Uso_eficiente_de_la_energa_electrica

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USO EFICIENTE DE ENERGÍA ELÉCTRICA
Autores:
JUAN CARLOS PEREZ O.
ALAN HILL B.
INSTITUTO DE ENERGÍA Y TERMODINÁMICA
UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA
Un proyecto de:
PROYECTO USO EFICIENTE Y RACIONAL DE ENERGÍA
EN EL MARCO DEL PROGRAMA DE PRODUCCIÓN MÁS LIMPIA
DEL ÁREA METROPOLITANA EN EL VALLE DE ABURRA
Ejecuta unión temporal:
Uso eficiente y racional de energía
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LIBRO N 7 – USO EFICIENTE DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA
Una publicación de
Área Metropolitana del Valle de Aburrá
RICARDO SMITH QUINTERO
Director
MARÍA DEL PILAR RESTREPO MESA
Subdirectora Ambiental
Autores
JUAN CARLOS PEREZ O. I.E., MSc
Instituto de Energía y Termodinámica
Universidad Pontificia Bolivariana
ALAN HILL B. I.Q., MSc
Instituto de Energía y Termodinámica
Universidad Pontificia Bolivariana
Ejecuta
Universidad Nacional de Colombia
Universidad Pontificia Bolivariana
Universidad de Antioquia
EQUIPO DE TRABAJO:
Dirección del Proyecto
Farid Chejne Janna, I.M., Ph.D
Universidad Nacional de Colombia
Coordinación del Proyecto
Universidad Nacional de Colombia: Sara Catalina Cárdenas Castillo, I.Q.
Universidad Pontificia Bolivariana: Katerina María Sánchez Parra, I.Q, MSc.
Universidad de Antioquia: Andres Amell Arrieta, I.M., MSc.
Co-autor
EDUAR FIGUEROA CARRILO. I.E., Especialista
Interventoría
María Helena Gómez Gallo, I.S. Especialista
Profesional Universitario Área Metropolitana del Valle de Aburrá
Gustavo Londoño, I.Q. MSc.
Profesional Universitario Área Metropolitana del Valle de Aburrá
Coordinación de la Publicación:
Oficina Asesora de Comunicaciones
Área Metropolitana del Valle de Aburrá
Fotografía portada
Lina M. Escobar
Impresión
Centro de Publicaciones
Universidad Nacional de Colombia
Sede Medellín
ISBN
978-958-44-1379-6
Primera Edición
Impreso en Medellín, Colombia - 2007
Está prohibida la reproducción parcial o total de ésta publicación y mucho menos para fines
comerciales. Para utilizar información contenida en ella se debe citar fuente.
Uso eficiente y racional de energía
5
Contenido
Presentación
Introducción
7
9
1.
11
Reseña histórica
2.
Conceptos básicos
2.1. Trabajo eléctrico
2.2. Magnetismo
2.3. Circuitos eléctricos
2.3.1. Elementos activos y pasivos en los circuitos eléctricos
2.3.2. Variables de los circuitos eléctricos
2.3.3. Propiedades de los circuitos eléctricos
2.4. Potencia activa
2.5. Potencia eléctrica en corriente continua CC
2.6. Potencia eléctrica en corriente alterna CA
2.7. Potencia activa y reactiva
2.8. Compensación reactiva
2.9. Manejo de la demanda
2.10. Calidad de la potencia
2.11. Sistema de puesta a tierra
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14
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16
17
17
19
21
21
22
23
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30
31
3.
Uso racional y eficiente de la energía en sistemas eléctricos
3.1. Transformación
3.2. Distribución
3.3. Consumo de energía eléctrica
3.3.1. Fuerza motriz
3.3.2. Iluminación
33
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46
46
50
Bibliografía
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Anexos
Ejercicio 1: Transformación
Ejercicio 2: Transformación
Ejercicio 3: Motores
Ejercicio 4: Motores
Ejercicio 5: Iluminación
Ejercicio 6: Iluminación
Ejercicio 7: Factor de Potencia
56
56
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61
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63
Uso eficiente y racional de energía
Lista de tablas
Tabla 1.
Tabla 2.
Tabla 3.
Tabla 4.
Tabla 5.
Tabla 6.
Datos del ejemplo del cálculo de la potencia activa en circuitos
trifásicos desbalanceados
Clasificación técnica de los transformadores
Clasificación de los transformadores de acuerdo con la aplicación
Porcentajes exigidos en regulación del voltaje
Niveles de iluminación recomendados
Lámparas comerciales y sus características
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35
37
46
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54
Lista de figuras
Figura 1.
Figura 2.
Figura 3.
Figura 4.
Figura 5.
Figura 6.
Figura 7.
Figura 8.
Figura 9.
Figura 10.
Figura 11.
Figura 12.
Figura 13.
Figura 14.
Figura 15.
Figura 16.
Figura 17.
Triangulo de impedancias
Componentes de la potencia en corriente alterna
Medida de la potencia activa en circuitos monofásicos
Representación de configuraciones de circuitos trifásicos (delta
(∆) o estrella (Y))
Medida de la potencia activa en circuitos trifásicos
Ejemplo de corrección del FP
Sistema eléctrico
Componentes básicos de un transformador
Eficiencia en transformadores en función del porcentaje de
carga y del factor de potencia
Evolución de la potencia activa en el transformador
Evolución del voltaje de línea en el transformador
Evolución de la corriente por fase en el transformador
Evolución del factor de potencia en el transformador
Motores de inducción – convencionales o estándar – factor de
potencia en función del % de carga
Eficiencia en función del porcentaje de carga y la potencia
– motores de inducción – estándar Eficiencia en función del porcentaje de carga y la potencia
– motores de alta eficiencia Eficiencia de los motores de inducción en función de la
potencia nominal
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7
USO EFICIENTE Y RACIONAL DE LA ENERGÍA: UNA ALTERNATIVA
PARA MEJORAR LA COMPETITIVIDAD Y LA PRODUCTIVIDAD DE LAS
EMPRESAS DEL VALLE DE ABURRÁ
El Área Metropolitana del Valle de Aburrá continúa en la labor de asesorar y acompañar
a los diversos sectores económicos bajo su jurisdicción, a través de programas que les
permita a las organizaciones industriales, comerciales y de servicios, fortalecerse en
términos de productividad, competitividad y desempeño ambiental, con beneficios para
las empresas y para la región.
En esta oportunidad la Entidad da continuidad a esfuerzos anteriores en materia de
Producción Más Limpia, con un proyecto que se concentra en un tema identificado como
prioritario: La energía. Se seleccionó un grupo con amplia trayectoria en la materia,
una alianza de tres reconocidas instituciones educativas: La Universidad Nacional de
Colombia, la Universidad Pontificia Bolivariana y la Universidad de Antioquia, las cuales
conforman una unión temporal para la ejecución y operación del proyecto “Uso Eficiente
y Racional de Energía para empresas que hacen parte de Programa de Producción Más
Limpia que viene liderando el Área Metropolitana del Valle de Aburrá”.
La energía, en cualquiera de sus formas, constituye un eslabón estratégico para la
consolidación del desarrollo económico del país, así como para lograr un mejor nivel de
vida. También, el uso de la energía eléctrica o térmica representa uno de los costos que
tiene mayor incidencia en los procesos productivos de las industrias, en la fabricación de
un producto o en la prestación de un servicio determinado Es por ello que los empresarios
deben optimizarla, evitar desperdicios en su uso y propender por una eficiente gestión y
administración de este recurso, acciones que implican cambios en la forma de pensar y
actuar, de aquellas personas que están directamente relacionadas con el manejo de los
procesos consumidores de energía.
Es frecuente encontrar que en las empresas no se mide el consumo de energía relacionado
con el producto y se carece de indicadores que permitan valorar el costo por unidad de
producción o servicio; adicionalmente, no se controla el tipo de potencia de una máquina
y su tiempo de operación, en relación con el valor del consumo energético. Lo mismo
sucede con el uso de la energía térmica, no se determina el consumo de combustible,
sus características, su eficiencia, la cantidad requerida y los impactos generados, entre
otras variables.
La eficiencia en el uso de la energía, elemento imprescindible para la reducción de los
costos de producción en las empresas, puede ser lograda por dos vías: Una costosa
y fácil, a través de la implementación de tecnologías productivas de bajo consumo; y
otra económica y difícil, pues se deben realizar cambios de hábitos en el uso final de
la energía, con la tecnología existente, lo que implica transformaciones en la forma de
pensar y actuar de aquellas personas que están directamente relacionadas con el manejo
de los procesos que consumen energía.
Parece lógico agotar primero todos los potenciales de reducción de costos de energéticos
que ofrece el segundo camino, a propósito de la situación actual de alto nivel de
competitividad por precio y calidad del producto a la que están sometidas las empresas,
antes de comenzar a invertir significativamente. Pero es importante tener en cuenta
que no se logrará ningún avance, sin consolidar un sistema que garantice el óptimo
aprovechamiento y la evaluación real de la recuperación del dinero invertido.
Uso eficiente y racional de energía
Es un hecho que muchos de los problemas asociados con la energía en las empresas
no son sólo de índole técnica, también se deben al desconocimiento y a la estructura
creada para coordinar los esfuerzos y obtener un sistema sostenible de su uso racional.
En general, una pequeña o mediana empresa no maneja y controla sus consumos
energéticos, no conoce a fondo la relación entre energía consumida y producción (así
como energía no asociada a la producción).
De ahí el interés del Área Metropolitana del Valle de Aburrá en motivar la práctica de Uso
Racional de Energía, partiendo de acciones como la selección de la fuente energética,
para optimizar su producción, transformación, transporte, distribución, y consumo,
incluyendo su reutilización cuando sea posible. De esta manera, se constituye en una
medida efectiva para propiciar el crecimiento económico, el desarrollo social y, por tanto,
el bienestar nacional, contribuyendo a la sostenibilidad del país.
En este sentido, el Congreso de la República, mediante la expedición de la Ley 697 de
2001, declaró al Uso Racional y Eficiente de la Energía – URE – como asunto de interés
social, público y de conveniencia nacional. Con la promulgación de esta Ley se sentaron
las bases jurídicas necesarias para que el Estado pueda organizar, fomentar e impulsar
el criterio URE y promover la utilización de las energías alternativas de manera efectiva
en Colombia.
Igualmente, se cuenta con el Decreto 3683 de 2003, por medio del cual se reglamenta
la Ley 697 de 2001 y se crea una Comisión Intersectorial. El objetivo del Decreto es
reglamentar el uso racional y eficiente de la energía, para asegurar el abastecimiento
energético pleno y oportuno, la competitividad del mercado energético colombiano, la
protección al consumidor y la promoción de fuentes no convencionales de energía, dentro
del marco del desarrollo sostenible y respetando la normatividad vigente de ambiente y
los recursos naturales renovables.
Para que la cultura URE quede definitivamente instaurada en el país, se requiere que
el mercado de servicios energéticos comience a funcionar, incluyendo tanto los actores
de oferta (empresas de consultoría, universidades) como de la demanda (sectores
productivo, financiero), creándose así un nuevo segmento de mercado energético en
Colombia. Justamente a esta iniciativa le apuesta La Entidad a través del proyecto
de asesoría y acompañamiento a las empresas que hacen parte de los convenios de
Producción más Limpia.
Esta publicación hace parte de un conjunto de 10 libros en temas como: ¿A dónde va a
caer este globo?; Energía, economía y medio ambiente; Administración de los recursos
energéticos; Uso eficiente de la energía: Conceptos termodinámicos básicos, Manejo de
combustibles; Uso eficiente de la energía en sistemas térmicos; Uso eficiente de la energía
eléctrica; Tecnologías de conversión y recuperación de la energía: Convencionales y
nuevas tendencias; Los sistemas energéticos industriales y su relación con la salud
ocupacional y Análisis energético industrial del Valle de Aburrá.
Este material es una herramienta que orienta y favorece la aplicación de la Producción Más
Limpia, una alternativa que va en la dirección de la autorregulación y el entendimiento de
la dimensión ambiental como un factor que incide de manera positiva en la competitividad
de las empresas.
RICARDO SMITH QUINTERO
Director
9
Introducción
El hombre de hoy es absolutamente dependiente de la electricidad, que se
caracteriza por ser, tal vez la única fuente secundaria, totalmente eficiente para
la conversión directa en energía mecánica y calórica.
Generar electricidad (energía eléctrica) requiere de calor o del espectro solar.
Los computadores, los televisores, los reproductores de video, la mayoría de
las máquinas etc. no funcionan si no existe la electricidad, puesto que todos
estos elementos están diseñados para operar con esta tipo de energía.
Las grandes ciudades son dependientes de la electricidad. Basta con mencionar
un aspecto fundamental relacionado con que estos grandes conglomerados
urbanos requieren del suministro de agua, el cual se hace posible por la
operación de un sistema de bombeo accionado con energía eléctrica.
La electricidad tiene una ventaja competitiva frente al calor y radica en que
es energía mecánica, calórica, lumínica, sonora, etc, que se desplaza
a la velocidad de la luz. La electricidad le ha otorgado al hombre moderno
“calidad de vida” y confort. Es la forma de energía secundaria empleada en el
transporte, las telecomunicaciones, la producción de alimentos, la iluminación,
el acondicionamiento de espacios, etc.
Sin el desarrollo de la electricidad quizás el hombre aún estaría en la era
del fuego y requeriría de grandes mecanismos para mover objetos, obtener
iluminación, calentar o enfriar sustancias. Sin embargo, la electricidad no se
puede generar (actualmente) de forma masiva si no existe el calor, así sea por
evaporación del sol.
A pesar de que la electricidad es de fácil transporte, tiene la desventaja de no
poder almacenarse a gran escala (en pequeña escala se almacena en baterías
y aún en menor escala en condensadores) y por lo tanto se requiere generarla,
a partir de energía mecánica (en centrales hidroeléctricas o térmicas) para su
uso inmediato, bien sea como fuente de energía mecánica en motores o para
transformarla en calor.
Uso eficiente y racional de energía
11
Reseña histórica
D
esde el inicio de su existencia el hombre ha indagado por el origen y principio
de todas las cosas. De la naturaleza ha aprendido con base en la observación.
Ha derivado leyes con el objeto de explicar los diferentes fenómenos que
en ella suceden. Tres de las manifestaciones que se presentan son aquellas que
se denominan la electricidad, el magnetismo y el electromagnetismo.
El fenómeno físico de la electricidad tiene su originen en la interacción existente entre las
denominadas cargas eléctricas. La carga eléctrica es la unidad fundamental del campo
eléctrico y se expresa en columbios. Al igual que el fenómeno de la interacción gravitatoria
donde la carga fundamental es la masa (el kg en el campo gravitatorio). El campo es una
región del espacio donde se evidencian fuerzas. La principal manifestación del campo
eléctrico en la naturaleza, es aquella asociada con las descargas atmosféricas; en las
cuales una nube con carga eléctrica se acerca a la tierra y se origina una descarga
(denominada “rayo”) de electrones. Cuando una serie de cargas eléctricas se encuentran
en reposo, en una región del espacio, ellas requieren de fuerzas eléctricas que actúen
con el objeto de no desplazarse.
Cuando sobre una carga se ejerce una fuerza y ésta se desplaza una distancia realiza un
trabajo. Adicionalmente, una carga en movimiento, produce un campo magnético a su
alrededor y viceversa (un campo magnético variable en el tiempo genera un flujo de carga
eléctrica en un conductor). El campo magnético es la región donde interactúan fuerzas
magnéticas. Sin embargo, no existe una unidad fundamental del campo magnético sino
que se utiliza el concepto de polo magnético o de unidad de polo.
El electromagnetismo es la disciplina que estudia las diferentes interacciones existentes
entre la electricidad y el magnetismo.
A nivel microscópico, las fuerzas electromagnéticas (y los campos asociados)
son responsables de la estructura de los átomos y del enlace de los mismos en las
moléculas.
A nivel macro, las fuerzas electromagnéticas son responsables de generar el movimiento
en el rotor de un motor e incluso pueden generar grandes cantidades de luz y calor, así
como también, influir en las condiciones atmosféricas de la tierra.
Las primeras observaciones de la ciencia de la electricidad se remontan al año 400 A.C,
cuando Tales de Mileto analizó el fenómeno de atracción entre pequeños trozos de paja
y una barra de ámbar previamente frotada con piel.
A finales del año 1600 sólo se conocía que la materia estaba formada por componentes
Uso eficiente y racional de energía
conocidos como elementos químicos simples que se encontraban en la naturaleza.
También se sabía que la materia se clasificaba en tres estados básicos: Líquido, sólido
y gaseoso.
A mediados del año 1740, Benjamín Franklin (1709 – 1790) comenzó a estudiar la carga
eléctrica y su relación con la materia, y observó que entre los protones y los electrones
se ejercen fuerzas de atracción y repulsión, aparte de la fuerza de atracción gravitatoria
que existe entre ellos. También, realizó los primeros ensayos con el objeto de estudiar
la carga eléctrica y su relación con la materia. Frotó con seda dos barras de vidrio y
observó que se repelían sin estar en contacto. A este fenómeno lo denominó repulsión
eléctrica. Posteriormente, frotó una barra de ámbar y la acercó a una de vidrio y observó
que se atraían, denominando a este fenómeno atracción eléctrica. De esta forma llegó a
la conclusión de que las cargas iguales se repelen y las cargas opuestas se atraen. Por
convención, Benjamín Franklin adoptó como carga positiva a la barra de vidrio y como
carga negativa a la barra de ámbar.
Posteriormente en 1883 y con bases experimentales, Michael Faraday evidenció la
asociación de cargas eléctricas a los constituyentes elementales de la materia (átomos o
iones) establecidas en las leyes de la electrólisis.
Los efectos eléctricos no se limitan sólo al vidrio frotado con cera o al plástico frotado con
piel. En condiciones apropiadas, cualquier material frotado con otro puede adquirir una
carga eléctrica y, dependiendo del efecto que se tenga frente a una barra de vidrio o de
plástico, se podrá afirmar que es de carga positiva o negativa.
Desde el punto de vista eléctrico la materia suele clasificarse en aislante, conductor
y semiconductor, siendo la masa y la carga eléctrica las dos propiedades físicas más
importantes que interesa conocer en sus partículas elementales. En conclusión, cualquier
cuerpo podría cargarse y “conducir” electricidad, independientemente si es un material
aislante o un material conductor.
Un material aislante es aquel que en su estado natural o normal, no permite el flujo de
electrones. Puede convertirse en conductor al forzarse en él un desorden electrónico (por
ejemplo por frotamiento y/o calor). Es el caso del vidrio (+) y el plástico (-), al frotarlos con
seda y piel respectivamente, adquieren una carga eléctrica y se atraen.
En un material conductor, las cargas eléctricas se mueven con libertad a través de su
volumen como consecuencia de un continuo desequilibrio electrónico. En materiales
como los metales las cargas positivas permanecen inmóviles, en tanto que las negativas
se encuentran en continuo movimiento.
En la naturaleza se presentan tres formas clásicas de cargar eléctricamente un cuerpo,
las cuales son frotamiento, inducción y contacto.
Después del descubrimiento del fenómeno de atracción y repulsión eléctrica en los cuerpos,
Charles Coulomb (1736 – 1806) cuantificó y dedujo las leyes para dicho fenómeno. Los
experimentos realizados por Coulomb demostraron que la fuerza eléctrica que ejerce un
cuerpo sobre otro es directamente proporcional al producto de las magnitudes de sus
respectivas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de su separación.
FE = k.(q1.q2)/r2
Ley de Coulomb
FE : Magnitud de la fuerza eléctrica que un cuerpo cargado ejerce sobre otro (Newton
[N]).
q1 y q2 : Medida relativa de las cargas eléctricas en los dos cuerpos (coulombios [C]).
r : Distancia de separación entre sus centros [m].
k = 8,99 x 109 N.m2/C2
13
La anterior ecuación es muy semejante a la ley universal de la gravitación, (Fg = G.(m1.
m2)/r2). Se observa que en ambas ecuaciones se encuentra el inverso del cuadrado
de la distancia; que la carga (q) es análoga a la masa (m) en la Ley de Gravitación de
Newton.
Una diferencia importante entre las dos leyes es que la fuerza gravitatoria, hasta donde
se conoce, es siempre de atracción, mientras que la fuerza eléctrica (o electrostática)
puede ser de atracción o repulsión, dependiendo si las dos cargas presentan o no el
mismo signo.
Un ejemplo numérico se enuncia a continuación para un átomo de hidrógeno (cuyo radio
r =5,3 x 10-11 m)
Partícula
Símbolo
Carga (C)
Masa (kg)
Electrón
e-
-1,60 x 10-19
9,11 x 10-31
Protón
p
+1,60 x 10-19
1,67 x 10-27
k = 8,99 x 109 N.m2/C2 y G=6,67 x 10-11 N.m2/kg2, por lo tanto:
Fe = k.(q1.q2)/r2 = 8,2 x 10-8 N
y
Fg = G.(m1.m2)/r2 = 3,6 x 10-47 N
Se concluye, en este caso, que la fuerza gravitatoria es despreciable frente a las
fuerzas de atracción electrostática (fuerza eléctrica) las cuales las superan en un factor
cercano a 1039.
Uso eficiente y racional de energía
2
Conceptos básicos
2.1.
Trabajo eléctrico
Se define la intensidad del campo eléctrico en un punto del espacio, al cuociente entre la
fuerza eléctrica que el campo ejerce (sobre la unidad de carga) y la unidad de carga.
Campo Eléctrico = E = FE / q
Sus unidades son Newton/coulumbio [N/C]
De donde, FE = q * E
Sin tener en cuenta los efectos de la gravedad, el trabajo realizado es
W = FE* d = q * E * d
En la expresión se observa que el trabajo realizado está en función de la magnitud del
campo eléctrico (E), de la carga (q) y de la distancia (d) desde el punto donde se encuentra
la carga hasta un punto donde se supone convencionalmente que el campo eléctrico no
ejerce influencia sobre ésta.
Con base en lo anterior, se define el potencial del campo eléctrico en un punto, como el
trabajo que realizaría el campo eléctrico al transportar la unidad de carga desde un punto
hasta otro donde el potencial es cero. Nótese que si existen fuerzas eléctricas sobre la
unidad de carga ésta es susceptible a cambiar de posición si alguna de ellas cambia de
magnitud o de dirección. O sea, el voltaje (V) es la relación entre la energía potencial
(W) (el trabajo susceptible a realizar por la unidad de carga) y la unidad de carga. Por lo
tanto
V=W/q
La unidad del potencial es el voltio equivalente a un joulio/un coulombio
Con base en lo anterior puede establecerse que el trabajo realizado por el campo eléctrico
al transportar la unidad de carga desde un punto A hasta un punto B es igual al cambio
de energía potencial de la misma, es decir:
VA – VB = W / q por lo tanto
W = q * (VA – VB )
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En donde VA y VB son los potenciales eléctricos de los puntos A y B respectivamente.
A un flujo de carga se le denomina corriente eléctrica (i) y se cuantifica en amperios. Un
amperio equivale al flujo de un columbio en un segundo (C/s)
Si se tiene en cuenta que la potencia (P) se define como la rapidez con la cual se efectúa
un trabajo, se tiene que equivale al trabajo/tiempo (J/s ) y por lo tanto, si existe un flujo de
carga (q/t ) la potencia eléctrica (P) es:
P = q/ t *(VA – VB ) = i * (VA – VB )
En donde la potencia se expresa en vatios (W) o sea joules/segundo. También se expresa
en miles de vatios (kW), en caballos de fuerza (HP) o en caballos de vapor (CV).
1 HP equivale a 746 W.
1 CV equivale a 736 W.
2.2.
Magnetismo
El magnetismo se desarrolló a partir de la observación de ciertas piedras que en estado
natural se atraían entre si y atraían a pequeños trozos de hierro y no atraían otros metales
como el oro o el cobre. La palabra “magnetismo” proviene del nombre de cierta región del
Asia Menor llamada Magnesia.
Hans Christian Oersted en 1820 observó que cuando se coloca una brújula cerca de un
alambre recto por el cual fluye carga, la aguja se alinea siempre perpendicularmente al
alambre. O sea que cuando una corriente eléctrica circula por un conductor, genera un
campo magnético el cual ejerce fuerzas magnéticas.
La expresión para la fuerza magnética (FB ) es:
FB = q * v * B
En donde q es la carga eléctrica (C), v es la velocidad de desplazamiento de la carga
(m/s) y B es la intensidad del campo magnético.
El fenómeno inverso se presenta en la naturaleza. Cuando un conductor o un enrollamiento
de un conductor – denominado bobina, se someten a un campo magnético variable en
el tiempo (los polos de imanes rotando) se genera una diferencia de potencial debido al
desplazamiento (o flujo de carga) en el conductor.
Las leyes de Faraday y Lenz, tienen su origen en un experimento en el cual, al desplazar
un imán a través de una bobina (enrollamiento de un material conductor) sin estar en
contacto, se observa que en un galvanómetro (medidor de voltajes) se producía una
diferencia de potencial (voltaje). Esta diferencia de potencial dependía de la velocidad de
la oscilación del imán, de la magnitud de las unidades de polo del mismo y de la geometría
de la interacción (distancia del imán al conductor). En el caso de bobinas depende también
del número de vueltas del enrollamiento y de las características geométricas del mismo.
Por lo tanto se dedujo que un campo magnético variable en el tiempo producía un flujo de
Uso eficiente y racional de energía
carga y por consiguiente un potencial de flujo. Este voltaje se denomina voltaje inducido o
fuerza electromotriz inducida y es el principio de generación de energía eléctrica a partir
de energía mecánica.
2.3.
Circuitos eléctricos
Los circuitos eléctricos son la base para el análisis, diseño y operación de los equipos y
elementos que conforman un sistema eléctrico, desde el proceso mismo de generación
de la energía eléctrica hasta el consumo final de la misma.
Un circuito eléctrico es un conjunto de elementos o dispositivos conectados entre si con
el objeto de suministrar la energía eléctrica a un usuario específico. La conexión entre
elementos se realiza mediante conductores, los cuales permiten la circulación de la
corriente eléctrica.
En la práctica cualquier equipo que genere, transmita, transforme y distribuya la energía
eléctrica se puede representar y definir mediante un circuito eléctrico.
Algunos ejemplos de los elementos son la bombilla incandescente, las líneas de
transmisión, los transformadores y los filtros de armónicos.
La bombilla incandescente es un dispositivo diseñado para generar luz artificial por el
calentamiento de un filamento al paso de una corriente eléctrica. Es tal vez uno de los
equipos más ineficientes del sistema eléctrico, puesto que cerca del 95% de la energía
eléctrica consumida se disipa en forma de calor. Por lo cual el bombillo incandescente se
representa en un circuito como una resistencia eléctrica (R).
La línea de Transmisión es un conductor de electricidad el cual transporta la energía
eléctrica a altas tensiones (Voltajes ≥ 110 kilo Voltios [k]). Una línea de transmisión se
puede representar mediante un circuito eléctrico que contenga una resistencia (R), una
Inductancia (L) y una capacitancia (C).
El transformador es una máquina eléctrica estática que transmite la energía eléctrica
transformando los niveles de voltaje y/o corriente. La representación del transformador
se puede realizar mediante un circuito eléctrico que contenga una resistencia (R) el cual
es un elemento asociado a la conductividad térmica y eléctrica del material con el cual
están elaborados sus devanados (arrollamientos que suelen ser de una aleación especial
de cobre) y de una Inductancia (L) la cual es un parámetro que define a cada devanado
del transformador (bobinas ensambladas con N espiras o vueltas). Es importante anotar
que para un transformador se especifican las resistencias Rp (resistencia del devanado
primario), Rs (resistencia del devanado secundario) y Rc (resistencia asociada con las
pérdidas por conducción y con las pérdidas por corrientes de Foucoult).
El filtro de armónicos es un dispositivo diseñado para filtrar las componentes armónicas
en la onda de tensión (voltaje) y/o corriente, las cuales se originan por la superposición
de ondas a diferentes frecuencias y que son nocivas para la normal operación de los
equipos.
El filtro de armónicos se emplea con el objeto de evitar la distorsión armónica y compensar
al mismo tiempo energía reactiva. Los armónicos se manifiestan por la distorsión o
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deformación de las ondas sinusoidales (en % de la onda a frecuencia fundamental),
lo cual origina circulación de corrientes altas, calentamiento de equipos, etc. Existen
dispositivos activos, pasivos y electrónicos con el objeto de evitar la distorsión. Sin
embargo, el más típico es el filtro pasivo de armónicos el cual consiste en la instalación
conjunta de capacitares (C) en serie con reactancias inductivas (L) y resistencias (R). Los
capacitores producen energía reactiva a la frecuencia fundamental, y el circuito se diseña
para proporcionar la potencia reactiva deseada.
Con base en lo anterior se afirma que un equipo eléctrico se puede definir y evaluar
con base en un circuito equivalente, el cual se compone por una fuente de suministro
de electricidad y la posible combinación de tres elementos básicos, los cuales son: La
resistencia (R) , el inductor o inductancia (L) y el capacitor (C).
2.3.1. Elementos activos y pasivos en los circuitos eléctricos
Normalmente, los elementos físicos que componen un circuito eléctrico se clasifican
en elementos activos (suministran energía) o elementos pasivos (almacenan o disipan
energía).
La fuente de suministro es un dispositivo eléctrico activo que permite alimentar, activar, o
energizar los circuitos eléctricos. Las fuentes pueden ser de voltaje o de corriente (fuente
de voltaje en serie con una resistencia). También se clasifican de acuerdo con la forma
de suministrar la corriente, es decir, fuentes de corriente directa (CD donde la corriente
fluye en un solo sentido por el conductor) o fuentes de corriente alterna (CA donde la
corriente fluye periódicamente en ambos sentidos por el cable conductor – la frecuencia
de 60 hertz normalmente es la más usual -).
Las resistencias son dispositivos pasivos diseñados para oponerse a la circulación de la
corriente eléctrica. Su unidad es el ohmio (Ω) y sus aplicaciones más importantes son
limitar la corriente que circula en un circuito, y evacuar calor (convertir energía eléctrica
en térmica).
Los Inductores (bobinas) son dispositivos pasivos que se caracterizan por almacenar
energía en virtud de un campo magnético que se genera por la circulación de una corriente
eléctrica. Su unidad es el henrio (H) y sus aplicaciones se presentan en el embobinado
para motores eléctricos, devanados en transformadores, filtros de armónicos, hornos de
inducción, etc.
Los capacitores (condensadores -C-) son dispositivos pasivos que almacenan energía
en virtud de un campo eléctrico que se genera por la diferencia de potencial en un par
de placas. Su unidad es el faradio (F). Se utilizan para la compensación de la energía
reactiva, el filtro de armónicos, etc.
2.3.2. Variables de los circuitos eléctricos
Son los valores que cambian dependiendo del número y disposición física de los
elementos conectados en el circuito.
El voltaje se definió como el trabajo requerido para desplazar las cargas eléctricas desde
un punto con potencial A hasta otro punto con potencial B. Normalmente el punto con
Uso eficiente y racional de energía
potencial A se define para un valor de referencia cero (0). Su unidad es el Voltio (V).
El voltaje para cada elemento pasivo del sistema eléctrico se define de la siguiente
forma:
Resistencia: VR = I × R
Inductor: V = L di (t )
L
dt
Capacitor : Vc =
1 t
i (t )dt
C ò0
La corriente es el flujo de carga. Cantidad de carga en movimiento (electrones) que
atraviesa una superficie por unidad de tiempo. Flujo de electrones en la unidad de tiempo.
Su unidad es el Amperio (A).
La corriente alterna (CA) es aquella que varía en el tiempo y cambia de polaridad. La
señal de corriente alterna puede ser cuadrada, triangular, rectangular, etc., pero la más
utilizada es la sinusoidal.
La corriente continua (CC) o directa (CD), es aquella que siempre presenta un valor
constante durante todo el intervalo de tiempo y no cambia de polaridad.
En general la corriente eléctrica se comporta de acuerdo con la funcionalidad o aplicación
de la carga en el sistema eléctrico.
La corriente para los tres elementos pasivos básicos del sistema eléctrico se define de a
siguiente forma:
Resistencia:
IR =
V
R
Inductor:
Capacitor:
Ic = C
dV (t )
dt
19
Para cualquier elemento del circuito eléctrico, la potencia eléctrica se define
matemáticamente de la siguiente forma:
P(t ) = V (t ).I (t ) =
DW (t ) Dq DW (t ) dW (t ) W
.
=
=
=
Dq Dt
Dt
dt
t
P[=] Joule/s [=] vatio (W)
La energía puede definirse también como el producto entre la potencia y el tiempo. La
unidad básica de la energía es el Joule, aunque también es práctico definirla en kWh.
1 kWh = 3,6 x 106 Joules.
La energía eléctrica es el movimiento de cargas eléctricas (electrones) debido a un voltaje
aplicado.
Para cualquier elemento del circuito eléctrico, la energía eléctrica se expresa
matemáticamente de la siguiente forma:
t2
t2
E (t ) = ò V (t ).I (t ).dt = ò P(t ).dt = P.t
t1
t1
Y particularmente para los elementos pasivos:
Resistencia:
Inductor:
æ 2 ö÷
çV
2
E = P×t =(V ×I )×t =( I ×R )×t =çç ÷÷÷×t
çç R ÷
è ø
E=
Capacitor:
1
2
× L× I
2
1
E = × C ×V 2
2
2.3.3. Propiedades de los circuitos eléctricos
Con el objeto de analizar y resolver un circuito eléctrico se requieren adicionalmente
algunos conceptos y leyes. Entre los conceptos se tienen los de nodo, malla, sistemas
en serie y en paralelo y entre las principales leyes se tienen las de Kirchoff (primera y
segunda) y la de Ohm.
Un nodo es un punto común entre dos o más elementos del circuito eléctrico y una malla
Uso eficiente y racional de energía
es un conjunto cerrado de varios elementos.
La primera ley de Kirchoff establece que la suma algebraica de las corrientes que entran y
salen a un nodo de un circuito es igual a cero (0). Por convención se consideran positivas
aquellas corrientes que entran al nodo en estudio y negativas aquellas corrientes que
salen del nodo. Esta ley también se denomina ley de corrientes y corresponde a la ley de
conservación de la carga.
La segunda ley de Kirchoff establece que la suma algebraica de los voltajes que conforman
la malla de un circuito es igual a cero (0). Por convención se consideran positivos aquellos
voltajes cuyos elementos pasan de un potencial positivo (+) a un potencial negativo (-)
y negativos, aquellos voltajes cuyos elementos pasan de un potencial negativo (-) a uno
positivo (+). Esta ley también se denomina como ley de voltajes y corresponde a la ley
de conservación de la energía.
La ley de Ohm, establece que la intensidad de la corriente eléctrica que circula por un
elemento es directamente proporcional a la diferencia de potencial aplicado e inversamente
proporcional a la resistencia del mismo. Una expresión matemática para esta ley es:
V = I .R
Donde:
I: Intensidad en amperios [=] A.
V: Voltaje o diferencia de potencial en voltios [=] V.
R: Resistencia en ohmios [=] Ω
Si la corriente no es continua (CC), sino alterna (CA), la ley de Ohm se define como:
V = I ×Z
En donde V es la tensión o voltaje (V), I la corriente (A) y Z la impedancia (Ω), todas ellas
magnitudes complejas.
En hidráulica se verifica una ley similar a ley de Ohm que puede facilitar su
comprensión.
Si se tiene un fluido un tubo, la diferencia de presiones entre sus extremos equivale
a la diferencia de potencial o tensión, El caudal a través del conducto, equivale a la
intensidad de la corriente eléctrica y la suma de obstáculos que impiden la corriente del
fluido equivale a la resistencia eléctrica.
Con base en la ley de Ohm se define un circuito abierto y un corto circuito. Un circuito
abierto es la parte de este en la cual no circula corriente y por lo tanto la resistencia es
infinita (R = ∞) y un corto circuito es la parte de un circuito en la cual el voltaje es igual a
cero, es decir, la resistencia es nula (R=0).
Con el objeto de solucionar y analizar un circuito eléctrico con más de una malla, se
reduce (simplifica) en un circuito equivalente simple con pocos elementos, sin alterar las
variables constituyentes. La forma más empleada consiste en la operación algebraica
de resistencias teniendo en cuenta la disposición física de las mismas. A este método,
21
de reducción de circuitos, se le conoce como suma de resistencias aplicable cuando los
elementos están en serie o en paralelo. Una o más resistencias se encuentran en serie
cuando comparten la misma corriente y se encuentran en paralelo cuando comparten
el mismo voltaje o diferencia de potencial. Si un circuito contiene n resistencias en serie
o en paralelo, todo el conjunto se puede reemplazar por una resistencia equivalente
calculada de la siguiente forma:
n
Resistencias en serie:
Req = å Ri
i=1
Resistencias en paralelo:
Req =
1
n
i=1
2.4.
1
åR
i
Potencia activa
La potencia activa (W), al igual que la corriente (A), se constituyen como uno de los
parámetros más importantes para la evaluación de los sistemas eléctricos en cualquier
sector productivo. Por ejemplo, en una instalación nueva, el conocimiento de la potencia
activa nominal de los equipos es el punto de partida para dimensionar el transformador
de suministro. En el caso de una instalación en funcionamiento, la medida real de la
potencia activa permite establecer la evolución del consumo de energía en la carga (kWh)
y obtener mejoras importantes, al evaluar la eficiencia de los equipos.
Con el objeto de medir la potencia activa en un equipo del sistema eléctrico, lo convencional
es utilizar un vatímetro o un analizador de redes los cuales integran la medida de un
voltímetro (V), un amperímetro (A) y un cosenofímetro (el cual establece el factor de
potencia) para luego calcular y presentar la potencia activa en W o kW.
2.5.
Potencia eléctrica en corriente continua CC
Cuando a un circuito RLC (resistencias, inductores y capacitores) se le suministra corriente
continua (CC), el circuito adquiere una característica netamente resistiva, puesto que
no existe variación del voltaje y/o corriente que permita el funcionamiento de los otros
elementos (inductores y capacitores). La potencia eléctrica se calcula con la expresión:
P =V × I
Si se tiene en cuenta la ley de Ohm, V = I × R entonces,
P = V × I = ( I × R) × I = I 2 × R
O también:
æV ö V 2
P = V × I = V × çç ÷÷÷ =
çè R ø R
Uso eficiente y racional de energía
En donde:
P: Potencia eléctrica en la resistencia [W].
V: Voltaje o diferencia de potencial en los terminales de la resistencia [V].
I: Corriente que circula por cada resistencia [A].
2.6.
Potencia eléctrica en corriente alterna CA
En un circuito RLC tanto los inductores (L) como los capacitores (C) se anulan al ser
alimentados mediante una corriente continua (CC). En el caso de operar con una corriente
alterna (CA), la variación del voltaje y la corriente (periódicamente en el tiempo), originan
distorsiones en estos elementos.
En corriente alterna (CA) la ley de Ohm,V = I × R ,se transforma en una ecuación
voltiampérica definida como: V = I ⋅Z , en donde Z representa la impedancia (elemento
que se resiste a la circulación del flujo).
Para cada elemento o parámetro del circuito existe un valor de impedancia, la cual se
define a continuación:
Para la resistencia (R):
ZR = R
Z L = jwL
Para el inductor (L):
Para el capacitor (C): Z C =
1
−j
=
jwC wC
En donde j se define como:
−1
Una representación gráfica se presenta en la figura 1. En ella se ilustra el denominado
triángulo de impedancias.
ZR-L = R + jwL
i
ZL = jwL
ZR = R
r
ZR-C = R – (j/wC)
ZC = - j/wC
Figura 1. Triangulo de impedancias
23
La potencia eléctrica se define en CA como:
S = V ⋅ I*
Donde:
S:
V:
I*:
Representa la potencia eléctrica suministrada o consumida por un elemento del
circuito.
Es el valor eficaz del voltaje en el elemento.
Es el valor eficaz de la corriente eléctrica que circula por el elemento.
El valor eficaz es el valor cuadrático medio (valor rms) de una corriente variable y es una
expresión válida para cualquier forma de onda, sea ésta sinusoidal o no. Normalmente la
corriente alterna generada está continuamente cambiando su polaridad y las empresas
de suministro varían ésta en nuestro medio 60 veces por segundo de forma sinusoidal
(frecuencia 60 hertz [Hz]). Este valor cuadrático medio es el equivalente a la potencia que
disiparía una onda de corriente continua.
I ef =
2.7.
I max
2
Potencia activa y reactiva
En la figura 2 se presenta el triángulo de potencia el cual es una representación gráfica
que define cada uno de los componentes en los cuales se fracciona la potencia eléctrica
en corriente alterna.
El triángulo de la figura 2 representa la distribución de potencia eléctrica para un sistema
eléctrico inductivo. El coseno del ángulo puede ser positivo o negativo. Dependiendo del
caso se denomina como un factor de potencia inductivo o capacitivo.
Cuando un sistema eléctrico es netamente resistivo (una bombilla incandescente o
un horno de resistencias eléctricas), el término Q se anula y en este caso la potencia
aparente (S) es igual a la potencia activa (P) y θ =0. En general para el triángulo de
potencia se define:
cos θ =
P
S
Figura 2. Componentes de la potencia en corriente alterna
Uso eficiente y racional de energía
S: Potencia Aparente (total eléctrica). Es el producto vectorial de la corriente y el voltaje,
es sólo una magnitud de cálculo, puesto que no tiene en cuenta el desfase entre el voltaje
y la corriente. Su unidad es el voltio amperio (VA).
P: Potencia Activa (útil): Es la potencia de trabajo en los equipos que se puede transformar
en otras formas de energía (mecánica, calorífica, luz, etc.). Su unidad es el vatio (W).
Q: Potencia Reactiva (no útil): Este tipo de potencia se utiliza, en los circuitos de corriente
alterna, para la formación del campo en las bobinas y para la carga de los capacitores
(creación de un campo eléctrico).
La potencia reactiva representa una carga para los generadores, las líneas y los
transformadores, y se origina en ellos una pérdida real de potencia. Su unidad es el
voltiamperio reactivo (VAR).
Puesto que la potencia aparente (total eléctrica) se define en magnitud como, se establecen
unas expresiones alternas para la potencia activa y la potencia reactiva, así:
S =V ⋅ I
P =V ⋅ I ⋅cos θ
Q =V ⋅ I ⋅senθ
En donde el término cos θ se denomina el factor de potencia (fp):
( fp ) =cos θ =
P
S
El factor de potencia es la relación que existe entre la potencia activa y la potencia
aparente, que coincide con el desfase entre las ondas de corriente y el voltaje. Se debe
procurar que el factor de potencia sea igual a uno con el objeto de evitar pérdidas.
Un circuito monofásico es aquel que alimenta un equipo eléctrico mediante un sólo
conductor energizado. El conductor está energizado siempre y cuando haya una
diferencia de potencial entre él y otro conductor de referencia (neutro) donde el voltaje
es igual a 0 y por el cual retorna la corriente al cerrase el circuito eléctrico. En la figura
3 se presenta la forma como se mide la potencia activa consumida (o suministrada por
la fuente) en elementos monofásicos. Adicionalmente, se presentan las ecuaciones que
permiten calcular su valor para un motor de un caballo de fuerza (1 hp o sea 0.746 kW).
25
Figura 3. Medida de la potencia activa en circuitos monofásicos
Una vez medido el voltaje entre los puntos a y b (con un voltímetro), la corriente (con un
amperímetro) y el factor de potencia (con un cosenofímetro), se calcula la potencia activa
de acuerdo con la siguiente ecuación:
P1j=V ×I ×cos q
φ Es el símbolo que representa una fase.
En la industria, debido a la alta demanda instantánea de energía (potencia), se requiere
que la energía eléctrica se distribuya por configuraciones de dos ó más conductores
energizados, denominados como sistemas polifásicos. De estas configuraciones la más
empleada es la trifásica.
Un sistema trifásico consiste en un arreglo con tres conductores energizados que
presentan una diferencia de potencial “V” respecto a un nodo de referencia (tierra).
Un circuito trifásico se compone de dos partes fundamentales. La primera de ellas la
constituye la fuente de suministro (transformador o generador), la cual energiza cada
conductor con la misma magnitud de voltaje. Sin embargo existe un desfase de 120° de
cada una con respecto a las otras. La segunda, corresponde a la carga (motor) y ésta
puede ser balanceada o desbalanceada. Una carga balanceada significa que por cada
uno de los tres conductores (o fases del circuito) circula la misma magnitud de corriente.
Por el contrario, en una carga desbalanceada se presenta un desequilibrio de corrientes
entre los conductores.
Uso eficiente y racional de energía
Los circuitos trifásicos se clasifican de acuerdo con la forma de conexión de la fuente y la
carga (ver figura 4). Pueden ser en delta (∆) o estrella (Y), así:
Fuente
∆
∆
Y
Y
Carga
Y
∆
∆
Y
IV12I = IV23I = IV13I = IVLLI
I Vφ1I = I Vφ2I = I Vφ2I = I Vφ
IVLLI: Voltaje de línea (o línea línea)
I Vφ I = I VLn I: Voltaje de fase
(o línea-neutro).
Figura 4. Representación de configuraciones de circuitos trifásicos (delta (∆) o estrella (Y)).
Si se conoce el voltaje de línea (VLL), este se puede transformar a un voltaje de fase (línea
neutro –VLn-) mediante la siguiente expresión.
V
VLn = LL
3
Con el objeto de determinar la potencia activa en circuitos trifásicos se procede como se
presenta en la figura 5 y se ilustra en el siguiente ejemplo.
En la tabla 1 se presentan los datos derivados de las mediciones, con el objeto de calcular
la potencia activa en un circuito trifásico desbalanceado.
Tabla 1. Datos del ejemplo del cálculo de la potencia activa en circuitos trifásicos desbalanceados
Parámetro
Fase 1*
Fase 2
Fase 3
Voltaje de fase(V)
253,5
254,0
256
Corriente (A)
FP
150
0,90
120
0,89
110
0,88
* Equivalente a voltaje de fase o línea neutro.
27
Figura 5. Medida de la potencia activa en circuitos trifásicos desbalanceados
La potencia activa total se calcula así:
PTotal = Pφ1 + Pφ 2 + Pφ 3
PTotal = Vφ1 ⋅ Iφ1 ⋅ fp1 + Vφ 2 ⋅ Iφ 2 ⋅ fp2 + Vφ 3 ⋅ Iφ 3 ⋅ fp3
PTotal = 253, 5 × 150 × 0, 90 + 254 × 120 × 0, 89 + 256 × 110 × 0, 88
PTotal = 34.222, 5W + 27.127, 2W + 24.780, 8W
PTotal = 86.130, 5W = 86,13kW
Si se tiene un circuito trifásico balanceado, es decir:
Parámetro
Voltaje de fase(V)
Corriente (A)
FP
Fase 1
254
150
0,90
Fase 2
254
150
0,90
La potencia activa total se calcula así:
PTotal = Pφ1 + Pφ 2 + Pφ 3 = 3Pφ1
PTotal = 3 × Vφ1 ⋅ Iφ1 ⋅ fp1
PTotal = 3 × 254 × 150 × 0, 90
PTotal = 102.870, 0W = 102, 87 kW
Fase 3
254
150
0,90
Uso eficiente y racional de energía
O también:
PTotal = 3 × Vlínea ⋅ Iφ1 ⋅ fp1
PTotal = 3 × 440 × 150 × 0, 90
PTotal = 102.883, 8W = 102, 88kW
En circuitos trifásicos desbalanceados se calcula la potencia activa por fase y la suma de
las tres fases corresponde a la total.
Existen básicamente cuatro aspectos en los cuales se debe enfatizar en la operación
general de los sistemas de electricidad y son:
•
El manejo del factor de potencia: las empresas de suministro cobran dinero si este
no es superior a 0.9 hora a hora.
•
La demanda: mejora la eficiencia y aumenta la vida útil de los equipos al no
excederse las condiciones recomendadas por el fabricante.
•
La calidad del suministro: distorsiones de tipo armónico y de frecuencia las cuales
pueden dar origen a un funcionamiento anómalo en motores y en señales de
control.
•
Las denominadas puestas a tierra: limitan el voltaje entre la tierra y las masas
metálicas, aseguran la actuación de las protecciones eléctricas y evitan el riesgo de
falla en los materiales eléctricos y de accidentes.
2.8.
Compensación reactiva
En general se debe efectuar la compensación reactiva con el objeto de minimizar
las pérdidas en los sistemas de distribución, en los transformadores, en los equipos
empleados en fuerza motriz, etc. También debe realizarse con el objeto de mantener el
voltaje de suministro en los valores adecuados. En la mayoría de los equipos que operan
con electricidad o que la transforman, la eficiencia de operación depende del factor de
potencia.
Los principales equipos que aportan una componente inductiva importante son los motores
de inducción, los transformadores, los equipos de soldadura, los hornos de inducción,
etc., Ellos transforman sólo una parte de la energía que toman de la red en trabajo útil o
activo. La energía reactiva se disipa en calor en virtud de la magnetización.
El principal tipo de compensación reactiva radica en instalar capacitores. Sin embargo
debe procurarse por evitar su funcionamiento cuando no se encuentren operando cargas
inductivas.
En general, el factor de potencia se puede corregir instalando capacitores de forma
individual (en un equipo en particular con la ventaja de conectarse con el mismo
interruptor), en grupo (pequeños consumidores conectados conjuntamente) o central
(grandes instalaciones donde se requiere un sistema automático con el objeto de evitar
sobre compensación, la cual origina factores de potencia bajos).
29
Como norma general debe asegurarse que las diferentes cargas (equipos inductivos)
no operen sin su respectivo condensador; y que, cuando éstas no se encuentran
conectadas (en operación) los condensadores tampoco lo estén. Es importante anotar
que si los condensadores se encuentran en operación cuando no existe carga inductiva,
el voltaje se incrementa considerablemente y por lo tanto las cargas resistivas pueden
sufrir daños.
En el caso de condiciones de operación variable, es conveniente utilizar la compensación
centralizada con una unidad de regulación en la cual, en cada instante, se conecte y
se desconecten por pasos los condensadores necesarios para mantener el factor de
potencia dentro de los límites deseados.
Los principales efectos de una inadecuada compensación del factor de potencia son
las sobre tensiones y la generación de armónicos (afectan la calidad del suministro
ocasionando el apagado de computadores e interrupción en equipos de control de
procesos, aumento de las pérdidas en motores, disminución de la vida útil de las lámparas,
etc.)
En la figura 6 se presenta un ejemplo de la compensación del factor de potencia en un
componente del sistema eléctrico. En ella se ilustra la magnitud de kilovares necesarios
con el objeto de corregirlo. Es importante anotar que los fabricantes de los condensadores,
se encargan de cotizar su valor con base en la cantidad de kilovares requeridos y el nivel
de tensión.
Figura 6. Ejemplo de corrección del FP
Uso eficiente y racional de energía
2.9.
Manejo de la demanda
El objetivo de esta práctica se representa en la vida útil de los elementos que constituyen
el sistema al no excederse las condiciones nominales de operación. En el caso de las
fuentes (o transformadores) evita que existan sobre cargas. Para ello se tienen dos tipos
de mecanismos los cuales son: el control directo (desconectar durante los períodos de
punta los equipos macro consumidores y debe aplicarse únicamente en situaciones de
déficit de energía) y el indirecto (es inherente a las personas que habitan ó laboran en las
instalaciones y se relacionan con la necesidad de efectuar un uso racional de la energía).
Un adecuado manejo de la demanda permite regular la capacidad de transformación sin
incurrir en expansiones innecesarias.
2.10.
Calidad de la potencia
La calidad de la potencia eléctrica se define, de acuerdo con lo expuesto por la Electric
Research Institute como “cualquier problema de potencia manifestado en voltaje,
corriente, o desviación de frecuencia que resulta en falla o mala operación del equipo de
un usuario”.
El objetivo primordial de evaluar la calidad de la potencia es encontrar los caminos más
efectivos para corregir los disturbios y las variaciones de voltaje en el lado del usuario,
además de proponer soluciones para mejorar la calidad del suministro y corregir las fallas
que se presentan en el lado del sistema de las compañías suministradoras de energía
eléctrica.
Algunas causas relacionadas con la baja calidad de la potencia tienen su origen en
fenómenos naturales asociados con rayos o descargas atmosféricas (aproximadamente
dos tercios de las fallas se deben a este fenómeno), en la operación de equipos de gran
potencia en la industria o en la red misma (por ejemplo la conexión de condensadores
o el arranque de grandes motores), en la existencia de equipos de alto rendimiento
(equipos con variadores de velocidad, compensación dinámica del factor de potencia) y
en cualquier fenómeno que pueda llegar a producir caídas súbitas de tensión.
Los equipos controlados por microprocesadores y de dispositivos con electrónica de
potencia son sensibles a ejercer funciones erróneas cuando existen distorsiones en las
ondas de voltaje.
Los principales parámetros que alteran la calidad de la potencia son las fluctuaciones
de voltaje, las variaciones momentáneas de alto y bajo voltaje, las interrupciones
permanentes, los armónicos (distorsiones de las ondas de voltaje y corriente sinusoidales
con frecuencias que son múltiplos enteros o no de la frecuencia nominal o fundamental de
la red) y los transitorios (impulsos de voltaje intermitentes y de corta duración (menores
a 2 ms) que se superponen a la señal de alimentación.
Las principales consecuencias de una baja calidad de la potencia son la operación
intermitente (parpadeo), reducción de la cantidad y la calidad de producción, anomalías en
el funcionamiento de los variadores de velocidad y en los microprocesadores de control
y por consiguiente en la correcta operación. Un sobrevoltaje puede originar la ruptura de
los devanados y voltajes bajos pueden originar paros en producción, disminución en los
niveles de iluminación, distorsión de las imágenes en pantallas y monitores, etc.
31
2.11.
Sistema de puesta a tierra
El objetivo primordial de una puesta a tierra es limitar el voltaje que se pueda presentar
en un momento dado entre tierra y las masas metálicas. Adicionalmente, se garantiza la
actuación de las protecciones eléctricas y se disminuye el riesgo de falla en los materiales
eléctricos. Es el componente fundamental de un sistema de seguridad eléctrica.
Está compuesto por un arreglo de elementos como electrodos, dispersores, placas,
cables, alambres y mallas metálicas. En la configuración del arreglo los materiales
empleados deben cumplir con normas estandarizadas.
Se define como “Toma de Tierra” a la unión eléctrica de un material conductor con la
masa terrestre. Esta unión se lleva a cabo mediante electrodos enterrados, obteniendo
con ello una toma de tierra cuya resistencia de “empalme” depende de varios factores,
tales como: superficie de los electrodos enterrados, profundidad de enterramiento, clase
de terreno, humedad, temperatura del terreno, etc.
La “Puesta a Tierra”, se denomina a la unión directa de determinadas partes de una
instalación eléctrica, con la toma de tierra, permitiendo el paso a tierra de las corrientes
de falta o las descargas atmosféricas.
Un sistema de puesta a tierra básico se compone por electrodos (elementos metálicos
que permanecen en contacto directo con el terreno), por el anillo de enlace con tierra
(conjunto de conductores que unen entre sí los electrodos), por un punto de puesta a tierra
(Punto, generalmente situado dentro de una cámara, que sirve de unión entre el anillo de
enlace y las líneas principales de tierra) y líneas principales de tierra (conductores que
unen al pararrayos con los puntos de puesta a tierra).
Así mismo, se deben conectar a los puntos de toma de tierra todas las tuberías metálicas
de agua y gas, así como canaletas y cubiertas metálicas.
Para efectos del diseño de una puesta a tierra, se deben determinar las tensiones
máximas admisibles de paso, de contacto y transferidas, las cuales toman como base
una resistencia del cuerpo humano típica de 1000 Ω y cada pie como una placa de 200
cm2 aplicando una fuerza de 250 N. Cada una de las tensiones en mención se define
tomando como referencia el Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas – RETIE.
La importancia de una adecuada puesta a tierra radica en la protección y seguridad de las
personas, de los equipos y de las instalaciones locativas, en la calidad de la potencia de
las instalaciones y en general en la minimización del riesgo de accidentes (por ejemplo
el riesgo de explosión en tanques de combustibles, al eliminar peligrosos gradientes de
potencial entre tubería de cobre, tanques, motor de bombeo de agua, etc.).
Uso eficiente y racional de energía
33
3
Uso racional y eficiente de la energía
en sistemas eléctricos
El sistema eléctrico, al igual que otros sistemas (vapor, aire comprimido, aguas, etc.),
está compuesto por un sistema de generación o fuente relativa al tipo de usuario en
los cuales la energía primaria puede ser la misma energía eléctrica y la secundaria
es este mismo tipo de energía pero con un nivel de voltaje o potencial menor. Para el
efecto se utiliza un equipo denominado transformador. En la figura 7 se presentan, de
forma global, los componentes del sistema eléctrico. En ella se observa que existe una
fuente o transformador dependiendo del tipo de instalación, un sistema de distribución
(normalmente por cables) y unos usuarios o un conjunto de ellos agrupados en una
zona.
Es importante anotar que, dada la dinámica sistémica de la energía, las economías de
este tipo de insumo energético (energía eléctrica) se reflejan directamente cuando se
efectúa un uso racional en otros sistemas donde se utiliza la energía térmica o mecánica.
Normalmente, cuando se obtiene una economía en algún otro sistema, el cual tiene
como insumo adicional y necesario la energía eléctrica, se obtiene una economía de
forma directa en ésta, en aquellos equipos de encendido y apagado (de tipo discreto
estadísticamente). En equipos donde no se presenta una desconexión y se requiere un
control continuo (estadísticamente) es necesario adoptar un variador de velocidad con el
objeto de establecer un mismo rango de economía.
Sistema de
distribución
Fuente
o
transformador
Consumidor (o zona de
proceso) 1
Consumidor (o zona de
proceso) 2
Consumidor (o zona de
proceso) 3
Pérdidas
Recurso
primario
Consumidor (o zona de
proceso) i-ésimo
Figura 7. Sistema eléctrico
Uso eficiente y racional de energía
3.1.
Transformación
La fuente de suministro de energía eléctrica puede ser de varios tipos. Puede suceder que
se genere directamente a partir de la combustión de combustibles fósiles en sistemas de
ciclo combinado, con el empleo de turbinas de vapor, en plantas auxiliares que consumen
fuel oil o combustibles fósiles, etc.
En el caso de una cantidad considerable de usuarios, la fuente de energía primaria es un
transformador, el cual recibe energía eléctrica de la empresa de suministro y la adecua a
los niveles de potencial (voltaje) con los cuales operan los diferentes equipos.
El transformador es una máquina eléctrica estática, la cual contiene una bobina
(enrollamiento) de cable (usualmente de cobre) situada junto a una o varias bobinas
más.
Se utiliza para modificar los niveles de tensión o con el objeto de unir dos o más circuitos
de corriente alterna (CA). Operan en virtud del efecto de inducción entre las bobinas (ver
figura 8). La bobina conectada a la fuente de energía se denomina bobina primaria. Las
demás bobinas reciben el nombre de bobinas secundarias.
Un transformador cuyo voltaje, en el devanado secundario, sea superior al primario se
llama transformador elevador. Si el voltaje secundario es inferior al primario, este dispositivo
recibe el nombre de transformador reductor. El producto de la corriente por el voltaje es
constante en cada juego de bobinas, de tal forma que en un transformador elevador el
aumento de voltaje de la bobina secundaria viene acompañado por la correspondiente
disminución de corriente. Lo anterior obedece a la ley de la conservación de la energía,
puesto que si se aumenta el voltaje disminuye la intensidad de la corriente.
Figura 8. Componentes básicos de un transformador
En la figura 8 se observa que un transformador consta, por lo general, de dos devanados
y un núcleo ferromagnético. Los devanados (bobinas) primario y secundario consisten
en arrollamientos de cobre con un número de vueltas ( Np y Ns) respectivamente.
En el devanado primario, al circularle una corriente alterna se genera un campo
35
magnético variable el cual induce un voltaje (o potencial) en los terminales del devanado
secundario.
El núcleo ferromagnético es un elemento construido mediante el apilamiento, de placas
o chapas, de material de aleaciones de Fe, Al, Ni, Co, etc. Se caracteriza por presentar
una baja reluctancia la cual es la propiedad de los materiales a oponerse a la circulación
del flujo magnético.
El núcleo ferromagnético es el agente que permite establecer el aumento o reducción del
potencial (originado en el devanado primario) con base en la ley de la conservación de la
energía y en virtud de la las leyes de la inducción de Faraday.
En general los transformadores se clasifican técnicamente de acuerdo con la potencia
y el nivel de voltaje de operación, el tipo de refrigerante y aislamiento empleado, la
característica del núcleo o de acuerdo con el número de las fases.
La clasificación típica de los transformadores se presenta en la tabla 2.
Tabla 2. Clasificación técnica de los transformadores.
Criterio de Clasificación
Distribución
Potencia y nivel de
voltaje
Refrigerante y
aislamiento
Características
Capacidad menor a 500 kVA ó voltaje
inferior a 67 kV. Rendimientos típicos de
estos transformadores varían entre 96 y
99%.
Potencia
Capacidad mayor a 500 kVA ó voltaje
superior a 67 kV. Los rendimientos típicos
varían entre 99 y 99,7%.
En baño de aceite
Los devanados y el núcleo se encuentran
sumergidos
para
refrigeración
y
aislamiento en un baño de aceite mineral,
siendo estos los más utilizados.
En baño de askarel
Los devanados y el núcleo se encuentran
sumergidos en baño de askarel
(hidrocarburo sintéticos no inflamable
ni tóxico) el cual presenta las mismas
características que el aceite.
En seco
Los devanados y el núcleo no se
encuentran sumergidos en un líquido de
refrigeración. Su comportamiento frente a
las sobrecargas es peor que en los tipos
anteriores.
Uso eficiente y racional de energía
Continuación Tabla 2. Clasificación técnica de los transformadores
Criterio de Clasificación
Tipo de núcleo
Según el Número de
las fases
Características
Tipo núcleo
Núcleo construído de dos columnas,
cada una de las cuales alberga un
devanado. Ventaja: Existe aislamiento
entre el primario y el secundario. Facilita
el mantenimiento y reparación en caso
de falla. Desventaja: Parte del flujo de
dispersión se transmite al aire y ocupan
mucho espacio.
Tipo acorazado
El núcleo está construido de tres
columnas, siendo la de la mitad la que
alberga los devanados (arrollamientos)
en forma concéntrica. Ventaja: Los flujos
de dispersión se transmiten en gran
parte por el núcleo (mayor eficiencia),
ocupan poco espacio. Desventaja: Al
ser concéntricos los devanados, no
existe independencia entre ellos, lo que
complica el mantenimiento y reparación
del devanado más interno.
Tipo toroidal
La forma constructiva de este núcleo es
un toroide, alrededor del cual se “enrollan”
el devanado primario y el devanado
secundario. Se utilizan básicamente en los
transformadores de medida de corriente
(TC), incluyendo pinzas amperimétricas y
bobinas de baja, media y alta frecuencia
en equipos de telecomunicaciones.
Monofásico
Alimentado en el primario mediante una
sola fase o línea energizada.
Trifásico
Alimentado en el primario mediante tres
fases o líneas energizadas.
No obstante los diferentes tipos existentes, los transformadores presentan el mismo
principio de funcionamiento y la gran mayoría están diseñados para un mismo propósito,
cual es transmitir la potencia eléctrica variando los niveles de voltaje. Los transformadores
también se clasifican de acuerdo con la aplicación y la funcionalidad en el sistema de
potencia. En la tabla 3 se presenta la clasificación de acuerdo con este criterio.
37
Tabla 3. Clasificación de los transformadores de acuerdo con la aplicación.
Transformador
Características
Unidad
Transformador asociado con un generador eléctrico en
una casa de máquinas. Tiene por objeto elevar el voltaje
generado para distribuir o transmitir la electricidad hacia otras
subestaciones.
Potencia
Transformador que se caracteriza por tener una capacidad
mayor a 500 kVA ó un voltaje superior a 67 kV.
Distribución
Transformador que se caracteriza por tener una capacidad
menor a 500 kVA ó un voltaje inferior a 67 kV.
Medida
Pueden ser de potencial (TP) o corriente (TC). Tienen como
objetivo reducir los niveles de voltaje o corriente para ser
procesados y registrados en equipos análogos o digitales de
medición.
Acople de impedancias
Tienen por objeto acoplar la impedancia. Lo cual significa
lograr que la impedancia de salida de la fuente y la de entrada
de la carga sean “iguales”, de tal forma que exista una máxima
transferencia de potencia.
Se caracterizan por tener una mayor impedancia en el
embobinado con mayor número de vueltas.
Control
Transformador que adecúa el nivel de voltaje para ser utilizado
en los sistemas de control o equipos electrónicos de baja
demanda de potencia (incluyéndose los electrodomésticos).
A continuación se describen algunos parámetros y características de interés que definen
la operación y la selección del transformador.
En los transformadores es importante el número de espiras (vueltas) de los devanados
primario y secundario. Si Vp(t), e ip(t) representan, respectivamente, el voltaje y la
corriente en el devanado primario (o de entrada) y Vs(t) e is(t) el voltaje y la corriente en
el devanado secundario (o de salida). En un transformador ideal se cumple la siguiente
relación del número de espiras en función del voltaje y la corriente y se denomina relación
de transformación.
N p V p (t ) I s (t )
a=
=
=
N s Vs (t ) I p (t )
La anterior ecuación se deriva del balance de energía en estos equipos.
La potencia en un transformador, instalado entre dos sistemas trifásicos, se define como
Pp = 3 ×V p × I p × cosq p y Ps = 3 ×Vs × I s × cosqs para los devanados primarios y secundarios,
respectivamente. Con base en la relación de transformación y teniéndo en cuenta la
propiedad del transformador para no desfasar las señales entre el devanado primario y
el secundario (θp=θs=θ ), se puede demostrar la identidad que existe entre la potencia
activa a la entrada (primario) y a la salida (secundario) del transformador ideal.
Uso eficiente y racional de energía
De forma análoga para la potencia aparente (S) y reactiva (Q) entre el devanado primario
y secundario del transformador, las ecuaciones son las siguientes:
S p = 3 ×V p × I p = 3 ×a × Vs ×
Q p = 3 ×V p × I p × senq p = 3 ×a × Vs ×
Is
= 3 ×Vs × I s = S s
a
Is
× senq = 3 ×Vs × I s × senqs = Qs
a
En la práctica, y de las ecuaciones anteriores se puede concluir que estos casos
corresponden a un transformador ideal. En un transformador real existe un desbalance
en la curva temporal entre la potencia de entrada (primario) y la potencia de salida
(secundario), la cual hace referencia a las pérdidas por transformación y por lo tanto la
energía por unidad de tiempo que ingresa al equipo presenta unas pérdidas.
Pp = Ps + Pperdidas
Otra aplicación importante de los transformadores se presenta en los circuitos electrónicos
y radica en la transformación de impedancias. Esta aplicación, consiste en determinar y
estudiar los efectos producidos, en el devanado primario del transformador, al conectarse
una impedancia en el devanado secundario y viceversa.
El factor de carga de un transformador se define como el cociente entre la carga actual y
la carga nominal. O sea el cociente entre la potencia de operación y la potencia nominal
(dada por el fabricante). La potencia de operación puede variar de forma instantánea
puesto que la demanda de los diferentes usuarios normalmente no es constante.
S N = 3 × I N × VN
La potencia nominal es el valor de la potencia aparente, expresada en volti -amperios
(kVA o MVA) y su valor lo suministra el fabricante. Es importante anotar que la potencia
activa equivale a la aparente cuando el factor de potencia es 1. La expresión general para
la potencia nominal es:
Siendo IN la corriente nominal (A) y VN el voltaje nominal (V).
Normalmente los transformadores no siempre funcionan a un régimen de carga nominal,
es decir con las corrientes nominales (IpN e IsN ) en el primario y secundario, si no que
puede conducir otras corrientes Ip e Is, de acuerdo con los motores u otras cargas que
se encuentren en operación. Por lo tanto se define el factor de carga en un instante
determinado como:
Ip
I
c=
=c= s
I pN
I sN
Si c es ≤ 1, el transformador opera por debajo de su capacidad nominal. Circulan
corrientes inferiores a las de diseño (nominal), su calentamiento no ofrece riesgo y puede
operar de forma continua. Si c es > 1, el transformador está sobrecargado, opera por
encima de su capacidad nominal, circulan corrientes superiores a las nominales y por lo
39
tanto está sometido a un esfuerzo el cual origina calentamiento. La operación en estas
condiciones no debe ser continua y puede funcionar por un tiempo determinado a partir
del cual presenta fallas. En la práctica, es común determinar el factor de carga en el
transformador mediante la siguiente expresión:
c=
S promedio
SN
En donde SN es la potencia aparente nominal del transformador.
Las pérdidas en un transformador son fundamentalmente de dos tipos: pérdidas en el
circuito magnético y las pérdidas por efecto Joule en los devanados del transformador.
Las pérdidas en el circuito magnético (Po) las cuales también se conocen como pérdidas en
el hierro o en vacío, son independientes de la carga y prácticamente no varían con el voltaje a
frecuencia constante. Las pérdidas en vacío (Po) es un dato suministrado por el fabricante.
Las pérdidas por el efecto Joule (Pcu) se conocen también como pérdidas en el cobre
(los devanados suelen construirse con este material) y se deben a las pérdidas en los
arrollamientos del transformador debido a la resistencia existente en estos.
Las pérdidas en el cobre (Pcu), varían con el cuadrado de la corriente que circula por los
devanados, de tal forma que si se conocen en régimen nominal Pcc (dato normalmente
suministrado por el fabricante), se podría encontrar las pérdidas en el cobre a un índice
de carga c, así:
Pcu = c 2 × Pcc
En conclusión, las pérdidas totales en un transformador y para un factor de carga c, se
definen como:
Pperdidas = Po + Pcu = Po + c 2 × Pcc
Los criterios más importantes para seleccionar un transformador son los niveles de voltaje
y la carga requerida. Los proveedores deben Informar las condiciones nominales del
equipo las cuales son: La marca del fabricante, el número de serie, el año de construcción,
la potencia nominal (kVA ó MVA), la relación de voltaje (V primario / V secundario, la
relación de corrientes (I primario/I secundario), el diagrama de conexiones, la corriente
de corto circuito, la frecuencia (Hertz), la temperatura de operación, información de
intercambiadores de voltaje (Taps) y la forma de calibración de estos, las pérdidas en el
hierro (Po ) y las pérdidas en corto circuito (Pcc ). Con esta información básica se tiene
pleno conocimiento de las condiciones nominales de operación.
En general, dependiendo de la aplicación en el sistema eléctrico de potencia, se debe
elegir el tipo de transformador. También es importante tener en cuenta factores como
las características eléctricas de la red, la clase de proceso, las características físicas del
local y las condiciones ambientales del entorno. Es posible que en algunos ambientes
(por ejemplo en aquellos donde exista un alto riesgo de material inflamable) se requiera
de un transformador aislado.
Uso eficiente y racional de energía
La eficiencia de un transformador se define como el cuociente entre el flujo de potencia
activa (este tipo de equipos no acumula energía) desde un sistema primario (Pp) a otro
sistema secundario, el cual suministra, a los equipos usuarios una potencia (Ps) a un
voltaje Vs. Cuando la potencia activa fluye en el interior del transformador se producen
unas pérdidas. Por lo tanto Ps menor que Pp.
La eficiencia se define como:
h=
Psalida
P
= s
Pentrada Pp
o sea,
h=
h=
Ps
Ps
=
Pp Pperdidas + Ps
o también,
Pp - Pperdidas
Pperdidas
Ps
=
= 1Pp
Pp
Ps + Pperdidas
Finalmente se obtiene la siguiente ecuación de eficiencia o rendimiento (en %):
æ
ö÷
Po + c 2 × Pcc
÷ ×100%
h = 100% - ççç
2
çè 3 ×c × Sn × cos q + Po + c × Pcc ÷÷ø
Ecuación en la cual (c) y (Cos θ) son el factor de carga y el factor de potencia,
respectivamente. Los demás términos son constantes.
En los transformadores, es importante establecer el porcentaje de carga y el factor de
potencia. En la figura 9 se presenta la eficiencia, de este tipo de equipos, en función del
porcentaje de carga (calculado como el cuociente entre la potencia aparente suministrada
y la potencia aparente nominal del mismo) y el factor de potencia del mismo.
99,2
99,0
Eficiencia (%)
98,8
98,6
98,4
98,2
98,0
97,8
97,6
97,4
97,2
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
1,40
% de carga (c)
FP = 0,98
FP = 0,90
FP = 0,70
Figura 9. Eficiencia en transformadores en función del % de craga y del factor de potencia
En la figura 9 se observa que la máxima eficiencia de los transformadores se presenta
cuando estos operan al 40 % de su carga y que un aumento del 40 % en el factor de
potencia da lugar a un aumento del orden del 0.6 % en la eficiencia de este tipo de
41
equipos. En la gráfica también se observa que a bajos y altos porcentajes de carga, la
eficiencia se afecta de forma considerable.
Cuando se realizan mediciones continuas en un transformador, no es frecuente encontrar
regímenes de carga constantes, por lo cual se recomienda efectuar mediciones de la
potencia activa en el tiempo, con el objeto de establecer el porcentaje de carga medio
y máximo de estos equipos. En la figura 10 se presenta un ejemplo de este tipo de
medición (curva de carga) en un transformador de 440 V (línea – línea). Adicionalmente
en las figuras 11, 12 y 13 se presentan las curvas (asociadas simultáneamente en el
V
tiempo a la figura 10) de las mediciones del voltaje línea – neutro (V Ln ) por fase (V = 3 ),
la intensidad de corriente y el factor de potencia, respectivamente.
Ln
LL
Con el objeto de establecer un diagnóstico de operación, estas cuatro figuras deben
analizarse de forma individual y de forma simultánea.
En la figura 10 se observa que la planta prácticamente no operó durante las primeras
cuatro horas. Posteriormente se comenzó con el arranque de ésta, el cual se realizó en
una hora. A partir de la quinta hora la operación se efectuó de forma normal. Anotándose
que existe una carga que fluctúa (en este período) entre los 550 y los 950 KVA y que
la carga promedio se sitúa alrededor de los 750 kVA. En ella también se observa que
la potencia máxima se sitúa en los 1000 KVA. Puede concluirse que el arranque dura
alrededor de una hora y que existen (en un régimen de operación normal) cargas que
entran y salen de operación de forma periódica.
1200
KILOWATIOS (KW)
1000
800
600
400
200
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
TIEMPO [HH:MM]
P. activa total
Figura 10. Evolución de la potencia activa en el trasnformador
En la figura 11 se observa que el voltaje de línea promedio, en las cuatro primeras horas,
se situó en los 262 V y se presentó un máximo de 266. A partir de esta hora (arranque
de la planta) el voltaje promedio comenzó a bajar gradualmente y fluctuó a partir de la
sexta hora entre los 263 y los 254 V presentando valores promedios del orden de 257
V. Puede observarse que los valores de las tres fases aumentan y disminuyen de forma
simultánea, indicando que no existe prácticamente desbalance entre ellas (menor que el
1%) y que el porcentaje de regulación es menor al 5%, cumpliéndose la norma.
Uso eficiente y racional de energía
Figura 11. Evolución del voltaje de línea en el transformador
En la figura 12 se observa que no existe desbalance de corriente y que prácticamente
las tres fases coinciden con valores que en ningún momento se desvían del 10 %
recomendado. Se observa también que su comportamiento es semejante al que se
presenta en la figura 10.
Figura 12. Evolución de la corriente por la fase en el transformador
En la figura 13 se observa que en las primeras cuatro horas se encuentran factores de
potencia bajos (valores hasta de 0.7). Lo anterior se debe probablemente a la existencia
de condensadores desconectados. Tambien se observa un incremento en los niveles de
43
tensión (voltaje) puesto que no existía carga. En las horas siguientes el factor de potencia
se encuentra cercano a la unidad indicando que la corrección del mismo satisface la
operación de los elementos inductivos de la planta. Es importante anotar que el nivel de
tensión (voltaje) es en función de la variación de la carga eléctrica y de la probabilidad de
permanencia de capacitores conectados.
Figura 13. Evolución del factor de potencia en el transformador
Las principales alternativas que se recomiendan para el uso eficiente de la energía en los
transformadores son:
•
Desconectar el transformador desde el primario: Se evita el consumo de energía
debido a las pérdidas en vacío.
•
Conocer la carga del transformador con el objeto de no sobrecargarlo: Se reducen
las pérdidas en el Cobre. Evitar operar el transformador a baja carga (< al 20%).
•
Revisar el nivel y la rigidez dieléctrica del aceite cada 6 meses.
•
Realizar una limpieza periódica de la superficie del tanque, aletas disipadoras de
calor, bornes, etc. y medir con frecuencia la temperatura superficial del mismo,
puesto que ella no debe exceder los 55 ºC (de lo contrario debe revisarse el aceite
dieléctrico).
3.2.
Distribución
La energía eléctrica de distribuye por medio de conductores metálicos aislados del medio
con un material que impide que el flujo de carga se transmita a los alrededores. La
función principal de un conductor aislado es la de transmitir la energía eléctrica requerida
para que los diferentes equipos usuarios operen bajo unas condiciones específicas.
Los materiales más utilizados en la fabricación de conductores eléctricos son el cobre y el
aluminio. El cobre es el más aceptado por sus notables ventajas mecánicas y eléctricas.
Los elementos básicos que componen un sistema de conducción de energía eléctrica son
el conductor (elemento por el cual fluye la corriente eléctrica), el aislamiento (dieléctrico
Uso eficiente y racional de energía
capaz de soportar la diferencia de tensión entre el conductor y la tierra) y la cubierta
(protección contra agentes externos).
Otro elemento fundamental en la operación correcta de un cable de energía aislado lo
constituyen las pantallas, las cuales permiten una distribución radial y simétrica de los
esfuerzos eléctricos en el aislamiento.
Normalmente, los conductores se clasifican como alambre (conformado por un solo hilo
o elemento), cable (conformado por una serie de hilos conductores de baja sección),
mono conductor (conformado por un solo hilo, aislamiento y con cubierta protectora) y
multiconductor (dos o más hilos aislados entre si envueltos, cada uno, por una capa de
aislamiento y con una o más cubiertas comunes).
Cuando la electricidad fluye por un conductor eléctrico, cierta cantidad de energía se
pierde en forma de calor. La pérdida de calor depende de la resistencia eléctrica del
conductor (R) y del cuadrado de la corriente que transporta (I²); por lo tanto, la fórmula l²R
permite determinar las pérdidas eléctricas. Ello significa que si la cantidad de corriente
que pasa por un conductor eléctrico se incrementa, se producirá una mayor pérdida de
energía en forma de calor. Básicamente corresponden al efecto Joule. Se debe tener en
cuenta que si los equipos consumidores tienen un bajo factor de potencia, la intensidad
de la corriente con el objeto de suplir la potencia activa en los conductores debe ser
mayor y por consiguiente las pérdidas en estos (los conductores) se incrementan.
Las pérdidas por disipación de calor en un conductor (I² R) son directamente proporcionales
al cuadrado de la corriente transportada y a la resistencia del mismo en una longitud. A
su vez esta corriente es inversamente proporcional al voltaje. Por tanto, a mayor nivel de
voltaje menor corriente fluyendo y menores pérdidas de energía por disipación de calor.
Los conductores se oponen al flujo de carga (poseen una resistencia) y la carga fluye en
virtud de una diferencia de potencial. Por lo cual se requiere de una energía para forzar el
flujo de una corriente eléctrica a través de un conductor. El voltaje que se pierde forzando
el flujo de corriente se conoce como “caída de voltaje”. De ahí que, independientemente
del tamaño del conductor seleccionado, es imposible prevenir que se presenten caídas
de voltaje. Sin embargo, debe mantenerse dentro de límites prácticos y razonables.
Las normas recomiendan que los conductores se seleccionen de tal forma que la caída de
voltaje no exceda del 3% para circuitos ramales y de un 2% para circuitos alimentadores
principales. La caída de voltaje en cualquier caso puede determinarse empleando la ley
de Ohm.
Caída de voltaje (en voltios) = corriente (amperios) x impedancia (ohmios).
La impedancia o resistencia total del circuito, depende a su vez de la longitud del mismo
y del calibre del conductor.
Al duplicar el voltaje, las pérdidas se reducen por un múltiplo de cuatro y por lo tanto, se
debe considerar este factor al seleccionar el nivel de voltaje cuando se proyectan nuevas
plantas industriales o expansión de las actuales.
45
En la práctica, las siguientes normas se aplican con el objeto de evitar las caídas (pérdidas
de potencial) de voltaje por fuera de los estándares admisibles.
•
Ningún conductor se debe cargar más del 80% de su capacidad portadora.
•
Los conductores del circuito alimentador de cualquier equipo eléctrico (motor,
transformador, condensadores, cargas resistivas etc.) deben seleccionarse con
una capacidad portadora igual o superior al 125% de la corriente de placa del
elemento.
•
Deben balancearse los costos de inversión entre las pérdidas de energía y los
costos de los conductores, teniendo en cuenta que a mayor calibre de los mismos
menores serán las pérdidas de energía.
•
Con el objeto de evitar pérdidas de energía y accidentes (incendios, etc.) se
recomienda efectuar un diagnóstico periódico a los conductores y un mantenimiento
cuando lo requieran.
El mantenimiento básico de los conductores radica en la revisión de conexiones y
terminales (conexiones flojas o inadecuadas aumentan las pérdidas de energía y el
calentamiento de éstas y generalmente son susceptibles a presentarse en ambientes
donde existen vibraciones y temperaturas elevadas) y la revisión de conductores (los
conductores sobrecargados presentan temperaturas superiores a las normales, por lo cual
es necesario reemplazarlos por unos de mayor capacidad). Por lo tanto, es importante
realizar mediciones de temperatura de estos elementos, en estado de operación, y para
el efecto se utilizan los pirómetros de radiación o las cámaras termográficas.
En instalaciones, donde operan sistemas trifásicos, debe verificarse que en la conexión
a tierra no se presente una corriente. Dicha corriente es una pérdida de energía y es un
indicativo de anomalía en el equipo, la cual puede originar accidentes y fallas.
La resistencia de los conductores se incrementa al aumentar su temperatura y por lo
tanto su resistencia al flujo de carga eléctrica es mayor aumentándose las pérdidas,
puesto que la potencia disipada en calor es directamente proporcional al cuadrado del
flujo y a la resistencia (I² R).
En sistemas de distribución a los cuales están acopladas cargas variables es importante
detectar la fluctuación del voltaje. Estas fluctuaciones se deben a grandes cargas como
motores, hornos, equipos de soldadura etc. Si el voltaje al cual debe operar un equipo,
se aleja del nominal del mismo, lo más probable es que no realice su función en el tiempo
estipulado o que no pueda realizarla. Si es superior probablemente el equipo falle y se
inutilice.
Por lo tanto es importante establecer los niveles de caída de tensión que se presentan
en las redes de distribución con el fin de garantizar una buena calidad del servicio
representado en la eficiencia de los equipos usuarios. Los porcentajes exigidos como
máximos en la regulación en un sistema de distribución se presentan en la tabla 4.
Uso eficiente y racional de energía
Tabla 4. Porcentajes exigidos en regulación del voltaje
Concepto
Máximo % de regulación.
120 voltios
240 voltios
Transformador de
distribución.
1.5 %
1.8 voltios
3.6 voltios
Red secundaria.
3.0 %
3.6 voltios
7.0 voltios
Acometidas e
instalación interna.
2.0 %
2.4 voltios
4.8 voltios
De la tabla 4 se observa que los voltajes mínimos aceptables en distribución secundaria
son de 110 voltios en un sistema a 120 v y de 220 en un sistema a 240 v.
3.3.
Consumo de energía eléctrica
3.3.1. Fuerza motriz
Un motor eléctrico es una máquina rotativa que transforma la energía eléctrica proveniente
de la red (o de un banco de baterías) en energía mecánica. Dependiendo del uso, su vida
útil supera los 20 años. Básicamente está constituido por un estator (material que no se
mueve) y un rotor. Ambas partes están fabricadas en material ferromagnético y disponen
de una serie de ranuras en las cuales se enrollan los hilos conductores de cobre que
forman el devanado.
Los motores eléctricos se clasifican en dos grandes grupos, de acuerdo con el tipo de
corriente que circula por ellos. Alterna o directa (continua). Los motores de corriente
continúa se caracterizan por su gran facilidad para la regulación de velocidad. Son
indispensables en aplicaciones en las cuales se requieran altas variaciones de velocidad
y cambios o inversiones rápidas en la marcha. Presentan desventajas en cuanto al
mantenimiento de algunas de sus piezas. Los motores de corriente alterna se clasifican
en dos grandes grupos: motores sincrónicos (su característica principal es la de girar a
velocidad constante, la cual depende del número de pares de imanes que contengan
y de la frecuencia de alimentación de la red, requieren escobillas y están sujetos a
la frecuencia del suministro) y asincrónicos (o de inducción) los cuales son los más
empleados dada su versatilidad. Cerca del 99 % de los motores en operación en nuestro
medio son asincrónicos.
En los motores asincrónicos el inductor es el estator y el inducido es el rotor. Son motores
de simple construcción, robustos, de bajo costo y requieren poco mantenimiento puesto
que no utilizan escobillas. Este tipo de motores no requieren conexiones eléctricas externas
para el funcionamiento del rotor; su construcción y funcionamiento son relativamente
sencillos, son económicos en su costo de adquisición y mantenimiento, poseen un rango
alto de potencias, operan a un régimen de velocidad constante y se adaptan fácilmente
a los variadores de velocidad.
Los motores de inducción posen límites de capacidad de sobrecarga. La sobrecarga
afecta la vida útil del motor puesto que las altas temperaturas destruyen los aislantes.
47
Según las normas NEMA los motores de operación continua no deben soportar, como
máximo, una sobrecarga de 1,5 veces la nominal, durante 2 minutos. En la figura 14
se presenta el factor de potencia en función del porcentaje de carga para un motor
de inducción. En ella se observa que a baja carga (25 %) el valor es del orden de 0.55
aumentando gradualmente hasta un 0.85 a plena carga (100%).
Figura 14. Motores de inducción -convencional o estándar- Factor de potencia en función del nivel de %
de carga
Al disminuir el factor de potencia, las pérdidas por conducción de la corriente eléctrica en
el motor y en el alimentador aumentan, por lo cual es conveniente corregirlo. La forma
más económica y práctica para hacerlo es la instalación de bancos de condensadores
conectados en paralelo en los bornes del motor. Normalmente cuando se utilizan motores
de inducción convencionales se requiere de capacitores siempre y cuando el factor de
potencia total, de las instalaciones sea menor de 0.9, con el objeto de evitar sobrecostos
en la factura emitida por la empresa de suministro.
En instalaciones donde el 80 % es carga resistiva (no afecta el factor de potencia) y el
20 % es carga inductiva (motores) normalmente no se requiere la instalación de
capacitares. Lo anterior se debe a que el factor de potencia global no es inferior a 0.9
y por lo tanto no genera costos en la factura. Sin embargo debe considerarse que el
desgaste de los motores se incrementa notablemente.
En la figura 15 se presenta un estimativo de la eficiencia de los motores de inducción
convencionales en función de la potencia nominal y del porcentaje de carga. En ella se
observa que a bajas potencias nominales su eficiencia se afecta, con el porcentaje de
carga, entre el 82 % y el 87 %. También se observa que en los motores, de alta potencia
nominal, su eficiencia se sitúa en valores que oscilan entre el 87 % y el 92 % a bajos y
altos porcentajes de carga, respectivamente.
Uso eficiente y racional de energía
Figura 15. Eficiencia en funcion del % de carga y la potencia -motores de inducción estándar-
Es importante anotar que en este tipo de motores (inducción) se requiere del orden de 4
a 8 veces la intensidad de la corriente de operación en el arranque. Por lo tanto, el diseño
de las protecciones (Breakers) y de los conductores debe dimensionarse de forma que
estos elementos estén en capacidad de no suspender el suministro cuando se presente
un arranque simultáneo. También es importante anotar, que las pérdidas en los motores
se presentan, al igual que en los transformadores, en los embobinados (devanados
del estator y el rotor) y en los elementos de contacto (escobillas). Adicionalmente se
presentan pérdidas de conversión a energía mecánica debidas a calor por fricción entre
los elementos (cojinetes, escobillas, etc.).
Para elegir un motor de inducción, el principal parámetro radica en estudiar las condiciones
ambientales en las cuales opera. En ambientes donde existe material partículado o alta
humedad se debe considerar el grado de hermeticidad con el objeto de evitar el deterioro
de sus componentes.
Es importante precisar que existen motores monofásicos y trifásicos a los cuales se
suministra energía eléctrica por medio de una o de tres líneas y cierran el ciclo con
el neutro (otro cable), respectivamente. Los motores monofásicos normalmente son de
baja capacidad (menores de 4 kW) y se emplean en instalaciones donde el suministro
se realiza con un conductor y el neutro. Sus aplicaciones se presentan a nivel doméstico
(lavadoras, licuadoras, etc.). A nivel industrial y comercial, donde existen motores de
mayor potencia, se emplean los trifásicos.
Actualmente en el mercado existen también los denominados motores de alta eficiencia
y son aquellos que incorporan los más recientes desarrollos en la tecnología de nuevos
materiales. Se utilizan aleaciones ferromagnéticas en el rotor y la carcasa de menor peso
que las convencionalmente utilizadas. La inercia de arranque y operación se reducen
sustancialmente. Adicionalmente, el factor de potencia se mejora considerablemente.
49
En los motores de alta eficiencia, al igual que en los motores convencionales, la eficiencia
aumenta a medida que se incrementa el factor de carga hasta un valor cercano al 75%,
a partir del cual disminuye levemente.
En la figura 16 se presenta un estimativo de la eficiencia en motores de alto rendimiento
(eficiencia) en función de la potencia nominal y del porcentaje de carga. En ella se observa
que en los motores de baja potencia nominal su eficiencia se afecta, con el porcentaje de
carga, entre el 90 % y el 92 %. También se observa que en los motores, de alta potencia
(superiores a los 50 Hp o 37.5 kW), su eficiencia se sitúa en valores que oscilan entre el
92 % y el 95 % a bajos y altos porcentajes de carga, respectivamente.
Figura 16. Eficiencia en funcion del % de carga y la potencia -motores de alta eficiencia-
En la figura 17 se presenta la eficiencia en función de la potencia nominal para los motores
convencionales y los de alta eficiencia, en función de la potencia nominal. En ella se
observa que si se desea adquirir un motor de 20 hp (15 kW) el estándar nominalmente
tiene una eficiencia del orden del 87 % y el de alta eficiencia del 94. Por lo tanto un motor
convencional de 15 kW, que opera al 100 % de su carga nominal durante 20 horas y 26
días al mes consume 7800 kWh por mes. Un motor de alta eficiencia consume un 7 %
menos de la energía, es decir 7254 kWh.
Si el kWh cuesta $ 200, el ahorro mensual es de $ 109200 (1310000 $/año). Por lo
tanto debe establecerse el balance económico con el objeto de estimar el tiempo de
recuperación de la sustitución ó de la inversión en el caso de equipos nuevos. Si se
tiene en cuenta que el costo de un motor de alta eficiencia es del orden de los 70 a 100
dólares el kW, en el ejemplo se tiene que se requiere de una inversión del orden de 1000
dólares (aproximadamente de 2.4 millones de pesos) y que el tiempo de recuperación
de la inversión es de 1.8 años.
Uso eficiente y racional de energía
Figura 17. Eficiencia de los motores de inducción en funcion de la potencia nominal
En la figura también puede observarse que para motores de alta potencia (superiores a
los 200 hp – 150 kW-) la eficiencia se incrementa en un 3% y que para motores de 50 hp
la eficiencia nominal se incrementa aproximadamente el 5 %.
Es importante anotar que de la figura 17 se puede establecer una primera aproximación
con el objeto de elaborar un cálculo preliminar cuando se desea sustituir los motores y
que el tiempo de recuperación de la inversión depende en alto grado de la utilización de
los mismos y de su estado actual (motores rebobinados de alta potencia pueden tener
eficiencias por debajo del 85 %).
Normalmente el período de recuperación de la inversión no supera los dos años. Sin
embargo, cada instalación debe efectuar el respectivo estudio.
Actualmente, con el objeto de facilitar la evaluación económica, los fabricantes proveen,
para el motor estándar y para el de alta eficiencia, el valor de la eficiencia al 25%, 50%,
75%, 100% y 110 % de la carga nominal.
3.3.2. Iluminación
Cuando el hombre descubrió el fuego, no solamente percibió que este emitía calor sino
también luz. Este fenómeno le permitió prolongar sus actividades desarrolladas en el día.
Sin embargo, este fenómeno se comenzó a estudiar de forma formal en el siglo XVII.
Actualmente la iluminación es un factor primordial en cualquier actividad que se lleve a
cabo.
La luminotecnia es la disciplina que se encarga de estudiar los temas relacionados con
la conversión eficiente de la energía primaria en la energía lumínica (radiación en el
51
espectro visible que percibe el ojo humano). En general, una fuente luminosa transforma
energía eléctrica en lumínica y se compone de una pantalla (impide la visión directa de
la lámpara), una luminaria (piezas necesarias para fijarlas, protegerlas, y para unirlas
al circuito de alimentación) y la lámpara (transforma la energía primaria en energía
lumínica).
La unidad más empleada, con el objeto de establecer la cantidad de energía por unidad
de tiempo (potencia) que se transforma en un elemento, en energía lumínica, es el lumen.
El nivel de la iluminación en un punto del espacio se especifica en luxes. Un lux equivale
a un lumen que incide en un metro cuadrado de superficie. El equipo empleado con el
objeto de evaluar los niveles de intensidad lumínica a una distancia del foco emisor se
denomina luxómetro. Es importante anotar que una fuente lumínica emite unos lúmenes
de acuerdo con su diseño (su capacidad de emitir energía contenida en la región visible
del espectro electromagnético) y de la potencia disipada por ella (puede ser energía
eléctrica o liberada en la combustión). Por lo tanto, este tipo de energía radiante se
esparce en todas las direcciones (excepto en las fuentes tipo láser en las cuales el flujo
lumínico es colimado y por lo tanto unidireccional) disminuyendo su intensidad a medida
que la distancia desde la fuente emisora al punto receptor se incrementa.
Las lámparas más utilizadas con el objeto de transformar energía eléctrica en lumínica
son la incandescente, la halógena, la fluorescente de baja intensidad de descargue, la de
alta intensidad de descarga y la lámpara de diodo emisor de luz (LED).
Las incandescentes consisten en una resistencia metálica de tungsteno confinada en una
atmósfera de argón la cual al aumentar su temperatura emite luz y calor. Su rendimiento
promedio es del orden de 10 lúmenes por vatio y sus potencias se sitúan entre los 20 y
200 W. Su vida útil es de aproximadamente 1000 h.
La halógena es una lámpara incandescente, mejorada en los años cincuenta del siglo
pasado, empleando como gas inerte el iodo. Su rendimiento lumínico se incrementó en
un 20 % y su vida útil en un 100 %.
La lámpara fluorescente de baja intensidad de descarga consta de dos electrodos sobre
los cuales se ejerce una diferencia de potencial. En el interior se encuentra confinado,
a baja presión, vapor de mercurio en un sistema vítreo revestido de material de fósforo.
El arco eléctrico excita el vapor de mercurio el cual, a su vez, actúa sobre el material
de fósforo emitiendo luz visible. Este tipo de lámparas presenta valores hasta de 50
lúmenes por vatio (su denominación comercial es lámparas T 12). O sea cinco veces
el que se origina en una lámpara incandescente. Su vida útil es de aproximadamente
7000 horas. Actualmente este tipo de lámparas se ha mejorado notablemente y en el
comercio se encuentran las T8 y T5 las cuales tienen rendimientos que oscilan entre 70
y 90 lúmenes por vatio con un tiempo de vida útil del orden de 10000 horas. Este tipo
de lámparas reducen las pérdidas de calor en un 80 % y por consiguiente, en recintos
donde se requiera acondicionamiento de aire o refrigeración, rebajan la carga calórica
significativamente.
La lámpara de alta intensidad de descarga (High intensity discharge –HID-) tiene como
base el mismo principio de funcionamiento de las anteriores. En ellas se confinan gases
a alta o baja presión. Los gases más empleados son mercurio, haluros metálicos
(combinación de gas de mercurio con otros elementos) y las de sodio a alta y baja presión.
Uso eficiente y racional de energía
Es necesario anotar que en todas ellas está presente el mercurio. Este tipo de lámparas
presentan rendimientos (lúmenes por vatio) del orden de 50 a 60 en las de vapor de
mercurio a alta presión, de 80 a 140 en las de sodio de alta presión, de 130 a 200 en las
de sodio de baja presión y de 70 a 100 en las de haluros metálicos. La vida útil de estas
lámparas se encuentra en el rango de las 10 a 20 mil horas.
Con respecto a las lámparas fluorescentes es importante finalmente anotar que
actualmente los balastos convencionales (los electrodos) en los cuales se requería de
embobinados (enrollamiento de alambres) se han sustituido por sistemas electrónicos
(arreglo de condensadores, diodos, etc.) más versátiles, los cuales minimizan las pérdidas
de calor y de magnetización.
En las lámparas de diodo emisor de luz (LED) se convierte, casi en su totalidad, la
energía eléctrica en energía lumínica. En este tipo de sistemas se confinan materiales (en
plásticos especiales), los cuales tienen la propiedad de emitir luz al paso de una corriente
eléctrica de acuerdo con la naturaleza de los mismos y de acuerdo con la magnitud de
la misma. Este tipo de iluminación actualmente es comercial en elementos puntuales.
Es importante anotar que un diodo es un dispositivo que rectifica la corriente alterna en
corriente directa.
Con el fin de diseñar o sustituir un sistema de iluminación, se debe fijar la tarea que
se requiere realizar y las condiciones de iluminación requeridas. Deben inicialmente
establecerse los niveles de iluminación necesarios para ejecutar las funciones
correspondientes. Normalmente se requiere de iluminación donde exista la presencia
de personas. El nivel de ésta (medida en luxes – lumen/metro cuadrado de superficie de
trabajo) se realiza con un dispositivo denominado luxómetro. Los valores deben satisfacer
los estándares que se presentan en la tabla 5, los cuales recomienda la Sociedad de
Ingenieros Electricistas de los EE. UU (IES).
También deben tenerse en cuenta las dimensiones y las características físicas de las
instalaciones y la calidad y brillo de los colores de los objetos que se desean visualizar
(por ejemplo, la luz emitida de los vapores de sodio son monocromáticas y por lo tanto
su limitación no permite reflejar de los objetos colores nítidos). Otro aspecto importante
que se debe considerar es la altura a la cual se sitúan las luminarias sobre el nivel donde
se requiera un determinado margen de iluminación (luxes). En general, las lámparas
de vapor de mercurio, las de haluros metálicos y de sodio y las de tipo LED son más
utilizadas en alumbrado exterior y público y se colocan por encima de los cuatro metros
de altura.
Con estos elementos se procede a efectuar una evaluación económica de las diferentes
alternativas, con el objeto de determinar el número de luminarias requeridas y los tiempos
de recuperación de la inversión.
53
Tabla 5. Niveles de iluminación recomendados
Tipo de Instalación
Nivel de Iluminación
(Luxes)
Auditorios
300
Restaurantes
150
Talleres de servicios (reparaciones)
200
Sala de ventas
300
Oficinas en general
400
Bancos
500
Bodegas
150
Pasillos
50
Instalaciones de máquinas de
herramientas
300
Fábricas en general
300
Imprentas
500
Laboratorios
500
Bibliotecas públicas
400
Salas de dibujo profesional
600
La tabla 5 es un ejemplo de otras tablas que existen en la literatura y las cuales son más
particulares para un proceso o tipo de tarea específica.
En términos generales es recomendable utilizar la luz solar con el objeto de iluminar los
espacios y en caso de necesitarse más luxes, se debe procurar por satisfacerlos con
lámparas.
En la tablas 6 se presenta una clasificación del tipo de lámparas comerciales y sus
características.
Si por ejemplo en un hotel se desea evaluar la sustitución en diez cuartos, los cuales
constan cada uno de cuatro lámparas incandescentes (10 Lm/W) y de 60 W, por lámparas
comerciales de alta eficiencia (50 Lm/ W) de 15 W con un promedio diario de utilización
de 10 horas durante 250 días al año, se tendrá que el gasto correspondiente al consumo
anual de energía actual asciende a 6000 kWh/año o sea 1.08 millones de pesos al año,
con un costo de 180 $ el kWh. Calculado así: 10 cuartos * cuatro lámparas/cuarto * 10
horas/día * 250 días/año * 60 W * kW/1000 W = 6000 kWh. El nuevo consumo será de
1500 kWh (0.27 millones de pesos) calculado de la misma forma. La inversión necesaria
es del orden de 0.48 millones (10 cuartos * 4 lámparas * 12000 $/lámpara) y el tiempo
simple de recuperación de la inversión es de 0.6 años (0.48/ 1.08- 0.27) equivalente a
7.1 meses)
Uso eficiente y racional de energía
Tabla 6. Lámparas comerciales y sus características.
Tipo de lámpara
Características
Incandescente
Bajo costo, sensación de ambiente cálido, generan
calor. (10 Lm / W) (vida útil 1000 horas)
Fluorescente TL12
Más eficiente que la incandescente. (50 Lm/W) (vida
útil 7000 horas)
Fluorescente T8
Alta eficiencia, sustituye la tecnología TL12. (80 Lm/W)
, Vida útil 10000 horas
Fluorescente T5
Alta eficiencia, sustituye las de mercurio y haluros
metálicos a alturas moderadas. Más compactas que las
T8 (80 Lm /W). Vida útil 10000 horas.
Compacta
Alta eficiencia. Sustituye las incandescentes y
fluorescentes, gran gama de tonalidades y potencias.
Es coaxial (puede sustituir una fuente incandescente
sin modificación en las instalaciones). 50 Lm / W, 12000
horas de vida útil.
Vapor de mercurio
Reflejan bien el color de los objetos, tienden a
desaparecer dado el grado de contaminación, vida útil
del orden de 8000 h. (55 Lm / W )
Vapor de sodio
Muy eficiente, excelente iluminación, bajo reflejo del
color de los objetos (no permiten visualizar el color de
los mismos), larga vida útil (24000 horas), (100 Lm/W)
Haluros metálicos
Eficiente, buen reflejo del color, sustituye las de vapor
de mercurio, larga vida útil (80 Lm/W). Vida útil del
orden de 18000 horas
LED
Alta eficiencia, buen rendimiento luminoso, larga vida
útil, bajo mantenimiento, propia para sitios de difícil
acceso. No reproducen el color de los objetos (bajo
reflejo del color).
Es importante anotar que no es necesario efectuar inversiones adicionales puesto que
este tipo de fuente está diseñada para acoplarse directamente en los plafones existentes.
También debe tenerse presente que el tiempo de recuperación de la inversión puede ser
sustancialmente más bajo (a largo plazo) porque se está remplazando una lámpara de
una vida útil de 1000 horas por una de 12000 (el bombillo incandescente puede costar
del orden de 1400 $ con una vida útil de 1000 horas y el de alta eficiencia tiene una vida
útil de 12000 horas por consiguiente por cada uno de estos últimos es necesario comprar
12 de los primeros para el mismo periodo de tiempo). Sin embargo, debe considerarse
también, que no exista una sobre-iluminación, la cual pueda causar un efecto en las
personas de deslumbramiento.
55
Bibliografia
ANDI, EEPP de Medellín, UPB. Guías para el uso racional de energía por procesos en la
industria UPB, 2a Ed, ISBN 958-800-032-8,Medellín, Colombia , Ed. UPB ,1998, 264p
Centro de Estudios de la Energía, Ministerio de Industria y Energía. Manuales Técnicos y
de Instrucción para Conservación de Energía, No 9, Centros de transformación. Centros
de control de motores .Redes eléctricas, Ed Altamira S. A., Madrid, España 1983, 199p
Centro de Estudios de la Energía, Ministerio de Industria y Energía. Manuales Técnicos
y de Instrucción para Conservación de Energía, No 10, Alumbrado industrial, Ed Altamira
S. A., Madrid, España 1983, 178p
Halliday, David - Resnicick Robert - Krane, Kenneth. Física Vol. 2. México: Ed. CECSA.
1997
McCoy Gilbert A, Douglass John G., Energy Efficient Electric Motor Selection Handbook,
Washington Satate University, United States Department of Energy,
Motor Challenge Program, August 1996, p. 67
República de Colombia Ministerio de Minas y Energía, Corporación Centro de
investigación y desarrollo Tecnológico del sector eléctrico colombiano CIDET, RETIE,
Medellín, Segunda edición julio 2006, p 195
República de Colombia Ministerio de Desarrollo Económico, Código eléctrico colombiano
NTC 2050, editada por Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación
(ICONTEC), Bogota, DC, 2002, p 1041
United Nations Industrial Development Organization (UNIDO), Guide Book for Factory
Engineers on Energy Conservation Diagnosis. Unido Is. 449. Transfer and Development
Series. 1984, 136p
Wayne Turner (editor), Energy Management Handbook, Jhon Willey & Sons, USA 1982.
Uso eficiente y racional de energía
4
Anexos
Ejercicio 1: Transformación
En la siguiente tabla se presentan los resultados promedios obtenidos de la medición
de la potencia activa (P) y el factor de potencia (FP) para los tres transformadores de
una instalación. Se requiere determinar el índice promedio de carga, el rendimiento
y las pérdidas por transformación. El costo del kWh es de 180 $
•
Trf No.
S Nominal (SN) *
[kVA]
P promedio
[kW]
1
2
3
Total
1.000
1.600
2.500
5.100
650
920
1.200
2.770
Índice de
carga
promedio
(C ).
F.P.
prom.
Po *
[kW]
Pcc *
[kW]
0,84
0,81
0,83
2,35
3,20
4,10
12,8
20,0
25,0
Rendimto
[%]
Pérdidas
[kW]
*S Nominal, Po y Pcc corresponden a información obtenida de los datos de placa del transformador o en sus
protocolos. La suministran los fabricantes
Solución:
c=
S promedio
SN
æ Ppromedio ö÷
çç
÷
ç fp ÷÷
÷÷
= ççç
çç S N ÷÷÷
÷÷
çèç
ø
Índice de carga promedio:
æ
ö÷
Po + c 2 × Pcc
÷ ×100%
h = 100% - çç
çè c × S × fp + P + c 2 × P ÷÷ø
N
o
cc
Rendimiento:
Conociendo el rendimiento, se calculan las pérdidas por transformación, así:
æ1 - h ö÷
Perdidas = Ppromedio × çç
÷
çè h ÷ø
57
En la siguiente tabla se expresan los resultados obtenidos:
En total, las pérdidas por transformación para el conjunto de transformadores son de
35,75 kW.
•
Si para el conjunto de transformadores del ejemplo anterior se corrige el factor de
potencia a 0,98, determine nuevamente el índice promedio de carga, el rendimiento
y las pérdidas por transformación.
Solución:
Realizando de nuevo los cálculos (con un factor de potencia a un valor constante de
0,98.) se tiene:
æ Ppromedio ö÷
ç
÷
S promedio ççç fp ÷÷
÷÷
c=
= çç
SN
çç S N ÷÷÷
÷÷
ççè
ø
æ
ö÷
Po + c 2 × Pcc
÷ ×100%
h = 100% - çç
çè c × S × fp + P + c 2 × P ÷÷ø
N
o
cc
Rendimiento:
æ1 - h ö÷
Perdidas = Ppromedio × çç
÷
çè h ÷ø
En la siguiente tabla se expresan los resultados obtenidos:
Trafo
S Nominal *
[kVA]
P promedio
[kW]
Índice de
F.P.
carga prom. prom.
Po *
[kW]
Pcc *
[kW]
Rendimto
[%]
Pérdidas
[kW]
1
1000
650
0,66
0,98
2,35
12,8
98,79
7,98
2
1600
920
3
2500
1200
0,59
0,98
3,20
20,0
98,92
10,09
0,49
0,98
4,10
25,0
99,17
10,10
Total
5.100
2.770
28,16
Una vez calculadas las pérdidas totales por transformación (Pérdidas totales antes
de corregir FP se determina la disminución anual de la energía y el ahorro anual por
concepto de mejorar el FP en los transformadores). El costo de la energía eléctrica es de
180 $/kWh y todos los transformadores operan 24 h/día durante 365 días/año.
Uso eficiente y racional de energía
Disminución anual de Energía (DAE):
DAE = ( Pérdidassin corregir − Pérdidascorregidas ) ⋅ 8760
h
año
DAE = (35,75 kW – 28,16 kW) x 8760 h/Año = 66492,0 kWh/Año
DAE ⋅ CE = DAE ⋅180
Ahorro anual
=
$
kWh
66492,0 kWh/Año x 180 $/kWh = 11.96 millones $/año
Ejercicio 2: Transformación
Para los siguientes tres transformadores calcule el factor de potencia y, si es menor a
0,90, corregirlo a 0,98.
Transformador
1
2
3
Total
P. Aparente
promedio
[kVA]
800
1100
1400
P. Activa
promedio
[kW]
650
920
1200
F.P.
Promedio
F. P
Deseado
VAR
requeridos
0,98
0,98
0,98
Solución:
Factor de potencia promedio:
fp promedio =
Pactiva promedio
Paparente promedio
VAR requeridos:
VARrequeridos = Pactiva promedio ⋅  tan ( a cos( fp promedio ) ) − tan ( a coss(0, 98) ) 
Los resultados son:
Transformador
1
2
3
Total
P. Aparente
promedio
[kVA]
P. Activa
promedio
[kW]
F.P.
Promedio
F. P
Deseado
kVAR
requeridos
800
1100
1400
650
920
1200
0,81
0,84
0,86
0,98
0,98
0,98
334,4
416,2
477,4
1228,0
59
Ejercicio 3: Motores
Evaluar la alternativa de sustituir un motor estándar de 112 kW (150 hp) el cual opera a un
promedio de 86 kW, 8064 horas al año y con una eficiencia del 85 % (sometido a varias
reparaciones en los últimos 10 años) por uno de alta eficiencia de la misma potencia
nominal y operando a la misma potencia promedio (86 kW) pero con una eficiencia del
96%. Considérese el costo de 180 $ para el kWh (CE), de US $ 7600 para la adquisición
del nuevo motor y de 2400 $ por el dólar. Se pretende determinar la disminución anual de
la energía, el ahorro anual y el tiempo simple de recuperación de la inversión (T.S.R.).
Solución:
Costo de operación motor estándar:
 1 
horas
COes tan dar = Ppromedio ⋅
⋅ CE ⋅ 

año
 ηes tan dar 
Costo de operación motor eficiente:
 1 
horas
COeficiente = Ppromedio ⋅
⋅ CE ⋅ 

η
año
 eficiente 
[ =]
$
Año
[ =]
$
Año
Ahorro Anual = COes tan dar − COeficente
Ppromedio ⋅
 1
1 
horas
⋅ CE ⋅ 
−

η
año
η
eficiente 
 es tan dar
Disminución de la energía =
[ =]
$
Año
AhorroAnual AhorroAnual
=
$
CE
180
kWh
[ =]
kWh
Año
Tiempo simple de recuperación de la inversión (TSR):
TSR =
Inversionmotoreficiente
AhorroAnual
[ =]
$
[ =] Año
$
Año
En la siguiente tabla se presentan los resultados obtenidos:
Parámetro
Costo de operación
Ahorro anual
Disminución de la energía
Inversión
Tiempo simple de recuperación
de la Inversión.
Unidad
Millones de $/año
Millones de $/año
kWh/año
Millones de $
años
Motor Estándar
146.8
Motor Eficiente
130.0
16.8
93487,1
18.3
1,08
Uso eficiente y racional de energía
Ejercicio 4: Motores
Evaluar la alternativa de sustituir un motor estándar de 150 hp (112 kW) sobredimensionado
(caso usual cuando se realizan reemplazos de motores que presentan fallas, por otros
disponibles en las instalaciones de la empresa) que opera a un promedio de 35 kW, 8064
horas al año y con una eficiencia del 87.5 %, por una de las siguientes dos alternativas
de motores de alta eficiencia.
Alternativa 1: motor de alta eficiencia de una potencia nominal de 60 Hp, el cual opera a
una potencia promedio de 35 kW, con una eficiencia del 95 % y tiene un costo de US$
3630.
Alternativa 2: motor de alta eficiencia de una potencia nominal de 50 HP, operando con
una potencia promedio de 35 kW y con una eficiencia del 94.6 %. El Costo de este motor
es de US$ 2960.
En cada caso, se pretende determinar el ahorro anual y el tiempo simple de recuperación
de la inversión.
Solución:
Costo de operación motor estándar:
 1 
horas
COes tan dar = Ppromedio ⋅
⋅ CE ⋅ 

año
 ηes tan dar 
Costo de operación para cada motor eficiente:
 1 
horas
COeficiente = Ppromedio ⋅
⋅ CE ⋅ 

η
año
 eficiente 
[ =]
$
Año
[ =]
$
Año
[ =]
$
Año
Ahorro Anual = COes tan dar − COeficente
Ppromedio ⋅
 1
1 
horas
⋅ CE ⋅ 
−

η
año
η
eficiente 
 es tan dar
Disminución de la energía =
AhorroAnual AhorroAnual
=
$
CE
180
kWh
Tiempo simple de recuperación de la inversión (TSR):
TSR =
Inversionmotoreficiente
AhorroAnual
[ =]
$
[ =] Año
$
Año
[ =]
kWh
Año
61
La siguiente tabla resume los resultados:
Motor Eficiente
Unidad
Motor
Estándar
Alternativa 1
Alternativa 2
Porcentaje de carga
%
31
78
94
Costo de operación
Millones
de $/año
58.0
53.4
53.7
Ahorro anual por alternativa
Millones
de $/año
4.6
4.4
Inversión
Millones
de $
8.7
7.1
Disminución de la energía
kWh/año
25465,3
24209,0
año
1,90
1,63
Parámetro
Tiempo simple de rec.
Inversión
De la tabla anterior se concluye que la alternativa 2 se recupera en un menor tiempo
(por un costo menor del motor). La alternativa 1 ofrece un costo menor de operación,
un menor consumo de energía y un mayor ahorro. Adicionalmente, con la alternativa 1
el motor opera con una mayor eficiencia y está en capacidad de soportar un aumento
eventual de carga.
Ejercicio 5: Iluminación
Se tiene un sistema de iluminación que consiste en 80 luminarias del tipo TL12 (2 tubos
paralelos de 48 W y 2600 Lm cada tubo) y que operan 8100 h/año con un costo de la
energía eléctrica de 180 $/kWh. Calcule los costos anuales de operación de este sistema
(donde no se requieren más de 3000 Lm/ W) y elija la mejor opción entre los siguientes
dos sistemas eficientes al reemplazarlos por lámparas del tipo T8.
Parámetro
T 8 de 1 x 32 W
T8 de 2x 32 W
Costo total de cada luminaria
50000 $ (*)
55000 $ (*)
Nivel de iluminación/luminaria
3050 Lúmenes
6100 Lúmenes
32 W
64 W
Consumo por luminaria
* No se incluyen costos de adecuación de las instalaciones (únicamente costos de las lámparas)
Solución:
Costos anuales de operación para cada sistema:
# Lamparas ⋅ W horas $
COsistema =
⋅
⋅
1000
año kWh
Consumo anual de energía para cada caso:
COsistema
$
kWh
[ =]
[ =]
kWh
Año
$
Año
Uso eficiente y racional de energía
Tiempo de recuperación de la inversión para cada sistema T8 evaluado:
TSR =
InversionsistemaT 8
$
[ =] $ [ =] Año
AhorroAnual
Año
De donde:
AhorroAnual = COTL12 − COT 8 [ = ]
$
Año
La siguiente tabla resume los resultados obtenidos:
Parámetro
Flujo luminoso por luminaria
Costo de operación
Ahorro anual por alternativa
Disminución de la energía
Inversión
Tiempo simple de rec. Inversi.
Unidad
Sistema TL12
Lúmen
Millones $/año
Millones $/año
kWh/año
Millones $
año
5200
11.2
Sistema T8
1 x 32 W
2 x 32 W
3050
6100
3.73
7.47
7.5
3.7
41472
20736
4.0
4.4
0,54
1,18
Ejercicio 6: Iluminación
Evaluar la alternativa de sustituir un sistema de iluminación de 20 luminarias de mercurio
de 400 W que operan 8100 horas al año, por un sistema de vapor de sodio de 250 W
(costo de cada luminaria 85.000 $). Se aclara que en el sitio que se ilumina no se requiere
que los colores se observen bien.
Solución:
Costos anuales de operación mercurio
COmercurio =
# LamparasHg ⋅ W horas $
⋅
⋅
1000
año kWh
[ =]
$
Año
[ =]
$
Año
Costos anuales de operación sodio:
COsodio =
# LamparasNa ⋅ W horas $
⋅
⋅
1000
año kWh
Ahorro obtenido al realizar la sustitución
AhorroAnual =
COmercurio − COsodio
[ =]
$
Año
Consumo anual de energía para cada caso:
AhorroAnual
$
kWh
[ =]
kWh
Año
63
Tiempo de recuperación de la inversión para cada sistema T8 evaluado:
TSR =
InversionsistemaT 8
$
[ =] $ [ =] Año
AhorroAnual
Año
La tabla de resultados es la siguiente:
Parámetro
Costo de operación
Ahorro anual
Disminución de la energía
Inversión
Tiempo simple de rec. Inversi.
Variable
Mercurio 400 W
Sodio 250 W
Millones de $/año
Millones de $/año
kWh/año
Millones de $
años
11.7
7.3
4.4
24300.0
1.7
0.4
Ejercicio 7: Factor de Potencia
Cual es la relación entre la potencia activa (P) y la potencia reactiva (Q) para que el factor
de potencia sea 0,98?
Solución:
Cálculos matemáticos:
Tanθ =
Q
P
Q = P ⋅ Tanθ = P ⋅ Tan cos −1 (cosθ ) 
Q = P ⋅ Tanθ = P ⋅ Tan cos −1 (0, 98) 
Q = 0, 2 × P
Del resultado anterior se concluye que la demanda de potencia reactiva en una instalación
debe ser el 20 % de la demanda de potencia activa para que el factor de potencia sea
0.98.