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Laboratorio de control de sistemas Eléctricos de Potencia y Energía . KIPUS Centro de Sistemas de Ingeniería Universidad de Talca1 Laboratorio de control de sistemas Eléctricos de Potencia y Energía Dr. Johan Guzmán Profesor Asistente Universidad de Talca Departamento de Tecnologías Industriales +56+75+201781 [email protected]

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Seminario Eficiencia Energética y Norma ISO 50.00121 de Marzo 2013. Hotel Radisson. Concepción - Chile. MISA Group

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Laboratorio de control de sistemas Eléctricos de Potencia y Energía

Dr. Johan GuzmánProfesor Asistente Universidad de Talca

Departamento de Tecnologías Industriales+56+75+201781

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Outline� Introducción

� Abastecimiento de Energía eléctrica

� Procesos sensibles en Industria Metalmecánica.

� Caso practico: reducción de perdidas en maquina de cromado.

� Conclusiones

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Introducción� El costo de la energía eléctrica en Chile supera promedio de la región.

� Problemas con comunidad mantiene incertidumbre respecto a disponibilidad de nuevas fuentes propias en el corto plazo.

� Costo afecta directamente la competitividad de todos el sector industrial y específicamente el de la industria minera y metalmecánica.

� Situación obliga a buscar la forma de optimizar los procesos electroquímicos y electromecánicos para reducir consumo energético.

� Existen brechas de acceso a información, mayor parte de Industrias metalmecánicas son PYME con poca información respecto a nuevas tecnologías y herramientas de apoyo para auditorias tecnológicas e innovación de procesos.

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Abastecimiento de Energía� Con datos del 2011,

Chile tiene 5 Preciómás caro electricidadpara industrias, solosuperado por Japón,Eslovaquia, RepublicaCheca, y Alemania.

� 2011 costo de energíaeléctrica a industriasen Chile fue de fue deus$ 154/MW-hr , US$40 sobre promedioponderado OECD.

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Fuente: Comparación de Precios de Electricidad en Chile y países de laOCDE y América Latina1 informe BCN

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Abastecimiento de Energía

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Fuente: Comparación de Precios de Electricidad en Chile y países de Iberoamérica informe BCN

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Abastecimiento de Energía� Problemas con las comunidades

� Oposición Instalación de Centrales Hídricas.� Oposición Instalación de centrales a Carbón con

judicialización de proyectos.� Problemas para trazado de redes de transmisión.� Oposición a instalación de centrales nucleares.

� Política Regional� No se proyecta en corto plazo interconexión eléctrica

con Argentina, Paraguay o Brasil usando HVDC.

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Abastecimiento de Energía� Escenario proyectado indica continuidad de altos

precios de energía.

� Efectos de esta situación, incremento de proyectos mineros e industrias que prefieren instalarse en Perú y no en chile.

� Faltan políticas publicas que difundan efectos de costo de energía, las ventajas y desventajas de cada una de las alternativas .

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Sector Metalmecánico

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8

3.620

3.640

3.660

3.680

3.700

3.720

3.740

2.005 2.006 2.007 2.008 2.009 2.010

Total empresas en rubro metalúrgico en zona centro surElaboración propia con datos del SII año 2010.

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Sector Metalmecánico

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9

Número de empresas por región para el año 2010 en la zona centro sur.Elaboración propia con datos del SII año 2010.

133257

531

92

2.692

VI Región VII Región VIII Región IX Región RM

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Sector Metalmecánico

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10

MICRO 120%

MICRO 222%

MICRO 324%

PEQUEÑA 111%

PEQUEÑA 28%

PEQUEÑA 38%

MEDIANA 13%

MEDIANA 22%

GRANDE 11%

GRANDE 21%

GRANDE 30%

GRANDE 40%

Tipo empresa Volumen de ventas anuales ( UF) Micro 1 0,01 a 200 Micro 2 200,01 a 600 Micro 3 600,01 a 2.400 Pequeña 1 2.400,01 a 5.000 Pequeña 2 5.000,01 a 10.000 Pequeña 3 10.000,01 a 25.000 Mediana 1 25.000,01 a 50.000 Mediana 2 50.000,01 a 100.000 Grande 1 100.000,01 a 200.000 Grande 2 200.000,01 a 600.000 Grande 3 600.000,01 a 1.000.000 Grande 4 Más de 1.000.000

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Sector Metalmecánico� Procesos intensivos en energía eléctrica Industria

metalmecánica� Fundición y calentamiento de materiales en hornos

eléctricos

� Procesos de Galvanoplastia

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Sector Metalmecánico� Hornos eléctricos:

� Capaces de generar altas temperaturas.

� Se utilizan en desulfuración y desfosforarían, fundiciónaceros especiales y tratamientos térmicos.

� Permiten tener un control eficiente de la cantidad decalor que se aplica al material.

� Permiten fundir metal en centros urbanos respecto ahornos de combustión que usan combustibles fósiles.

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Sector Metalmecánico� Hornos de Resistencia:

� En estos hornos se hace pasar corriente por un conductorresistivo generando calor por el efecto Joule. Muy buencontrol de temperatura.

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� El calentamiento puede ser directo, si la corriente circula por la misma pieza, o indirecto cuando una resistencia externa cede calor a la carga mediante convección y/o radiación.

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Sector Metalmecánico� Hornos de Resistencia:

� Desde el punto de vistaeléctrico el control detemperatura en estoshornos es muy sencillo,bastando con un grupode resistencias que sepueden encenderutilizando controladorespor histéresis.

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Sector Metalmecánico� Esquemas de control

más elaboradosincluyen el uso derectificador con SCRy chopperrectificador.

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Rectificador tiristorizado

Chopper rectificador

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Sector Metalmecánico� Poca posibilidad de mejorar eficiencia modificando

fuente de poder.

� Esfuerzo debe centrarse en mejorar proceso decalentamiento, utilizando más de un horno ordenadosen forma conveniente.

� Uso de calor residual para precalentamiento dematerial.

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Sector Metalmecánico� Hornos de Arco: Corresponden a hornos de solera, donde

los quemadores se han reemplazado por electrodos quegeneran el arco eléctrico.

� Al conectar los electrodos se genera alta corriente, quecalienta electrodos provocando emisión de electrones porefecto termoiónico, al separar electrodos este plasmapermite que continúe la conducción emitiendo calor,generando canal estable y auto sostenible paradensidad de energía entre 100 A/cm2 a 100M A/cm2.

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Sector Metalmecánico� Arco indirecto con electrodos horizontales (Stassano ).

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Fuente “Aceria eléctrica” Enriquez, Tremps et al. Universidad Politecnica de Madrid.

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Sector Metalmecánico� Arco directo entre electrodo y solera conductora (Girod):

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Fuente “Aceria eléctrica” Enriquez, Tremps et al. Universidad Politecnica de Madrid.

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Sector Metalmecánico� Arco entre los tres electrodos a través del baño:

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Fuente “Aceria eléctrica” Enriquez, Tremps et al. Universidad Politecnica de Madrid.

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Sector Metalmecánico

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� Fuentes de poder utilizados en hornos de arco DC

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Sector Metalmecánico

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� Fuentes de poder utilizadas en hornos de arco Trifásico

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Sector Metalmecánico

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� Posibilidades Para mejorar la eficiencia.

� Ejecutar control de flujo de potencia en lado de altatensión para potencias superiores a 200kW.

� Uso de calor residual para precalentar material ymezclas de aire.

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Sector Metalmecánico� Hornos de Inducción

� Corresponde a una fuente de corriente alterna que alimenta al primario de un transformador, induciendo una alta corriente en el secundario que esta formado por el material conductor a fundir.

� Estas corrientes son las que tienen el mayor aporte en el calentamiento del material , seguidas por los efectos de histéresis en materiales ferro magnéticos.

� La frecuencia de la corriente alterna determina la profundidad de penetración de los campos magnéticos en el material. Esto determina que el material se calienta desde afuera hacia adentro.

� A mayor frecuencia, más rápido se alcanza una alta temperatura en la superficie.

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Sector Metalmecánico� Hornos de Inducción con núcleo magnético

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Sector Metalmecánico� Hornos de Inducción sin núcleo magnético

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Sector Metalmecánico� Primeros hornos de inducción operando a frecuencia de la red

son simples transformadores de alta corriente. Fundición lenta requieren incorporar un poco de material fundido.

� Hornos de inducción modernos incorporan diferentes tipos de topología para elevar la frecuencia de trabajo utilizando configuraciones resonantes o cuasi resonantes. Operando en el rango de kHz para hornos de fundición y en el rango de centenas de kHz para tratamiento térmico.

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Sector Metalmecánico

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Fuente “Modelling and Analysis of the Induction-Heating Converters”

A. Kelemen et al, University of Transylvania..

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Sector Metalmecánico

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� Posibilidades Para mejorar la eficiencia.

� Mejoras en el control de temperatura y curvas decalentamiento permiten ahorros de energía.

� Uso de topologías robustas, modulares permiten ahorroen tiempo fuera de servicio.

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Sector Metalmecánico� Procesos de galvanoplastia

� El proceso de galvanoplastia consiste en utilizar la electrodeposición de un material sobre otro material conductor, con el objeto de mejorar alguna característica, ya sea dureza, resistencia a la corrosión o para joyería.

� Procesos industriales más utilizados, protección de acero con cromo, zinc, aluminio.

� Joyería procesos mas utilizados cobertura de sustrato con metales como oro y plata.

� Proceso requiere circulación de altas corrientes controladas a bajos voltajes, lo que trae aparejado un aumento significativo de perdidas de conducción en algunos casos.

� Fuentes de poder sencillas, pesadas, con rendimiento de 60-70%.

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Caso practico: Reducción de perdidas en

maquina de cromado.

� Diseño de maquina de cromado de alto desempeño

� Se busca maximizar eficiencia.

� Se busca minimizar tamaño del sistema para podertransportar fuente de poder en forma sencilla.

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Caso practico: Reducción de perdidas en

maquina de cromado.� ¿Que alternativas existen?

� Rectificador tradicional SCR, maquina robusta, utiliza transformador trifásicoreductor de 380/6V de 10kVA. Rendimiento máximo 67%. Peso fuente de poder,120 kg.

� Propuesta de reemplazo 1: Utilizar mismo transformador de maquinatradicional, desplazando control de flujo de potencia al primario con arreglo deSCR operando a frecuencia natural y reemplazando rectificador controlado desecundario por rectificador de diodos. Rendimiento máximo 83%. Peso fuentede poder, 120 kg.

� Propuesta de reemplazo 2: Se reemplaza transformador por transformador dealta frecuencia. Se desplaza control potencia al primario con un variador defrecuencia que entrega una salida de voltaje variable a una frecuencia de 20 kHzy reemplazando rectificador controlado de secundario por rectificador dediodos. Rendimiento máximo, 80%. Peso fuente de poder, 40 kg.

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Caso practico: Reducción de perdidas en

maquina de cromado.

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Topología Original

Current

(A)

.o refI

oi

vsa

isa

io

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Caso practico: Reducción de perdidas en

maquina de cromado.

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Propuesta de reemplazo 1:

.o refI

oi

.o refI

oi

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Caso practico: Reducción de perdidas en

maquina de cromado.

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Este ejemplo busca mostrar que existen soluciones disponibles para mejoras tecnológicas.

Falta mejorar canales de transferencia tecnológica hacia PYME.

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Conclusiones

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� Condiciones de mercado eléctrico indican tendencia a mantener precios altos de energía.

� Industria nacional pierde competitividad, búsqueda de procesos mas eficientes es aporte para paliar problema de costos.

� Soluciones existen, normalmente son conocidas por gran industria pero no por PYME.

� Se debe fomentar auditoria tecnológica en PYME para indicar posibles mejoras en procesos productivos.

� Independiente de programas de eficiencia energética, gobierno y privados deben buscar forma de obtener energía de bajo costo.

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Gracias