Guía de selección de CCM para diferentes condiciones de arranque de motores de uso industrial

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Presentado a

LA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

Para obtener el título de

INGENIERO ELÉCTRICO

Por

Cristian Julián Castellanos León

Guía de selección de CCM para diferentes condiciones de arranque de

motores de uso industrial

Sustentado el 3 de diciembre del 2014 frente al jurado:

Composición del jurado

- Asesor: Gustavo Andrés Ramos López, Profesor Asociado, Universidad de los Andes

- Jurados : David Felipe Celeita Rodríguez, Estudiante Doctoral, Universidad de los Andes

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RESUMEN DEL PROYECTO

Una de las causas de las caídas de tensión en las redes de energía eléctrica, se presenta debido a los arranques de motores eléctricos, ya que estos producen grandes corrientes en su arranque. Por esta razón se busca definir una metodología de diseño de una guía de selección de CCM para diferentes condiciones de arranque de motores eléctricos, y de esta manera, definir ciertos rangos en donde los diferentes tipos de arranques funcionen de manera adecuada, analizando principalmente el arrancador suave.

Para el desarrollo del proyecto se siguió la siguiente metodología

- Consulta de los principales parámetros a la hora de seleccionar un motor para su

respectivo estudio de su arranque.

- Consulta de normas, estándares y recomendaciones que soporten la selección de los

arranques.

- Diseño de la metodología de selección de arranques.

- Resultados teóricos según la metodología planteada.

- Validación de resultados con el diseño del caso de estudio – ETAP.

- Resultados de la simulación y discusión final.

Se diseña el caso de estudio teniendo en cuenta valores estándar de los elementos eléctricos tomados de la “IEEE 141”. Con esto se busca validar los resultados teóricos y definir el límite del correcto funcionamiento de los arranques.

Finalmente se logró clasificar los motores para cada tipo de arranque por medio de tablas que especifican el nivel de tensión, la potencia en caballos de fuerza y el código letra del motor. Gracias a esta clasificación, se tendrá una guía mucho más acertada de qué arranque elegir cuando se tiene un determinado tipo de motor sin tener grandes gastos energéticos y económicos.

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AGRADECIMIENTOS

Quiero agradecer primero que todo a Dios, ya que él ha sido el que me ha dado salud, fuerza y motivación necesaria para la culminación de mi carrera. Igualmente, quiero agradecer a mi familia tanto por el apoyo incondicional en el desarrollo de mi carrera, como en mi formación como persona.

También quiero agradecer y dar un reconocimiento al profesor Gustavo Andrés Ramos por la asesoría para lograr de manera satisfactoria la culminación del proyecto de grado. De igual manera, un reconocimiento para el ingeniero Miguel Hernández y David Celeita quienes me brindaron ayuda y consejos para la etapa final del proyecto.

Agradecerles a mis amigos y compañeros de carrera: Jorge Malo, Manuel Trujillo, Nicolás González, Camilo Sarmiento, Daniel Jaramillo, Jaime Garzón, Daniel Sepúlveda, Daniel Castellanos, Gustavo Granados, Daniel Caldas y muchos más; con los que compartí grandes momentos en el transcurso de la carrera.

Finalmente agradecer a la Universidad de los Andes, por brindarme la oportunidad de tener una excelente formación académica.

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Índice General

1 INTRODUCCIÓN ... 7

2 OBJETIVOS ... 7

2.1 Objetivo General ... 7

2.2 Objetivos Específicos ... 7

2.3 Alcance y productos finales ... 7

3 DESCRIPCIÓN DE LA PROBLEMÁTICA Y JUSTIFICACIÓN DEL TRABAJO ... 7

4 MARCO TEÓRICO, CONCEPTUAL E HISTÓRICO ... 8

4.1 Clasificación de motores NEMA ... 8

4.1.1 Clases de Motores ... 8

4.1.2 Código Letra ... 9

4.2 Tipos de arranques de motores ... 10

4.2.1 Arrancador Directo ... 10

4.2.2 Arrancador Estrella-Delta ... 11

4.2.3 Arranque con Reactancias o Resistencias Estatóricas ... 11

4.2.4 Arranque con Autotransformador ... 11

4.2.5 Arrancadores Suaves ... 12

4.2.6 Arranque por variadores de frecuencia o de velocidad... 12

4.3 Comparación de arranques ... 13

4.4 Normas, estándares y recomendaciones ... 14

5 METODOLOGÍA DEL PROYECTO ... 16

5.1 Preguntas Iniciales de selección ... 16

6 TRABAJO REALIZADO ... 18

6.1 Consideraciones de diseño ... 18

6.1.1 Límite de corriente recomendado ... 18

6.1.2 Límite de par recomendado ... 18

6.2 Metodología de selección ... 19

6.2.1 Selección de arranque a tensión plena ... 19

6.2.2 Selección de arranques a tensión reducida ... 20

6.2.3 Selección de arranques electrónicos ... 21

6.3 Descripción de Resultados ... 24

6.3.1 Resultados Teóricos ... 24

6.4 Resultados computacionales ... 26

6.4.1 Caso de estudio ... 26

6.4.2 Arranque Directo ... 28

6.4.3 Arranque Estrella-Delta... 29

6.4.4 Arranque Resistencia ... 29

6.4.5 Arranque Autotransformador ... 30

6.4.6 Arrancador Suave ... 31

6.4.7 Variador de velocidad ... 33

7 Discusión de resultados ... 34

8 CONCLUSIONES ... 36

9 Bibliografía ... 36

10 APENDICES ... 37

10.1 Resultados ETAP - Metodología ... 37

10.2 Resultados ETAP – Limites ... 41

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Índice de figuras

Ilustración 1 - Curvas características típicas para diferentes diseños de motores ... 8

Ilustración 2 - Clasificación de los métodos de arranque más usados ... 10

Ilustración 3 – Arranque directo ... 10

Ilustración 4 - Arrancador Y/D ... 11

Ilustración 5 - Arranque con reactancias o resistencias estatoricas ... 11

Ilustración 6 - Arranque con autotransformador ... 12

Ilustración 7 – Arrancador Suave ... 12

Ilustración 8 - Comportamiento del Par-Velocidad al variar la frecuencia y voltaje ... 13

Ilustración 9 - Curva ITIC ... 15

Ilustración 10 - Metodología del proyecto ... 16

Ilustración 11 - Diagrama de flujo general de selección de arranques ... 17

Ilustración 12 - Metodología Arranque Directo... 19

Ilustración 13 - Metodología de selección de arranques ... 20

Ilustración 14 - Diagrama de flujo - Selección arrancador suave ... 21

Ilustración 15 - Metodología de selección de un variador de velocidad ... 23

Ilustración 16 - Caso de estudio – ETAP ... 26

Ilustración 17 - Sistema Industrial de baja tensión ... 27

Ilustración 18 - Curva Par-Velocidad de la carga del motor ... 27

Ilustración 19 - Arranque Directo - Limite de corriente ... 28

Ilustración 20 - Arranque Directo - Límite de caída de tensión 15 % ... 28

Ilustración 21 - Arranque Estrella-Delta - Límite de caída de tensión 15% ... 29

Ilustración 22 - Arranque por resistencias - Límite de caída de tensión 15% ... 30

Ilustración 23 - Arranque por autotransformador - Límite de caída de tensión 15% ... 30

Ilustración 24 - Limite de corriente en arrancadores suaves ... 31

Ilustración 25 – Arrancador Suave - Límite de caída de tensión 15% ... 31

Ilustración 26 – Arrancador Suave - Corriente con límite de ciada de tensión 15% ... 32

Ilustración 27 - Arrancador Suave - Límite de caída de tensión 15% ... 32

Ilustración 28 - Arrancador Suave - Corriente con límite de ciada de tensión 15% ... 33

Ilustración 29 – Arranque por variador de velocidad - Límite de caída de tensión 15% ... 33

Ilustración 30 - Variador de velocidad - Corriente con límite de caída de tensión 15% ... 34

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Índice de tablas

Tabla 1 - Características de motores - Clasificación NEMA ... 9

Tabla 2 - Letra Código – NEMA ... 9

Tabla 3 - Características de los métodos de arranque ... 13

Tabla 4 - Ventajas y desventajas de cada tipo de arranque ... 14

Tabla 5 - Límites de valor de la corriente en arranque directo ... 14

Tabla 6 - Potencias nominales máximas admisibles para motores de arranque directo ... 14

Tabla 7 - Tiempos de disparo de protección de sobrecarga ... 15

Tabla 8 – Limites de corriente aconsejables ... 18

Tabla 9 –Tabla inicial de selección de Arranque Directo ... 24

Tabla 10 - Tabla inicial de selección de Arranque Estrella-Delta ... 24

Tabla 11 - Tabla inicial de selección de Arranque por Reactancias o Resistencias ... 25

Tabla 12 - Tabla inicial de selección de Arranque por Auto-Transformador ... 25

Tabla 13 - Tabla inicial de selección por Arrancador Suave ... 25

Tabla 14 - Tabla inicial de selección por Variador de Velocidad ... 26

Tabla 15 – Limites de selección de Arranque Directo – 15% de caída de voltaje ... 29

Tabla 16 – Limites de selección de Arranque Estrella Delta – 15% de caída de voltaje ... 29

Tabla 19 – Limites de selección del Arrancador Suave – 15% de caída de voltaje ... 33

Tabla 20 – Limites de selección de arranque por variador de velocidad – 15% de caída de voltaje .... 34

Tabla 21 - Recomendación de selección de tipos de arranques ... 34

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1 INTRODUCCIÓN

Actualmente, debido a las pérdidas de energía que se producen en los sistemas eléctricos, la red de energía es propensa a caídas de tensión, que pueden afectar dispositivos que estén conectados a este sistema. Una de las principales causas es el arranque de motores, ya que al producir grandes corrientes de arranque, producen grandes caídas de tensión. Una de las soluciones a esta problemática es mejorar la calidad de los sistemas ya existentes, seleccionando eficazmente dispositivos, que permitan un óptimo arranque de los motores, garantizando así valores bajos de corriente y caídas de tensión.

2 OBJETIVOS

2.1 Objetivo General

Definir una metodología de diseño para una guía de selección de CCM para diferentes condiciones de arranque de motores de uso industrial.

2.2 Objetivos Específicos

- Definir los principales parámetros que se deben tener en cuenta en la selección de un

motor, para su respectivo análisis en su arranque.

- Definir una metodología de selección de arranques a tensión plena, tensión reducida,

y arranques electrónicos.

- Analizar y definir un rango de selección de arranques mediante simulaciones

computacionales, teniendo en cuenta la metodología planteada.

- Diseñar un tutorial de ETAP que describa el proceso de simulación de los diferentes

tipos de arranque de motores.

2.3 Alcance y productos finales

Planteamiento de una metodología que logre seleccionar el mejor tipo de arranque de un motor, teniendo en cuenta las características del motor y los efectos que producen en la red. Finalmente se planteara una tabla de selección de arranques según la potencia del motor.

3 DESCRIPCIÓN DE LA PROBLEMÁTICA Y JUSTIFICACIÓN DEL TRABAJO

Ya que las zonas industriales son una de las mayores consumidoras de energía eléctrica, se tiene que el 65% de esta energía es consumida por motores. Durante su arranque desarrollan altas magnitudes de corriente y elevadas magnitudes de torque. Bajo esta perspectiva, existen actualmente numerosos métodos de arranque que resuelven el problema y entre los más usados están los arranques electrónicos. El variador de velocidad ha sido una gran solución para el arranque de cualquier potencia disponible en un motor, pero en el caso del arrancador suave, se tiene un mal comportamiento a la hora de conectarlo a motores de gran potencia. Por esta razón, es necesario definir un límite de potencias para este tipo de dispositivos de arranque.

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4 MARCO TEÓRICO, CONCEPTUAL E HISTÓRICO

4.1 Clasificación de motores NEMA

La clasificación NEMA nos indica el comportamiento mecánico y eléctrico del motor. El desarrollo de este trabajo, se centra en la “Clase” y “Código Letra”, que nos da información suficiente sobre la curva par-velocidad y corriente de arranque respectivamente.

4.1.1 Clases de Motores

- Clase A: El par de arranque es normal, tiene un deslizamiento bajo y baja resistencia

del rotor que produce una gran aceleración. Debido a su baja resistencia en el estator, produce grandes corrientes en el arranque.

- Clase B: Actualmente son los motores más usados en la industria. Tienen un par de

arranque normal, una baja corriente de arranque y un bajo deslizamiento. La corriente de arranque se reduce aproximadamente un 25% con respecto al Clase A.

- Clase C: Tiene un alto par de arranque, una menor corriente de arranque y un bajo

deslizamiento. Son usados básicamente para cargas que requieren un par de arranque bastante alto.

- Clase D: Tienen un muy alto par de arranque, baja corriente de arranque y un alto

deslizamiento a plena carga. El motor está diseñado para servicio pesado de arranque.

A continuación, se muestra una ilustración del comportamiento típico del motor según su clase, representado en la curva par-velocidad y una tabla comparativa mostrando sus principales características.

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Tabla 1 - Características de motores - Clasificación NEMA [1] y [2]

Clase NEMA Corriente de _arranque Par de arranque Par Máximo Deslizamiento a _{plena carga}

A 5-8 In 1.5-1.75 Tn 2-3 Tn s<5%

B 5-6 In 1.4-1.6 Tn 2-2.5 Tn s<5%

C 3.5-5 In 2-2.5 Tn 2-2.5 Tn s<5%

D 3-4 In 2.5-3 Tn 2.5-3 Tn 7%<s<11%

4.1.2 Código Letra

Para estimar la corriente de arranque del motor se usa la “Código Letra”. Normalmente se encuentra en la placa de datos del motor. A continuación se presenta la tabla de letras código NEMA, que indican los kVA de arranque por caballos de fuerza nominal del motor.

Tabla 2 - Letra Código – NEMA [3]

Letra Código Nominal Rotor Bloqueado kVA/hp Letra Código Nominal Rotor Bloqueado kVA/hp

A 0-3.15 L 9.00-10.00

B 3.15-3.55 M 10.00-11.00

C 3.55-4.00 N 11.20-12.20

D 4.00-4.50 P 12.50-14.00

E 4.50-5.00 R 14.00-16.00

F 5.00-5.60 S 16.00-18.00

G 5.60-6.30 T 18.00-20.00

H 6.30-7.10 U 20.00-22.40

J 7.7-8.00 V 22.40 y superiores

K 8.00-9.00

Para determinar la corriente de arranque de un motor de inducción se requiere de la potencia nominal en HP, el voltaje nominal y su respectivo “Código Letra” del motor, usando la siguiente ecuación.

𝐼𝑙 =

(𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑒𝑛 𝐻𝑃) ∗ (𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑙𝑒𝑡𝑟𝑎 𝑐𝑜𝑑𝑖𝑔𝑜) ∗ 1000 √3 𝑉𝑡

Por medio de los diferentes tipos de arranques que se describirán a continuación, se puede lograr modificar la corriente de arranque y el torque desarrollado por el motor, y cumplir de esta manera las condiciones ideales para su funcionamiento.

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4.2 Tipos de arranques de motores

Existen numerosos tipos de arranque de motores que mejoran la calidad de la energía según la aplicación. A continuación se muestra la clasificación de los arranques más usados actualmente.

Ilustración 2 - Clasificación de los métodos de arranque más usados

4.2.1 Arrancador Directo

Este método se considera la manera más sencilla de arrancar un motor, ya que la conexión se realiza directamente a la red. Sin embargo, este método tiene sus desventajas, como la elevada corriente inicial que ocasiona problemas en la red. A continuación se muestra la curva par-velocidad y la curva del comportamiento de la corriente.

Ilustración 3 – Arranque directo [4] Metodos de

Arranque de Motores

Arranques a tensión plena Arranque Directo

Arranques a Tensión Reducida

Arranque Estrella - Delta

Arranque por Resistencias Estatoricas

Arranque por Autotranformador

Arranques Electrónicos

Arrancador Suave

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4.2.2 Arrancador Estrella-Delta

Este modo asegura una disminución en la corriente de arranque debido a limitaciones en la alimentación. Sin embargo, este arranque únicamente resulta óptimo para arranques en vacío o con cargas de par bajo en donde el par resistente de la carga no exceda el 50% del par nominal. A continuación se muestra la curva par-velocidad y la curva del comportamiento de la corriente.

Ilustración 4 - Arrancador Y/D [4]

4.2.3 Arranque con Reactancias o Resistencias Estatóricas

En este tipo de arranque reduce la tensión gracias a los reactores o resistencias colocadas en serie con el estator. Así la tensión que alimenta al motor en la fase inicial, disminuye "k veces” respecto a la tensión de red. Este tipo de arranque es apropiado para motores cuyo par resistente aumenta con la velocidad. A continuación se muestra la curva par-velocidad y la curva del comportamiento de la corriente.

Ilustración 5 - Arranque con reactancias o resistencias estatoricas [4]

4.2.4 Arranque con Autotransformador

Este tipo de arranque reduce la tensión de alimentación por medio de un autotransformador. Durante el arranque, el autotransformador, reduce la tensión de red y el par inicial del motor "k veces". En la etapa final del arranque, se retira y el motor queda conectado directamente a la red. A continuación se muestra la curva par-velocidad y la curva del comportamiento de la corriente.

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Ilustración 6 - Arranque con autotransformador [4]

4.2.5 Arrancadores Suaves

Estos dispositivos logran una rampa suave de inicio, reduciendo al mínimo los esfuerzos mecánicos y eléctricos. Luego de que el motor logra llegar a su velocidad nominal, este dispositivo se retira del circuito reduciendo gastos de energía innecesarios. A continuación se muestra la curva par-velocidad y la curva del comportamiento de la corriente.

Ilustración 7 – Arrancador Suave [4]

Estos dispositivos son a menudo la opción más económica para reducir la corriente de arranque, pero en algunos casos, este dispositivo no funciona correctamente ya que al conectar motores de altas potencias, exige elegir un dispositivo más eficiente como un variador de velocidad. Por esta razón, se definirá posteriormente, en qué rangos de potencia de motores funciona eficazmente el arrancador suave.

4.2.6 Arranque por variadores de frecuencia o de velocidad

Estos dispositivos se encargan de rectificar una señal de voltaje y luego invertirla con una amplitud y frecuencia variable. De este modo, el motor al que esté conectado recibirá una señal con una tensión y frecuencia variable que modificara su velocidad y su curva par- velocidad respectivamente, como se muestra a continuación.

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Ilustración 8 - Comportamiento del Par-Velocidad al variar la frecuencia y voltaje [1]

Existen aplicaciones en donde ya se tiene bastante información de la implementación de estos dispositivos, pero debido a los altos costos, es más económico seleccionar un arrancador suave. Por esta razón, se definirá en qué rangos de potencia de motores funciona eficazmente el arrancador suave y el variador de velocidad.

4.3 Comparación de arranques

A continuación se presentan las características principales de cada uno de los arranques descritos anteriormente.

Tabla 3 - Características de los métodos de arranque

Tipo de arranques

Corriente de arranque Par inicial de arranque Tiempos de arranque

Tipo de carga recomendado

Caída de Tensión

Harmónicos de tensión y corriente

Directo 4 a 8 In 0.6 a 1.5 _Tn _segundos2 a 3 Todas Alta Alto

Estrella - Delta 1.3 a 2.6 _In 0.2 a 0.5 _Tn _segundos3 a 7 Sin carga Alta en el _cambio Moderado

Autotransformador 1.7 a 4 In 0.4 a 0.85 _Tn _segundos7 a 12 _ventiladoresBombas y Baja Moderado

Resistencias

Estatoricas 4.5 In

0.6 a 0.85 Tn

7 a 12 segundos

Bombas y

ventiladores Baja Moderado

Arrancador Suave 4 a 5 In 0.5 Tn _segundos0.4 a 10 _ventiladoresBombas y Baja Alto

Variador de

velocidad 1 In 1.5 a 2 Tn

1 a 60

segundos Todas Baja Alto

Teniendo en cuenta los valores nominales mostrados en la tabla anterior, a continuación se muestran las ventajas y desventajas principales de cada uno de los arranques.

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Tabla 4 - Ventajas y desventajas de cada tipo de arranque

Tipo de Arranque Ventajas Desventajas

Directo Arranque simple y poco costoso Corriente de arranque elevada

Estrella – Delta

Corriente de arranque reducida a 1/3 de la corriente de arranque

directo

Generación de transitorios al momento de la transición.

Resistencias Estatoricas Posibilidad de modificar valores en el arranque

Lapsos de arranque mayores a 5 segundos requieren resistencias más

costosas.

Las resistencias generan calor

Autotransformador

Las derivaciones del elemento permiten ajustar las tensiones de

arranque

Costoso para motores de potencia media inferior a los 100HP.

Arrancador Suave

Con un potenciómetro se regula y optimiza la corriente y torque de

arranque

Se posibilita el paro del motor en forma pausada

Calentamiento que sufren los elementos

Para largos periodos de aceleración, se requerirá un sistema adicional de

protección contra sobrecargas

Variador de velocidad

Par regulable durante la puesta en marcha

Variación de velocidad

Arranca cargas de gran inercia

Calentamiento que sufren los elementos

4.4 Normas, estándares y recomendaciones

- GUÍA DE DISEÑO DE INSTALACIONES ELÉCTRICAS 2010 – SCHNEIDER ELECTRIC

Guía de diseño de baja tensión. En el arranque de motores aconseja no tener caídas de voltaje mayores a un 10% del voltaje nominal. Por esta razón, aconseja un límite de corriente para evitar la respectiva caída de voltaje.

Tabla 5 - Límites de valor de la corriente en arranque directo

Tipo de Motor Ubicación _{Red de líneas aéreas}Corriente de Arranque máxima (A) _{Red de líneas soterradas}

Trifásico 400V Viviendas _Otros ₁₂₅60 ₂₅₀60

Tabla 6 - Potencias nominales máximas admisibles para motores de arranque directo

Tipo de Motor Ubicación

Corriente de Arranque máxima (A) Arranque en carga

máxima (kW)

Otros métodos de arranque (kW)

Trifásico 400V

Viviendas 5.5 11

Otros (Red líneas aéreas) 11 22

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- Curva ITIC

Las curvas se basan en la representación de la duración de un incidente y su voltaje como porcentaje de la tensión nominal de alimentación. Gracias a esto se define el margen dentro del cual el equipo podrá seguir funcionando sin interrupciones ni pérdidas de datos.

Ilustración 9 - Curva ITIC

- IEC 947-4-1-1 Clase de disparo

Esta norma específica la clase de disparo en función del tiempo (ta) para 7.2*In desde la condición de arranque.

Tabla 7 - Tiempos de disparo de protección de sobrecarga

Clase de disparo Tiempo

Clase 10A 2s<ta<10s Clase 10 4s<ta<10s Clase 20 6s<ta<20s Clase 30 9s<ta<30s

- NFPA 70 – Tabla 430.251(B)

Este estándar muestra las corrientes de rotor bloqueado para las diferentes clases de diseño de motores y su potencia en caballos de fuerza. Según estos valores, existe un límite de potencias de motores para cada magnitud de tensión.

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5 METODOLOGÍA DEL PROYECTO

La metodología de selección de arranques para un CCM se centra fundamentalmente en el comportamiento de la corriente y el voltaje, que por ende definen el comportamiento de la curva par-velocidad y los tiempos de arranque, respectivamente. A continuación se observa la metodología que se tomó para el desarrollo del proyecto.

Ilustración 10 - Metodología del proyecto

5.1 Preguntas Iniciales de selección

Cuando se quiere elegir el tipo de arranque, se debe tener en cuenta que el estudio del motor es una parte importante del procedimiento. Con las siguientes preguntas iniciales, se tendrá un estudio superficial acerca de la aplicación del motor y si la elección del dispositivo es la correcta para la aplicación.

- ¿A qué nivel de tensión se quiere conectar el motor? - ¿Qué tipo de carga se controlara?

- ¿Qué tipo de motor se necesita para la aplicación? - ¿Es necesario controlar la velocidad del equipo?

Ya teniendo claramente definido el tipo de aplicación que se llevara a cabo, a continuación se muestra la metodología general de selección de los arranques mostrado en la ilustración 11.

Se debe tomar en cuenta que no solo el manejo de la velocidad es un factor de selección del variador de velocidad. Se puede seleccionar este arranque en caso de que los otros tipos de arranques no cumplan con las especificaciones y normas eléctricas de diseño.

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6 TRABAJO REALIZADO

6.1 Consideraciones de diseño

6.1.1 Límite de corriente recomendado

Debido a que no existen normas ni estándares que definan los límites de corriente en una red urbana o industrial, se toma la siguiente metodología de selección de valores de corriente.

- Se consulta los valores recomendados por la guía de diseño de instalaciones eléctricas de

baja tensión de SCHNEIDER ELECTRIC. Esta guía aconseja una corriente de arranque de 250A en un nivel de tensión de 400V para motores de 60HP.

- Se calcula el porcentaje de reducción de la corriente teniendo en cuenta las corrientes de

rotor bloqueado de la tabla 430.251(B) presentada en el estándar NFPA 70 para los voltajes de 220V, 440V y 575V.

- La relación indica que es necesaria una reducción del 40% en la corriente de arranque del

motor.

Teniendo esto en cuenta, se realiza la siguiente tabla que define los límites de corrientes aconsejables para diferentes potencias y niveles de tensión.

Tabla 8 – Limites de corriente aconsejables

Voltaje Potencia del motor Corriente Limite

220V

Motores < 25 HP 250 A

Motores = 50 HP 456 A

Motores = 300 HP Motor no recomendable para este nivel de tensión según la NFPA 70

440V

Motores = 500 HP Motor no recomendable para este nivel de tensión según la NFPA 70

575V

6.1.2 Límite de par recomendado

Para determinar los límites que debe tener la curva par-velocidad, se tendrá en cuenta que el motor supere el torque requerido para mover la carga mecánica conectada. De igual forma, se debe tener en cuenta el tiempo que tarda en llegar a la velocidad máxima según el torque de aceleración que desarrolle. Para cumplir estos dos objetivos se seguirán las siguientes normas y recomendaciones.

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- La norma IEC 947-4-1-1 indica el tiempo de disparo de las protecciones de sobrecarga

del dispositivo. Esta norma se tendrá en cuenta en el arranque a tensión plena.

- La curva ITIC nos indica el tiempo máximo que soportan los dispositivos conectados

a la red cuando tienen variaciones en su tensión de alimentación. Esta norma se tendrá en cuenta en todos los tipos de arranques de motores.

6.2 Metodología de selección

6.2.1 Selección de arranque a tensión plena

Se aconseja el arranque directo, solamente en casos en donde motores son de muy pocos caballos de fuerza, ya que las grandes corrientes de arranque que presentan pueden generar caídas de tensión en la red y grandes esfuerzos mecánicos a la carga y al motor. Ya que se tiene un reducido número de caballos de fuerza, no se tendrá que realizar un estudio demasiado detallado de la carga mecánica que manejara el motor. Sin embargo, se debe tomar en cuenta la “Letra Código” y el voltaje de conexión, ya que por diseño y fabricación de este, se pueden generar altas magnitudes de corriente teniendo pocos caballos de fuerza.

A continuación se muestra la metodología planteada para la selección del arranque directo.

Ilustración 12 - Metodología Arranque Directo

Como se puede observar, se debe tomar en cuenta los caballos de fuerza, el código letra y el voltaje nominal del motor. Estos valores dan la información suficiente para el cálculo de la corriente de arranque con la siguiente ecuación.

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𝐼𝐴𝑟𝑟𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒=

(𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑒𝑛 𝐻𝑃) ∗ (𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑙𝑒𝑡𝑟𝑎 𝑐𝑜𝑑𝑖𝑔𝑜) ∗ 1000 √3 𝑉𝑙𝑙

Según el valor de esta corriente, se puede tomar la decisión de ajustarla eligiendo otro motor con una “Código Letra” que ofrezca menos corriente de arranque, sin tener que invertir en equipos de arranque de tensión reducida para cumplir con este objetivo.

6.2.2 Selección de arranques a tensión reducida

A continuación se planteara la metodología de selección de arranques de tensión reducida, teniendo en cuenta la clase de motor y el código de letra, ya que son los dos parámetros más importantes del motor a la hora de seleccionar un tipo de arranque.

Ilustración 13 - Metodología de selección de arranques

De la misma manera, se tiene en cuenta el código letra, los caballos de fuerza y el voltaje de conexión del motor. Ya que los motores tienen mayor capacidad de generación de torque, se debe tomar en cuenta el estudio de la curva par-velocidad. Para esto se toma en cuenta los caballos de fuerza y la velocidad máxima del rotor. Estos valores dan la información suficiente para el cálculo del torque nominal y este a su vez nos da la información del torque máximo e inicial según la clase de motor vista en la tabla 1. El procedimiento para hallar el torque nominal del motor es el que se muestra a continuación.

𝑇𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙[𝑁∗𝑀]=

(9550) ∗ ( 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎_[𝑘𝑊]) 𝑊[𝑅𝑒𝑣/𝑚𝑖𝑛]

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Se debe tomar en cuenta el torque inicial al modificar la corriente inicial, ya que la curva par-velocidad puede disminuir drásticamente y causar un bloqueo del motor en el arranque.

6.2.3 Selección de arranques electrónicos

6.2.3.1 ¿Cuál es la diferencia entre arrancador suave y un variador de

frecuencia?

Los arrancadores suaves son una buena elección cuando se trata de reducir el esfuerzo mecánico del motor durante el arranque. Sin embargo, la reducción de corriente durante el arranque no siempre se puede conseguir. Por otro lado, el variador de frecuencia mantiene bajo control el torque máximo del motor, permitiendo arrancar cualquier máquina agregando una reducción de corriente considerable. Finalmente la diferencia más importante es el control de velocidad, ya que el variador puede modificar la velocidad en cualquier etapa de operación.

6.2.3.2 Metodología de selección de un Arrancador Suave

A continuación se planteara la metodología de selección del arrancador suave

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Teniendo en cuenta la metodología planteada anteriormente, se muestra a continuación la explicación paso por paso de lo que se debe tomar en cuenta al seleccionar un arrancador suave.

1. Inicialmente se consulta la corriente nominal del motor.

2. Se elige un dispositivo opcional que cumpla con el control de la corriente nominal consultada en el punto anterior.

3. Se consulta la clase de arranque, teniendo en cuenta que clase de motor es y qué tipo de carga mecánica se acoplara a este. Si el motor requiere un arranque muy pesado, se deberá sobredimensionar el dispositivo, ya que la corriente en el arranque puede durar varios segundos y sobrecalentar el dispositivo.

4. Se debe consultar la frecuencia de maniobra ya que hay aplicaciones en donde se tienen arranques consecutivos, lo que provoca un calentamiento en los dispositivos electrónicos. Si la aplicación requiere múltiples arranques, se necesitara sobredimensionar el dispositivo.

5. Se debe tener en cuenta la temperatura ambiente a la que será expuesto ya que la corriente tiene más capacidad de conducción a altas temperaturas y esto puede traer consecuencias en el modo de operación.

6. Se debe tener en cuenta la altura sobre el nivel del mar en donde va a estar instalado el equipo, ya que a medida que aumenta la altura, se mejora la eficiencia del motor. Esto es debido a que son menores las temperaturas y el sistema electrónico funciona mucho mejor. Por otro lado, la densidad del aire es menor y esto puede disminuir la inercia al momento de arrancar un motor con una carga de gran volumen.

7. Finalmente se debe tener en cuenta el THD (Total Harmonic Distorsion), ya que este dato puede incluir la implementación de más equipos al sistema para evitar efectos no deseados en la red.

6.2.3.3 Metodología de selección de un Variador de Frecuencia

Inicialmente se define el perfil de operación de la carga, en donde se registra la corriente y el par del motor bajo todas las condiciones de operación posibles. Se obtendrán los valores más altos en las peores condiciones registradas de operación. El tamaño de un variador de frecuencia se basa en los máximos requerimientos de corriente bajo demandas de par pico.

(23)

Ilustración 15 - Metodología de selección de un variador de velocidad

Teniendo en cuenta la metodología planteada, se puede ver la similitud a la de un arrancador suave. Sin embargo, se pueden adicionar más servicios que el arrancador no ofrece.

1. La clase de arranque y motor se debe tomar en cuenta nuevamente. Si el motor tiene un torque nominal de un 170% del que soporta el variador, entonces será necesario redimensionarlo.

2. Se debe consultar el rango de frecuencia, ya que este nos indica que rango de velocidad puede ser controlada por medio del variador.

3. De la misma manera, se debe elegir el dispositivo, teniendo en cuenta la temperatura y altura de instalación.

Otros factores como el tipo de control, la humedad, la relación V/f, son igualmente importantes, pero no son fundamentales para la selección, ya que en la mayoría de variadores estos factores están estandarizados, lo que ofrecen numerosas opciones para el usuario.

(24)

6.3 Descripción de Resultados

6.3.1 Resultados Teóricos

6.3.1.1 Clasificación de motores para cada tipo de arranque

Teniendo en cuenta los tipos de arranque y las consideraciones de diseño mencionadas anteriormente, se realiza una tabla de selección de arranques inicial, basados fundamentalmente en los caballos de fuerza, el “Código Letra” y los voltajes de conexión más usados en la industria. A continuación se presenta la tabla inicial de selección del arranque directo.

Tabla 9 –Tabla inicial de selección de Arranque Directo

Tipo de arranque Nivel de Tensión Potencia del motor LCR restringida Código Letra recomendable

Directo

220V

1HP 2.6A – 57.7A A – V

5HP 13.1A – 249.31A A – T

10HP 26.2A – 236.1A A – K

20HP 52.48A – 209.94A A – C

30HP 78.72A – 236.18A A - (No recomendable)

440V

20HP 26.24A – 236.18A A – K

30HP 39.36A – 236.18A A – G

40HP 52.48A – 209.94A A – C

50HP 65.60A – 196.82A A - (No recomendable)

Como se puede observar, el arranque directo es recomendado en potencias menores a 30HP y 50HP para niveles de tensión de 220V y 440V respectivamente. En las simulaciones de los demás tipos de arranques, se omiten las potencias menores a estos valores, ya que el arranque directo es el mejor desde el punto de vista del motor. Sin embargo se debe tener en cuenta que cualquier tipo de arranque funciona adecuadamente para motores de baja potencia. A continuación se presenta la tabla inicial de selección del Estrella-Delta.

Tabla 10 - Tabla inicial de selección de Arranque Estrella-Delta

Estrella-Delta

220V

30HP 26.24A – 236.18A A - K

50HP 43.73A – 437.38A A - L

100HP 87.47A – 874.77A A - L

200HP 174.95A – 1749.54A A - L

440V

50HP 21.86A – 240.56A A - M

100HP 43.73A – 481.12A A - M

200HP 87.47A – 962.25A A - M

300HP 131.21A – 1180.94A A - K

400HP 174.95A – 1575.59A A - K

Como podemos observar, el modo de arranque estrella-delta restringe la corriente a un tercio de la corriente en arranque directo. Los resultados demuestran que este arranque es recomendado en potencias menores a 200HP y 400HP para niveles de tensión de 220V y 440V respectivamente. A continuación se presenta la tabla inicial de selección del arranque por resistencias o reactancias en el estator.

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Tabla 11 - Tabla inicial de selección de Arranque por Reactancias o Resistencias

Reactancias o Resistencias

220V

30HP 55.11A – 220.44A A - C

50HP 91.85A – 367.40A A - C

100HP 183.70A – 734.80A A - C

200HP 367.40A – 1469.61A A - C

440V

50HP 45.92A – 229.62A A - E

100HP 91.85A – 459.25A A - E

200HP 183.70A – 918.51A A - E

300HP 275.55A – 1102.21A A – C

400HP 367.40A – 1469.61A A – C

Como se puede observar, este arranque es igualmente recomendado en potencias menores a 200HP y 400HP para niveles de tensión de 220V y 440V respectivamente. Sin embargo, el “Código Letra” está más restringido ya que este arranque limita la corriente a un 70% del arranque directo. Ahora se presenta la tabla inicial de selección del arranque por autotransformador.

Tabla 12 - Tabla inicial de selección de Arranque por Auto-Transformador

Auto-Transformador

220V 100HP 131.21A – 918.51A A – H

200HP 262.43A – 1574.59A A - G

440V

100HP 65.60A – 459.25A A - H

200HP 131.21A – 918.51A A - H

300HP 196.82A – 1180.94A A - G

400HP 262.43A – 1574.59A A - G

575V

100HP 50.20A – 301.22A A - G

200HP 100.40A – 602.45A A - G

300HP 150.61A – 903.67A A - G

400HP 200.81A – 1204.90A A - G

500HP 251.02A –1506.13A A - G

El arranque por autotransformador es un método costoso para motores menores de 100HP. Por esta razón, se han omitido los rangos menores a este valor de potencia. Este tipo de arranque es recomendado para potencias menores a 200HP, 400HP y 500HP para niveles de tensión de 220V, 440V y 550V, respectivamente. Como se puede observar, el rango del “Código Letra” es mayor en comparación con el arranque por resistencias y menor con el arranque Estrella-Delta. Ahora, se presenta la tabla inicial de selección del arranque por arrancador suave.

Tabla 13 - Tabla inicial de selección por Arrancador Suave

220V 100HP 91.85A – 918.51A A - L

200HP 183.70A – 1653.32A A - K

440V

100HP 45.92A – 413.33A A - K

200HP 91.85A – 826.66A A - K

300HP 137.77A – 1239.99A A - K

400 HP 183.70A – 1653.32A A - K

575V

100HP 35.14A – 316.28A A - K

200HP 70.28A – 632.57A A - K

300HP 105.42A – 948.86A A - K

400 HP 140.57A – 1265.15A A - K

(26)

Como podemos observar, este método tiene mucho más rango de uso en motores de gran potencia y de numerosos “Códigos Letra”. Para este caso se toma una corriente de arranque máximo de 3.5 veces la corriente nominal del motor, que es el valor más usado en los arrancadores suaves. Finalmente, se presenta a continuación, la tabla inicial de selección del arranque por variador de velocidad.

Tabla 14 - Tabla inicial de selección por Variador de Velocidad

El variador de velocidad constituye el método de arranque por excelencia, ya que tiene un rango bastante amplio de control de motores de distintas potencias y tensiones. En conclusión, este modo de arranque funciona eficientemente para cualquier potencia, sin tener en cuenta el “Código Letra” del motor. A continuación se presentara el caso de estudio en donde se corroboran los resultados teóricos y se define de manera más exacta los límites de selección de arranques.

6.4 Resultados computacionales

6.4.1 Caso de estudio

Para analizar el comportamiento de los diferentes tipos de arranques y el impacto que tienen en la red, se diseña el siguiente caso de estudio.

Ilustración 16 - Caso de estudio – ETAP

Variador de Velocidad

220V 100HP 262.43A

A - V

200HP 524.86A

440V

100HP 131.21A

200HP 262.43A

300HP 393.64A

400 HP 524.86A

575V

100HP 100.40A

200HP 200.81A

300HP 301.22A

400 HP 401.63A

(27)

Inicialmente se consultan sistemas eléctricos industriales comunes, tomando los valores estándar en este tipo de esquemas, como la longitud de los conductores, niveles de tensión, parámetros de los trasformadores y parámetros de la red. Los datos del caso de estudio, fueron seleccionados del sistema eléctrico industrial tomado de la figura 4-20 del estándar “std-141 de 1993”. A continuación se puede observar el diagrama unifilar del sistema.

Ilustración 17 - Sistema Industrial de baja tensión [5]

El caso de estudio está diseñado para hallar el límite del “Código Letra” de un motor bajo las restricciones de corriente y voltaje planteadas inicialmente. Por esta razón, se realizan dos sistemas, donde cada uno de ellos posee las mismas características del otro. Cada sistema tiene conectado un motor clase B, de igual potencia pero de diferente “Código letra”, ya que este el parámetro clave a la hora de realizar el estudio de los arranques.

A continuación se selecciona la carga mecánica del motor como una carga con un par creciente a medida que incrementa la velocidad del motor. Este tipo de cargas son las más usadas ya que se encuentran en bombas, ventiladores, calefactores, mezcladoras, etc.

(28)

6.4.2 Arranque Directo

Inicialmente se simula el arranque directo con un motor de 20HP a 220V y 40HP en 440V tomando en cuenta los resultados teóricos vistos anteriormente. Los conductores fueron calculados con una capacidad de 125% con respecto a la corriente nominal que opera el motor, según el estándar NFPA 70. Como se puede ver en la siguiente ilustración, las potencias definidas para este tipo de arranque, cumplen el límite de caídas de tensión de 15%.

Ilustración 19 - Arranque Directo - Limite de corriente

A continuación, se hallan los valores críticos de selección en donde se simulan motores de potencias más altas con un código de letra bajo. De esta forma se halla un límite para este tipo de arranque teniendo en cuenta los caballos de fuerza. Los conductores no se recalculan ya que la idea es ver el límite que soporta el sistema evaluando el mismo arranque directo. A continuación se ve el resultado de la caída de tensión con los nuevos valores de potencias.

Ilustración 20 - Arranque Directo - Límite de caída de tensión 15 %

Como se puede ver en la ilustración anterior, se encuentra el límite de corriente en donde se alcanza una caída de tensión del 15% para motores de mayor potencia en HP y menor “Código Letra”.

Finalmente se llega a la siguiente tabla de resultados, en donde se define el límite de potencia para cada nivel de tensión y cada motor con su respectivo límite de “Código Letra”.

(29)

Tabla 15 – Limites de selección de Arranque Directo – 15% de caída de voltaje Tipo de arranque Nivel de Tensión Potencia del

motor LCR # Código Letra Código Letra

Directo 220V 23HP 140.94A – 345.39A 3In - 6In A - G

440V 50HP 175.83A – 615.4A 3In - 10.5In A - M

6.4.3 Arranque Estrella-Delta

En este tipo de arranque se manejan potencias mayores por lo que se recalculan los conductores para los respectivos motores. Inicialmente, se realizó la validación de los resultados teóricos y se pueden observar en la primera parte de la sección de anexos. Para los siguientes casos, se genera únicamente las gráficas del límite de motores para cumplir las restricciones planteadas inicialmente. A continuación se muestran los resultados de la simulación al hallar los límites de potencias que genera una caída de tensión máxima de 15%.

Ilustración 21 - Arranque Estrella-Delta - Límite de caída de tensión 15%

En este caso, las simulaciones fueron realizadas con motores de 200HP y 400HP para niveles de tensión de 220V y 440V respectivamente. Para cada simulación se realizó el arranque directo y luego se calcularon los tiempos para implementar el arranque Estrella-Delta. A continuación se muestran los resultados del estudio.

Tabla 16 – Limites de selección de Arranque Estrella Delta – 15% de caída de voltaje

Tipo de arranque

Nivel de Tensión

Potencia del

Estrella - Delta 220V 200HP 1651.65A - 3006A 3In – 6.37In A - H

440V 400HP 1657.25A - 2553.11A 3In – 5.39In A - F

6.4.4 Arranque Resistencia

En este tipo de arranque se realiza el mismo procedimiento visto anteriormente. A continuación se muestran los resultados de la simulación al hallar los límites de potencias implementando este tipo de arranque.

(30)

Ilustración 22 - Arranque por resistencias - Límite de caída de tensión 15%

En este caso, las simulaciones fueron realizadas nuevamente con motores de 200HP y 400HP para niveles de tensión de 220V y 440V respectivamente. Se realizó el mismo procedimiento de selección de tiempos usando como referencia el arranque directo. A continuación se muestran los resultados del estudio.

Potencia del

Resistencias 220V 200HP 1478.7A – 2953.46 3In – 5.99In A - G

440V 400HP 1458.6A –2629.37A 3In – 5.408In A - F

6.4.5 Arranque Autotransformador

Para este tipo de arranque se adiciono un nuevo nivel de tensión ya que con este método se pueden manejar potencias mucho más altas en los motores. A continuación se muestran directamente los resultados de la simulación al hallar los límites de potencias implementando este tipo de arranque.

Ilustración 23 - Arranque por autotransformador - Límite de caída de tensión 15%

En este caso, las simulaciones fueron realizadas con motores de 200HP, 400HP y 500HP para niveles de tensión de 220V, 440V y 575V respectivamente. Para cada simulación se realizó el

(31)

mismo procedimiento de cálculo de tiempos visto anteriormente. A continuación se muestran los resultados del estudio.

Potencia del

Resistencias

220V 200HP 1478.7A – 2953.46A 3In – 5.992In A – G

440V 400HP 1458.6A –2629.37A 3In – 5.408In A - F

575V 500HP 1327.5A – 2212.94A 3In – 5.001in A - F

6.4.6 Arrancador Suave

La mayoría de arrancadores suaves tienen implementada una opción que define el límite de corriente en el arranque. Teniendo esto en cuenta, varios fabricantes definen la corriente mínima como 3.5 veces la corriente nominal del motor.

Ilustración 24 - Limite de corriente en arrancadores suaves [6]

Para el diseño de la simulación, el límite fue puesto igualmente en 3.5 veces la corriente nominal del motor. De esta forma, se realiza la primera simulación en donde se observa el comportamiento de un motor de 200HP a 220V, modelado con un arrancador suave. Se simulan nuevamente los dos casos en donde se tiene la misma potencia de motor y se grafica el resultado de la caída de tensión generada.

(32)

Como se puede ver a continuación, la gráfica del comportamiento de la corriente efectivamente se encuentra restringida a 3.5 veces la corriente nominal. También se puede observar el aumento del tiempo de arranque para motores de código letra alto, ya que este tipo de motores exige una mayor magnitud de corriente.

Ilustración 26 – Arrancador Suave - Corriente con límite de ciada de tensión 15%

Finalmente se simulan los sistemas de 220V, 440V y 575V, y se hallan los límites de potencia de motores para este tipo de arranque con su determinado código letra. A continuación se muestran los resultados con el comportamiento de las tensiones en el sistema.

Ilustración 27 - Arrancador Suave - Límite de caída de tensión 15%

Como se puede observar, se logra una caída de tensión alrededor del 15% para cada nivel de tensión simulado, en donde la mayor caída se encuentra en el motor de más baja tensión. A continuación se muestra el comportamiento de la corriente para los tres tipos de motores en donde se puede ver claramente cómo se restringe la corriente de arranque en 3.5 veces la corriente nominal del motor.

(33)

Ilustración 28 - Arrancador Suave - Corriente con límite de ciada de tensión 15%

Finalmente se logra obtener los límites de potencia para los niveles de tensión simulados y los resultados se pueden observar a continuación.

Tabla 19 – Limites de selección del Arrancador Suave – 15% de caída de voltaje

Potencia del

Arrancador Suave

220V 200 1638.35A – 3042A 3In – 6.5In A - H

440V 400 1633.1A – 3032.9A 3In – 6.5In A - H

575V 500 1558.9A – 2895.1A 3In – 6.5In A - H

6.4.7 Variador de velocidad

Finalmente se realiza la simulación del variador de velocidad para la potencia máxima de motores disponible en los niveles de tensión evaluados. A continuación se puede observar el comportamiento de la tensión para motores de 200HP, 400HP y 500HP en niveles de tensión de 220V, 440V y 575V respectivamente.

Ilustración 29 – Arranque por variador de velocidad - Límite de caída de tensión 15%

Como se puede observar, este método de arranque desarrolla muy bajas caídas de tensión. A continuación se puede observar el comportamiento de la corriente en los tres motores.

(34)

Ilustración 30 - Variador de velocidad - Corriente con límite de caída de tensión 15%

Este arranque evita grandes magnitudes de corriente y siempre ofreciendo un torque máximo en el motor. A continuación se muestra la tabla de selección de este arranque.

Tabla 20 – Limites de selección de arranque por variador de velocidad – 15% de caída de voltaje

Potencia del

Variador de Velocidad

220V 200HP 501.8A 3In – 22In

A - V

440V 400HP 457A 3In – 22In

575V 500HP 436.1A 3In – 22In

7 Discusión de resultados

Como se pudo observar, cada uno de los arranques evaluados tiene su respectivo rango de funcionamiento para que de esta forma sea mucho más eficiente la selección de dispositivos. A continuación, se puede observar finalmente una tabla que recomienda los rangos de potencia y de “Código Letra” de los motores para cada tipo de arranque evaluado.

Tabla 21 - Recomendación de selección de tipos de arranques

Tipo de arranque

Nivel de Tensión

Potencia del

motor LCR restringida

Código Letra recomendable

Posibles aplicaciones

Directo 220V 20HP 52.48A – 209.94A A - C

Bomba centrifuga, centrifugadora, bomba helicoidal, ventiladores, calefactores, Extrusora, Enrollador, des-enrollador, mezcladora, amasadora.

440V 40HP 52.48A – 209.94A A - C

Estrella - Delta 220V 200HP 174.95A – 1749.54A A - L

440V 400HP 174.95A – 1575.59A A - K

220V 200HP 367.40A – 1469.61A A - C

440V 400HP 367.40A – 1469.61A A - C

Auto-transformador

220V 200HP 262.43A – 1574.59A A - G

440V 400HP 262.43A – 1574.59A A - G

575V 500HP 251.02A –1506.13A A - G

Arrancador Suave

220V 200HP 183.70A – 1653.32A A - K

440V 400 HP 183.70A – 1653.32A A - K

575V 500HP 175.71A – 1581.43A A - K

220V 200HP 524.86A A - V

440V 400 HP 524.86A A - V

(35)

Por otro lado, se puede observar a continuación la tabla de límites de los rangos de potencia y de “Código Letra” de los motores para cada tipo de arranque evaluado.

Tabla 22 - Limite de selección de tipos de arranques

Tipo de arranque Nivel de Tensión Potencia del motor Limite LCR Limite Código Letra

Directo 220V 23HP 140.94A – 345.39A A - G

440V 50HP 175.83A – 615.4A A - M

Estrella - Delta 220V 200HP 1651.65A - 3006A A - H

440V 400HP 1657.25A - 2553.11A A - F

220V 200HP 1478.7A – 2953.46 A - G

440V 400HP 1458.6A –2629.37A A - F

Auto-transformador

220V 200HP 1478.7A – 2953.46A A – G

440V 400HP 1458.6A –2629.37A A - F

575V 500HP 1327.5A – 2212.94A A - F

220V 200 1638.35A – 3042A A - H

440V 400 1633.1A – 3032.9A A - H

575V 500 1558.9A – 2895.1A A - H

220V 200HP 501.8A A - V

440V 400HP 457A A - V

575V 500HP 436.1A A - V

Por último, se logró que todos los arranques cumplieran el criterio impuesto por la curva ITIC. Con esto se asegura un óptimo funcionamiento de los equipos que probablemente estén conectados al mismo sistema. A continuación se puede ver la gráfica de la caída de tensión en el arranque suave comparada con al grafica ITIC.

Ilustración 31 – Comparación Arrancador Suave con Curva ITIC

Finalmente, se logró un diseño exitoso de la metodología de selección de arranques, teniendo en cuenta diferentes parámetros como los caballos de fuerza y el código letra de los motores.

(36)

8 CONCLUSIONES

Se logró identificar los parámetros principales que se deben tener en cuenta a la hora de elegir un arranque, para el tipo de motor que se haya seleccionado en la aplicación. Con esto se quiere llegar a que no solamente se tiene que mirar la potencia del motor a la hora de elegir un arranque. Muchos otros factores como la clase de motor y su letra código pueden afectar los valores esperados. Gracias a esto se logró diseñar una metodología que logra clasificar los arranques según el tipo de motor, teniendo en cuenta normas y recomendaciones tomadas de empresas de fabricación y diseño de sistemas de baja tensión como es el caso de Schneider Electric y la norma NFPA 70.

Finalmente se logró clasificar los motores para cada tipo de arranque por medio de tablas que especifican el nivel de tensión, la potencia en caballos de fuerza y el código letra del motor, teniendo en cuenta los resultados que se obtuvieron del caso de estudio diseñado en ETAP. Gracias a esta clasificación, se tendrá una guía mucho más acertada de que arranque elegir cuando se tiene un determinado tipo de motor sin tener grandes gastos energéticos y económicos.

9 Bibliografía

[1] Chapman, Maquinas Electricas, 3 ed.: McGraw-Hill, ed..

[2] L. Y. Yescas, «Motores electricos su clasificación,» [En línea]. Available: http://www.monografias.com/trabajos10/motore/motore.shtml.

[3] N. E. M. Association, «NEMA MG-1: Motors and Generators,» 1300 North 17th Street, Suite 1752,

2009.

[4] D. d. I. E. -. E.T.S.I.I, «Arranque de los motores de Induccion,» Practicas de tecnologia electrica, [En línea]. Available: http://www.die.eis.uva.es/~daniel/docencia/te/TEIQPractica9-2008.pdf.

[5] I. The institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE Recommended Practice for Electric Power Distribution for Industrial Plants, 1993.

[6] Sirius, Arrancadores Suaves, Siemens.

[7] K. U. Fitzgerald, Electric Machinery, McGraw-Hill. [8] S. G. K. Nadel, Energy Efficient Motor Systems, ACE.

[9] M. S. G. A. Jack Williams, «Evaluating the Effects of Motor Starting on Industrial and Commercial Power Systems,» IEEE Industry Applications Society.

[10] K. P. Piyush S. Patil, «Starting Analysis of Induction Motor: A Computer Simulation by Etap Power Station,» ICETET, International Conference, nº 211, pp. pp. 494-499, 2009.

[11] S. ELECTRIC, «Guia de diseño de instalaciones electricas - Segun normas IEC,» 2010, 5.4 Valores máximos admisibles de motores instalados en BT. [En línea]. Available:

http://www.schneider-electric.com.pe/documents/customers/ingenieria-proyectistas/Guia_diseno_instalaciones_electricas.pdf. [12] J. A. G. Serrano, «Simulacion de una accionamiento electrico con maquina asincrona de si

comportamiento frente a cargas mecanicas,» Universidad de Cartagena.

[13] «Standards and Methods for stating Squirrel Cage Induction Motors,» USMotors, [En línea]. Available: www.usmotors.com/TechDocs/ProFacts/Starting-Methods.aspx.

(37)

10 APENDICES

10.1 Resultados ETAP - Metodología

Resultados de la simulación realizadas en ETAP, que corroboran los resultados de la metodología planteada.

Caída de tensión - Arranque Directo

(38)

Caída de tensión – Resistencias Estatoricas

(39)

Caída de tensión – Arrancador Suave

(40)

Caída de tensión – Accionamiento de todos los arranques

(41)

10.2 Resultados ETAP – Limites

Resultados de la simulación realizadas en ETAP, que muestran el límite máximo de potencias en donde se cumplen los requerimientos planteados inicialmente.

Caída de tensión - Arranque Directo

(42)

Caída de tensión - Resistencias

(43)

Caída de tensión – Arrancador Suave

(44)

10.3 Tutorial ETAP – Arranque dinámico de motores Configuración del motor

1. Se diseña el diagrama unifilar del sistema industrial que se quiere evaluar. Para este caso, se toma el sistema del caso de estudio evaluado en el proyecto.

2. Luego de configurar adecuadamente cada elemento del sistema, se procede a la configuración del arranque en el motor eléctrico “M1”. Existen numerosas pestañas de configuración del motor pero en este tutorial veremos las más fundamentales.

En la pestaña de información se puede configurar las condiciones de servicio y el tipo de conexión. Igualmente se puede completar información vital para luego identificar rápidamente el motor en los resultados.

(45)

3. En la pestaña de placa del motor se puede configurar los parámetros principales como voltaje de conexión, potencia, diseño, eficiencia, deslizamiento y clasificar su respectivo % de funcionamiento en diferentes modos de operación. También se puede seleccionar motores de las librerías incluidas en ETAP.

4. En la pestaña de impedancias se puede configurar los parámetros de fabricación como sus respectivas reactancias. Esto es con el fin de modificar su comportamiento en su curva par-velocidad y su corriente de arranque. También por medio de estos parámetros se estudian casos de corto circuito.

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5. En la siguiente pestaña se selecciona el modelo del motor que se va a usar para análisis del arranque.

Esto define el comportamiento de la corriente, el torque y el deslizamiento, en cada cambio de velocidad del motor.

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6. En la siguiente pestaña se selecciona el modelo del comportamiento de la carga mecánica conectada del motor que se va a usar para análisis del arranque.

En este caso, se usa una carga mecánica que tiene un comportamiento de una curva par-velocidad de una función cubica. Sin embargo la carga puede ser cambiada por otro tipo de carga en la pestaña disponible en la ventana o modificada manualmente por el usuario ingresando a las librerías como se mostrara posteriormente.

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7. En la siguiente pestaña se introduce la inercia mecánica que tiene el motor, el acoplamiento y la carga.

Nota: Tener precaución al cambiar los valores de potencia o el modelo del motor, ya que esto produce un cambio automático en estos valores que produce irregularidades en los tiempos de arranque.

8. Finalmente, se pueden cambiar todos los parámetros anteriormente descritos por medio de las librerías que tiene por defecto el software. En la pestaña librería, se puede eliminar, editar o adicionar más motores, modelos del comportamiento el motor y de la carga mecánica.

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9. La configuración del arranque del motor se realiza por medio de la siguiente pestaña llamada “Start Dev”. Si no se selecciona ningún tipo de arranque, el motor realiza un arranque directo sin ninguna restricción de corriente y voltaje.

Hay trece tipos de arranques de motor que se pueden seleccionar. Los últimos cuatro tipos (Límite de corriente, control de corriente, control de tensión y control de par) son los modos más usados de control de arrancadores suaves. Para modelar un arrancador suave, se puede seleccionar cualquiera de estos cuatro tipos y especificar un esquema de control según sea necesario.

Tipo Descripción

None No starting device

Auto-xfmr Auto-transformer

Stator Resistor Series resistor to the stator

Stator Reactor Series reactor to the stator

Capacitor, Bus Shunt capacitor connected to a motor bus

Capacitor, Terminal Shunt capacitor connected to the motor terminal

Rotor Resistor Series resistor to the rotor

Rotor Reactor Series reactor to the rotor

Y/D Star - delta

Partial Winding Partial winding

Current Limit Soft starter – current limit

Current Control Soft starter – current control

Voltage Control Soft starter – voltage control

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Para la mayoría de los arranques de tensión reducida, es necesario modelar el comportamiento de los múltiples estados que puede tener el arranque.

En este caso podemos observar cómo se puede modelar el cambio de estado de reducción de tensión por medio de la velocidad del motor. Igualmente existe la posibilidad de configurar el arranque por tiempos de accionamiento.

Para la respectiva configuración de arrancador suave, se usó el control de voltaje. Cada restricción del % de voltaje fue puesto en modo rampa ya que este es el modo de funcionamiento principal de este dispositivo.

Para cada tipo de arranque evaluado, fue necesario realizar la simulación del arranque directo del motor y luego calcular los tiempos necesarios de activación de las etapas de los arranque a tensión reducida.

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10.Para la simulación por variador de velocidad, se modifica el diagrama unifilar de la siguiente manera.

Nota: La ubicación del variador depende del diseño. No necesariamente debe ser de la forma descrita anteriormente. Solo se muestra la ubicación para el caso de estudio evaluado en el proyecto.

11. Para la configuración de variador, principalmente se configura la siguiente pestaña con los valores del equipo necesario para el arranque del motor evaluado.

Para la configuración del arranque se configura la pestaña “Star Dev”. Si se selecciona la opción “Ninguno”, la salida del VFD tendrá que mantener la frecuencia de salida y tensión nominal seleccionada. Cuando se selecciona la opción “Ninguno”, todos los demás campos se ocultarán en la página, ya que no se aplican más.

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En este caso de arranque por control de frecuencia, los parámetros que se pueden modificar son el % de frecuencia y el porcentaje de la relación V/Hz. De la misma manera se puede limitar la corriente que produce el arranque del motor.

12.Finalmente, después de configurar el arranque requerido, se realiza la siguiente configuración de simulación para visualizar los resultados del estudio. Se oprime el icono que realiza el estudio de arranque de motores y luego se oprime el icono de configuración representado por un maletín, el cual realiza la configuración de tiempos de accionamiento de motores.

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En la pestaña de “Eventos”, se agrega el evento o carpeta que guardara la cantidad de arranques que se deseen, en el caso de que sean varios motores. Esta carpeta tendrá un tiempo definido por el usuario. En la ventana de accionamiento de elementos, se adicionan los motores que se quieren accionar en ese tiempo dado.

Nota: Un parámetro importante es el tiempo de simulación, el cual se configura en esta misma ventana. Este tiempo es indispensable para que la simulación se realice sin ningún error y los datos se puedan recuperar en la visualización de los resultados.

13. Finalmente, para realizar la simulación, se oprime el siguiente icono ubicado al lado derecho de la pantalla.

14.Para recuperar los datos y gráficas, se da clic en el siguiente icono.

En la ventana se puede seleccionar el elemento que se quiere visualizar y sus respectivas graficas generadas después de la simulación.