PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO – CHILE ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

ESTUDIO DE FACTIBILIDAD TÉCNICA DEL APROVECHAMIENTO DE ENERGÍAS EN UN SISTEMA DE ESCALERAS MECÁNICAS CASO MALL

JONHY GABRIEL VIDAL GONZÁLEZ

INFORME FINAL DEL PROYECTO PRESENTADO EN CUMPLIMIENTO DE LOS REQUISITOS PARA OPTAR AL

TÍTULO

PROFESIONAL DE

INGENIERO ELÉCTRICO

Mayo 2009

ESTUDIO DE FACTIBILIDAD TÉCNICA DEL APROVECHAMIENTO DE ENERGÍAS EN UN SISTEMA DE ESCALERAS MECÁNICAS CASO MALL

INFORME FINAL

Presentado en cumplimiento de los requisitos para optar al título profesional de Ingeniero Eléctrico otorgado por la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la Pontificia Universidad Católica de Valparaíso

Jonhy Gabriel Vidal González

Profesor Guía Profesor Correferente

Sr. Domingo Ruiz Caballero Sr. Paulino Alonso Rivas

Mayo 2009

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ACTA DE APROBACIÓN La Comisión Calificadora designada por la Escuela de Ingeniería Eléctrica ha aprobado el texto del Informe Final del Proyecto de Titulación, desarrollado entre el segundo semestre de 2007 y el primer semestre de 2008, y denominado

ESTUDIO DE FACTIBILIDAD TÉCNICA DEL APROVECHAMIENTO DE ENERGÍAS EN UN SISTEMA DE ESCALERAS MECÁNICAS CASO MALL

Presentado por el Señor Jonhy Gabriel Vidal González

Domingo Ruiz Caballero Profesor Guía

Paulino Alonso Rivas Segundo Revisor

Raimundo Villarroel Valencia Secretario Académico

Valparaíso, Mayo 2009

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ESTUDIO DE FACTIBILIDAD TÉCNICA DEL APROVECHAMIENTO DE ENERGÍAS EN UN SISTEMA DE ESCALERAS MECÁNICAS - CASO MALL

Jonhy Gabriel Vidal González

Profesor Guía Sr. Domingo Ruiz Caballero

RESUMEN

El principal objetivo de este trabajo es estudiar la posibilidad de aprovechar las energías reactivas generadas por los procesos de frenado de las escaleras mecánicas en los mall. En primer lugar se entrega una introducción de los sistemas regenerativos existentes en la actualidad, mostrando sus distintos elementos constituyentes y describiendo sus principales ventajas y desventajas. Además se dan a conocer ejemplos de sistemas reales en los cuales se están usando estos sistemas regenerativos. Luego se da paso a la descripción de los componentes y funcionamiento de las escaleras mecánicas, señalando en detalle sus características y la funcionalidad de estos elementos dentro de estas escaleras convencionales. Seguidamente se procede a aplicar estas técnicas de regeneración en las escaleras mecánicas, simulando su funcionamiento en el programa simulink. La alimentación del par de escaleras, una descendente y otra ascendente, se realiza por medio de un rectificador trifásico de onda completa, el que alimenta un DC link al que están conectados los inversores provistos del denominado “control vectorial”, que alimentarán al motor impulsor correspondiente a cada escalera. Además se realiza un análisis armónico a este sistema, y finalmente una evaluación económica de este proyecto, para así analizar su viabilidad económica y técnica.

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ÍNDICE Pág. INTRODUCCIÓN CAPÍTULO 1 SISTEMAS REGENERATIVOS Y LAS ESCALERAS MECÁNICAS. 1.1 ACCIONAMIENTOS 1.2 BARRA CORRIENTE CONTINUA COMÚN (DC LINK) 1.2.1 Unidad de Alimentación 1.2.2 La Unidad Nfe (Non-regenerative front-end) 1.2.3 La Unidad Ffe (Fundamental Front-End) 1.2.4 La Unidad Afe (Active Front-End) 1.2.5 Inversor 1.2.6 Unidad de Freno 1.3 REGENERACIÓN IGBT: OBJETIVOS DE REGULACIÓN 1.4 CONFIGURACIÓN ANTIPARALELO DE PUENTES A TIRISTORES 1.5 REGENERACIÓN 1.5.1 Sistema de Grúas 1.5.2 Resistencia de Frenado 1.5.3 Nueva Tecnología 1.5.4 Correas Transportadoras Descendentes 1.5.5 Ejemplo de Ap licación 1.6 DESCRIPCIÓN DE LAS ESCALERAS MECÁNICAS. 1.7 FUNCIONAMIENTO DE LA ESCALERA MECÁNICA. 1.7.1 Unidad impulsora 1.7.2 Mecanismo de Los Peldaños. 1.7.3 Mecanismo De Tracción De Las Barandas

1

2 2 4 5 5 5 5 6 6 6 7 9 10 12 12 14 14 15 18 18 26 29

CAPÍTULO 2 SISTEMA REGENERATIVO IMPLEMENTADO EN ESCALERAS MECÁNICAS 32 2.1 SIMULACIÓN EN SIMULINK 32 2.2 INTRODUCCIÓN IMPLEMENTACIÓN DEL CONTROL VECTORIAL 38 2.3 DESCRIPCIÓN DEL CONTROL VECTORIAL 39 2.4 SIMULACIONES CON CONTROL VECTORIAL. 43 2.5 RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN 46 CAPITULO 3 ESTUDIO ARMÓNICO DEL SISTEMA CON CONTROL VECTORIAL IMPLEMENTADO PARA LAS ESCALERAS MECÁNICAS 3.1 DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA. 3.2 RESULTADOS DEL ESTUDIO ARMÓNICO PARA 2 MOTORES 3.2.1 Simulación Carga Baja 2 Motores

53 53 55 55

v

3.2.2 Simulación Carga Media 2 Motores 3.2.3 Simulación Carga Nominal 2 Motores 3.3 RESULTADOS DEL ESTUDIO ARMÓNICO PARA 8 MOTORES. 3.3.1 Simulación Carga Baja 8 Motores 3.3.2 Simulación Carga Media 8 Motores 3.3.3 Simulación Carga Nominal 8 Motores

57 58 60 60 61 63

CAPÍTULO 4 FACTIBILIDAD TÉCNICA Y ECONÓMICA DEL SISTEMA CON CONTROL VECTORIAL EN LAS ESCALERAS MECÁNICAS. 4.1 DESCRIPCIÓN DE LOS EQUIPOS A UTILIZAR 4.2 TARIFAS ELÉCTRICAS. 4.3 SIMULACIÓN 8 MOTORES 4.4 SIMULACIÓN 2 MOTORES 4.5 FUNDAMENTOS ECONÓMICOS. 4.5.1 Valor Actualizado Neto (V.A.N.). 4.5.2 Tasa Interna de Rentabilidad (T.I.R) 4.5.3 Tiempo de Rec uperación de La Inversión 4.5.4 Relación Beneficio/Costo (B/C) 4.6 EVALUACIÓN ECONÓMICA DEL PROYECTO 4.6.1 Cálculo Del T.I.R 4.6.2 Cálculo del VAN 4.6.3 Relación Beneficio/Costo

65 65 70 72 75 77 78 79 80 80 81 81 84 86

CONCLUSIONES

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BIBLIOGRAFÍA APÉNDICE A IMPLEMENTACIÓN DEL CONTROL VECTORIAL EN SIMULINK APÉNDICE B GRÁFICAS DE POTENCIAS

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ÍNDICE DE FIGURAS Pág. FIGURAS Figura 1-1: Categorías de aplicaciones de accionamientos Figura 1-2: Alternativas de conexión DC link Figura 1-3: Puente rectificador con IGBT Figura 1-4: Puente rectificador con tiristores en antiparalelo. Figura 1-5: Regeneración. Figura 1-6: Diagrama eléctrico simplificado de grúa. Figura 1-7: Chooper y resistencia de frenado Figura 1-8: Nueva tecnología de regeneración en grúas. Figura 1-9: Ahorro de energía en grúas Figura 1-10: Motores en paralelo Figura 1-11: Mecanismo de tracción de las escaleras mecánicas Figura 1-12: Vista general del mecanismo Figura 1-13: Guía de los escalones Figura 1-14: Cadena de peldaños Figura 1-15: Rueda dentada para la cadena de peldaños Figura 1-16: Ubicación de la unidad impulsora. Figura 1-17: La ubicación del motor en la unidad impulsora. Figura 1-18: Curvas características de motor estándar. Figura 1-19: Motor y engranaje. Figura 1-20: Caja de engranaje tipo tornillo sin fin. Figura 1-21: Ubicación de piñón de salida en la caja de engranaje. Figura 1-22: Componentes de una cadena de rodillos. Figura 1-23: Tracción de la caja de engranaje a árbol mecánico de peldaños. Figura 1-24: Identificación de ruedas dentadas de árbol mecánico. Figura 1-25: Ubicación del freno de servicio. Figura 1-26: Peldaño. Figura 1-27: Peldaño con rodillos. Figura 1-28: Cadena de peldaños. Figura 1-29: Unión de los escalones a la cadena de peldaños. Figura 1-30: Rueda dentada inferior. Figura 1-31: Guía de peldaños. Figura 1-32: Mecanismo de impulsión del árbol mecánico para las barandas. Figura 1-33: Pasamanos y balaustrada. Figura 1-34: Sistema de rodillos para los pasamanos. Figura 2-1: Circuito implementado en simulink. Figura 2-2: Torque en el motor 1. Figura 2-3: Torque en el motor 2. Figura 2-4: Velocidad motor 1. Figura 2-5: Velocidad motor 2

3 4 8 8 10 11 11 13 13 14 16 17 17 18 18 19 19 21 22 23 23 24 24 25 26 27 27 28 28 29 29 30 30 31 32 33 34 35 35

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Figura 2-6: Barra CC, tensión entre líneas en el motor. Figura 2-7: Zoom barra CC, tensión entre líneas en el motor. Figura 2-8: Corriente motor 1. Figura 2-9: Corriente motor 2. Figura 2-10: Torques y corriente del circuito. Figura 2-11: Cambio de coordenadas de la transformada de Clarke. Figura 2-12: Gráficas de la transformada de Clarke. Figura 2-13: Gráfica de la transformada de Park Figura 2-14: Circuito implementado en simulink Figura 2-15: Bloques del control vectorial Figura 2-16: Bloque del control de velocidad. Figura 2-17: Gráfica de factor de potencia y potencias de entrada con regeneración. Figura 2-18: Corriente, velocidad y torque en la escalera ascendente. Figura 2-19: Flujo de energía con regeneración. Figura 2-20: Corriente, velocidad y torque en la escalera descendente. Figura 2-21:Gráfica de factor de potencia y potencias de entrada sin regeneración. Figura 2-22: Corriente, velocidad y torque en la escalera ascendente. Figura 2-23: Corriente, velocidad y torque en la escalera descendente. Figura 2-24: Flujo de energía sin regeneración. Figura 3-1: Análisis armónico para el circuito de escaleras. Figura 3-2: Distorsión armónica corriente 2 motores carga baja. Figura 3-3: Distorsión armónica tensión 2 motores carga baja. Figura 3-4: Distorsión armónica corriente 2 motores carga media. Figura 3-5: Distorsión armónica tensión 2 motores carga media. Figura 3-6: Distorsión armónica corriente 2 motores carga nominal. Figura 3-7: Distorsión armónica tensión 2 motores carga nominal. Figura 3-8: Distorsión armónica corriente 8 motores carga baja. Figura 3-9: Distorsión armónica tensión 8 motores carga baja. Figura 3-10: Distorsión armónica corriente 8 motores carga media. Figura 3-11: Distorsión armónica tensión 8 motores carga media. Figura 3-12: Distorsión armónica corriente 8 motores carga nominal. Figura 3-13: Distorsión armónica tensión. Figura 4-1: Motor de inducción. Figura 4-2: Variador de frecuencia. Figura 4-3: Diagrama de conexión de tarjeta para encoder. Figura 4-4: Tarjeta para encoder. Figura 4-5: Encoder. Figura 4-6: Caja de engranaje Figura 4-7: Diagrama de conexión de los reactores de línea. Figura 4-8: Variación de la TRMA para viabilidad con 8 motores. Figura A-1: circuito a implementar en el simulink. Figura A-2: Componentes en simulink Figura A-3: Red trifásica.

36 36 37 37 38 41 42 42 44 45 45 47 48 49 49 50 51 51 52 54 56 56 57 58 59 59 60 61 62 62 63 64 66 66 67 68 68 69 70 86 A-1 A-2 A-3

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Figura A-4: Parámetros de la red trifásica. Figura A-5: sistema de 2 motores Figura A-6: Sistema para 1 motor. Figura A-7: Parámetros del puente rectificador Figura A-8: Parámetros para el inversor trifásico Figura A-9: Parámetros para el motor de inducción. Figura A-10: Control por campo orientado Figura A-11: Parámetros para el F.O.C. Figura A-12: Control de velocidad Figura A-13: Bloque de parámetros para el control de velocidad. Figura B-1: 8 motores sin regeneración carga baja. Figura B-2: 8 motores sin regeneración carga media. Figura B-3: 8 motores sin regeneración carga alta. Figura B-4: 8 motores con regeneración carga baja. Figura B-5: 8 motores con regeneración carga media. Figura B-6: 8 motores con regeneración carga alta. Figura B-7: 2 motores sin regeneración carga baja Figura B-8: 2 motores sin regeneración carga media Figura B-9: 2 motores sin regeneración carga alta. Figura B-10: 2 motores con regeneración carga baja. Figura B-11: 2 motores con regeneración carga media. Figura B-12: 2 motores con regeneración carga alta.

A-3 A-4 A-5 A-6 A-6 A-7 A-8 A-9 A-10 A-11 B-1 B-2 B-2 B-3 B-3 B-4 B-4 B-5 B-5 B-6 B-6 B-7

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ÍNDICE DE TABLAS TABLAS Tabla 1.1: Tipos de procesos y aplicaciones. Tabla 1.2: Rango de potencia de motores para escaleras mecánicas. Tabla 1.3: Protección según norma IP para el motor. Tabla 1.4: Grado de protección IP para gabinete de control. Tabla 3.1: Norma para distorsión armónica de corrientes. Tabla 3.2: Norma para distorsión armónica de tensión. Tabla 4.1: Características del motor de inducción. Tabla 4.2: Características del encoder Tabla 4.3: Características de caja de engranaje. Tabla 4.4: Tarifa CONAFE Tabla 4.5: Tarifa CHILQUINTA Tabla 4.6: Demanda y consumo de 8 motores sin regeneración. Tabla 4.7: Demanda y consumo de 8 motores con regeneración. Tabla 4.8: Ahorro de dinero mensual 8 motores, CONAFE Tabla 4.9: Ahorro anual por motor para el caso 8 motores, CONAFE. Tabla 4.10: Ahorro de dinero mensual con CHILQUINTA. Tabla 4.11: Ahorro anual por motor para el caso 8 motores, CHILQUINTA. Tabla 4.12: Demanda y consumo de 2 motores sin regeneración. Tabla 4.13: Demanda y consumo de 2 motores con regeneración. Tabla 4.14: Ahorro de dinero mensual 2 motores, CONAFE. Tabla 4.15: Ahorro anual por motor para el caso 2 motores, CONAFE. Tabla 4.16: Ahorro de dinero mensual 2 motores, CHILQUINTA. Tabla 4.17: Ahorro anual por motor para el caso 2 motores, CHILQUINTA. Tabla 4.18: Costo de los dispositivos. Tabla 4.19: Ahorro anual en pesos y UF para 8 escaleras, CHILQUINTA. Tabla 4.20: Ahorro anual en pesos y UF para 8 escaleras, CONAFE. Tabla 4.21: Ahorro de dinero a 10 años para 8 escaleras. Tabla 4.22: Ahorro anual en pesos y UF para 2 escaleras, CHILQUINTA. Tabla 4.23: Ahorro anual en pesos y UF para 2 escaleras, CONAFE. Tabla 4.24: Ahorro de dinero a 10 años para 2 escaleras. Tabla A.1: Especificaciones para el F.O.C. Tabla A.2: especificaciones del control de velocidad.

3 20 20 21 54 55 65 68 69 71 72 73 73 74 74 75 75 76 76 76 76 77 77 81 87 87 87 88 88 89 A-9 A-10

INTRODUCCIÓN

En Chile, a diferencia de la tendencia mundial, el crecimiento de la economía implica mayor consumo de energía. En años anteriores el consumo de energía en chile creció un 7% anual, casi duplicando las tasas de crecimiento económico. Esta situación genera despilfarro de recursos naturales, mayor dependencia y gasto en los hogares, menor competitividad en el sector productivo y mayor contaminación. Chile necesita aprender a usar la energía en forma eficiente e inteligente, en todos los sectores: residencial, comercial, transporte, industria, etc. los países desarrollados llevan 30 años de eficiencia y han logrado crecimiento económico con menos energía. Varios países latinoamericanos también tienen planes de eficiencia energética con excelentes resultados. En la industria y el comercio ayudados por el avance en las tecnologías, la preocupación por el medio ambiente y creatividad se han logrado muchos métodos para aprovechar los recursos energéticos, disminuyendo los costos de los procesos y por ende aumentando su productividad. El aprovechamiento de los frenados y la energía potencial de las cargas permite la regeneración de energía en los sistemas eléctricos, en los que se aplican nuevas técnicas y tecnologías. El estudio del ahorro de energía en escaleras mecánicas no ha tenido un avance significativo, dejando de lado estos grandes avances en la regeneración.

2

CAPÍTULO 1

SISTEMAS REGENERATIVOS Y LAS ESCALERAS MECÁNICAS.

1.1

ACCIONAMIENTOS Las aplicaciones de accionamientos se pueden dividir en tres categorías

principales en función de la velocidad y el torque. La aplicación de accionamientos de CA (corriente alterna) más habitual es en un cuadrante, en la que la velocidad y el torque siempre tienen la misma dirección: el flujo de la potencia (velocidad multiplicada por el torque) va del inversor al proceso. En estas aplicaciones, que suelen ser de bombas y ventiladores, el torque de la carga tiene un comportamiento cuadrático, por lo que se las suele llamar aplicaciones a torque variable. Algunas aplicaciones en un cuadrante como las extrusoras o las cintas transportadoras son aplicaciones a torque constante (el torque de la carga no tiene por qué cambiar al cambiar la velocidad). La segunda categoría son las aplicaciones en dos cuadrantes, en las que, sin que cambie la dirección de rotación, puede cambiar la dirección del torque (el flujo de potencia puede ir del accionamiento al motor o viceversa). Un accionamiento en un cuadrante puede serlo en dos, por ejemplo, al decelerar un ventilador más rápido que de forma natural con las pérdidas mecánicas. En muchas industrias, un paro de emergencia puede precisar de un funcionamiento en dos cuadrantes aunque el proceso sea en un cuadrante. La tercera categoría son las aplicaciones en cuatro cuadrantes en las que puede cambiar libremente la dirección de la velocidad y el torque. Las más típicas son ascensores, cabrestantes y grúas, si bien muchos procesos de corte, plegado, tejeduría y bancos de pruebas de motores pueden necesitar que la velocidad y el torque cambien repetidamente. También cabe mencionar procesos en un cuadrante en los que el flujo de potencia va principalmente de la

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maquinaria al inversor, como una bobinadora o una cinta transportadora descendente. Por lo general, desde un punto de vista de ahorro de energía, un motor de CA con un inversor es mejor que los métodos de control mecánico como el estrangulamiento. Sin embargo, se presta menos atención al hecho de que muchos procesos pueden contar con un flujo de la potencia del proceso al accionamiento. Existe una enormidad de áreas donde se pueden encontrar este tipo de procesos los que se indican en la tabla 1.1.

Tabla 1.1: Tipos de procesos y aplicaciones.

Industrias

Aplicaciones

Cemento, minería y minerales

Montacargas, cintas transportadoras, trituradoras.

Químicos, Petróleo y Gas

Bombas, compresores, extrusores, mezcladores.

Metales

Laminadoras, enrolladoras, bombas y ventiladores.

Pulpa y Papel

Ventiladores, bombas, refinadores y astilladoras.

Generación de energía

Ventiladores y bombas.

Otras aplicaciones

Bancos de pruebas y túneles de viento.

Figura 1-1: Categorías de aplicaciones de accionamientos

4

1.2

BARRA CORRIENTE CONTINUA COMÚN (DC LINK)

Los accionamientos de CA modernos constan de un rectificador de entrada que convierte la tensión de CA en tensión de CC (corriente continua) que se almacena en condensadores de CC. El inversor convierte a su vez la tensión de CC en tensión de CA alimentando al motor de CA a la frecuencia deseada. La potencia de proceso necesaria fluye a través del rectificador, de las barras de CC y el inversor hacia el motor. La cantidad de energía almacenada en los condensadores de CC es muy pequeña en comparación con la potencia necesaria, es decir, el rectificador tiene que dar constantemente la potencia que necesita el motor más las pérdidas del sistema de accionamiento. Las alternativas de conexión de este sistema de barra común se muestran en la figura 1-2, y el significado de cada dispositivo se explica a continuación.

Figura 1-2: Alternativas de conexión DC link

5

1.2.1 Unidad de Alimentación

Las unidades de alimentación convierten la tensión y la intensidad de CA de red en tensión e intensidad de CC. La potencia se transfiere desde la red al bus de CC (y, en ciertos casos, a la inversa).

1.2.2 La Unidad Nfe (Non-regenerative front-end)

Es un convertidor de potencia unidireccional (modo motor) para la alimentación de accionamientos con bus de CC. La NFE es una unidad que opera como un puente de diodos utilizando componentes diodo/tiristor. Se emplea una reactancia dedicada externa a la entrada. La NFE es capaz de cargar el bus de CC. Esta unidad es adecuada como unidad rectificadora cuando se acepta un nivel normal de armónicos y no se necesita regeneración a red.

1.2.3 La Unidad Ffe (Fundamental Front-End)

Es un convertidor de potencia bi-direccional (regenerativo) para la alimentación de accionamientos con bus de CC. La FFE es una unidad que opera como un puente de diodos en modo motor y como un puente de tiristores en antiparalelo en modo regenerativo. En la unidad FFE se utilizan IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) en lugar de tiristores. Se emplea una reactancia dedicada externa a la entrada. La unidad FFE es adecuada como unidad rectificadora cuando se acepta un nivel normal de armónicos, y se necesita regeneración a red.

1.2.4 La Unidad Afe (Active Front-End)

Es un convertidor de potencia bi-direccional (regenerativo) para la alimentación de accionamientos con bus de CC. Se emplea un filtro LCL externo

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a la entrada. Esta solución es adecuada en aplicaciones donde se requiera bajos armónicos de red.

1.2.5 Inversor

El INU (Inverter unit) es un inversor de potencia bi-direccional, alimentado en CC, para alimentar y controlar motores de CA. El INU se alimenta desde un bus de CC. En el caso de que la conexión se realice sobre un bus de CC en tensión, se necesita un circuito de carga.

1.2.6 Unidad de Freno

El BCU (Brake chopper unit) es un convertidor de potencia unidireccional para el suministro de energía excedente a resistencias, a partir de un bus de CC, donde la energía se disipa en forma de calor. Se necesitan resistencias externas.

1.3

REGENERACIÓN IGBT: OBJETIVOS DE REGULACIÓN En las unidades de regeneración IGBT existen tres objetivos de regulación

generales. El primero consiste en mantener estable la tensión en el DC link con independencia del valor absoluto y la dirección del flujo de la potencia. Así se asegura que los inversores que alimentan motores de CA puedan funcionar óptimamente independientemente del punto de funcionamiento gracias a una tensión de bus de CC estable. La tensión de bus de CC es estable cuando el flujo de potencia hacia las barras de CC es igual al de salida de éstas. Esta regulación del flujo de potencia se consigue regulando el ángulo de potencia entre los dos sistemas de CA. El segundo objetivo de regulación consiste en minimizar la intensidad de alimentación necesaria (funcionar a cos( ) = 1,0), lo que se consigue regulando la tensión de salida de la unidad convertidora. En algunas aplicaciones se desea

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que la unidad convertidora IGBT también funcione a modo de carga inductiva o capacitiva. El tercer objetivo de regulación es minimizar el contenido de armónicos de la intensidad de alimentación. Los principales criterios de diseño en este caso son el valor de la reactancia y que el método de regulación sea adecuado.

1.4

CONFIGURACIÓN ANTIPARALELO DE PUENTES A TIRISTORES En un convertidor de frecuencia, los puentes rectificadores de diodos se

pueden sustituir por los dos rectificadores controlados por tiristores en antifase (figura 1-4). Esta configuración permite cambiar el puente rectificador según el flujo de potencia que se necesite en el proceso. Los principales componentes de la unidad de alimentación por tiristores son dos puentes de tiristores de 6 pulsos. El puente directo convierte la alimentación trifásica de CA en CC. Suministra alimentación a los convertidores (inversores) mediante el circuito intermedio. El puente inverso convierte la CC en CA cuando se necesita desviar el poder de frenado del motor sobrante a la red de alimentación. Sólo funciona uno de los puentes mientras el otro está bloqueado. El ángulo de disparo del tiristor se controla constantemente para mantener la tensión del circuito intermedio al nivel deseado. La selección del puente directo/inverso y el control de la tensión del circuito intermedio se basan en la determinación de la intensidad de alimentación, la tensión de alimentación y la tensión del circuito intermedio. La reactancia de CC filtra las ondulaciones de corriente del circuito intermedio.

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Figura 1-3: Puente rectificador con IGBT

Figura 1-4: Puente rectificador con tiristores en antiparalelo.

Principales ventajas del puente de tiristores antiparalelo:

Solución bien conocida. Inversión menor a la necesaria con una solución IGBT. La tensión de CC se puede regular a un valor inferior que la red, lo que en algunas aplicaciones especiales puede ser ventajoso.

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Principales desventajas del puente de tiristores antiparalelo:

La tensión de bus de CC siempre es inferior a la tensión de alimentación de CA para mantener un margen de conmutación. De este modo, la tensión alimentada al motor es más baja que la CA de entrada. Sin embargo, esto se puede solucionar utilizando un autotransformador elevador en la alimentación. Si la CA de alimentación desaparece se corre el riesgo de que se fundan los fusibles debido a alguna falla de conmutación de los tiristores. Cos( ) varía con la carga. La distorsión armónica total es más alta que en las unidades IGBT regenerativas. La distorsión de la intensidad fluye a través de otras impedancias de la red y puede provocar una distorsión de la tensión no deseada en otros dispositivos alimentados desde el punto donde existe la distorsión de tensión. No se dispone de capacidad de frenado durante las fallas momentáneas de la red principal.

1.5

REGENERACIÓN Cuando en un proceso hay varios accionamientos y un motor necesita

capacidad de frenado mientras los demás funcionan como motor, la solución con barras de CC comunes es muy eficaz para reaprovechar la energía mecánica. Como se explicó anteriormente un sistema de accionamiento con barras de CC comunes (DC link) consta de un rectificador de alimentación aparte que convierte CA en CC, e inversores que alimentan a motores de CA conectados a las barras de CC comunes (las barras de CC son el canal que desplaza la energía de frenado de un motor en beneficio de los demás motores). En la figura 1-5 se indica la configuración básica de las barras de CC comunes.

10

Figura 1-5: Regeneración.

1.5.1

Sistema de Grúas

Antiguamente las grúas funcionaban en su totalidad con motores de corriente continua por tener un gran torque de partida y una regulación de velocidad fácil de alcanzar. Pero con la aparición de los dispositivos semiconductores y con el avance en la eficiencia de los motores a inducción, se ha logrado introducir estos motores y la tecnología de inversores. La construcción de las grúas existentes actualmente se han preocupado de reducir el factor de potencia, la disminución de armónicos, la regulación de tensión y de la regeneración de la energía en el frenado de los motores introduciendo la configuración del diagrama de la figura 1-6, en la cual no se grafica la barra de corriente continua la que se encuentra entre los iconos de los tiristores, entre el elevador principal y carro. En esta barra de corriente continua existe un banco de condensadores los que almacenan la energía de freno de los motores con el propósito de regular la tensión de la barra de corriente continua. La energía por efecto de freno

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regenerativo es dirigida a la red, para alimentar cargas auxiliares o aprovecharla por algún motor que sea alimentado por la barra de corriente continua que esté trabajando en el mismo instante del frenado.

Figura 1-6: Diagrama eléctrico simplificado de grúa.

Figura 1-7: Chooper y resistencia de frenado

12

1.5.2

Resistencia de Frenado

Una posibilidad de limitar la tensión de bus de CC consiste en dirigir la energía de frenado hacia un banco de resistencia a través de un chopper de frenado. El chopper de frenado es un conmutador eléctrico que conecta la tensión de bus de CC a una resistencia en la que la energía de frenado se transforma en calor. Los chopper de frenado se activan automáticamente cuando la tensión de bus de CC actual supera un nivel determinado según la tensión nominal del inversor. Uno de los inconvenientes del aprovechamiento de la regeneración en las grúas es que la energía producida por el frenado es muy impulsiva lo que provoca que sea muy difícil su almacenamiento. Actualmente existe un dispositivo que está diseñado para almacenar esta energía y además de poder entregarla cuando se necesite.

1.5.3

Nueva Tecnología

El dispositivo desarrollado es un interesante método para hacer uso de esta

energía

desaprovechada

en

grúas

de

pórtico,

consiste

en

el

almacenamiento de energía de alto ciclaje en un sistema de volante, diseñado para captar, almacenar y suministrar energía eléctrica durante tiempos reducidos. El volante, que se encuentra en una cámara al vacío, almacena energía cinética aumentando su velocidad, usando la energía de frenado regenerativa abastecida por el motor ca de la grúa cuando desacelera la carga en el viaje descendente.

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Figura 1-8: Nueva tecnología de regeneración en grúas.

Figura 1-9: Ahorro de energía en grúas

14

Figura 1-10: Motores en paralelo

Como se puede observar en la figura 1-9 el ahorro de energía es considerable con éste dispositivo de regeneración.

1.5.4 Correas Transportadoras Descendentes

La barra común de corriente continua permite conectar varios motores a una misma barra, suministrando así un flujo de energía optimizado. La energía de frenado generada en un motor puede ser transferida a otros inversores a través de la barra común sin consumo de energía desde la red de suministro. La eficiencia energética es óptima debido a tener un factor de potencia cercano a la unidad en todo el rango de velocidad. En las correas de transportación descendentes el frenado provocado por la carga en los motores es constante, lo que produce una ventaja con respecto al tipo de regeneración impulsiva de la grúa.

1.5.5

Ejemplo de Aplicación

La mina Los Pelambres, a 200 km al norte de Santiago y a 45 km al este de Salamanca, en la provincia de Choapa, fue descubierta en los años 20 por

15

William Braden, uno de los padres de la minería del cobre chilena. Actualmente, es la quinta mina de cobre más grande del mundo. Equipada con tecnología Siemens, la cinta en descenso más avanzada del mundo transporta mineral de cobre desde la mina Los Pelambres, a 3.200 m sobre el nivel del mar, hasta la planta de concentración, situada a 1.900 m. La cinta está diseñada para mover un máximo de 8.700 t/h de material a granel y transporta mineral de cobre en una banda de 1,8 m de ancho a una velocidad de 6 m/s. En el corazón de los accionamientos de la cinta hay 10 motores trifásicos de jaula de ardilla con una potencia nominal de 2,5 MW cada uno, alimentados por convertidores Siemens de media tensión. Una innovadora solución de control en lazo cerrado y accionamiento basada en productos de automatización Siemens garantiza un funcionamiento suave permanente de la cinta. La tecnología GTO y Active Front End (AFE), combinada con un chopper, permite mantener los tramos de la cinta bajo control. Un sistema que implica la configuración redundante de sistemas de control y comunicación garantiza la seguridad de la cinta en todos los modos de operación. Gracias a la utilización de un moderno sistema de accionamiento, el transporte del mineral de cobre desde la mina hasta el concentrador permite generar aproximadamente 19 MW de energía eléctrica, que se devuelven a la red eléctrica de la planta. Esto reduce los costos de producción del concentrado de cobre.

1.6

DESCRIPCIÓN DE LAS ESCALERAS MECÁNICAS.

Una escalera mecánica es una escalera inclinada, que se mueve de modo continuo y que transporta personas hacia arriba y hacia abajo. Las escaleras mecánicas se utilizan en edificios comerciales, grandes almacenes y en estaciones de metro y ferrocarril, para conducir un torrente de gente por un camino limitado de uno a otro nivel.

16

El conjunto consiste en una cadena continua de escalones arrastrada por un mecanismo con motor eléctrico por medio de dos cadenas de rodillos, una a cada lado. Los escalones van guiados por rodillos que corren por unas guías que mantienen las huellas de los escalones en posición horizontal en la zona útil. Encima de cada barandilla existe un pasamanos a una altura de 0,85 a 1,10m del borde del escalón, corriendo paralelamente a los peldaños y prácticamente a la misma velocidad. El mecanismo de tracción es el mostrado en la figura 1-11, que utiliza un reductor de tornillo sin fin. El motor jaula de ardilla es ubicado en la parte superior de la escalera. En la mayoría de las escaleras este motor es de 6 polos conectado a un reductor el que produce el giro del eje que provoca el giro de las ruedas dentadas. La mayor velocidad a que pueden moverse los peldaños de la escalera es de aproximadamente 0.6 m/seg. En la figura 1-12 se muestra en forma general este mecanismo.

Figura 1-11: Mecanismo de tracción de las escaleras mecánicas

17

Figura 1-12: Vista general del mecanismo

En la figuras 1-13 se muestran el mecanismo de guía que tienen los escalones y en la figura 1-14 se puede apreciar la cadena de peldaños que impulsa los escalones para que rueden por la guía antes mencionada. La cadena de la figura 1-14 es montada a la rueda dentada del eje principal de la figura 1-15. El movimiento de este eje principal es producido por medio de una cadena unida al piñón de la caja de engranaje reductora del motor de inducción. Todo este funcionamiento es explicado en detalla a continuación.

Figura 1-13: Guía de los escalones

18

Figura 1-14: Cadena de peldaños

Figura 1-15: Rueda dentada para la cadena de peldaños

1.7

1.7.1

FUNCIONAMIENTO DE LA ESCALERA MECÁNICA.

Unidad impulsora

Esta unidad está ubicada en la parte superior de la escalera mecánica, como se puede apreciar en la figura 1-16, y es la encargada de dar el movimiento al tren de escalones. Esta unidad está compuesta por un motor de

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inducción, un reductor de velocidad, el equipamiento eléctrico, dos árboles de transmisión de potencia mecánica y un freno de servicio. a)

Motor En esta unidad impulsora se encuentra un motor de inducción trifásico

asincrónico de corriente alterna, tipo jaula de ardilla.

Este motor posee 6 polos, con los cuales alcanza una velocidad de giro de aproximadamente de 965 RPM a plena carga.

Figura 1-16: Ubicación de la unidad impulsora.

Figura 1-17: La ubicación del motor en la unidad impulsora.

20

La potencia implementada en estas escaleras mecánicas están entre los rangos de los 5,5 Kw (7,5 Hp) hasta los 11Kw (15 Hp), como se puede apreciar en la tabla 1.2.

Tabla 1.2: Rango de potencia de motores para escaleras mecánicas.

Ancho de peldaño Mm

Desnivel P H motor kW mm

3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000

600

5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5

Ancho de peldaño Mm

800

Desnivel P H motor kW mm

3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000

5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 7,5 7,5

Ancho de peldaño mm

Desnivel P H motor kW mm

1000

3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000

5,5 5,5 5,5 7,5 7,5 7,5 11,0

La clase de aislamiento es F (155 °C) según norma IEC 34-1 y las normas de protección de este motor obedecen a la norma IP 55 indicada en la tabla 1.3.

Tabla 1.3: Protección según norma IP para el motor.

Primer número 5

Protección contra sólidos Protección contra polvo-entrada limitada permitida

Segundo número 5

Protección contra líquidos Protección contra chorros de agua a baja presión de todas las direcciones

Para el motor de 5,5 Kw de potencia de 50 Hz, se tiene la siguiente curva característica en función de la potencia provista en porcentaje de la nominal. El torque en el eje del motor es de 36,33 Nm (Newton·metro), la corriente nominal para conexión delta es de 13,05 A y mientras que la corriente de partida es 6 veces la nominal.

21

La eficiencia de este motor a plena carga es del 88,7 %, mientras su factor de potencia es de aproximadamente 0.83 mientras que el momento de inercia es de alrededor de 0,01875 kgm². b)

Equipamiento Eléctrico El gabinete de control se encuentra instalado en la parte superior de la

escalera y está hecho de una lámina de acero, nivel de protección IP 54. Este se puede rodar hacia fuera en su butaca para que ambas parte, frente y atrás, tenga una fácil inspección.

Tabla 1.4: Grado de protección IP para gabinete de control.

Primer número 5

Protección contra sólidos Protección contra polvoentrada limitada permitida

Segundo número 4

Protección contra líquidos Protegido contra rocíos directos de todas las direcciones

Figura 1-18: Curvas características de motor estándar.

22

Sumándose al interruptor principal con protección magneto térmica, el gabinete de control también contiene los siguientes equipos:

-arrancador estrella-triángulo -Subida/bajada interruptores remotos viajeros. -relé de operación de mantenimiento. -un relé de freno. -un transformador. -interruptor de seguridad. -un completo control de velocidad y protección contra movimiento inverso accidental de la escalera.

c)

Engranaje

En este tipo de escalera el motor CA es situado en forma vertical a la escalera, como es posible apreciar en la figura 1-19. El motor de inducción es unido a una caja de engranaje tipo tornillo sin fin y corona el que reduce la velocidad de 965 rpm a aproximadamente 32 rpm.

Figura 1-19: Motor y engranaje.

23

Este tipo de engranaje está compuesto principalmente por dos componentes, la corona y el tornillo, La corona es un tipo rueda de engranaje con dientes helicoidales como se puede apreciar en la figura 1-20. La transmisión es siempre del tornillo a la corona, es decir, el generador del movimiento es el tornillo el que está unido al eje del motor de inducción, y el receptor siempre es la corona. Este mecanismo permite altísimas reducciones de velocidad que transforma un movimiento circular en otro pero con la salvedad de que sus ejes de giro son siempre perpendiculares. Es un mecanismo que tiene muchas pérdidas por roce entre dientes, esto obliga a utilizar metales de bajo coeficiente de roce y una lubricación abundante, se suele fabricar el tornillo de acero y la corona de bronce.

Figura 1-20: Caja de engranaje tipo tornillo sin fin.

Figura 1-21: Ubicación de piñón de salida en la caja de engranaje.

24

En el eje de salida de la caja reductora, que corresponde al disco de la corona, se encuentra un piñón (figura 1-21) el que impulsa una cadena de rodillos (figura 1-22) que conecta a éste piñón con otro pero de mayor magnitud (figura 1-23). El piñón de salida de la caja reductora tiene un diámetro aproximado de 40 cms mientras que el piñón del árbol mecánico es de 100 cmts aproximadamente.

Figura 1-22: Componentes de una cadena de rodillos.

Figura 1-23: Tracción de la caja de engranaje a árbol mecánico de peldaños.

25

Figura 1-24: Identificación de ruedas dentadas de árbol mecánico.

d)

Árbol de Transmisión de Potencia Mecánica

El piñón de mayor magnitud, anteriormente mencionado, se encuentra montado en un extremo del eje principal que es parte de un árbol mecánico el que es mostrado en la figura 1-24, en donde 1 es la rueda conectada por medio de la cadena con el piñón de la caja reductora.. Las dos ruedas dentadas indicadas con el número 2 en la figura 1-24 son las impulsoras de los escalones metálicos de la escalera, por medio de una cadena especial denominada cadena de peldaños, la cual será descrita más adelante. Los peldaños circulan por medio del espacio entre estas dos ruedas. El eje principal de éste árbol es una construcción de eje hueco. Los rodamientos que permiten el movimiento a este árbol mecánico se encuentran en cada extremo de él unidos a la estructura de la escalera. Existen modelos específicos que permiten reemplazar los rodamientos sin retirar el eje principal, siempre y cuando exista un espacio de 500 mm a cada lado. De este modo, se reduce el tiempo fuera de servicio.

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e)

Freno de Servicio

Este freno de servicio se adapta automáticamente al sentido de giro del motor, además de reducir en un tercio el par de frenado en la marcha ascendente,

evita así que los pasajeros pierdan el equilibrio. Este freno está ubicado en la parte superior del motor de inducción, el que es mostrado en la figura 1-25.

1.7.2

Mecanismo de Los Peldaños.

Este mecanismo está compuesto por los peldaños y la

cadena de

peldaños. a)

Peldaños Los peldaños son fabricados en aluminio fundido a presión, con doble

moldura de aluminio y pintados al polvo. Están diseñados con una alta resistencia a la deformación y soportan alta tensión mecánica.

Figura 1-25: Ubicación del freno de servicio.

27

Figura 1-26: Peldaño.

Figura 1-27: Peldaño con rodillos.

Las dimensiones de los peldaños son de 400 mm de profundidad y de ancho están fabricados de 1000, 800 y 600 mm. A estos peldaños se montan un par de patines de deslizamiento situados a cada lado de estos escalones, mostrado en la figura 1-27, los que aseguran una distancia uniforme entre los mismos y las láminas de zócalo, dejando una separación mínima.

b)

Cadena de Peldaños La cadena de peldaños se puede apreciar en la figura 1-28. Esta cadena

es impulsada por la rueda dentada número 2 mostrada en la figura 1-24.

28

Figura 1-28: Cadena de peldaños.

Figura 1-29: Unión de los escalones a la cadena de peldaños.

Esta cadena va unida a los peldaños como lo indica la figura 1-29. La velocidad máxima de movimiento que pueden adquirir los peldaños es de 0.65 m/seg y el grado de inclinación máximo de la escalera es de 35° con respecto del suelo. Como se puede apreciar en esta figura, los peldaños están distanciados uno de otro por medio de un eslabón de la cadena de peldaños. El movimiento que realizan los peldaños para recorrer la escalera se lleva a cabo, gracias al arrastre de la escalera por medio de una guía de cadena indicada con el número 1 en la figura 1-30 y a la guía de rodillos indicada con el número 2 en la misma figura. En la parte baja de la escalera se encuentran otras 2 rueda dentada de las mismas dimensiones de las ruedas que se encuentran en la parte superior encargadas de impulsar la cadena de peldaños. Estas ruedas están unidas por

29

un eje el que en cada extremo posee un rodamiento adherido a la estructura de la escalera.

1.7.3

Mecanismo De Tracción De Las Barandas

En la unidad impulsora se encuentran 2 árboles mecánicos encargados de impulsar la cadena de peldaños, ya descrito anteriormente, y otro que es el encargado de entregar tracción a los pasamanos. Este último es impulsado a través de un piñón ubicado en el centro del eje del árbol mecánico encargado de mover los peldaños como se puede apreciar en la figura 1-32. La banda de los pasamanos es fabricada con un material plástico de alta resistencia mecánica y muy flexible. En la figura 1-33 se muestra una sección de la banda del pasamanos y la balaustrada por donde se desliza dicha banda.

Figura 1-30: Rueda dentada inferior.

Figura 1-31: Guía de peldaños.

30

Figura 1-32: Mecanismo de impulsión del árbol mecánico para las barandas.

Figura 1-33: Pasamanos y balaustrada.

Para lograr el movimiento de la banda del pasamanos por la balaustrada estas escaleras utilizan un sistema que posee una especie de grupos de rodillos los que cumplen la función de tensores para la banda del pasamano y además permiten el deslizamiento de la banda del pasamano, este sistema puede ser apreciado en la figura 1-34. La velocidad de la banda debe ser similar a la de los peldaños.

31

Figura 1-34: Sistema de rodillos para los pasamanos.

32

CAPÍTULO 2

SISTEMA REGENERATIVO IMPLEMENTADO EN ESCALERAS MECÁNICAS

2.1

SIMULACIÓN EN SIMULINK El circuito simulado para ser implementado en un par de escaleras

convencionales, una de estas ascendente y la otra descendente, es el mostrado en la figura 2-1. En esta figura se puede apreciar que cada una de las escaleras está compuesta principalmente por un rectificador trifásico, un condensador en el lado CC, un inversor trifásico con modulación PWM, y un motor de inducción con rotor jaula de ardilla. los circuitos correspondientes a cada escalera están unidos en paralelo por medio del enlace CC, el que permitirá la regeneración de energía, desde el motor de la escalera descendente a la ascendente.

Figura 2-1: Circuito implementado en simulink.

33

Esta primera simulación se realizará con un motor de inducción jaula de ardilla de 5,5 KW y de 6 polos, al cual se le aplicara un torque en el eje, simulando la carga de la escalera con pasajeros. Esta sección se dividirá en dos partes, una mostrará las gráficas correspondientes al motor encargado de mover la escalera en forma descendente al que llamaremos motor 1 y al encargado de moverla en forma ascendente al que denominaremos motor 2. Se debe aclarar que en esta simulación el torque positivo en el eje de un motor este trabajará en modo generador mientras que un torque negativo la máquina funcionará en modo motor. En esta primera simulación al motor 1 se aplicó una carga variable mostrada en la figura 2-2, como se puede observar este torque cambia de 0 a 66 % del torque nominal en 2.5 seg, luego se eleva a 83% en 3 seg y finalmente sube al 100% en 3.5 seg que correspondería al torque máximo soportado por el motor.

Figura 2-2: Torque en el motor 1.

34

En la figura 2-3 se muestra la carga aplicado al motor 2, el que tiene una magnitud de del 100 % del torque nominal a los 2.4 seg. En este caso esta máquina estaría funcionando en modo motor, mientras que la máquina anterior, al tener un torque negativo en su eje (escalera descendente), estaría funcionando en modo generador. En las figuras 2-4 y 2-5 se muestran el comportamiento de la velocidad del motor 1 y 2 respectivamente durante la aplicación de los torques antes mencionados. Como se puede apreciar en las figura 2-4 y 2-5 existen perturbaciones de velocidad en los tiempos en donde fueron aplicados los torques respectivos, estas perturbaciones provocarían en el pasajero efectos indeseados. En la figura 2-6 se representa en el primer gráfico la tensión en la barra de corriente continua, como se puede apreciar la variación de tensión es pequeña alrededor de los 5 volts al observar en el grafico 2-7 en el que se hace un zoom entre los tiempos 2.505 y 2.545.

Figura 2-3: Torque en el motor 2.

35

Figura 2-4: Velocidad motor 1.

Figura 2-5: Velocidad motor 2

36

Figura 2-6: Barra CC, tensión entre líneas en el motor.

La segunda gráfica de las figuras 2-6 y 2-7 muestra el nivel de tensión línea a línea entregada al motor. En esta señal se puede apreciar que el puente IGBT utilizado en esta simulación es de 3 niveles.

Figura 2-7: Zoom barra CC, tensión entre líneas en el motor.

37

Figura 2-8: Corriente motor 1.

En la figuras 2-8 y 2-9 se aprecia la intensidades de las corrientes máximas del estator registrada a la entrada de las máquinas, la primera figura corresponde al motor 1 mientras que la segunda al motor 2.

Figura 2-9: Corriente motor 2.

38

Figura 2-10: Torques y corriente del circuito.

La figura 2-10 muestra la corriente pedida por todo el circuito, registrada justo después de la red de 400 V. Como se puede apreciar la disminución de la corriente después de la aplicación de las cargas en los ejes de los motores, es decir, luego de los 2.4 seg., está relacionada directamente con la regeneración de energía entregada desde el motor 1 al motor 2.

2.2

INTRODUCCIÓN IMPLEMENTACIÓN DEL CONTROL VECTORIAL

El propósito de implementar un control vectorial para el sistema de escaleras convencionales es que la mayoría de estas escaleras poseen un engranaje tornillo sin fin el que no permite regeneración. El motivo de esta limitante es que este tipo de engranaje es auto bloqueante es decir el generador del movimiento es el tornillo y el receptor siempre es la corona, no permite el movimiento para ambos extremos. El tornillo esta unido al eje del motor como se dijo en el capítulo anterior. Para que pueda realizarse la regeneración se necesita un tipo de engranaje que permita la generación del movimiento para ambos extremos, es decir, no debe ser auto bloqueante. Al implementar un

39

engranaje con estas características al motor de la escalera, la velocidad de éste disminuye al ir aumentando la carga a este engranaje, lo que no sucede con el engranaje tornillo sin fin, lo que es un efecto no deseado, que se soluciona aplicando un control vectorial al accionamiento del motor, permitiendo mantener la velocidad del motor y la escalera, en un valor deseado. Se debe tener en cuenta que si con éste control vectorial se reduce la velocidad a una inferior a la nominal del motor, al actuar en modo generador, disminuye su capacidad de regeneración, es decir, al disminuir la velocidad nominal del motor, menor será su potencia de generación, por lo que se optó por controlar la velocidad nominal del motor, para que su generación sea la máxima posible.

2.3

DESCRIPCIÓN DEL CONTROL VECTORIAL

El control vectorial es la herramienta que permite controlar en forma óptima los parámetros de los motores de inducción, al no considerar únicamente su funcionamiento estático ante la corriente trifásica. La estructura del control de los motores de inducción es complicada, partiendo del hecho de que el campo magnético de la máquina es rotatorio, y de que las corrientes y el flujo del rotor en los motores de jaula de ardilla, no pueden ser directamente sensadas. En una máquina de corriente continua, los ejes de la armadura y el arrollamiento de campo son usualmente ortogonales el uno del otro. La fuerza electromotriz establecida por la corriente en el devanado también será ortogonal. Si la saturación del hierro es ignorada, el campo ortogonal producido no induciría interacción sobre ningún otro.

El torque desarrollado puede ser expresado como:

Tem

Ka

If

Ia

(2-1)

40

En donde Ka es una constante,

(If), el flujo del campo, e Ia, la corriente

de armadura. El ángulo de torque es naturalmente 90°, el flujo es controlado por medio del ajuste de la corriente de campo, If, y el torque puede ser controlado independientemente del flujo por medio de la corriente de armadura, Ia. En vista que la constante de tiempo del circuito de armadura es usualmente mucho más pequeño que el del devanado de campo, controlando el torque por medio del cambio de corriente de armadura es más rápido que con el cambio de la If, o por medio de ambas. En general, el control de torque de la máquina trifásica de inducción no es tan directo como el de la máquina de corriente continua porque la interacción entre el estator y

la orientación del campo del rotor no se mantiene

espacialmente a 90° dependiendo de la condición de operación. El campo del devanado del rotor en una máquina de inducción puede ser comparado con el devanado de campo de la máquina de corriente continua, excepto que el inducido no puede ser controlado independientemente. Los mecanismos de producción de torque en las máquinas de corriente directa, como se señaló anteriormente, son similares a los de las máquinas de corriente alterna. Se puede demostrar con el uso de principios físicos y la teoría del vector espacial, que de la misma forma en que ocurre en un motor de corriente continua de excitación independiente, el torque electromagnético instantáneo en un motor de inducción puede ser expresado como el producto de las corrientes que producen flujo y torque. El denominado control vectorial controla el vector de corrientes directamente en un espacio de referencia ortogonal y rotacional, denominado espacio d-q (direct-quadrature). Este espacio de referencia esta normalmente alineado con el rotor de forma que permite que el control del flujo y del torque del motor se realice de forma independiente. La componente directa permite controlar el flujo, mientras que la componente en cuadratura controla el torque.

41

Para poder realizar este control se requiere transformar matemáticamente las medidas de las 3 corrientes referidas al espacio estático de las bobinas del motor al espacio rotacional d-q. Para realizar este cambio de coordenadas se utiliza “la transformada de Clarke” la que realiza la transformación de un sistema de 3 fases equiespaciados (a,b,c) a uno de 2 fases ortogonales (

Is Is

En donde

2 3

1 cos

cos 2

0 sen

sen 2

).

Ia Ib

(2-2)

Ic

=120°

Para lograr el cambio de coordenadas ortogonales estacionario ( uno rotacional (d,q) se utiliza “la transformada de Park”

Figura 2-11: Cambio de coordenadas de la transformada de Clarke.

) a

42

Figura 2-12: Gráficas de la transformada de Clarke.

Figura 2-13: Gráfica de la transformada de Park

Isd Isq

cos sen

sen

Is

cos

Is

(2-3)

43

En donde

en este caso es el ángulo de desfase de giro del campo del

rotor. Mediante estas transformaciones se puede implementar un control de torque y velocidad llevando el funcionamiento de un motor de inducción trifásico a un funcionamiento similar al de una máquina de corriente continua.

2.4

SIMULACIONES CON CONTROL VECTORIAL.

Luego de la explicación del funcionamiento del control vectorial se procede a analizar los resultados de las simulaciones. En esta primera simulación se emuló el funcionamiento de un par de escaleras mecánicas, una en funcionamiento ascendente, mientras que la otra en movimiento descendente. Cada una de estas escaleras está impulsada por un motor de inducción asincrónico jaula de ardilla trifásico de una potencia de 5.5 kW. Su velocidad de giro nominal es de 1500 RPM, y sus parámetros fueron obtenidos de modelos ya establecidos en simulink/matlab. El circuito implementado en simulink se muestra en la figura 2-14, en donde se puede apreciar que los dos sistemas están unidos por una barra de corriente continua. Además se implementó una chopper que permite que si existen variaciones bruscas de tensión en la barra de corriente continua esta energía sea entregada a una resistencia en donde la energía es trasformada en calor. Cada sistema de escalera tiene su control vectorial y su inversor con modulación PWM. El control implementado es el indirecto, por la simple razón de que es más fácil de implementar en un sistema real debido a que no se necesita un motor de inducción especial que permita introducir el sensor de flujo. El sistema de control indirecto, solo toma mediciones de corriente y de velocidad con sensores que son simples de implementar en un sistema real.

44

Figura 2-14: Circuito implementado en simulink

La figura 2-15 muestra los bloques del control vectorial mientras que en la figura 2-16 se puede apreciar el control de velocidad del motor de inducción.

45

Figura 2-15: Bloques del control vectorial Función del flujo

Flujo*

Rampa de velocidad

N*

Torque* +

-

Ki Ganancia integral

+

-

Límite de integración

Límite de torque

Ts

N Kp Filtro pasa bajo de primer orden

Ganancia proporcional

Figura 2-16: Bloque del control de velocidad.

El bloque “cálculo de

r” (figura 2-15), es usado para estimar el flujo del

motor. Este cálculo se basa en la ecuación sintetizada del motor. La función de la unidad “cálculo de

e” es la encargada de encontrar el ángulo de fase del

campo rotatorio del flujo del rotor. El bloque “abc-dq” es el encargado de

46

convertir las variables de fase en las componentes dq del marco de referencia del campo giratorio del flujo del rotor. El elemento “dq-abc” desarrolla la conversión de las componentes dq del marco de referencia del campo giratorio del rotor en las variables de fase abc. El bloque “cálculo de iqs*” tiene la función de tomar los cálculos del flujo del rotor y del torque de referencia para obtener la componente requerida para producir el torque electromagnético en el eje del motor. La unidad de “cálculo de ids*” permite el uso de la referencia del flujo del rotor para calcular la componente de la corriente directa requerida para producir ese flujo en el rotor de la máquina. El bloque “regulador de corriente” permite regular la corriente con una anchura de banda de histéresis ajustable. La frecuencia de conmutación del inversor son regulados por el “control de conmutación” limitando su máxima frecuencia a la especificada por el usuario. El “controlador de flujo” es usado para controlar la dinámica del flujo y para reducir el error de estado-estable del flujo. El “vector de magnetización” contiene el vector usado para crear el flujo inicial de la máquina. Y por último el control de magnetización contiene la lógica usada para conmutar entre los modos de operación normal y el de magnetización. El control de velocidad se basado en un regulador PI. La salida de este controlador son los valores de referencia para el flujo y el torque para el bloque del control vectorial.

2.5

RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN

El método empleado para obtener la magnitud de la potencia de entrada ahorrada del sistema completo de las dos escaleras es; primero se mide la potencia de entrada del sistema con regeneración, es decir, con el motor de la escalera ascendente con torque positivo (modo motor), mientras que el motor de la escalera descendente con torque negativo (modo generador). Luego en el mismo sistema se cambia sólo el sentido del torque de la máquina de la escalera descendente para que este funcione en modo motor. Luego se analizarán las

47

curvas de la potencia de entrada y se observará la magnitud del ahorro de energía realizando la diferencia entre estas dos curvas. El control vectorial permite mantener la velocidad del rotor a un valor deseado constante y además de mantener el torque dentro de un rango establecido. En esta primera experiencia la velocidad deseada es de 1500 RPM, mientras que el torque irá aumentando desde los 1.7 segundos con un torque cero hasta los 3 segundos alcanzando el torque de 15 Nm para la escalera ascendente mientras que para la escalera descendente el torque aplicado será de signo negativo, para que se pueda producir regeneración. En las figuras 2-17 se muestra la potencia de entrada del sistema de escalera con regeneración y su factor de potencia.

Figura 2-17: Gráfica de factor de potencia y potencias de entrada con regeneración.

48

Figura 2-18: Corriente, velocidad y torque en la escalera ascendente.

En la figura 2-18 se puede apreciar la corriente en amperes, la velocidad en RPM y el torque electromecánico en Nm del motor de la escalera ascendente. Se puede observar que, después de haber alcanzado la velocidad deseada de 1500 rpm la velocidad del rotor de la máquina se mantiene inalterable, independiente del torque aplicado al eje. Justamente este es el objetivo de la implementación de este control. En la figura 2-19 se puede apreciar el comportamiento del flujo de energía, desde el motor de la escalera descendente al motor de la escalera ascendente. En la figura 2-20 se encuentran las mismas variables anteriores pero para el motor de la escalera descendente. Para el funcionamiento de este motor en modo generador se mantiene inalterable también la velocidad de giro deseada del rotor de 1500 rpm.

49

Figura 2-19: Flujo de energía con regeneración.

Figura 2-20: Corriente, velocidad y torque en la escalera descendente.

Las siguientes figuras muestran el comportamiento del sistema de escaleras al mantener las mismas condiciones para el motor de la escalera

50

ascendente, mientras que a la máquina de la escalera descendente se cambia su modo de generador a motor, es decir, se aplica a su eje un torque positivo. En la figura 2-21 se observa la potencia de entrada del sistema completo de las escaleras. Se puede apreciar que la magnitud de la potencia es prácticamente el doble de la potencia consumida en el circuito anterior (figura 217), es decir, el sistema posee 2 motores, pero la red que alimenta el circuito de las escaleras entrega la potencia correspondiente a prácticamente un solo motor. El ahorro de energía es considerable, solo se consume aproximadamente la mitad de la potencia que se debería consumir para un sistema de 2 motores. En la figura 2-22 (escalera ascendente) y 2-23 (escalera descendente) se puede observar que las velocidades de giro de sus respectivos motores se mantienen inalterables.

Figura 2-21:Gráfica de factor de potencia y potencias de entrada sin regeneración.

51

Figura 2-22: Corriente, velocidad y torque en la escalera ascendente.

Figura 2-23: Corriente, velocidad y torque en la escalera descendente.

52

Energía total Circuito escalera ascendente Va V+ Red 3 Vac 400 V 50 Hz

C

Vb Vc

Motor De inducción

VPuente Rectificador

Inversor trifásico

V+ C

Chopper De freno

Motor De inducción

VPuente Rectificador

Circuito escalera descendente

Inversor trifásico

Figura 2-24: Flujo de energía sin regeneración.

En la figura 2-24 se puede apreciar el flujo de la energía sin regeneración. La red eléctrica prácticamente duplica su transmisión de energía sin regeneración.

53

CAPITULO 3 ESTUDIO ARMÓNICO DEL SISTEMA CON CONTROL VECTORIAL IMPLEMENTADO PARA LAS ESCALERAS MECÁNICAS

3.1

DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA.

El análisis de armónicos es realizado en las corrientes y tensiones de entrada en baja tensión (400 V) del circuito de escaleras mecánicas (PCC), como se indica en la figura 3-1, donde los rectificadores de entrada se asumen sin filtros. Este análisis es realizado con el programa Matlab-simulink, y el tiempo de simulación es de 5 segundos. En los 1.7 s, en donde el motor alcanza la velocidad nominal, se aplica una carga al eje de forma gradual en forma rampa hasta llegar al torque nominal de la máquina. El procedimiento de análisis será realizado en los tiempos de 2 s, 3.5 s y 4.8 s, con una muestra de 7 ciclos, con el objetivo de observar el comportamiento armónico en carga baja, media y alta respectivamente. Antes de todo se muestran en las tablas 3.1 y 3.2, las normas chilenas adoptadas por la comisión nacional de energía, basándose en la IEEE 519-1992, para el contenido armónico en la corriente y la tensión. El nivel de cortocircuito asumido para el análisis armónicos, necesario para utilizar la tabla 3.1, es de 20 Mva en el lado de baja tensión, lo que equivale a una corriente de cortocircuito (Icc) de 28,86 KA

y con una corriente de

demanda máxima de 200 (A) (IL), con lo que se obtiene una relación Icc/IL de 144,33.

54

Tabla 3.1: Norma para distorsión armónica de corrientes.

Figura 3-1: Análisis armónico para el circuito de escaleras.

55

Tabla 3.2: Norma para distorsión armónica de tensión.

Se comienza el análisis con un sistema de 2 motores de inducción jaula de ardilla, de 5.5 KW, de 1500 rpm. Uno de estos motores es el encargado de mover la escalera en forma ascendente, por lo que su torque es positivo, mientras que el segundo motor mueve la escalera en forma descendente, por lo que su torque es negativo, este motor será el encargado de producir la regeneración.

3.2

3.2.1

RESULTADOS DEL ESTUDIO ARMÓNICO PARA 2 MOTORES

Simulación Carga Baja 2 Motores

En la figura 3-2 se muestra el análisis de armónicos de la corriente y en la figura 3-3 el análisis armónico de la tensión, para este sistema de escaleras, con una carga baja. En la figura 3-2 se puede apreciar que la distorsión armónica (THD) de la corriente es muy grande, llegando al 208,65 %, que está muy por arriba de la norma chilena, que para este caso es del 15%, además las componentes 5ª, 7ª, 11ª,13ª, 17ª, 19ª y las demás frecuencia, están muy lejos de la norma superando todas el 50% e incluso la 5ª y 7ª son de alrededor del 90%. En la figura 3-3 se observa el análisis armónico a la tensión, el THD es de 0.53% que está dentro del rango de la norma que es del 8%, mientras que las

56

magnitudes de las componentes armónicas son muy bajas y están dentro de la norma.

Figura 3-2: Distorsión armónica corriente 2 motores carga baja.

Figura 3-3: Distorsión armónica tensión 2 motores carga baja.

57

3.2.2

Simulación Carga Media 2 Motores

Para una carga media, en las escaleras mecánicas, se pueden analizar los gráficos de las figuras 3-4 (corriente) y figura 3-5 (tensión), en donde se puede observar que el THD de la corriente es de 165.46% que es un poco inferior al análisis anterior pero aun está fuera de norma. En el gráfico de la figura 3-5 se puede apreciar que el THD aumento a 0.53% pero aún está dentro de la norma, como así también las magnitudes de las demás componentes.

Figura 3-4: Distorsión armónica corriente 2 motores carga media.

58

Figura 3-5: Distorsión armónica tensión 2 motores carga media.

3.2.3

Simulación Carga Nominal 2 Motores

En la figuras 3-6 y 3-7 se analiza el comportamiento de los armónicos para 2 motores a su torque nominal. En el primera gráfico se aprecia que el THD de la corriente disminuyó un poco (141.31%) pero sigue fuera de norma y sus componentes armónicas también, mientras que en el gráfico de la figura 3-7 se aprecia que el THD 0.95% y las magnitudes de las armónicas no alcanzan al 0.5% por lo que siguen dentro de la norma.

59

Figura 3-6: Distorsión armónica corriente 2 motores carga nominal.

Figura 3-7: Distorsión armónica tensión 2 motores carga nominal.

60

3.3

3.3.1

RESULTADOS DEL ESTUDIO ARMÓNICO PARA 8 MOTORES.

Simulación Carga Baja 8 Motores

Se realizó un segundo análisis de armónicos, simulando un sistema de 8 escaleras mecánicas, es decir, 4 escaleras ascendiendo y 4 descendiendo, cada una con su motor correspondiente, descrito anteriormente. Los resultados del análisis de armónicos de corriente y tensión que se obtuvieron para el tiempo de 2 s, simulando una carga baja, se muestran en las figuras 3-8 y 3-9 respectivamente. Se observa que el THD del análisis de la corriente es de 152,85% que es un tanto inferior al caso de 2 motores pero aun sigue muy por sobre la norma chilena. En el gráfico de armónicos de tensión de la figura 3-9 se aprecia que la tensión se encuentra dentro de la norma.

Figura 3-8: Distorsión armónica corriente 8 motores carga baja.

61

Figura 3-9: Distorsión armónica tensión 8 motores carga baja.

3.3.2

Simulación Carga Media 8 Motores

Para el análisis de armónicos de corriente y tensión para una carga media de las escaleras mecánicas, nos referimos a las figuras 3-10 y 3-11, en donde la corriente sigue con un THD demasiado grande (152.85%) claro que menor que para el caso de 2 motores. Las magnitudes de las componentes ha disminuido un poco en comparación con el caso de 2 máquinas, en especial desde la 11ª componente en adelante. La tensión es analizada en el gráfico de la figura 3-11, en donde se observa que el THD aumentó a más del doble que en el caso de 2 motores, pero aún sigue bajo norma.

62

Figura 3-10: Distorsión armónica corriente 8 motores carga media.

Figura 3-11: Distorsión armónica tensión 8 motores carga media.

63

3.3.3

Simulación Carga Nominal 8 Motores

Para la carga máxima de estos 8 motores, los resultados son apreciables en las figuras 3-12 y 3-13. En la primera se observa que el THD de la corriente es de 104.49%, inferior al caso de 2 máquinas, pero todavía fuera de norma. Mientras que en el análisis de la tensión (figura 3-13) se observa que su THD es del 2.2%, que es más del doble que para el caso de 2 motores, pero se encuentra dentro de la norma chilena. Las magnitudes de las componentes 5ª y 7ª armónicas también aumentaron al doble del valor alcanzado en el caso anterior. El problema de los armónicos se soluciona con la implementación de filtros pasa bajos, en el lado continuo del condensador, los que disminuirán la distorsión armónica para mantenerlos bajo la norma chilena.

Figura 3-12: Distorsión armónica corriente 8 motores carga nominal.

64

Figura 3-13: Distorsión armónica tensión.

65

CAPÍTULO 4 FACTIBILIDAD TÉCNICA Y ECONÓMICA DEL SISTEMA CON CONTROL VECTORIAL EN LAS ESCALERAS MECÁNICAS.

4.1

DESCRIPCIÓN DE LOS EQUIPOS A UTILIZAR

A continuación se mostrará en detalle los distintos equipos considerados en la evaluación económica que más adelante se realizará. Los componentes fundamentales que deben ser instalados para equipar a una escalera convencional con esta nueva tecnología son los enlistados a continuación:

a) 1 motor de inducción b) 1 variador de frecuencia con control vectorial. c) 1 reductor helicoidal índice de reducción 10. d) 1 reactor de línea trifásico. e) 1 encoder.

a)

Motor de Inducción

Tabla 4.1: Características del motor de inducción.

Potencia Tensión línea a línea Corriente nominal Nº de polos

5,5 Kw 380 Volts 13,29 A 8

RPM

750

Factor de potencia

0,85

Peso aproximado

97,4 Kg

Precio

US$ 589,03

66

Figura 4-1: Motor de inducción.

El motor utilizado en este proyecto es de marca Siemens que posee las características indicadas en la tabla 4.1, con precio de dólar de $510,84 del 5 de agosto del 2008: El motor es mostrado en la figura 4-1

b)

Variador de Frecuencia

En la figura 4-2 se puede apreciar la imagen del variador de frecuencia GS3-47p5 de DURApulse AC Drives con control vectorial. A continuación se dan a conocer las características principales de este dispositivo.

67

Figura 4-2: Variador de frecuencia. -

7,5 hp Rampa ajustable para aceleración y desaceleración. Conexión externa con el DC link. Freno DC. 380-480 VAC. Control vectorial. Modulación PWM sinusoidal. Tecnología IGBT. 150% de la corriente nominal por 1 minuto. - Control vectorial sin sensores con opción de retroalimentación con tarjeta encoder, para un mejor control. - Frecuencia de salida desde 0,1 a 400 Hz. - Precio US$ 623,85 En el precio de este dispositivo, más adelante informado, se incluye la tarjeta del encoder GS3-FB, que es mostrada en el diagrama de conexión indicado en la figura 4-3.

68

Figura 4-3: Diagrama de conexión de tarjeta para encoder.

Figura 4-4: Tarjeta para encoder.

c)

Encoder

Este dispositivo es el encargado de monitorear la velocidad del eje del motor y entregar esta información a través de la placa GS3-FB (figura 4-4) al control del variador de frecuencia. El modelo de cotizado es el TRD-S500-BD y cuyas características se dan a conocer en la tabla 4.2.

Tabla 4.2: Características del encoder

Tensión de entrada

12 VDC

Máxima respuesta de frecuencia

200 KHz

Pulsos por revolución

500

Precio

US$ 80,7

69

Figura 4-5: Encoder.

Figura 4-6: Caja de engranaje

d)

Reductor Helicoidal

Esta caja de engranajes (figura 4-6) es de la línea MOTOX de Siemens y el modelo es el Z.68-LA112MB4, cuyas características principales se muestran en la tabla 4.3.

Tabla 4.3: Características de caja de engranaje.

e)

Índice de reducción (i)

10

Tipo

helicoidal

Torque de salida

302 Nm

Peso

69 Kg

Precio

US$1.616,18

Reactor de Línea Trifásico

Con el objetivo de reducir los armónicos entregados por el variador de frecuencia, y además para proteger al variador de las sobrecorrientes producidas principalmente por el condensador, se conectan en la entrada de la

70

alimentación trifásica, en serie con el variador, un grupo de reactores de línea trifásicos, como se muestra en la figura 4-7.

Figura 4-7: Diagrama de conexión de los reactores de línea.

4.2

TARIFAS ELÉCTRICAS.

El estudio se realizará con respecto a la tarifa que usualmente los mall tienen contratada con la compañía de distribución eléctrica. Esta tarifa es la AT 4.3 en la cual el precio a pagar por esta cuenta incluye el consumo y la demanda en punta y fuera de punta. En donde el período de punta en la zona urbana centro está definida desde mayo a septiembre de las 18 a 23 hrs, en donde éste es el período de mayor demanda. Este precio a pagar está definido por la siguiente ecuación exceptuando otros cobros, como arriendo de medidor y bajo factor de potencia.

71

Pr ecio a Pagar

DFP

DEP

KWH

CF

(4-1)

En donde:

DFP: Demanda fuera de punta, es el precio impuesto por la empresa distribuidora para el consumo fuera del período antes señalado, multiplicado por la potencia instantánea promediada en 15 minutos.

DEP: Demanda en punta, es el precio negociado con la empresa distribuidora para el consumo dentro del período antes señalado, multiplicado por la potencia instantánea promediada en 15 minutos.

KWH: Consumo de energía, es el precio negociado con la empresa distribuidora, multiplicado por los kilowatts-hora.

CF: costo en pesos del cargo fijo de servicio

En la tabla 4.4 y 4.5 entregan los precios para las diferentes tarifas ofrecidas por CONAFE y CHILQUINTA respectivamente.

Tabla 4.4: Tarifa CONAFE

72

Tabla 4.5: Tarifa CHILQUINTA

En la tabla 5.1 correspondiente a la tarifa de CONAFE, se observa que el valor del cargo de energía es de $67,39 kw-H, mientras que en CHILQUINTA es de $68,972 kw-H. El valor de la demanda en horario fuera de punta en CONAFE es de $1414,70 por kw mientras que en CHILQUINTA es de $1865,786 por kw, y finalmente el precio de la demanda dentro del horario de punta es de $6227,38 por kw en CONAFE y $6806,577 por kw en CHILQUINTA.

4.3

SIMULACIÓN 8 MOTORES

Para realizar la evaluación económica de este proyecto se procedió a simular el comportamiento de 8 motores funcionando en modo motor (sin

73

regeneración), con esto se logrará estudiar el comportamiento de las escaleras mecánicas convencionales. Con estos resultados se logró determinar la cantidad de dinero que se invierte en el funcionamiento de estas escaleras en los conceptos de energía y consumo. Los resultados obtenidos se muestran en la tabla 4.6. En esta tabla se indican 3 clases de cargas en el motor de la escalera ascendente, las cuales son:

Clase 1: carga baja (entre el 10% al 40% de la carga nominal) Clase 2: carga media (entre el 40% al 70% de la carga nominal) Clase 3: carga alta (entre el 60% al 100% de la carga nominal)

Tabla 4.6: Demanda y consumo de 8 motores sin regeneración.

Sin regeneración Demanda (12hrs)

Consumo total

Consumo hrs punta Consumo fuera hrs punta

Clase

Kw-H

Kw

Kw

Kw

1

128,18

10,68

11,87

9,88

2

148,12

12,34

14,41

10,96

3

174,16

14,51

17,17

12,74

Mientras que en la escalera descendente se aplica una carga baja, similar a la aplicada en la clase 1. En la tabla 4.7 se muestra el resultado de las simulaciones con las mismas cargas anteriormente señaladas, pero con el torque de valor negativo para los motores de las escaleras descendentes, para poder simular el comportamiento en modo generador de este motor. La carga de la escalera descendente se mantuvo en el rango de la clase 1, para simular el peor caso, es decir, con menor regeneración.

Tabla 4.7: Demanda y consumo de 8 motores con regeneración.

74

Con regeneración Demanda (12hrs)

Consumo total

Consumo hrs punta

Consumo fuera hrs punta

Clase

Kw-H

Kw

Kw

Kw

1

63,18

5,26

5,84

4,87

2

83,13

6,92

8,38

5,95

3

109,23

9,10

11,14

7,73

Con los precios de las tarifas entregadas anteriormente se procedió a calcular la cantidad de dinero requerido para el funcionamiento de estas escaleras.

En la tabla 4.8 se muestra la cantidad de dinero usado para mantener las escaleras convencionales (sin regeneración) y la cantidad de dinero necesaria para el funcionamiento de las escaleras mecánicas con regeneración. El ahorro obtenido mensualmente para la tarifa de CONAFE se muestra en porcentaje de ahorro y en pesos.

Tabla 4.8: Ahorro de dinero mensual 8 motores, CONAFE.

CONAFE Clase

Con regeneración ($)

Sin regeneración ($)

Ahorro mensual ($)

Ahorro mensual (%)

1

172880

348923

176042

50,45

2

230542

406579

176037

43,29

3

303051

478910

175859

36,72

En la tabla 4.9 se puede apreciar el monto en pesos del ahorro anualmente y el promedio de estos montos para CONAFE, además se añade el ahorro de dinero anual, en pesos y UF de $ 20.590,59 (5 de agosto del 2008), por cada uno de los motores con el cual se realizará la evaluación económica de la utilización de esta nueva tecnología en las escaleras mecánicas.

75

Tabla 4.9: Ahorro anual por motor para el caso 8 motores, CONAFE.

Clase

Ahorro anual ($)

Promedio ($)

1

2112510

2111755

2

2112448

Por motor ($)

Por motor (UF)

3

2110309

263969

12,81

Los valores para CHILQUINTA son mostrados en las tablas 4.10 y 4.11.

Tabla 4.10: Ahorro de dinero mensual con CHILQUINTA.

CHILQUINTA Clase

Con regeneración ($)

Sin regeneración ($)

Ahorro mensual ($)

Ahorro mensual (%)

1

179644

362166

182521

50,39

2

239217

421733

182515

43,27

3

314289

496621

182331

36,71

Tabla 4.11: Ahorro anual por motor para el caso 8 motores, CHILQUINTA.

4.4

Clase

Ahorro anual ($) Promedio ($)

1

2190261,55

2189476

2

2190187,499

Por motor ($)

Por motor (UF)

3

2187981,862

273684

13,29

SIMULACIÓN 2 MOTORES

Con el objetivo de analizar la vialidad de este proyecto para una cantidad inferior de motores, se simulará un conjunto de un par de escaleras, es decir,

76

dos motores, uno para la escalera ascendente y el otro, para la escalera descendente. Para estas simulaciones, las cargas aplicadas también fueron determinadas por clases al igual que para las simulaciones con 8 motores.

Clase 1: carga baja (entre el 10% al 40% de la carga nominal) Clase 2: carga media (entre el 40% al 70% de la carga nominal) Clase 3: carga alta (entre el 60% al 100% de la carga nominal)

Los resultados son desglosados a continuación en las siguientes tablas.

Tabla 4.12: Demanda y consumo de 2 motores sin regeneración. Sin regeneración Demanda (12hrs)

Consumo total

Consumo hrs punta

Consumo fuera hrs punta

Clase

Kw-H

Kw

Kw

Kw

1

23,76

1,98

1,93

2,15

2

31,28

2,60

2,04

2,77

3

44,41

3,70

3,17

4,05

Tabla 4.13: Demanda y consumo de 2 motores con regeneración.

Con regeneración Demanda (12hrs)

Consumo total

Consumo hrs punta

Consumo fuera hrs punta

Clase

Kw-H

Kw

Kw

Kw

1

11,832

0,986

0,88

1,02

2

16,392

1,366

1,03

1,68

3

27,1644

2,2637

1,65

2,26

Tabla 4.14: Ahorro de dinero mensual 2 motores, CONAFE.

77

CONAFE Clase

Con regeneración ($)

Sin regeneración ($)

Ahorro mensual ($)

Ahorro mensual (%)

1

32676

64955

32278

49,69

2

43794

81728

37934

46,41

3

70241

117120

46879

40,02

Tabla 4.15: Ahorro anual por motor para el caso 2 motores, CONAFE.

Clase

Ahorro anual ($)

Promedio ($)

1

387342

468368

2

455208

Por motor ($)

Por motor (UF)

3

562553

234184

11,37

Tabla 4.16: Ahorro de dinero mensual 2 motores, CHILQUINTA.

CHILQUINTA Clase

Con regeneración ($)

Sin regeneración ($)

Ahorro mensual ($)

Ahorro mensual (%)

1

34329

67882

33553

49,42

2

45992

85313

39320

46,08

3

73325

122117

48791

39,95

Tabla 4.17: Ahorro anual por motor para el caso 2 motores, CHILQUINTA. Clase

Ahorro anual ($)

Promedio ($)

1

402639

486661

2

471847

Por motor ($)

Por motor (UF)

3

585497

243330

11,81

Las tablas 4.15 y 4.17, serán las que se utilizarán para calcular la evaluación económica la que es llevada a cabo mas adelante en éste capítulo.

4.5

FUNDAMENTOS ECONÓMICOS.

78

En los proyectos de reemplazo de equipos, tiene como finalidad determinar la rentabilidad económica de dicho proyecto, por lo que se deben definir algunos conceptos económicos para su mejor comprensión. El indicador de rentabilidad utilizado para estos proyectos es el denominado Valor Actual Neto (VAN). Para estudiar estas alternativas, se debe fijar un horizonte común de evaluación. La rentabilidad de un proyecto se puede medir de muchas formas distintas, por ejemplo en unidades monetarias, tasas o porcentajes, o también en el tiempo necesario para recuperar la inversión. A continuación se describen las siguientes herramientas para analizar las posibilidades y los límites de los criterios para la evaluación. 4.5.1

Valor Ac tualizado Neto (V.A.N.). El VAN se define como la actualización de los flujos de costos y de

beneficios para todo el período de análisis del proyecto. Dicha actualización se realiza actualizando la tasa de descuento privada o social, según sea pertinente, que corresponda al costo de oportunidad del capital. Si un proyecto de inversión tiene un VAN positivo, el proyecto es rentable. Entre dos o más proyectos, el más rentable es el que tenga un VAN más alto. Un VAN nulo significa una ganancia exactamente igual a la exigida, y si el VAN resulta negativo, no estaría indicando necesariamente una pérdida, sino mas bien, cuanto faltó para que el inversionista obtuviera la rentabilidad deseada. El Van se define como:

n

VAN

Bi Ci i

i 0

1 rj j 0

En donde: VAN = valor actualizado neto.

(4-2)

79

Bi Ci n rj

= beneficios totales del proyecto, año i. = costos totales del proyecto, año i. =período de análisis del proyecto (horizonte de evaluación). = tasa de descuento vigente para el año i. La principal ventaja de este método es que al homogeneizar los flujos

netos de Caja a un mismo momento de tiempo (t=0), reduce a una unidad de medida común cantidades de dinero generadas (o aportadas) en momentos de tiempo diferentes. Además, admite introducir en los cálculos flujos de signo positivos y negativos (entradas y salidas) en los diferentes momentos del horizonte temporal de la inversión, sin que por ello se distorsione el significado del resultado final, como puede suceder con la T.I.R.

4.5.2

Tas a Interna de Rentabilidad (T.I.R)

Se denomina Tasa Interna de Rentabilidad (T.I.R.) a la tasa de descuento que hace que el Valor Actual Neto (V.A.N.) de una inversión sea igual a cero. (V.A.N. =0).

n

VAN

0 i 0

Bni 1 TIR

i

(4-3)

En donde: VAN = valor actual neto Bni

= beneficio neto del año i

TIR

= tasa interna de retorno

Este método considera que una inversión es aconsejable si la T.I.R. resultante es igual o superior a la tasa exigida por el inversor, y entre varias alternativas, la más conveniente será aquella que ofrezca una T.I.R. mayor. La T.I.R. es un indicador de rentabilidad relativa del proyecto, por lo cual cuando se hace una comparación de tasas de rentabilidad interna de dos

80

proyectos no tiene en cuenta la posible diferencia en las dimensiones de los mismos. Una gran inversión con una T.I.R. baja puede tener un V.A.N. superior a un proyecto con una inversión pequeña con una T.I.R. elevada. Cuando la T.I.R. es mayor que la tasa de interés, el rendimiento que obtendría el inversionista realizando la inversión es mayor que el que obtendría en la mejor inversión alternativa, por lo tanto, conviene realizar la inversión. Si la T.I.R. es menor que la tasa de interés, el proyecto debe rechazarse. Cuando la T.I.R. es igual a la tasa de interés, el proyecto debe rechazarse. Cuando la T.I.R. es igual a la tasa de interés, el inversionista es indiferente entre realizar la inversión o no.

T.I.R.>i T.I.R.