Desaprovechamiento energético que no conocía. ¿Le interesa?

El análisis de vibración mide la frecuencia e intensidad de las vibraciones provocadas por el desgaste, desalineación, holgura y otros problemas mecánicos.
Use la característica de medición de potencia unificada y la calculadora de pérdidas de energía de los nuevos analizadores de calidad eléctrica Fluke 430 serie II para determinar cuánta energía se ve afectada por el desequilibrio de armónicos y carga.

En 2005, la mayoría de las instalaciones consideraban su factura mensual de servicio eléctrico como un coste estándar de sus negocios. Cuando el petróleo superó los 100 $ por barril, las actitudes cambiaron prácticamente de la noche a la mañana, lo que generó un gran interés en los acondicionamientos conscientes sobre el uso de la energía que antes no habrían sido rentables. Aún así, cuando los costes de energía se redujeron, las actitudes y prácticas no se revirtieron del todo. Los Estados Unidos aún trataban de superar una recesión. La competencia global por ofrecer productos y servicios se ha hecho aún más intensa. Las instalaciones americanas habían encontrado una nueva fuente potencial de margen y rentabilidad en forma de factura mensual de energía, y no iban a renunciar a ella.

Al mismo tiempo, los servicios públicos en Estados Unidos iniciaron campañas de servicio al cliente enfocadas a ayudar a que las instalaciones aprovecharan mejor la energía que consumían. ¿Por qué un servicio público desearía ayudar a que los clientes rebajaran su factura? Porque la capacidad es limitada. Dado el marco regulador, el plazo del proyecto y el elevadísimo coste que implica la construcción de nuevas instalaciones generadoras de energía, los servicios públicos tienen gran interés por ampliar el alcance de sus capacidades existentes de generación. Para seguir añadiendo nuevos clientes a la red, se debe optimizar el uso del cliente existente. Los desastres de plataformas petrolíferas y catástrofes nucleares solo han servido para recalcar lo limitadas que son las opciones.

En los últimos cuatro años, las empresas de servicios eléctricos han capacitado a la mayoría de las instalaciones de medio rango para que comprendan mejor su extracto mensual y dichas instalaciones posiblemente han realizado una auditoría básica de energía para determinar cuánta energía consumen al mes varias funciones operativas. Muchas instalaciones han identificado un "fruto al alcance" disponible para su cosecha: el consumo de energía que puede reducirse sin inversión importante. Algunos ejemplos comunes incluyen: apagado del equipo y sistemas durante la noche, en lugar de mantenerlos encendidos; mejora de sistemas de iluminación y cargas grandes como enfriadores a modelos de alta eficiencia; aprovechamiento de subvenciones gubernamentales para la eficiencia energética; reparación de fugas en líneas de aire comprimido e incorporación de controles para ajustar la salida del equipo mecánico según los requisitos de rendimiento.

Evaluación del IEEE

En paralelo con estos desarrollos, el ente normativo IEEE de los estándares de calidad de la energía inició una evaluación necesaria del trabajo académico para segmentar y cuantificar de manera más precisa el consumo de energía en sistemas eléctricos trifásicos. Dicha evaluación se inició hace más de una década. Hace ya varios años que sabemos que hay brechas en el modelo matemático que subyace a los cálculos clásicos de medición de la energía trifásica. En particular, no se tenían en cuenta los efectos de la potencia reactiva, los armónicos y el desequilibrio de carga en los métodos clásicos usados en la mayor parte de la supervisión de consumo y de la calidad de la energía.

Ya en ese momento determinado, la distorsión armónica y el desequilibrio de carga se tomaban como imperfecciones en la pureza de la energía que generaban problemas de rendimiento en los equipos, y en el caso del factor de potencia, reducían la utilidad de la potencia distribuida. La cuantificación de la cantidad de potencia inutilizable nunca se había tenido en cuenta. Los armónicos y el desequilibrio eran preocupaciones para la solución de problemas, pero no para el consumo de energía. Al menos, hasta que la energía se convirtió en un producto de lujo.

¿Por qué es importante cuánta potencia se ve afectada por los armónicos y el desequilibrio de carga? Porque la hemos generado y pagado, pero no podemos utilizarla.

Si en una instalación entran 100 kilovatios y una parte de estos se vuelve inutilizable debido a una baja calidad de energía, la instalación paga por 100 kW pero solo podrá utilizar 100 kW menos la parte perdida. Si la parte perdida pudiera cuantificarse con la lista de tarifas del servicio público en la mano, quedaría claro si la cantidad perdida fue lo suficientemente cara como para justificar la solución de los problemas en la calidad de la energía.

El resultado de los esfuerzos del IEEE fue una nueva norma, IEEE 1459-2000, encaminada en cierto modo a permitir el cálculo de la parte perdida debido a la calidad de la energía, pero en un marco muy académico. Seguía faltando una definición clara de la cantidad física de desperdicio de potencia. Poco después de que se emitiera la nueva norma, dos profesores de la Universidad Politécnica de Valencia en España decidieron desarrollar las matemáticas necesarias para cuantificar el desperdicio de potencia causado por problemas de armónicos y desequilibrio.

Primero, los profesores Vincente Leon y Joaquín Montañana desarrollaron métodos matemáticos basándose en las recomendaciones de la norma IEEE 1459-2000, que definía las fuentes de desperdicios específicos. Posteriormente, desarrollaron un instrumento de medición con un sistema informático que calculaba lo que describieron como "Potencia unificada".

Su innovador método de medición de Potencia unificada tomó los mejores aspectos de las recomendaciones de la norma IEEE 1459 y calculó los efectos del desperdicio de energía de la potencia reactiva, los armónicos y el desequilibrio en el sistema eléctrico.

Fluke conoció este método y se dirigió a los profesores para proponerles una asociación. Juntos, los ingenieros de Fluke y los profesores convirtieron un instrumento académico en una característica de medición de Potencia unificada y en una Calculadora de pérdidas de energía, ahora disponibles en un analizador portátil manual de la calidad de la energía. Ambas partes tienen derechos de patente y sobre distintos aspectos de la nueva capacidad.

¿Qué es la Potencia unificada?

El sistema de medición de la Potencia unificada expresa las mediciones de la potencia y la energía que cuantifican directamente la energía perdida en los sistemas eléctricos mediante una combinación de métodos clásicos, la norma IEEE 1459-2010 y cálculos matemáticos de la Universidad Politécnica de Valencia. La Potencia unificada mide los armónicos y el desperdicio por desequilibrio en kilovatios. Teniendo en cuenta el coste de cada kilovatio hora, es posible calcular el coste de la energía perdida en una semana, un mes o un año.

¿Cómo es que los armónicos desperdician la energía?

Uno de los efectos más reconocidos de los armónicos en los sistemas eléctricos es el exceso de calor que generan en los conductores que los transportan. Muchos estudios han mostrado la necesidad de incrementar el tamaño de los conductores neutros en los sistemas de energía para compensar la corriente alta transmitida en el neutro del armónico 3.° y sus múltiplos. También existen casos documentados de transformadores que se sobrecalientan debido a la presencia de armónicos. Este calor es una forma de consumo no intencionado de energía. Con este nuevo método de cálculo, es posible cuantificar la cantidad de desperdicio en vatios, en vez del calentamiento.

¿Por qué el desequilibrio de carga desperdicia energía?

En el caso de los motores trifásicos, el desequilibrio menoscaba el rendimiento de la unidad y reduce la vida útil. El desequilibrio de tensión en los terminales del estator del motor genera un desequilibrio de corriente de la fase desproporcionado con respecto al mismo desequilibrio de tensión. Las corrientes desequilibradas, a su vez, conducen a pulsaciones en el par de torsión, vibración aumentada y estrés mecánico, incremento de pérdidas y sobrecalentamiento del motor. Cada uno de estos efectos consume energía, que ahora es cuantificable en vatios.

Potencia unificada de prueba in situ: ¿cuánto desperdicio hay?

Los profesores Leon y Montañana realizaron múltiples estudios de campo para confirmar sus hipótesis sobre el vínculo entre los problemas con la calidad de la energía y el efecto en el desperdicio energético. Cuando Fluke se unió a la asociación, el equipo llevó a cabo más estudios para comprobar si la nueva capacidad se podría volver utilizable para las personas que no son profesionales especializados en ingeniería eléctrica.

Dos estudios que cabe destacar se llevaron a cabo en unparque industrial y en una planta de fabricación automotriz.

El parque industrial recibe suministro de una cooperativa eléctrica local. Es un parque industrial combinado que tiene diversas necesidades eléctricas. Algunos de los clientes del parque tenían cargas inductivas significativas y la empresa de servicio público ya había elegido instalar una corrección de factor de potencia para reducir los efectos del factor de potencia deficiente.

Sin embargo, cuando se conectó el dispositivo de Potencia unificada de los profesores, este mostró pérdidas significativas de potencia reactiva en el secundario del transformador de potencia del parque. Las pérdidas se generaban mayormente durante la noche, cuando las cargas inductivas no estaban en funcionamiento, pero sí lo estaba la corrección del factor de potencia de los condensadores. Las pérdidas de energía se midieron: 353,6 kWh por día (en promedio); y se multiplicaron por las tarifas de la empresa de servicio público, con un resultado de 14.000 dólares al año. Con esta información en la mano, la empresa de servicio público y el director del parque industrial diseñaron una solución que implicaba relés con control de tiempo que desconectaban el banco de condensadores durante la noche. Tiempo de amortización: menos de un año.

También se diseñó un estudio para una planta automotriz de gran capacidad. Se analizaron seis áreas distintas de la planta y se identificaron varias causas de desperdicio energético en toda la planta, que incluyen la potencia reactiva proveniente de lámparas de descarga y transformadores ineficientes ligeramente cargados. El desperdicio total ascendía a 50.000 dólares al año. Mediante la instalación de la corrección de factor de potencia en las lámparas de descarga, la racionalización de la distribución de transformadores y el uso de un transformador de alta eficiencia en lugar de cinco transformadores ineficientes ligeramente cargados, la planta logró ahorros de energía significativos.

Por lo tanto, realmente se desperdicia energía sustancial debido a los armónicos y el desequilibrio. ¿Qué puede hacer al respecto?

Para tratar los armónicos y el desequilibrio, generalmente se requiere el apoyo de un ingeniero eléctrico y del personal o de electricistas contratados. La solución de los armónicos implica el uso de alguna clase de equipo de mitigación o el cambio del tipo de equipo electrónico que está en funcionamiento. La solución del desequilibrio exige la redistribución de cargas, la instalación de equipo para la compensación de desequilibrios o algunas veces incrementar toda la capacidad del sistema de distribución eléctrica.

Con la nueva capacidad de Potencia unificada, calcular los costes de la mano de obra y el equipo necesarios para reducir los armónicos y el desequilibrio, en comparación con la cantidad de energía desperdiciada, es una ecuación de retorno de inversión relativamente sencilla.

Tenga en cuenta que instalar un filtro de armónicos también mejorará toda la calidad de la potencia mediante el incremento de la fiabilidad, eficiencia y vida útil de todo el equipo, y la disminución de la inactividad.

Antes se decía que no podía arreglarse lo que no se podía ver. Recientemente, era más bien que no se podía arreglar lo que no se podía justificar. Ahora, ver es creer, y la corrección es sencilla.

Una versión de este artículo apareció recientemente en Maintenance Technology.