Escuela de Educación Secundaria Técnica N°8 “Juan Bautista Alberdi” - La Plata

“Evaluación y Análisis Energético de una Instalación Electromecánica, y diseño y aplicación de un sistema de mejora del rendimiento de la misma”

Evaluación Anual de Capacidades Profesionales La Plata - Noviembre 2014

El presente trabajo fue realizado por los alumnos del curso de 7º Electromecánica, para la EACP 2014, presentado en el encuentro “Buenos Aires con Vos”, en la Ciudad de La plata en Noviembre de 2014 Participantes:

ADGI ROMANO GUSTAVO AGUIRRE JONATHAN ALFONSO ENZO BELARDINI JOAQUIN CARROZO PEREYRA FACUNDO COLUNGA EDUARDO DELGADILLO TORRICO CRISTIAN FRONTINI JUAN MANUEL GAMALERI FRANCO GIMENEZ BRUNO LOGULO JUAN MARTIN LUNA JUAN NEMCIK DIEGO PEREZ MAURICIO RISSINI MARIANO RONCONI MATIAS SARRIES JOAQUIN SILVA MAURO VICENTE SERGIO

Abstract Un técnico hoy en día debe tener la visión sobre el rendimiento de los procesos y un funcionamiento optimo de los mismos. Se debe promover un mejor aprovechamiento energético, aportando conocimientos sobre las distintas tecnologías y fomentando un buen uso de la energía, buscando el máximo rendimiento posible. Como técnicos queremos concientizar sobre la cantidad de energía que no es utilizada y a su vez es desperdiciada, como también sobre las posibilidades para aprovecharla y tener una mejor eficiencia. En el presente proyecto se evaluara el aprovechamiento energético asociado a una maquina electromecánica, en este caso un ascensor. Se mostraran diversas maneras de estudiar y optimizar el funcionamiento de la maquina mediante factores mecánicos y eléctricos. Se analizarán factores como la utilización de variadores de frecuencia súper regenerativos, maquinas gearless de imanes permanentes y la automatización del sistema lumínico del ascensor. Estos factores servirán considerablemente.

para

mejorar

el

consumo

energético

Como resultado final se obtiene una maquina mucho más eficiente gracias a la utilización de tecnologías y sistemas modernos y, a su vez, lograr un razonamiento acerca del uso debido de la energía.

Desarrollo Impacto ambiental: Las consideraciones medioambientales deberán abarcar todo el ciclo de vida del producto desde su concepción y fabricación hasta el fin de su vida pasando por el servicio que deba prestar. Un aspecto crítico puede ser el del uso y servicio de la maquina, ya que comprende el consumo energético y los diferentes aspectos asociados al mantenimiento de la maquina (desplazamientos del personal técnico, recambio de piezas, sustitución de aceites, etc.) El 70% de la energía eléctrica se produce por medio de la explotación de combustibles fósiles (petróleo). Cada KVA ahorrado generaría una menor explotación del petróleo, y una intervención menos impactante en el medio ambiente. En consonancia a lo expuesto este compromiso medioambiental ha sido desde el principio una prioridad impuesta en el diseño, por ello se ha procurado mejorar la eficiencia general del ascensor y limitar el uso de ciertos productos. En este aspecto podrá aceptarse un ligero sobrecoste en la selección de un determinado componente del ascensor si con ello se consigue una mejora en la eficiencia o una reducción en su impacto. La energía no se ahorra, se aprovecha. Es todo aquello que produce un cambio de estado. Todas las cosas cambian su posición, su estructura y su temperatura. Para cualquiera de estos cambios se necesita energía, es uno de los procesos más importantes y a la vez más misteriosos. Calor, luz, electricidad, movimiento, sonido y fuerzas nucleares son diferentes manifestaciones de lo mismo, la energía. Todo lo que vemos de alguna forma es energía, sin embargo la energía en sí misma no es algo que pueda verse ni separarse del resto del universo, pero si podemos reconocerla en el mundo en el que vivimos. A lo largo de los siglos el hombre ha ido comprendiendo la importancia de la energía, mejorando su aprovechamiento. El hombre utiliza energía en todas sus actividades, todas sus maquinas las consumen, por eso es constante la búsqueda de nuevas fuentes de energía. Los científicos definen la energía como la capacidad de producir trabajo, no se crea ni se destruye, simplemente se transforma.

Transformación de la energía: El hombre ha conseguido transformar formas de energía en otras diferentes, como por ejemplo energía eléctrica en mecánica y viceversa. La transformación de la energía es algo corriente en la naturaleza. Puede aparecer de distintas formas pero siempre es energía, se suelen distinguir distintos tipos de energía. No es posible crear energía de la nada, se debe trasformar una anterior disponible. El sol es la mayor fuente de energía que tenemos a nuestro alcance. La energía es la base de la civilización industrial; sin ella la vida moderna dejaría de existir. Durante la década del setenta, el mundo empezó a ser consciente de la vulnerabilidad de los recursos energéticos. La mayor parte de las fuentes primarias de energía no son utilizables directamente en la forma en que se encuentran en la naturaleza. Por esta razón deben ser transformadas en “productos energéticos” a los que se conoce como fuentes de energéticas intermedias, que son las que los consumidores finales encuentran en el mercado energético. Gracias a maquinas y dispositivos más o menos complejos, el hombre aprovecha las fuentes internas de energía, como la electricidad, para satisfacer sus necesidades. Cada una de estas necesidades implica “extraer” energía de un cuerpo para transmitirla a otro cuerpo, de modo que se obtenga el efecto útil o los cambios que se deseen en cada caso. Por ejemplo: un obrero que trabaja con el martillo neumático, “extrae” una parte de la energía de los alimentos que ingiere, “almacenada” en estos para transmitirla a sus brazos y cerebro y transformarla en energía cinética y en energía radiante de los impulsos eléctricos que se manifiestan en su cerebro. El martillo, por otra parte, funciona a partir del aire comprimido producido por un motocompresor, que recibe la energía entregada por un generador que a su vez “extrae” la energía del combustible empleado para hacerlo funcionar. Esto es lo que llamamos una cadena de transformaciones energéticas Es costumbre hablar de “producción”, “consumo” y “ahorro” de energía. Estos términos están acuñados por el uso; sin embargo, no son rigurosamente correctos. Cuando hablamos de producir, consumir o ahorrar energía eléctrica, en realidad lo que se debe entender es la transformación de la energía de unas formas a otras y su transmisión de unos cuerpos a otros, ya sea en una mayor o menor cuantía. No es posible producir energía como se produce una silla, o consumirla como nos tomamos un helado. En el caso de la energía, los procesos de su transformación y transmisión están sujetos a regulaciones importantes, como las impuestas por los principios de transformación, conservación y degradación de la energía.

Historia del uso energético: El uso de la energía ha evolucionado a través de los tiempos, pero se ha hecho vertiginoso a partir de la Revolución Industrial (1750-1850) en un intervalo de menos de trescientos años, que resulta prácticamente infinitesimal comparado con los cientos miles de años de existencia del hombre. Como se verá, ha sido tan rápido e indiscriminado el uso de los combustibles fósiles (petróleo, gas, carbón, etc.) que se ha alterado el equilibrio ecológico, situación que hoy amenaza la existencia misma de la especia humana. El uso de combustible fósiles representa más del 80% del consumo energético actual, esto implica mucho peligro para el planeta y fundamenta la imperiosa necesidad de recurrir al empleo de las fuentes de energía renovable. Pérdidas: En la parte mecánica del ascensor se producen pérdidas que comprenden gran parte de las perdidas energéticas de todo el sistema. El sistema de motor – reductor requiere gran consumo de energía para producir los resultados deseados, es decir, producir una baja velocidad con un gran torque en base a grandes velocidades con poco torque. Esas pérdidas se pierden en fricción, que produce calor. El calor es una de las formas en las que la energía se manifiesta en todos los sistemas del universo. Estas pérdidas por rozamiento comprenden aproximadamente alrededor de un 50% de las pérdidas totales en un motor-reductor Las perdidas por rozamiento pueden reducirse pero son imposibles de disolver en su totalidad. El rendimiento en una maquina con rozamientos nunca es igual a 1 (100%), anteriormente las maquinas eran en su mayoría mecánicas con una minoría eléctrica. En la actualidad, con el avance de la electrónica, las maquinas eléctricas están reduciendo sus partes mecánicas, siendo reemplazadas por la electrónica, logrando así, disminuir las perdidas mecánicas (rozamiento, fricción, tracción, choque, etc.) La parte eléctrica o electrónica también tiene perdidas, como perdidas por histéresis o Foucault, sin embargo estas son considerablemente menores, a comparación con las perdidas mecánicas. A su vez todo sistema electromecánico necesita y debería tener un mantenimiento adecuado, ya que sin este todo tipo de optimización seria obsoleta.

Existen diferentes maneras para reducir el rozamiento, como la lubricación, la utilización de materiales con menor coeficiente de roce, y la reducción de velocidad hasta cierto límite. La más utilizada y más importante es la lubricación, ya que es la manera en la que se puede reducir considerablemente el coeficiente de roce. En el conexionado del ascensor, se encuentran 3 partes en las que las se comprende la mayor parte de las pérdidas totales, estas 3 son debidas al rozamiento. Motor-reductor: El sistema de sin fin y corona reduce la velocidad produciendo un gran torque capaz de producir el movimiento del sistema contrapeso-cabina, y con ello elevar la carga. Este sistema produce una gran cantidad de pérdidas debidas al rozamiento. Para disminuir considerablemente la velocidad y sumarle el torque se requiere una gran cantidad de energía, esta energía es enviada al ambiente en forma de calor. Guías: Las guías son las encargadas de guiar el bastidor y el contrapeso. Al ser unas guías mecánicas se producen pérdidas debidas al rozamiento. En la actualidad se reemplazan las guías de rozamiento por guías de rodadura Cables de acero: En los cables de acero se produce un rozamiento producido por la flexión de los alambres internos, las pérdidas que produce dicho rozamiento son menores al 1% No es un número importante, pero tampoco despreciable. Se utilizan materiales especiales para disminuir el coeficiente de roce y, así, disminuir considerablemente las perdidas por fricción Es por esto que es necesario un mantenimiento adecuado.

Mantenimiento: Existen diversos tipos de mantenimiento, sin embargo nos enfocamos en los más importantes para las maquinas electromecánicas. Mantenimiento preventivo: El mantenimiento preventivo es una actividad programada de inspecciones, tanto de funcionamiento como de seguridad, ajustes, reparaciones, análisis, limpieza, lubricación y calibración, que deben llevarse a cabo de forma periódica en base a un plan establecido. El objetivo es la identificación temprana de futuras incidencias o defectos en los materiales, en la estructura o en cualquier otro de modo que puedan ser corregidos rápidamente para mantener la funcionalidad y los elevados niveles de seguridad, confort y eficiencia que se requieren. Un correcto mantenimiento preventivo supone disminuir los costes en las reparaciones, los tiempos de interrupción del servicio, aumenta la vida útil de la instalación y permite detectar cuales son los fallos repetitivos de manera que puedan realizarse en el futuro mejores diseños que den lugar a productos más competitivos. Mantenimiento Correctivo: El mantenimiento correctivo consiste en las reparaciones de mayor o menor importancia que deberán realizarse ante un funcionamiento incorrecto, deficiente o incompleto que no haya podido ser advertido con tiempo durante las revisiones preventivas o que por su naturaleza no pueda preverse. Estas acciones no implican cambios funcionales sino que corrigen defectos técnicos entendiéndose por tal como una diferencia o desviación entre las especificaciones de la maquina y su funcionamiento real. Capacitores: Un capacitor es un elemento capaz de almacenar energía eléctrica de forma temporal, para entregarla cuando sea necesario. Está formado por dos conductores próximos uno a otro, separados por un aislante de tal modo que puedan estar cargados con el mismo valor pero con signos contrarios. La cantidad de energía que puede almacenar el capacitor depende de distintos factores:  Del tamaño de las placas  De la distancia entre armaduras  Del tipo de dieléctrico La capacidad de los capacitores se mide en Faradios (F), y al deberse a cargas muy grandes se usan submúltiplos como los Nanofaradios, microfaradios y hasta picofaradios. Al haber una separación de cargas con distinto potencial aparece un campo eléctrico en el interior del capacitor Ultracapacitores:

Son elementos de última tecnología que permiten almacenar energía suficiente, en cortos periodos de tiempo, para controlar fenómenos de potencia de punta como la aceleración o el frenado repentino de un vehículo eléctrico. Tienen una densidad de energía inusualmente alta en comparación con los capacitores comunes Ventajas:  Los supercapacitores pueden cargarse y descargarse cientos de miles (incluso millones) de ciclos sin perder rendimiento. Las pilas solo funcionan correctamente con una cantidad limitada de ciclos de carga/descarga  Al contrario de las baterías, los supercapacitores se cargan y descargan muy rápidamente  Tienen métodos simples de descarga, ya que el voltaje limitación compensa para la autodescarga.  Almacenaje rentable de la energía. Una densidad más baja de la energía es compensada por una cuenta de ciclo muy alta. Desventajas:  Normalmente los supercapacitores almacenan entre una quinta y una décima parte de lo correspondiente a una pila  Las baterías liberan la energía de forma lenta y durante un periodo de tiempo más largo, mientras que los supercapacitores liberan su carga muy rápidamente  La autodescarga es considerablemente más alta que la de una batería electroquímica Aplicaciones: La investigación de supercapacitores se encuentra motivada por las enormes ventajas que su uso representa para el desarrollo de circuitos eléctricos:  Gran periodo de operación  Capacidad de manejar altos valores de corriente  Valor de carga fácil de monitorear  Alta eficiencia  Gran rango de voltaje  Gran rango de temperatura  Ciclos de funcionamiento largos  Facilidad de mantenimiento

Recuperación de energía: Desde principios del siglo XX, los motores eléctricos fueron y son, las máquinas para conseguir trabajo mecánico más utilizados sobre todo por su bajo costo y alto rendimiento. Sin embargo, la mayoría tiene un inconveniente, que es la regulación de su velocidad. En el caso de los motores de CA (los más utilizados) el problema es que su velocidad depende del Nº de pares de polos que posee la máquina, y de la frecuencia de operación. Para aplicaciones de baja velocidad y alto torque se presentan ciertas complicaciones, que, si bien no son insalvables, sí son complicadas de resolver. Una manera de resolver la cuestión es utilizar máquinas de CC, pero la instalación se torna cara, complicada y de rendimiento algo menor, juntamente con un alto mantenimiento. El modo más práctico de solucionar el problemas es utilizar motores de más de una velocidad y reductores de velocidad mecánicos (sinfín y corona). Como novedad, y gracias al avance de la electrónica de potencia, desde hace un tiempo son utilizados con éxito variadores de frecuencia, con los que se logran aceleraciones y deceleraciones suaves y precisas. En la actualidad existen sistemas de bajas velocidades, denominados gearless, cuyo funcionamiento acompañado de un variador de velocidad, permite ahorrar un gran porcentaje de pérdidas en rozamiento y calor, ocasionadas por el motoreductor. Estos equipos, como su nombre lo indica, no poseen reducción mecánica. El motor eléctrico está construido con rotores de imanes extremadamente poderosos (de tierras raras), y el campo magnético del estator es obtenido por alimentación de equipos electrónicos de alta potencia, con lo que se logran las bondades de la máquinas de CC, sumadas a un gran rendimiento, simplicidad, bajo mantenimiento y características de torque a baja velocidad nunca antes obtenidas.

Equipo convencional

Además existenMotor variadores de frecuencia CA + Reductor mecánico súper-regenerativos que permiten la Equipo Gearless utilización de sistemas de recuperación de energía al contrario de un variador convencional que disipa esta energía por bobinas, para evitar un bus de corriente contínua ( sobre tensiones)

Por ejemplo: En un ascensor, la cabina está unida al contrapeso a través de una polea. Cuando el contrapeso baja, la cabina sube y cuando el contrapeso sube, la cabina baja. El contrapeso se dimensiona para equilibrar la cabina con la mitad de su carga nominal. El ascensor podría demandar energía o devolverla. En el primer caso la energía es absorbida desde la red eléctrica, mientras que en el segundo caso la energía que genera o devuelve el ascensor es enviada a una resistencia de frenado que la desprende en forma de calor.

Si la cabina sube vacía o con poca carga, esta pesa menos que el contrapeso, subiendo la cabina y bajando el contrapeso por efecto de la gravedad, actuando el motor como freno generando energía. También se genera energía cuando la cabina baja muy cargada, la cabina es más pesada que el contrapeso y baja por efecto de gravedad. Esta energía era desperdiciada, pero con el siguiente sistema al conectar dos cables a cualquier ascensor sin necesidad de modificar la instalación existente se recuperara la energía (en algunos casos toda) generada por el ascensor.

Esta energía será consumida por el propio sistema, ahorrando aproximadamente un 30% Los diagramas siguientes muestran de que manera este equipo mejora la eficiencia energética de los elevadores.

Cuando la maquina eléctrica opera como generador, la energía es inyectada en el bus de continua del variador de frecuencia. El equipo es capaz de absorber esta energía y almacenarla con una potencia dada por su valor nominal, esto se representa por la flecha verde en el diagrama. Si la potencia generada es mayor que la potencia máxima del equipo, la energía resultante es disipada de forma convencional, en la resistencia de frenado (flecha roja). Si el equipo se estropea se desconecta. Esto proporciona altos niveles de seguridad funcional a la instalación, algo muy importante en sistemas destinados a las personas

Esta figura muestra un ejemplo real de un ciclo de recuperación de la energía. La potencia de la maquina eléctrica se muestra en azul y la línea verde muestra la potencia acumulada por el equipo. El área debajo de la curva muestra la energía almacenada.

La segunda forma de operación de un ascensor sucede cuando la maquina eléctrica funciona como motor, demandando por tanto energía del bus de continua del variador de frecuencia. En ese caso el equipo se descarga, inyectando la energía requerida por el bus de continua (flecha verde) y minimizando el pico de potencia. Si la energía finalmente requerida es superior a la almacenada en el equipo, entonces la diferencia se obtiene de forma tradicional, esto es, a través de la alimentación eléctrica trifásica del variador (flecha roja). Se comprueba que la característica de neutralidad de la instalación se mantiene. La siguiente figura muestra un ejemplo del caso mencionado anteriormente. La línea azul representa el consumo de potencia de un ascensor, sin equipo y en rosa la potencia que se consume con el equipo. Como se puede observar, el pico instantáneo máximo se reduce en 3kW (de 8kW a 5kW). El área en cuadros verdes representa el ahorro de energía en el ciclo.

El equipo está constituido por un conversor de electrónica de potencia altamente eficiente y un modulo de ultracapacidades. El convertidor electrónico se encarga del intercambio energético entre el bus de continua del variador de frecuencia y el voltaje de reducido valor del modulo de ultracapacidad. El convertidor limita la potencia máxima intercambiable, pero el sistema es fácilmente escalable en potencia utilizando diversos convertidores en paralelo. De la misma manera, el modulo de ultracapacidades limita la energía máxima que se puede almacenar, pero ampliando varios módulos en paralelo permite ampliar la capacidad de almacenaje del sistema. Este equipo consta de tres partes: 

Hardware: realiza la función de conversión de energía eléctrica por lo que su diseño depende el tipo de ascensor. Se consigue una eficiencia energética de hasta 95%

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Ultracapacidades: es donde se almacena la energía eléctrica. La ventaja frente a las baterías convencionales es su funcionamiento a largo plazo, mucho más independiente del ciclado que las baterías y su mejor respuesta en entregar potencias elevadas en cortos intervalos de tiempo.

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Software: realiza labores de supervisión y control del hardware, siendo el responsable de las altas eficiencias de los convertidores del equipo.

En casos óptimos el ahorro puede ser de hasta el 66% del consumo producido por el motor del ascensor. Ventajas del uso del equipo: 

La energía eléctrica consumida por el ascensor disminuye.

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Sencillez: puede incorporarse en nuevas instalaciones o en instalaciones ya existentes Escalable en potencia y energía. Puede ser ajustado a cada instalación concreta maximizando el ahorro o la rentabilidad. La energía no se devuelve a la red, se almacena y se reutiliza.

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Otras posibles soluciones pueden ser la buena elección de control de maniobra para obtener una gestión eficiente del tráfico redundante, para un mismo nivel de servicio, un número de arranques y tiempo de funcionamiento menor y así lograr un menor consumo ahorrando aproximadamente 10%.

Como se debería tener una buena elección en el control de la gestión de maniobra, también tendría que elegirse adecuadamente la iluminación.

Control de iluminación: Sensores: Un sensor es un dispositivo capaz de detectar y medir cualquier tipo de magnitud física o química; llamadas variables de instrumentación. Diseñados con componentes pasivos que varían su magnitud en función de alguna variable (por ej. una resistencia variable) Ahorro en iluminación: Un ascensor tiene un gran porcentaje de pérdida de energía en iluminación que no es utilizada. La iluminación permanece constantemente encendida, sumado al consumo que utiliza un tubo fluorescente, las pérdidas son demasiado grandes. Por ejemplo: Un sistema de iluminación continua de dos tubos fluorescentes de 35W tiene un consumo igual a 613KW por año. A contraparte un sistema de iluminación continua de luces LED de 18Wtiene un consumo igual a 315KW por año. La diferencia de consumo es casi del 50 %. Si a estos sistemas de iluminación le agregamos un sistema de detección de presencia con sensores, tendríamos un consumo de 23KW por año para los tubos fluorescentes y un consumo de 13KW por año para las luces LED. La iluminación LED puede suponer hasta un 90% de ahorro de la iluminación del ascensor si se combina con el kit de autoapagado Autoapagado: Los ascensores con variador de frecuencia convencionales lo mantienen energizado incluso cuando el ascensor no está en uso. Una maniobra con esta función de ahorro de energía en reposo apaga los sistemas de potencia y la señalización para reducir el consumo al mínimo. En ascensores de bajo uso representa una de las principales fuentes de ahorro. Una maniobra con esta función puede ahorrar desde un 30% hasta un 50% de la energía principal en reposo.

Por ende, el sistema ideal para ahorrar energía en la iluminación de un ascensor seria un sistema de iluminación LED con sensores de detección de presencia.

Ensayo: A los efectos de observar el comportamiento de la máquina en distintas condiciones de trabajo, se realizó un ensayo, en el cual se le daba encendió y apagó a un motor trifásico de CA cada 12 segundos, primero se realizó un arranque convencional con contactores, y luego se utilizó un variador de frecuencia, para lograr un arranque suave Mediante un sistema de conexionado de vatímetros se realizo la medición de la potencia activa que consumía dicho motor, los resultados finales tuvieron un valor de aprovechamiento energético de aproximadamente un 40% utilizando el variador de frecuencia. A continuación la grafica del sistema de arranque del motor con ambos sistemas.

Se observó una clara diferencia en el consumo de arranque. Esto demuestra que la inversión en variadores de frecuencia está altamente justificada, ya que se logra el mismo arranque sin el consumo de pico habitual. Esto redunda en un rendimiento mayor de la instalación, así como también en menores costos de mantenimiento y mayor suavidad de marcha.