo. Los

factores de incremento del costo en cualquier año se calculan como:

Factor de incremento de la demanda:

Factor de incremento de la energía:

donde i es el año en curso.

Los cargos por demanda y energía para cualquier año i serán:

($)

($)

154

Para actualizar los costos al año base se utiliza el factor de descuento:

donde D es la tasa de descuento.

Teniendo en cuenta lo anterior y conociendo las pérdidas en vacío (Po) y las pérdidas de

cobre a plena carga (PCUN) se pueden calcular los diferentes costos que intervienen durante

la explotación del transformador:

El costo de la demanda contratada se da en pesos por kiloWatt por mes; y para los

propósitos de evaluación económica, estos costos deben ser anuales, por lo que:

Cd = Cargo por demanda ($/kW/mes) x 12 meses ($)

Costo de la demanda actualizado, asociado a las pérdidas en vacío, para cada año de

explotación.

($)

Costo de la energía actualizado, asociado a las pérdidas en vacío, para cada año de

explotación.

($)

siendo To el tiempo que el transformador está energizado al año, en h.

Costo de la demanda actualizado, asociado a las pérdidas de cobre, para cada año de

explotación.

155

($)

donde , es el factor de carga del transformador en el horario de la máxima

demanda del sistema.

Costo de la energía actualizado, asociado a las pérdidas de cobre, para cada año de

explotación.

($)

siendo , el factor de carga para el gráfico de carga escalonada; j el escalón que se

evalúa; y Twj el tiempo de duración del escalón j-ésimo al año, en h.

El costo total durante el tiempo de operación analizado estará dado por:

($)

donde I es la inversión inicial (precio del transformador) y n los años que se evalúan.

Los siguientes ejemplos ayudarán a comprender mejor la metodología de evaluación

económica.

Ejemplo1

Un sistema de suministro eléctrico requiere un transformador de 5000 kVA. El mismo es

operado 8400 h al año, con una carga cíclica según el diagrama que aparece a continuación.

156

La tarifa aplicada es la A1, según la cual la máxima demanda se contrata en el horario pico.

En este horario, el sistema tiene la demanda pico cuando el transformador tiene una carga

de 3000 kVA.

Los costos correspondientes a la demanda máxima y la energía, así como los incrementos

esperados, son los siguientes:

Demanda máxima: 3 $/kW/mes, con un 5% de incremento esperado.

Energía: 0,04 $/kWh (valor promedio del costo de la energía), con un 10% de incremento

esperado.

El período de evaluación es de 10 años y la tasa de descuento es del 15%.

Se desea determinar la mejor de las dos alternativas siguientes:

Transformador estándar Transformador de alta eficiencia

Costo inicial $ 46 916 $ 52 261Pérdidas en vacío 8.1 kW 8.0 kWPérdidas de cobre a plena carga

34.4 kW 21.0 kW

Solución:

Para la evaluación económica de alternativas, se desarrolló una hoja de Excel. Se obtienen los resultados siguientes:

RESULTADOS COMPARATIVOS DE LAS ALTERNATIVAS

157

Transformador Transformador deestándar alta eficiencia

Potencia nominal, en kVA: 5000 5000Precio, en $: 46916 52261Perdidas en vacío, en kW: 8.1 8.0Perdidas de cobre a plena carga, en kW: 34.4 21.0Costos actualizados en el periodo que se evalua, en $: 350810.74 253895.21COSTO TOTAL DE OPERACION (Inversion +Costos de operacion), en $: 397726.74 306156.21

Como puede apreciarse, la compra de un transformador de alta eficiencia, en las condiciones

existentes en este caso, resulta más económica, aunque requiere un desembolso inicial

mayor.

Ejemplo 2:

Determine, entre las alternativas propuestas, cuál transformador es más económico para

alimentar una carga constante de 750 kVA. Se tiene como opciones las siguientes variantes:

Transformador 1

Potencia nominal: 750 kVA

Pérdidas en vacío: 1.8 kW

Pérdidas de cobre a plena carga: 10.8 kW

Costo capital: $ 8015.00

Transformador 2

Potencia nominal: 1000 kVA

Pérdidas en vacío: 2.137 kW

Pérdidas de cobre a plena carga: 13.25 kW

Costo capital: $ 9576.00

Datos generales

158

Tasa de descuento: 10 %

Tiempo de vida útil del transformador: 15 años

Tiempo anual en que el transformador está energizado: 8760 h

Tiempo anual en que el transformador lleva carga constante: 8030 h

Precio promedio de la energía: 0.04 $/kWh

Cargo por demanda: 3 $/kW/mes

No se esperan incrementos futuros de la carga.

Solución:

Se utiliza la metodología anterior, implementada en una hoja de cálculo Excel y se obtienen

los siguientes resultados:

RESULTADOS COMPARATIVOS DE LAS ALTERNATIVAS

Transformador 1 Transformador 2

Potencia nominal, en kVA: 750 1000Precio, en $: 8015 9576Perdidas en vacío, en kW: 1.8 2.137Perdidas de cobre a plena carga, en kW: 10.8 13.25Costos actualizados en el periodo que se evalua, en $: 38095.87 29182.95COSTO TOTAL DE OPERACION (Inversion +Costos de operacion), en $: 46110.87 38758.95

Con este ejemplo, se ha analizado el efecto de trabajar un transformador sobredimensionado

(con cargas reducidas), en las condiciones señaladas. Con la relación de pérdidas que tienen

estos transformadores (aproximadamente iguales a 6), resulta más económico seleccionar

un transformador que trabaje al 75 % de su potencia nominal, en lugar del que trabajaría al

100 % de carga.

4.5. TRANSFORMADORES PARA CARGAS NO LINEALES

159

Muchas de las cargas que se encuentran en la actualidad responden a los avances de la

electrónica de potencia y a la informática, digitalización de señales, etc., e introducen en el

sistema un grupo de armónicos superiores de corriente. Estos armónicos poseen una

frecuencia varias veces superior a la frecuencia de operación normal del sistema e

incrementan las pérdidas de energía y el calentamiento de los transformadores. Para

trabajar en este ambiente, se diseñan transformadores especiales con el llamado factor k,

con conductores de mayor calibre, transpuestos con secundarios conectados en paralelo,

núcleos magnéticos con baja densidad de flujo, aislamiento de 220 oC con restricción de

incremento de temperatura de 80 a 115 oC y otras propiedades, que para alimentar estas

cargas los hacen más eficientes y de mayor durabilidad que los tradicionales.

El factor k es un factor opcionalmente aplicado a un transformador seco, que indica su

aptitud para el uso con cargas que demanden corrientes no sinusoidales. Su expresión es la

siguiente:

donde: IN es la corriente nominal rms del transformador; y h es el orden del armónico

Para calcular el factor k de un sistema de distribución existente, se instala un analizador de

redes con el que se determinan las corrientes armónicas en el tiempo. Con estos datos se

deben consultar los catálogos de los fabricantes de este tipo de transformador. Los factores k

estándar existentes son: 4; 9;13; 20; 30; 40 y 50 y se especifican como: k-4, k-9, etc.

Expansión del factor k

La expansión del factor k es necesaria cuando se calcula la capacidad y el tipo de

transformador necesario para alimentar múltiples cargas generadoras de armónicos. El

método se basa en determinar el factor k del conjunto como una suma ponderada al calcular

cada carga de forma independiente.

160

Con este objetivo, se desarrolla un índice que relaciona el factor k con las corrientes

armónicas equivalentes referidas al séptimo armónico. Un ejemplo permite clarificar este

procedimiento:

La corriente armónica equivalente se calcula según:

Ejemplo:

Se requiere alimentar una carga de 30 kVA de una computadora mainframe con k-30; 50

KVA de alumbrado fluorescente con k-4; y 70 kVA de equipos electrónicos con k-13.

Seleccione el transformador.

Se determina el factor k de cada carga, que en este caso es un dato conocido

Se calcula la corriente armónica equivalente para cada una de las cargas:

Se calcula la suma ponderada:

Se calcula la corriente armónica combinada del sistema:

161

Este resultado se interpreta como que el 60.26% de la corriente fundamental indicada por el

séptimo armónico produce la misma cantidad de calor que la combinación de las cargas no

lineales descritas en el ejemplo. Este resultado, en unidades relativas, se inserta en la

ecuación del factor k; para determinar este factor en la carga no lineal combinada:

Finalmente, se especifica el factor k inmediato superior al estándar establecido. En

este caso K-20

El transformador solicitado será 150 kVA; k-20.

4.6. SUBESTACIONES CON VARIOS TRANSFORMADORES

La operación económica de las subestaciones con varios transformadores se obtiene cuando

el número de ellos conectados en cada momento produce el mínimo de pérdidas, para un

gráfico de carga determinado. Para esto, deben considerarse no solamente las pérdidas de

potencia activa en los propios transformadores, sino también las pérdidas de potencia activa

que aparecen en el sistema (desde la fuente de suministro hasta la subestación

considerada), debido a los requerimientos de potencia reactiva de los transformadores.

A modo de introducción a este problema, se omite el análisis de las pérdidas por la

circulación de reactivo en el sistema. Ello se sustenta en que la corriente reactiva

demandada para la excitación de dos transformadores es superior a la demandada

individualmente por uno de ellos y, lógicamente, las pérdidas por circulación de reactivo

serán mayores a medida que se incrementa el número de transformadores en el sistema.

Las pérdidas totales de un transformador responden a la ecuación de una parábola (ver

acápite 4.2) dada por:

162

En la Figura 4.3 se muestran las curvas de las parábolas en función de la carga SC (kVA) de

dos transformadores 1 y 2, trabajando independientemente (curvas 1 y 2) y en paralelo

(curva 1+2). Los puntos de intersección A y B, pertenecen simultáneamente a dos parábolas.

Figura 4.3. Pérdidas de dos transformadores en función de la carga

Cuando operan dos transformadores en paralelo, las pérdidas sin carga del conjunto serán

igual a la suma de la de ambos, mientras que las de cobre variarán de acuerdo con el

cuadrado de la carga. En este último caso, la resistencia equivalente de los dos

transformadores en paralelo (si se desprecia la posible diferencia entre los ángulos de

impedancia de los transformadores, o sea, si se considera que la relación Req/Xeq de cada

uno de ellos es igual) es:

()

donde Req1, Req2 y Req12 son las resistencias equivalentes de los transformadores 1, 2 y de 1 y

2 trabajando en paralelo, respectivamente ().

Por esta razón, Req12 es menor que la de cada uno de los transformadores (Req1 ó Req2); y por

ello, las pérdidas de cobre son menores en la operación en paralelo.

163

A partir del análisis anterior, se explica que las parábolas correspondientes a los

transformadores en paralelo tengan una pendiente menos pronunciada, a la vez que el

intercepto con el eje de las coordenadas ocurra en un punto más alto, en comparación con

las de las parábolas de los transformadores independientes.

De la Figura 4.3 resulta evidente que si la carga total es menor que SA, las pérdidas mínimas

se logran operando sólo con el transformador 1. Para estados de carga comprendidos entre

SA y SB, las pérdidas mínimas se consiguen operando solamente con el transformador 2.

Para cargas superiores a SB, la mejor condición de operación resulta con ambos

transformadores en paralelo.

Las condiciones anteriores de operación están restringidas por la capacidad de los

transformadores, o sea, el transformador 1 puede operar en forma de mínimas pérdidas

hasta un valor de carga S, si dicho valor no sobrepasa el valor potencia aparente nominal SN.

El mismo análisis es válido para el transformador 2.

El modo de trabajo para obtener la operación más económica posee el inconveniente de la

manipulación de los interruptores de los transformadores. Este aspecto es un límite a esta

práctica y debe ser cuidadosamente analizado, ya que estos interruptores son costosos y

requieren cuidados de mantenimiento cada cierto número de operaciones. Sólo en el caso de

un efecto técnico-económico favorable, puede realizarse exitosamente la operación.

Este tipo de operación se realiza típicamente en industrias cíclicas con dos niveles de carga

anuales; uno en producción y otro en período inactivo.

El análisis económico se lleva a cabo también en este caso con procedimientos análogos a

los vistos anteriormente, utilizando métodos de descuento.

4.7. ESTUDIO DE CASO

Se desea cuantificar el ahorro energético que se logró, por concepto de disminución de

pérdidas, al sacar de servicio uno de los dos transformadores de la subestación principal del

164

Ingenio Azucarero “Ciudad Caracas” en la provincia de Cienfuegos, durante la etapa de

reparaciones en los meses de junio a noviembre de 1999.

De las facturas de electricidad se conocía el consumo de energía y el factor de potencia

promedio de cada mes.

Los datos de cada transformador se dan a continuación:

T1: 1600 kVA; 33/6.3 kV; P0 = 3.174 kW; PCUN = 16.587 kW; %Ucc = 6.5

T2: 2500 KVA; 33/6.3 kV; P0 = 5.175 kW; PCUN = 23.100 kW; %Ucc = 6.5

(donde %Ucc es la tensión de cortocircuito del transformador, en %)

Durante el período de reparaciones, la demanda no supera la capacidad de 1600 kVA del

transformador más pequeño.

Los datos de consumo mensual son los siguientes:

Fecha Consumo de energía

activa según factura(kWh)

Junio/99 56472

Julio/99 63854

Agosto/99 49436

Septiembre/

99

49235

Octubre/99 38625

Noviembre/99 96115

Las mediciones se realizan por el lado de baja.

El factor de potencia promedio durante el período evaluado fue de aproximadamente 0.9,

valor que se tomó para los cálculos.

165

Solución:

1. Primeramente, a partir de los datos de la factura, se calcula para cada mes la carga media

de la subestación en kVA, según:

donde:

kWh: consumo de energía activa según factura del mes; Tt : tiempo de trabajo mensual (un

turno 200 h/mes, dos turnos 400 h/mes, tres turnos 720 h/mes); cos : factor de potencia.

2. Se calcula la distribución de potencia aparente entre los dos transformadores, en función

de sus impedancias y de sus potencias nominales, con la expresión:

donde: kVAj : carga del transformador j-ésimo; KVAnomj : potencia nominal del transformador

j-ésimo; %Uccj : % de tensión de cortocircuito del transformador j-ésimo.

3. A partir de la distribución de carga entre los transformadores, se calcula el coeficiente de

carga de cada uno de ellos como:

4. Se calculan las pérdidas que tienen lugar en cada transformador y la suma de ellas

constituyen las pérdidas de transformación totales. Si se quiere expresar en términos de

energía, hay que tener presente el tiempo, o sea:

166

donde:

Tt : tiempo de trabajo según los turnos, como se vio en el paso 1; To : tiempo en que está

energizado el transformador (720 h/mes).

5. Se aplica el procedimiento anterior (pasos 3 y 4) cuando sólo está conectado el

transformador de 1600 KVA.

6. Se calcula la diferencia de las pérdidas totales anuales de ambas variantes, lo que

representa el ahorro energético anual por la desconexión del transformador de 2500 kVA.

Los resultados obtenidos en este caso se muestran a continuación. Se comparan las

pérdidas con los dos transformadores y con el transformador de 2500 kVA desconectado,

teniendo en cuenta que el tiempo de trabajo durante las reparaciones se corresponde con un

solo turno de trabajo:

FechaConsumo mensual

(kWh)

Pérdidas calculadascon los dos

transformadores (kWh)

Pérdidas calculadas

con el transformador de 1600 kVA

(kWh)

Ahorro de energía en (kWh)

Junio/99 56472 6057.72 2412.72 3645.00

Julio/99 63854 6070.66 2447.30 3623.36

Agosto/99 49436 6046.79 2382.28 3664.51

Septiembre/99 49235 6046.59 2381.15 3665.44

Octubre/99 38625 6032.98 2344.84 3688.14

Noviembre/99 96115 6145.82 2653.14 3492.68

Total anual (kWh/año) 36400.56 14621.43 21779.13

Se puede apreciar que en esta empresa, con la puesta fuera de servicio del transformador de

2500 kVA durante el período de reparaciones, se obtiene un ahorro energético de unos 21.8

167

MWh/año. Como las pérdidas de transformación se adicionan a la factura, el ahorro

monetario también es de consideración.

168

CAPÍTULO 5

MEJORA DE LA EFECTIVIDAD Y EFICIENCIADE LOS SISTEMAS DE ILUMINACIÓN

5.1. INTRODUCCIÓN

La energía eléctrica que se utiliza en iluminación alcanza generalmente un porcentaje no

despreciable del total que se consume en las instalaciones. En los edificios comerciales, se

estima que como promedio puede llegar hasta un 40 %. En la industria y en otros servicios,

suele ser menor (en dependencia del tipo de proceso), pero usualmente es siempre un

componente del consumo a considerar.

Si se instalan sistemas de iluminación eficientes, el uso de la energía y los costos se

reducen. Estos nuevos sistemas también producen una mayor calidad de la iluminación, lo

que mejora el medio laboral. La productividad del trabajo frecuentemente también aumenta,

debido a la mejora en la visibilidad.

Los encargados de evaluar y mejorar los sistemas de iluminación, tienen que estar

familiarizados con los conceptos fundamentales, nuevas tecnologías y equipos, así como con

los métodos cálculo y de mejoramiento de estos sistemas.

5.2. TERMINOLOGÍA DE ILUMINACIÓN

Brillantez o Luminancia. Es la relación entre la intensidad luminosa de un objeto en cierta

dirección, y la superficie, vista por un observador situado en la misma dirección.

Lámpara. Es el aparato mediante el cual se transforma la energía eléctrica en energía

luminosa.

169

Balastro. Es el equipo electromagnético o electrónico empleado para operar las lámparas de

descarga eléctrica; proporciona a la lámpara sus condiciones de operación correcta.

Luminaria. Es el gabinete contenedor de lámparas y en algunos casos también de balastros;

se utiliza para dirigir y controlar el flujo luminoso de una o más lámparas.

Flujo Luminoso. Es la cantidad de luz emitida por una fuente luminosa en cierto ángulo

sólido; su unidad de medida es el lumen. Un lumen es igual a un flujo emitido por una esfera

unitaria de cuya intensidad luminosa es de una candela.

Candela. Se define como la intensidad luminosa, en una dirección dada, de una fuente

luminosa que emite radiación monocromática de una longitud de onda de 555 nanómetros y

de la cual la intensidad radiante en esa dirección es de 1/683 W en un ángulo sólido de un

estereorradián.

Footcandela. Es la iluminación sobre una superficie de un pie cuadrado en área teniendo un

flujo distribuido uniformemente de un lumen.

Nivel de Iluminación o Iluminancia. Se define como la densidad de flujo luminoso que incide

sobre una superficie; su unidad de medida es el lux. Un lux es igual a un lumen por metro

cuadrado. El nivel de iluminación se recomienda en un cierto valor mínimo de luxes de

acuerdo a la tarea a desarrollar y el tipo de lugar de trabajo.

Reflector. Dispositivo empleado para aprovechar la reflexión de la luz. La reflexión de la luz

es especular cuando los rayos luminosos reflejados se orientan en direcciones preferentes

de acuerdo a las características geométricas en la que se produce la reflexión. La reflexión

de la luz es difusa cuando se da en todas direcciones.

Refractor. Dispositivo empleado para controlar los cambios de dirección de un haz luminoso

cuando pasa de un cierto medio a otro de diferente densidad. El mejor control se logra

empleando lentes ópticas.

170

Curva de distribución. Es la representación gráfica del comportamiento de la potencia

luminosa emitida por una luminaria; se representa en coordenadas polares y sus valores

están dados en candelas.

Curva Isolux. Son curvas que representan iguales niveles de iluminación sobre un plano de

trabajo.

Eficacia de una Lámpara. Es el flujo luminoso emitido por una lámpara entre la potencia

eléctrica (W) que requiere para operar; se expresa como lumen/W.

Eficacia de una Luminaria. Es el flujo luminoso emitido por el conjunto de lámparas que aloja

una luminaria, entre la potencia eléctrica (W) que requiere para operar, incluidos los

balastros; se expresa como lumen/W.

Temperatura de Color. Es una medida del color de la luz emitida por un cuerpo negro a una

temperatura en particular; es expresada en grados Kelvin (K). Las lámparas incandescentes

tienen una baja temperatura de color (2800 K) denotada por un tono rojo-amarillo; las

lámparas luz de día poseen alta temperatura de color (aproximadamente 6000 K) y aparecen

como azulados. En la actualidad, el fósforo usado en lámparas fluorescentes puede

graduarse para proveer cualquier temperatura de color deseada en el rango de 2800 a 6000

K.

Índice de Rendimiento de Color (CRI). Es una medida que describe la calidad de la

reproducción de colores de la luz de una lámpara. Debe ser considerada en toda aplicación

de iluminación; se mide en una escala del 0 al 100, o en porcentaje. La luz del sol y la luz

incandescente tienen un CRI de 100. Es importante saber que los objetos y personas

iluminados bajo una luz con alto CRI se ven más naturales, además de que el nivel de

iluminación se percibe como si fuera mayor.

En aplicaciones comerciales, las lámparas con alto índice de rendimiento de color hacen que

la mercancía sea más atractiva al cliente, la comida sea más apetitosa en los restaurantes y

la gente en general luzca mejor, saludable y más natural. En las oficinas se incrementa la

171

productividad del trabajador, se reduce el ausentismo y se disminuye el riesgo de cometer

errores.

Coeficiente de Utilización. Es la relación entre el flujo luminoso saliente de una luminaria,

incidente sobre un plano de trabajo, y el flujo luminoso emitido por el conjunto de lámparas

sin considerar la luminaria. En cierta forma, es una medida de la eficiencia de una luminaria.

Las luminarias con mayores coeficientes de utilización aprovechan en mejor forma el flujo

luminoso de las lámparas.

El coeficiente de utilización de la luminaria es dependiente, tanto de la geometría de la

luminaria, como de las características físicas del local a iluminar. Estas características son:

longitudes y colores internos. El coeficiente de utilización toma en cuenta la iluminación que

es absorbida y reflejada por las paredes, colores, y la textura misma. Estos valores se

pueden encontrar en los catálogos de los fabricantes de luminarias.

5.3. LÁMPARAS

Las fuentes luminosas o lámparas son aquellos objetos artificiales capaces de emitir

radiaciones electromagnéticas con longitudes de onda visibles para el ojo humano. Las

fuentes luminosas artificiales de mayor importancia en nuestra época son las lámparas.

Estas las podemos clasificar en la siguiente manera:

En la Figura 5.1 se dan curvas de eficacia de las lámparas en función de su tipo y potencia.

172

5.3.1. Lámparas Incandescentes

A través de un filamento metálico de cierta resistencia eléctrica (frecuentemente tungsteno,

alojado al vacío dentro de una ampolleta de vidrio en la atmósfera de un gas inerte), se hace

pasar corriente eléctrica, lo que produce que el filamento llegue a un punto de

incandescencia, emitiendo así radiaciones luminosas y caloríficas. Las radiaciones

electromagnéticas emitidas por una lámpara incandescente son en promedió 90% infrarrojas

y 10% visibles. Esto las convierte en buenas fuentes de calor. La construcción de un foco

incandescente es relativamente sencilla, su funcionamiento también es simple y sin

necesidad de aditamentos como los balastros.

En la Tabla 5.1 se muestran datos fundamentales de estas lámparas.

5.3.2. Lámparas Fluorescentes

La luz se produce debido al fenómeno de fluorescencia por medio de una descarga eléctrica

dentro de un tubo cuya longitud es mucho mayor que su diámetro, en una atmósfera de

vapor de mercurio a baja presión. La radiación de mercurio en estas condiciones no es

visible, por lo que se utilizan polvos fluorescentes, los cuales tienen la propiedad de cambiar

la longitud de onda ultravioleta del arco a longitudes de onda dentro del espectro visible.

173

Figura 5.1. Eficacia de las lámparas en función del tipo y de la potencia.

Tabla 5.1 Datos de Lámparas Incandescentes

POTENCIA FLUJOLUMINOSO EFICACIA VIDA DEPRECIACION

LUMINOSAWatt lumenes lum/W horas10 78 7.8 1,000 90.0%15 120 8.0 1,000 90.0%25 250 10.0 1,000 90.0%40 415 10.4 1,000 87.5%50 440 8.8 1,000 90.0%60 675 11.3 1,000 93.0%75 1,090 14.5 1,000 92.0%100 1,410 14.1 1,000 90.5%150 2,200 14.7 1,000 89.5%200 3,250 16.3 1,000 90.0%300 5,290 17.6 1,000 89.0%500 10,100 20.2 1,000 89.0%

1,000 19,500 19.5 1,000 82.0%

La cromacidad de la luz producida es una consecuencia de las características especiales de

los polvos fluorescentes. Una lámpara luz de día hace resaltar los colores azules,

disminuyendo los rojos; una lámpara blanco cálido, por el contrario, reproduce en mejor

forma los colores rojos, mientras que los azules los desplaza hacia el gris; la lámpara blanco

174

frío es de una aplicación intermedia, reproduciendo mucho mejor los colores naranja, verde y

amarillo, opacando un poco lo rojos y azules.

La lámpara fluorescente posee la ventaja de no producir la luz desde un mismo punto focal,

sino de hacerlo en forma suave y difusa por toda su extensión, sin producir resplandores ni

sombras acentuadas. Por ello, su luz aparece fresca y más eficiente, reduciendo el esfuerzo

visual. La limitación de uso de lámparas fluorescentes se encuentra sobre todo en su altura

de montaje, ya que para alturas superiores a los 3 metros, su aprovechamiento es reducido

drásticamente.

Las lámparas fluorescentes requieren de un balastro para operar. Generalmente los

balastros se diseñan para operar a la vez un par de lámparas. Recientemente se han

diseñado balastros para operar tres o cuatro lámparas. De acuerdo a su tecnología de

arranque, las lámparas fluorescentes se dividen en tres grupos:

Arranque instantáneo.

Arranque rápido.

Arranque por precalentamiento.

Arranque instantáneo. Estas también reciben el nombre "Slim Line". A la vista se identifican

por su casquillo de un solo contacto o pin en cada extremo. Estas lámparas no requieren

calentamiento previo ni arrancador, pero requieren de una elevada tensión de arranque. El

balastro enciende las lámparas en serie, una después de la otra. Una vez encendidas las dos

lámparas, una parte del balastro deja de operar. En caso de que alguna de las lámparas se

funda la otra puede seguir operando; no obstante, el balastro sigue funcionando y puede

recibir daños de gravedad.

Arranque rápido. Las lámparas encienden en forma suave y con un ligero retardo de hasta

dos segundos. El balastro suministra una tensión de arranque menor que en caso de la Slim

Line. No obstante, el balastro hace que los cátodos de las lámparas estén permanentemente

calientes. La identificación simple de estas lámparas de realiza observando sus dos

contactos o pines en cada uno de los casquillos de sus extremos.

175

Arranque por precalentamiento. Estas lámparas requieren además del balastro de un

arrancador. Las lámparas, para poder operar, deben pasar primero por una corriente mayor

que la de su operación normal, con la que se calientan sus cátodos. Estas lámparas se

encuentran ya casi fuera del mercado. También presentan dos contactos o pines en cada

extremo.

Balastros

Los balastros consumen energía durante la operación (pérdidas en el balastro), lo cual hace

decrecer la eficiencia total del sistema de iluminación. La eficiencia de los balastros

magnéticos ha sido mejorada empleando materiales magnéticos y devanados de cobre de

bajas pérdidas, lo que resulta en pérdidas internas más reducidas. En los Estados Unidos,

una norma federal regula la eficiencia de los balastros. Esta norma prohíbe la fabricación de

balastros que no satisfagan los mínimos establecidos.

Con las unidades electromagnéticas tradicionales, la función de los balastros se ha realizado

en forma confiable. Sin embargo, los balastros electrónicos más modernos operan las

lámparas a una frecuencia más elevada, eliminando el parpadeo e incrementando la

eficiencia energética. En la industria norteamericana casi todos los balastros utilizados en las

nuevas construcciones, son electrónicos. El Departamento de Energía de los Estados Unidos

plantea que todos los balastros para lámparas fluorescentes (tanto para uso industrial como

comercial), fabricados lo mismo para mercados nuevos como de renovación, deberán ser

electrónicos.

Cuando se operan las lámparas fluorescentes con balastros electrónicos a alta frecuencia, la

conversión de la potencia de entrada en luz de salida es más eficiente. El rendimiento

luminoso de la combinación lámpara-balastro electrónico se incrementa, lo que significa que

el sistema, o bien produce más luz para la misma potencia o produce la misma luz con

menos potencia. La potencia total de entrada puede realmente ser menor que la potencia

nominal de lámpara a 60 Hz. Por ejemplo, cuando una lámpara T8 de 32 W es operada a alta

frecuencia, requiere solamente de unos 28 W.

176

La potencia real es afectada por el factor de balastro, que varía de un 60 % a un 130 %. Este

factor da información sobre la luz de salida en un sistema de iluminación. El factor de

balastro es la relación entre los lúmenes de salida de la lámpara con un balastro comercial

con respecto a los lúmenes de salida con un balastro de referencia. El factor de balastro

afecta la intensidad luminosa nominal de salida de la lámpara cuando opera con balastros

comerciales.

Algunos nuevos diseños de balastros sensan parámetros de iluminación y tipos de lámpara,

y configuran sus características operacionales para proporcionar los requerimientos de

arranque y de operación requeridos. En la mayor parte de los diseños, están disponibles

balastros de bajo pico de inrush.

La promesa de un balastro universal hasta ahora no se ha cumplido, pero una nueva

generación de diseños puede reducir el número de modelos que tienen que ser almacenados

y evitará muchas de las actuales confusiones sobre qué balastro corresponde a cada

luminaria. También, nuevos diseños proporcionan una capacidad universal de tensión y

permiten cualquier alimentación desde 100 hasta 300 V. Otros tienen una alta tolerancia a las

fallas y apagan las lámparas cuando sensan un cable desconectado o el final de la vida útil.

Lámparas T- 8

Los sistemas denominados T8, lámparas de una (8/8) pulgada (25 mm) de diámetro, son

lámparas fluorescentes que poseen características más avanzadas en calidad y eficiencia.

Con un CRI de 85 y un flujo luminoso por arriba de los 104 lúmenes por Watt, operando con

balastro electrónico, las lámparas T8 son la mejor opción para diseños de iluminación de

oficinas, bibliotecas, tiendas, hospitales y otras múltiples aplicaciones en donde sea

importante ahorrar energía y tener una iluminación de alta calidad. Estos productos cuentan

con una gran variedad de temperaturas de color para crear ambientes y efectos diferentes.

Por otra parte, es posible obtenerlas de diferentes longitudes: 61, 91, 122, y 152 cm.

Además, las lámparas T8 incorporan un polvo fluorescente basado en fósforos activados con

tierras raras, que proporcionan un mayor flujo luminoso, de excelente rendimiento de color, y

177

con la posibilidad de elegir entre tres distintas temperaturas de color: 3000 K, 3500 K y 4100

K.

Lámparas fluorescentes compactas

Son lámparas pequeñas que funcionan bajo el principio de generación de luz fluorescente.

Requieren de equipo adicional como un balastro o adaptador para poder ser instaladas. Las

lámparas fluorescentes compactas son una opción eficiente para sustituir un foco

incandescente; ahorran hasta un 75% de energía eléctrica por cada lámpara. Existen

lámparas compactas que cuentan con alto índice de rendimiento de color (un CRI de 82).

Además, tienen un tiempo de vida 10 veces mayor que una incandescente. Su aplicación es

ideal para pasillos, corredores, anuncios de emergencia, luz exterior, y están disponibles en

una gran variedad de longitudes, potencias y temperaturas de color.

En las tablas 5.2 y 5.3 se relacionan datos de las lámpara fluorescentes convencionales y de

fluorescentes compactas.

Tabla 5.2. Datos de lámparas fluorescentes

Tabla 5.3. Datos de Lamparas Fluorescentes Compactas y Largas

178

POTENCIA FLUJOLUMINOSO EFICACIA VIDA TIPO OBSERVACIONES

Watt lumenes lum/W horas7 400 57.1 10,000 PL-S9 600 66.7 10,000 PL-S11 600 54.5 10,000 Fluorescentes ER-L PL-S13 900 69.2 10,000 PL-S13 860 66.2 10,000 PL-C17 950 55.9 10,000 Compactas ER-L SL18 1,200 66.7 12,000 PL-L18 1,100 61.1 10,000 ER-L SL17 1,400 82.4 20,000 ART825 2,250 90.0 20,000 ART832 3,050 95.3 20,000 Fluorescentes ART834 2,750 80.9 20,000 AR Blanco Cálido T1234 2,650 77.9 20,000 largas AR Blanco Frío T1234 2,350 69.1 20,000 AR Luz de Día T1260 5,600 93.3 12,000 AI Blanco Cálido T1260 5,400 90.0 12,000 AI Blanco Frío T12

5.3.3. Lámparas de Alta Intensidad de Descarga (HID)

Lámparas de Vapor de Mercurio

Estas lámparas pertenecen a la familia identificada como Lámparas de Alta Intensidad de

Descarga (HID). La luz se produce al paso de una corriente eléctrica a través de gas de

mercurio, gasificado de baja presión. Las lámparas de alta intensidad de descarga llevan un

tubo de descarga gaseosa que va alojado en el interior de un bulbo protector. Este tubo de

descarga opera a presiones y densidades de corriente de magnitud lo suficientemente alta

para producir la radiación visible, cuando en sus electrodos se aplica una tensión que da

lugar a un arco eléctrico que posteriormente ioniza el gas. Esto vaporiza el mercurio,

calentándose rápidamente la lámpara, hasta alcanzar una condición estable.

La cantidad de mercurio puro que contiene una lámpara se gradúa con exactitud; también se

incluye gas argón para facilitar la descarga eléctrica. Las lámparas producen una luz verde

azulada blanquecina debido a la ausencia de radiaciones rojas que provoca la combinación

mercurio-argón.

179

En la Tabla 5.4 se muestran los datos de este tipo de lámpara.

Lámparas de Vapor de Sodio en Alta Presión (VSAP)

Estas lámparas funcionan bajo el mismo principio que las de vapor de mercurio, pero varían

en sus componentes y geometría. Sus componentes son sodio, mercurio y un gas noble que

puede ser argón o xenón; el principal productor de la luz es el sodio que, a diferencia de las

lámparas de mercurio, se encuentra a alta presión. El mercurio en este caso es un corrector

de color y controlador de tensión; el xenón es empleado para iniciar la descarga eléctrica.

Poseen una alta eficacia luminosa, pero con bajo rendimiento del color. Requieren de un

periodo de calentamiento de 3 a 4 minutos para lograr su completa brillantez; si existe una

interrupción momentánea, el tiempo de reencendido es casi de un minuto. La función de

arranque se efectúa por la intervención de un circuito electrónico llamado ignitor, que trabaja

en conjunto con los componentes magnéticos del balastro. Estas lámparas producen una luz

dorada blanquecina provocada por el predominio del sodio y la corrección de color del

mercurio.

Tabla 5.4. Datos de las Lámparas de Mercurio


Watt lumenes lum/W horas LUMINOSA100 4,200 42.0 24,000 82.0%175 8,600 49.1 24,000 89.0%250 12,100 48.4 24,000 84.0%400 22,500 56.3 24,000 86.0%

1,000 63,000 63.0 24,000 77.0%

Lámparas de Vapor de Sodio en Baja Presión (VSBP)

El principio de operación es el mismo que el de las demás lámparas de descarga, pero el gas

de sodio se encuentra a baja presión y su geometría es de mayores dimensiones, llegando a

presentar una longitud mayor a un metro. Este tipo de fuente luminosa es el de mayor

180

eficacia luminosa, pero también la de menor rendimiento de color: tan solo 20%. Por ello, su

brillantez es totalmente monocromática en diferentes tonos de amarillo.

Para iluminación de seguridad, las lámparas de sodio de baja presión ofrecen la mayor

eficacia luminosa. Debido a que en el espectro de frecuencias que emite esta lámpara está

presente únicamente el color amarillo, se puede aplicar a lugares con mucha niebla y lugares

con contaminación, ya que el ojo es más sensible a este color y facilita su visión.

En las tablas 5.5 y 5.6 pueden observarse los datos de las lámparas de vapor de sodio de

alta y de baja presión, respectivamente.

Lámpara de Aditivos y Halogenuros Metálicos

Es otra lámpara de alta intensidad de descarga que se caracteriza por su luz blanca y ser la

de mejor rendimiento de color con alta eficacia luminosa. Cuando se requiere de iluminación

de gran calidad en la reproducción de colores y en locales con altura superior a los tres

metros de altura, esta fuente luminosa es la opción adecuada. Ahora bien, en locales donde

la reproducción de colores no es necesidad imperiosa, el uso de estas lámparas resulta un

lujo.

Tabla 5.5. Datos de Lámparas de VSAP


LUMINOSAWatt lumenes lum/W horas35 2,250 64.3 24,000 90.0%50 4,000 80.0 24,000 90.0%70 6,300 90.0 24,000 90.0%100 9,500 95.0 24,000 90.0%150 16,000 106.7 24,000 90.0%250 28,500 114.0 24,000 90.0%400 50,000 125.0 24,000 90.0%

1,000 140,000 140.0 24,000 90.0%

Tabla 5.6. Datos de Lámparas de VSBP

181


LUMINOSAWatt lumenes lum/W horas18 1,800 100.0 10,000 100.0%

35 4,800 137.1 24,000 100.0%

55 8,000 145.5 24,000 100.0%

90 13,500 150.0 24,000 100.0%

135 22,500 166.7 24,000 100.0%

180 33,000 183.3 24,000 100.0%

Sus aplicaciones son bastante versátiles, pudiéndose emplear tanto en locales interiores

como en exteriores. Son especialmente recomendables para clubes deportivos, centros

comerciales, alumbrado decorativo y de espectáculos, naves industriales y lugares donde se

realizan tareas de precisión y clasificación por colores. La temperatura de color de este tipo

de lámparas es de 4100 K.

La nueva generación de este tipo de lámparas se conoce como de Halogenuros Metálicos.

Ellas presentan una nueva tecnología que ha permitido reducir sus necesidades de potencia

eléctrica, así como sus dimensiones de diseño. Esto permite emplearlas en aplicaciones de

baja altura (entre 3 y 5 metros) dentro de oficinas, auditorios, centros comerciales, tiendas de

ropa, joyerías etc.

Los parámetros fundamentales de estas lámparas se dan en la Tabla 5.7.

Tabla 5.7. Datos de Lámparas de Aditivos Metálicos

POTENCIA FLUJO LUMINOSO EFICACIA VIDA DEPRECIACION

LUMINOSA OBSERVACIONES

Watt lumenes lum/W horas70 5,500 78.6 10,000 HQI

150 13,000 86.7 10,000 HQI

175 13,000 74.3 10,000 77.0% AM

250 20,500 82.0 10,000 83.0% AM

400 36,000 90.0 20,000 90.0% AM

1,000 110,000 110.0 12,000 80.0% AM

1,500 155,000 103.3 3,000 92.0% AM

5.3.4. Lámparas de Luz Mixta

182

Las lámparas de luz mixta fueron creadas para corregir la luz azulada de las lámparas de

mercurio y para esto se adiciona dentro del mismo bulbo un filamento incandescente. Estas

lámparas se pueden conectar a la red eléctrica sin necesidad de emplear un balastro, puesto

que el filamento, además de fuente luminosa, actúa como resistencia limitante de la corriente

eléctrica. Normalmente operan a una tensión de 220 V.

Estas lámparas se aplican en el alumbrado de interiores y exteriores sustituyendo

directamente a la iluminación incandescente de altas potencias. Su índice de reproducción

de colores es de los más altos, pero su eficacia luminosa es bajísima, resultando en altos

consumos de energía.

Los datos fundamentales de las lámparas de luz mixta se muestran en la Tabla 5.8.

Tabla 5.8. Datos de Lámparas de luz Mixta


LUMINOSA OBSERVACIONES

Watt lumenes lum/W horas160 3,000 18.8 6,000 57.0% LUZ MIXTA

250 5,500 22.0 6,000 65.0% LUZ MIXTA

500 12,500 25.0 6,000 74.0% LUZ MIXTA

500 10,950 21.9 2,000 96.0% IODO CUARZO

1,000 21,400 21.4 2,000 96.0% IODO CUARZO

1,500 35,800 23.9 2,000 96.0% IODO CUARZO

5.4. LUMINARIAS

Una luminaria es aquel aparato compuesto por un gabinete o armadura de metal que sirve

para repartir y filtrar la iluminación a través de un reflector y de accesorios necesarios para

fijar, proteger y conectar las lámparas al circuito de alimentación eléctrica. En la luminaria,

183

puede estar incluido un refractor, que tiene como finalidad proporcionar la mejor distribución

luminosa de la fuente de luz artificial.

En este acápite se tratará de las características que exigen las luminarias para un buen

funcionamiento. Entre ellas se encuentran:

Características fotométricas u ópticas

Características mecánicas y eléctricas

Características de tipo estético.

5.4.1. Características de las luminarias

Características fotométricas

Como características de fabricación más importantes se destacan las que se mencionan a

continuación:

a) Distribución y flujo luminoso. Este dato proporciona la intensidad luminosa (en candelas)

emitida por la lámpara en cierto número de direcciones; generalmente estos valores se dan

para una emisión unitaria (1.00 lm) de flujo luminoso.

Cuando se trata de repartos de luz de forma simétrica respecto a un eje de revolución,

bastara dar las intensidades para direcciones con una serie de intervalos de ángulos. Para el

caso de luminarias asimétricas, deberán suministrarse datos en distintos ángulos, en planos

longitudinales y transversales.

b) Limites de Iluminación. Para apreciar la luminosidad de las luminarias, es necesario

conocer los niveles con que se ve en ángulos elevados.

c) Apantallamiento. Es el ángulo crítico por encima del cual puede provocarse

deslumbramiento directo: es de 450C con la vertical descendente.

184

d) Envejecimiento irrecuperable. Los componentes de una luminaria sufren a lo largo de su

utilización perdidas permanentes, no recuperables mediante operaciones de mantenimiento.

En el caso de reflectores, las superficies con acabados especulares envejecen más

lentamente que las que tienen acabados mates. Para los refractores por transmisión

(difusores), pierden su transmitancia por el efecto de amarillamiento en el caso de

policarbonato. En vidrios, debe añadirse un decolorante para evitar un tono pajizo con el

tiempo.

Otras características de las luminarias se refieren al empleo de éstas. Entre ellas se

encuentran las siguientes:

Rendimiento luminoso. Es la relación entre el flujo luminoso que incide en un plano de

trabajo y el flujo que sale de una luminaria.

Factor de utilización. Es la relación entre el flujo luminoso que llega a un plano de

trabajo y el flujo luminoso que emiten las lámparas funcionando al desnudo.

Características mecánicas y eléctricas

Solidez

Ejecución en un material adecuado a las condiciones de trabajo previstas

Construcción que permita funcionar a la lámpara en condiciones apropiadas de

temperatura.

Protección de las lámparas y equipo eléctrico contra la humedad y demás

agentes atmosféricos.

Facilidad de montar, desmontar y limpiar

Cómodo acceso a la lámpara y equipo eléctrico

Características estéticas

185

Al instalar luminarias debe procurarse que de ninguna manera desentonen con el medio

ambiente en el cual se encuentran.

5.4.2. Clasificación de las luminarias

En general las luminarias se clasifican de tres maneras diferentes:

1. Por su uso

2. Por la distribución del flujo luminoso que emiten

3. Por el tipo de lámpara que usan

Clasificación de luminarias por su uso

Comerciales

Industriales

Decorativas

Dentro de esta gama también se encuentran las luminarias para:

Alumbrado público

Exteriores

Luminarias comerciales

Normalmente este tipo de luminarias es instalado en interiores como: aulas escolares,

oficinas, centros comerciales, tiendas, salas de exposición, etc. Estas deben de proporcionar

las siguientes características:

Buena difusión de luz

Baja brillantez

Alta eficiencia

Ocultamiento de las lámparas

Apariencia distinguida y moderna

186

Facilidad de montaje y limpieza

Luminarias industriales

Estas trabajan normalmente en naves industriales con alturas de montaje altas o medias, por

lo que se requiere que sean capaces de alojar lámparas de alta emisión luminosa y

reflectores especiales. Algunas luminarias de tipo industrial trabajan en lugares con

atmósferas explosivas, vapores o líquidos volátiles, por lo que su construcción debe ser

hermética sin elementos externos peligrosos, para que ofrezcan seguridad en las

instalaciones de trabajo. En términos generales, estas luminarias deben de proporcionar las

siguientes cualidades:

Buena difusión de la luz

Curva de distribución adecuada a la altura de montaje

Alta eficiencia

Resistencia mecánica

Construcción de un material adecuado a su función

Facilidad de mantenimiento

Luminarias tipo decorativo

Estas ayudan a crear un ambiente agradable al integrarse al conjunto arquitectónico

decorativo del interior a iluminar. Tanto las que se encuentran encendidas como las

apagadas, deben crear la misma apariencia. Las luminarias decorativas deben tener las

siguientes características:

Iluminación uniforme

Apariencia agradable y moderna

Construcción de acuerdo a las necesidades

Facilidades para la limpieza

5.4.3. Clasificación de luminarias por la distribución de flujo luminoso que emiten

187

Las luminarias se clasifican de acuerdo a la distribución del flujo luminoso que sale de las

mismas, tomando como base una línea horizontal imaginaria que pase por el centro focal de

la luminaria. Esta clasificación está dada por cinco grupos importantes:

Directa

Son los que dirigen de 90 al 100% de su flujo luminoso hacia abajo del centro focal y de 0 al

10% hacia arriba. Estas luminarias son las que proveen la iluminación más eficiente en las

superficies de trabajo. Dentro de estas luminarias se tienen cinco tipos de clasificación, en

términos de la relación de espaciamiento permisible con altura de montaje.

Semi-directa

Las luminarias dentro de esta clasificación se definen como aquellas que dirigen del 60 al

90% de su flujo luminoso hacia abajo del centro focal de la luminaria. La utilización de estas

luminarias depende en gran medida de la reflectancia del techo. En la Figura 5.2 se muestra

la curva fotométrica de este tipo de luminaria.

Difusa - indirecta o general difusa

Esta clasificación se refiere a luminarias en las cuales las componentes del flujo luminoso

hacia arriba y hacia abajo del centro focal de la luminaria son aproximadamente las mismas

(40 a 60% del flujo luminoso total de dicha luminaria). La luminaria general difusa emite luz

casi igualmente en todas direcciones

188

Figura 5.2. Curva fotométrica de una luminaria de iluminación semidirecta

Directa – indirecta

Las luminarias Directa - Indirecta emiten luz en menor cantidad en ángulos cercanos a la

horizontal.

Semi-indirecto

Las luminarias de tipo semi-indirecta dirigen de 60 a 90% de su flujo luminoso total hacia

arriba del centro focal de la luminaria. La mayor parte de la luz alcanza el plano de trabajo

por reflexión en el techo y la parte alta de las paredes. Es por tanto imperativo que las

reflectancias sean mantenidas tan altas como sea posible.

5.4.4. Sistema óptico

El sistema óptico incluye la cavidad de la lámpara y el medio de difusión de la luz, más uno o

más de los siguientes componentes: reflectores, refractores, lentes, difusores, deflectores y

rejillas antideslumbrantes.

Los reflectores redireccionan la luz usando el principio de la reflexión. La remodelación de

los reflectores mejora el comportamiento de las luminarias fluorescentes por medio del

incremento de la reflectancia interior.

Un refractor es un componente que redirecciona la luz por refracción. Están constituidos por

recipientes de material transparente, dotados de una cavidad profunda, cuyo perfil y

189

orientación han sido conformados a fin de modificar notablemente la distribución del flujo

luminoso. Disminuyen sensiblemente el deslumbramiento.

Los lentes son confeccionados de materiales transparentes o translúcidos que tienen una

configuración prismática en la parte inferior de la superficie para alterar las características

direccionales de la luz que pasa a través de ellos. Los lentes de poliestireno son los menos

costosos pero se amarillean debido a las radiaciones ultravioletas de las lámparas. Los

lentes hechos de acrílico son estabilizadores de la luz y no deterioran el color.

Las láminas transparentes de plástico blanco-leche, llamados difusores, dispersan la luz

uniformemente en todas las direcciones debajo del plano de techo, reduciendo el brillo y

protegiendo las lámparas.

Las luminarias que utilizan rejillas antideslumbrantes logran una distribución de la luz

resultante que reduce el deslumbramiento, controla la iluminación de salida y tiene una

buena apariencia estética.

5.5. MEJORAMIENTO DE LA ILUMINACIÓN E INCREMENTO DE LA EFICIENCIA

5.5.1. Evaluación del sistema de iluminación

Una evaluación del sistema de iluminación es el examen sistemático y la apreciación de

dicho sistema. A un nivel mínimo, es un proceso de tres pasos:

1. Levantamiento del sistema de iluminación.

2. Identificación de oportunidades para mejoras (incluyendo el ahorro de energía).

3. Cálculo de los ahorros y de la recuperación potencial de la inversión, lo cual está

sustancialmente afectado por la información recolectada en el levantamiento del sistema.

Los enfoques simplistas en el proceso de evaluación resultarán, a la larga, en costosos

errores. Evitar estos errores requiere de inversión de tiempo y esfuerzo. Para ser efectiva, la

evaluación de la iluminación necesita incluir en el levantamiento aquellos aspectos

relacionados con las tareas visuales y con el medio que va a ser iluminado.

190

Aunque muchos utilizan los términos eficiencia y efectividad indistintamente, hay una

diferencia:

Los sistemas de iluminación eficientes pueden describirse en términos de comportamiento. El

comportamiento de las lámparas se puede expresar en lm/W y los sistemas en términos de

densidad de potencia (W/m2).

La iluminación efectiva se describe en términos de cuán correctamente el sistema de

iluminación satisface las tareas visuales. En este uso, efectivo significa “hacer algo bien”. La

iluminación energéticamente efectiva provee luz donde se necesita, cuando se necesita y

hace esto con un mínimo de energía.

5.5.2. Enfoques del mejoramiento de los sistemas de iluminación

Hay distintos enfoques para el mejoramiento de los sistemas de iluminación. El más simple

es la recomposición rápida, por paquetes. Por ejemplo, sustituir lámparas T12 y balastros

magnéticos por lámparas T8 y balastros electrónicos. Pero a menudo este enfoque produce

pobres resultados. Los estudios muestran que muchos sistemas de iluminación no

proporcionan niveles adecuados de luz para las tareas que se realizan en un área, debido

frecuentemente a cambios en el trabajo que se lleva a cabo en ese espacio. Cuando se

sustituye el sistema original y no se lleva a cabo un rediseño para acomodar las nuevas

tareas, las consecuencias pueden no ser buenas.

Otra causa puede ser desconocer determinados parámetros de los elementos del nuevo

sistema de iluminación, como por ejemplo, el factor de balastro, que afecta los lúmenes de

salida. Es posible que se seleccione un balastro basado en su baja potencia activa, pero que

produzca un bajo nivel de iluminación debido a su reducido factor de balastro.

En otras situaciones, el mismo enfoque lleva a una iluminación degradada por otras razones.

Los usuarios pueden percibir una falta de calidad de la luz debido a que la nueva

combinación de elementos de las luminarias, por ejemplo, de lámparas y reflectores, no

satisfacen las necesidades de las tareas que se realizan. Así, es posible que no se satisfaga

191

el criterio de espaciamiento mínimo y esto resulte en áreas oscuras. Otro error puede ser

reemplazar lámparas por otras que tengan más brillo y que los ocupantes del local se quejen

de que “está muy brillante”.

Un enfoque adecuado de la evaluación de la iluminación no compromete la calidad o los

niveles de iluminación y por tanto, produce mejores resultados. Los niveles de luz deben

diseñarse específicamente para las tareas actuales que se realizan en los locales y la calidad

la iluminación debe estar implícita en la solución. Y no debe olvidarse que un enfoque

adecuado, que produce mejores resultados, requiere de más conocimiento, de un trabajo

más complejo y resulta frecuentemente en un período recuperación de la inversión más

prolongado.

El comportamiento de los sistemas de iluminación puede ser mejorado de diferentes

maneras:

Mejorar el comportamiento de las luminarias es una de las formas de incrementar la

eficiencia de la iluminación. La limpieza de las superficies de reflexión mejora la eficiencia

óptica, permitiendo que se emita más luz. La instalación de reflectores especulares puede

mejorar tanto la eficiencia óptica como térmica y permitir el uso de menos lámparas o de

balastros con factores de balastro más reducidos. El mejoramiento con nuevos lentes o una

remodelación de las rejillas antideslumbrantes mejora también la eficiencia y le da a las

luminarias una nueva apariencia.

La instalación de nuevos accesorios brinda la oportunidad de cambiar los parámetros

originales del sistema de iluminación, incluyendo el número de lámparas y el número total de

luminarias. La forma adecuada de determinar las cantidades necesarias es realizando los

cálculos de iluminación, aunque hay algunas acciones aproximadas pero que suelen dar

buenos resultados como, por ejemplo, lo ya mencionado de sustituir una luminaria vieja de

cuatro tubos T12 por una de 3 tubos T8.

Los controles de iluminación pueden reducir la energía eléctrica (kWh) utilizada en estos

sistemas de dos maneras: bien bajando la potencia consumida en iluminación (kW) o bien

reduciendo el tiempo de trabajo (horas). De las dos formas, se reducen los costos de

192

electricidad. Además, la reducción de la potencia consumida (kW) conduce a la disminución

de las demandas máximas en los distintos períodos, con la consecuente reducción en la

demanda facturable.

Además, hay otras formas, algunas de las cuales se verán a continuación.

5.5.3. Estrategias de control de la iluminación para reducir el consumo

Reducción de las horas de operación

Las horas de operación pueden ser reducidas por medio de controles de encendido-apagado

(switching), sensores de presencia, controles de tiempo programado, y fotoceldas.

a) Controles de encendido-apagado

Existen dos mitos que atentan contra el ahorro de energía en iluminación. El primero de ellos

dice que: “operar en forma continua las lámparas fluorescentes es más barato que apagarlas

por breves períodos”. Desconectar este tipo de lámparas ahorra energía, extiende su vida útil

y reduce los costos de reemplazo. Por ejemplo, la corriente durante el encendido de una

luminaria de dos lámparas, de arranque rápido, dura menos de un segundo y por lo tanto, no

tiene casi ningún costo energético.

El segundo mito establece que: “conectar y desconectar las luminarias acorta la vida de las

lámparas fluorescentes e incrementa los costos de mantenimiento”. Las lámparas

fluorescentes durarán más horas si se operan continuamente, pero tendrán más años de vida

si se desconectan cuando no están en uso. Aunque la vida promedio nominal (en horas) de

este tipo de lámpara se acorta por el encendido y apagado, el tiempo-calendario de vida (en

años) se alarga. El tiempo-calendario de vida es el tiempo en años entre cambio de lámparas

e incluye el tiempo que las mismas están desconectadas.

Por ejemplo, las lámparas F40 estándar de encendido rápido, operadas en forma continua,

resultan en una vida nominal de 34 000 horas (3.9 años-calendario de vida). Apagar estas

193

lámparas por doce horas cada día, decrece la vida nominal de la lámpara a 30 000 horas,

pero extiende el tiempo-calendario de vida a 6.9 años.

Desconectar las lámparas incandescentes siempre ahorra dinero, porque ellas consumen la

mayor potencia y el encendido frecuente sólo afecta levemente la vida de estas lámparas.

Debido a que las lámparas de alta intensidad toman tanto tiempo para encender y aún más

tiempo para reencender, se recomienda operarlas bajo el principio iluminación alta-baja y no

por encendido-apagado. También se puede emplear un método de operación programada.

Controles típicos para encendido-apagado son:

Estación de botones que operan contactores (relés especializados que manejan las

cargas de iluminación).

Interruptores de pared locales.

Interruptores activados por llaves.

Los interruptores de encendido-apagado comprenden los de distintas vías; por encendido

multicircuito; o utilizando balastros múltiples para controlar separadamente las lámparas. El

encendido multicircuito se logra subdividiendo los circuitos de iluminación en pequeñas áreas

y proveyendo cada área con un interruptor.

b) Sensores de presencia

El reconocimiento de presencia es una estrategia que se puede aplicar en áreas que están

ocupadas intermitentemente, con el objetivo de conectar las luminarias cuando hay personas

presentes y apagarlas automáticamente después que el local está desocupado.

Los sensores de presencia se desarrollan a través de dos tecnologías principales: la

infrarroja y la ultrasónica. Los sensores infrarrojos reaccionan solamente ante el calor del

cuerpo y sensan la ocupación detectando la diferencia en calor entre un cuerpo y el medio.

Por medio de lentes se crean zonas cónicas de detección, de manera tal que los sensores

194

infrarrojos “ven” un área y la controlan. Las paredes divisorias, los estantes y otros

obstáculos bloquean la detección y pueden dejar a las personas en la oscuridad.

Los sensores ultrasónicos emplean detectores volumétricos. Transmiten ondas por encima

del límite audible para las personas y miden el tiempo retorno de las ondas. Las unidades

ultrasónicas pueden detectar la presencia de personas detrás de obstáculos, pero son

sensibles a los movimientos del aire.

Hay dos tipos de ajuste en los sensores: sensitivo y de retardo. El ajuste sensitivo hace una

unidad más o menos sensible al movimiento. Las unidades ultrasónicas deben ser ajustadas

de manera que no sean sensibles al movimiento del aire. El ajuste de retardo establece el

tiempo que las luces se mantienen encendidas cuando no se detecta presencia. Un ajuste de

retardo muy reducido, puede disminuir la vida útil de las lámparas y producir quejas de los

ocupantes sobre este tipo de encendido. Un ajuste de 15 minutos debe resultar apropiado.

c) Controles de tiempo programado

El control de tiempo programado es la estrategia empleada para activar, extinguir o ajustar la

iluminación de acuerdo con un programa predeterminado, y es la más apropiada para

instalaciones donde las cosas suceden en determinados momentos.

El uso de relojes de tiempo constituye la manera más sencilla de implementar estrategias de

programación. Hay diferentes tipos, que incluyen los electromecánicos, los electrónicos y los

astronómicos. Los relojes de tiempo astronómicos se utilizan para controlar la iluminación

exterior y cada día se pueden ajustar automáticamente a los tiempos de salida y puesta del

sol. Existen variantes para controlar el encendido varias veces en el día; para saltar días que

se eliminan del programa; para realizar programaciones semanales, etc. Una fuente de

respaldo (backup) permite mantener la alimentación a los relojes cuando hay interrupciones

de la energía.

Cuando los relojes son utilizados para desconectar las luces en áreas ocupadas, deben tener

un aditamento que permita advertir a los usuarios cuándo las luces van a ser apagadas, de

manera que éstos puedan extender el tiempo de encendido.

195

Existen sistemas para el apagado secuencial en la iluminación de edificios.

d) Fotoceldas

Los interruptores de fotocelda son aquellos que son activados por la luz y que desconectan el

alumbrado cuando la luz del día resulta adecuada para la realización segura y confortable de

las tareas en un área determinada. Un aditamento de retardo evita una intermitencia rápida

durante los días nublados.

Reducción de la potencia consumida

La graduación de la intensidad luminosa (dimming), el aprovechamiento de la luz del día y la

compensación de la depreciación del flujo luminoso, son las tres estrategias principales de

control para reducir la potencia eléctrica consumida en iluminación.

La graduación de la intensidad luminosa o dimming , consiste en el ajuste de la luz de salida

de las luminarias a un nivel específico deseado.

Hoy en día es posible lograr el dimming en la iluminación fluorescente (tanto de tubos

convencionales como compactos) con balastros electrónicos ajustables que pueden reducir

la intensidad luminosa hasta un 5 % o 10 % de la salida nominal.

El dimming en las lámparas de alta intensidad se logra con reducción de tensión. Un tipo

común de control para estas lámparas es el de dos niveles, el cual utiliza un control a relé de

capacitores en el compartimento del balastro, que produce una reducción fija.

El aprovechamiento de la luz del día es la estrategia de control que se aplica cuando aquella

puede utilizarse con efectividad para iluminar espacios interiores. Estos sistemas cambian los

niveles de iluminación artificial gradualmente, de acuerdo con el nivel de luz del día. La

aplicación estratégica de fotosensores es la llave del sistema. A diferencia de las fotoceldas

que conectan las luces basado en el nivel de iluminación, estos sensores de silicio

196

incrementan o reducen la luz de un sistema fluorescente utilizando un balastro para graduar

la intensidad luminosa.

La compensación de la depreciación del flujo luminoso es la más nueva estrategia de control,

la cual emplea fotosensores especiales que detectan el verdadero nivel del flujo luminoso y

monitorean la depreciación de ese flujo en las lámparas. Cuando las lámparas son nuevas y

las superficies están limpias, la salida del balastro que gradúa la intensidad luminosa es baja,

y por tanto la potencia de entrada se reduce, ahorrando energía. La potencia de entrada y el

flujo luminoso se incrementan según las lámparas envejecen y las superficies acumulan

suciedad, para compensar estos niveles de depreciación.

5.5.4. Mantenimiento

Los principios del mantenimiento en la iluminación son:

El flujo luminoso de salida de los sistemas de iluminación decrece con el tiempo.

Muchos sistemas de iluminación están sobrediseñados para compensar la pérdida de

flujo con el tiempo.

Mejorar las prácticas de mantenimiento puede reducir la pérdida de flujo y permitir

reducciones en el uso de la energía o mejorar los niveles de iluminación.

Las prácticas de mantenimiento por grupo ahorran dinero.

El mantenimiento adecuado es la vía más efectiva (y a la vez menos apreciada) para

reducir el costo total en iluminación.

Cuando no se realiza el mantenimiento, el comportamiento del sistema de iluminación se

afecta gradualmente. El resultado final es un sistema que puede operar a niveles tan

bajos como el 50 % de sus capacidades potenciales.

Efecto del mantenimiento en la eficiencia y en la efectividad

A diferencia de lo que ocurre en otros sistemas energéticos, cuando a un sistema de

iluminación no se le da mantenimiento, el consumo de energía puede reducirse. La potencia

de entrada al sistema disminuye según las lámparas se queman y los balastros dejan de

funcionar.

197

Estos ahorros pueden ser ilusorios. Además, suele ocurrir que los usuarios compensan la

pérdida de iluminación utilizando equipos portátiles muy ineficientes.

La solución más efectiva es mantener altos niveles de iluminación aplicando un plan de

mantenimiento dirigido a cuatro factores de pérdida de iluminación, que son recuperables con

la realización del mantenimiento: el coeficiente de lámparas quemadas, la depreciación de

los niveles de iluminación, la depreciación de la luminaria por suciedad y la depreciación de

la superficie del local por suciedad. La Figura 5.3 muestra cómo los sistemas de iluminación

desvalorados pierden eficiencia con el tiempo.

Reposición de las lámparas por grupo

La reposición de las lámparas de un grupo a intervalos programados, tiene varias ventajas:

1. Menores interrupciones en el trabajo

2. Menor costo laboral

3. Menor existencia en almacén de lámparas

4. Nivel de iluminación más alto

Figura 5.3. Efecto de la pérdida de iluminación con el tiempo.

198

Acciones de mantenimiento

1. Programar a intervalos la reposición de lámparas por grupo (y puntuales en caso

necesario), para reducir la depreciación del flujo luminoso y ahorrar costo laboral.

2. Limpiar los componentes de las luminarias cuando se realiza la reposición de lámparas.

3. Elaborar por escrito una política de mantenimiento de iluminación.

4. Diseñar proyectos nuevos y de remodelación, que incorporen mantenimientos

programados.

5. Lograr la ayuda de especialistas en gestión de mantenimiento de iluminación.

Detección de fallas

El mejor método para la detección de fallas es cambiar los componentes desconocidos, por

buenos conocidos. La experiencia es la mejor herramienta.

Debe consultarse la bibliografía especializada y las guías de detección de fallas que publican

los grandes fabricantes de lámparas.

5.5.5. Selección adecuada de los balastros

Una de las medidas claves para mejorar los sistemas de iluminación fluorescente es

mediante la selección correcta de los balastros. Casi todas las remodelaciones de los

sistemas fluorescentes implican nuevos balastros; y hoy en día hay más opciones que nunca.

La tecnología de los balastros está constantemente cambiando y mejorando. El número de

modelos disponibles hace la selección de los balastros más confusa. Es importante

comprender qué ofrecen los nuevos modelos con el objetivo de considerarlos en los

proyectos.

Los proyectos energéticamente más efectivos resultan cuando los especialistas en el diseño

de iluminación, comprenden que los balastros tienen que ser considerados cuidadosamente

para cada aplicación. Hay muchos ejemplos de proyectos de remodelación que fallan debido

a una selección inadecuada de los balastros.

199

Los usuarios deben asegurarse de que el balastro que seleccionan dará el comportamiento

que ellos demandan. El mayor error que se comete en la remodelación del sistema lámpara-

balastro es fallar en considerar el factor de balastro. Así, en muchos proyectos, se

seleccionan los balastros electrónicos para máximo ahorro de energía. Es común en estos

casos seleccionar un balastro con un bajo nivel de potencia activa. Cuando se hace esto, el

factor de balastro es usualmente muy reducido y resulta un nivel bajo de iluminación.

Frecuentemente, la vida útil de las lámparas no se considera cuando se seleccionan los

balastros. Muchos balastros de nuevo diseño tienen arranque programado. Estos arrancan

las lámparas aplicando un calentamiento catódico durante un tiempo preciso, previo a la

ignición de la lámpara, y desactivándolo una vez que se produce la ignición. El diseño de

arranque programado mantiene la eficiencia energética junto con unas condiciones de

arranque óptimas, que permiten hasta 100 000 arranques y cerca de un 50 % de mayor vida

útil. La mayor vida útil se traduce en menores costos de reemplazo de las lámparas. Los

balastros de arranque programado son una buena selección para casos en los que las

lámparas deben ser encendidas frecuentemente.

5.5.6. Mejoramiento de los sistemas de alta intensidad

La tendencia hacia la luz blanca y la disponibilidad de soluciones en este sentido con las

lámparas de alta intensidad, dan la oportunidad de convertir los sistemas de sodio de alta

presión en una nueva generación de sistemas de haluros metálicos, por medio del cambio de

luminarias.

Aún los sistemas estándar de haluros metálicos que han sido instalados recientemente,

pueden ser remodelados hacia los mejorados de haluros metálicos de arranque por pulsos.

En los Estados Unidos, se espera que las lámparas de haluros metálicos estándar, en el

intervalo de 175 a 1 000 W, (que constituyen el 70 % de las aplicaciones existentes) sean

sustituidas por la tecnología de arranque por pulsos en algunos años. Estos cambios resultan

en un mayor rendimiento luminoso (hasta 100 lm/W), una menor devaluación del flujo

luminoso, una mayor consistencia de color de lámpara a lámpara y un calentamiento y

rearranque 50 % más rápido.

200

5.5.7. Remodelación de rótulos lumínicos

En algunas instalaciones, un buen proyecto de mejora es el reemplazo de viejos rótulos

lumínicos. Las lámparas de estos rótulos se queman constantemente, de manera que las

inversiones en nuevos sistemas con diodos emisores del tipo LED se pagan usualmente en

menos de 3 años.

Estas unidades de bajo consumo de energía son estéticamente agradables. Los LEDs en los

nuevos rótulos lumínicos son unas 30 veces más brillantes que los de primera generación.

La esperanza de vida prolongada de los LEDs los hace atractivos para los requerimientos de

bajo mantenimiento y alta fiabilidad en las aplicaciones de seguridad. Los LEDs pueden

teóricamente durar decenas de años sin mantenimiento, dependiendo de qué tipo se usa y

cómo ellos son accionados.

201

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