electronica de potencia

Electrnica de potencia.Variadores de velocidadAutor: Gerardo David Garcia Gonzalez[Ver curso online]

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Presentacin del curso

Aprende acerca de la electrnica de potencia; y la contribucin al ahorro energticomediante la optimizacin del consumo tanto en la industria como en servicios y enviviendas. La electrnica se ocupa de los dispositivos y circuitos de estado slidorequeridos en el procesamiento de seales y la conversin de la energa elctrica.Aprenders la importancia que la electrnica de potencia tiene en el ahorro deenerga de los equipos electrnicos mediante un uso ms eficiente de la electricidad.Te ensearemos que la electrnica de potencia es la tecnologa clave para poner enmarcha todos los recursos de energas renovables, como son la elica y lafotovoltaica, as la transformacin de energa en una central termoelctrica queproduce la combustin, que genera la energa calorfica que se emplea para elcalentamiento del agua y para producir vapor.

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1. Electrnica de potencia. Introduccin[http://www.mailxmail.com/curso-electronica-potencia/electronica-potencia-introduccion]Introduccin

La electrnica de potencia (o electrnica de las corrientes fuertes1) es una tcnicarelativamente nueva que se ha desarrollado gracias al avance tecnolgico que se haalcanzado en la produccin de dispositivos semiconductores, y se define como "latcnica de las modificaciones de la presentacin de la energa elctrica" o bien como"la aplicacin de la electrnica de estado slido para el control", el cual el control seencarga del rgimen permanente y de las caractersticas dinmicas de los sistemasde lazo cerrado. La energa tiene que ver con el equipo de potencia esttica,rotatoria o giratoria, para la generacin, transmisin, distribucin y utilizacin de laenerga elctrica. La electrnica se ocupa de los dispositivos y circuitos de estadoslido requeridos en el procesamiento de seales para cumplir con los objetivos delcontrol deseados y la conversin de la energa elctrica. En la figura 1 se puedeapreciar un esquema bsico de bloques de un sistema electrnico de potencia.

Figura. 1:

Diagrama de bloques del convertidor de potencia operando en lazocerrado

1 corrientes fuertes: se refiere a corrientes grandes como de 15Amp, o mayores.

El desarrollo tecnolgico experimentado por la electrnica de potencia durante losltimos cuarenta aos la ha consolidado en la actualidad como una herramientaindispensable para el funcionamiento de todos los mbitos de nuestra sociedad tanto industrial como el de servicios y domestico. Esta posicin se ha conseguidocon la continua aportacin, de los tcnicos especializados en electrnica depotencia. En la figura 2 se muestra un esquema de la electrnica de potencia comouna disciplina interdisiplinar.



Figura 2.

La electrnica de potencia como una disciplina interdisiplinar.

La demanda del mercado es la que estira de las tecnologas y la electrnica depotencia empujada por el mercado, es una tecnologa posibilitadora, es decir, juegasolamente un papel de soporte al desarrollo de las otras tecnologas. La demandaactual consiste en la integracin de la electrnica de potencia en sistemas deprocesado de energa. Hay que dejar de hacer electrnica de potencia para pasar ahacer procesado de la potencia.

La introduccin de las mquinas elctricas junto con la distribucin de la energaelctrica inicio la nueva era elctrica que caracterizo la primera mitad del siglo XX.Con la invencin del transistor en el ao de 1948 se inicio la primera revolucinelectrnica, que nos introdujo en la era electrnica durante la cual asistimos a laaparicin de los circuitos integrados, ordenadores, comunicaciones, informtica,Internet y la automatizacin que nos llevaron hacia la sociedad de la informacinque produjo el fenmeno de la llamada "globalizacin".Mientas tanto, con la invencin del tiristor en 1956 se produjo de forma silenciosa ylenta la llamada por algunos "segunda revolucin electrnica", que culmina con lamadurez de la electrnica de potencia a mediados del siglo XXI. Es importantedestacar que la electrnica de potencia esencialmente consiste en una mezcla detecnologas impulsoras de la era mecnica, de la era elctrica y de la era electrnica.Nos encontramos ante una nueva tecnologa realmente interdisciplinar. Laelectrnica de potencia, con su esencia interdisciplinar, est destinada a desempearun importante papel en la consecucin de estos objetivos.La energa ha sido siempre necesaria para asegurar el continuo progreso de lahumanidad.



2. Electrnica de potencia. Antecedentes[http://www.mailxmail.com/curso-electronica-potencia/electronica-potencia-antecedentes]Antecedentes

La electrnica de potencia puede contribuir al ahorro energtico mediante laoptimizacin del consumo tanto en la industria como en servicios y en viviendas. Laregulacin de la velocidad de los motores elctricos es una de las aplicaciones msutilizadas de la electrnica de potencia, habiendo superado el estricto marcoindustrial y habiendo llegado actualmente a los equipos de aire acondicionado,lavadoras y ascensores.

La electrnica de potencia es tambin la tecnologa clave para poder poner enmarcha todos los recursos de energas renovables, como son la elica y lafotovoltaica, junto con los nuevos sistemas de almacenamiento de energa, comopueden ser las pilas de combustible, bateras, sper condensadores, volantes deinercia y bobinas superconductoras. En el campo de la movilidad, la electrnica depotencia es la tecnologa base del coche elctrico y est aportando grandesinnovaciones a los transportes ferroviarios, que deben experimentar un grandesarrollo futuro. Procesar inteligentemente la energa en los sistemas de potenciaconstituye una de las aplicaciones que ofrecen mayor posibilidades.

Donde se hace mas patente la gran importancia actual de la electrnica de potenciaes en el ahorro de energa de los equipos elctricos mediante un uso ms eficientede la electricidad. Se estima que aproximadamente se puede ahorrar entre un 15% yun 20% del consumo elctrico mediante una aplicacin extensiva de la electrnica depotencia. Aproximadamente del 60% al 65% de la electricidad generada esconsumida por motores elctricos y la mayora de estos accionan bombas yventiladores. De nuevo la eficiencia energtica de la mayora de estas bombas yventiladores puede beneficiarse del control a velocidad variable. Tradicionalmente,la variacin de flujo de los flujos impulsados por estos equipos se consiguemediante vlvulas obturadoras, mientras que los motores de induccin siguengirando a su velocidad fija nominal. Se puede demostrar que el funcionamiento delos motores y vlvulas totalmente abiertas con velocidad variable puede ahorrarhasta el 30% de energa en condiciones de carga ligera. El funcionamiento de losmotores de induccin con poca carga, se puede optimizar hacindole trabajar a flujode excitacin magntica reducido, con lo que se consiguen ahorros del 20%. Comoel precio de la electrnica de potencia sigue disminuyendo, es posible instalararrancadores de frecuencia variable en la alimentacin de motores aunque sea enaplicaciones de velocidad constante, permitiendo programar el control del flujo deexcitacin del motor, con el consecuente ahorro de energa.

Se estima que el 20% de energa generada se consume en la iluminacin. Laslmparas fluorescentes tienen un rendimiento energtico tres veces ms elevadoque las de incandescencia. La utilizacin de las reactancias de electrnica depotencia de elevadas frecuencias puede mejorar este rendimiento todava en un 20%adicional. La comercializacin a gran escala de las nuevas fuentes de luz de altsimorendimiento como son los LED de luz blanca necesitar la incorporacin de laelectrnica de potencia.



El actual progreso de la electrnica de potencia ha sido posible principalmentegracias a los avances en los dispositivos semiconductores de potencia junto con lasnuevas propuestas de topologas de convertidores de modulacin PWM, modelosanalticos, mtodos de simulacin, algoritmos de control y estimulacin,microcontroladores y DSP, circuitos integrados ASIC, etc. Aunque histricamente laelectrnica de potencia empez en el ao 1901 con la disponibilidad de la vlvularectificadora de arco de mercurio, no fue hasta la aparicin del tiristor en los aos50 cuando empez la era moderna de la electrnica de potencia de estado slido.Gradualmente fueron apareciendo otros componentes semiconductores de potenciaque se beneficiaron de los avances de la microelectrnica. Esta evolucin de loscomponentes, unida a la evolucin de los convertidores estticos y del control, hasido muy espectacular en la ltima dcada del siglo XX, llevando al a electrnica depotencia a su actual estado de madurez, que la convierte en una tecnologaestratgica para el futuro de la humanidad.

El tiristor, que fue el componente que domino la primera generacin de laelectrnica de potencia, actualmente sigue siendo indispensable en la aplicacionesde gran potencia y baja frecuencia, como son los rectificadores de la corriente de lared alterna, interruptores estticos, compensadores estticos de energa reactiva porcontrol de fase, onduladores autoconmutados para motores sncronos de muyelevadas potencias, baos galvanicos, procesos electrolticos y sistemas detransmisin de energa elctrica en alta tensin continua HVDC. Para aplicaciones dealta potencia y tensin se dispone actualmente de tiristores activados por la luz LTTde 8kV y 3,5kV con cadas directas de tensin de 2,7 a 3,5kV. Como las rdenes deldisparo se envan en forma de luz por fibra ptica, se dispone de suficienteaislamiento como para utilizarlo en aplicaciones de 259kV.

Durante muchos aos fueron muy populares los circuitos de conmutacin forzadade los tiristores, que dejaron de usarse con la aparicin del tiristor GTO (tiristorconmutado por la compuerta), el primer interruptor de potencia que se podacontrolar tanto al cerrar como al abrir. En la actualidad se fabrican solamente GTOpara aplicaciones de muy alta tensin y potencia, 6kV, 6KA, y estn en desarrolloGTO de 9KV y 12kV.

La necesidad de complejos circuitos de puerta y de ayuda a la conmutacin(snubbers) y las bajas frecuencias a las que se puede conmutar del orden de 500 Hz,hacen que el GTO quede relegado a aplicaciones de muy alta tensin, como puedenser la traccin y los sistemas elctricos de potencia. La disponibilidad de losmodernos IGBT de alta tensin hace que el GTO haya perdido alguno de sus camposde aplicacin tanto en traccin como en grandes convertidores de frecuenciaindustriales y tambin en la red elctrica de alta tensin.

Desarrollo del proyecto

Una central de generacin es una instalacin completa la cual tiene el objetivo deproducir energa elctrica, en base a una transformacin de la energa.

Figura 3.- Transformaciones de energa en una central de generacin.



La energa elctrica se produce como resultado de una serie de transformaciones deenerga (figura 3).Estas transformaciones de energa se realizan precisamente dentrode la central. La central debe constar con alguna forma de energa disponible apartir de la cual se inician todas las transformaciones necesarias hasta llegarfinalmente a la energa elctrica.

En la actualidad la electricidad se puede producir a partir de diversos mediosenergticos primarios (carbn, petrleo, gas natural, fisin nuclear, etc.) y tomandoel principio de que para generar electricidad basta contener un campo magntico,de una bobina y de energa mecnica suficiente como para hacerla girar.



3. Centrales termoelctricas (1/2)[http://www.mailxmail.com/curso-electronica-potencia/centrales-termoelectricas-1-2]A) Centrales termoelctricas

Enfocamos nuestra atencin a un tipo de centrales de generacin, que por sunumero y capacidad, son muy importantes en el sistema elctrico de nuestro pas;Las Centrales Termoelctricas. En la figura 4 se muestra en un diagrama debloques, la transformacin de energa en una central termoelctrica. En lastransformaciones de energa que se efectan en este tipo de centrales, observamoslo siguiente:

La fuente de energa disponible es combustible (combustible pesado, gas, diesel,carbn, etc.). La energa se encuentra almacenada en el combustible segn sucomposicin qumica y se libera haciendo que se produzca una reaccin qumicaque en este caso es la combustin. Al producirse la combustin, ya se tiene laprimera transformacin de energa, es decir, que la energa qumica del combustiblese transforma en calor (energa calorfica) en la flama y en los gases calientesproducto de la combustin.

Figura 4.-

Transformacin de energa en una central Termoelctrica.

La combustin se realiza en el lugar de un generador de vapor. Si la energacalorfica de los gases se emplea para calentar el agua y producir vapor, ya se tieneotra transformacin de energa. Los gases ceden parte de su energa al vapor,tenindose ahora vapor con mayor energa que llamaremos trmica (Para diferenciarcon el trmino de energa calorfica asignado a los gases calientes).La energa de vapor se transforma en trabajo mecnico en una turbina de vapor conla que se tiene otra transformacin de energa. Finalmente, si la turbina estacoplada mecnicamente a un generador elctrico, se tiene la ltima transformacinde la energa y se llega a un objetivo: "La produccin de energa Elctrica".



Todas las transformaciones de energa citadas se efectan dentro de una Centraltermoelctrica, que cuenta con el equipo para realizarlas. Estas transformacioneshacen que la central sea precisamente termoelctrica y no de otro tipo. Todo elequipo de una central termoelctrica es importante, pero de acuerdo a suparticipacin directa en la obtencin del objetivo, as como por su tamao y costo,se clasifica a los siguientes equipos como principales.



4. Centrales termoelctricas (2/2)[http://www.mailxmail.com/curso-electronica-potencia/centrales-termoelectricas-2-2]Nota:

Continuamos con las Centrales Termoelctricas.

Equipo principal de una Central Termoelctrica:

- Generador de Vapor.- Turbina ( y condensador)- Generador Elctrico.

Al resto del equipo que participa directa o indirectamente en la obtencin delobjetivo (produccin de energa elctrica) se clasifica como equipo auxiliar. Existeuna gran variedad de Equipo Auxiliar, entre los que citamos:

- Bombas.- Ventiladores- Extractores- Calentadores- Enfriadores- Compresores- Eyectores- Deareador- Tanques

Se llama sistema de flujo o simplemente "SISTEMA" a un conjunto formado porequipo y tuberas que manejan un fluido determinado, pudiendo ser, agua destilada,agua de mar, de enfriamiento, vapor, gases, combustible o cualquier otro requeridoen la central. Los sistemas de flujos pueden ser cerrados (formando un anillo) oabiertos. Los equipos auxiliares o los principales se integran para formar parte delos sistemas de flujo. Un mismo equipo puede pertenecer a varios sistemas, porejemplo, el generador de vapor perteneca al sistema de aire-gases de combustin,al sistema de combustible, al de valorizacin y sobrecalentamiento y a otras ms.

Segn las necesidades de cada central en particular, pueden tenerse diversossistemas. Entre los principales estn:

1. Condensado2. Agua de Alimentacin3. Vaporizacin y Sobrecalentamiento4. Vapor Principal5. Vapor auxiliar6. Extracciones y Drenajes7. Combustible8. Aire y gases de combustin9. Aceite de lubricacin y Control10. Aceite de sellos11. Sellos de Vapor12. Gases N2, CO2, H2.13. Enfriamiento Principal



14. Enfriamiento Auxiliar15. Tratamiento de agua Repuesto16. Desoficacin e Inyeccin Qumicos.17. Anlisis y Muestreo.18. Agua de Repuesto19. Agua contra Incendio.20. Agua de servicios.21. Aire de servicio.22. Aire de Instrumentos.23. Lubricacin Equipo Auxiliar.24. Agua de Mar.

En la figura 5 se representa un diagrama general de una central Termoelctricaincluyendo los sistemas principales. Este diagrama es solo representativo de unacentral termoelctrica. Tpica y pueden tener variaciones segn cada central real enparticular. Para los efectos de este trabajo, detallaremos los componentes delsistema de condensado, que es el sistema donde finalmente se aplico el proyecto deahorro de energa.



5. Condensador de vapor (1/3)[http://www.mailxmail.com/curso-electronica-potencia/condensador-vapor-1-3] B) El condensador

El vapor que sale por el escape de una turbina, dependiendo del diseo de estltima, puede seguir dos caminos diferentes.

a) Usarse para otros procesos (Turbina sin Condensacin).b) Condensarse (Turbina con Condensacin).En el caso de las centrales termoelctricas de la Comisin Federal de Electricidad elvapor se condensa, lo que permite aprovechar ms energa y recuperar el agua paraalimentarse de nuevo al generador de vapor.

La condensacin del vapor de escape se efecta en el condensador (figura 6). Lacondensacin es un proceso inverso a la ebullicin.

Figura 6.-

El condensador.



Figura 5.-

Diagrama general de una central termoelctrica.

El condensador es una gran cmara que se encuentra en la parte inferior del escapede la turbina. La cmara esta atravesada por miles de tubos y por el interior de lostubos circula el agua necesaria para el enfriamiento del vapor. El vapor hacecontacto con los tubos fros y se condensa, formando gotas que se precipitan en laparte inferior del condensador. El agua de enfriamiento se conoce como "Agua deCirculacin" y la proporcionan las bombas de circulacin, pudiendo ser aguastratadas, agua de una laguna o de mar. Se requieren grandes cantidades de agua decirculacin. El agua de circulacin sale con mayor temperatura y se enva a unastorres de enfriamiento o se desecha nuevamente a la laguna, o mar, segncorresponda. Como se Ilustra en la figura 7.

Figura 7.-

Proceso de circulacin del agua.



6. Condensador de vapor (2/3)[http://www.mailxmail.com/curso-electronica-potencia/condensador-vapor-2-3]Nota:

Continuamos con el Condensador

La condensacin del vapor produce una presin de vaco dentro del condensador(presin inferior a la atmosfrica). En la figura 8 se muestra el vaci en elcondensador.

Figura 8.-

Vaci en el condensador.

El agua resultante en el condensador, producto de la condensacin del vapor deescape, se enva nuevamente al generador de valor a travs de dos sistemas, elprimero de los cuales es el sistema de condensado. La funcin del sistema decondensado es extraer el agua del condensador y hacerla pasar por una serie deequipos que le aumentan gradualmente su temperatura hasta llegar al Deareador. Elaumento de temperatura del agua hace que sta llegue menos fra al generador devapor, adems de que aumente la eficiencia del ciclo.

Descripcin:

El sistema de condensado cuenta con el siguiente equipo:

- Condensador.- Pozo caliente: Se determina as a la parte inferior del condensador en donde secolecta el condensado.- Bombas de condensado: Extraen el agua del pozo caliente y proporcionan lapresin necesaria para que el agua pase por los calentadores y llegue al Deareador.Son bombas de presin baja comparadas con las bombas de agua de alimentacin.- Otros calentadores: El sistema incluye a dos equipos que tambin soncalentadores y aumentan la temperatura del agua de condensado. Se llaman



Condensador de Vapor de Sellos y Banco de Eyectores y reciben vapor de otrospuntos de ciclo que no analizamos. Calientan el agua en forma similar a loscalentadores del punto siguiente.

Calentadores de baja presin: Son equipos que aumentan la temperatura del aguadel sistema de condensado.

En la figura 9 se muestra un dibujo esquemtico del calentador de contacto.

Figura 9- Calentado de contacto.

El agua por calentarse circula por el interior de unos tubos, mientras que por elexterior circula vapor, el agua se calienta y el vapor se enfra en los calentadores decontacto. El agua pertenece al sistema de condensado y el vapor se toma de lasextracciones de la turbina. El agua de condensado y el vapor de extraccin no semezclan. El nmero de calentadores es variable en cada central, las unidades msgrandes cuentan con 4 calentadores de baja presin. A cada calentador se leasignan un nmero progresivo.



7. Condensador de vapor (3/3)[http://www.mailxmail.com/curso-electronica-potencia/condensador-vapor-3-3]Nota:

Continuamos el estudio del Condensador.

Es usual encontrar a los calentadores 1 y 2 instalados fsicamente en el cuello delcondensador. En este ultimo caso el camino seguido por el sistema de condensado ypor el sistema de las extracciones no se altera. En la figura 10 se muestra un dibujoesquemtico del calentador de agua por baja presin.- EL Deareador: Es un equipo que cumple simultneamente con dos funciones: Esun calentador de agua.Elimina los gases disueltos en el agua (Deareacin).

Figura 10.

Calentador de agua por baja presin.Para lograrlo, est diseado de tal manera que el agua del sistema del agua decondensado llega al Deareador y se fracciona en pequeas gotas mediante charolasy otros dispositivos (figura 11). Se alimenta vapor de tal forma que se arrastra a losgases disueltos en el agua y estos salen por un venteo en la parte superior deldeareador. Si el agua no se dearea, los gases disueltos producen corrosin en elgenerador de vapor. La mezcla de vapor con el agua tambin produce uncalentamiento y por lo tanto el deareador es un calentador. Como el calentamientose produce por mezcla, a diferencia de lo descrito en el punto anterior, que son decontacto.



Figura 11.-

Deareador (calentador de mezcla)

El agua deareada y caliente se almacena en un depsito inferior llamado tanque deoscilacin, de donde es succionada por las bombas de agua de alimentacin quienesla envan al generador de vapor. Al deareador se le asigna un nmero progresivodentro de los calentadores. En la figura 12 se muestra un dibujo esquemtico, serepresenta como se lleva acabo la circulacin del agua condensada por medio de lasbombas de condensado hasta llegar al deareador.

Figura 12- Circulacin del agua condensada hasta llegar al deareador.



8. Extraccin de condensado (1/2)[http://www.mailxmail.com/curso-electronica-potencia/extraccion-condensado-1-2]C) Planteamineto del problema

Para analizar la operacin de la bomba de extraccin de condensado (BEC). Nosenfocamos nicamente en la bomba de la unidad 1.

Esta BEC. Se encuentra en el sistema de extraccin de condensado. Este sistema esuna pequea parte del ciclo de generacin de vapor. El ciclo comienza con laextraccin de agua de los pozos; despus el lquido pasa a la caldera en donde se leaumenta la energa hasta convertirla en vapor; de aqu pasa a los economizadorespara finalmente conducirse a la turbina. En este momento, el ciclo llega a su primerafase. Despus, el vapor pasa al tanque condensador para convertirse en agua y laBEC bombea sta hacia el sistema de calentadores, para volver a proporcionarleenerga; y posteriormente dirigirla al tanque deareador, en donde es oxigenada.Finalmente, el agua es conducida hacia la caldera, cerrndose as el ciclo deproduccin de vapor.El sistema de extraccin de condensado comienza en el tanque condensador ytermina en el tanque deareador. La funcin de la BEC es la de bombear el aguadesde el primer tanque, al segundo; que se encuentra a un nivel de altura arriba delcondensador. La caldera demanda diferentes niveles de flujo de agua al deareador,segn la carga especfica de la unidad de generacin. Estos flujos son variables paradiferentes porcentajes de carga de la unidad. En el tanque deareador se debemantener el nivel de agua dentro de los lmites preestablecidos por diseo delsistema. Para satisfacer la demanda variable de la caldera y procurar que no quedeen vaco. Este nivel se mantiene con el flujo de agua recibida de la BEC. y que esproporcional a la demanda por la caldera.El control clsico del nivel del deareador en una central termoelctrica, consiste enobturar la tubera de descarga de la BEC a travs de una vlvula, provocando que laBEC se sobrecargue y se produzca sobrecalentamiento y prdidas I2R. Parasolucionar este problema, se propuso la aplicacin de un variador de velocidad almotor de la bomba, y as controlar el flujo de descarga; dejando totalmente abiertala vlvula y evitar las prdidas de energa y el desgaste de la misma vlvula. En laaplicacin del variador, es necesario primeramente conocer las velocidades de laB.E.C. con las cuales, debe descargar los flujos de agua, proporcionales a las quedemanda la caldera para cada nivel de carga de la unidad 1 (tabla 1).Existen presiones estticas que la bomba debe vencer; para que la bomba deextraccin de condensado pueda subir el agua al deareador; por lo tanto, se debecalcular tambin las presiones a la descarga de la BEC (mediante la ecuacin 1) yverificar si son suficientes para vencer las presiones estticas. Las presiones deldeareador, para los niveles de 100, 80, 50, y 25% de carga de la unidad, son de 7.0,5.48 y 3.20Kg/cm2 respectivamente. La presin de la columna de agua se obtiene de las ecuaciones 2 y 3.

Presin esttica = P. Deareador + P. de la Columna (1)Presin de la columna = (altura de la columna) * (presin del agua) (2)



Presin de la columna = ( 20 metros) * (0.093 ) (3)Tabla 1.- Valores de flujo de demanda de la unidad.

Tabla 2.- Resultado de las presiones y velocidades requeridas.



9. Extraccin de condensado (2/2)[http://www.mailxmail.com/curso-electronica-potencia/extraccion-condensado-2-2]Nota: Extraccin de condensado.

Extraccin de condensado. Solucin, construccin y pruebas.

Con los clculos anteriores, el variador de velocidad se instal en el motor de BECde la unidad 1. Las caractersticas de esta bomba son las siguientes: motor deinduccin jaula de ardilla; potencia de 150 HP, alimentacin a 220/440V; Velocidadde 1800 R. P. M. Y Tipo Centrifuga-vertical.El variador de velocidad que se instal es de la compaa ABB serie 502/505-B. Estevariador cuenta con un banco de rectificacin propio, con el fin de disminuir lasarmnicas generadas. Una vez instalado el variador, se realizaron pruebas sin y conel grupo motor-variador, a diferentes niveles de carga de la unidad. Con el objetivode analizar el comportamiento de la bomba.Las mediciones que se realizaron fueron las siguientes:- > Distorsin armnica a la entrada del variador.- > Vibraciones en la bomba.- > Voltaje y Corriente.- > Potencia demandada y energa consumida.

Los resultados de estas mediciones se presentan en las tablas 3, 4, 5, 6, y 7.

Tabla 3.- Medicin del contenido armnico sin variador de velocidad.

Tabla 4.- Mediciones de voltaje, corriente y vibraciones en la bomba, sin el variadorde velocidad.

Tabla 5.- Medicin del contenido armnico con variador de velocidad.



Tabla 6.- Mediciones de voltaje, corriente y vibraciones en la bomba, con elvariador de velocidad.



10. Variadores de velocidad (1/4)[http://www.mailxmail.com/curso-electronica-potencia/variadores-velocidad-1-4]Mediciones sin el variador de velocidad

El contenido armnico en la corriente y el voltaje es bajo. La corriente aumentaconforme la carga de la unidad disminuye. Esto es bebido a que la unidad requieremenos flujo y; por lo tanto, se utiliza la vlvula para obturar la tubera, provocandoque se sobrecargue la bomba. Como consecuencia de lo anterior, tambin elconsumo de energa aumenta.Mediciones con el variador de velocidad

En la utilizacin del variador, se observ que la corriente disminuyo y por lo tanto,el consumo de energa disminuyo tambin, debido a que la vlvula queda totalmenteabierta y solamente se disminuye la velocidad del motor (de la bomba).El contenido armnico en la corriente es muy alto, a pesar de que el variador cuentacon un filtro integrado. De esta medicin se observ la necesidad de instalar otrofiltro. Al operar con el variador, las vibraciones en le motor son de magnitud similara las de su operacin sin ste.

Uno de los puntos de ms inters, es ver el ahorro en la potencia consumida por elmotor de la bomba con el variador de velocidad, a diferentes capacidades de carga.La tabla 7 muestra estos ahorros.

En las mediciones de demanda elctrica sin el variador, se puede observar quecuando la unidad generadora se encontraba al 90%, el consumo de potencia activadel motor era de 214.3 KW, y cuando la generacin lleg al 50%, el consumo delmotor fue de 246.70 KW; observndose un aumento en la demanda.

En las mediciones de demanda elctrica con el variador, se puede observar quecuando la unidad generadora se encontraba al 90%, el consumo de potencia activadel motor era de 143.90 KW, y cuando la generacin lleg al 50%, el consumo delmotor fue de 55.47 KW; observndose una reduccin en el consumo de ste del 60%.

Tabla 7.- Demanda de potencia activa, con y sin el variador de velocidad.



11. Variadores de velocidad (2/4)[http://www.mailxmail.com/curso-electronica-potencia/variadores-velocidad-2-4]Nota: Continuamos con Mediciones con y sin variadores de velocidad

Con los datos obtenidos en las pruebas, se procedi a realizar un estudioeconmico con el fin de evaluar la rentabilidad del proyecto; por lo tanto, duranteun monitoreo de 24 hr, se midieron los promedios de demanda, los cuales semuestran en la tabla 8.

Tabla 8.- Monitoreo promedio de demanda durante 24 hrs.

De tal manera que para el ahorro al 90% de la carga tenemos los siguientes clculos:

AHORRO = 349,465.6$/aoPara una carga al 60%:

AHORRO = 419,333.9$/aoPor lo tanto, el ahorro total anual es de 768,799.5 $/ao.De tal manera que tendramos un flujo econmico de efectivo como el mostrado enla tabla 9. Los costos anuales son una estimacin por mantenimiento.

Tabla 9.- flujos de efectivo para el anlisis econmico del variador de velocidadABB 502-B.

Para determinar el valor presente de este flujo de efectivo, se tom una tase deinters anual del 12% y un horizonte econmico de 30 aos, que es el tiempo devida til del variador.

El valor presente neto (VPN) se determina de la siguiente manera: VPN = C.I. + I.A. + C.A.

VPN = -490,000.00 + 768,799.5 (P/A, I%, aos de vida til) - 10,000.00 (P/A, I%,aos de vida til).VPN = -490,000.00 + 768,799.5 (P/A, 12%, 30) - 10,000.00 (P/A, 12%, 30).VPN = -490,000.00 + 6,192,821.41 - 80,551.84.



VPN = $ 5,622,269.567.Por lo tanto, el rendimiento por peso invertido (R. P. I.) queda de la siguiente manera:

R.P.I. = $ 11.47/Peso invertido.De acuerdo al estudio que se realizo para la unidad 1 se realizaron para la unidad 3,el variador de velocidad se instal en el motor de Bomba de Extraccin deCondensado (BEC) de la unidad 3. Las caractersticas de esta bomba son lassiguientes: motor de induccin jaula de ardilla; potencia de 850 HP, alimentacin de 4,000V; Velocidad de 1800 R. P. M. Y Tipo Centrifuga-vertical.

El control clsico del nivel del deareador en una central termoelctrica, consiste enobturar la tubera de descarga de la BEC a travs de una vlvula, provocando que laBEC se sobrecargue y se produzca sobrecalentamiento y prdidas I2R. Parasolucionar este problema, se propuso la aplicacin de un variador de velocidadmencionado anteriormente, al motor de la bomba, y as controlar el flujo dedescarga; dejando totalmente abierta la vlvula y evitar las prdidas de energa y eldesgaste de la misma vlvula.



12. Variadores de velocidad (3/4)[http://www.mailxmail.com/curso-electronica-potencia/variadores-velocidad-3-4]Nota: Continuamos con Mediciones con y sin variadores de velocidad.

En la aplicacin del variador, es necesario primeramente conocer las velocidades dela BEC con las cuales, debe descargar los flujos de agua, proporcionales a las quedemanda la caldera para cada nivel de carga de la unidad 1 (tabla 1)Tabla 1.- valores de flujo de demanda de la unidad.

El variador de velocidad que se instal es de la compaa Rockbell AutomationAllen-Bredley, Power Flex 7000. En la figura 13 se muestra una fotografa delvariador de velocidad de la marca AB- Power Flex 7000.

Figura 13.- Fotografa del variador de velocidad marca AB- Power Flex 7000.

Este variador cuenta con un banco de rectificacin e inversin propio, el cual tieneuna tecnologa "direct to drive". Este variador cuenta con rectificador de frente activo(Direct to drive) propio, con el fin de disminuir las armnicas generadas. En la figura14 se muestra una fotografa de sistema de rectificacin e inversin para las tresfases. Una vez instalado el variador, se realizaron pruebas sin y con el grupomotor-variador, a diferentes niveles de carga de la unidad. Con el objetivo deanalizar el comportamiento de la bomba de extraccin de condensado.



Figura 14.- Fotografa del variador de velocidad marca AB- Power Flex 7000 de laparte inversora y rectificadora.

Los clculos que se van a realizar se aplicaran a la bomba de extraccin decondensado (B.E.C.) que alimenta al deareador, de la unidad 3 de la centraltermoelctrica de salamanca, se eligi esta bomba como resultado del anlisisefectuado. En las cuales se muestran las caractersticas de la bomba de extraccinde condensado. La bomba a la que se le aplico el variador tiene las siguientescaractersticas:

MOTOR Induccin jaula de ArdillaPOTENCIA 850 HPALIMENTACION 4,000 Volts.EFICIENCIA 94%CARGA NETA DE SUCCION 960 Ton/HrVELOCIDAD 1800 R.P.MTIPO Centrifuga

Esta bomba es de tipo vertical debido a que el condensador deposita el agua sobreun contenedor que se ubica por debajo del suelo, y sirve como deposito paraasegurar que la bomba de extraccin de condensado se encuentre siempretrabajando con carga y no se tengan problemas debido al sobrecalentamiento porfalta de agua, para tal caso es ms recomendable la bomba de extraccin tipovertical. En la figura 15 se muestra una fotografa de la bomba de extraccin decondensado.



Figura 15.- Fotografa de la Bomba de extraccin de Condensado

As, para poder controlar el flujo de la bomba de extraccin de condensado, se pusooriginalmente una vlvula, entre la bomba de extraccin de condensado y eldeareador, como se haba venido haciendo anteriormente. Este mtodo presentabael inconveniente de que existan tensiones debidas a esfuerzos mecnicos en lasvlvulas por estrangular el flujo, adems de requerir un constante mantenimientodebido a la friccin del flujo con la vlvula.



13. Variadores de velocidad (4/4)[http://www.mailxmail.com/curso-electronica-potencia/variadores-velocidad-4-4]Nota: Continuamos con Mediciones con y sin variadores de velocidad

De acuerdo a las caractersticas del motor y al momento de acoplarse el variador develocidad se realizaron las mediciones siguientes:

* Voltaje y Corriente.* Potencia demandada y energa consumida.* R. P. M. y Frecuencia.

Los resultados de estas mediciones se presentan en las tablas 10, 11, 12, 13 y 14.

Tabla 10.- Mediciones de voltaje, corriente, frecuencia y R. P. M. de la bomba, sin elvariador de velocidad.

Tabla 11.- Medicin de Potencia demandada y energa consumida sin variador develocidad.

Tabla 12.- Mediciones de voltaje, corriente, frecuencia y R. P. M. de la bomba, conel variador de velocidad.

Tabla 13.- Medicin de Potencia demandada y energa consumida con variador develocidad.



Mediciones sin el variador de velocidad

La corriente disminuye muy poco conforme la carga de la unidad disminuye. Esto esbebido a que la unidad requiere menos flujo y; por lo tanto, se utiliza la vlvulapara obturar la tubera, provocando que se sobrecargue la bomba. Comoconsecuencia de lo anterior, tambin el consumo de energa aumenta.



14. Ahorro de energa[http://www.mailxmail.com/curso-electronica-potencia/ahorro-energia]Mediciones con el variador de velocidad

En la utilizacin del variador, se observ que la corriente disminuyo y por lo tanto,el consumo de energa disminuyo tambin, debido a que la vlvula queda totalmenteabierta y solamente se disminuye la velocidad del motor (de la bomba).Ahorro de Energa. Uno de los puntos de ms inters, es ver el ahorro en lapotencia consumida por el motor de la bomba con el variador de velocidad, adiferentes capacidades de carga. La tabla 14 muestra estos ahorros.

En las mediciones de demanda elctrica sin el variador, se puede observar quecuando la unidad generadora se encontraba al 90%, el consumo de potencia activadel motor era de 641 KW, y cuando la generacin lleg al 60%, el consumo delmotor fue de 589 KW; observndose una disminucin en la demanda.

En las mediciones de demanda elctrica con el variador, se puede observar quecuando la unidad generadora se encontraba al 90%, el consumo de potencia activadel motor era de 525 KW, y cuando la generacin lleg al 60%, el consumo delmotor fue de 245 KW; observndose como reduca un poco ms el consumo de ste.

Tabla 14.- Demanda de potencia activa, con y sin el variador de velocidad.

Con los datos obtenidos en las pruebas, se procedi a realizar un estudioeconmico con el fin de evaluar la rentabilidad del proyecto; por lo tanto, duranteun monitoreo de 24 hr, se midieron los promedios de demanda, los cuales semuestran en la tabla 15.

Tabla 15.- Monitoreo promedio de demanda durante 24 hrs.

De tal manera que para el ahorro al 90% de la carga tenemos los siguientes clculos:

AHORRO = 1,446,451.2 $/aoPara una carga al 65%:



Por lo tanto, el ahorro total anual es de 1,942,851.2 $/ao.De tal manera que tendramos un flujo econmico de efectivo como el que semuestra en la tabla 16.Los costos anuales son una estimacin por mantenimiento.

Tabla 16.- flujos de efectivo para el anlisis econmico del variador de velocidadAllen-Bredley, Power Flex 7000 .

Para determinar el valor presente de este flujo de efectivo, se tom una tase deinters anual del 12% y un horizonte econmico de 10 aos, que es el tiempo devida til del variador.

El valor presente neto (VPN) se determina de la siguiente manera:VPN = C.I. + I.A. + C.A.VPN = -1,659,000.00 + 1,942,851.2 (P/A, I%, aos de vida til) - 52,000.00 (P/A,I%, aos de vida til)VPN = -1,659,000.00 + 1,942,851.2 (P/A, 12%, 10) - 52,000.00 (P/A, 12%, 10)VPN = - 1,659,000.00 + 10,977,542.59 - 293,811.6VPN = $ 9,024,730.99Por lo tanto, el rendimiento por peso invertido (R. P. I.) queda de la siguiente manera:

R.P.I. = $ 5.44/Peso invertido.

Figura 16 y 17: grficas de comparacin del ahorro econmico de energa para lasB.E.C. de 480V y 4Kv.



Como se puede observar en las figuras 16 y 17 al momento de comparar las dosB.E.C. de 480V y 4kV. El ahorro econmico de la B.E.C. para la de 480V es mayor elahorro que para la B.E.C. de 4kV, debido a que para la B.E.C. de 4kV. y el ahorro seempieza a observar cuando la carga empieza a disminuir ya sea al 90, 80, 70, y 60%de carga para las dos bombas, porque al 100% de carga las bombas estntrabajando a su mxima.



15. Electrnica de potencia. Conclusiones[http://www.mailxmail.com/curso-electronica-potencia/electronica-potencia-conclusiones]Conclusiones:

En la actualidad el costoso de la produccin de la energa elctrica que se utilizapara el desarrollo econmico del pas es ms elevado, por tal motivo es necesariohacer un estudio de ahorro de energa que se fundamenta en un anlisisestadstico, para determinar posibilidades ms efectivas de ahorro de energa.

Ya que la industria elctrica ha tenido una fuerte expansin y su principal motor sefundamenta en el uso de combustibles fsiles y siendo este un recurso norenovable, se implanto el "Plan de ahorro de energa" el cual para su desarrolloplantea los siguientes puntos:

- Entender como se usa la energa y que impacto tiene su empleo.- Analizar los costos de la energa.- Realizar un anlisis estadstico del consumo de auxiliares.- Determinar las reas de oportunidad.

Se puede ahorrar energa en el consumo de auxiliares una de las cuales se puedeutilizar el ahorro de energa en las bombas de extraccin de condensado, comoestas son bombas en las cuales su velocidad depende de su frecuencia, se puedevariar el flujo o mejor dicho el gasto de acuerdo a la variacin de la carga y con estolograr que la bomba consuma una cantidad de potencia menor.

Tambin cabe decir que se pueden aplicar los variadores de velocidad nicamenteen el caso de procesos en los cuales se utilizan una carga variable. Esto significa quese pueden utilizar estos dispositivos para el ahorro de energa, tambin uno de losproblemas principales de los variadores de velocidad es el elevado contenido dedistorsin armnica, debido a que el variador se comporta como una carga no linealpara el sistema.

Una de las ventajas que presentan estos dispositivos es el ahorro en el consumo depotencia por el motor, proporcionando un alargamiento en la vida til del motordebido a que no se encuentra sometido a la misma carga. Uno de los problemas quese presento en el variador de velocidad marca Power Flex 7000 fue que como elvariador se acoplo a la bomba de condensado, al momento de poner a trabajar a labomba de extraccin de condensado con el variador a mximas cargas el variador sedisparaba por elevacin de temperatura, el cual una de las causas principales sonlos armnicos y el polvo.

Una de las soluciones que se propusieron era en poner al variador en un cuartocerrado en el cual tenga un flujo de aire bueno para as que no le afecte al variadorel polvo.



16. Operacin del variador de velocidad. Apendice A[http://www.mailxmail.com/...curso-electronica-potencia/operacion-variador-velocidad-apendice]Apendice A

Principios de operacin del variador de velocidad

Frecuencia del rotor y fuerza electromotriz inducida

Un motor de induccin trabaja con base en los voltajes inducidos en el rotor. Lomismo que un transformador, el primario (Estator) induce un voltaje en elsecundario (rotor), pero a diferencia del transformador, la frecuencia en elsecundario no es necesariamente la misma frecuencia que hay en el primario.

Si el rotor de un motor bipolar de 50 ciclos esta en reposo, y se aplica una corrientede 50 ciclos al estator, el Flujo de un polo N cortar cada uno de los conductoresdel rotor 50 veces por segundo y otras tantas veces el del polo S, ya que sta es lavelocidad del campo giratorio. Si el estator fuese de 4 polos, la velocidad del campose reducira a la mitad, pero a cada uno de los conductores le cortara entonces elflujo de dos polos N y de dos polos S, por revolucin del campo y, por tanto 50polos N y 50 polos S en un segundo, igual que cuando el motor era bipolar. Enconsecuencia, en cada caso, la frecuencia de la corriente del rotor en reposo (S = 1)ser la misma. Que la frecuencia del estator, cualquiera que sea el numero de polos.

Si el rotor del motor de 50 ciclos arriba citado girara a la mitad de su velocidad desincronismo en la direccin del campo giratorio (S = 0.5), cortaran los conductoresdel rotor justamente a la de los flujos de polos N y S por segundo que cuandoestaba en reposo y la frecuencia de la corriente del rotor ser por lo tanto, 25periodos por segundo. Tomando otras velocidades del rotor se llega a determinarque la frecuencia del rotor es: fr= sfe

Donde : fr = es la frecuencia del rotor. s = es el deslizamiento. Fe = es la frecuencia del estator.

A1.- Mtodos de control de velocidad

Los mtodos para controlar la velocidad de un motor elctrico, varan con el tipo demotor que se desea controlar. Cada mtodo tiene sus propias limitaciones, pero esposible satisfacer los requisitos de cualquier aplicacin. En la tabla siguienteaparecen las relaciones entre los diferentes tipos de motores de uso ms comn, yel tipo de control de velocidad que corresponde a cada uno de ellos.



Frecuentemente, cuando se desea obtener una regulacin amplia y progresiva de lavelocidad, se emplean motores de corriente directa. Pero, para utilizarlos, Hay querectificar previamente la corriente alterna de alimentacin y sta rectificacinsiempre significa prdidas suplementarias de energa y un aumento del costo. Poresta razn, en numerosas instalaciones regulables, se emplean motores de corrientealterna, que son ms econmicos, sencillos, y requieren poco mantenimiento.

Los motores de Corriente alterna se clasifica en:1 . - Sncronos.2 . - Asncronos; estos a su vez se dividen en:a) Jaula de Ardilla.b) De Rotor Devanado.c) De Colector.Descubre miles de cursos como ste en www.mailxmail.com 37


c) De Colector.Por lo general, se emplean motores de induccin de jaula de ardilla o de rotordevanado. Los motores Sncronos se emplean frecuentemente en las instalacionesde mediana y gran potencia, que no exigen una regulacin de la velocidad. Aunque,por principio, sea posible regular la velocidad de estos motores por variacin defrecuencia, se consideran motores de velocidad no regulable.



17. Control de velocidad por frecuencia[http://www.mailxmail.com/curso-electronica-potencia/control-velocidad-frecuencia]A2 Control de velocidad por frecuencia

El variador de frecuencia es un aparato electrnico que permite controlar lavelocidad de motores de induccin elctricos, siendo que el control de velocidad eshecho cambiando la frecuencia de la salida de corriente enviada al motor, en elrango de 0 a 400 Hz. Este variador es alimentado por un sistema trifsico en dosrangos de voltaje: 200 a 240 Volt, 50 y 60 Hz o 380 a 480 Volt, 50 o 60 Hz.Una excelente forma de controlar la velocidad de un motor de induccin es variandola frecuencia del voltaje de alimentacin.Este mtodo implica disponer de una fuente separada, en donde la frecuencia y latensin puedan ser variadas simultneamente y en proporcin directa una de laotra; ya que para obtener un flujo permanente en los motores, se deben manteneruna relacin constante entre la tensin V, y la frecuenta f de la fuente dealimentacin, la razn de mantener una relacin constante entre la tensin aplicaday la frecuencia de la fuente, es porque el par desarrollado depende de la magnituddel flujo, y existen muchas aplicaciones en donde conservar el par constante, es deespecial inters.

La fuente de frecuencia variable puede ser:

a) Grupo Motor - Generador.b) Conmutatriz o convertidor rotativo.El primero es un montaje que emplea un motor de corriente directa de velocidadregulable y un generador sncrono acoplado a ste. Variando la velocidad del motorse obtienen variaciones en la frecuencia y como el campo de excitacin delgenerador se mantiene en un cierto valor fijo, todas las variaciones de frecuenciairn acompaadas por cambios proporcionales en la tensin.

En el segundo inciso el convertidor rotativo es una mquina en las que se renen lascaractersticas del montaje motor-generador; transforma la energa de una red decorriente alterna de una frecuencia dada, en energa de otra frecuencia. Enocasiones se encuentran cadenas de regulacin de velocidad, en donde motores derotor devanado se emplean como convertidores de frecuencia.

El motor de rotor devanado puede actuar como un convertidor de frecuencia, ya queal conectar a la red su devanado del estator, el campo giratorio producido inducetensiones en el rotor cuya frecuencia depende del deslizamiento, esto es:

En donde fr es la frecuencia del rotor expresada en ciclos por segundo, f lafrecuencia en el estator, misma de la red y S, es del deslizamiento. As, a rotorbloqueado (s = 1), la frecuencia en el rotor es de la misma red.Se acostumbra acoplar el rotor del motor de rotor devanado, a un motor que lo



Se acostumbra acoplar el rotor del motor de rotor devanado, a un motor que loimpulse, de tal manera, que haciendo girar en contra del campo o en la mismadireccin que ste, se obtengan variaciones de frecuencia mayores. La mquinaimpulsora puede ser un motor de corriente directa con velocidad ajustable, cuandose desean obtener rangos diferentes, o un motor de induccin jaula de ardilla,cuando los valores de frecuencia son fijos.Bibliografa:

1. Variadores de velocidad para motores de induccin jaula de ardilla de C.A.trifsicos.2. Introduccin a C.T.3. Motor Drives - a Technology update.4. Specifying electric motors.5. Aplicacin de Variadores de frecuencia C.T.6. TESIS DE: Dr Miguel ngel Gmez MartnezTema de tesis: Ahorro de energa mediante aplicacin de variadores elctricos develocidad por control de frecuencia. 7. Paper RVP-AI799-AI-31 Ponencia recomendada por el comit de aplicacionesindustriales del capitulo de Potencia del IEEE.

NOTA:

Con este captulo hemos llegado al final del curso.

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