Uso eficiente de la energa electrica

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(1)1. 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:.

(2) Uso eficiente y racional de energía.

(3) 3 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..


(5) 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. 14 14 15 16 17 17 19 21 21 22 23 28 30 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 34 43 46 46 50. Bibliografía. 55. 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 58 59 60 61 62 63.

(6) 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. 26 35 37 46 53 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. 22 23 25 26 27 29 33 34 40 41 42 42 43 47 48 49 50.

(7) 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..

(8) 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) 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..


(11) 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.

(12) 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..

(13) 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..

(14) 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 ).

(15) 15 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.

(16) 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.

(17) 17 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.

(18) 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) 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.

(20) 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) 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.

(22) 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) 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.

(24) 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) 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..

(26) 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) 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.

(28) 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) 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.

(30) 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) 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.)..


(33) 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.

(34) 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) 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..

(36) 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) 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..