ABB Power Systems

Soluciones para la Calidad de la Energíay la Productividad

Al igual que en muchos otros sectoresde la sociedad, el medio relacionado conel negocio de potencia está experimen-tando cambios dramáticos.

A lo largo de todo el mundo, los anterioresconsumidores pasivos de Electricidad seestán convirtiendo en consumidoresactivos de Energía, tendencia que esparticularmente evidente en los nuevosmercados de energía no regulados.

Debido a la creciente competencia enlos mercados de las empresas eléctricase industriales, adquiere entonces especialimportancia la Calidad de la Energía enel suministro de la misma.

La Calidad de la Energíalo pone a la Vanguardia

De manera creciente, los industriales se estándando cuenta que la electricidad debe de servista como uno de los varios artículos de consumo,vital para su negocio. Como tal, debe de estarsujeta a los mismos requerimientos de control decalidad, confiabilidad en el suministro, etc.

Para la industria, la Calidad de la Energía es asegurar la productividad y el control de costos.

Para las empresas eléctricas, la Calidad de laEnergía significa la preferencia del consumidor almomento de seleccionar al proveedor de energía.

Con este nuevo conocimiento, costos ocultosprevios, debidos a la deficiente calidad en elsuministro, están siendo evidentes. Por ejemplo:

La interrupción de un proceso industrial, debidaa una falla en la energía o variación en el voltaje,puede resultar en costos adicionales en la opera-ción. Esto incluye la pérdida en la productividad,costos adicionales de mano de obra debido amaniobras de paro y arranque, productos dañadoso de baja calidad, retrasos en la entrega de losproductos, baja satisfacción del cliente y posible-mente, el daño a los equipos de producción. Esde esperarse que el consumidor de energíaindustrial y el dueño de la red eléctrica inicien un proceso de negociación con el propósito deestablecer riesgos y delimitar responsabilidadesen el futuro cercano.

Calidad de laEnergía – unacuestión de valor

4

Calidad de la Energía – una preocupación de todos

Cuando existe una falta de Calidad de laEnergía, variaciones en el voltaje y presencia de armónicas pueden causar problemas a todoslos consumidores. En última instancia el equipoen cuestión será ahora una preocupación paramuchos consumidores y no solamente para eldueño del mismo.

Problemas y su impactoLa calidad en el suministro de la energía essinónimo de la calidad del voltaje. El voltaje en un punto dado debe de ser lo más cercanoposible al valor nominal, con la forma de ondapuramente senoidal, libre de armónicas y otrosdisturbios.

En una red pueden presentarse variaciones devoltaje debido a las condiciones variables de lascargas, variaciones que son mantenidas dentrode ciertos límites sin problemas al equipo.

Descargas eléctricas o fallas a tierra puedenocasionar caídas de voltaje fuera de tolerancia.Las caídas de voltaje resultantes afectan a usua-rios que están localizados lejos de la falla.

Procesos industriales complejos y sensibles aestas variaciones, como es en la industria delpapel, plásticos o fabricación de semiconducto-res, pueden ser afectados aun por variacionesdel voltaje muy pequeñas.

Los hornos de arco eléctrico (HAE) son utilizadosen la industria siderúrgica en todo el mundo.Como grandes usuarios de energía eléctrica,esta industria es muy importante para los pro-ductores de energía. Un horno de arco eléctrico(HAE) sin compensar y en operación demandagrandes cantidades de potencia reactiva de lared. Para la industria siderúrgica, esto conducea una pérdida innecesaria en la eficiencia y enla productividad.

Un horno de arco eléctrico (HAE) sin compensarrepresenta una gran fuente de disturbios, talescomo fluctuaciones de voltaje, armónicas y des-balanceo de fases que causan problemas a losdemás usuarios. Más aun, la potencia reactivademandada por un horno sin compensar lleva apérdidas de energía limitando el flujo de potenciaactiva útil.

5

En redes débiles, motores grandes pueden ocasionar tales caídas de voltaje cuando sonencendidos, que no son capaces de operar.

Las armónicas causadas por cargas no lineales,tales como rectificadores en electrónica depotencia u hornos de arco, conducen a pérdidasinnecesarias y costosas modificaciones en losequipos. En ciertos casos, niveles altos dearmónicas pueden inclusive dañar equipos decontrol y electrónicos.

ABB Power Systems ofrece una variedad desoluciones a los problemas de la Calidad de laEnergía, las cuales son presentadas en este folleto.Adicionalmente a la solución de los problemasde la Calidad de la Energía, nuestras solucionesayudan a mejorar los procesos industriales ymejorar su productividad, y con ello, su compe-titividad.

6

MinicapEn sistemas con cargas relativamente grandes yconectadas cerca del extremo en un alimentadorradial, pueden ocurrir caídas y fluctuaciones devoltaje severos a diferentes niveles de carga. Enciertas instancias, máquinas rotatorias conectadasen redes débiles ocasionan grandes caidas devoltaje durante el arranque, tales que es imposiblepara la máquina alcanzar su velocidad de ope-ración. Este puede ser un problema en minas,trituradores y molinos,

La tecnología de capacitores serie puede seruna solución económicamente atractiva paraeste tipo de problema.

El rango de productos de ABB Power Systemsincluye un sistema de capacitores serie paramontaje en poste, especialmente adaptado paralíneas de distribución:

- Minicap diseñado para soportar hasta 36 kV

Minicap ayuda a minimizar las condiciones debajo voltaje como resultado de grandes cargas,disminuir las condiciones de sobrevoltaje debi-do a salidas de cargas repentinas y reducir elconsumo de potencia reactiva. Con un controlcontinuo e instantáneo del voltaje, Minicapcumple con las demandas de precisión, tal ycomo cualquier otro equipo de distribución.

SVC-Q y MinicompCargas con una demanda de potencia reactivavariable, tales como molinos de rodillos, mala-cates, grúas, máquinas para soldar y hornos dearco, causan fluctuaciones rápidas de voltaje. Silos efectos son suficientemente grandes, distur-bios en la producción u operación, tales comodisparo de relevadores debido a caidas de voltajepueden ocurrir. La mejor manera de contrarrestardichas variaciones de voltaje es con una com-pensación controlada de potencia reactiva.

ABB Power Systems ofrece dos soluciones:- Compensadores estáticos de Vars, diseñadospara cubrir las necesidades de grandes cargas (típicamente > 10 MVA hasta varios cientos de MVA)

- Minicomp, dirigido a cargas de mediana potencia, con demandas de potencia reactiva desde 1 a 20 MVAR

Ambos equipos usan una combinación de reac-tores, capacitores y válvulas de tiristores, queproveen una salida de potencia reactiva contro-lada. Ya que la mayoría de las variaciones devoltaje no deseadas son causadas por potenciareactiva, el CEV y el Minicomp son muy efectivoscontra variaciones de voltaje causadas por laoperación normal del equipo.

Fluctuaciones de voltaje

7

Flicker

Qué es flicker?Variaciones del voltaje ocasionan fluctuacionesen la intensidad de la iluminación en las casas,oficinas y otras instalaciones. A ciertas frecuen-cias, aun pequeñas variaciones en la luz sonpercibidas y experimentadas como molestas pormuchas personas. Tales disturbios son denomi-nados como “flicker”. El “flicker” como tema dela Calidad de la Energía es un tema que ha lla-mado mucho la atención. En todo el mundo se han empezado a disminuir los valores en latolerancia del flicker.

Los hornos de arco eléctrico que se encuentrandentro de la industria del acero son una fuentemuy importante de “flicker”.

Otras fuentes incluyen las máquinas para soldary generadores eólicos. Las violentas fuerzas libe-radas en el proceso del horno de arco imponenuna banda muy amplia de disturbios de unanaturaleza especial dentro de la red.

La única manera de reducir en forma satisfactoriatales disturbios es la de medir y contraatacar enforma correcta dichos cambios con una compen-sación extremadamente rápida.

CEV Light – Un eliminador real del flickerEl CEV Light es la solución innovadora deABB Power Systems alproblema del flicker,utilizando un converti-dor de la fuente de voltaje para suministrarla potencia reactivanecesaria. El convertidorestá equipado con tran-sistores IGBT con unafrecuencia de switcheo en el rango de los kHz,y un tiempo de respuesta menor a un mili-segundo. Esta característica hace al CEV Lightmucho más eficiente, típicamente en un factorde 2 - 3, comparado con otras soluciones, en elcombate al flicker. El CEV Light es similar en suprincipio a STATCOM, pero con una velocidadde respuesta mayor.

Estabilizando el voltaje en la barra del horno, unamayor cantidad de potencia puede ser usada,incrementando entonces la productividad.Beneficios adicionales incluyen un consumoreducido de los electrodos y una menor erosiónen los refractarios del horno.

5

4

3

2

1

00 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5

Trazo rojo, fliker sin compensaciónTrazo azul, con CEV Light.

PS

T

8

Las subidas y bajadas de voltaje es un serio pro-blema en la Calidad de la Energía. Las bajas devoltaje son cambios rápidos del mismo, típica-mente de 10 ms, por debajo de las toleranciasde voltaje estipuladas para el equipo.

Estos eventos de carácter aleatorio, son causadosprincipalmente por descargas eléctricas en lasredes de transmisión, afectando los sistemas dedistribución industriales. Otras causas incluyenfallas a tierra, por ejemplo ramas de árboles enlas líneas. A pesar de la naturaleza localizada dela causa, este fenómeno puede ser percibido acientos de kilómetros. Aun una mínima reduc-ción en el voltaje, por ejemplo un 70% en unafase, puede ocasionar el paro total de lasmáquinas de papel. Otras industrias afectadasincluyen a la textil, pulpa y plantas con instala-ciones hidráulicas críticas. ABB ofrece diversassoluciones para este problema.

RDV-P Regulador Dinámico de Voltaje por PasosLa compensación de variaciones del voltaje, porperiodos de tiempo que van desde los minutoshasta horas, cambiando los pasos del transfor-mador, ha sido una práctica común en redes depotencia durante muchos años. Los cambiadores

de pasos convencionales son muy lentos paracompensar variaciones de voltaje en un tiempodel orden de los milisegundos.

El RDV-P utiliza un transformador y un cambia-dor de pasos electrónico con tiristores paracompensar las variaciones del voltaje en unaescala de tiempo de periodo a periodo. El RDV-Ppuede actuar en contra de una gran variedad defluctuaciones de voltaje, excepto para caídas muygrandes (por debajo del 50% del voltaje nominal)incluyendo salidas totales. La experiencia y lasmediciones demuestran que variaciones de vol-taje por debajo del 50% del voltaje nominal, son

Subidas y bajadas de voltaje

RDV-P

9

raras en la mayoría de los sistemas. No existelímite en la duración de la baja de voltaje con el RDV-P. Puede compensar fluctuaciones devoltaje en forma indefinida, dentro de su rangode operación.

El RDV-P ha sido optimizado par cubrir lasnecesidades de cada aplicación. El RDV-P esparticularmente adecuado para cargas relativa-mente grandes, y puede ser aplicado en cargasde varias decenas de MVA.

RDV – Restaurador Dinámico de VoltajeLa función del restaurador Dinámico de Voltajese ilustra arriba. En el caso de una caída de voltaje, el convertidor de potencia electrónicoinyecta el voltaje requerido en la barra de sumi-nistro para compensar dicha caída. Actúa comoun atenuador a la carga previniendo disturbiosinaceptables. Los rápidos ciclos de control yvelocidad de switcheo de milisegundos del con-vertidor permiten realizar un control rápido yadecuado en el voltaje en la carga. Esto puedellegar a ser crítico en procesos tales como lafabricación de semiconductores, donde unasola pequeña variación puede ocasionar la pérdida de la producción, y con ella, incurrir en altos costos.

Un RDV tiene una capacidad de almacenaje deenergía suficiente para compensar una caída del50% del voltaje trifásico durante 10 ciclos, tiemponormalmente requerido para liberar la falla. Loscapacitores sirven como dispositivos almacena-dores de energía. El RDV de ABB cubre el rangode potencia de 3 MVA hasta 50 MVA.

A pesar de que un RDV puede estar diseñadopara compensar una caída hastadel 90%, este no soporta salidastotales. Para que la cargapueda soportar una salidatotal, una variante del RDVconectada en serie puedeser instalada, - un SPDI(Suministrador dePotencia DinámicoIninterrumpible).

RDV

Filtros de armónicasEn casos ideales, el voltaje y la corriente siguenla forma de curvas senoidales perfectas. En redesy casos reales, cargas no lineales, tales comocontroladores, hornos de arco eléctrico, rectifi-cadores y, en forma creciente, aparatos domés-ticos y de oficina, crean armónicas y ondas deformas no senoidales. Las armónicas son causan-tes del incremento en las pérdidas, por ejemplo,en los devanados de los transformadores ymotores. También pueden ser causantes de problemas más serios cuando interfieren en sistemas de control y equipo electrónico.

Las armónicas pueden ser reducidas al ser filtra-das. Para fuentes de generación de armónicasgrandes y fácilmente identificables, la utilizaciónde filtros diseñados para tales efectos en la aplicación actual, son los medios más eficientesy costeables para eliminar las armónicas y man-tenerlas dentro de los límites establecidos. Estosfiltros consisten de bancos de capacitores conreactores ajustables y resistores de atenuación.Para cargas pequeñas y medianas, los filtrosactivos basados en convertidores de energíaelectrónicos, con una alta frecuencia de switcheo,son una solución más atractiva.

DesbalanceoPor diversas razones, es preferible que la cargasea repartida en forma equitativa entre las tresfases de un sistema en corriente alterna. Decualquier manera, grandes cargas monofásicas y cargas no balanceadas debido a otras razones,ocasionan un desbalanceo en el sistema. Un des-balanceo muy grande puede ocasionar efectosde disturbios y hasta daños en generadores,máquinas rotativas y otros equipos.

Dependiendo si el desbalanceo es fijo o dinámi-co, una compensación adecuada debe de seraplicada.

El CEV es ampliamente utilizado para el balan-ceo de cargas dinámicas en conjunto con la alimentación a los sistemas de trenes.

Si el desbalanceo de la carga es fijo y conocido,una compensación fija puede ser diseñada utilizando una combinación de capacitores yreactores.

10

Armónicas y desbalanceo

EstudiosProductos convencionales pueden ser utilizadosen aplicaciones con demandas de potencia limi-tadas. Para potencias mayores, es más efectivo ycosteable optimizar la solución para un sistemaespecífico. Es también importante el investigarlos efectos en la resonancia de los sistemas, conla introducción de nuevo equipo. Los modernossistemas de simulación, con la ayuda de compu-tadoras, son indispensables para este análisis. Unbeneficio adicional que se obtiene con el uso delos simuladores es la facilidad en la investigaciónde los efectos “que pasa si” para diferentes fallasy contingencias del sistema, sin poner en riesgoel sistema real. ABB Power Systems tiene ampliaexperiencia en la utilización de simuladores pararesolver problemas de Calidad de la Energía,usando paquetes de computadora comerciales yprogramas especiales desarrollados internamente.Los resultados de la simulación son validadoscon mediciones de aplicaciones y casos reales.

CapacidadesABB Power Systems ha dado solución a los pro-blemas de la Calidad de la Energía en los siste-mas a lo largo de 30 años. Esta experiencia nacede una organización dedicada, empleando a 100personas, al manejo de los proyectos, ingeniería,procuramiento, embarque y todo el conocimien-to necesario de los recursos para un adecuadodesarrollo de los proyectos. ABB Power Systemsha trabajado en este tipo de proyectos en todo elmundo, bajo programas de entrega muy estrictos.La instalación de estos proyectos incluye entregasbajo el esquema de proyectos llave en mano, deacuerdo a los deseos y necesidades de cadacliente.El departamento de Soporte al Cliente resuelvelas necesidades de los clientes en cuanto a con-tratos de servicio, visitas de servicio y refacciones.Obviamente, ABB Power Systems tiene la certifi-cación de calidad de ISO 9001.

11

ABB Power Systems - Su socio de Calidad

ABB Power Systems ABS-721 64 Västerås, SwedenTeléfono: +46 (21) 32.4000Telefax: +46 (21) 18.3143e-mail: info@sepow.mail.abb.comhttp://www.abb.se/pow/

WY

BO

HA

AS

& T

OM

CZ

AK

A02

-016

6ES