Embed Size (px)
Citation preview
IEL1-2002-II-20
Proyecto de Grado
Estudio de Factibilidad del “Custom Power” en Colombia
Autores
Daniel Fernando Ballesteros
Elga Cristina Saravia Löw
Asesores
Maria Teresa Rueda de Torres
Jose Anibal Ramírez
Bogotá, Diciembre 2002
Universidad de los Andes
Facultad de Ingeniería
Departamento de Eléctrica y Electrónica
IEL1-2002-II-20
2
Tabla de contenido
INTRODUCCIÓN.............................................................................................................................................6
1 ESTADO DEL ARTE DE LA CALIDAD DE LA POTENCIA............................................................8 1.1 QUE ES CALIDAD DE LA POTENCIA?................................................................................................8 1.2 POR QUÉ LA IMPORTANCIA DE LA CALIDAD DE LA POTENCIA? ....................................................8 1.3 FUTURO DE LA CALIDAD DE LA POTENCIA......................................................................................9 1.4 CARACTERÍSTICAS DE UN BUEN NIVEL EN LA CALIDAD DE LA POTENCIA. .................................10 1.5 EVENTOS Y CARACTERÍSTICAS DE LA CALIDAD DE LA POTENCIA..............................................10 1.6 CALIDAD DE LA POTENCIA EN DISTINTOS AMBIENTES:................................................................14 1.7 NORMATIVIDAD DE LA CALIDAD DE LA POTENCIA: ....................................................................15 1.8 CALIDAD DE VOLTAJE:..................................................................................................................16 1.9 CALIDAD DE LA POTENCIA EN COLOMBIA ...................................................................................20
1.9.1 Estado actual de la calidad de la potencia eléctrica en Colombia ...........................................20 1.9.2 Normatividad en cuanto a los estándares de calidad de la potencia suministrada ..................23 1.9.3 Soluciones a problemas relacionados con la calidad de la potencia eléctrica .........................26 1.9.4 Protección a gran escala...........................................................................................................27
2 ESTADO DEL ARTE DEL CUSTOM POWER: ................................................................................31 2.1 ASPECTOS GENERALES DEL CUSTOM POWER. .............................................................................31 2.2 TECNOLOGÍAS EMPLEADAS EN EL CUSTOM POWER: ..................................................................34
2.2.1 Curva CBEMA...........................................................................................................................34 2.2.2 Filtros para armónicos..............................................................................................................35 2.2.3 Supresores de Transientes (TVSS).............................................................................................36 2.2.4 Fuente de Poder Ininterrumpido (UPS) ....................................................................................36 2.2.5 Plantas de Emergencia..............................................................................................................36 2.2.6 Reguladores de Voltaje .............................................................................................................37 2.2.7 Acondicionadores de Línea .......................................................................................................37 2.2.8 Transformadores de aislamiento...............................................................................................37
2.3 APLICACIONES DEL CUSTOM POWER Y METODOLOGIA PARA SU IMPLEMENTACIÓN ................37 2.4 EXPERIENCIA CON EL CUSTOM POWER A NIVEL INTERNACIONAL: ...........................................42
3 MODELO FINANCIERO. .....................................................................................................................49 3.1 ANÁLISIS TÉCNICO: ......................................................................................................................50
3.1.1 Descripción Matemática para seleccionar las alternativas de solución...................................51 3.1.2 Descripción Matemática para seleccionar los equipos con costo mínimo................................52
3.2 ANÁLISIS FINANCIERO: .................................................................................................................53 4 GUIA PARA EL USUARIO DEL MODELO IMPLEMENTADO....................................................55
4.1 IDENTIFICACIÓN DE PROBLEMAS DE CALIDAD DE LA POTENCIA. ...............................................55 4.2 MINIMIZACIÓN DE LOS GRUPOS DE EQUIPOS ..............................................................................56 4.3 MINIMIZACIÓN DE COSTOS EN CADA GRUPO................................................................................58
4.3.1 Especificaciones del Cliente......................................................................................................58 4.3.2 Selección de Equipos.................................................................................................................58 4.3.3 Grupos que incluye el modelo como soluciones........................................................................60
4.4 ANÁLISIS DE INVERSIÓN................................................................................................................61 4.4.1 Escenario No 1:.........................................................................................................................61
IEL1-2002-II-20
3
4.4.2 Escenario No 2:.........................................................................................................................62 4.4.3 Escenario No 3:.........................................................................................................................62
5 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ....................................................................................64
6 REFERENCIAS BIBIOGRÁFICAS:....................................................................................................67
IEL1-2002-II-20
4
Objetivos.
Analizar la viabilidad técnica y económica de la implementación del Custom Power en
Colombia como un método eficiente para mejorar la calidad de la potencia principalmente
en el sector productivo.
Justificación
La calidad de la potencia contempla dos aspectos; Calidad del voltaje y Calidad de la
corriente. La calidad del voltaje describe la forma en la cual el suministro de potencia
afecta los equipos (calidad del suministro) mientras que la calidad de la corriente describe
la forma en la que los equipos afectan el sistema de potencia (calidad del consumo)
En el estudio de la calidad de la potencia es importante distinguir entre características y
eventos. Las características son los fenómenos continuos, los eventos ocurren
ocasionalmente, (sags de voltaje e interrupciones). Cada uno de ellos requiere un análisis
diferente, con equipos específicos para cada problema.
El interés del Sector Productivo y de las Empresas de Energía de conocer, manejar y
mejorar los problemas de la Calidad de la Potencia Eléctrica en los sistemas se debe
especialmente a una mayor utilización de equipos electrónicos mucho más sensibles a las
perturbaciones en el voltaje. Equipos tales como rectificadores e inversores tienen
corrientes no sinuosidades, como equipos de 2 o 6 pulsos, que introducen armónicos que
deforman la onda sinusoidal, lo cual en gran escala termina generando distorsiones
considerables en el voltaje y desgaste prematuro en los componentes electrónicos de otros
equipos.
IEL1-2002-II-20
5
Dadas las condiciones mundiales actuales, y la evolución del mercado eléctrico, la
electricidad es vista como un bien de consumo que debe contar con ciertas características,
que puedan ser medidas, controladas, garantizadas y mejoradas. La competencia entre los
proveedores de energía eléctrica conlleva a que haya mayor preocupación por ofrecer un
mejor servicio a sus clientes. Esto se puede lograr en la actualidad ya que se cuenta con los
equipos electrónicos que permiten medir y analizar las formas de ondas del voltaje en el
sistema. Y tanto usuarios como comercializadores pueden detectar problemas y buscar
soluciones.
La aplicación del Custom Power ha sido limitado a pesar de las grandes ventajas que se
conoce tiene en términos de productividad, reducción de costos y pérdidas causadas por los
problemas en cuanto a lo que a Calidad de la Potencia se refiere. Principalmente por los
costos que implica la implementación de equipos de Custom Power.
Los equipos de Custom Power son usualmente instalados en sistemas de medio tensión y
relativamente cercanos a la carga. Las grandes plantas de procesamientos son los
principales usuarios potenciales de este tipo de protección. Industrias de ensamblaje con
cargas robóticas, industrias con procesos electroquímicos (que pueden incluir
rectificadores). Los equipos de Custom Power deben ser capaces de operar en condiciones
de adelanto y atraso del factor de potencia al igual que en los rangos normales de carga.
Alcance
• Conocer los avances que se están desarrollando en el área de Calidad de la Potencia
para sistemas de media tensión.
• Estudiar y familiarizarse con el concepto del custom service estudiando sus aspectos
generales, su alcance, equipos.
• Conocer los problemas que se presentan con la calidad de la potencia en Colombia,
principalmente en el sector industrial, dado que ellos son los más afectados por los
eventos y las características del suministro de energía
IEL1-2002-II-20
6
INTRODUCCIÓN
Los problemas relacionados con la calidad de la potencia pueden originarse en la acometida
de la red eléctrica que alimenta la instalación, causando principalmente interrupciones de
servicio, y al interior de la empresa, debido al alto numero de componentes electrónicos que
viene acompañado del desarrollo de la tecnología, los malos diseños del sistema eléctrico y
la falta de coordinación de las protecciones. Estos problemas representan un alto costo en la
productividad del sector industrial.
Actualmente la competencia en los mercados eléctricos permite que los usuarios puedan
escoger su proveedor y, con la implementación del Custom Power, los usuarios tienen
como variable de decisión el precio y la calidad del servicio ya que este es un servicio que
se presta según las necesidades del cliente.
Al estudiar la factibilidad del Custom Power en Colombia se debe tener en cuenta que
debido a la crisis por la cual atraviesa el país en muchas empresas no existe conocimiento
sobre tema pues muchos de los problemas de distorsión de onda, sólo se perciben después
de hacer un estudio en las instalaciones.
El modelo que se presenta a continuación, estudia la implementación del Custom Power
con el menor número de equipos y menor costo. A partir de los problemas detectados de
mala calidad de la potencia, se activan ciertos grupos de soluciones, donde los grupos
elegidos cuentan con varios equipos con diferentes especificaciones para escoger según las
necesidades del usuario.
Una vez escogidos los equipos se toma el costo total de la inversión, se proyecta a mediano
plazo y se evalúa en tres posibles escenarios de inversión.
La comercializadora de energía como propietaria de los equipos aumenta el precio en la
tarifa.
IEL1-2002-II-20
7
El usuario como propietario de los equipos donde ahorra un porcentaje por consumo en la
tarifa.
La comercializadora arrienda los equipos con posibilidad de compra con los beneficios del
ahorro para el usuario, que finalmente es el propietario de los equipos.
Este modelo es una herramienta para encontrar algunas soluciones a los problemas de
calidad de la potencia, pero es responsabilidad del ingeniero hacer el diseño adecuado a las
necesidades del usuario. El Custom Power implica que la empresa encargada de los equipos
haga un mantenimiento y revisión constante ya que este es un servicio para que los usuarios
controlen los problemas de calidad de la potencia.
IEL1-2002-II-20
8
1 ESTADO DEL ARTE DE LA CALIDAD DE LA POTENCIA.
1.1 Que es calidad de la potencia?
La calidad de la potencia no es un término unificado, pero en común trata la interacción
entre la fuente y el usuario final. Se refiere a los varios fenómenos electromagnéticos que
caracterizan a la corriente y al voltaje en un tiempo y un lugar determinado.
Podemos definir la Calidad de la Potencia Eléctrica como una combinación de la calidad de
voltaje y la calidad de corriente. De esta forma la Calidad de la Potencia se preocupa de las
desviaciones en voltaje y la corriente de valores y forma ideales.
Como voltaje y corriente ideal se entiende ondas sinusoidales con una única frecuencia y
magnitud constante, bien definida a lo largo del tiempo. En calidad también se incluyen los
conceptos de confiabilidad y disponibilidad del suministro, dado que son factores que son
de gran importancia y afectan principalmente a los grandes consumidores.
1.2 Por qué la Importancia de la Calidad de la potencia?
El interés del Sector Productivo y de las Empresas de Energía de conocer, manejar y
mejorar los problemas de la Calidad de la Potencia Eléctrica en los sistemas se debe
especialmente a una mayor utilización de equipos electrónicos mucho más sensibles a las
perturbaciones en el voltaje. Equipos tales como rectificadores e inversores tienen
corrientes no sinuosidades, como equipos de 2 o 6 pulsos, que introducen armónicos que
deforman la onda sinusoidal, lo cual en gran escala termina generando distorsiones
considerables en el voltaje y desgaste prematuro en los componentes electrónicos de otros
equipos.
Dadas las condiciones mundiales actuales, y la evolución del mercado eléctrico, la
electricidad es vista como un bien de consumo que debe contar con ciertas características,
que puedan ser medidas, controladas, garantizadas y mejoradas. La competencia entre los
proveedores de energía eléctrica conlleva a que haya mayor preocupación por ofrecer un
IEL1-2002-II-20
9
mejor servicio a sus clientes. Esto se puede lograr en la actualidad ya que se cuenta con los
equipos electrónicos que permiten medir y analizar las formas de ondas del voltaje en el
sistema. Y tanto usuarios como comercializadores pueden detectar problemas y buscar
soluciones.
La competencia de los mercados eléctricos cambia las expectativas que tiene los usuarios al
escoger un proveedor. Entonces además de escoger el precio escogen la calidad.
Loas usuarios que sufren muchos cortes de energía son susceptibles a cambiar de
comercializador por uno que ofrezca una calidad superior, estos comercializadores
satisfacen a sus clientes y pueden conseguir nuevos usuarios.
Los problemas de la calidad de la potencia representan un alto costo en las pérdidas de
productividad. Se calcula que las pérdidas por interrupciones en USA alcanzan US$25
billones /año en el sector industrial y la calidad de la potencia afecta el funcionamiento
completo, por esta razón el mercado de equipos para solucionar problemas de calidad de la
potencia está creciendo y se espera que siga creciendo mientras los clientes no estén
satisfechos con el servicio.
1.3 Futuro de la calidad de la potencia.
El futuro de la calidad de la potencia depende de la conciencia que tomen los usuarios de
los problemas y pérdidas que se presentan por problemas en la calidad de la potencia. Ya
que problemas causados por una mala calidad de la onda se toman como problemas de
calidad de los equipos entonces es necesario que se extienda el conocimiento sobre este
tema.
A corto plazo se busca informar a los usuario acerca del tema, para que conozcan las
razones y equipos que pueden causar deformaciones en la onda de voltaje y corriente se
puede llevar a regular algunos aspectos de la calidad de la potencia como niveles de
armónicos generados por usuario o recibidos por el usuario, indices como el DES y FES (en
IEL1-2002-II-20
10
Colombia) que están relacionados con las interrupciones ya son sancionados aunque no a
gran escala, ya que muchos usuarios no están debidamente informados.
Es posible que se desarrolle tecnología para que los equipos no sean sensibles a las
perturbaciones que sean compatibles con la potencia, pero por ahora no se tiene esta
condición, aunque existe oferta de equipos de mitigación.
Se busca solucionar los problemas normalizando los equipos IEC (Compatibilidad
Electromagnética). Con esto se soluciona el problema de armónicos, pero los problemas
relacionados con los sags y de altas frecuencias como transientes son difíciles de modelar y
simular.
1.4 Características de un buen nivel en la Calidad de la Potencia.
La buena calidad de la potencia esta caracterizada que los valores de los diferentes aspectos
que son medibles se encuentren en los rangos especificados.
La magnitud de voltaje debe estar en más o menos 5% del voltaje nominal.
La frecuencia ya sea a 50 o 60 Hz no debe desviarse más de 0.2Hz del valor nominal.
La distorsión armónica total entregada por el operador debe estar entre 1.5 y 5%
dependiendo del número de usuarios, y entre 5% y 20% dependiendo de la relación ISC/IL1
.
Adicional a esto una buena onda de voltaje es una onda sinusoidal que no presente
deformaciones o interrupciones.
1.5 Eventos y Características de la Calidad de la Potencia
Característica: Consiste en las pequeñas desviaciones del valor nominal de corriente o
voltaje que se presentan durante periodo prolongados de tiempo. No pueden ser
desviaciones significativas ya que afectarían en forma crítica a los usuarios y debería
reestablecerse a valores que estén permitidos en la regulación.
IEL1-2002-II-20
11
Evento: Ocasionalmente se pueden presentar desviaciones significativas de la forma de
onda ideal de voltaje o de corriente, a estas desviaciones de duración limitada se les conoce
como "eventos". La interrupción en el fluido eléctrico es un ejemplo de un evento, donde el
voltaje cae repentinamente a un valor muy por debajo de su valor ideal.
Dentro de las eventos están las siguientes condiciones:
Transientes:
Picos de gran magnitud y muy corta duración.
Figura 1.1: Transiente en onda senosoidal
Interrupciones cortas:
El voltaje cae a 0% durante un periodo corto de tiempo
Figura1.2: Interrupción corta
Sag:
Disminución de la magnitud del voltaje durante más de un periodo.
1 Datos de IEEE 519, tablas 10.1 y 11.1
IEL1-2002-II-20
12
Figura 1.3: Sag en onda senosoidal
Swell:
Aumento de la magnitud del voltaje durante más de un periodo.
Figura 1.4: Swell
Flicker:
Impresión de inestabilidad de sensación visual, el nivel de voltaje oscila a una
frecuencia perceptible por el ojo humano.
Figura 1.5: Flicker en onda de voltaje
Entre los características se encuentran:
Sobre voltajes: Es el nivel de voltaje que permanece constante a un nivel mayor al nominal.
Sub voltaje: Es el nivel de voltaje que permanece constante a un nivel menor al nominal.
IEL1-2002-II-20
13
Interrupciones Sostenidas: el voltaje cae a cero durante mas de un minuto
aproximadamente.
Desbalance de voltaje:
Es cuando el voltaje se puede descomponer en secuencia positiva, negativa y cero.
Figura 1.6: Desbalance de voltaje
Armónicos:
Son voltajes senosoidales a frecuencias que son múltiplos enteros de la frecuencia
fundamental.
Figura 1.7: Onda de voltaje con componentes armónicos
Ruido:
Distorsión de la onda que no cumple con ningún patrón especifico.
Voltaje off-set:
El voltaje de referencia no es cero. Hay una componente de voltaje DC en la onda.
Fluctuaciones:
Variación de la frecuencia cuando la frecuencia no es constante en 60 Hz.
IEL1-2002-II-20
14
1.6 Calidad de la potencia en distintos ambientes:
Calidad de la potencia en un ambiente industrial:
Debido a los componentes electrónicos de los equipos a nivel industrial, las caídas
momentáneas de voltaje al igual que las demás variaciones en el suministro pueden afectar
todo un proceso. Para poder realizar una acertada evaluación de la calidad de la potencia de
una industria es importante tener una amplia y completa caracterización de las cargas
industriales del sistema (motores, controladores ajustables de velocidad (ASD), UPS,
controles de procesos, etc).
Para tratar con equipos sensibles pueden utilizarse sistemas de protección adecuados al
igual que circuitos de control. Para el control de armónicos debe plantearse la opción de
diseñar y ubicar filtros en las cargas comprometidas con su generación.
El análisis a nivel industrial puede dividirse en tres partes:
• Análisis de las caídas de voltaje.
• Análisis de armónicos
• Análisis de sobrevoltajes
En cada tipo de análisis se debe determinar tanto sus causas como sus efectos en los
equipos y por ende en la producción deben tenerse en consideración.
Calidad de la potencia en un ambiente comercial:
Los usuarios comerciales usan sistemas de iluminación de alta eficiencia, elementos de
potencia maniobrables y sistemas de aire acondicionado con ASD´s lo cual ocasiona altos
niveles de armónicos en las instalaciones comerciales. Estas corrientes armónicas
IEL1-2002-II-20
15
ocasionan a su vez sobrecalentamiento en los transformadores y corriente altas por el
neutro.
Las empresas de energía deben comprometerse con estos problemas enterando y educando
al usuario y a los comercializadores respecto a la identificación y manejo de estos
problemas.
Calidad de la potencia eléctrica en un ambiente residencial:
• Dado el gran aumento en el porcentaje de aparatos electrónicos usados en las
residencias, ha crecido la necesidad de proteger los equipos sensibles contra las
perturbaciones y los requerimientos en la calidad de voltaje suministrado.
• Las perturbaciones a nivel residencial pueden originarse exteriormente ( descargas
atmosféricas, maniobra de equipos de potencia) o interiormente ( maniobra de
cargas, fallas).
• Gran parte de los problemas de calidad de potencia en las instalaciones residenciales
se originan en las puestas a tierra de la instalación. En Colombia se tiene un sistema
de puesta a tierra múltiples pero no existe un neutro metálico continuo.
• Entre los equipos de protección en instalaciones se tienen supresores de "surges"
con elementos como los varistores de zinc.
1.7 Normatividad de la Calidad de la Potencia:
Las normas más utilizadas en el mundo son las americanas y las europeas. Las americanas
son recomendaciones del IEEE, no tienen característica de código o norma de
cumplimiento obligatorio. Las europeas provienen de dos entidades de normalización: IEC
(Comisión Internacional Electrotécnica) y CENELEC (Comité Europeo de Normalización
Electrotécnica) Las normas europeas son recomendaciones de acuerdo al estado del arte,
son la base de la armonización entre las leyes en todos los países miembros de la CE y su
legislación y aplicación en esos países es de carácter obligatorio.
IEL1-2002-II-20
16
Las normas europeas e internacionales (IEC-EN) se refieren a la emisión, inmunidad y los
problemas de compatibilidad electromagnética. En cuanto las recomendaciones del IEEE
que regulan principalmente en Estados Unidos lo hacen hacia el control de emisión y
calidad y seguridad de las instalaciones para prevenir problemas de calidad de la potencia.
La directiva de compatibilidad electromagnética ( EMC Directive 89/336/EEC) de la CEE (
Comunidad Económica Europea) establece que los aparatos producidos en los países de la
comunidad deben construirse de tal manera que las perturbaciones electromágneticas que
generan estén por debajo de un nivel que les permita a los equipos de radio y
telecomunicaciones y a otros aparatos sensibles operar normalmente.
Tipo de normas de la Directiva EMC de acuerdo a CENELEC:
Normas Básicas: Definen y describen separadamente los fenómenos elementales,
estableciendo los métodos de mediciones, la instrumentación y el montaje para las pruebas.
Normas Genéricas: Aquellas relacionadas a un ambiente en particular y que especifican
los requerimientos mínimos y procedimientos de pruebas aplicables a todos los productos o
sistemas que operen en ese ambiente.
Normas Dedicadas a Productos: Establecen de manera precisa cuales equipos o productos
cubren cada norma.
1.8 Calidad de voltaje:
Estado Estable:
Todos los equipos están diseñados para operar normalmente dentro de un rango de voltajes
de estado estable. La magnitud de las caídas de voltaje o regulación permitida debe estar
coordinada con los rangos de operación de los equipos. La norma ANSI C84.1-1989 ha
IEL1-2002-II-20
17
establecido los voltajes nominales de los equipos de potencia junto con las tolerancias para
el voltaje suministrado y la utilización de los sistemas. Igualmente establece rangos de
compatibilidad de voltajes en estado estable para los sistema de potencia y las cargas del
usuario.
Transitorios de Voltaje:
La mayoría de problemas con los equipos sensibles en voltajes son ocasionados por
perturbaciones severas de tipo transitorio, momentáneo, cambios rápidos en el voltaje
(flicker) o interrupciones momentáneas. Estos equipos también requieren que la frecuencia
se mantenga dentro de ciertos limites (±0.3 Hz), la tasa de variación de la frecuencia menor
de 1 Hz/seg. , la distorsión de la onda dentro del 5% y el desbalance de voltaje menor que
3%. En el estudio de transitorios de voltaje es importante estudiar las descargas
atmosféricas ya que estas generan sobrevoltajes o alteraciones importantes en la onda de
voltaje.
Magnificación de voltajes transitorios:
Ciertas maniobras dentro de las instalaciones de los usuarios pueden causar perturbaciones
que afectan la calidad del voltaje y del servicio, estas perturbaciones pueden magnificarse
cuando en el caso de una operación de un banco de condensadores la oscilación transitoria
excita el circuito LC formado por el transformador del usuario y el condensador de bajo
voltaje en cuyo caso una oscilación de alta magnitud puede ocurrir en el barraje del usuario.
Los transitorios magnificados tiene una energía significativa que puede causar fallas en los
dispositivos de protección , equipos electrónicos , condensadores y otros aparatos.
Armónicos:
IEL1-2002-II-20
18
Los armónicos consisten en distorsiones de onda causadas por ondas con frecuencias
múltiples de la frecuencia fundamental. En el caso del tercer armónico generado en los
transformadores, las conexiones delta-ye mitigan el efecto a lo largo del sistema, por ser
corrientes de secuencia cero.
En el estudio de armónicos es importante considerar ciertos aspectos:
• Parte básica (Armónicos vs. Transitorios., Distorsión de voltaje vs. Distorsión de la
corriente)
• Fuentes de armónicos (Transformadores, Electrónica de potencia, Dispositivo de
arco, Dispositivos saturables)
• Características de respuesta del sistema ( Flujo normal de corrientes de armónicos,
Magnificación debido a la resonancia paralela, Importancia de la resonancia serie,
Cambio de la respuesta del sistema con filtros)
• Efectos de la distorsión de armónicos ( Efectos de la distorsión del voltaje, Efectos
de la distorsión de corriente, Efectos combinados, Normas de armónicos)
• Métodos de análisis de armónicos (Modelamiento de las fuentes de armónicos,
Cálculos manuales, Métodos computacionales, Medición de armónicos)
• Efectos de los armónicos:
En Bancos de Condensadores:
-Sobretensiones
-Mayores pérdidas
-Sobrecalentamiento
-Efecto corona
-Pérdida de vida útil
-Quema de fusibles
En Máquinas rotatorias:
-Sobrecalentamiento
-Oscilaciones mecánicas
IEL1-2002-II-20
19
-Mayores corrientes de Eddy
-Cambios en la distribución del flujo magnético
En Transformadores:
-Mayores pérdidas en el cobre y núcleo
-Sobrecalentamiento
-Cambio en la capacidad nominal del transformador
Los voltajes y corrientes armónicas en sistemas de potencia ocasionan problemas tales
como:
-Quema de fusibles
-Falla de aislamiento de equipos
-Sobrecalentamiento
-Operación y daño de pararrayos
-Inducciones peligrosas en estructuras metálicas
-Interferencia con PLC
-Interferencia telefónica
-Mayores pérdidas
-Interferencias con señales de control
-Problemas de operación en interruptores
-Malfuncionamiento en relés de protección
-Excesivas corrientes por neutros
Las principales normas actualmente en vigencia en cuanto al tratamiento de armónicos son
la 519 y la 555. Ambas manejan de manera especial a los clientes industriales. Entre sus
diferencia se encuentra que la 519 especifica la impedancia de armónicos mientras la 555
supone una impedancia constante. La 519 es más completa contando con aspectos como el
limite de armónicos que cada equipo debe cumplir , considera los armónicos producidos
por cargas individuales y cubre los niveles de emisión y compatibilidad (mas no
inmunidad), mientras que la 555 no tiene nada a este respecto.
IEL1-2002-II-20
20
1.9 Calidad de la Potencia en Colombia
Dada la importancia que ha cobrado la calidad de la potencia eléctrica a nivel mundial
Colombia ha iniciado un proceso de identificación de las efectos causados por problemas
relacionados con la calidad de la potencia, de igual forma se han realizado estudios para
detectar las causas de dichos problemas y a finales de los 90´s se comenzaron a dar los
primeros pasos hacia una regulación adecuada que rija a todos los individuos involucrados
en la generación, transmisión y distribución al igual que a los usuarios finales de la energía
eléctrica.
La importancia que ha cobrado en Colombia los aspectos relacionados con la calidad de la
potencia surge como una consecuencia de las cientos o miles de millones de pesos que
anualmente pagaban los industriales como resultado de la falta de interés y renuencia a
invertir sumas inferiores a los U$5,000 o U$6,000 para realizar estudios que les permitan
monitorear en forma continua el suministro de energía eléctrica y los problemas que en la
calidad de este suministro que ocasionaban millonarias pérdidas.
En las etapas iniciales en la búsqueda de las causas de los problemas en la calidad de la
potencia, varias industrias instalaron equipos de monitoreo en sus plantas. Los resultados
obtenidos en esta etapa de monitoreo hicieron posible hablar con el distribuidor de energía
y darle una retroalimentación sobre los problemas causados por la falta de calidad en el
suministro. De esta forma se eliminó la actitud del pasado de culpar a la otra parte de la
mala calidad, ya que los equipos de monitoreo permiten determinar si las fallas ocurren en
forma interna o externa.
1.9.1 Estado actual de la calidad de la potencia eléctrica en Colombia
A continuación se enumerarán algunas de los resultados obtenidos en lo concerniente a la
calidad de la potencia eléctrica en Colombia:
IEL1-2002-II-20
21
Dentro de las causas típicas del deterioro de la calidad de la energía en Colombia se
destacan:
• Fallas en sistemas de protecciones en subestaciones
• Indisponibilidad de transformadors en subestaciones
• Indisponibilidad de circuitos para fallo de estructuras y postes.
• Dispara de líneas
• Indisponibilidad de líneas
• Fallas en barrajes en subestaciones
• Indisponibilidad de líneas por atentados dinamiteros
• Disparos por explosiones en transformadores de corriente
• Fallas en interruptores de subestaciones
• Incendio por explosiones en transformadores
• Trabajos programados por ampliación de la cobertura del servicio
• Disparo de circuitos por interrupción de transformadores
• Disparos de circuitos asociados con explosiones de interruptores
• Fallas causadas por la alta vegetación a lo largo del corredor de los circuitos de
distribución
Principales equipos causantes de perturbaciones eléctricas y a la vez afectados por las
mismas:
• Motores de velocidad variable
• Bancos de condensadores
• Grandes sistemas de iluminación
• Sistemas de aire acondicionado
• Equipos de soldadura de arco
• Convertidores estáticos de potencia
IEL1-2002-II-20
22
• Computadores, impresoras y demás equipos de cómputo
1.1.9.2 La legislación colombiana en cuanto a la calidad de la potencia eléctrica:
Como consecuencia de los resultados obtenidos en el proceso de identificación del nivel de
calidad de la potencia en Colombia, la legislación colombiana en torno a la actividad de
distribución de energía eléctrica se orientó hacia el logro de mejores resultados, de la mayor
competitividad por parte de las empresas involucradas en la prestación del servicio de
energía eléctrica, buscando con esto un mayor beneficio por parte del usuario final.
En la constitución política de 1991, en su artículo 365 " Los servicios públicos son
inherentes a la finalidad social del estado. Es deber del Estado asegurar su prestación
eficiente a todos los habitantes del territorio nacional". Tomo ando este articulo como punto
de partida, en el año 1994 se promulgaron las leyes 142 y 143 que tratan aspectos
relacionados con la calidad del servicio y con la calidad de la potencia suministrada. En
estos dos leyes se tratan puntos tan importantes como la confiabilidad, eficiencia, calidad y
adaptabilidad, entre otros con los que debe contar la prestación del servicio de energía
eléctrica en Colombia.
La resolución 070 de 1998 es parte constitutiva del Reglamento de Operación y es parte
complementaria del Código de Redes y fue creada fundamentalmente para regular la
actividad tanto de transmisión regional como Distribución local de energía eléctrica en
Colombia.
En el marco establecido por el código de Distribución (Resolución 070 de la CREG,
numeral 6.2) se ofrece una oportunidad sin igual para que los industriales colombianos
mejoren sensiblemente su operación y tengan resultados económicos muy superiores. El
Código de Distribución es una herramienta fundamental para el desarrollo de las empresas,
haciéndolas más competitivas y eficientes.
IEL1-2002-II-20
23
Este código regula la calidad del servicio que el usuario debe recibir, al igual que establece
normas limitando los problemas que el cliente puede introducir al sistema. Es importante
resaltar que en la actualidad el medio más conocido por los usuarios en Colombia para
medir el nivel de la calidad del servicio, son los indicadores directamente relacionados con
las interrupciones en el servicio (Indicador de frecuencia equivalente de las interrupciones
del servicio, FES y Indicador de duración equivalente de las interrupciones del servicio,
DES), aunque existe una amplia normatividad para la mayoría de los aspectos que se
pueden afectar la calidad de la potencia eléctrica.
1.9.2 Normatividad en cuanto a los estándares de calidad de la potencia suministrada
Tensión
El criteria establecido en el Código de Operación sobre la gestión de la tensión en el SIN es
el siguiente:
" En estado estacionario las tensiones en las barras de 115 kV, 110 kV y 220 kV, 230 kV no
deben ser inferiores al 90% ni superiores al 110 % del valor nominal. Para la red de 500 kV
el voltaje mínimo permitido en del 90% y el máximo en del 105% del valor nominal."
Las tensiones en estado estacionario a 60 Hz y sus variaciones permisibles son las
establecidas en la norma NTC 1340, o aquella que la modifique o sustituya.
Frecuencia
El criterio establecido en el Código de Operación sobre el manejo de la frecuencia en el
SIN es el siguiente:
"La frecuencia del SIN es 60 Hz y su rando de variación de operación está entre 59.8 y 60.2
Hz excepto en estados de emergencia, fallas, déficit energético y períodos de
restablecimiento."
IEL1-2002-II-20
24
Flicker
El operador de Red deberá garantizar que sus usuarios cumplan con la norma IEEE 519
(1992) o la que la modifique o sustituya.
Factor de Potencia
El factor de Potencia mínimo permisible es el establecido en el artículo 25 de la Resolución
CREG 108 de 1997.
Transitorios electromagnéticos rápidos y fluctuaciones de tensión
Cuando se detecten fenómenos electromagnéticos afectando de una u otra manera a
usuarios conectados a un STR y/o un SDL, el Operador de Red junto con el usuario
afectado buscarán las causas de tal fenómeno y solucionarlo en el lapso de máximo treinta
(30) días hábiles.
Contenido de armónicos de las ondas de tensión y corriente
Dentro de los varios problemas en la calidad de la potencia en el sistema de distribución
colombiano, vale la pena resaltar el provocado por los armónicos respecto a los cuales el
Código de Distribución hace referencia a la Norma IEEE-519/92, donde se hace especial
énfasis en que cuando se requiera la corrección de estos, dicha corrección debe realizarse lo
más cercano a la causa. Dado que las corrientes armónicas generan grandes
calentamientos, los cuales se traducen en grandes pérdidas por el efecto Joule, ahorros entre
el 8 y el 10 % del total del consumo son posibles haciendo un filtrado adecuado de este tipo
de corrientes.
IEL1-2002-II-20
25
El lograr el nivel exigido en el estándar IEEE-519/92 es un reto de ingeniería, máxime en
un sistema como el colombiano que es relativamente vulnerable en comparación con
sistemas de otro países del mundo. Estpo hace que los armónicos de los vecinos eléctricos,
que no están regulados tales como cargas residenciales puedan fluir más libremente hacia
un sistema industrial. El seleccionar un proveedor adecuado de filtros de armónicos hace la
gran diferencia entre el éxito , el ahorro adicional de energía y el tenere problemas en el
futuro.
En general para los industriales colombianos se han sugerido seis puntos importantes a la
hora de escoger un proveedor de filtros para armónicos:
• Revisar el grado de especialización del proveedor así como la experiencia en diferentes
instalaciones similares a la suya.
• Preguntar al proveedor cuántas fallas han tenido sus filtro de armónicos en el campo.
• Es necesario instalar un reactor con cada variador de velocidad.
• Revisar los niveles de voltaje y de corriente con los cuales se estará diseñando su filtro
de armónicos.
• Verificar que el filtro diseñado y a instalar tengo el reactor en la parte superio y los
condensadores en la inferior de modo que el calor que se disipe del reactor no afecte el
desempeño de los condensadores.
• Dados los niveles de tolerancia de los equipos eléctricos es necesario que el filtro tenga
la capacidad de ajuste en campo, que permitan un sintonización adecuada.
En general para solucionar los problemas de calidad de la Potencia de una empresa se debe
tener en cuenta que se tiene dos opciones básicas que son:
IEL1-2002-II-20
26
I. Realizar un estudio de la calidad de la energía y posteriormente con bases en los
análisis y en la especificación, cotizar los equipos y adquirirlos del proveedor
seleccionado.
II. Seleccionar una empresa con experiencia en el campo de la calidad de la Potencia
para que esta se haga cargo de la medición (monitoreo), diseño, fabricación e
instalación de los equipos, con mediciones en el sistema eléctrico de potencia antes
y después de la instalación de los equipos.
En términos generales la segunda opción es preferible ya que brinda mayor seguridad al
cliente y al igual que asesoría técnica especializada durante todo el proyecto. Es dentro de
lo comprendido en la segundo opción que el concepto del Custom Power, cobra
significativa relevancia dentro de las posibilidades para la solución de los problemas de la
calidad de la potencia.
1.9.3 Soluciones a problemas relacionados con la calidad de la potencia eléctrica
Los problemas de calidad de la potencia afectando el buen funcionamiento de cargas
eléctricamente sensibles, las cuales reaccionan negativamente cuando los valores rms
normales de las ondas de voltaje cambian rápidamente alejándose de sus valores nominales.
A continuación se expondrán algunas de las principales tecnologías disponibles para
mitigar perturbaciones en la calidad de la potencia originadas en las instalaciones de las
empresas prestadoras de este servicio.
Para empezar es importante destacar que la mayoría de los eventos relacionados con la
calidad de la potencia eléctrica son causados por sags de voltaje, transientes e
interrupciones tanto momentáneas como permanentes ocasionadas en las redes eléctricas
tanto de media como de baja tensión de los operadores de las mismas. Por otro lado
perturbaciones como voltajes y corrientes armónicas, generalmente tiene como origen la
IEL1-2002-II-20
27
interacción entre los equipos al interior de las instalaciones eléctricas de un usuario en
particular.
Dentro de los esquemas más comunes hoy en día para garantizar la calidad optima en las
señales eléctricas, se destacan los supresores de transientes (TVSS) sistemas usados para
mitigar los eventos de voltajes del alta velocidad, de igual forma transformadores de
distribución en delta-wye y en casos extremos el uso de filtros ayudan en gran manera a la
reducción de los problemas ocasionados por la presencia de corrientes armónicas en la red.
Algunas de las más recientes alternativas para la reducción de problemas relacionados con
la calidad de la potencia eléctrica son sistemas diseñados para proteger toda una carga y
para cumplir con esto son instalados a la entradas de la carga.
1.9.4 Protección a gran escala
Los diseñadores de soluciones para problemas de calidad de la potencia eléctrica están
invirtiendo grandes sumas de dinero a la investigación y prueba de soluciones para media
tensión. En años recientes plantas de fabricación de wafers a base de semiconductores han
llevado la delantera en el desarrollo de nuevas y mejores soluciones para la protección de
cargas grandes ( 10 – 30 MVA) y criticas en niveles de tensión superiores a 25 kV.
Sistemas de restaurador dinámico de voltaje ( Dynamic voltaje restorer, DVR)
A comienzos de los 90´s se inició el desarrollo de los sistemas DVR que mejoraban
significativamente la calidad de la potencia inyectando voltajes con fase y magnitud
controlada en el lado secundario de un transformador de inyección conectado en serie con
el circuito alimentador de una carga critica. Usualmente se utiliza un banco de
condensadores para almacenar pequeñas cantidades de energía, las cuales se usan como las
fuentes del voltaje a ser inyectado.
IEL1-2002-II-20
28
Debido a que generalmente los sags de voltajes no son simétricos en todas las fases, el
DVR cuenta con un sistemas de medición capaz de proveer la compensación apropiada en
cada una de las fases. El máximo grado de inyección de voltaje del DVR puede ser ajustado
de acuerdo a la carga que protege.
En casos en los que es practico el aislar las cargas criticas, equipos para baja tensión como
el corrector dinámico de sags ( Dynamic sag corrector, DSC), ayudan a corregir sags de
voltaje en cargas de hasta 300 kVA. Estos equipos no requieren de un transformador de
inyección en serie y son capaces de inyectar voltaje usando el voltaje y la corriente
disponible en cualquiera de las fases que no están siendo afectadas por los sags de voltajes.
Sistemas de UPS en media tensión
Cargas criticas de gran tamaño que experimentan sags de voltajes superiores al 50 % y
adicionalmente sufren de interrupciones frecuentes, requieren un solución que cuente con
una mayor capacidad de almacenamiento de energía. Sistemas de UPS para media tensión
han sido desarrollados para soportar (ride-through) interrupciones totales por hasta 60
segundos. La energía almacenada en estas UPS permite un rango de tiempo suficiente para
el arranque de las plantas de emergencia y para la transferencias de carga.
Switches de transferencia de fuente (STS)
En países industrializados grandes cargas industriales cuentan con al menos dos fuentes de
alimentación. Dependiendo en el grado de independencia entre los dos alimentadores , una
solución bastante rentable para problemas relacionados con sags e interrupciones puede
llegar a ser los switches de transferencia de alta velocidad.
Almacenamiento de energía mediante tecnología de superconductores magnéticos
Estos equipos conocidos como SMES ( superconducting magnetic energy storage) permiten
una confiable protección contra sags de voltaje , almacenando potencia real en un magneto
superconductor y cuando así se requiere suplen la energía necesaria para mantener dentro
IEL1-2002-II-20
29
del rango de operación cargas hasta del orden de MW. En los últimos años los SMES han
sido ampliamente utilizados para estabilizar los voltajes en las redes de transmisión y para
controlar el factor de potencia.
Crecimiento en el uso de UPS en baja tensión
La instalación a la entrada de ciertas industrias de sistemas de UPS en baja tensión
diseñados para la protección de toda una carga critica ha ganado una considerable
aceptación en los últimos años, particularmente en aquellos usuarios que debido a su
actividad y a los procesos en los que emplean la energía eléctrica deben minimizar al
máximo la duración de las interrupciones. Estos sistemas de UPS para baja tensión pueden
proteger de manera eficiente y rentable cargas hasta de kVA.
Cargas que requieren un tratamiento especial
No todos los problemas en la calidad de la potencia eléctrica son causados por problemas
en las redes de transmisión o de distribución. Algunos usuarios como plantas de pulveridas
de rocas, molinos, e industrias con hornos de arco generan distorsiones en las ondas de
voltaje debido a las características mecánicas y eléctricas causadas por sus procesos. Para
solucionar este tipo de dificultades se cuenta con los siguientes equipos:
Sistemas de compensación dinámica estática
(Dynamic static compensator systems, DSTATCOMS)
Los equipos con este tipo de sistemas usas inversos de potencia electrónicos de alta
velocidad en suma a un sistema de control. El sistema de control detecta rápidamente
cambios rápidos en el voltaje ( Flicker) y reacciona inyectando voltajes de compensación
de manera cíclica.
Compensadores VAR estaticos (Static VAR compensators, SVCs)
IEL1-2002-II-20
30
Estos equipos son muy similares a los DSTATCOMS y son usados para balancear la
potencia capacitiva y reactiva. Los SVCs generalmente consisten en arreglos de reactores y
condensadores ambos swithcheados a través de elementos de estado sólido.
Los criterios para la selección entre un SVC o un DSTATCOM se basan en la velocidad de
respuesta requerida y el nivel de flicker que se desea corregir.
A continuación se muestran problemas de calidad de la potencia eléctrica más comunes en
baja tensión al igual que los equipos que los solucionan y se encuentran disponibles en el
mercado:
Problema de Calidad de la Potencia Equipos que lo soluciona
Transientes Supresores de transientes (TVSS)
Fluctuaciones de Voltaje Reguladores de voltaje
Acondicionadores de línea
Ruido Electromagnético Transformadores de aislamiento
Interrupciones UPS
Plantas de emergencia
Armónicos Rectificadores de alta frecuencia
Filtros para armónicos
IEL1-2002-II-20
31
2 Estado del arte del Custom Power:
2.1 Aspectos generales del Custom Power.
Dentro de la gama de soluciones que se han propuesto hasta el momento para contrarrestar
los inconvenientes causados por niveles bajos de calidad de potencia, se ha venido
desarrollando un concepto bastante innovador que como la experiencia ha demostrado hasta
el momento su aplicación además de traer ahorros significativos en los lugares donde se ha
implementado, ha logrado de igual forma reducir en gran manera los efectos causados por
una mala calidad en la potencia eléctrica, este concepto es el Custom Power.
El Custom Power consiste en el diseño e instalación de cierto tipo de equipos que
satisfagan el conjunto especifico de requerimientos y condiciones particulares del cliente,
en cuanto a niveles, rangos, confiabilidad y demás aspectos que constituyen las necesidades
eléctricas modernas.
Para que el proceso de aprendizaje y adopción de esta tecnología sea posible es necesario
conocer cuales son las principales preocupaciones de las empresas y de los usuarios en
general cuando se instalan aparatos de potencia. Entre estas preocupaciones vale la pena
resaltar las siguientes:
• Las características operacionales de estos aparatos (confiabilidad , limites, etc)
• Interacciones con el sistema de potencia (tipo de armónicos y transientes que los
equipos generan, interferencia no deseadas con otros equipos de protección)
• Interacciones con otros usuarios del sistema (producen los equipo de "Custom
Power" perturbaciones con otros usuarios?)
Algunos puntos importantes sobre Custom Power son los siguientes:
IEL1-2002-II-20
32
• Equipos de Custom Power son usualmente instalados en sistemas de medio tensión
(10 - 34.5 kV) y se instalan relativamente cerca a la carga y el rango de corriente se
encuentra entre los 300 y 1200 Amperios.
• Para algunos sistemas de Custom Power, existe un transformador entre los equipos
de Custom Power y la carga como tal, este hecho debe considerarse para ciertos
aspectos.
• Para la mayoría de instalaciones de equipos de Custom Power se asume que la carga
contiene componentes capaces de regenerar potencia dado el caso de una
perturbación significativa o de una interrupción total del servicio.
• Grandes plantas de procesamientos son los principales usuarios potenciales de este
tipo de protección. Industrias de ensamblaje con cargas robóticas, industrias con
procesos electroquimicos (que pueden incluir rectificadores).
Requerimientos que deben cumplir los equipos de Custom Power:
• Ser capaces de operar en un rango de corriente comprendido entre 0A hasta
corriente a plena carga.
• Ya que entre las cargas y el punto de instalación de los equipos de Custom Power
pueden existir sistemas de compensación reactiva, estos equipos deben ser capaces
de funcionar con factores de potencia en atraso o adelanto al igual que dentro de los
rangos normales de la carga.
• Instalaciones donde el transformador tenga una configuración delta en el primario
puede resultar en alta impedancia de secuencia cero hacia la carga, mientras que en
otros casos con un transformador con configuración Y aterrizado, la impedancia de
secuencia cero puede ser muy baja. Dada la posibilidad de estos caos extremos, los
equipos de Custom Power deben ser capaces de operar en ambas condiciones.
Interacción entre los equipos de Custom Power y las cargas:
IEL1-2002-II-20
33
Algunos de los equipos de Custom Power entran a operar en presencia de sags o swells en
el voltaje. Otros equipos operan para dismiuir la magnitud de los transientes que se generan
en la maniobra de bancos de condensadores o cuando hay una transferencia de
alimentadores.
Los equipos de Custom Power deben contar con un sistema de control de switcheo que
verifique la existencia de una desviación significativa de la magnitud del voltaje antes de la
entrada en operación de los equipos.
Como las maniobras de sistemas de compensación reactiva producen cambios en la fase,
cambios que difícilmente se pueden diferenciar inmediatamente de un cambio de magnitud,
el sistema de switcheo de los equipos de Custom Power debe dar un tiempo prudente para
la identificación de estos cambios de fase.
Al presentarse una falla entre los equipos de Custom Power y las cargas, los equipos no
pueden mantener la operación de la carga pero pueden actuar como limitadores de corriente
si esto es posible es su configuración.
Ante fallas en el lado de la fuente estos equipos deben actuar como escudos ante cualquier
perturbación.
En la fase de restauración ( normalización) de los niveles de voltaje, los sobrevoltajes que
se presentan es este periodo deben ser monitorizados y minimizados durante la operación
de los equipos de Custom Power. Estos sobrevoltajes normalmente no son muy
preocupantes, sin embargo en los casos en que los sistemas de Custom Power no cuentan
con transferencia de alimentadores, debe prestárseles mayor atención dadas las corrientes
que estos sobrevoltajes recalientan los equipos y si son constantes disminuyen la vida útil
de los equipos.
Costo-Beneficio:
IEL1-2002-II-20
34
Antes de inclinarse por alguna solución para los problemas de calidad de la potencia
eléctrica en un sistema determinado, es necesario analizar a fondo los verdaderos costos
(pérdidas, inconvenientes) generados por dichos problemas y compararlos con la magnitud
de la inversión que representarían la instalación de equipos de Custom Power y la real
necesidad de estos equipos teniendo en cuento la sensibilidad de los equipos con los que se
cuenta, es importante discriminar que porcentaje de los equipos del sistema se varían
sustancialmente beneficiados con el montaje de un sistema Custom Power.
2.2 Tecnologías empleadas en el Custom Power:
Para la medición e identificación de los problemas de calidad de la potencia, se utilizan
diferentes métodos algunos como la curva CBEMA identifican problemas de transitorios,
sobretensiones, caídas de voltajes e interrupciones. Para valores mas precisos de los valores
de tensión en cada fase y para hacer mediciones de armónicos se utiliza el fluke, que hace
reportes de niveles de voltajes y corrientes y calcula la distorsión armónica total (THD).
2.2.1 Curva CBEMA Es utilizado para medir las alteraciones de voltaje y la duración de las mismas, esta es una
herramienta bastante útil ya que analiza los eventos y las características de voltaje del
sistema durante un tiempo determinado, lo que puede ayudar a identificar equipos que
puedan generar problemas que afectan la calidad de la potencia y mostrar donde hay peligro
que haya problemas por pérdidas de datos por que los niveles estén por debajo del rango
establecido o que se quemen por que los niveles están por encima de los establecidos.
IEL1-2002-II-20
35
0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000-100
-50
0
50
100
150
200
250
TIME IN SECONDS
PER
CEN
T C
HAN
GE
IN B
US
VOLT
AGE
8.33
ms
OVERVOLTAGE CONDITIONS
UNDERVOLTAGE CONDITIONS
0.5
CYC
LE
RATEDVOLTAGE
ACCEPTABLEPOWER
Fig. 2-1
Para disminuir o eliminar definitivamente algunos de estos problemas se utilizan equipos,
algunos que son mas comunes, por ejemplo los que solucionan problemas de
interrupciones. Pero es importante tener en cuenta los aparatos que ayudan a resolver
problemas de transitorios, distorsión armónica, regulación de voltaje y ruido
electromagnético.
2.2.2 Filtros para armónicos Evitan que maquinas con alto nivel de distorsión armónica filtren las altas frecuencias
evitando contaminar sus propios equipos y la red. Un filtro de protección de armónicos se
realiza conectando condensadores en serie con reactancias, sintonizándolo a una frecuencia
en la que no exista generación de armónicos. Teniendo en cuenta que en los sistemas
trifásicos habitualmente el primer armónico que aparece es el quinto, podemos sintonizar el
filtro entre la frecuencia fundamental y la del quinto armónico.
Son poco comunes en nuestro medio, ya que es muy costoso adquirirlos ya que la mayoría
son diseñados específicamente para cada empresa, además la regulación en Colombia no
impone sanciones drásticas por este tipo de problema.
IEL1-2002-II-20
36
2.2.3 Supresores de Transientes (TVSS) Limitan el voltaje de los transitorios, deben cumplir con la recomendación de la IEEE
C62.41.
2.2.4 Fuente de Poder Ininterrumpido (UPS) Las UPS cuentan con inversor, batería y rectificador, existen las UPS offline las cuales sólo
entran a funcionar cuando el suministro no puede atender la carga. Por otro lado, la UPS
online el suministro siempre pasa por el inversor, batería y conversor.
La UPS online se puede utilizar también como supresor de transientes y para rectificar
oscilaciones que sean perceptibles a la visión ya que el rectificador transforma a DC y
luego la batería corrige adicionando voltaje que falte para pasar por el inversor y llegar a la
carga sin alteraciones en el voltaje.
Para corregir los armónicos que puedan ser causados por la UPS se recomiendo utilizar
tecnología IGBT.
Son equipos utilizados en la mayoría de las empresas ya que hoy en día es muy importante
proteger los equipos contra la pérdida de información.
Fig. 2-2 UPS
2.2.5 Plantas de Emergencia Durante las interrupciones prolongadas atiende la carga. En el momento en el que detecta la
falla la planta entra en funcionamiento para atender una gran parte de la carga, se configura
IEL1-2002-II-20
37
junto con una UPS para obtener un mejor desempeño en el momento de atender cargas
críticas que no permiten interrupciones o interrupciones prolongadas.
2.2.6 Reguladores de Voltaje Los reguladores de voltaje consisten principalmente en un transformador que varía
automáticamente la relación de vueltas o de voltaje para mantener un voltaje constante a la
salida del secundario. Con esto cuando el voltaje de entrada disminuye la relación tambien
disminuye y cuando el voltaje aumenta la relación de voltaje también aumenta para poder
mantener el voltaje deseado.
2.2.7 Acondicionadores de Línea Regula la tensión de salida conmutando la salida activa en un transformador con múltiples
secundarios.
La alta velocidad de conmutación, que se realiza entre un ciclo y el siguiente permite que la
salida se mantenga estable aún durante transitorios rápidos como por ejemplo los
provocados por el encendido o apagado de otros equipos sobre la misma línea.
Requiere conexión a tierra para su correcto funcionamiento.
2.2.8 Transformadores de aislamiento Resuelve la incompatibilidad electromagnética de nuestro sistema de distribución eléctrica
y los requerimientos de las fuentes de poder, hace posible emular un sistema eléctrico con
una fase a neutro y conexión a tierra. Tienen baja impedancia, Pueden “suprimir”
interferencias de modo común o modo diferencial.
2.3 Aplicaciones del Custom Power y metodologia para su implementación
Dado que el concepto de Custom Power, se basa en el diseño e instalación de equipos que
ayuden a satisfacer los requerimientos eléctricos específicos de una carga en particular,
puesto que estos equipos son instalados justo antes de la carga, es importante que se
especifique el tipo de servicio que se requiere, describiendo de esta forma el tipo de fuente
que se esta buscando.
IEL1-2002-II-20
38
Usualmente los requerimientos especificados al proveedor de energía, tiende a ser sobre
estimados, bajo la premisa de que es de esta forma se logra un sistema más confiable, sin
embargo este no siempre es el caso. Por razones tanto técnicas como económicas al definir
las necesidades y los requerimientos básicos que se tienen para el funcionamiento óptimo
de un conjunto de equipos, es de vital importancia, especificar con la mayor precisión cada
uno de los aspectos y características que el suministros de energía eléctrica debe tener, para
de esta forma lograr el diseño del sistema de Custom Power que satisfaga óptimamente las
necesidades expuestas y se consigan maximizar los beneficios de la instalación de equipos
de Custom Power que se ajusten a los necesidades reales de la carga para la cual están
siendo instalados.
A continuación se enumeran y describen brevemente algunos de las características que son
tennidas en cuenta a la hora de especificar los requerimientos del suministro potencia
eléctrica:
Voltaje de entrada:
El voltaje de entrada debe ser especificado para el peor conjunto de condiciones
operacionales basado en los requerimientos del sistema y el ambiente operativo esperado.
Teniendo un voltaje de operación de 110 V, un rango típico aceptable estaría entre 90 y 132
V (± 5%). En aplicaciones bastante sensibles al costo, y que manejen volúmenes
significativos, el rango permitido para el voltaje de entrada puede angostarse a 100-130 V,
lo cual puede llegar a representar un ahorro importante de dinero. En aplicaciones criticas
de control de procesos industriales un rango más amplio podría ser adecuado especialmente
en casos en los cuales transitorios y caídas de voltaje causados por cargas grandes pueden
causar problemas. Si el voltaje de operación es de 220 V, los voltajes y rangos
anteriormente expuestos deben ser doblados. Si el ambiente para el que se piensa instalar
un sistema a de Custom Power es variado, un rango amplio y continuo de voltaje de entrada
(90-270V) puede ser apropiado.
IEL1-2002-II-20
39
En sistemas con carga significativa es común que se especifiquen los picos de corriente,
con lo que se busca limitar estos picos de forma que se eviten activaciones innecesarios en
los breakers del circuito o interferencia con otros proveedores en la misma línea. Un valor
típico en la especificación de estos picos de corriente es de 2 a 4 veces el valor de la
corriente en estado estable.
El tiempo de Hold-up es otro importante parámetro de entrada que es necesario especificar.
Numerosos estudios han demostrado que más del 95% de las fallas en sistemas de potencia
no llegan a durar más de 1 a 5 ciclos AC. Lo que indica que especificando un tiempo de
Hold-up de 16 a 80 ms, la gran mayoría de sistemas pueden continuar su operación
ininterrumpida durante un alto porcentaje de las fallas de potencia. En aplicaciones criticas,
el especificar un tiempo de hold-up de 100 ms puede usualmente eliminar la necesidad de
considerar la instalación de UPS's para el sistema.
Salidas del sistema:
Las salidas del sistema de potencia deben ser especificadas de acuerdo al tipo de carga. La
mayoría de fuentes de potencia tienen un voltaje constante del tipo limitadores de corriente
lo que significa que la salidas mantienen un voltaje de salida constante hasta que la
corriente de la carga alcanza su punto limite, después del cual el voltaje comienza a caer
para mantener la corriente de salida constante. Sin embargo, existen algunas aplicaciones
donde la fuente debe ser capaz de suministrar una corriente constante sin importar la
resistencia de la carga o el voltaje de salida, ejemplos de estas aplicaciones especiales son
las fuente laser, sistema de carga para baterías, los bancos de condensadores y motores con
control de torque.
La corriente de salida debe ser especificada de ambas formas tanto en su valor nominal
como en su valor mínimo y máximo. La corriente mínima consumida por una carga
usualmente se toma en consideración en el caso de fuentes multitomas. Dada la topología
IEL1-2002-II-20
40
de una fuente multitoma, esta tiene una malla simple en la salida primaria, con espirales
secundarios haciendo posibles las salidas extras. Par mantener un voltaje de salida
razonable en todas las salidas secundarias, la salida primaria debe tener una carga mínima.
Las salidas secundarias pueden convertirse en totalmente reguladas de dos formas,
instalando reguladores lineales a las salidas o haciendo uso de amplificadores magnéticos
(magamps). La regulación debe ser especificada como un porcentaje de cambio de voltaje
baja ciertas condiciones y niveles de la carga.
Las definiciones de varios componentes de regulación se tienen a continuación:
Regulación en línea: Es el cambio en el voltaje de salida producido por un cambio en el
voltaje de entrada.
Regulación de la carga: Es el cambio en el voltaje de salida causado por un cambio en la
corriente de la carga.
Regulación térmica ( Estabilidad): Es el cambio en el voltaje de salida dentro de un rango
especifico de temperatura o periodo de tiempo.
Regulación cruzada: Se refiere al hecho que en algunas fuentes multitomas, el voltaje de
una salida se vea afectado por cambios en la carga conectado en otra salida.
Otros importantes aspectos que deben ser especificados para el diseño de una fuente bajo el
concepto del Custom Power son los siguientes:
Ruido y ripple: Que se refiere a los niveles de ruido permitidos para una operación
eficiente y libre de interferencias o perturbaciones significativas.
IEL1-2002-II-20
41
Señales de Interfase: Con cierta frecuencia es necesario tener una interfase del sistema de
potencia en el nivel lógico, lo que permita al sistema hacer un cierre organizado después de
la detección de una inminente falla .
Tamaño y peso: de la fuente a ser diseñada
Consideraciones térmicas: En las cuales los ingenieros eléctricos deben trabajar en
equipo con los ingenieros mecánicos de modo que la fuente diseñada, cumpla tanto los
requerimiento eléctricos como los condiciones térmicas adecuadas para su funcionamiento
optimo. La fuente generará calor en una cantidad definida más una variable de acuerdo al
nivel de carga. En estas consideraciones, aspectos como la eficiencia y la potencia disipada
han de ser tenidos en cuenta, donde:
SalidadePotenciaEntradadePotenciaDisipadaPotenciaEntradadePotenciaSalidadePotenciaEficiencia
−=
=
• Método de enfriamiento
• Temperatura
• Humedad
• Nivel Salino
• Altitud
• Resistencia mecánica
• Tiempo media entre fallas (MTBF)
IEL1-2002-II-20
42
• Sistema de control
2.4 Experiencia con el Custom Power a nivel internacional:
En los últimos 20 años la percepción sobre la calidad del servicio de energía eléctrica, ha
cambiado dramáticamente, tornándose los usuarios cada vez más exigentes a medida que
sus equipos se vuelven más sofisticados y por tanto más sensibles a cualquier tipo de
perturbación en el servicio. En los años 60's y 70's las empresas comercializadoras eran
evaluadas a la luz de aspectos como su imagen, costo, modo de facturación y servicio al
cliente, hoy los aspectos más relevantes relacionados con la satisfacción de los usuarios son
la calidad de la potencia y la confiabilidad del servicio.
En la actualidad se han llevado a cabo varios estudios que revelan que la mayoría de
usuarios de los sistemas eléctricos a nivel mundial esperan que la electricidad sea entregada
libre de cualquier tipo de imperfección, pero de igual forma son consientes de lo inevitable
de ciertas interrupciones dadas sus causas totalmente externas y fuera del control de las
empresas involucradas en la transmisión y distribución de la energía eléctrica. Sin embargo
se ha encontrado que los usuarios cada vez están menos dispuestos a tolerar cortes o
problemas en el servicio que están dentro de la responsabilidad de las empresas dedicadas a
prestar este importante servicio.
En los Estados Unidos de América en el año 2000 se llevaron a cabo dos foros en los que se
buscaba una retroalimentación sobre la percepción de usuarios pertenecientes a los distintos
sectores productivos de ese país sobre los temas relacionados con la calidad de la potencia.
La motivación principal para la realización de estos foros era la constante dificultad
encontrada al intentar convencer a los usuarios ha implementar algún tipo de solución para
problemas con la calidad de la potencia, a pesar que se ha demostrado su soporte para
resolver problemas relacionados con la calidad de la potencia.
IEL1-2002-II-20
43
Como conclusiones de estos foros se encontraron varias de las causas y barreras para la
aplicación de soluciones para mejorar la calidad de la potencia entre las que vale la pena
resaltar las siguientes:
Es evidente el interrogante que muchos usuarios tienen respecto sobre quien recae la
responsabilidad por este tipo de problemas. Los usuarios expresaron que en su opinión los
problemas relacionados con la calidad de la potencia es una responsabilidad de las
compañías de electricidad, ya que esta es un producto que debería ser entregado a los
usuarios con los más altos niveles de calidad. La idea expuestas por las compañías
electrificadoras presentes en los foros de que la electricidad como cualquier otra materia
prima puede tener ciertas variaciones de calidad con las que los usuarios deberían manejar,
fue radicalmente rechazada por los usuarios.
Como gran barrera para la implementación de soluciones y sistemas que busquen
solucionar problemas en el servicio, se evidenció una gran falta de información y algunas
confusiones entre términos relacionados con la calidad de la potencia, varios de los eventos
en la onda de voltaje eran desconocidos tanto en su definición como en sus causas, al igual
que en las posibles soluciones a dichos problemas.
Otra importante barrera es la poca comprensión de los efectos que tienen sobre el proceso
productivo de determinada empresa los problemas de calidad de la potencia presentes en
sus instalaciones, al igual que el total desconocimiento del tema de quienes tendrían la
ultima palabra en la toma de la decisión de implementar o no alguna solución a los
problemas detectados.
Como acciones a ser tomadas por parte de las empresas del sector eléctrico al igual que por
aquellas que ofrecen servicios como consultorías, estudios y diseño de soluciones para
problemas de calidad de la potencia, se concluyó lo siguiente:
Es de vital importancia sumar esfuerzos en la difusión de la información sobre el tema.
IEL1-2002-II-20
44
Es responsabilidad de los profesionales directamente relacionados con la calidad de la
potencia el estudiar a detalle los procesos llevados a cabo por el usuario de modo que se le
puedan identificar las perturbaciones que tienen efectos más representativos para el usuario,
al igual que sea más fácil el explicarles como la implementación de una solución para la
calidad de la potencia en sus instalaciones los beneficiaria en términos de productividad y
reducción de costos.
Dada la importancia que ha cobrado la calidad de la potencia en los últimos años y la
comprobada efectividad del Custom Power como método para garantizar los niveles de
calidad requeridos por los usuarios, varios países alrededor del mundo han adoptado este
concepto y han hecho importantes esfuerzos en el desarrollo e implementación de equipos y
esquemas especialmente diseñados para contrarrestar los problemas de calidad de la
potencia que más los afecta. Es evidente que dado lo nuevo de este concepto y por tanto el
punto en que este tipo de tecnología se encuentra en su curva de aprendizaje, sus costos aun
se encuentran bastante elevados por lo que la gran mayoría de aplicación , desarrollos y
experiencias a nivel internacional se han realizado enfocados casi en su totalidad al sector
industrial, puesto que es en este sector donde la relación costo-beneficio es más
representativa, sin embargo en los últimos años se han venido desarrollando tecnologías
para otro tipo de aplicaciones, es así como es posible encontrar en el mercado actual,
equipos como supresores de transientes (TVSS) diseñados para la protección de equipos de
uso residencial y comercial, como telefonos, computadores, cable-modems, sistemas de
televisión satelital , sistemas de video sofisticados ( home theatre) , entre otros.
A continuación se presentarán avances, experiencias al igual que desarrollos en curso sobre
el Custom Power, llevados a cabo en distintos países:
La empresas medianas en Estados Unidos que han utilizado el Custom Power para mejorara
los problemas de calidad de la potencia han disminuido un 5% de los US$5.056 que
IEL1-2002-II-20
45
consumían anteriormente, para estas empresas la calidad de la potencia y la confiabilidad se
ha vuelto un factor importante para medir la satisfacción.
Hungria:
En Hungría se privatizan las electrificadoras en 1995 pero sólo hay una en cada región.
Para evaluar la satisfacción de los clientes se hacen encuestas periódicamente.
La encuesta se busca:
• Separar residencial de industrial.
• Mide separadamente la importancia y la satisfacción de los usuarios con respecto a
la electricidad.
• Medir la importancia de cada elemento de la red con la satisfacción expresada por
los usuarios.
La encuesta muestra que los niveles de satisfacción son altos y se han mantenido altos. El
menor grado de satisfacción lo encuentran en el precio.
Estos estudios ayudan a los proveedores a prepararse para cuando se abra el mercado, como
lo exige la regulación para ingresar a la comunidad europea. Además ya se crea un lazo y
un conocimiento sobre cuales son los aspectos con los cuales los usuarios están satisfechos
y en cuales deben mejorar.
Estados Unidos:
Las empresas distribuidoras de energía eléctrica Americanas, se han visto desafiadas a
competir en un mercado libre donde el sector industrial esta en libertad de escoger a quien
desea comprarle la energía. En esta competencia el nivel de calidad de la potencia ofrecida
a este tipo de clientes juega un papel decisivo en el proceso decisorio de los usuarios, es así
como en los últimos años las empresas comercializadoras han comenzado a aplicar el
concepto de Custom Power para ofrecer un mejor servicio a sus usuarios activos atrayendo
de igual forma a los potenciales. Algunas de las experiencias del Custom Power en Estados
Unidos son:
IEL1-2002-II-20
46
Columbus, Ohio: La empresa AEP ( American Electric Power) instaló un interruptor
estático de transferencia de 15 KV y 600 A en la parte industrial de la ciudad en 1998.
Baltimore, Maryland: La empresa BGE ( Baltimore Gas and Electric) ha instalado varios
interruptores de estáticos de transferencia de 15 KV y 600 A, en distintos puntos de la
cuidad, en 1995 en un edificio de oficinas en el centro dentro empresarial, el cual a operado
de manera satisfactoria hasta este momento, otro interruptor instalado en septiembre de
1996 en una planta de productos químicos que hasta Enero de 1998 había evitado más de
veinte interrupciones del servicio a causa de eventos en la calidad de la potencia,
adicionalmente otro interruptor fue instalado en otra planta de productos químicos este de
15KV y 1200 A el cual a los pocos meses de su instalación y puesta en funcionamiento
había evitado más de diez interrupciones en el servicio.
Detroit, Michigan: la compañía Detroit Edison instaló un interruptor de transferencia para
la empresa Ford en su planta ensambladora Sheldon Road ubicada en esa ciudad , la planta
es alimentada por una subestación a 40KV y tiene una carga estimada de 9 MVA, el
interruptor instalado en noviembre de 1996 fue conectado al lado de 13.8 KV de los
transformadores y en su primer año en funcionamiento ha evitado que la planta
experimente nueve perturbaciones , cinco por salidas de servicio del alimentador principal
y cuatro por caídas de voltajes.
Fort Worth, Texas: Texas Utilities instaló un interruptor estático de transferencia (STS) de
15KV y 600A, en un edificio de operaciones eléctricas en 1996, y el cual ha operado de
manera exitosa hasta el momento.
Duke, South Carolina: Un prototipo de un compensador estático en serie fue instalado por
la compañía Duke Power en 1996 para proteger a su cliente la empresa Orian Rugs Inc. de
caídas de voltaje y otras perturbaciones provenientes del sistema de distribución al cual se
encuentra conectado la planta, este equipo especificado a 2 MVA, puede almacenar 660KJ
IEL1-2002-II-20
47
y opera a 12.47 KV . Tres años después de su instalación el equipo ha mostrado excelentes
resultados.
Orlando, Florida: Florida Power Corporation instalo en 1996 un equipo de compensación
estático en serie en uno de los alimentadores a 12.47KV ubicados en la subestación Econ (
230/12.5KV).
Phoenix, Arizona: Dos unidades de compensación estática en serie fueron instalados en la
parte industrial conocida como Salt River Project, cada equipo se encuentra especificado a
6 MVA, 12.47 KV, 60 Hz y 1800 kJ de almacenamiento. Estas unidades instaladas en julio
de 1998 han protegido toda la planta de caídas de voltaje y han presentado excelente
confiabilidad.
Columbus , Ohio: La empresa American Electric Power, instalo en 1998 un equipo de
compensación estática en paralelo en una planta de triturado de rocas, el propósito de este
equipo es controlar el flicker de voltaje y se encuentra especificado para ±20 MVA a 12.47
KV. Este equipo ha permitido a la planta crecer operando en la actualidad tres fases, sin que
el flicker de voltaje afecte a los demás usuarios conectados al circuito.
Seattle, Washington: Un compensador estático en paralelo fue instalado en la planta de la
compañía Seattle Iron & Metals Corporation, para mitigar los efectos causados por el
flicker de voltaje generado por un motor de 4,000 Hp instalado en su planta.
Como se puede apreciar de las experiencias brevemente enumeradas, todas estas hacen
referencia a aplicaciones en media tensión, sin embargo La empresas comercializadoras de
los estados Unidos se encuentran de igual forma muy activadas en cuanto a equipos de
Custom Power para baja tensión se refiere, es así como el mercado de equipos como las
UPS´S, loas acondicionadores de línea, los reguladores de voltaje y los s de transientes han
venido cobrado especial importancia dentro del mercado de equipos que buscan mejorar la
calidad de la potencia.
IEL1-2002-II-20
48
Japón:
La compañía Kyushu Electric Corporation, ha instalado varios interruptores de
transferencia estática, con el propósito de lograr transferencia de línea de alta velocidad.
Para esto ha desarrollado un equipo que cuenta con un interruptor de tiristores y un
interruptor de alta velocidad en paralelo, el cual cuenta con un sistema de repulsión
electromagnética , el cual hace posible una transferencia del orden de milisegundos.
La compañía Chubu Electric Corporation instalo en 1990 un equipo de compensación
estática en paralelo, para disminuir los problemas causados por la operación de hornos de
arco en una planta metalúrgica.
Canadá:
La electrificadora de British Columbia BC Hydro, instaló un prototipo de compensación
estática en serie en 1999, seis meses después los resultados fueron bastante satisfactorios.
British Columbia Hydro y Power Authority , completó un año de demostración de los
beneficios de un compensador estático en paralelo en Adams Lake Company, donde el
equipo ofreció un excelente control en cuanto a lo que regulación y flicker se refiere,
disminuyendo significativamente los efectos causados por las operaciones de equipos para
cortar madera.
Hydro-Québec ha realizado pruebas e instalaciones de interruptores de transferencia
estática y compensadores estáticos tanto en serie como en paralelo, experiencias que han
arrojado excelentes resultados.
IEL1-2002-II-20
49
3 MODELO FINANCIERO.
El modelo financiero consiste en una herramienta que a partir de los problemas
relacionados con la potencia eléctrica particulares de un sector, industrial o cliente
particular, da como resultado un listado de los equipos que de ser adquiridos solucionarían
satisfactoriamente los problemas presentes. Y que bajo el marco de tres escenarios distintos
calcula el Valor Presente Neto, (VPN), para un periodo determinado para el retorno de la
inversión. De esta forma el modelo permite encontrar una solución eficiente y
económicamente factible para los problemas más comunes en el medio Colombiano de la
calidad de la potencia.
En el modelo financiero se busca analizar la viabilidad del proyecto en diferentes
escenarios, ya que en algunos de estos, el proyecto de implementar Custom Power puede
ser económicamente viable y en otros casos se deba buscar una solución alternativa a los
problemas de calidad de la potencia.
El análisis financiero se basa en los resultados del flujo de caja que son el VPN y la TIR. Si
el VPN tiene un valor positivo será un proyecto factible al igual que sí la TIR es mayor que
la TIO de la empresa.
Para el modelo financiero se tienen en cuenta tres escenarios de la perspectiva de
implementación del Custom Power. Los escenarios se construyen basados en los resultados
de las encuestas realizadas en el proyecto sobre el diagnóstico sobre calidad de la potencia
en las industrias de la sabana de Bogota, ya que en estas encuestas se muestra la
importancia que hay en el sector industrial por mejorar aspectos de la calidad de la
potencia, y el valor que algunas de estas empresas estarían dispuestas a pagar por mejorar
los problemas que afectan su productividad.
IEL1-2002-II-20
50
Para poder estudiar la factibilidad de implementar Custom Power en el sector industrial es
necesario conocer los siguientes datos de las empresas: capacidad instalada, consumo
promedio mensual, tarifa del costo de la energía, tasa de crecimiento de la carga y
porcentaje que estarían dispuestos a invertir en mejor la calidad de la potencia (planes de
gestión de energía).
El modelo financiero de análisis de factibilidad, consiste en un modelo dinámico realizado
en Excel de Microsoft, donde se implementó un libro con 13 hojas las cuales interactúan
entre si, de manera que siguiendo una serie de pasos se logre encontrar la solución a los
problemas de calidad de la potencia eléctrica que se tienen, solución producto de un
análisis tanto técnico como financiero.
3.1 Análisis Técnico:
Para encontrar la solución técnica a los problemas presentes problemas tales como
armónicos, transitorios, interrupciones cortas y prolongadas, ruido electromagnético,
subvoltajes (sag) y sobrevoltaje (swell), el modelo cuenta con listados de equipos que
solucionan uno o más de los problemas que se tienen en cuenta en el modelo, estos equipos
han sido clasificados en grupos de acuerdo al problema que solucionen. Estos grupos se
encuentran en distintas hojas dentro del libro de Excel, hojas en las que se encuentran las
especificaciones técnicas de los equipos, como capacidad, voltaje de entrada y otras
características especiales que son necesarias en el momento de diseñar la solución del
sistema al igual que sus precios dados en dólares americanos (USD).
Dados los costos que conlleva invertir en Custom Power, el modelo parte del problema de
minimizar los equipos y los costos para mejorar la calidad de la potencia obteniendo un
mayor beneficio.
La selección de los equipos incluidos en la solución técnica de los problemas de calidad de
la potencia eléctrica se realiza en base de estos parámetros, primero se comprueba que la
IEL1-2002-II-20
51
caracterización de las instalaciones eléctricas del cliente cumpla con las especificaciones
del equipo y luego se realiza la selección final de los equipos sugeridos por el modelo de
acuerdo a dos condiciones, minimización de costos y número de elementos de dicho grupo
que el cliente desee ( abanico de posibilidades).
3.1.1 Descripción Matemática para seleccionar las alternativas de solución.
El problema se define de la siguiente forma:
( )jiji xaydondeActivosAparatosVectorY
SoluciónPesoVectorW
grupocadasolucionaqueproblemaslosrepresentaqueMatrizA
solucionaraproblemasVectorX
⋅==
=
==
max
.
El vector solución es, iii wys ⋅=
Para minimizar el número de equipos se minimiza el vector S.
Para las restricciones se define B = Matriz que multiplica los elementos de la matriz A por
los aparatos activos. Esto es iijij sab ⋅=
Así para cada problema ( j ) se busca una solución con un grupo ( i ), y esto se debe
comparar con los problemas para que ningún problema quede sin solución. Así se crea un
vector r es el que indica que se cumple la condicione de solucionar todos los problemas.
jbri
ijj ∀=∑
Entonces esta comparación es la siguiente: bij ≤xi
El problema de minimización es el siguiente:
IEL1-2002-II-20
52
jj
i
xraSujeto
zSzObjetivoFunción
≥
=∑
:min
:
Dicha función activará los grupos que solucionen los problemas minimizando el número de
grupos activos y con la restricción que todos los problemas sean solucionados. Los grupos
activos tendrán un "1" en la columna solución y esta celda cambiará a color naranja. Es
importante señalar que en esta elección es posible favorecer la elección de cierto grupo,
esta dado que algunos problemas pueden ser solucionados por más de un grupo y el cliente
puede estar más inclinado sobre algún tipo de solución o algunos grupos no pueden estar en
una misma solución. Para favorecer a un grupo en particular, se hace uso de la columna
Peso, donde entre menor sea el peso mayor será la posibilidad de ser parte del paquete
solución. Cabe notar que el menor peso permitido en el modelo es 1.
Con esto ya se tienen los grupos que solucionan los problemas y las especificaciones del
sistema.
3.1.2 Descripción Matemática para seleccionar los equipos con costo mínimo.
Con los grupos seleccionados se debe minimizar el costo de los equipos elegidos al igual
que en la selección de los grupos activos también es posible favorecer un equipo en
particular mediante la asignación de pesos ya sea por modelo, precio, marca, o restricciones
propias del problema y la descripción matemática del problema de minimización es la
siguiente.
En estas hojas, se encuentran las especificaciones técnicas de los equipos, y al lado de esta
aparecerá un 0 o un 1, las características del equipo satisfacen o no al cliente y/o al
problema. En esta hoja también existe la posibilidad de indicar el número de equipos de
ese grupo que desean tener como posibles soluciones a implementar. Al igual que en la hoja
Principal Modelo Financiero, en las hojas de los grupos activos también es necesario
utilizar la función Solver, función que minimizará los costos de los equipos, teniendo como
IEL1-2002-II-20
53
restricciones el número de equipos de el cliente desea tener como posibilidades y que las
instalaciones del cliente cumplan con todas las especificaciones técnicas de los equipos.
Este procedimiento debe repetirse en cada una de las hojas de los grupos activos.
La descripción matemática es la siguiente:
icionesespecificalasconcumplaEquipoequiposdemáximoNúmero
aSujetoz
EquiposdeCostoszObjetivoFunción
i ∀
=∑
:min
:
3.2 Análisis Financiero:
El análisis financiero se basa principalmente en la obtención del valor presente neto (VPN)
teniendo en cuenta el costo de inversión inicial, la tasa interna de retorno (TIR), la forma de
financiación con su respectiva tasa de interés y los beneficios obtenidos al adquirir una
solución de Custom Power para los problemas relacionados con la calidad de la potencia.
En el análisis financiero realizado por el modelo se tienen en consideración tres escenarios
distintos:
• Escenario #1:
La empresa distribuidora o comercializadora del servicio de energía eléctrica es quien
compra los equipos y prestando un mejor servicio a sus clientes. Bajo este escenario se
tienen como egresos la inversión inicial, las cuotas de acuerdo a la financiación escogida y
los costos relacionados con el mantenimiento de los equipos de Custom Power, y se
IEL1-2002-II-20
54
consideran ingresos ( beneficios) los que la empresas distribuidora cobre a sus clientes por
prestarles un servicio con un nivel de calidad de la potencia eléctrica garantizado.
• Escenario #2:
La industria es quien adquiere los equipos de Custom Power para solucionar sus problemas
de calidad de la potencia. En este escenario al igual que en el anterior se tienen como
egresos la inversión inicial, las cuotas de acuerdo a la financiación escogida y los costos
relacionados con el mantenimiento de los equipos y se consideran como ingresos lo que la
empresa se ahorra anualmente al tener instalados los equipos de Custom Power en sus
instalaciones, estos ahorro incluyen perdidas provocadas por interrupciones y desgaste de
maquinaria a causa de una mala calidad de la potencia.
• Escenario #3:
Este escenario es una mezcla de los dos anteriores y consiste en que la empresa
comercializadora adquiere los equipos de Custom Power y la industria particular los
arrienda con posibilidad de compra, esta alternativa es lo que se conoce como leasing. En
este escenario se consideran egresas las cuotas de arriendamiento y como ingresos los
ahorros que tiene la industria como resultado de la instalación de los equipos y el valor del
equipo al momento de ser adquirido por la industria, por lo tanto este escenario considera la
depreciación aplicada a esta clase de equipos.
IEL1-2002-II-20
55
4 GUIA PARA EL USUARIO DEL MODELO IMPLEMENTADO.
A continuación se explicarán con detalle cada uno de los pasos sobre como funciona el
modelo:
4.1 Identificación de Problemas de Calidad de la potencia.
Una vez identificados los problemas de calidad de la potencia a solucionar, mediante
distintos métodos como mediciones y simulaciones de las instalaciones eléctricas del
cliente, se procede a introducir esta información en el modelo, para lo cual se debe abrir la
hoja titulada Formulario Modelo Financiero, donde se encontrar una tabla como la que se
muestra a continuación a continuación:
Fig. 4-1 Identificación de problemas
En esta tabla es donde se introducen los problemas que se desean solucionar, asignando
para esto un uno (1) en la casilla correspondiente cuando este existe y cero cuando no se
encontraron problemas de ese tipo. Esto activa también el color de la casilla, que es
amarillo para cero y naranja para uno, esto indica cuales problemas están activos.
IEL1-2002-II-20
56
4.2 Minimización de los Grupos de Equipos
Una vez se tenga en el modelo los problemas a solucionar, se debe abrir la hoja titulada:
Principal Modelo Financiero, donde se encuentra el listado de grupos, estos grupos se
hicieron teniendo en cuenta los diferentes tipos de equipos que existen y los problemas que
solucionan, todos los equipos de un mismo grupo solucionan los mismos problemas. La
tabla encontrada en esta hoja es la siguiente:
Fig. 4-2 Selección de Grupos
Al lado izquierdo de la hoja se relacionan matricialmente los grupos de equipos, en las filas
y los problemas que solucionan en las columnas de tal forma que el problema o problemas
que soluciona cada grupos de equipos se activa con un uno (1). Esta matriz no se debe
modificar por el usuario.
Columna de Peso.
En esta matriz el diseñador o el usuario puede favorecer algún grupo o disminuir la
posibilidad de seleccionar un grupo, asignando mayor peso a las opciones menos
favorecidas y menor peso a las opciones más favorecidas, esto se debe a que es un
problema de minimización.
IEL1-2002-II-20
57
Columna de Aparatos Activos y Valores AA.
Estas columnas se activas automáticamente al seleccionar los problemas ya que identificas
cuales son todos los posibles grupos que solucionan todos los problemas que se han
identificado. La solución estará entre estos grupos. La columna de valores de AA es la
columna que copia los valores de los aparatos activos.
Columna Boolean
La solución es una columna con binarios. Para resolver el problema debe estar en cero.
Esta es la columna que va a seleccionar las combinaciones para encontrar las soluciones del
problema de optimización.
Selección de los grupos.
La selección de los grupos se implementó utilizando la función Solver de Microsoft Excel®,
que aparece en el menú de herramientas.
Fig. 4-3 Función de minimización.
Esta función ya está previamente establecida con las propiedades del modelo. Al
seleccionar Resolver mediante la variación de las opciones activas y válidas con Boolean
IEL1-2002-II-20
58
se encuentra la solución que minimiza el número de grupos teniendo en cuenta que se
soluciones todos los problemas activos.
Esta solución activa las columnas de Boolean, que se representan con el número uno (1).
Entonces es en estos grupos que quedan activos en esta columna en los cuales se va a
minimizar el costo.
4.3 Minimización de costos en cada grupo.
4.3.1 Especificaciones del Cliente.
Una vez los grupos están seleccionados, se busca minimizar los costos teniendo en cuenta
las especificaciones técnicas de cada usuario. Para poder seleccionar los equipos de acuerdo
a las necesidades se retoma la hoja Formulario Modelo Financiero, y conociendo los
grupos que se van a escoger se completa los valores necesarios en la tabla en los grupos
escogidos. Teniendo en cuanta donde se van a colocar los equipos.
Fig. 4-4 Tabla para insertar las características técnicas del cliente.
4.3.2 Selección de Equipos
Para seleccionar los equipos se tienen en cuenta solo los grupos seleccionados en la
minimización de grupos, ya que si se intenta seleccionar equipos en los grupos que no
fueron escogidos el resultado es una solución no válida.
Al escoger los equipos es necesario tener en cuenta que hay grupos que se dividen en dos
como los supresores de transientes ya que para obtener una buena solución es necesario
instalar supresores clase B y C según la norma C62.41 de IEEE.
IEL1-2002-II-20
59
Para seleccionar el los equipos al mínimo costo se debe minimizar los grupos elegidos.
Todas las hojas de los grupos son similares ya que cada uno contiene una lista con varios
equipos con diferentes especificaciones, que son necesarias en el momento de instalar y
puesta en marcha de los equipos.
Fig. 4-5 Hoja para minimizar el costo de los equipos.
En esta hoja se minimiza el costo teniendo en cuenta las características de los equipos, en
cada especificación como capacidad, voltaje, etc, se activan los equipos en la columna que
se encuentra al lado derecho del valor de cada características, esto se representa con un uno
(1) si el equipo tiene la misma característica que el sistema, se compara con la hoja
Formulario Modelo Financiero. Esto se realiza automáticamente en una comparación
entre los valores.
Para solucionar el problema se inicia la columna Boolean en cero. Se selecciona el número
de equipos que se quiera buscar que solucionen los problemas en el número de elementos
del grupo. Dado el caso que el número de elementos posibles sea menor al número
escogido la solución solo tomará los valores posibles.
IEL1-2002-II-20
60
Este proceso se repite con todos los grupos seleccionados en la hoja Principal Modelo
Financiero.
Para solucionar el problema se procede de forma similar que para escoger los grupos,
utilizando el Solver.
Fig. 4-6 Solver para minimizar los costos de equipos.
Al resolver el problema se ven las soluciones en cuadros anaranjados. Al final de las
columnas seleccionadas, está el número de equipos que cumplen las restricciones de
acuerdo al número elegido y el valor del total de los equipos que fueron seleccionados.
4.3.3 Grupos que incluye el modelo como soluciones.
Grupo1: Supresores de Transientes, Clase B y C .
Grupo2: Reguladores de Voltaje.
Grupo3: Acondicionadores de Línea.
Grupo4: UPS
Grupo5: Plantas de Emergencia
Grupo6: Filtros de Armónicos
Grupo7: Transformadores de Aislamiento.
Grupo8: Equipos de Media Tensión.
IEL1-2002-II-20
61
4.4 Análisis de Inversión.
Para realizar el análisis financiero de la solución hallada en el análisis técnico, se abre la
hoja del modelo titulada VPN, donde para cada escenario se deberá seguir un proceso
distinto como se indica a continuación:
4.4.1 Escenario No 1:
Escenario en el cual todos los equipos son de la empresa que presta el servicio. La
factibilidad del proyecto se mide en el aumento de la tarifa para recuperar la inversión en el
mediano plazo.
Datos a introducir:
-TIR, para proyectos eléctricos es aproximadamente 20%.
-Tasa de interés, los bancos cobran un interés del 20% para financiar estos
proyectos
-Número de periodos según financiación en años.
Dato clave:
*Cuanto debe cobrar la empresa comercializadora a sus clientes por el servicio de modo
que sea viable. Este dato debe ser introducido, y modificado hasta encontrar el valor en el
cual se obtenga un VPN positivo.
Formato en el modelo: Escenario 1Monto de la Deuda 27940.8651Cuantas Cuotas 4Tasa de Interés 20%TIR 19%
Periodo 1 Periodo 2 Periodo 3 Periodo 4 Periodo 5 Periodo 6Costo de inversión -13970Abono a Capital -6985.22 -6985.22 -6985.22 -6985.22Intereses -5588.17 -4191.13 -2794.09 -1397.04Cobro por servicio 1000000 1000000 1000000 1000000 1000000 1000000Total por Periodo 986029.57 987426.61 988823.65 990220.70 991617.74 1000000.00VPN $ 3,374,137.04
Fig. 4-7 VPN para el escenario 1
IEL1-2002-II-20
62
4.4.2 Escenario No 2:
El usuario compra los equipos
Datos a introducir:
-TIR
-Tasa de interés
-Número de periodos según financiación
Dato clave:
*Cuanto debe ahorrar el cliente anualmente para que la inversión sea viable. Este dato debe
ser introducido, y modificado hasta encontrar el valor en el cual se obtenga un VPN
positivo.
Formato en el modelo: Escenario 2Monto de la Deuda 27940.8651Cuantas Cuotas 3Tasa de Interés 20%TIR 18%Incentivo al CP 2.00%
Periodo 1 Periodo 2 Periodo 3 Periodo 4 Periodo 5 Periodo 6Costo de inversión -13970Abono a Capital -9313.62 -9313.62 -9313.62Intereses -5588.17 -3725.45 -1862.72Ahorro por Mejora 1.122 1.122 1.122 1.122 1.122 1.122Total por Periodo -13969.31 -14900.67 -13037.95 -11175.22 1.12 1.12VPN $ -36,238.2780
Fig. 4-8 VPN para el escenario 2
4.4.3 Escenario No 3:
Es la opción de arrendamiento con posibilidad de compra al final del periodo.
Datos a introducir:
-Valor arriendo
-Depreciación de los equipos de Custom Power.
Dato clave:
IEL1-2002-II-20
63
*Cuanto debe ahorrar el cliente anualmente para que la inversión sea viable. Este dato debe
ser introducido, y modificado hasta encontrar el valor en el cual se obtenga un VPN
positivo.
Formato en el modelo: Escenario 3Monto de la Deuda 41911.2977TIR 13%Incentivo al CP 0.05%Porcentaje del Valor Inicial 30%
Periodo 1 Periodo 2 Periodo 3 Periodo 4 Periodo 5 Periodo 6Valor Final 12573.3893Pago por arriendo -1.1 -1.1 -1.1 -1.1 -1.1 -1.1Ahorro por Mejora 1.10055 1.10055 1.10055 1.10055 1.10055 1.10055Total por Periodo 0.00055 0.00055 0.00055 0.00055 0.00055 12573.39VPN $ 6,039.23
Fig. 4-9 VPN para el escenario 3
De acuerdo a los resultados obtenidos (datos claves), el cliente particular de cada escenario
(comercializadora para en escenario #1 y la industria en los demás), deberá analizar que tan
factible es la implamentación de soluciones de Custom Power para solucionar problemas de
calidad de la potencia eléctrica, de acuerdo a sus posibilidades y condiciones particulares.
IEL1-2002-II-20
64
5 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Las conclusiones en este trabajo abarcan los temas más importantes tratados que son, la
calidad de la potencia, el Custom Power, y el modelo que fue diseñado como herramienta
para solucionar estos problemas. Las recomendaciones se enfocan sobre como seguir
trabajando y mejorando el alcance que tiene este modelo con la posibilidad de expandirlo a
otras áreas que tengan necesidades similares en las cuales se pueda aplicar soluciones de la
misma forma, además de recomendaciones necesarias para que la implementación del
Custom Power sea posible y beneficie tanto a los usuarios como a los distribuidores.
• El amplio uso de equipos electrónicos sensibles a perturbaciones en la onda de voltaje
ha generado que el concepto de la calidad de la potencia eléctrica cobre particular
importancia.
• En la regulación de los servicios públicos domiciliarios se ha reconocido la importancia
actual de la calidad de la potencia, realizando estudios para identificar los problemas más
comunes así como sus causas y consecuencias más críticas. La normatividad sobre el tema
no ha tenido igual impacto debido al costo social y económico que implica.
• Es evidente la falta de conocimiento sobre los distintos aspectos de la calidad de la
potencia eléctrica en Colombia. Lo que ocasiona que la curva de aprendizaje de soluciones
como el Custom Power se encuentren en sus etapas iniciales.
• Dentro de las posibles soluciones a los problemas relacionados con la calidad de la
potencia eléctrica, el Custom Power se presenta como un concepto de servicio al usuario
que consiste en el diseño e instalación de cierto tipo de equipos que satisfagan el conjunto
especifico de requerimientos y condiciones particulares del cliente, en cuanto a niveles,
rangos, confiabilidad y demás aspectos que constituyen las necesidades eléctricas modernas
acompañado de un constante monitoreo de equipos y problemas.
IEL1-2002-II-20
65
• Un buen diseño en las instalaciones eléctricas que tenga los equipos adecuados, logra
ahorros significativos en el consumo mensual pues se diminuyen las pérdidas y el número
de horas en las que se deja de producir disminuye significativamente.
• El modelo no hace un ahorro por penalizaciones ya que en el marco colombiano las
multas por mala calidad de la potencia se limitan al DES (duración de las interrupciones) y
el FES (frecuencia de las interrupciones), y estas no tienen una vigilancia estricta. Muchos
usuarios no están conscientes de los costos por pérdidas en la producción que representan
las interrupciones.
• Aunque el marco regulatorio sólo incluye sanciones por interrupciones y factor de
potencia, la regulación deberá tener en cuenta también la distorsión de la onda ya que esto
afecta tanto a los usuarios como a los operadores de red deteriorando y acortando la vida
útil de los equipos.
• Al usar la herramienta propuesta se tiene una guía de equipos que dan solución a los
problemas de calidad de la potencia. Sin embargo, es importante que sea el diseñador quien
toma las decisiones, por esta razón el modelo tiene pesos que favorecen algunas opciones
ya sea de equipos o grupos de equipos y también es posible escoger varias opciones de
equipos de un grupo, todo esto con la intención de dar flexibilidad al diseñador de las
soluciones.
• La estructura matemática del modelo permite que este se siga desarrollando,
adicionando más problemas de calidad de la potencia pues el estudio de cada uno lleva a un
nuevo grupo, aumentando el número de grupos. Además permite no solamente el análisis
de costos de los equipos sino un análisis de costos más general de la solución.
• De los resultados obtenidos en el modelo de factibilidad es posible concluir que el
escenario financiero más apropiado para la implementación del Custom Power en
IEL1-2002-II-20
66
Colombia es el de arrendamiento con posibilidad de compra ( escenario #3), porque brinda
el mayor margen de rentabilidad tanto para la empresa comercializadora (arrendador de los
equipos) como para el cliente (arrendatario).
IEL1-2002-II-20
67
6 REFERENCIAS BIBIOGRÁFICAS:
Overview of Custom Power Application, HIGNORANI, Narain G.
‘Power Quality’ (Capitulos 1 , 2 , 8)
‘Custom Power Technology Development’, IEEE, P1409 Distribution Power Task Force.
Mayo 26 de 2000.
‘Special Application Considerations for Custom Power Systems’, NILSSON, Stig, IEEE.
POWER Quality (Revista)
Encuesta realizada para el proyecto de calidad de la potencia en la sabana que se
realiza en conjunto con la ANDI y el respectivo análisis de sus resultados.
