Evolución de las Eficiencias Energéticas

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1 Por: Daniel Posadas Sánchez, Líder Técnico Eléctrico, Transformadores de Distribución de la empresa Prolec GE. Evolución de las Eficiencias Energéticas de Transformadores de Distribución en México Un transformador que no cumple las normas puede tener una vida más corta y originar pérdidas económicas a las empresas de energía En mayor o menor grado todas las naciones del mundo están tomando acciones para limitar la generación de gases de efecto invernadero. Un mecanismo eficiente para hacer esto realidad es reducir las pérdidas en los aparatos eléctricos. Las empresas de energía enfrentan el reto de cumplir con las nuevas necesidades de energía eléctrica de hoy, asegurándose de acatar las demandas del mañana. Existen empresas con experiencia en este rubro como Prolec GE, la cual provee soluciones de transformadores para la generación, transmisión y distribución de energía, ayudando a mantener la operación continua de la red eléctrica. Como los transformadores de la red de distribución eléctrica están permanentemente energizados, deben tener eficiencias mínimas establecidas a través de normas. Un transformador que no cumple las normas, resulta menos confiable, tiene una vida más corta y crea pérdidas económicas a las empresas de energía. Conceptos de Eficiencia del Transformador Donde: Potencia de Salida= kva o MVA nominales del transformador Potencia de Entrada= kva o MVA nominales del transformador + Pérdidas Totales Pérdidas Totales = Pérdidas sin carga + Pérdidas con carga La NOM establece parámetros de eficiencia y seguridad acordes con los adelantos tecnológicos actuales 41 La Revista de la Industria Petrolera

2 Densidad de flujo en saturación (Bs) B Densidad de flujo 3500 Pérdidas sin carga (watts) 3000 Densidad de flujo remante (Br) Campo coercitivo (-Hc) H Hc Primera curva de magnetización H Campo magnético Pérdidas (watts) B Br % Voltaje nominal 42 Pérdidas sin carga Las pérdidas sin carga son causadas por la corriente de magnetización necesaria para energizar el núcleo del transformador y no varían según la carga del transformador. Son constantes y ocurren las 24 horas del día, 365 días por año, independientemente de la carga. Constan de: - Pérdidas por histéresis en las laminaciones del núcleo. - Pérdidas por corrientes de Eddy en las laminaciones del núcleo. - Pérdidas I 2 R debidas a la corriente de excitación, pérdidas extrañas por corrientes de Eddy en herrajes, tornillos y otros componentes del núcleo. Las pérdidas de histéresis y las pérdidas de corriente de remolino contribuyen sobre el 99% de las pérdidas sin carga. Laminaciones más delgadas del acero del núcleo reducen pérdidas de corriente de remolino Transformador 25 kva 400 Watts % 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 110% 120%

3 - Se crean por la resistencia del conductor al flujo de electrones o corriente. Pérdidas extrañas: - Creadas en todas las partes metálicas penetradas por el flujo magnético disperso producido por los arrollamientos o lazos de corriente. Materiales para alta eficiencia 44 Pérdidas (W/kg) Las pérdidas con carga varían de acuerdo a la carga del transformador. Incluyen: Pérdidas por calentamiento o pérdidas I 2 R en los materiales del devanado (el mayor contribuyente). Pérdidas Típicas para Diferentes Materiales del Núcleo At. 1.5 Tesla / 60 Hz, (excepto para SA1 el cual es a 1.3 Tesla) M3 o grados más eficientes se requieren para cumplir regulaciones de eficiencia SA1 (Amorphous) 1 mil M2, 7 mil MOH, 9 mil M3, 9 mil M4, 11 mil Material del núcleo M5, 12 mil M6, 14 mil El uso de materiales más eficientes en el núcleo simplifica el esfuerzo de lograr altas eficiencias con una mejor optimización de costos de materiales Con los años, el factor de alta eficiencia en aparatos eléctricos, como son los trasformadores de distribución eléctrica, se ha vuelto indispensable para asegurar que el producto sea de mayor calidad, por lo que usar materiales más eficientes puede ser una buena opción para cumplir con este requerimiento. Materiales del núcleo: Acero al silicio M3 y M0H (9 mil), M2 (7 mil) - A medida que mejora la eficiencia del material, disminuye el volumen total del mercado - En todo el mundo se tiene limitado suministro de acero al silicio de grano orientado - Los grados M3, M2 y M0H son fundamentales para el logro de niveles de alta eficiencia Metal Amorfo - Opción tecnológica de pérdidas más bajas de núcleo (65% de reducción en pérdidas vs M3) - 1 mil de espesor - Suministro mundial limitado. Materiales para conductor: Magneto o lámina de cobre - Mejor opción para bajas pérdidas - Costo más alto que el aluminio Magneto o lámina de aluminio - Mejor opción costo-eficiencia para diseños de transformadores de distribución

4 Pérdidas en el Transformador (W) Pérdidas en el Transformador a diferentes factores de carga 25 kva monofásico - diseño SiFe Pérdidas sin carga Carga (%) Pérdidas sin carga 0 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 110% 120% Tres veces más ligero y 65% mayor resistividad que el cobre - Peso total de devanados 50% más ligeros que diseños con cobre a mismas pérdidas. La eficiencia más alta ocurre al nivel de carga donde las pérdidas del núcleo son iguales a las de los devanados. Evolución de eficiencia de norma Con el paso del tiempo la regulación en materia de trasformadores de distribución ha ido evolucionando, permitiendo una mayor eficiencia en los dispositivos. Beneficios de la regulación NOM Establece parámetros de eficiencia y seguridad acordes con los adelantos tecnológicos que se tienen actualmente. 2. Incorpora una herramienta para que el sector de la administración pública, dígase Comisión Federal de Electricidad (CFE), adquiera en sus procesos de licitación mejores transformadores de distribución, cuando sea el caso. 3. Proporciona a los particulares que requieran de un transformador, la certeza de que cualquier equipo que se oferte en el mercado cumple con una mayor eficiencia energética y seguridad. 4. La autoridad competente contará con una mejor norma que contribuya a la seguridad de las instalaciones eléctricas. 5. El suministrador del servicio público de energía eléctrica tendrá elementos para exigir y asegurar que los transformadores de distribución que se integren al sistema eléctrico nacional sean más eficientes y confiables. 6. Coadyuva con las estrategias que permitirán alcanzar la disminución a la afectación al medio ambiente debido a las emisiones de CO 2 a la atmósfera. La eficiencia más alta ocurre al nivel de carga donde las pérdidas del núcleo son iguales a las de los devanados 45 La Revista de la Industria Petrolera

5 NOM-J-116 NOM NMX-J Nuevos niveles de eficiencias a 80% de la carga y 70º de temperatura de referencia N0M NOM Norma Oficial que establece requerimientos de seguridad y eficiencia en máquinas y transformadores de distribución Normas oficiales pasan de ser mandatorias a voluntarias NOM Se mantienen mismas eficiencias Revisión de la NOM-001 y nuevo estandar NOM-002 de eficiencias 1977 Primera regulación de transformadores de distribución 46 Impulsando soluciones confiables Las regulaciones de eficiencia existentes en EU, Europa y México son: Estados Unidos: 10 CFR Parte 431 Programa de Conservación de Energía: Estandar para Conservación de Energía en Transformadores de Distribución, Regla Final 4/18/2013 Día de implementación: Ene. 01, 2016 Fecha de la Regulación Previa Oct. 12, 2007 Eficiencia Evaluada al 50% de la carga. Cumplimiento basado en desempeño estadístico de las pérdidas (promedio) Europa: IEC : Transformadores de Potencia Parte 20: Eficiencia. 01/17/2015 Evaluado al 50% de la carga. Requerimientos de Eficiencia Mínima absoluta (No Tolerancia). México: NOM-002-NOM-002-SEDE/ENER Requisitos de seguridad y eficiencia energética para transformadores de distribución. 08/29/2014 Día de Implementación: Ene. 01, 2016 Evaluado a 80% de la carga. Requerimientos de Eficiencia Mínima Absoluta (No Tolerancia) Estándar previo: Otros países con regulaciones de eficiencia mínima: Japón, India, Canadá, Australia. Cabe señalar que los fabricantes son responsables del cumplimiento de los nuevos estándares

6 48 de eficiencia desarrollados para cubrir los transformadores de distribución. Factores Críticos de Calidad para Alta Eficiencia Proceso de optimización de diseños: Uso de herramientas avanzadas de cómputo para evaluar un gran número de iteraciones de diseño (combinaciones). Pérdidas sin carga: Calidad del material (grado de acero al silicio). Especificación para desempeño estadístico de bajas pérdidas. Proceso de recocido de núcleos para relevación de esfuerzos. Elimina esfuerzos residuales para conseguir niveles de pérdidas cercanos a los de la materia prima. Proceso de armado: Minimiza las pérdidas del núcleo debido al manejo mientras se inserta en las bobinas. Factor de optimización de espacio: Tolerancias estadísticamente determinadas para minimizar holguras en el núcleo. : Factor de espacio alto en devanados: Control de tensión, optimización del espesor de entre capas. Optimizar la densidad de corriente del conductor: Balance de pérdidas, pesos y dimensiones. Componentes de acero inoxidable o no magnéticos para minimizar corrientes inducidas en tanque y herrajes. Calidad de boquillas y conexiones. Conclusiones Los fabricantes de transformadores para asegurar el cumplimiento de la eficiencia energética de norma requieren, desde el punto de vista de la cadena de suministro, negociar con proveedores globales para obtener un abasto de calidad Premium de aceros de núcleo y conductores. Asimismo, durante el proceso de diseño deben hacer uso de modernas herramientas de software de optimización para evaluar múltiples interacciones y determinar así, el diseño óptimo contando con flexibilidad en la optimización de diferentes fórmulas de evaluación y restricciones. Los fabricantes deben desarrollar procesos de manufactura de núcleos que permitan incrementar la eficiencia del relevado de esfuerzos, posterior al formado y minimizar el impacto durante el armado de los mismos sobre el valor de pérdidas sin carga. Además deben fabricar devanados del transformador considerando las holguras óptimas, los factores de espacio y la calidad de las conexiones, que permitan asegurar el valor mínimo de pérdidas con carga. Es muy importante que dentro de la planta tengan laboratorios con equipos y procedimientos actualizados para mejorar la exactitud y repetibilidad de las pruebas, así como también cuenten con sistemas computacionales en tiempo real para verificar el cumplimiento con mínima eficiencia. Antes de adquirir un transformador, quienes están a cargo de las áreas de abastecimientos en la industria, deben evaluar que el fabricante de transformadores esté preparado para cumplir con las nuevas eficiencias energéticas de norma, de esta manera, no pondrá en riesgo el desempeño, seguridad e integridad de su transformador.