Módulo de Aprendizaje 15: Administración de la Energía Serie Básica 101
Temario En este módulo, estudiaremos con detalles cada uno de estos temas: Generalidades 4 Administración de la Energía 5 Por qué es importante Administrar la Energía? 5 Desregulación de la Energía Eléctrica 6 Explicación de los Cobros por Concepto de Energía Eléctrica 6 Administración del Lado de la Oferta 8 Administración del Lado de la Demanda 9 Herramienta para la Administración de la Energía 10 Repaso 1 12 Calidad de la Energía 13 Por qué es Importante la Calidad de la Energía 13 Perturbaciones de la Calidad de la Energía 13 Monitoreo de la Calidad de la Energía 17 Repaso 2 19 Confiabilidad y Tiempo de Funcionamiento del Sistema 20 Costos de la Confiabilidad y Tiempo de Funcionamiento 20 Disponibilidad de la Energía Eléctrica 21 Proveedor de Energía Eléctrica 24 Coordinación de Sistema 25 Mantenimiento Predictivo 25 Facilidad de Mantenimiento 26 Repaso 3 29 Información e Integración 30 Redes 30 Redes Ethernet 31 DeviceNet 32 Red de Acceso Remoto 33 En Resumen 34 Repaso 4 35 Glosario 36 Respuestas del Repaso 1 38 Respuestas del Repaso 2 38 Respuestas del Repaso 3 38 Respuestas del Repaso 4 38 Página 2
Bienvenido Bienvenido al Módulo 15 en donde se comenta la importancia de la Administración de la Energía. La Administración de la Energía es importante para nuestros clientes porque: 1. Ahorra dinero 2. Les ayuda a fabricar un producto de calidad 3. Protege el equipo y al personal mientras reduce el tiempo muerto causado por interrupciones del servicio eléctrico, y 4. Les permite compartir las mejores prácticas entre las instalaciones. Para lograr estas metas, nos enfocaremos a cuatro áreas dentro de la administración de la energía: Administración de la Energía, Calidad de la Energía, Confiabilidad de Sistema y Tiempo de Funcionamiento e Información e Integración. Después de terminar este módulo, usted entenderá lo que es la administración de la energía, porque la administración de la energía es importante, y podrá ofrecer varias soluciones para ayudar a sus clientes a desarrollar un plan de administración de energía eficaz. Figura 1. Todas las Instalaciones Requieren de un Plan de Administración de Energía Eficaz Nota sobre Estilos de Fuentes Viendo el Glosario Como los demás módulos de esta serie, este módulo presenta pequeñas secciones de material nuevo seguidas por una serie de preguntas sobre este material. Estudie el material cuidadosamente, conteste después las preguntas sin hacer referencia a lo que acaba de leer. Usted es el mejor juez de su asimilación del material. Repase el material tan frecuentemente como lo considere necesario. Lo más importante es establecer una base sólida sobre la cual construir conforme pasa de tema en tema y de módulo en módulo. Los puntos esenciales se presentan en negritas. Los elementos del Glosario se escriben con cursivas y son subrayados la primera vez que aparecen. Las versiones impresas tienen el glosario al final del módulo. Usted puede también hojear el Glosario seleccionando con el mouse la marca de Glosario en el margen izquierdo. Página 3
Generalidades Durante casi un siglo, las razones del monitoreo del a electricidad y de las herramientas utilizadas por las instalaciones industriales, comerciales e institucionales permanecieron relativamente sin cambio. Pero en los últimos años, cambios importantes han ocurrido en la forma de utilizar la electricidad, los reglamentos para las empresas proveedoras de electricidad y la tecnología disponible para medir este recurso. Los usuarios de la electricidad siempre han tenido la necesidad de medir los parámetros eléctricos básicos tensión y corriente. Las necesidades iniciales de monitorear la tensión fueron para asegurar que el suministro de energía eléctrica tenía la capacidad y la estabilidad necesaria para excitar la carga. El monitoreo del amperaje (intensidad) aseguró que los conductores eran apropiados y que la carga no sería dañada por una corriente excesiva. Conforme creció la generación centralizada de energía eléctrica y conforme los sistemas de distribución de energía dentro de los edificios comerciales e industriales se volvieron más sofisticados, las razones de la medición crecieron también. A los clientes del servicio eléctrico les comenzó a interesar la cantidad de energía eléctrica que estaban usando (watts) y la eficiencia con la cual la estaba utilizando (factor de potencia). Hasta principios de los años 1980, los medidores de energía eléctrica eran dispositivos electromecánicos. Aprovechaban los principios electromagnéticos básicos para hacer que un puntero o aguja se desplazara (amperímetro y voltímetro) o bien para hacer que un disco rotor girara (wattímetro), de manera proporcionar al parámetro medido. Aún cuando se observaron avances en cuando a calidad, costo y capacidad de los medidores fabricados, el diseño básico y la operación permanecieron sin cambios. Los avances en la industria de los microprocesadores cambió la forma de vivir y trabajar. El término computadora personal pasó de la ciencia ficción a la realidad cotidiana. Los microprocesadores de volvieron componentes comunes de casi todo. Todos cambiaban a la tecnología digital. El uso inicial de los microprocesadores en el mercado de la distribución de la energía eléctrica fue en equipos de protección de circuito y medición. Un medidor digital podía reemplazar varios medidores electromecánicos (analógicos). Un medidor de switchboard electrónico podía ahorrar el OEM de switchboard o el tiempo, dinero y espacio del usuario final. Cuando las comparaciones entre medidores analógicos y medidores digitales incluían los gastos de montaje, alambrado, distribución y almacenamiento, los ahorros eran todavía más aparentes. Sin embargo, el alto crecimiento reciente del negocio de la medición electrónica ya no está impulsado por simples conversiones de datos analógicos a digitales. Los usuarios de la energía eléctrica requieren ahora de datos más precisos y más oportunos para tomar decisiones y emprende acciones que eleven la productividad y las utilidades globales. Requieren de desarrollar programas de administración de la energía. El primer factor en un programa de administración de energía eficaz es la administración de la energía. Página 4
Administración de la Energía Por qué es importante Administrar la Energía? La administración de la energía es la capacidad de optimizar el consumo de energía. El primer paso es entender la cantidad de energía consumida en una instalación típica. El segundo paso es encontrar en donde se está utilizando la energía. El tercer paso es aprender a utilizar la información para tomar medidas para reducir costos. Los datos en materia de energía pueden ser utilizados para determinar el proveedor de energía a seleccionar, las prácticas más efectivas desde la perspectiva del costo, determinar procesos y maquinaria que requieren de retrabajo para volverse más eficientes en cuanto a consumo de energía, y para alentar a los inquilinos o a los departamentos a reducir el consumo de energía volviéndolos responsables de dicho consumo. Los costos de la energía pueden representar una parte importante de los gastos de operación de un usuario. En algunas industrias, los costos de la energía rebasan los costos laborales, que son generalmente el segundo costo global más alto de una compañía. Desde una perspectiva financiera, la energía es típicamente tratada como gasto general y se hace poco esfuerzo para identificar cómo, cuándo, por qué y por quién se está utilizando la energía. Existe una estrategia para casi todos los demás tipos de insumos (tales como materiales o mano de obra) para medir, asignar y recuperar costos. El desarrollo de un plan de administración de la energía ayudará a identificar el costo de la energía y su efecto sobre el presupuesto de operación de una instalación y el costo unitario de su producto. Esta conciencia, y los pasos emprendidos para reducir el consumo de energía pueden incrementar las utilidades. Figura 2. Costos de Operación y Niveles de Utilidad Están Relacionados Una de las formas más efectivas para comenzar a desarrollar un plan de administración de la energía es medir y verificar el uso de la energía. En la mayoría de las instalaciones, la única medición de energía tiende a ser el medidor proporcionado por la empresa de suministro de energía eléctrica. Este medidor está ahí para un solo propósito saber cuánto cobrarle a la instalación por el consumo de energía. Este medidor no proporciona detalles (cuándo y dónde) que serían valiosos en un esfuerzo de administración de energía. Por consiguiente, la primera tarea en la administración de la energía es medir el uso de la energía y desarrollar un perfil de carga de instalación. Un Perfil de Carga de instalación es una gráfica que muestra la cantidad de energía utilizada en el tiempo (día, semana, etc.). Esta información es el primer paso para volverse un consumidor más inteligente y un mejor negociador para servicios relacionados con la energía (se conoce como administración del lado de la oferta). Es también el primer paso para utilizar la energía de manera más eficiente (se conoce como administración del lado de la demanda). En una instalación típica, muchas cargas consumen energía. Sin embargo, antes que se pueda implementar un plan de administración de energía, se debe poder determinar qué está con- Página 5
Desregulación de la Energía Eléctrica sumiendo cuánta energía y cuándo. Una vez conocidos los patrones y tendencias de consumo, se pueden desarrollar programas de administración de la energía. El conocimiento de los patrones de consumo de energía es aún más crítico hoy en día debido a la Desregulación de las Empresas de Suministro de Energía Eléctrica. La Ley en materia de Políticas de Energía de 1992 está cambiando dramáticamente la industria del suministro de energía eléctrica. Elimina las restricciones geográficas del lugar donde una instalación puede vender sus productos. La Ley permite también competencia a nivel de la venta al menudeo, lo que permite que los clientes informados negocien mejores tarifas para la energía eléctrica. En un mercado desregulado, la electricidad se venderá con base en bloques de energía, establecimiento de precios en tiempo real y niveles de calidad de energía. Surgirán corredores de energía eléctrica que ofrecerán productos que funcionan con energía eléctrica, gas natural, vapor o bien otros productos relacionados con la energía. Estas opciones de compras combinadas pueden permitir a los clientes negociar una tarifa más baja. Las Compañías de Servicio de Energía (ESCO) ofrecerán una amplia gama de servicios, incluyendo administración de sistema de energía eléctrica, auditoría de energía, servicios de consultoría y contratos basados en desempeño. El desarrollo de un perfil de energía proporcionará a los usuarios la información crítica necesaria para negociar efectivamente la mejor estructura de tarifas para sus necesidades. Figura 3. Desregulación de las Empresas de Suministro de Energía Eléctrica Explicación de los Cobros por Concepto de Energía Eléctrica No solamente para sobrevivir a la desregulación de la energía, sino también para aprovecharse de sus beneficios, los usuarios de la energía eléctrica deben analizar cuidadosamente su uso actual de la energía. Tendrán que identificar las estructuras de tarifas de descuento disponibles de varios proveedores y tomar nota de los castigos que un proveedor puede imponer con base en ciertos parámetros de consumo o calidad. Los usuarios de la energía eléctrica necesitarán datos concisos para determinar su perfil de energía y evitar estos castigos. Una vez que el usuario instala un sistema permanente de medición y verificación, todos estos datos están disponibles. Si no se puede medir, no se puede administrar. Un factor importante en el desarrollo de un plan de administración de energía eléctrica es comprender cómo las empresas de suministro de energía eléctrica cobran la energía consumida. Como parte de los planes de conservación de energía a nivel federal y estatal, las empresas de suministro de energía eléctrica deben dar servicio a la demanda de sus clientes por energía eléctrica, sin construir plantas adicionales de generación. Muchas empresas de suministro de energía eléctrica están enfocadas a manejar sus demandas de carga promo- Página 6
viendo la conservación, cambios de cargas a períodos de uso inferior y nivelación de los Picos de Demanda. Para alentar a los clientes a ayudarles en el proceso, las facturas de las empresas de suministro de energía eléctrica tienen tasas diferentes para uso en horas diferentes del día. Figura 4. Factura de Empresa de Suministro de Energía Eléctrica de una Pequeña Planta de Ensamblaje El Cobro de Conexión Básica se establece típicamente con base en la tensión del servicio y la magnitud global de la energía utilizada. Si el edificio utiliza la energía suministrada por la empresa de suministro de energía eléctrica, que se conoce como Tensión de Transmisión, el costo es frecuentemente más bajo. Si la empresa de suministro de energía eléctrica tiene que utilizar transformadores para suministrar energía a tensiones más bajas que la tensión de transmisión, el costo será más elevado. Algunas grandes instalaciones utilizan una tensión de transmisión y suministran sus propios transformadores para reducir la tensión para adecuarse a sus necesidades en la instalación. El Cobro por Energía se muestra en kwh (Kilowatt-horas) y refleja la energía bruta utilizada. Si vemos en las lecturas presente y previa del medidor, vemos que se utilizaron 492 unidades, con una constante de medidor de 1400, lo que nos da un uso de 688800 kwh. El Cobro por Demanda (mostrado en KW) representa la forma de la empresa de suministro de energía eléctrica para transferir el costo de mantener la capacidad de generación requerida para dar servicio a toda su base de clientes. La empresa de suministro de energía eléctrica define una ventana de tiempo, y mide la cantidad de demanda de energía (kw) dentro del intervalo. Pueden medir la demanda en incrementos de 15, 30 ó 60 minutos. El cobro se basa en una Demanda Pico (el promedio más alto de cualquier ventana). Figura 5. Demanda Pico La demanda pico es la mayor lectura de energía detectada dentro del período durante un mes. Para cumplir con los valores de demanda más altos, la empresa de suministro de energía eléctrica puede requerir de un equipo de capacidad adicional o bien puede requerir de comprar la energía adicional de otra empresa de suministro de energía eléctrica. El cobro por demanda relativamente alto ($11.25 USD por kw en este caso) tiene el propósito de alentar la Nivelación de la Demanda por el cliente para ahorrar dinero. Sin embargo, puesto que esta factura es para toda la instalación, el cliente no sabe en donde se consumen las demandas más altas o qué cargas Página 7
Administración del Lado de la Oferta pueden estar consumiendo grandes cantidades de energía al mismo tiempo. Con un programa de administración de la energía, el cliente podría posiblemente identificar las cargas de alta demanda e implementar programas para reducir la demanda global en una instalación. Una vez implementado un plan, la compañía podría consumir mucho más kwh de energía y tener una factura por concepto de consumo de energía eléctrica global inferior mediante la nivelación de la demanda. El kvar, o bien cobro por factor de potencia, es implementado por la empresa de suministro de energía eléctrica para compensar la energía requerida para energizar el sistema, pero no se mide en los cobros de kwh o kw. La administración del lado de la oferta incluye la negociación de tarifas, el compartir el suministro en el sitio para reducir los costos de energía y la verificación de la factura de la empresa de suministro de energía eléctrica. Si los usuarios pudieran cambiar las cargas a otros horarios del día, la demanda pico caería naturalmente. Por esta razón, muchas empresas de suministro de energía eléctrica ofrecen programas de tarifas estacionarias, día de la semana/fin de semana, vacaciones y fuera de pico. Una administración cautelosa de la energía permite a un cliente aprovechar las mejores tarifas y evitar los castigos de las tarifas más altas. Muchas empresas de suministro de energía eléctrica ofrecen planes de Tarifa de Interrupción. Estos planes permiten a la empresa de suministro de energía eléctrica interrumpir un bloque de energía al cliente cuando la demanda global rebasa la capacidad de la empresa de suministro de energía eléctrica. Otra técnica basada en la oferta incluye poner en paralelo el Equipo de Generación de Energía del cliente con la empresa de suministro de energía eléctrica. Cuando la empresa de suministro de energía eléctrica está en un bajo nivel de capacidad, en vez de interrumpir el suministro de energía eléctrica a una instalación, puede pedir a la instalación que alquile sus equipos de generación de energía y suministre energía eléctrica a la red de la empresa de suministro de energía eléctrica durante un cierto período de tiempo. Esto podría ser benéfico para el cliente en una de dos formas: (1) la empresa de suministro de energía eléctrica compra de hecho la energía proporcionada por el generador en el sitio o bien (2) el cliente recibe mejore tarifas de la empresa de suministro de energía eléctrica. Es una forma de Generación Distribuida, un término utilizado para describir la ubicación de la fuente de generación cerca de la carga. Otro procedimiento que aprovecha el generador en el sitio es la reducción de pico. La reducción de pico es útil cuando la demanda pico del cliente se está acercando al valor de demanda límite en donde el costo se eleva de manera considerable. Un generador en el sitio podría suministrar una parte o la totalidad de la instalación, nivelando así la demanda de energía eléctrica suministrada por la empresa de suministro de energía eléctrica. La cuestión importante para el cliente es si el costo de funcionamiento del generador es mayor o menor que el precio de la energía proporcionada por la empresa de suministro de energía eléctrica en ese momento. Página 8
Figura 6. Reducción de Pico Administración del Lado de la Demanda La administración del lado de la demanda es cuando el usuario toma medidas para reducir el consumo de energía en su instalación. Métodos que pueden ser utilizados por los clientes para reducir el consumo de energía incluyen: Desplazamiento de cargas a períodos no pico. Procesos no críticos que pueden ser manejados en la noche o en fin de semana en lugar de efectuarse durante el día laborable normal. Programar las grandes cargas para que inicien a horas diferentes. Si se retarda el inicio de una carga importante durante unos 15 minutos, se reducen los valores picos. Instalación de controladores de frecuencia ajustables en cargas de par variables tales como compresores de HVAC. (Véase Módulo 20 para información sobre Controladores). Utilizar motores y transformadores especialmente diseñados para mayor eficiencia. Instalación posterior de balastras y alumbrado para menor costo y mayor eficiencia. Instalación de sistemas de control de alumbrado. Reductores de pico. La clave para implementar un plan de administración de energía exitoso es medir y verificar los datos de consumo. Página 9
En Campo Este fabricante de chip de silicio instituyó una nivelación de la demanda cambiando los tiempos de arranque de sus 12 máquinas. El proceso en 4 etapas de cada máquina requiere un muy alto nivel de energía durante el proceso de fusión inicial, menos en el ciclo siguiente, todavía menos en el tercer ciclo y muy poco durante el ciclo de enfriamiento final. Figura 7. La Nivelación de la Demanda Ahorra Dinero Cambiando cada una de las máquinas para que arranque posteriormente en el ciclo en comparación con la máquina anterior, pudieron reducir su demanda pico de 3300 kw a 1800 kw. Esta reducción resultó en un ahorro de $18,000 USD por mes, o sea casi $200,000 USD al año. Herramienta para la Administración de la Energía Como lo hemos comentado, antes de poder desarrollar un programa de administración de la energía, se debe efectuar una evaluación del uso de la corriente. Un sistema de medición y verificación permanentemente instalado proporcionará una información detallada continuamente. Una forma de lograr esto es instalar un medidor de clase de ingreso que puede proporcionar información sobre las tendencias de uso, las demandas pico y la calidad de la energía. Estos datos pueden permitir al usuario verificar la precisión de la factura expedida por la empresa de suministro de energía eléctrica, determinar su consumo histórico para propósito de negociación de tarifas e investigar el potencial de generación distribuida y/o reducción de picos. Se ahorra dinero cuando la acción se emprende con base en la evaluación de estos datos. Un usuario puede perfeccionar este enfoque de medición mediante la integración de sub-medidores, un sistema de bajo costo de medidores de energía colocados estratégicamente en toda la instalación. Mediante la utilización de sub-medidores, el consumo de energía puede medirse con mayores detalles, hasta las cargas más pequeñas. Los sub-medidores permiten también una asignación precisa de los costos de energía a los departamentos o inquilinos que utilizan la energía. Hoy en día existen herramientas de Software para ayudar a crear un programa de administración de la energía altamente efectivo: El software de determinación de tendencia de consumo de energía puede identificar gráficamente las tendencias de uso por medidor o usuario de energía durante períodos específicos. El software de facturación de energía verifica las facturas expedidas por la empresa de suministro de energía eléctrica y permite la asignación del costo de la energía a los inquilinos o departamentos. Página 10
Un software de rastreo de energía puede ser utilizado para establecer un costo de energía por pieza, rastreando los costos de producción con base unitaria. Un software de monitoreo de sistema puede proporcionar un monitoreo en tiempo real de todo el sistema de distribución. Puede proporcionar una advertencia temprana si los valores demanda están a punto de ser rebasados. Puede proporcionar una administración proactiva del consumo de la energía eléctrica y el cumplimiento del plan de administración de energía. Página 11
Repaso 1 Conteste las siguientes preguntas sin hacer referencia al material que se le acaba de presentar. Empiece la siguiente sección cuando esté seguro que entendió lo que ha leído. 1. La medición efectuada por una empresa de suministro de energía eléctrica no es una herramienta efectiva para establecer un plan de administración de energía. VERDADERO FALSO 2. La Demanda Pico representa la cantidad de capacidad de generación de energía que debe tener una empresa de suministro de energía eléctrica para dar servicio a sus clientes. VERDADERO FALSO 3. La administración de incluye la negociación de tarifas, el compartir el suministro del sitio para reducir los costos de energía y la verificación de la factura expedida por la empresa de suministro de energía eléctrica. 4. Un tipo de programa del lado de la oferta es cuando la empresa de suministro de energía eléctrica le pide a un usuario que active sus generadores y suministre energía eléctrica a la red de la empresa de suministro de energía eléctrica durante un cierto período. VERDADERO FALSO 5. La reducción de pico es: 6. Cuando un usuario toma medidas para reducir su consumo de energía eléctrica, se conoce como administración de. 7. La sub-medición puede proporcionar un método para la asignación precisa de los costos de energía. VERDADERO FALSO Página 12
Calidad de la Energía Por qué es Importante la Calidad de la Energía Perturbaciones de la Calidad de la Energía La calidad de la energía es un término general utilizado para abarcar varios transtornos y distorsiones a una señal de energía. Una baja calidad de energía puede tener un efecto negativo tanto sobre el sistema de distribución de energía en una instalación como sobre las cargas alimentadas. El Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) define la calidad de la energía como El concepto de suministrar energía y conectar a tierra equipos sensibles de una manera adecuada para la operación de este equipo. 1 Una baja calidad de la energía puede provocar costos elevados por concepto de tiempo muerto. Si un equipo resulta dañado por el transtorno, debe ser reparado o reemplazado, y la producción se suspende. Además, existe el potencial de que todo un ensamble de equipo requiera de un nuevo arranque. Los equipos electrónicos son especialmente sensibles a las variaciones de la calidad de la energía. Los controles automáticos pueden perder su memoria, requerir de una re-programación y crear tiempo muerto en el proceso o en la instalación. Las interrupciones de suministro de energía eléctrica de menos de 1/10 de segundo pueden resultar en la pérdida de cientos de horas de datos. Imagínese un apagón en un edificio de oficinas con 110 personas utilizando computadoras. Todos estos datos desaparecidos en un instante. Algunas personas pueden haber guardado sus archivos frecuentemente, pero se puede estimar que en promedio cada uno perderá por lo menos cinco minutos de trabajo. En conjunto esto representa 8 horas de datos y productividad perdidos. El suministro de energía a un equipo sensible con dispositivos de protección y una conexión apropiada a tierra puede evitar los inconvenientes de las distorsiones de energía. Puede ser tan simple como colocar dispositivos de supresión de picos en el panel de distribución de energía eléctrica en las cargas sensibles. Puede ser también un sistema de monitoreo sofisticado que abarca toda la instalación para advertir de perturbaciones inminentes en cuando a la calidad de la energía. Antes que comentemos algunas de estas herramientas y opciones de monitoreo, vamos a estudiar con mayores detalles los tipos y causas de estas perturbaciones y distorsiones. Una perturbación de calidad de la energía puede estar dentro de un rango de un microsegundo hasta un estado constante. Un microsegundo puede no parecer mucho tiempo para usted y para mí, pero para un equipo electrónico delicado es toda una vida!. Las perturbaciones de la calidad de la energía pueden ser causadas por fuerzas de la naturaleza, ciclos de ARRANQUE/PARADA de equipo o bien dispositivos que inducen distorsiones. A continuación se presentan algunas de las perturbaciones más comunes que pueden afectar un sistema: Transitorios o picos Variaciones de tensión de ciclos múltiples Distorsión de Ruido Armónicas Los transitorios o picos son habitualmente incrementos de tensión inferiores a un ciclo. Un término de uso común para transitorio es impulso de tensión. Existen varias fuentes de transitorios: 1.IEEE 1100-1992 Página 13
Rayos Cambio de cargas (capacitiva e inductiva) Cortocircuitos Operación de controlador de velocidad variable Operación de equipo de formación de imagen (fotocopiadoras y escáners) Equipos de soldadura de arco Reductores de luz Figura 8. Impulso de Tensión Los transitorios son de corta duración (0.5-200 microsegundos). Pueden ser de tipo de impulso (pico simple) u oscilatorios (repetidos). Disparan los interruptores de circuito, los elementos de estado sólido fallan (o bien se dañan), y corrompen los datos en microprocesadores. El uso de pararrayos, disipadores de sobretensiones y supresores de picos de tensión ayudan a mitigar algunos de los problemas provocados por los transitorios. Los miembros de CBEMA, la Asociación de Fabricantes de Equipo de Cómputo y de Negocio ha diseñado una curva para proporcionar lineamientos ofreciendo un rango de niveles de tensión versus tiempo en el cual los equipos operan satisfactoriamente. La presencia de variaciones de tensión en una línea de suministro de energía eléctrica, tales como transitorios, podría afectar de manera importante la operación y vida del equipo. Figura 9. Curva de CBEMA Página 14
En Campo Después de una tempestad violenta, el gerente de la planta de Westerville, OH de Eaton Corporation fue recibido por varios bomberos con hachas en mano. El sistema automático de alarma de incendio envío una falsa señal cuando un rayo inducido penetró en el edificio a través del sistema HVAC. En un instante se perdieron decenas de miles de dólares en equipo eléctrico y electrónico. Figura 10. Protección de las Inversiones a Nivel de Planta El gerente de la planta decidió que se tenía que instalar un sistema de supresión de picos como parte del plan de protección de energía completo a nivel de la planta, una pequeña inversión para evitar daños importantes futuros. Las condiciones de falta y exceso de tensión pueden ser provocadas por la conexión o desconexión de cargas importantes al mismo tiempo. Un Transitorio de Baja Tensión puede ser causado cuando varios motores grandes arrancan al mismo tiempo. Fallas en los sistemas de distribución o mal funcionamiento de los equipos de las plantas pueden también cuasar transitorios de baja tensión. El Transitorio de Alta Tensión es frecuentemente causado cuando ocurre una reducción repentina de la carga. Fallas de línea a tierra o la conexión de grandes series de capacitores puede resultar en transitorios de alta tensión. La duración de los transitorios de baja y alta tensión es generalmente de 1/2 a 120 ciclos. Pueden provocar el apagado de computadoras y PLCs, el bloqueo de motores, la abertura de contactores y relevadores, la formación de arcos de tensión y falla de componentes. Los transitorios de baja tensión afectan los devanados de arrancadores de motor diseñados para desconectarse a menos de 85% de la tensión nominal. El uso de reguladores de tensión, acondiciones de línea de suministro de energía eléctrica y suministros de energía no interrumpibles (UPS) puede resolver estos problemas. Los productos de manejo de energía habituales que utilizan dispositivos electrónicos son soluciones viables para mitigar las interrupciones y los transitorios de baja tensión. La distorsión por ruido se refiere a señales eléctricas indeseadas en la forma de onda de tensión de estado constante. La interferencia de radiofrecuencia (RFI), producida por componentes de sistemas de comunicación, puede contribuir al ruido en el sistema. Ha usted experimentado ya electricidad estática en su televisor debido a un radio de CB fuera de su casa? Es un ejemplo de RFI. Filtros simples o combinaciones de varios filtros pueden reducir el ruido en una línea para incrementar la calidad de su energía. Otra forma de ruido es provocado por las diferencias en cuanto a potenciales de tierra en un sistema eléctrico. La supresión de picos, alambrado, protección y conexión a tierra del sistema eléctrico de un edificio, incluyendo el cableado de Página 15
comunicación, pueden tener un efecto notable sobre los niveles de ruido a los cuales su equipo electrónico está expuesto. La conexión a tierra representa la base de un sistema de distribución confiable de la energía. El propósito primario de la conexión a tierra es la seguridad del personal y la protección de los equipos. Sin una buena conexión a tierra, las demás soluciones de calidad de energía no pueden lograr los resultados esperados. El propósito secundario de la conexión a tierra es la reducción de las perturbaciones por ruido para un mejor desempeño de los equipos electrónicos. Debido al uso creciente de equipos de comunicación de datos y redes, procedimientos apropiados de conexión a tierra son cada vez más importantes. Todas las conexiones a tierra deben ser revisadas y probadas anualmente para cerciorarse de un sistema de conexión a tierra con baja impedancia. Hasta el 80% de todos los problemas de calidad de la energía pueden ser exacerbados por problemas de conexión a tierra y alambrado. Conexiones sueltas u oxidadas, instalaciones inapropiadas o una alta impedancia provocan problemas de calidad de la energía. Las armónicas se están volviendo cada vez más comunes en sistemas de distribución debido al incremento de los equipos productores de armónicas en plantas y oficinas. Las cargas tradicionales tales como lámparas incandescentes, motores, resistencias y elementos de calefacción requieren de una corriente regular de 60 Hz. Se conocen a veces como cargas lineales. Pero cargas no lineales están aplicadas cada vez más frecuentemente. Estas cargas no lineales incluyen controladores de frecuencia ajustables, inversores/convertidores así como balastras de alumbrado electrónico. Un grupo muy importante de cargas no lineales son las computadoras personales, las máquinas de fax, escáners y fotocopiadoras. Las cargas lineales utilizan una onda sinusoidal de corriente pura que consiste solamente de un componente de 60 Hz. Figura 11. Onda Sinusoidal de Tensión Pura La palabra no lineal se refiere a sistemas que utilizan corriente no sinusoidal, aún cuando la tensión puede ser sinusoidal. Las armónicas de corriente son inducidas en la línea de suministro de energía eléctrica por los equipos y sistemas electrónicos no lineales que operan utilizando un suministro de energía de modo de conmutación que tragan la corriente, distorsionando su forma de onda. Una distorsión de tensión resulta típicamente de una distorsión de corriente que reacciona con la impedancia del sistema. Figura 12. Corriente No Lineal Página 16
Dispositivos no lineales conectados a un sistema de suministro de energía eléctrica producen señales que pueden ser transmitidas a un múltiplo de la frecuencia fundamental, por ejemplo, si la frecuencia fundamental es de 60 Hz, un múltiplo es (7 x 60 Hz) o 420 Hz. Figura 13. Corriente No Lineal Las armónicas son múltiplos de la frecuencia fundamental que, cuando se suman, resultan en una forma de onda distorsionada. Figura 14. Onda Distorsionada Las armónicas operan en la frecuencia más baja de todas las perturbaciones. Figura 15. Frecuencias de Distorsión de Calidad de la Energía Monitoreo de la Calidad de la Energía La distorsión por armónicas puede causar el mal funcionamiento de los controles electrónicos, el disparo innecesario de interruptores de circuito, lecturas inconsistentes en medidores y corrupción de datos. Puede también provocar el sobrecalentamiento de motores, transformadores y conductores. Algunas formas comunes de mitigar las armónicas incluyen el uso de filtros para armónicas y trampas de secuencia cero. El cambio de las fases de las corrientes armónicas con transformadores de cambio de fases puede también resolver el problema a través de la cancelación de las armónicas. Podemos ver el impacto de una baja calidad de la energía sobre una instalación. Los problemas de la calidad de la energía pueden ser superados con un sistema cuidadosamente diseñado y productos de distribución diseñados para superar o resistir las distorsiones. De la misma manera que era necesario monitorear nuestro consumo de energía eléctrica para desarrollar un plan de administración de la energía, necesitamos monitorear la calidad de la energía para desarrollar un plan de calidad de energía a escala del sistema. El monitoreo debe efectuarse continuamente en varias ubicaciones en todo el sistema de distribución de la energía eléctrica. Habrá diferentes requerimientos de monitoreo en ubicaciones diferentes en una instalación. El monitoreo en ubicaciones múltiples permite determinar las fuentes de la distorsión, registrar los eventos y activar alarmas. Mediante el registro del tiempo de ocurrencia de varios eventos relacionados con la calidad de la energía eléctrica, se pueden Página 17
detectar indicios importantes sobre la naturaleza del problema. La comparación de los registros de los eventos relacionados con la calidad de la energía eléctrica y los registros de los eventos que ocurren en los equipos puede indicar la fuente de la perturbación. Un monitoreo continuo puede también alertarlos sobre cualquier reducción del desempeño de un equipo en el sistema evitando un tiempo muerto no contemplado y la pérdida de productividad correspondiente. Existen productos para monitorear la energía eléctrica suministrada por la empresa de suministro de energía eléctrica. Monitores en la acometida pueden medir las contribuciones de las armónicas y registrar los eventos de perturbación de tensión con sello de hora. De esta forma se puede determinar la calidad global de la energía que se maneja en la planta. El monitoreo de la distribución puede localizar problemas en la planta. Existen dispositivos para medir la calidad de la energía incluyendo los niveles de tensión/intensidad y valores de armónicas. Además, pueden activar alarmas cuando los sistemas se encuentran en límites de tensión e intensidad. Protectores alimentadores tales como unidades de disparo electrónicas de baja tensión y relevadores de protección pueden también ofrecer capacidades de monitoreo de la calidad de la energía. Se cuenta con software para analizar los datos recopilados, determinar la causa de la baja calidad de la energía eléctrica y presentar tendencias. El software puede combinar todos los datos para ayudar a producir un sistema de administración y control de la energía totalmente integrado. En Campo Una operación de perforación en la parte Noroeste de Texas utilizaba dos controladores de velocidad variable (VSD), cada uno protegido con dispositivos de protección contra picos separados. Una tarde, la línea de alimentación de 12.47 kv recibió un impacto de rayo directo. Aún cuando los pararrayos recibieron la mayor parte de la energía, una cantidad suficiente de energía fue desviada corriente abajo hacia los VSDs. El VSD#1 fue destruido, sin embargo el VSD#2 siguió operando. Figura 16. La Conexión a Tierra es la Clave de la Confiabilidad del Equipo Una investigación física posterior mostró que faltaba el conductor de conexión a tierra entre el gabinete del VSD#1 y la varilla de conexión a tierra. Este descuido provocó una pérdida de producción equivalente a un día y $15,000 USD de daños a equipo. La buena conexión a tierra del VSD#2 permitió evitar una pérdida de producción. Página 18
Repaso 2 Conteste las preguntas siguientes sin hacer referencia al material que se le acaba de presentar. Empiece la segunda sección cuando esté seguro que entendió lo que acaba de leer. 1. Un equipo electrónico es especialmente sensible a las variaciones de la calidad de la energía. VERDADERO FALSO Relacione el término de distorsión con la definición correcta: 2. Transiente o Pico 3. Transitorio de Baja Tensión 4. Transitorio de Alta Tensión A. Múltiplos de frecuencia de intensidad o tensión sumados B. Reducción de corta duración en cuanto a tensión RMS C. Señales eléctricas indeseadas en la línea 5. Ruido D. Incremento de corta duración de la tensión RMS 6. Armónicas E. Impulso de tensión Página 19
Confiabilidad y Tiempo de Funcionamiento del Sistema Costos de la Confiabilidad y Tiempo de Funcionamiento La confiabilidad y el tiempo de funcionamiento del sistema puede ser un concepto que tiene significados diferentes para usuarios diferentes. Puede diferir según los requerimientos de la industria, las metas de utilidades corporativas o atención a las necesidades de los clientes. Veremos rápidamente la importancia de la confiabilidad y del tiempo de funcionamiento desde varios enfoques. Comentaremos los factores claves y algunas ideas para ayudar a los clientes a lograr una alta confiabilidad de su sistema y reducir sus costos por tiempo muerto. Los factores esenciales incluyen: Costos asociados con la confiabilidad, como por ejemplo tiempo muerto Disponibilidad de la energía eléctrica, incluyendo diseño de sistema y proveedores de energía eléctrica Confiabilidad del sistema y coordinación para seguridad y evitar daños Necesidad de diagnósticos predictivos y facilidad de mantenimiento Uno de los costos principales implicados en la confiabilidad de un sistema es definido por el término: costo total de propiedad. Examina los aspectos del costo global contra el retorno sobre la inversión en el desarrollo de la confiabilidad de un sistema. Estos aspectos incluyen: Cuánto cuesta diseñar el sistema? Qué compensaciones son aceptables en el proceso de evaluación? Descarga usted un sistema redundante debido a los altos costos o bien una interrupción le cuesta más? Cuánto cuesta el equipo necesario? Cuál es el costo de la instalación? Cuál es el costo de mantenimiento?, Qué tan frecuentemente será necesario, puede programarse en una base regular para reducir el costo? Cuál es la vida útil esperada del sistema y en cuánto tiempo se recuperará la inversión (produciendo por consiguiente el retorno sobre la inversión)? Un esfuerzo para comenzar a contestar estas preguntas, un usuario debe definir por qué el tiempo de funcionamiento es importante y cuánto puede costarle el tiempo muerto. Algunos grandes usuarios en industrias diferentes han reportado lo que significa para ellos el tiempo de funcionamiento: Industria del Papel Optimización de la producción por hora de trabajo. Industria Automotriz Funcionando todo el tiempo sin disculpas. Industria del Acero Optimizar el retorno sobre la inversión. Industria Petroquímica Medición del tiempo de operación real. Los costos del tiempo muerto pueden medirse a través de lo siguiente: Ingreso perdido se mide en dólares por día, pude llegar a millones de dólares por día. Utilidades perdidas incremento del costo de producción por pieza. Gastos de reparación inesperados un mantenimiento preventivo pudo haber ayudado? Página 20
Disponibilidad de la Energía Eléctrica Oportunidades perdidas incapacidad de responder ahora = futuro negocio perdido. La magnitud y el impacto sobre el negocio debe ser determinado de tal manera que se pueda diseñar económicamente un plan para reducir el tiempo muerto o incrementar el tiempo en funcionamiento. Dos influencias esenciales afectará la disponibilidad de la energía eléctrica: El diseño del sistema eléctrico y el proveedor de la energía eléctrica. Primero, vamos a estudiar el diseño del sistema. Un diseño de sistema de distribución de energía eléctrica se conoce como un sistema radial simple puesto que un solo alimentador primario alimenta un simple transformador, protegido por un dispositivo contra sobrecorriente, que alimenta todas las cargas. La mayoría de los servicios eléctricos son de diseño radial simple, incluyendo el servicio residencial. Estos sistemas pueden tener una alta ampacidad, como por ejemplo 5000 amperes, hasta 100 amperes. La pérdida del alimentador primario o transformador provoca un apagón para toda la instalación. En algunos casos, una falla corriente abajo del dispositivo de protección principal puede también apagar el suministro de energía eléctrica a toda la instalación. Figura 17. Sistema Radial Simple El sistema radial es el diseño de distribución más económico. Si la magnitud y el impacto de los costos relacionados con el tiempo muerto no son importantes, puede ser una buena elección para una instalación dada. Para mejorar la confiabilidad de este sistema, se puede utilizar un método auxiliar de generación de energía en sitio. Un generador diesel y un interruptor de transferencia automático es el enfoque más común. Un interruptor de transferencia automático de transmisión cerrada (ATS) puede ser utilizado para eliminar los apagones durante la transferencia programada de carga al generador. La adición de un suministro de energía no interrumpible (UPS) puede evitar los apagones cuando se pierde el suministro de energía del proveedor y antes que el generador se conecte y funcione. El sistema de respaldo puede tener un tamaño adecuado para manejar la totalidad de la carga de la instalación o bien solamente las cargas críticas. Esto puede determinarse con base en las necesidades del usuario y el costo. Para compensar los costos del tiempo muerto, un plan de administración de energía puede incluir un plan interrumpible o una reducción de picos para reducir el costo de la energía. Página 21
Figura 18. Sistema Radial con Generador Otro diseño de sistema popular es un servicio secundario selectivo de empresa de suministro de energía doble. Se conoce frecuentemente como Sub-estaciones de Doble Acometida. En este sistema, dos servicios primarios y dos transformadores sirven las cargas que se encuentran en un bus común. Están separados por un interruptor de enlace normalmente en estado abierto. Si un alimentador primario o transformador falla, el interruptor principal abre, ser cierra el enlace, y las cargas son excitadas de nuevo. Es solamente un apagón momentáneo. Una conmutación de transición cerrada (poner en paralelo temporalmente las fuentes) puede evitar bajar las cargas. Figura 19. Sub-estaciones de Doble Acometida Con el objeto de lograr una conmutación de transición cerrada, los dispositivos deben tener la capacidad nominal adecuada. Esto puede afectar adiciones futuras al sistema para permanecer dentro de la capacidad nominal. En hospitales e instalaciones médicas se desea a veces tener transformadores temporalmente en paralelo. Estos sistemas son más costosos que los sistemas radiales simples pero ofrecen una mejor seguridad que las cargas permancerán en línea. La adición de una fuente auxiliar de suministro de energía en el sitio puede agregarse a este sistema para mejorar adicionalmente la confiabilidad del suministro de la energía eléctrica. Como antes, puede tener un tamaño adecuado para manejar toda la instalación, áreas seleccionadas o bien solamente cargas críticas. El uso de un ATS de transición cerrada ayudará a minimizar el tiempo Página 22
muerto durante las transferencias programadas. Un sistema de transferencia puede ser desarrollado utilizando un UPS. Figura 20. Doble Suministro de Energía Eléctrica con Generador Otra variación del sistema doble de alimentación en energía eléctrica es el sistema selectivo que permiten una conmutación automática de una fuente primaria a una fuente alterna continuamente disponible cuando existe una perturbación en el sistema. Conmutadores de transferencia de sub-ciclo con lógica programable detectan las interrupciones momentáneas, apagones, transitorios de baja tensión y transitorios de alta tensión. La transferencia entre las fuentes se logra en 4 milisegundos o menos. Aplicaciones típicas pueden ser centros de datos, hospitales, plantas de semiconductores y otras en donde existe la necesidad económica de tener alta calidad y confiabilidad en el suministro de la energía eléctrica. Figura 21. Suministro Doble, Primario Selectivo Los Sistemas de Red de Puntos representan el mejor desarrollo, operando a un nivel de confiabilidad parecido al alcanzado por los sistemas de red de empresas de suministro de energía eléctrica de donde proviene su fuente primaria. Dos o más circuitos primarios en fase, que pueden funcionar en red, de la misma tensión y mismo ángulo de fase están conectados a través de transformadores de red a un ensamble común de baja tensión. La redundancia del transformador es habitualmente de 50 a 100% de la carga conectada total kva. Por ejemplo (3) unidades de 1000 kva dan servicio a una carga de demanda de 2000 kva. Si se utilizan interruptores de enlace, están normalmente cerrados. Página 23
Figura 22. Red de Puntos Proveedor de Energía Eléctrica Protectores de red aseguran que los secundarios del transformador están conectados al bus de carga solamente cuando la energía eléctrica fluye en el bus de carga de red. Se puede agregar protección contra sobrecorrientes para utilizar protectores como alimentadores de servicio. Los valores de corriente de falla son comparativamente altos. Por consiguiente, se requiere habitualmente de interruptores con alta capacidad interruptiva para los interruptores de alimentadores en el switchgear. El mantenimiento del sistema es posible sin suspensión de larga duración del servicio. Este sistema ofrece una operación automática aún en caso de fallas del cable primario o del transformador. No ocurre ninguna suspensión del servicio de energía eléctrica para ninguna carga en la medida en que ocurre solamente un evento al mismo tiempo. Esto se conoce frecuentemente como apagón por una sola contingencia. Eventos múltiples ocurren con poca frecuencia. El problema con este nivel de confiabilidad es su costo elevado. Sin embargo, si su instalación tiene que estar funcionando todo el tiempo sin pretextos, ese sistema puede considerarse. La segunda influencia esencial sobre la disponibilidad de energía eléctrica es cómo puede ser afectada por el proveedor. El entorno cambiante causado por la desregulación de las empresas de suministro de energía eléctrica puede tener un impacto sobre la disponibilidad y costo de la energía en un área dada. Sin embargo, ofrece también nuevas oportunidades, especialmente la generación de energía eléctrica en sitio. La generación en sitio puede ser utilizada como la fuente principal de energía eléctrica para una instalación en un área que tiene relativamente poca distribución eléctrica. El acceso al gas natural con un generador en sitio podría ofrecer un medio más confiable y más económico que la instalación de una nueva línea de distribución radial. De conformidad con lo comentado arriba, la generación auxiliar puede ser utilizada en programas interrumpibles, generación distribuida y recorte de picos. La desregulación provocó también los contractos de energía basados en desempeño. Los usuarios y proveedores negocían contratos que prometen el suministro de energía eléctrica y una parte de los ahorros de costo de la implementación de los programas de ahorro de energía. Página 24
Coordinación de Sistema Mantenimiento Predictivo Cuando se estudia la confiabilidad y disponibilidad de un sistema, las preocupaciones de seguridad personal y minimización de daño a los equipos eléctricos juega un papel importante. En cualquier sistema eléctrico, deben existir dispositivos de protección de varios tamaños y capacidades. Los dispositivos conocidos como HMCPs, interruptores de circuito en caja moldeada e interruptores de fusible protegen los ramales y circuitos de motor. Los interruptores de circuito de potencia y los interruptores en caja moldeada son utilizados para proteger los circuitos de distribución de energía eléctrica. La confiabilidad del sistema es afectada por la coordinación o la selectividad de todos estos interruptores. La selectividad incluye la selección de los ajustes de protección para asegurar que el interruptor más cercano a una falla responde primero, antes que otros puedan dispararse de manera innecesaria. Los interruptores tienen también un impacto sobre la confiabilidad por sus valores de corriente continua y resistencia, su velocidad de operación y su facilidad de mantenimiento. Una coordinación apropiada entre interruptores corriente arriba y corriente abajo significa dispositivos que pueden eliminar fallas y aislar problemas sin suspender el servicio de suministro de energía eléctrica al resto del sitio. (Véase Módulo 6, 7 y 8 para mayor información). El mantenimiento preventivo es una actividad planeada que utiliza inspección visual, pruebas manuales y acción correctivas para evitar el daño al equipo y suspensiones futuras no programadas del servicio. Significa generalmente desconectar un sistema durante todo el proceso. Puesto que es planeado, no provoca ninguna sorpresa desagradable, pero sigue siendo incomodo tener que desconectar el sistema. Un programa de diagnóstico predictivo utiliza la medición y determinación de tendencias contra límites o especificaciones conocidos para detectar, analizar y corregir problemas antes que ocurra una falla. Esto representa un desarrollo adicional del mantenimiento preventivo. Sensores y equipos de monitoreo se utilizan para recopilar datos sobre dispositivos particulares en todo el sistema. Se puede comparar la información del número de veces que un interruptor de circuito se ha disparado con su especificación de vida mecánica. De esta forma se obtendrán datos para saber si el interruptor funcionará en el futuro inmediato. Mediante la determinación de tendencias en cuanto a la frecuencia de disparo de un interruptor particular, y combinando estos datos con los disparos que han ocurrido hasta ahora, el cliente puede predecir cuando se rebasará la vida mecánica del interruptor. Se puede llevar a cabo el reemplazo o mantenimiento con base en la necesidad predecible en vez de una programación arbitraria. Un ejemplo de mantenimiento predictivo puede ser demostrado con un carro. Es aconsejable revisar periódicamente el nivel de aceite en su carro. El medidor de aceite le indicará si debe agregar más aceite. Una persona organizada revisará su nivel de aceite según un programa, sin embargo, la revisión del nivel no le da ninguna información de la calidad del aceite. La temperatura del aceite, su viscosidad y los residuos metálicos afectan la calidad del aceite hasta el punto que debe cambiarse. Muchas personas se basan en una fecha o un kilometraje para tomar esa decisión (es decir, cada tres meses o 5,000 kilómetros). Los vehículos más nuevos están equipados con sensores que miden la temperatura, presión, viscosidad, etc. Cuando los valores de estos parámetros rebasan o están por debajo de un valor límite, una luz en el tablero informa al conductor de Página 25