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domingo, 23 de septiembre de 2012

La tecnología de bombas de calor y su eficiencia vista en detalle

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La tecnología de bombas de calor y su eficiencia vista en detalle

 



La eficiencia energética es un negocio intangible, y como todos los intangibles; no todo el mundo ve de forma directa los beneficios. Si a eso unimos que el negocio de la energía da fácil entrada a todo tipo de embaucadores y timadores que prometen beneficios asombrosos, no es de extrañar que a veces sea realmente difícil convencer al usuario de la importancia de invertir en estas tecnologías. De ahí la gran importancia que tiene el uso de herramientas y estudios serios que ayuden a tomar decisiones sobre las distintas opciones tecnológicas que están disponibles para resolver una aplicación. Tomar una decisión equivocada nos condenará durante muchos años a pagar un sobrecoste energético y perderemos competitividad.

La tecnología de bombas de calor merece ser revisada por su popularidad tanto en viejas, nuevas viviendas. Como siempre indicamos lo más importante para evitar derroches no es en sí la tecnología sino sobre todo la optimización en el diseño y el sistema de control para maximizar la eficiencia, y alcanzar los niveles más altos de sostenibilidad. Es por ello que en este artículo nos centramos fundamentalmente en la evaluación del rendimiento de las bombas de calor.

En muchos países las bombas de calor están experimentando una renovada popularidad. Aunque las bombas de calor se utilizan para calentar edificios desde hace más de 50 años, el boom de esta tecnología llegó en los 80, pero desde entonces muchas cosas han cambiado. La tecnología actual es muy avanzada y las bombas de calor actuales se adaptan a la demanda de calor y están equipadas con eficientes controles que pueden ofrecer ventajas tanto económicas como ambientales sobre los sistemas de combustibles fósiles.

Para evaluar la sostenibilidad de las bombas de calor frente a las alternativas de combustibles fósiles, bajo la dirección del Fraunhofer ISE en Alemania, se instalaron dos grandes campos de prueba en 2006. En cada proyecto, se llevaron cabo numerosas mediciones sobre bombas de calor bajo condiciones reales de operación en viviendas multi familiares.

Dentro del proyecto de control de la eficiencia de las bombas de calor, se estudió la eficiencia de las bombas de calor modernas. Para ello se instalaron bombas de calor en edificios muy eficientes en energía, con una carga anual de calentamiento de 20-50 kWh/m2 – equivalente a 2-5 litros de combustible por m2.

Considerando que los edificios construidos antes de 1980 son responsables en Alemania del 90% del total de energía consumida, el ahorro potencial es mucho mayor que en las estructuras modernas de alta eficiencia.

Eficiencia de las bombas de calor

Las bombas de calor analizadas en el proyecto son de pequeña y capacidad, entre 5 y 10 kW térmicos, y con fuentes de calor diversas (bombas de calor aire-agua, bombas de calor suelo-agua y bombas de calor de agua subterránea agua-agua. El estudio se llevó a cabo con más de cien unidades de bombas de calor proporcionadas por productores. El objetivo del proyecto fuel valorar la eficiencia bajo diferentes condiciones de operación y en diferentes configuraciones, y los resultados podrán usarse para desarrollar conceptos de uso de bombas de calor de pequeña capacidad que nuevas construcciones. Adicionalmente, se examinan la pérdida de refrigerante bajo condiciones reales en algunas de las unidades y durante cuatro años.

En un segundo proyecto, el rendimiento de unas 75 unidades de productores principales fue medido bajo condiciones de operación reales. Debido a su alta temperatura del fluido de alimentación, estas bombas son especialmente adecuadas para el uso en edificios antiguos. En este proyecto el objetivo fue comparar sistemas de bombas de calor con calderas diesel centralizadas y analizar la rentabilidad y los gases de efecto invernadero. El proyecto fue ejecutado por E.ON Energy AG, y todos los resultados son públicos.

Cuantificación de los beneficios de las bombas de calor

El propósito del estudio fue llevar a cabo ensayos de campo para evaluar los límites del consumo de energía térmica y los standard de aislamiento con respecto a la operación de la bomba de calor. Como hemos visto recientemente en detalle, de nada vale calentar/enfriar si luego la energía se derrocha por no haber previsto un aislamiento suficiente.
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A nuestro parecer, este estudio es de una gran importancia pues si bien realmente es bastante sencillo, entra en detalle sobre un concepto realmente importante para los profesionales que abordan proyectos de eficiencia energética: La relación entre la producción de energía y la envolvente del edificio.
Entre los objetivos del prestigioso instituto Fraunhofer se encontraba también determinar los requisitos mínimos que deben cumplir la envolvente del edificio y el sistema de distribución de calor. Los sistemas de distribución de energía son también partes del sistema donde el derroche de energía puede ser realmente serio, hablaremos de ello en otro artículo en su momento.
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El instituto definió también los prerrequisitos bajo los cuales funcionan las bombas de calor y estableció en 55 ºC la temperatura de alimentación, aunque la mayoría de las bombas de calor están aprobadas para suministrar temperaturas de hasta 65 ºC
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Eficiencia de las bombas de calor.
Hay principalmente dos factores que describen la eficiencia de las bombas de calor. Primero, el coeficiente de rendimiento (COP), que se determina mediante condiciones de ensayo standard para ciertos puntos de operación y/o para varios puntos de operación típicos. Segundo, el factor de rendimiento estacional (SPF).
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Resultados obtenidos

El estudio demostró la eficiencia de calor, especialmente la de las bombas geotérmicas. También se demostró que es todavía necesario avanzar en la optimización de la integración de la unidad en el sistema de alimentación para la casa y las estrategias de control de la bomba de calor. Así, una fuente de calor inadecuadamente integrada o un disipador incorrectamente diseñado puede decrecer el factor de rendimiento estacional de la bomba de calor.
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El SPF alcanzado es 3,8, aunque varios indicios confirman que el SPF por encima de 4 puede ser pronto alcanzado. Cuando se usan solamente para producir calor, el valor de SPF es 4,1 en las nuevas construcciones.
 
 





En la primera parte de este artículo hicimos una introducción a las bombas de calor y su eficiencia. En esta ocasión nos vamos a centrar en los principios básicos de funcionamiento de esta tecnología, también desde el punto de vista de la eficiencia energética.

Principios de funcionamiento de las bombas de calor

Las bombas de calor son equipos infrautilizados como medio de conservación de energía para calentar y enfriar edificios. Los componentes básicos de una bomba de calor son un fluido de trabajo o refrigerante, un compresor de gas, dos intercambiadores de calor, tuberías controles y accesorios que pueden proporcionar tanto calor como frío en el espacio de un edificio. En el modo de calentamiento, el calor es extraído de una fuente de calor natural o residual y transferido al espacio mientras que en el modo de enfriamiento, el calor se elimina del edificio y se descarga a un sumidero de calor.

Hay cuatro tipos básicos de bombas de calor, denominadas aire-a-aire, agua-a-aire, agua-a-agua, y tierra-a-aire. En un sistema de bomba de calor aire-a-aire, el calor es eliminado del aire interior y rechazado al aire exterior del edificio durante el ciclo de enfriamiento, mientras que ocurre lo contrario en el ciclo de calentamiento. El agua puede reemplazar el aire del exterior como fuente o sumidero para el calor, dependiendo de si la unidad está en modo de calentamiento o enfriamiento. Las bombas de calor aire-a-aire o bombas de calor de fuente aire son unidades sobre techo ya sea en sistemas compactos o split. Las bombas de calor de Split están diseñadas con una unidad de manejo de aire localidad en el interior del espacio acondicionado mientras que el condensador y el compresor se colocan en el exterior. Los sistemas ASHP son convenientes para climas suaves y áreas donde el gas natural no está disponible o es caro.

En las bombas de calor de fuente de agua, en vez de aire, el agua se usa para transferir el calor entre el edificio y el exterior. Las bombas de calor geotérmicas usan la energía del suelo o aguas subterráneas como fuente o sumidero. En invierno una bomba de calor geotérmica transfiere energía térmica desde el suelo para proporcionar calentamiento del espacio. En el verano el proceso de transferencia de energía se invierte. El suelo absorbe energía térmica desde el espacio acondicionado y enfría el aire del edificio. GHP se beneficia de una temperatura del suelo constante a lo largo del año, que es mayor en promedio que las temperaturas de aire del invierno y más bajas en promedio que las temperaturas de aire del verano. La eficiencia energética de una GHP es así mayor que la de ASHP convencional y algunas son más eficientes que las calderas de combustibles fósiles en modo de calentamiento. La diferencia primaria entre un ASHP y un GHP es la inversión en un bucle del suelo para captación de calor y rechazo requerido por el sistema GHP. Si GHP es o no efectiva en costes relativa a la ASHP convencional depende del ahorro de costes de energía anual de generación que deben ser bastante altos por el coste extra del bucle del suelo.

Bombas de calor de velocidad variable

Como los acondicionadores de aire centrales, las bombas de calor pueden ser más eficientes por el uso de motores de velocidad variable y dos velocidades. Comparadas con los modelos estándar, las bombas de calor de fuente aire reducen el consumo de energía aproximadamente un 27 %, las bombas de calor de fuentes de aire de velocidad variable reducen el consumo de energía en un 35 %, y las bombas de calor de fuente de energía geotérmica de dos velocidades reducen el consumo de energía en torno a un 46 %.

Bombas de calor a gas

Hasta hace poco todas las bombas de calor eran eléctricas, pero los investigadores han desarrollado bombas de calor de gas. Estos equipos utilizan bombas de calor de velocidad variable con un motor de gas natural en el que el compresor es accionado por un motor de ignición de combustión interna y el calor se recupera en el modo de calentamiento del espacio. También se han desarrollado bombas de calor que trabajan con el ciclo de absorción agua-amoniaco. Las bombas de calor a gas tienen el potencial de reducir el consumo de energía de la bomba de calor aproximadamente un 35 – 45 %

Sistema de distribución

Cuando se valora la eficiencia de un sistema de acondicionamiento de un espacio, es importante considerar la eficiencia del sistema de distribución además de la del aparato. No es raro que en conductos de distribución haya pérdidas que vayan del 20 – 40 % debidas a la conducción y a las pérdidas. Un aislamiento mejorado y un buen sellado del conducto puede reducir estas pérdidas. En general, la estrategia más efectiva para reducir las pérdidas de distribución es incluir el sistema de distribución en el espacio acondicionado de forma que las pérdidas debidas a la conducción o a las pérdidas de aire vayan directamente al espacio acondicionado. Esto requiere una cuidadosa atención en el diseño o en el proyecto de reforma.

El sistema de bomba de calor asistido por energía solar

Un colector solar puede mejorar el rendimiento en sistemas de aire o líquido, pero añade complejidad y gasto. El calor solar a baja temperatura aplicado a un lado del sistema de bomba de calor evapora el líquido de refrigerante de baja presión. El compresor luego eleva la presión y la temperatura del vapor, que cuando se condensa, transmite calor una temperatura más alta. Cuando esta diferencia de temperatura es menor que 20 ºC, una bomba de calor puede proporcionar calor a 40 – 46 ºC con un COP de alrededor de 3.5.

Los sistemas de bombas de calor asistidos por energía solar pueden ser de varios tipos. Un tipo usa líquido en el bucle del colector solar, agua de almacenamiento, y una bomba de calor agua-a-agua. Otro tipo usa una bomba de calor aire-a-aire en conjunción con intercambiadores de calor líquido-a-aire y un bucle de colector solar líquido. Aunque las bombas de calor asistidas por energía solar se usan normalmente solo para calentamiento, el concepto de una enfriadora de recuperador de calor, condensador de doble tubo, asistida por energía solar, puede incluirse en esta categoría de bomba de calor. En verano, este sistema operaría como una estación central convencional, un sistema de aire acondicionado de agua fría; sin embargo, puede también operar por la noche bajo las condiciones ambientales más favorables y con tarifas de energía reducidas y almacenar el frío en un depósito de almacenamiento. En invierno, el calentamiento solar, crearía una carga en el evaporador de la enfriadora. Este sistema, conveniente para grandes edificios, tiene las ventajas de una bomba de calor sin las complicaciones asociadas con las características de los ciclos reversibles.

Las bombas de calor realzan la eficiencia y disminuyen los costes del sistema de energía solar permitiendo a los colectores operar a temperaturas de fluido bajas con la bomba de calor impulsando las temperaturas del aire o agua para su reparto al espacio a temperaturas de 40,5 – 46 ºC. El sistema de calentamiento del espacio debe diseñarse para bajas temperaturas de utilización bajas. En grandes edificios la bomba de calor siempre utilizan el agua de calentamiento solar como fuente de calor para mantener COP y capacidad altos. Se requiere un análisis computerizado para optimizar el modo de operación, colector y tamaño de almacenaje, número de recipientes de almacenaje, y secuencia de control. En algunos casos puede ser más eficiente usar toda el agua caliente calentada por el sol a temperatura baja como fuente para la bomba de calor.
 



Bombas de calor geotérmicas

Las bombas de calor geotérmicas (GHPS) utilizan como fuente de calor la temperatura del subsuelo para aplicaciones de calentamiento y enfriamiento, intercambio directo y otras aplicaciones.

Cada sistema geotérmico consiste en tres principales elementos: 1) Una bomba de calor geotérmica consiste en tres elementos principales: 1) una bomba de calor geotérmica que mueve el calor entre el edificio y el fluido en la conexión de la tierra por la bomba de calor geotérmica y es distribuida a través de un sistema de conductos de aire. El aire más frío del edificio es retornado a la bomba de calor, donde enfría el fluido que fluye a la conexión de la tierra. El fluido se calienta de nuevo y fluye a través de la conexión de la tierra. El proceso es invertido para enfriar el edificio.

El circuito del suelo puede instalarse directamente al suelo o a través de un pozo. El fluido puede ser agua o un refrigerante. Las bombas de calor geotérmicas pueden proporcionar calentamiento, enfriamiento, e incluso agua caliente, a un coste significativamente más bajo comparado con los sistemas convencionales. Sin embargo, las instalaciones de sistemas geotérmicos usualmente cuestan dos o tres veces más comparado con los sistemas convencionales.

Tres tipos de configuraciones se usan para instalar sistemas de bombas de calor geotérmicas. El tipo seleccionado depende de numerosos factores incluyendo tipo de suelo, disponibilidad de una fuente de agua, el tamaño de la instalación, y la cantidad de tierra disponible. Los circuitos pueden instalarse horizontalmente o verticalmente en el suelo, o sumergido en un cuerpo de agua. El tipo de configuración de circuito incluye:

• Circuito de suelo cerrado horizontal.
• Circuito de suelo cerrado vertical.
• Circuito cerrado en lago o charca.
• Sistema de circuito abierto.
• Sistema de pozo de columna estacionaria.

Los sistemas de bombas de calor geotérmica ofrecen bastante flexibilidad, y ofrecen grandes beneficios a los que están dispuestos a pagar unos costes de instalación más altos. Estos beneficios incluyen:

• Ahorro de costes sustancial: Los sistemas geotérmicos pueden ahorrar tanto como un 50 % comparado con las bombas de calor de fuente aire y hasta un 45 % en combustibles fósiles.
• Ahorro fiscal: En muchos lugares existen ayudas públicas a modo de bonificaciones fiscales.
• Beneficios ambientales: Los sistemas geotérmicos son una fuente de energía renovable.
• Financiación: Existen muchos programas de financiación privada que apoyan estos proyectos.

Si bien las bombas geotérmicas han estado disponibles desde hace décadas, todavía quedan nichos de mercado disponibles. Esta tecnología todavía se enfrenta a numerosos desafíos incluyendo reducción de costes y desarrollo de una infraestructura sostenible. Justamente a quince metros bajo el suelo, la temperatura queda constante (entre 10 y 16 ºC) durante todo el año.

La temperatura del suelo es más caliente que el aire en invierno y más fría que el aire en verano. Las bombas de calor geotérmicas toman ventaja de esta diferencia para calentar y enfriar los edificios.

La bomba de calor debe compensar las diferencias del calor absorbidas y la temperatura donde el calor se reparte. Una bomba de calor de fuente aire quita calor del aire del exterior en el invierno y transmite calor al aire caliente en verano. La bomba de calor geotérmica, por otra parte, recupera calor del suelo relativamente caliente en el invierno y transmite calor al mismo relativamente frío en el verano. Como resultado, la bomba de calor geotérmica está bombeando el calor con una diferencia de temperatura más pequeña que la bomba de calor de fuente aire. Esto lleva a una eficiencia más alta y uso de energía más baja.
El sistema de bomba de calor geotérmica tiene tres partes principales: el intercambiador de calor del suelo, la unidad de bomba de calor, y el sistema de distribución de aire. El intercambiador de calor es un sistema de tuberías llamada un circuito, el cual es enterrado en suelo poco profundo cerca del edificio. Un fluido (usualmente una mezcla de agua y anticongelante) circula a través de las tuberías para absorber o depositar calor dentro del suelo.

En el invierno, la bomba de calor extrae calor del intercambiador de calor y lo transfieren al sistema de distribución de aire interior. En el verano, el proceso se invierte y la bomba de calor mueve el calor desde el aire del interior al intercambiador de calor. El calor extraído del aire del interior durante el verano puede usarse para calentar agua.

En la mayoría de las instalaciones estándar, especialmente en el mercado residencial, la bomba de calor geotérmica consiste en una única bomba de calor agua-a-aire compacta. Todos los componentes están contenidos en una única carcasa que tiene el mismo tamaño que una caldera de gas pequeña. La unidad incluye un intercambiador de calor de refrigerante-a-agua, tuberías de refrigerante y válvula de control, compresor, serpentín de aire (calienta en invierno; enfría y deshumidifica en verano), ventilador y controles.

Consideraciones de diseño del circuito geotérmico

La conexión del suelo, o circuito, proporcionan los medios para transferir el calor a tierra en verano, y extrayendo calor de la tierra en invierno. Físicamente, el circuito del suelo consiste en varios tramos de tubería de plástico típicamente instalados en trincheras horizontales o pozos verticales que están cubiertos con tierra.

El fluido en el interior del circuito del suelo, ya sea agua o refrigerante, es bombeado a través de un intercambiador de calor en la bomba de calor geotérmica. En el verano, absorbe calor de la zona caliente del refrigerante y la transporta al suelo a través de la tubería del circuito del suelo. En invierno, absorbe calor de la tierra a través del circuito del suelo, y luego transfiere ese calor a la zona fría del refrigerante.

La longitud del circuito del suelo queda determinada por las cargas de calor y frío, que vienen determinadas por el diseño del edificio, orientación y clima.

Una vez instalado, el circuito queda fuera de la vista bajo la superficie. El circuito del suelo consiste en tuberías de polietileno del mismo tipo que se usan en las conducciones de gas natural. No se degradan, ni corroen ni se descomponen en contacto con el agua, así que estas instalaciones pueden proyectarse para durar al menos 50 años.

A veces las bombas de calor geotérmicas se instalan usando una variación en esta práctica denominada intercambio directo (DX). Este método usa tuberías de cobre colocadas bajo el suelo y cuando el refrigerante es bombeado a través del circuito, el calor es transferido directamente a través del cobre a la tierra.

La mayoría de los circuitos se instalan horizontal o verticalmente en el suelo, o se sumergen en el agua en una charca o lago. En la mayoría de los casos, el fluido circula a través del circuito en un sistema cerrado, pero los sistemas de circuito abierto pueden usarse donde lo permite la normativa local. Cada tipo de configuración tiene ventajas y desventajas. 
 



Rentabilidad y costes

Cuando se comparan sistemas de calentamiento y refrigeración, deben considerarse seguridad, costes de instalación, costes de operación y costes de mantenimiento.

Un estudio llevado a cabo por Environmental Protection Agency en Estados Unidos comparando seis zonas climáticas principales comparó el rendimiento y costes de equipos de acondicionamiento de espacios de alta eficiencia con tecnologías emergentes.

Los resultados mostraron que las bombas de calor geotérmicas fueron el sistema de enfriamiento y calentamiento de espacios más eficiente, por encima de otros tipos de equipos de acondicionamiento de espacios incluyendo las calderas de gas y acondicionadores de aire de alta eficiencia.

Las bombas de calor geotérmicas han sido instaladas en cientos de edificios institucionales y comerciales en los Estados Unidos, incluyendo edificios de oficinas de 8.000 m2.

Como ejemplo de rentabilidad mencionamos un proyecto en Fort Polk que finalizó en 1996 tras una inversión de 18 millones de dólares. El proyecto, finalizado en 1996 redujo los costes en energía y mantenimiento en más de 3 millones de dólares anualmente. A lo largo de la vida útil del proyecto se conseguirá un ahorro total de 44 millones de dólares.

Un proyecto de reacondicionamiento de 4000 viviendas en Luisiana mostró que se reducía la demanda de electricidad pico en verano en 7.5 MW, o lo que es lo mismo un 43 %, y se reducía el consumo de electricidad en un 33 % a la vez que se eliminaba completamente el consumo de gas natural.

De acuerdo con las estimaciones más recientes realizadas por el gobierno de los Estados Unidos, hay más de 900.000 instalaciones de bombas de calor geotérmicas en el país. Estas instalaciones han conseguido ahorros de energía significativos y reducciones en emisiones de dióxido de carbono:

• La eliminación de más de 5.2 millones de toneladas métricas de CO2 anualmente.
• Ahorro anual de más de 7000 millones de kWh.
• Una reducción de la demanda energética en 2.3 millones de kW
 
 
Fuente de calor de fuente de aire

Continuando con la eficiencia de las bombas de calor vamos a dedicar un artículo a la descripción técnica de esta tecnología.

Descripción de la tecnología

El principio de las bombas de calor se basa en la primera ley termodinámica, según la cual la energía puede transferirse al sistema por calentamiento, compresión, o añadiendo materia, y extraída del sistema por enfriamiento, expansión, o extracción de materia.  Esto significa que el calor puede crearse de una fuente fría y viceversa cuando se aplica energía externa al sistema original. En último término puede extraerse calor de cualquier materia que está a una temperatura por encima del cero absoluto ( - 273.15 ºC).

En esta capacidad las bombas de calor pueden operar como sistemas de calor o de enfriamiento, expandiendo o contrayendo sustancias, o ambas.

Hay tres tipos básicos de bombas de calor:
  • Bombas de calor de fuente de aire.
  • Bombas de calor de absorpción.
  • Bombas de calor geotérmicas.
Bombas de calor de fuente aire

Una bomba de calor de fuente aire utiliza el aire exterior para calentar o enfriar un edificio. Cuando se utiliza para calentar un edificio esto se logra mediante la transferencia de calor al interior desde el aire exterior, y cuando se utiliza para enfriar un edificio esto se logra mediante la transferencia de calor desde el interior hacia el aire exterior. Para lograr la transferencia de calor en cualquier dirección, las bombas de calor de fuente de aire utiliza un sistema que incluye un cambiador de calor, un compresor y un medio para transferir el calor de un área a otra, por ejemplo, tubos que se han llenado con refrigerante.

El proceso de calentamiento se inicia con un refrigerante frío que se mueve al exterior donde se calienta por una combinación de aire exterior que salgan por un ventilador en bobinas de refrigerante, y un compresor que aumenta aún más la temperatura a través de la compresión del refrigerante. El refrigerante calientado se mueve en el interior dondee pasa a través de otro conjunto de bobinas de refrigerante (serpentines de calefacción), donde otro ventilador extrae el calor de las bobinas al soplar aire sobre ellas. El aire caliente puede ser distribuido sobre el edificio a través de conductos de aire. Por último, el refrigerante pasa a través de una válvula de expansión para enfriarlo y comenzar el ciclo de nuevo.

El proceso de enfriamiento es prácticamente la inversa del proceso de calentamiento, donde una válvula de inversión cerca del compresor cambia la dirección del flujo de refrigerante.
La eficiencia de las bombas de calor de fuente de aire es generalmente más alta que la de las calderas tradicionales y la calefacción eléctrica, lo que significa que a largo plazo cubrirá su inversión.

Las bombas de calor de fuente de aire funcionan ​​por electricidad, y existen sistemas que funcionan con paneles solares, ambas tecnologías limpias y eficientes energéticamente.

Bombas de calor por absorción


Las bombas de calor por absorción trabajan de forma similar a las bombas de calor de fuente aire, pero en lugar de utilizar la electricidad para comprimir un refrigerante, utilizan agua caliente generada a partir de captadores solares, recursos geotérmicos o gas natural en combinación con una bomba de absorción y una bomba de presión. La bomba de absorción absorbe amoniaco o bromuro de litio en agua. Esta mezcla se presuriza por una bomba de presión. El bromuro de amoniaco o litio es vaporizado en el agua por el calor del agua caliente la creando calor que puede ser utilizado en el interior. Sin embargo, a diferencia de las bombas de calor de fuente de aire, las bombas de absorción de calor no son reversibles.

Bombas de calor geotérmicas

Las bombas de calor geotérmicas utilizan la temperatura constante que existe en el subsuelo o en un cuerpo de agua, por ejemplo, un estanque, para transferir calor o frío a un edificio. Esto se logra mediante la transferencia de calor o frío desde debajo de la tierra a través de tubería subterránea que contiene un refrigerante. Existen diversas variaciones de esta configuración, incluyendo:

  • Intercambio directo
  • Bucle cerrado: Vertical, Horizontal  y Estanque
  • En bucle abierto: Fuente de columna vertical
Intercambio directo

El sistema de intercambio directo es el más simple, más eficiente y menos costosa. Se trata de una bomba de calor que hace circular un refrigerante a través de tubos de cobre subterráneo, donde el calor se transfiere desde el suelo hasta el refrigerante a través de la tubería de cobre. Aunque este sistema está limitado por la conductividad térmica del suelo, puesto que no requiere mecanismos adicionales, por ejemplo, la bomba de agua y un intercambiador de calor, ello hace que la eficiencia energética en general sea muy alta.

Bucle cerrado

El sistema en bucle cerrado consiste en dos conjuntos de tuberías, una que contiene agua y anticongelante y pasa por debajo de la tierra para absorber el calor y la transferencia a través de un intercambiador de calor a la segunda pipa que contiene refrigerante y está en contacto con la bomba de calor que distribuye el calor en todo el edificio. Este sistema también requiere una bomba de agua para mover el agua y anticongelante bajo el suelo. El nombre "bucle cerrado" viene del hecho de que los líquidos en los dos sistemas de tuberías se mantienen contenidos, sin renovarse, es decir, están continuamente reutilizándose.

Las variaciones en bucle cerrado incluyen la distribución de las tuberías subterráneas ya sea verticalmente, horizontalmente o bajo el agua. Determinar qué método es mejor dependiendo de factores tales como coste, disponibilidad de tierra, geología subterránea y la proximidad al agua. La configuración horizontal es más barata que la vertical, pero requiere más tierras y los ambientes húmedos son mejores para la transferencia de calor.

Bucle abierto

Una bomba de calor de bucle abierto funciona como un sistema de circuito cerrado en el que utiliza dos circuitos de tubería con un intercambiador de calor. La diferencia está en el bucle subterráneo, que, en lugar de volver a utilizar el mismo líquido, el agua tiene acceso de una fuente subterránea o estanque. En este caso el agua se renueva continuamente durante todo el ciclo. Un sistema de bucle abierto sólo es práctico donde hay un acceso fácil al agua. Problemas con este tipo de sistema incluyen la contaminación tuberías con minerales en el agua, y también la posibilidad de que tal sistema puede agotar o contaminar los acuíferos o pozos naturales.

Economía

La economía de las bombas de calor no es sencilla por varias razones. entre ellos:
  • Variaciones en los precios competitivos de la energía convencional  
  • Mal diseño e instalación del sistema  
  • Factores climáticos  
Sin embargo, si se diseña correctamente un sistema de bomba de calor será uno de los sistemas de calefacción más eficientes y eficaces, con un mínimo coste de mantenimiento anual y una vida útil de entre 25 y 200 años. Los sistemas de bomba de calor suelen pagarse por sí mismas en 1 a 10 años (dependiendo del tipo de sistema), convirtiéndolas en una inversión muy buena. 

Debido a la complejidad de la selección e instalación de un sistema de bomba de calor, se recomienda que todo el proceso se realica en colaboración con expertos experimentados.

 

Trabajando con suministros de energía inestables

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Trabajando con suministros de energía inestables 

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Un suministro eléctrico estable y fiable es un lujo al que estamos acostumbrados en algunos países del mundo, pero el resto del planeta no lo tiene tan sencillo. La energía es inestable en grandes áreas de África, América del Sur y Asia. Y el problema se agrava ya que el crecimiento de muchos países es superior a la capacidad de incrementar la producción de energía.
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Los sistemas de alimentación de energía ininterrumpidos con frecuencias de hasta 400 kVA pueden ser útiles para proteger líneas de proceso donde los cortes de suministro sean problemáticos (por ejemplo líneas de embalaje). La parada de producción de una de estas líneas durante varias horas supone importantes costes por pérdidas de producción y otras pérdidas derivadas del arranque como consecuencia de la especificidad de estas líneas.
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Para estudiar este tipo de instalaciones lo primero que debemos analizar son los costes que nos suponen los problemas de suministro y los posibles daños en las máquinas. Pero seguidamente debemos analizar la aplicación y diseñar correctamente el sistema de alimentación ininsterrumpida. Veamos los criterios esenciales a tener en cuenta en el diseño:
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A) AIRE ACONDICIONADO
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Los sistemas de baterías de ácido-plomo generan hidrógeno en el proceso de carga y éste se libera incluso en baterías totalmente selladas (la recombinación no es nunca del 100 %). Si la habitación prevista para albergar las baterías es demasiado pequeña debe preverse la instalación de ventilación suplementaria.
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El control de la acumulación de hidrógeno con el aire forma una mezcla que en concentraciones superiores al 4,1 % es explosivo incluso con pequeñas descargas electrostáticas. Recomendaciones a tener en cuenta en el diseño son la colocar suelos antiestáticos que eviten que la carga acumulada en las personas pueda ir a tierra.
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El hidrógeno es algo más ligero que el aire por lo que tenderá a elevarse y acumularse en la parte más elevada.
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C) SELECCIÓN DE LA UNIDAD UPS
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La seleccción de una unidad UPS se realiza midiendo la corriente de carga pico bajo las condiciones de operación normales del a línea de proceso. Las mediciones deben hacerse en cada una de las fases para comprobar que están equilibradas y a partir de ahí podremos calcular la demanda de potencia activa a la salida de la UPS. Hay que calcular también la potencia reactiva para tenerla en cuenta en la salida de la UPS. A partir de aquí es fácil dimensionar cableado y protecciones.
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Por último, calcularemos las caídas de tensión en el sistema y tendremos dimensionado un sistema que nos permite superar los problemas con los suministros de energía inestables.

 

El coste de la energía eléctrica de mala calidad

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El coste de la energía eléctrica de mala calidad


La calidad de la energía eléctrica es muy importante tanto para el funcionamiento de los equipos como por los costes adicionales que conlleva una energía eléctrica de baja calidad. El primer paso para comprender la naturaleza de los problemas es comprender cómo cada uno influye en la actividad comercial. En este nuevo artículo sobre la energía eléctrica en condiciones difíciles vamos a explicar los efectos de los defectos y los costes que supone su aparición.

El alcance de estos problemas es enorme en el mundo, incluso en países desarrollados. En la Unión Europea se estima que los problemas de calidad de la energía suponen un coste anual de 10.000 millones de euros.

Distorsión de armónicos

La distorsión de armónicos, causada por cargas no lineales en el sistema de suministro eléctrico, dan como resultado corrientes en el sistema que son de una magnitud más alta que lo esperado y contienen componentes de frecuencia de armónicos. Estas corrientes no pueden medirse adecuadamente por los medidores convencionales comunmente usados por los técnicos de instalación y mantenimiento, alcanzándose niveles de corriente que son seriamente desestimados y a veces son tan altos como del 40 %. Este error en magnitud solamente puede resultar en circuitos que se instalan con conductores demasiado pequeños. Incluso si la corriente está dentro de la capacidad de los dispositivos de protección contra sobrecorriente, los conductores trabajan a temperaturas más altas y derrochan energía - típicamente el 2 -3 % de la carga.

Los componentes de frecuencia de armónicos causan grndes pérdidas por corrientes parásitas en los transformadores porque tales pérdidas son proporcionales al cuadrado de la frecuencia. Debido a que las pérdidas son más altas, la temperatura del transformador es más elevada y la vida útil se acorta. La vida útil baja mucho incluso en transformadores moderadamente cargados.

El efecto económico de los armónicos esa acortar la vida de los equipos, una eficiencia energética reducida y una susceptibilidad a disparos intempestivos. El coste de los disparos intempestivos, como cualquier otra escasez no planificada, puede ser muy significativa. El acortamiento en la vida útil de los equipos es muy cara. Equipos tales como los transformadores se espera duren 30 o 40 años y si se tienen que reemplazar a los 7 y 10 años puede tener serias consecuencias financieras. El coste para conseguir evitarlo es relativamente pequeño, requiriendo sólo buenas prácticas de instalación y selección de equipo apropiado. La instalación de cables que tengan dos veces el tamaño del mínimo calculado reduce las pérdidas y los costes de operación con un pequeño incremento en el coste inicial.

Apagones

Los apagones son el problema de calidad de la energía más básico, durando desde varios segundo hasta, en los casos más extremos, meses.

La protección contra fallo total de energía requiere dos tipos de acciones. La instalación debe diseñarse para eliminar puntos únicos de fallo, o al menos aquellos identificados en una evaluación del riesgo. Seguidamente deben identificarse las necesidades de suministro de energía de apoyo. Las técnicas requeridas para protegerse frente a los apagones no son particularmente difíciles ni costosas.

Las industrias grandes intensivas en consumo energético requieren un segundo suministro de una sección diferente de la red de forma que sea improbable que un fallo afecte a ambos suministros. También puede ser viable el suministro en la propia planta, sobre todo cuando el coste de un fallo potencial puede ser elevado. El papel, por ejemplo, se fabrica en un proceso continuo que requiere velocidades controladas con precisión en cientos de rollos en una máquina que puede tener un tamaño de 500 m. Cualquier fallo en el suministro de energía, incluso una caída de tensión, causará pérdidas de sincronización, y parará el proceso. Todo el papel y la pulpa procesados debe limpiarse de la máquina y áreas circundantes antes de volver a arrancar; esto puede llevar muchas horas. Aparte de las pérdidas de producción, el derroche de materias primas y fuerza laboral, es muy importante que puedan incumplirse los plazos al cliente.

Para industrias más pequeñas con requerimientos de potencia más pequeños puede ser viable tener generación "in situ" que maneje los equipos esenciales durante apagones y reduzca los picos de demanda. Esto es mucho más barato, pero debe juzgarse el riesgo de fallo. Debe recordarse que un generador en standby tarda algún tiempo en arrancar, así que debe utilizarse un dispositivo tal como un UPS para las cargas sensibles. Un UPS tiene capacidad limitada y es importante que se usen sólo para soportar las cargas esenciales, tales como servidores de redes de computadoras y estaciones de trabajo críticos.

Dips o sags

Una reducción de pequeña duración en la magnitud de la raíz cuadrática media del voltaje de alimentación que dura de una fracción de segundos a varias segundos. Dips se describen en términos de duración y voltaje retenido, es decir, el porcentaje de voltaje de alimentación que queda durante el evento. Nótese que una pérdida completa pero muy corta de alimentación se llama interrupción pero frecuentemente es referida como dip.


Muchos dips son causados por fallos en la red de alimentación con la severidad del dip dependiendo de la posición relativa del generador, fallos y puntos de medición. No hay estadísticas oficiales sobre la severidad y distribución de los dips de voltaje, pero si datos de varios estudios individuales. Un estudio, llevado a cabo por un generador mayor, midió las perturbacioens de voltaje en 12 sitios con demanda entre 5 y 30 MVA. En un periodo de diez meses se registraron 858 perturbaciones, 42 de las cuales dieron como resultado interrupciones y pérdidas financieras. Aunque los 12 sitios fueron operaciones de fabricación de baja tecnología y con bajo valor añadido a los productos las pérdidas financieras totalizaban 600.000 euros (un promedio de 14.300 euros por evento). Claramente las plantas que fabrican productos de alto valor añadido y que requieren procesos de fabricación multietapa, tales como las de semiconductores, se enfrentarían a pérdidas mucho más altas.


Estos costes son enormes para eventos que parecen triviales ya que duran menos de un segundo. El problema es que que la respuesta de elementos individuales tales como los equipos de procesado de datos, o los variadores de motor de velocidad variable no están definidos ante los dips de voltaje, y el comportamiento de un sistema es imposible de predecir o controlar. Para procesos continuos, tales como la fabricación de papel, el efecto de un dip es tan serio como un apagón completo, con los mismos costes de limpieza, pérdidas de materia prima y pérdidas de producción. Para operaciones basadas en computadores el tiempo de re-arranque de un gran número de estaciones de trabajo y recuperación de transacciones pendientes y documentos sin salvar puede suponer varias horas. La industria de semiconductores es particularmente vulnerable porque las obleas requieren dos docenas o así de etapas de fabricación para ser completadas en variaos días. Si una oblea se echa a perder al final del proceso todo el valor del trabajo se pierde. La tasa de desarrollo en los semiconductores es ahora demasiado rápida, la competencai tan y tensa y loc ciclos de vida de producto tan cortos que la pérdida de producto es una preocupación mayor no solamente para los suministradores sino también para los clientes.


A continuación mostramos algunos de los costes que estos problemas suponen
por evento en varios tipos de industria:
  • En producción de semiconductores el coste es de 3.800.000 euros.
  • En negocios financieros el coste es de 6.000.000 por hora.
  • En centros de computación el coste es de 750.000 euros.
  • En centros de telecomunicaciones el coste es de 30.000 euros por minuto.
  • En el sector del acero el coste es de 350.000 euros.
  • En la industria del vidrio el costes es de 250.000 euros.
En suministros de energía ininterrumpible on-line, en el que la potencia de la carga se genera desde una batería de almacenamiento constantemente cargada desde la alimentación, obtenemos inmunidad a dips.

Transitorios

Los transitorios son perturbaciones de voltaje de muy corta duración (hasta unos pocos milisegundos) pero alta magnitud (hasta varios miles de voltios) con un tiempo de elevación muy rápido. La mayoría de los transitorios proceden de los efectos de la caída de rayos o la conmutación de cargas pesadas o reactivas. Debido a las altas frecuencias implicadas están considerablemente atenuadas cuando se propagan a través de la red de forma que estén cerca del punto de interés. Los dispositivos de protección en la red aseguran que los transitorios se mantienen dentro de unos niveles y la mayor parte de los problemas se deben a que la fuente de transitorios está cerca o dentro de la instalación.


El daño que resulta de los transitorios puede ser instantáneo, y tales como fallos catastróficos de aparatos eléctricos, o la corrupción de datos dentro de los computardores o en el cableado de la red, o puede ser progresivo con cada evento haciendo un poco de daño al material de aislamiento hasta que ocurren fallos catastróficos.


La protección es relativamente barata. El requerimiento básico es que la instalación del sistema de puesta a tierra esté diseñado para tener una baja impedancia sobre una banda de frecuencia ancha, con una buena conexión de baja impedancia al sistema de electrodo de tierra.

 

Cómo acabar con la distorsión de armónicos

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Cómo acabar con la distorsión de armónicos


El concepto
Los armónicos son por definición una distorsión del estado estacionario en la frecuencia fundamental (50/60 Hz)  de la red eléctrica en corriente alterna. La distorsión de armónicos de corrientes ocurre cuando un voltaje sinusoidal se aplica a una carga no lineal (ej. balasto electrónico, PLC, variador de velocidad ajustable, hornos de arco, y convertidor ac/dc). El resultado es una distorsión de la forma de onda fundamental. Esta distorsión ocurre en múltiplos enteros de la frecuencia fundamental (50/60 Hz). De aquí, el segundo armónico tiene una frecuencia de 2 x 60 = 120 Hz, el tercer armónico = 180 Hz y así sucesivamente. La distorsión de armónicos, por otra parte, se genera indirectamente como resultado de corrientes armónicas fluyendo a través del sistema de distribución.

Es importante indicar que la vasta mayoría de las corrientes armónicas encontradas en un sistema de distribución son armónicos de orden superior (3º, 5º, 7º, etc.). También; más a menudo que no, las fuentes de corrientes armónicas en un sistema de distribución son las cargas en operación dentro las instalaciones. Es interesante indicar que son las más sensibles a la distorsión en la corriente y/o voltaje.
La distorsión de armónicos es un problema creciente en todo el mundo, y sus efectos son una preocupación para las generadoras, distribuidoras de energía y los usuarios que consumen la energía.
Se está produciendo un rápido incremento de dispositivos eléctricos y electrónicos, tales como suministros de energía ininterrumpidos, computadores, equipos de telecomunicaciones e iluminación fluorescente, que producen armónicos que contaminan la red de potencia. Los variadores de velocidad variable también producen armónicos, lo cual es un problema particularmente importante en aplicaciones con alto consumo de potencia, por ejemplo las estaciones de bombeo.

Los fabricantes de variadores han intentado reducir los niveles de distorsión de armónicos generados por variadores de velocidad variable. El método convencional es equipar el variador con componentes extra – reactores, filtros activos o rectificadores multi-pulso – para conseguir disminuir la distorsión de armónicos en el variador.

Cada uno de estos componentes tiene éxito en reducir los armónicos en mayor o menor grado.

Los reactores son ahora una característica estándar en la mayoría de los variadores y reducen THD de corriente a 30 – 40 %, pero ahora no es factible para niveles por debajo del 30 %.

Las soluciones multi – pulso requieren un transformador de cambio de fase adicional y uno o más rectificadores, lo cual añade más complejidad, cableado y coste a la solución. El transformador requerido puede ser difícil de manejar, ya que no se trata solamente de unidades de distribución, ya que no son solamente unidades de distribución.

Los filtros armónicos pasivos típicamente reducen los armónicos a entre un 6 – 8 % y requieren un componente extra (el filtro) que es externo al variador. Esto puede crear dificultades en compatibilidad y calidad del componente entre el variador y el filtro y otros componentes de la red.

Variadores bajos en armónicos

ABB ha desarrollado un rango de variadores bajos en armónicos que ayudan a resolver los problemas creados por las tecnologías de variadores existentes para reducir la distorsión de armónicos.

La compañía dice que el variador reduce la distorsión de armónicos hasta niveles no previamente alcanzados sin necesidad de componentes externos adicionales. También ofrecen ahorro energético adicional típico del 50 % o más alto para aplicaciones tales como las de bombeo.

El variador bajo en armónicos es en sí mismo una variante del variador industrial de la compañía, que se ha fabricado por millones de unidades e instalado en todo el mundo. El variador no requiere filtros externos, transformadores multi-pulso u otros equipos adicionales para la reducción de armónicos, que reduce el número de componentes, complejidad, cableado y mantenimiento.

El variador utiliza un rectificador activo controlado para eliminar armónicos de bajo orden, y un filtro de línea LCL (inductor, condensador, inductor) para reducir armónicos de alta frecuencia. Así se recorta la distorsión de corriente de armónicos a entre 3 – 5 % de la capacidad de corriente del inversor nominal a plena carga.

 

Corrigiendo el problema de los armónicos en las instalaciones industriales

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Corrigiendo el problema de los armónicos en las instalaciones industriales 


Trabajamos en un centro industrial complejo y con frecuencia los equipos se estropean sin que encontremos un motivo concreto para ello. Este problema es cada vez más frecuente en la industria y es posible que se deba al problema de los armónicos.


El problema de los armónicos
La gestión de la calidad de la energía es el principal problema al que la industria se enfrenta hoy en día, y en particular al problema de las distorsiones de armónicos. Se trata de un fenómeno que ha irrumpido con fuerza desde hace muy pocos años como consecuencia del cambio en las cargas conectadas a los sistemas de distribución de electricidad. Nos referimos en particular a la utilización masiva de equipos electrónicos en aplicaciones domésticas, comerciales e industriales. El mundo actual está lleno de ordenadores portátiles, aparatos de aire acondicionado, variadores de velocidad, ascensores que se ajustan lentamente al llegar al destino y muchas otras aplicaciones similares. Todas ellas están equipadas con equipos tales como los rectificadores o los moduladores que distorsionan la forma de onda de la corriente eléctrica.
Los armónicos son introducidos en los sistemas de distribución industriales a través de los cada vez más frecuentes dispositivos de electrónica de potencia no lineales. Y los armónicos en los sistemas de potencia acortan la esperanza de vida de los equipos y pueden interferir con las líneas de comunicación y equipos sensibles. Dado el coste de las máquinas de hoy en día los armónicos provocan costosas averías sin una causa aparente y las averías son además reincidentes ya que en la mayoría de las ocasiones la medida que se lleva a cabo no es otra que sustituir el equipo dañado.

Incluso aunque los dispositivos no lineales y electrónicos sean flexibles, eficientes energética y económicamente, pueden degradar la calidad de la energía creando corrientes armónicas y consumiendo una excesiva energía reactiva.

 
¿Qué originan las corrientes de armónicos?


Las corrientes de armónicos provocan la distorsión de la curva de voltaje en el punto de acoplamiento común (y en otras partes del sistema de distribución), así que pueden quedar afectados diversos clientes por la contaminación de los armónicos. El fenómeno de la resonancia puede incrementar los componentes de armónicos del voltaje que llevarán a incrementar el voltaje en diferentes partes del sistema de suministro de electricidad, sobrecargando transformadores y, en particular condensadores. Los armónicos pueden también originar pérdidas al incrementar el calentamiento de líneas eléctricas, cables, transformadores y bancos de condensadores, llevando a la aceleración del envejecimiento y reducción de la vida operacional.

 
Protección frente a los armónicos

Las dos aproximaciones que se usan para superar la distorsión de armónicos son los filtros activos y pasivos.
El filtro pasivo es la solución convencional más simple para mitigar la distorsión de armónicos. Aunque simple, el uso de elementos pasivos no siempre responden correctamente a las dinámicas de los sistemas de distribución de energía. Proporcionan una inyección de corriente para quitar la corriente de armónicos del lado de la fuente del sistema eléctrico y también pueden mejorar el factor de potencia.
 
El diseño de filtros de armónicos se ha hecho convencionalmente mediante una aproximación de ensayo y error, aunque en los últimos años se han desarrollado varios métodos para conseguir un mejor diseño en los filtros de armónicos. Es importante sobre todo conseguir que el método considere la efectividad en costes de la selección de filtros y a la vez se evalúen las especificaciones que deben cumplirse en el sector industrial.

 
El problema del diseño de filtros de armónicos tiene una formulación parcialmente discreta y continua con una función de objetivo no lineal no diferenciable.

 
Veamos a continuación cómo se comportan los armónicos antes y después de la compensación. En la siguiente figura vemos la forma de onda de la corriente de alimentación antes de la compensación. Consiste en la corriente fundamental así como la corriente de armónicos debida a la carga no lineal.

Análisis de espectro de la corriente de alimentación antes de la compensación
En la siguiente figura vemos el análisis del espectro de la corriente de alimentación después de la compensación. La distorsión de armónicos totales (THD) de la corriente de alimentación se reduce al 4,10 % desde el 30,44 %.
Análisis del espectro de la corriente de alimentación después de usar compensación .

¿En qué industrias encontraremos los armónicos?


Hoy en día, en la industria moderna, alrededor del 50 % de los receptores de un cliente industrial son suministrados usando convertidores de frecuencia (variadores ajustables AC y DC), suministro de energía en modo de conmutación (para controladores de proceso o sistemas computerizados de suministro de energía) y balastos electrónicos. Debido a las características no lineales de estos receptores (se usan diodos, tiristores o transistores para convertir voltaje AC en voltaje DC y voltaje DC en voltaje AC o voltaje DC en voltaje DC), en los sistemas de distribución industrial aparecerán las corrientes de armónicos. Estas corrientes de armónicos llevan a la distorsión de la curva de voltaje en punto de acoplamiento común (y en otras partes del sistema de distribución). El fenómeno de la resonancia puede incrementar los componentes de armónicos de voltaje que llevan a incrementar el voltaje en diferentes partes del sistema de suministro de la electricidad, sobrecargando transformadores y, en particular condensadores. También, pueden causar pérdidas incrementando las líneas eléctricas aéreas, cables, transformadores y bancos de condensadores, llevando a la aceleración del envejecimietno del aislamiento y reducción de la vida útil. En los sistemas con cuatro cables, a las corrientes de armónicos con múltiple frecuencia en tres cables se le añadirán los armónicos en el conductor de neutro, así que los armónicos pueden alcanzar altos valores. Varias medidas pueden llevarse a cabo para educir las corrientes de armónicos del cliente, cambiando la frecuencia de resonancia y filtrando la distorsión de armónicos usando sistemas pasivos, activos o híbridos.

 

Cómo proteger los equipos ante las bajadas bruscas de voltaje (II)

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Cómo proteger los equipos ante las bajadas bruscas de voltaje (II) 



Ver 1ª PARTE

CARACTERÍSTICAS DE LOS SEGMENTOS DE TRANSICIÓN

Los segmentos de transición están relacionados cno los periodos de tiempo durante los cuales la magnitud del voltaje, y posiblemente otras características del voltaje, experimentan rápidos cambios. Estos cambios son demasiado rápidos para ser seguidos por los valores de rms, así que necesitan métodos alternativos para ser descritos. En muchos casos, los detalles del segmento de transición no se consideran cuando se describe la caída del voltaje. Esta es en parte una consecuencia de elegir el voltaje rms para describir la caída de voltaje. Esta sección discute algunas de las características de los segmentos de transición.


Típicamente, los segmentos de transición pueden correlacionarse con los eventos del sistema particular, o con la ejecución de ciertas acciones:
  • Punto en onda: En el caso más general, la causa fundamental de un segmento de transición puede ocurrir en cualquier momento en la forma de onda del voltaje. Para cuantificar eso se introdujo el término punto de onda, que se define como el ángulo de fase del voltaje instantáneo correspondiente al instante en el que tiene lugar la causa fundamental.
  • Tasa de cambio del onda: Durante una caída de voltaje, la transición de un estado estacionario a otro no es inmediato, pero tiene lugar con cierta velocidad. El cambio temporal correspondiente del voltaje instantáneo durante los segmentos de transición se denomina "tasa de cambio de voltaje". La tasa de cambio de voltaje puede ser expresada como un valor medio o máximo, describiendo gradientes positivos o negativos.
  • Oscilaciones amortiguadas: Ya que los segmentos de transición representan la transferencia entre dos estados estacionarios (ej. entre condiciones pre y post bajada de voltaje), o dos estados cuasi-estacionarios (ej. entre dos segmentos consecutivos durante el evento), están a menudo asociados con oscilaciones amortiguadas. En teoría de circuitos, este término se denominan transitorios y su origen y extensión a través del sistema son muy similares a los transitorios debidos a, por ejemplo, la energización del condensador.
Cambios en las características de la bajada de voltaje durante la propagación a través de la red

Cuando un fallo de cortocircuito ocurre en ciertas localizaciones del sistema, se experimentan caídas de voltaje en diferentes localizaciones del sistema. Este fenómeno se conoce como "dip propagation". Una norma general es que las caídas de voltaje medidas/experimentadas llegarán a ser menos severas en las localizaciones que vayan más allá de la posición de fallo. El término "menos severo" implica aquí que la caída en la magnitud de voltaje en todas las fases/canales es más pequeña, y que el cambio correspondiente en los ángulos de fase es menos pronunciado.



Discutimos brevemente cuando se produce este fenómeno:

Cambios en los segmentos del evento debido a las conexiones del devanado del transformador.

Diferentes conexiones de devanado/tierra del transformador cambian las magnitudes y los ángulos de fase de los voltajes de fase-a-fase y fase-a-tierra. Puede hacerse una distinción, en este contexto, entre los tres tipos generales de transformadores:

  • Transformadores que no tienen ningún impacto en los voltajes; son sólo transformadores Yy, puestos a tierra en ambos lados.
  • Transformadores que quitan el voltaje de secuencia cero en parte o completamente.
  • Transformadores que cambian los voltajes fase-a-fase en voltajes fase-a-neutro, y también quitan el voltaje de secuencia cero.
Una caída de voltaje debido a un fallo trifásico no produce cambios debido a los transformadores: Una caída de voltaje en una o dos fases, debido a un fallo asimétrico, cambia el tipo de caída de voltaje.

Un fallo en una sola fase en un sistema no puesto a tierra con solidez no causará ninguna caída de voltaje detrás de un transformador Dy. El impacto de un fallo de dos fases a tierra en un sistema puesto a tierra sin solidez es el mismo que el de un fallo de dos fases a un transformador Dy.

La carga y generación del motor  se basada en máquinas rotativas tendrán una impedancia baja por el componente de secuencia negativa, así que cualquier caída de voltaje desequilibrado resultará en una corriente de secuencia negativa alta. En consecuencia, el voltaje de secuencia negativa se amortiguará cuando se mueva hacia la carga. Esta reducción del voltaje de secuencia negativo cuando se mueve del nivel de voltaje fallado a los terminales del equipo se ha observado en muchos registros de caídas de voltajes. El último resultado es que la caída de voltaje debe quedar más equilibrado.

La carga del motor y cualquier tipo de generación mantendrá inicialmente el voltaje de secuencia positiva.
El resultado es que la caída en voltajes de secuencia positiva será más pequeña cuando se mueve hacia la carga. Este fenómeno es más fuerte para generadores síncronos. Para caídas de voltaje de larga duración en áreas con cantidades significativas de cargas de motor, sin embargo, el voltaje de secuencia positiva puede caer durante la última etapa de la bajada de voltaje, ya que el motor arrastrará corrientes más altas.

Cambios en los segmentos de transición

No se esperan cambios significativos en el punto en onda de los segmentos de transición cuando la caída de voltaje se propaga a través del sistema, excepto por la rotación de fase usual, que depende del grupo del vector del transformador (múltiplo de 30 º). Sin embargo, no se ha llevado a cabo ningún estudio para confirmar esta afirmación.

 

Cómo proteger los equipos ante las bajadas bruscas de voltaje (I)

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Cómo proteger los equipos ante las bajadas bruscas de voltaje (I) 




Las bajadas repentinas de voltaje de corta duración pueden ser comunes en algunas redes de distribución. Su duración típica puede ser  de varios ciclos del sistema de frecuencia o llegar a algunos segundos. El interés de estas bajadas del voltaje estriba en el impacto que pueden tener en los equipos del usuario final. Los procesos industriales pueden funcionar incorrectamente o dejar de hacerlo y originar pérdidas financieras significativas.

La tensión cae como consecuencia de incrementos de corta duración en la magnitud de la corriente, y también pueden producirse por cortocircuitos o caídas a tierra lo cual supone una preocupación aún mayor para los clientes. En este artículo hablamos de varios aspectos relativos a la inmunidad de los equipos e instalaciones, así como de áreas en las que se requiere un conocimiento adicional. La compatibilidad entre equipos o instalaciones y el suministro de energía eléctrica pueden mejorar de diferentes formas: alterndo la red de distribución; instalando equipos de mitigación en la interface entre el equipo sensible y la red; y mejorando el equipo o la instalación. En este artículo describimos la última forma de conseguirlo.

1) VALORACIÓN DE LA INMUNIDAD DE EQUIPOS Y PROCESOS

El impacto de las características de las bajadas bruscas de voltaje (magnitud, duración y otros) en la inmunidad del equipo puede ilustrarse de una forma cuantitativa.

Un concepto útil es el "tiempo de inmunidad del proceso". Se hace una dístinción entre fallos de equipos y fallos del proceso. Esta distinción permite una mejor valoración económica del impacto de la bajada del voltaje en las instalaciones industriales.

La economía que se consigue con la inmunidad ante las bajadas bruscas de voltaje es un hecho bien comprendido.

B) DESCRIPCIÓN DE LAS BAJADAS BRUSCAS DE VOLTAJE

Las dos medidas que caracterizan las bajadas bruscas de voltaje son el "voltaje residual" y la "duración". Ambas magnitudes se calculan del voltaje eficaz de un ciclo actualizado cada medio ciclo.


En casi todos los casos la caída del voltaje viene causada por un incremento de corta duración en la magnitud de corriente. Esta condición de sobrecorriente puede ocurrir debido a fallos del sistema de generación, o como resultado de una conmutación (por ejemplo, conexión) de una carga (típicamente un motor), o conmutación (por ejemplo conexión) de un componente de red (ej. un transformador). La bajada de voltaje que se produce por el arranque de un motor es diferente a la producida por un fallo.

Bajada de tensión en el segmento de transición

Las caídas de tensión por la conmutación/conexión de grandes componentes de suministro de energía y cargas del sistema contienen sólo un segmento de transición, que corresponde a la acción de conmutación. En caso de arranque del motor y energización del transformador, la corriente extraída de la alimentación mostrará un repentino incremento en el instante de la conmutación, seguido por una lenta declinación.


Las bajadas de voltaje debidas al arranque de motores trifásicos conectados directamente a grandes cargas exhiben la misma reducción en las magnitudes del voltaje y la misma pendiente de recuperación en los tres canales de voltaje (bajada de tensión equilibrada), mientras que la bajada debida a la energización del transformador mostrará diferentes magnitudes en diferentes canales (caída de voltaje desequilibrada). Las bajadas de tensión provocadas por la energización del transformador suelen estar asociadas a la distorsión de grandes armónicos.
La energización de condensadores también lleva a provocar eventos con un segmento de transición. Aunque no consideradas como caída del voltaje (debido a su corta duración), tienen el mismo impacto en el equipo sensible cuando cae el voltaje, y por lo tanto se considera durante el diseño y utilización del equipo de uso final.

Desequilibrio en redes trifásicas

Cuando se realizan mediciones en un sistema trifásico, la medición se realiza típicamente en tres canales de voltaje. Estos pueden ser voltajes fase-a-tierra, fase-a-neutro o voltajes fase-a-fase. La magnitud del voltaje y el ángulo de fase son típicamente diferentes en canales de voltaje distintos. Actualmente, no hay consenso general adoptado sobre cómo cuantificar estas diferencias. Varios métodos existen:

  • Usando una representación por fase de los eventos, basándonos en los voltajes en los tres canales individuales.  Usualmente, ya sean los voltajes de rms, o los voltajes complejos (ángulo de magnitud y fase) se usan para la caracterización de esta caída de voltaje y la clasificación con estos métodos.
  • Usando una clasificación de las caídas de voltaje en un número de tipos correspondientes a combinaciones típicas de magnitudes de voltaje y ángulos de fase debido al voltaje característico.
  • Contando el número de canales de voltaje en el que la magnitud del voltaje cae por debajo del umbral.
  • Usando componentes de voltaje positivo, negativo y de secuencia cero. Nuevamente, esto puede estar relacionado solamente con los cálculos de las magnitudes de voltaje, o voltajes complejos.
Distorsión de la forma de onda
En la mayoría de las bajadas bruscas de voltaje, las distorsiones de la forma de onda presentes en los segmentos de recuperación de voltaje y durante el evento son similares a las del segmento pre-evento. Hay algunas excepciones notables.

Las caídas de voltaje en la energización del transformador están asociadas con un alto nivel de la distorsión de la forma de onda en el segmento de la recuperación. Incluso los armónicos (especialmente segundo y cuarto) dominan inicialmente. Los cambios en el espectro de los armónicos cuando se recupera el voltaje, con el quinto armónico siendo el dominante en las últimas etapas. El voltaje del armónico segundo (expresado como un porcentaje en el voltaje nominal) puede alcanzar niveles similares a la caída experimentada en el voltaje de rms.



Respecto a los fallos causados por las caídas de voltaje puede ocurrir la saturación del transformador. En tales casos, el segmento de recuperación de voltaje exhibirá una distorsión de la forma de onda similar a la que ocurre durante la caída de energía en el transformador. Finalmente, algunos eventos de caídas de voltaje pueden originar transitorios de alta frecuencia en la forma de onda de voltaje instantáneo durante la caída de la frecuencia fundamental. Estos transitorios tienen generalmente corta duración y pueden tener carácter oscilatorio, usualmente representando oscilaciones amortiguadas que ocurren en la etapa inicial o final del evento de bajada de tensión


VER 2º PARTE 

 

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