UDP Uso Efic de la Energía Tarea 4 2013

Universidad Diego Portales – Ingeniería Civil Industrial
USO EFICIENTE DE LA ENERGIA ELECTRICA
TAREA Nº4
Prof.: Jorge Romo L.
29/Noviembre/2013
(Entregar resuelta el día del Examen)
IMPORTANCIA DE LA EFICIENCIA Y DEL CONTROL ELECTRONICO DE VELOCIDAD DE
MOTORES DE INDUCCION.
En una planta industrial se dispone de 3 estanques de almacenamiento de determinada solución acuosa,
idénticos. Este líquido se emplea para diversos procesos. En cada uno de los 3 estanques, el ingreso de líquido
se realiza con una bomba elevadora accionada por un motor de inducción trifásico cuyos datos de placa son:
50 HP, 380 V, 50 Hz, 2850 rpm, conexión , 74 A, cos 0,86. Las 3 motobombas son relativamente nuevas y
no han tenido reparaciones.
En operación normal, con el motor conectado al Tablero de 380 Vff y 50 Hz, el caudal que entrega la bomba
al estanque es qIN = 140 lt/min; y la potencia mecánica que representa la bomba para el motor en estas
condiciones, es de 35 HP. El caudal de salida del estanque, q OUT , depende del consumo de líquido en los
procesos y varía entre 0 y 140 lt/min.
Actualmente cada estanque opera con un sistema de control automático simple, para regular el nivel h del
líquido, tal que éste se mantenga entre hmín = 4,5 m y hmáx = 8,0 m:

Cuando el motor está conectado al Tablero (q IN = 140 lt/min) y qOUT < 140 lt/min, el nivel h irá subiendo
y en algún momento alcanzará la altura máxima aceptable de 8 m. En ese instante, un sensor de nivel
detecta esta situación y el sistema de control da la orden de desconectar el motor del Tablero (==> q IN =
0), con lo cual el nivel comienza a bajar.

Cuando el motor está desconectado del Tablero (q IN = 0) y qOUT  0 , el nivel h irá bajando y en algún
momento alcanzará la altura mínima aceptable de 4,5 m. En ese instante, el sensor de nivel detecta esta
situación y el sistema de control da la orden de conectar el motor al Tablero (==> q IN = 140 lt/min), con
lo cual el nivel comienza a subir.
En la Figura siguiente se ilustra el sistema descrito, y además se muestran el gráfico de variación diaria del
caudal de salida para un día típico junto con el respectivo caudal de entrada, y el gráfico correspondiente de
variación del nivel h. Se observa que a las 12 hrs el nivel h alcanza la altura máxima de 8 m y el motor se
detiene (qIN = 0). Y a las 18 hrs, el nivel h alcanza la altura mínima de 4,5 m y el motor vuelve a conectarse
(qIN = 140 lt/min).
sensor de nivel
qIN
Tablero
380 Vff
50 Hz
hmáx
h
hmín
qOUT
moto-bomba
qIN
qOUT
[lt/min]
140
119
42
0
3
6
12
15
3
6
12
15
18
19,7
24
t [hrs]
h[m]
hmáx = 8
5
hmín = 4,5
0
a)
18
19,7
24
t [h rs]
Calcular el costo de operación anual (330 días) del conjunto de las 3 moto-bombas. Considere $75/KWh.
OBS: el rendimiento del motor no es el nominal. Debe determinarlo para la verdadera carga mecánica
Pmec[HP] que mueve el motor. Para ello, considere la siguiente dependencia del rendimiento con la
potencia mecánica (obtenida del catálogo del motor):
nom
.
.
.
.
1
0,95
0,90
0,85
0,80
0
25
50
75
100
Pmec /Pmec nominal [%]
b) Se propone cambiar el sistema de control como sigue: Mediante un variador de frecuencia (VDF) se
regulará la frecuencia del voltaje, de modo que la velocidad del motor (r) variará aproximadamente
proporcional con f. Así se regulará el caudal q IN que impulsa la bomba, ya que éste es proporcional a r ;
se tiene entonces que qIN es proporcional a la frecuencia (qIN = k·f), siendo qIN = 140 [lt/min] para f = 50
Hz. El objetivo es sensar permanentemente q OUT , y mediante un sistema de control ajustar q IN , mediante
la frecuencia del VDF, tal que en todo momento qIN = qOUT .
Considerando que la potencia mecánica Pmec requerida para impulsar el caudal qIN es proporcional a r2 ,
es decir Pmec = K·r2 , calcular el costo de operación al utilizar VDF (Recuerde que si f = 50 Hz, el
caudal es qIN = 140 [lt/min] y la potencia mecánica que debe desarrollar el motor es de 35 HP).
c)
Hacer una evaluación económica para determinar si conviene cambiar el sistema de control. Considere
que el costo de inversión (del VDF más el sistema de control asociado), asciende a $2.400.000.- y que no
se eliminará el sistema de control de nivel original, pues serviría para ajustar el nivel h en algún valor
predeterminado (explique por qué se afirma esto último).