La revista técnica corporativa

del Grupo ABBrevistaABB

El puesto de trabajo del operario del futuro 6 Transformadores y terremotos 16 Control inteligente del motor 27 Filtros activos que aumentan la calidad de la energía 51

Especial productividad

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2 revista ABB 4|10

A menudo se dice que el conjunto puede ser más que la suma de sus partes. Esto es así en casi todos los aspectos de la actividad industrial. El objetivo de reducir los residuos, la variabilidad y las interrupciones imprevistas debe alcanzarse no sólo mediante la optimización de los aspectos y compo­nentes individuales, sino también considerando las distintas interacciones que existen entre recursos y componentes. Este número de la Revista ABB, “Especial productividad”, aborda tecnologías concretas y su interacción en sentido amplio, todo ello al servicio de una mayor productividad.

3Índice

Índice

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El operario eficazEl puesto de trabajo del operario del System 800xA está preparado para las necesidades actuales y futuras

Seguridad en los accionamientosSeguridad funcional en la maquinaria, especialmente en accionamientos de CA

Comportamiento sísmicoAnálisis sísmicos avanzados de productos eléctricos

La electrónica de potencia en el suministro eléctricoLos semiconductores son un factor clave de las redes eléctricas

Control inteligente del motor El UMC100 es un ejemplo excelente de controlador flexible, modular y escalable de motor

Dejar lo mejor para el final¿Arrancadores suaves, accionamientos de velocidad variable o ambos?

Sencillamente eXTraordinariosPresentación de la nueva familia Tmax XT de ABB de avanzados interruptores automáticos en caja moldeada

Transformadores móvilesTransformadores modulares de instalación rápida para sistemas de transmisión de alta tensión

Una mejora activa de la calidadLos filtros activos PQF de ABB mejoran el rendimiento y la eficiencia de los sistemas

Conexión eléctrica desde el muelle al buqueUna solución de ABB llave en mano que reduce de forma eficaz las emisiones en los puertos

La Revista ABB en 2010Índice de artículos

El suministro eléctrico

Índice de 2010

Productividad y control

Productividad y seguridad

revista ABB 4|10 4

Peter Terwiesch Director General de TecnologíaABB Ltd.

A pesar de todas las precauciones, habrá situaciones en las que se produzca el fallo inesperado de grandes componentes. Debido a los plazos de fabricación y transporte, los grandes transformadores eléctricos no pueden sustituirse en poco tiempo. Una solución consiste en utilizar transformadores móviles. Son pequeños y lo bastante ligeros para poder reemplazarlos en poco tiempo utilizando la infraestructura de transporte existente y para montarlos in situ con rapidez como una solución temporal hasta que pueda repararse o sustituir­se la unidad dañada. Hasta ahora, los transfor­madores móviles tenían un límite de 250 kV, pero ABB ha presentado recientemente una versión de 400 kV.La electrónica de potencia es un área que ha permitido mejoras significativas de la productivi­dad en las últimas décadas. Entre las ventajas se incluye el ahorro de energía, la mejora del control y la simplificación del mantenimiento. La Revista ABB dedica varios artículos a las ofertas de la empresa en el ámbito de la electrónica de potencia, que abarca desde semiconductores al control inteligente de motores.Otros artículos se centran en la última genera­ción de interruptores de circuito de caja moldeada, los filtros activos para sistemas eléctricos y la reducción del consumo de combustible de los buques mientras están en el puerto.Cambiando de tema, me gustaría dar las gracias a todos los lectores que han participado en la encuesta realizada en el número anterior de esta revista. Presentaremos los resultados en el próximo número de la Revista ABB.Espero que este número de la Revista ABB le permita conocer mejor el fascinante mundo de la productividad industrial y la amplia gama de soluciones que ABB ofrece.

Que disfrute de la lectura.

Peter TerwieschDirector General de TecnologíaABB Ltd.

Estimado lector:La producción es la transformación de materias primas, capital, mano de obra y energía en productos y servicios. Los productores se esfuerzan constantemente por minimizar la huella de los recursos a la vez que maximizan la productividad teniendo en cuenta cuestiones medioambientales, normativas, de seguridad, etc. La búsqueda de una mayor productividad ha pasado de optimizar componentes por separado a centrarse cada vez más en todo el proceso. Para ello, se cuenta con el apoyo del progreso tecnológico en ámbitos como el control, las comunicaciones, la integración y el análisis en tiempo real. Nuestro artículo de apertura trata del inter­cambio de información entre una planta y sus operarios. El diseño de las interfaces entre el hombre y la máquina influye en gran medida en la capacidad del operario para detectar situaciones anómalas y reaccionar antes de que se vuelvan críticas. Detalles evidentes del diseño de la interfaz pueden favorecer la detección temprana y lograr así un verdadero efecto en la productividad de la planta.No todas las situaciones anómalas pueden evitarse únicamente con la vigilancia del operario. Es tarea de los sistemas de seguridad controlar en todo momento el equipo y los procesos, y reaccionar cuando se superan determinados parámetros. Tradicionalmente, los sistemas de seguridad se han separado de los sistemas de control y han exigido cables y hardware específicos. No obstante, las funcio­nes de seguridad pueden integrarse cada vez más en los sistemas de control. Abordamos este tema con el ejemplo de los accionamientos de CA. Evitar situaciones anómalas por medio de buenas prácticas operativas y una sólida cultura de seguridad es la mejor manera de evitar interrupciones y pérdidas de productividad. Sin embargo, a veces los incidentes vienen causados por influencias externas excepciona­les, como los seísmos. El equipo debería ser lo bastante resistente para soportar dichos incidentes y reanudar sus operaciones habitua­les lo antes posible. Hemos dedicado un artículo a la resistencia sísmica de los grandes transformadores.

Editorial

Productividad

5Editorial

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HongyU PEi BrEivoLD, MArTin oLAUSSon, SUSAnnE TiMSjö, MAgnUS

LArSSon, roy TAnnEr – Las pérdidas mundiales en la industria de procesos se calculan en unos 20.000 millones de dólares anuales, lo que equivale al 5% de la producción total 1. El 80% de ellas podrían evitarse, y el 40% se deben fundamentalmente a errores del operario. Es decir, que si se encontrara un medio de evitar los errores, el potencial de mejora total ascendería a 6.400 millones de dólares. La eficacia de los operarios es un elemento crucial para mantener el valor económico del control y la gestión de los procesos, y puede mejorarse capacitándoles para que tengan un mayor conocimiento de las situaciones y puedan gestionar mejor las condiciones anómalas. Así, los operarios pueden tomar decisiones más acertadas y mejorar con ello la seguridad y el tiempo de actividad de los procesos.

El puesto de trabajo del operario del System 800xA está preparado para las necesidades actuales y futuras

El operario eficaz

7El operario eficaz

En la actualidad, una planta industrial puede incluir múltiples plataformas de controladores, como PLC (controladores lógicos programables), DCS (sistemas de control distribuido), sistemas de seguri­dad, FAS (sistemas de automatización de instalaciones) y ECS (sistemas de control eléctrico), por citar sólo algunas. Además, hay también sistemas de información de las plantas –como CMMS (sistemas de gestión de mantenimiento informatiza­dos), ERP (planificación de recursos em­presariales), sistemas de vigilancia por vídeo e históricos de datos– que contie­nen datos valiosos que pueden ser de utilidad a los operarios para tomar deci­siones.

La tecnología Aspect Object del System 800xA permite no sólo el acceso a la infor­mación procedente de todas estas fuentes y su perfecta presentación, sino también la posibilidad de filtrarla según las funciones y responsabilidades de cada usuario. Por ejemplo, basta con pulsar el botón derecho del ratón y seleccionar una opción del menú contextual para averiguar la proce­

Los cuatro pilares de la eficacia de los operariosDe acuerdo con la filosofía del Extended Automation System 800xA de ABB, hay cuatro pilares principales que afectan al rendimiento de los operarios:− Integración de las operaciones− Diseño que propicie el alto rendimiento− Atención a los factores humanos− Competencia del operario

Estos puntos se abordan más abajo.

integración de las operaciones

El System 800xA de ABB proporciona a los clientes los medios para consolidar y racionalizar los datos procedentes de dis­tintas fuentes, ya que permite la colabora­ción entre distintos programas y sistemas informáticos. Los operarios reciben toda la información necesaria. Pueden acceder de manera intuitiva a información utilizable y gestionar lo que aparece en pantalla con dinamismo y eficacia. Estas características reducen el tiempo necesario para identifi­car las medidas que es preciso adoptar.

S i se desea lograr la eficacia de los operarios es preciso hacer frente a diversos problemas im­portantes en relación con la tec­

nología y la gestión. Por ejemplo, la gestión y la supervisión de los procesos industriales se caracterizan por estar sujetas a cambios inevitables en el ámbito tecnológico, a la disminución de la base de conocimientos debido a los cambios demográficos en la plantilla y al incesante aumento de la com­plejidad de las operaciones. Estos factores pueden derivar en pronunciadas escaladas de costes si la eficacia de los operarios no se tiene en cuenta rigurosamente.

ABB considera que el desarrollo de una in­terfaz hombre­máquina (HMI) eficaz debe tener en cuenta el flujo de trabajo y los requisitos del operario. Un estudio reciente sobre la eficacia de los operarios indica que muchos clientes de ABB comparten este punto de vista.

El System 800xA de ABB propor­ciona a los clientes la capacidad de consolidar y racio­nalizar los datos procedentes de distintas fuentes.

nota a pie de página1 Atkinson, T., Hollender, M., 2010, Operator

Effectiveness, Collaborative Process Automa­tion Systems, ISBN 978­1­936007­10­3.

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a los usuarios finales a cumplir o superar las directrices y normas actuales, como EEMUA 191 2 e ISA SP 18.2 3.

Otro factor determinante del diseño propi­cio al alto rendimiento en relación con la interfaz hombre­máquina es el conocimien­to de la situación (en inglés, situational awareness). De acuerdo con el experto en gestión de situaciones anómalas Ian Nim­mo (de la empresa User Centered Design Services y coautor del manual High Perfor-mance HMI Handbook 4): “Contar con un buen conocimiento de la situación significa que el operario tiene una percepción exac­ta del estado del proceso y de los equipos en ese momento, así como una compren­sión precisa del significado de diversas tendencias de la unidad”. Algunos de los conceptos fundamentales que se manejan en el ámbito del conocimiento de las situa­ciones son las definiciones y el uso del color para aumentar al máximo la visibili­dad de las situaciones anómalas. El con­cepto de “conocimiento de la situación” no es nuevo, pero sigue siendo objeto de debate entre diversas organizaciones. Uno de los aspectos que se debaten es el uso de representaciones gráficas de procesos en escalas de grises o colores “fríos”. Ade­más, la metodología de navegación, la definición a escala de gráfico para obtener una respuesta rápida en condiciones anó­malas y la presentación de información se utilizan también para predecir y evitar com­pletamente las situaciones anómalas.

dencia de los diversos datos que aparecen en un gráfico.

Diseño que propicie el alto rendimiento

Muchas organizaciones de desarrollo de normativas e institutos de investigación han realizado –y siguen haciéndolo– valio­sas aportaciones a las filosofías relativas a las interfaces hombre­máquina. Estos conocimientos se han materializado en directrices para el diseño de interfaces, la ergonomía, el conocimiento de las situa­ciones y la gestión de alarmas. Partiendo de estas bases y de su amplia experiencia, ABB intenta contribuir a la formulación de buenas normativas mediante su participa­ción activa en las diversas comisiones téc­nicas, grupos de trabajo y comités científi­cos de las organizaciones encargadas de su elaboración.

Una de las áreas clave que afecta al desa­rrollo de interfaces hombre­máquina es la gestión de las situaciones anómalas, es decir, perturbaciones o incidentes que el sistema de control no es capaz de afrontar por sí mismo y que, por tanto, exigen la intervención del operario. ABB desempeña un papel activo en la identificación de prác­ticas eficaces de supervisión e intervención destinadas a mejorar la capacidad del ope­rario para detectar y responder a situacio­nes anómalas. La empresa aplica estas medidas en el System 800xA. Este siste­ma, por ejemplo, permite la personaliza­ción del diseño del puesto de trabajo en función del modo en que opere el usuario final y admite la aplicación de estrategias de gestión de alarmas de alto rendimiento con características como la inhibición de la alarma activada por el operario y la ocul­tación de la alarma basada en el estado. Estas características reducen el número de alarmas falsas o irrelevantes, lo que ayuda

2 Lugar de trabajo ampliado del operador de ABB

Con un simulador, los operarios de procesos y los técnicos de instru­mentos pueden aprender a domi­nar el proceso en un entorno seguro y realista.

notas a pie de página2 http://www.eemua.co.uk/ (agosto de 2010)3 http://www.isa.org/ (agosto de 2010)4 Hollifield, B., Oliver, D., Nimmo, M., Habibi, E.,

2008, The High Performance HMI Handbook, ISBN­10: 0977896919, ISBN­13: 9780977896912, Plant Automation Services.

1 La forma de presentación de datos tradicional frente a la personali­zada con efectos diferentes sobre el conocimiento de la situación

– ¿Está subiendo o bajando?– ¿Está a punto de alcanzar

una alarma?– ¿Qué otras indicaciones se verán

afectadas por ésta?

– Aparece una pequeña tendencia que muestra lo que ha pasado cuando el ratón pasa por encima

− La tendencia indica si está a punto de saltar una alarma o volviendo a una situación normal

− La flecha señala las indicaciones afectadas

1

2

grados C39.4

6 unidades de tiempo

24 horas

9El operario eficaz

anómala antes incluso de que se produzca la alarma.

En ➔ 1 se facilita un ejemplo de presenta­ción del valor de un proceso de dos formas distintas. La diferencia se traduce en distin­tos niveles de conocimiento de la informa­ción y, por tanto, de la situación y la capa­cidad de un operario para tomar la decisión acertada con rapidez.

Atención a los factores humanos

ABB es sumamente consciente de la nece­sidad de abordar de manera explícita la

atención a los factores humanos. Una de las razones principales es que la empresa sabe que un mejor entorno de trabajo puede redu­cir el estrés de un ope­rario, lo que, a su vez, aumenta considerable­mente su rendimiento y su eficacia para ges­tionar situaciones anó­malas, además de re­

ducir los problemas de salud y la rotación de recursos.

Un buen ejemplo de aumento de este tipo de conocimiento y, en consecuencia, de la eficacia de los operarios es el “puesto de trabajo ampliado de operario” de ABB ➔ 2. El puesto de trabajo está equipado con te­clados avanzados con teclas de acceso directo para el manejo de varios clientes, un sistema que permite ajustar la posición del monitor y la mesa de trabajo del opera­

Un buen ejemplo de conocimiento de si­tuaciones, como se describe en el manual High Performance HMI Handbook mencio­nado más arriba, hace referencia a dos gráficos que incluyen la misma informa­ción, pero con dos efectos totalmente dife­rentes por lo que respecta al conocimiento de la situación. El gráfico con fondo negro y mucho colorido conduce a un conoci­miento deficiente de la situación, incluso en situaciones no anómalas, mientras que el gráfico con escalas de grises y un color nítido para representar la alarma permite un buen conocimiento de la situación.

El conocimiento de la situación puede tener una repercusión enorme porque:– aumenta la tasa de éxito en la gestión

de situaciones anómalas y el regreso a un modo de funcionamiento normal;

– reduce el tiempo que tardan los operarios en llevar a cabo las tareas necesarias durante una situación anómala;

– conduce a un aumento del número de casos en los que los operarios de la sala de control detectan una situación

3 Diseño de la disposición de una sala de controlrio, un sistema de sonido direccional e ilu­minación graduable integrada. Por otra parte, un diseño productivo al crear entor­nos de salas de control es de suma impor­tancia para el rendimiento de los equipos de operarios. En ➔ 3 se muestra un ejem­plo. Todos estos factores contribuyen a mejorar el entorno del operario, así como el nivel de alerta de los responsables de la sala de control.

Los procedimientos de la sala de control son importantes para poder garantizar la coherencia de las operaciones. También pueden ser de ayuda a un operario en acti­vidades que no se realicen con frecuencia. Como ejemplo se puede citar el uso de listas de comprobación para guiar a los operarios a lo largo de todos los proce­dimientos necesarios en determinadas cir­cunstancias.

La definición clara de las funciones y res­ponsabilidades de un puesto de trabajo es otro elemento fundamental que caracteriza a las operaciones realizadas correctamen­te. Esto significa que todas las tareas que un operario tiene que realizar deben reco­nocerse y documentarse, incluidas las que no se limitan a un funcionamiento en modo normal.

ABB y el System 800xA sientan un nuevo precedente en el diseño de salas de con­trol (centros de control inteligente) centra­das en el operario. Con la ayuda del pro­veedor de mobiliario para salas de control CGM, ABB participa desde los primeros momentos en los proyectos y puede defi­nir, conjuntamente con el usuario final, una disposición óptima de la sala de control orientada a los factores humanos y la ergo­nomía. Una visita al “Future Operations Centre” de Borås (Suecia) permite obtener la última información sobre la construcción de salas de control óptimas. Se contem­plan, entre otras cosas, cuestiones como el sonido, la absorción de ruido, el material del suelo, el control de la iluminación y el estado de colores del proceso.

Competencia del operario

Cuando los operarios interaccionan con los procesos, sus acciones suelen tener enormes consecuencias empresariales, en especial cuando el proceso es una situa­ción excepcional y los operarios necesitan comprender y gestionar operaciones com­plejas para ayudar a recuperar la normali­dad. El System 800xA de ABB proporciona una base de formación avanzada para tales

Las situaciones anómalas son perturbaciones o incidentes que el sistema de control no es capaz de afrontar por sí mismo y que exigen la intervención del operario.

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situaciones gracias a la utilización de simu­laciones que reproducen con exactitud el entorno del operario (gráficos y lógica de control). El simulador ofrece un entorno seguro y realista con el que los operarios de procesos y los técnicos de instrumen­tos pueden aprender a controlar el proceso y a aumentar su confianza ➔ 4.

Actividades fundamentales para la eficacia de los operariosDada la rápida evolución de la tecnología, los cambios generacionales en las plantillas y la creciente complejidad de las operacio­nes, es necesario abordar de manera explí­cita la eficacia de los operarios a lo largo del ciclo de vida completo de un sistema de control de procesos. Para aprovechar los cuatro pilares de la eficacia de los operarios hay ciertas actividades fundamentales que deben estar siempre presentes:– Diseño centrado en los usuarios– Mirar al futuro

Diseño centrado en los usuarios

Para que el diseño de una interfaz hombre­máquina sea eficaz es preciso prestar atención al flujo de trabajo y las tareas de

Otra forma eficaz de aumentar la atención al usuario es el establecimiento de un grupo de referencia de clientes (CRG), que incluye a clientes de varios ámbitos. El objetivo de este grupo es triple:– ofrecer a los clientes información de

primera mano sobre los proyectos de desarrollo en curso y previstos;

– permitir a los clientes influir de forma activa en el desarrollo que realiza ABB de la interfaz de operario del System 800xA;

– establecer un foro para intercambiar y probar ideas sobre las necesidades de los usuarios, las tendencias y las iniciativas futuras a fin de aumentar la productividad y los beneficios para los clientes.

Mirar al futuro

Los continuos avances en las técnicas de software relacionadas con la experiencia del usuario y la interacción plantean la ne­cesidad de que evolucione también la in­terfaz hombre­máquina actual. ABB cuenta con unos laboratorios perfectamente equi­pados dedicados a la experiencia del usua­rio y la interacción. Los investigadores in­dagan en el futuro, analizan la repercusión de las tecnologías emergentes y exploran el uso eficiente y la combinación razonable de las tecnologías existentes y emergen­tes. En concreto, ABB acaba de crear una nueva área de investigación dedicada a la eficacia de los operarios. Una de sus fun­ciones es buscar nuevas tecnologías en el mercado y sus aplicaciones en los secto­res industriales. Entre los ejemplos figuran tecnologías de interacción, diseño y visua­lización.

De los procesos de desarrollo de ABB sur­gen muchas ideas innovadoras. Por ejem­plo, en ➔ 5 se muestra una nueva pantalla de procesos que ayuda a los operarios cuando se enfrentan a situaciones anóma­las, ya que les ofrece una representación intuitiva de la alarma que atrae completa­mente su atención.

Otro ejemplo de idea innovadora consiste en centrar el proceso de trabajo y las tareas del operario para desarrollar una interfaz hombre­máquina eficaz. Por todos es sabi­do que el funcionamiento de los procesos es un trabajo en equipo. Los distintos turnos necesitan comunicarse y colaborar entre sí. En consecuencia, para ayudar a los operarios a realizar estas actividades, una idea innovadora de ABB es la apari­ción del llamado “panel de colaboración”,

los operarios de la sala de control. Y para conseguir entender correctamente el pro­ceso de flujo de trabajo de los operarios y saber cómo gestionan éstos la cantidad considerable de tareas operativas, ABB realiza análisis de las tareas junto con los operarios mediante estudios de usuario. Los métodos incluyen entrevistas, así como estudios y observaciones sobre el terreno.

Las preguntas de la entrevista se envían previamente a los operarios para garantizar que los usuarios tienen el perfil y los cono­cimientos adecuados, y que están prepa­rados para realizarla. Las preguntas de la entrevista pueden estar estructuradas o no, tanto por lo que respecta al modo en que se formulan como a la forma en que pueden responderse.

Los estudios y las observaciones sobre el terreno representan una forma de identifi­car y priorizar los objetivos y las necesida­des del operario. Al visitar a los usuarios en su propio entorno de trabajo y observar cómo realizan las tareas operativas, se consigue información de primera mano con respecto a sus problemas y necesida­des. Este método es ideal para descubrir usos incorrectos o ineficaces de los que los operarios no son conscientes. Asimis­mo, se solicita la opinión del operario y se recaba feedback directo tanto en relación con las buenas prácticas como con las áreas con potencial de mejora.

Los datos recopilados se analizan y se re­sumen. El proceso de síntesis de los datos incluye la identificación de los conceptos y las indicaciones principales de cada estu­dio de usuario, así como el análisis de la medida en la que están relacionados con la mejora de la eficacia de los operarios.

4 Un simulador System 800xA que proporciona un entorno realista pero seguro para la formación

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Controles de software

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Se solicita la opi­nión del operario sobre las buenas prácticas y las posibles áreas de mejora en relación con las tareas cotidianas.

11El operario eficaz

prefieren hacerlo de forma secuencial. Por tanto, ABB sigue activamente y aplica tec­nologías y conceptos de diseño futuros para dirigirse a las generaciones más jóve­nes, cuyas habilidades en el trabajo son distintas a las de la generación anterior.

El secreto de la eficacia de los operariosLa eficacia de los operarios es un ámbito difícil. ABB desempeña un papel de lide­razgo en la colocación de los pilares para lograr la eficacia de los operarios en los siguientes términos:1) Aprovecha una plataforma de automati­

zación que puede fomentar y ofrecer de forma nativa el nivel de integración y centralización necesarias para propiciar un entorno de colaboración.

2) Es un proveedor de soluciones de automatización que puede ayudar en el cumplimiento de las normativas y los criterios de diseño en relación con el conocimiento de las situaciones y la gestión de condiciones anómalas, y aprovecha un sistema de automatiza­ción con la flexibilidad necesaria para satisfacer requisitos específicos de los clientes.

3) Es un proveedor de soluciones de automatización con capacidad para integrar los factores humanos y las buenas prácticas a fin de ofrecer los mejores niveles de eficacia de los operarios.

4) Es un proveedor de soluciones de automatización que no se limita a ofrecer formación al operario, sino un entorno que utiliza el bien más valioso y la propiedad intelectual existente para aumentar la confianza y la competencia de los operarios.

Además, ABB está adoptando medidas activas para alcanzar un entorno de proce­sos que favorezca la eficacia de los opera­rios y analiza las tecnologías futuras y sus

que permite a los operarios colocar men­sajes en las pantallas de los procesos ➔ 6, o utilizar un panel blanco desplegable para ilustrar los detalles de una conversación o un debate ➔ 7. El panel está pensado para que lo utilicen, entre otros, los directivos de la planta, los directivos del sistema, direc­tores y personal de mantenimiento y ope­raciones.

La eficacia del operario es una característi­ca intemporal que siempre se considerará importante. En consecuencia, además de mejorar la eficacia de la generación actual de operarios, ABB también tiene en cuenta las generaciones futuras. Algunos clientes

han informado a ABB de que, a medida que las plantillas actuales maduran, las expec­tativas de los operarios evolucionan. Muchos de los operarios que empiezan a trabajar ahora se criaron entre ordenadores y pertenecen a la generación de los llama­dos “nativos digitales”. Para estas nuevas generaciones, el aprendizaje visual es un método perfecto de enseñar cómo se comporta una planta industrial. Los estu­dios realizados sobre cómo llevan a cabo las operaciones del proceso estas perso­nas indican que tienen más pantallas abier­tas que el personal de más edad. También solicitan unas pantallas más personaliza­das. Los nuevos operarios tienden a visua­lizar el comportamiento de la planta de manera gráfica, mientras que los anteriores

5 Presentación de procesos que sólo se hace visible en situaciones anómalas

6 notas electrónicas en la pantalla de colaboración

aplicaciones en este ámbito. También reali­za continuamente actividades relaciona­das, por ejemplo, con el diseño centrado en el usuario. Esto podría reducir las posi­bilidades de que se produzcan errores, por ejemplo, mediante un uso más eficiente de la experiencia tecnológica del operario, un acceso rápido a los datos relevantes en cualquier situación operativa y una asisten­cia a los operarios en el proceso de toma de decisiones. Todo ello representa una rentabilidad económica continuada para los clientes.

ABB ha logrado hasta ahora un éxito con­siderable en el fomento de la excelencia operativa al colocar a los operarios en el centro de mira y al ofrecer extraordinarias interfaces de control de procesos que faci­litan a los operarios la adopción de las de­cisiones correctas en todos los modos de funcionamiento. ABB se ha propuesto per­manecer en la vanguardia de estos avan­ces a través de la investigación y el desa­rrollo continuos, y ayudando a los clientes a lograr la excelencia operativa.

Hongyu Pei Breivold

Martin olausson

Susanne Timsjö

Magnus Larsson

ABB Corporate Research

Västerås, Suecia

hongyu.pei­breivold@se.abb.com

martin.olausson@se.abb.com

susanne.timsjo@se.abb.com

magnus.larsson@se.abb.com

roy Tanner

ABB Inc.

Wickliffe, Estados Unidos

roy.tanner@us.abb.com

7 Pantalla de notas desplegable para discusiones

La eficacia del operario es una característica intemporal que siempre se consi­derará importante.

12 revista ABB 4|10

Seguridad en los accionamientosSeguridad funcional en la maquinaria, especialmente en accionamientos de CA

Mikko riSToLAinEn – La seguridad es primordial en la fabricación y debería ser objeto de máxima prioridad. A veces puede parecer que este objetivo entra en conflicto con el de lograr la máxima produc­tividad. no obstante, la mejora del control y los conceptos de super­visión han contribuido a que estos objetivos sean complementarios en lugar de opuestos. Mientras que antes la seguridad se garantizaba con equipos externos independientes, ahora la integración permite que seguridad, control y supervisión vayan cada vez más de la mano utilizando datos y funciones comunes, y creando con ello una funcio­nalidad combinada antes impensable. Un ejemplo son los acciona­mientos de CA. Existen ofertas que abarcan desde la parada de seguridad hasta funciones de supervisión más complejas y que anuncian nuevas oportunidades en este ámbito

13Seguridad en los accionamientos

tes operativos, los riesgos potenciales y los medios para evaluar los riesgos identifica­dos. Las normas ayudarán a decidir si la reducción del riesgo es necesaria y perfila­rán un enfoque estratégico para reducir los riesgos a un nivel aceptable.La forma más eficaz de reducir o eliminar riesgos es excluirlos en el diseño. No obs­tante, cuando no es posible ni factible re­ducir los riesgos en el diseño, las protec­ciones estáticas o la seguridad funcional pueden ser la solución. Además, la seguri­dad funcional puede utilizarse a menudo para lograr una mayor productividad de la máquina, un mayor tiempo en servicio y un comportamiento menos brusco del sistema de seguridad, al tiempo que se cumplen los requisitos legales. Las máqui­nas pueden detenerse con rapidez y segu­ridad o, lo que es aún mejor, funcionar a velocidad reducida en determinados momentos para disminuir el riesgo.En sectores donde las personas trabajan muy cerca de las máquinas, la tecnología de seguridad funcional puede utilizarse para garantizar su seguridad a la vez que se mantienen los procesos en marcha. Cuando los sistemas de seguridad se incorporan a los procesos de trabajo por medio del diseño, la seguridad forma parte del proceso, las personas están prote­gidas y se mantiene una productividad elevada.

nizados y apropiados según la Directiva relativa a las máquinas.Cuando las máquinas están diseñadas y se utilizan de acuerdo con las normas armoni­zadas correspondientes, se supone que la maquinaria cumple los requisitos esencia­les de salud y seguridad y generalmente no requiere certificación por un tercero. Los

fabricantes pueden realizar documental­mente una autodeclaración de conformi­dad con la Directiva y colocar la marca CE en la máquina como signo de cumplimien­to de los requisitos exigidos.Las normas armonizadas proporcionan también una pauta para determinar el ám­bito de utilización de la máquina y sus lími­

L a seguridad es importante. Las le­yes nacionales de la Unión Euro­pea exigen que las máquinas cumplan los requisitos esenciales

de salud y seguridad. Esto significa que la maquinaria nueva suministrada dentro de la UE debe cumplir los mismos requisitos legales. Cumplir dichos requisitos es res­ponsabilidad de los fabricantes o importa­dores de máquinas. Detrás de la armonización de los requisi­tos nacionales se encuentra la Directiva relativa a las máquinas 2006/42/CE (que sustituyó a la antigua Directiva 98/37/CE el 29/12/2009). Esta Directiva tiene por objeto garantizar que las máquinas sean seguras y estén diseñadas y construidas para que su uso, configuración y manteni­miento en todas las fases de su vida útil impliquen un riesgo mínimo para las per­sonas y el medio ambiente.De acuerdo con los requisitos, los fabrican­tes (o sus representantes) deben realizar y documentar evaluaciones de riesgos y te­ner en cuenta los resultados para el diseño de la máquina. Cualquier riesgo debe redu­cirse a un nivel aceptable mediante cam­bios de diseño o técnicas de protección adecuadas. Una vez aplicadas las medidas de reducción de riesgos, debe documen­tarse cualquier riesgo residual. Una forma de llevar a cabo el proceso de reducción de riesgos y de asegurar el cumplimiento de los requisitos es aplicar principios armo­

Hoy en día pueden utilizarse sistemas de seguridad confi­gurables para reali­zar numerosas fun­ciones de seguridad estándar para ac­cionamientos según la EN 61800­5­2.

14 revista ABB 4|10

han de ofrecer apoyo a los clientes para ayudarles con sus procesos de diseño de seguridad. Se ha pronosticado que las em­presas que ofrecen apoyo y conocimientos de diseño de seguridad además de com­ponentes estarán cada vez en mejor posi­ción para hacer negocios. Dicha ayuda bien puede convertirse en un requisito es­tándar en la venta de productos de seguri­dad, según el cual los proveedores de componentes de seguridad tendrán que ofrecer asesoramiento de seguridad junto con sus productos.

Evolución de las soluciones de seguridad funcional en los acciona­mientos de CALa evolución de los sistemas de control electrónicos también ha afectado a la tec­nología de seguridad utilizada en los accio­namientos de CA. Tradicionalmente, los sistemas de automatización que contenían accionamientos han utilizado por lo general relés de seguridad electromecánicos. Es­tos relés supervisan diversos dispositivos de entrada de seguridad, como los inte­rruptores de posición límite y botones de parada de emergencia, y accionan contac­tores para cortar de forma segura la ali­mentación eléctrica al accionamiento de potencia cuando se superan determinados parámetros.La electrónica se utiliza cada vez más en los sistemas de seguridad modernos para aplicaciones de accionamientos de CA. La tendencia ha sido tan fuerte que, en 2008, se armonizó una nueva norma relativa a re­quisitos de seguridad funcional para siste­mas de accionamiento, la EN (IEC) 61800­5­2:2007 (accionamientos eléctricos de potencia de velocidad variable ­ Parte 5­2: requisitos de seguridad – funcional). Esta norma establece los requisitos de los prin­cipios de diseño de los sistemas de accio­namiento relacionados con la seguridad, además de definir una serie de funciones de seguridad normalizadas para los accio­namientos. Estas definiciones ayudan a armonizar la terminología de marketing uti­lizada para comercializar las funciones de seguridad.Ahora, los contactores destinados a dete­ner el movimiento del motor con seguridad en situaciones de emergencia o de preven­ción de arranque pueden eliminarse gra­cias a una nueva característica integrada en la sección de alimentación del acciona­miento. La característica de desconexión segura del par (STO) simplemente desacti­va la modulación de salida del acciona­miento y elimina de forma segura la capa­

formidad con la Directiva relativa a las má­quinas hasta finales de 2011, ya no repre­senta la última tecnología.Las normas armonizadas modernas en virtud de la Directiva relativa a las máquinas son EN 62061:2005 (Seguridad de las máquinas – seguridad funcional de siste­mas de control eléctricos, electrónicos y electrónicos programables relacionados con la seguridad) para sistemas de control electrónicos y EN ISO 13849­1:2008 (Seguridad de las máquinas – piezas rela­cionadas con la seguridad de los sistemas de control – Parte 1: principios generales de diseño) para diversos tipos de sistemas relacionados con la seguridad (por ejem­plo, los hidráulicos y los neumáticos). Am­bas normas se basan en la norma general IEC 61508­1.7 (Seguridad funcional de sis­temas eléctricos/electrónicos/electrónicos programables relacionados con la seguri­dad), que define los requisitos y procesos generales para el diseño de sistemas de control eléctricos/electrónicos relaciona­dos con la seguridad.

El apoyo marca la diferenciaLa implantación de un sistema de seguri­dad de máquinas de principio a fin siguien­do las nuevas normas puede ser una tarea complicada. ¿Qué norma debería utilizar­se? ¿Qué medidas deberían adoptarse? ¿Cómo deberían realizarse los cálculos ne­cesarios y validarse los diseños? Etc . . . En consecuencia, las empresas de servicios de consultoría de seguridad están en auge. Además, los proveedores de componentes

normas actualizadas para tecnología actualizadaDebido a los desarrollos en los ámbitos de la tecnología y de las normas, se han ac­tualizado los requisitos para la implantación de sistemas de control relacionados con la seguridad. Antes, era relativamente fácil di­señar sistemas de seguridad de acuerdo con la norma EN 954­1 (Seguridad de las máquinas – piezas relacionadas con la seguridad de los sistemas de control – Parte 1: principios generales de diseño), que aportaba normas de diseño sencillas para conseguir cierto grado de seguridad (categoría de seguridad). Esta norma se basa en un enfoque de causa y efecto, y pone el acento en el uso de componentes y métodos probados.La norma EN 954­1 es relativamente senci­lla y está concebida principalmente para sistemas mecánicos y electromecánicos. No contempla los sistemas de control eléc­tricos relacionados con la seguridad com­plejos o configurables por software, que se han convertido en el enfoque estándar en seguridad funcional. El enfoque de la EN 954­1, determinista y orientado al dise­ño, ha sido sustituido por conceptos como la probabilidad de fallo y el pensamiento centrado en el ciclo vital. Se pretende así abarcar toda la vida de la máquina desde los primeros conceptos hasta el desman­telamiento.El período de transición para la EN 954­1 finaliza en diciembre de 2011, y a partir de entonces quedará obsoleto. Aunque la EN 954­1 aún ofrece la presunción de con­

15

de los dos dispositivos para que puedan funcionar juntos. Esto puede suponer un gran esfuerzo de diseño, instalación y puesta en servicio del sistema. Por lo tan­to, es necesario que el proveedor de los accionamientos facilite instrucciones claras para esta configuración.Si se utiliza una comunicación segura, el sistema suele tener dos buses de campo independientes, uno para la comunicación de seguridad con el dispositivo de seguri­dad y el bus de campo normal con el ac­cionamiento para fines de control. Por otro lado, los sistemas de seguridad configura­bles, a menudo con muchas entradas y salidas suplementarias, pueden ofrecer funcionalidad de control adicional para otros sistemas genéricos de la máquina fuera del ámbito de la seguridad.Después del uso de componentes exter­nos, el siguiente paso lógico en seguridad basada en el accionamiento es integrar las funciones de seguridad en el mismo. Esto ofrece una serie de ventajas: se reduce el cableado, se liberan las entradas y salidas del accionamiento, se ahorra espacio y la configuración puede realizarse mediante una sola conexión con un único juego de herramientas. Debido a que las funciones de seguridad integradas son específicas para el accionamiento, el proceso de pues­ta en servicio se refiere básicamente al es­tablecimiento de valores de parámetros y de opciones de comportamiento. Ya no se

necesita la progra­mación de la fun­cionalidad básica, lo que supone una mejora en relación con los sistemas externos, que obli­gan a programar en bloques la lógica funcional. Además, puede utilizarse una sola conexión de bus de campo tan­to para las comuni­caciones normales como de seguridad.

La funcionalidad general de seguridad pue­de optimizarse cuando las piezas de con­trol y de seguridad del accionamiento com­parten información de estado a través de una conexión de bus. Naturalmente, el sis­tema parece mucho más limpio sin todas las unidades independientes y el cablea­do.El desarrollo de seguridad integrada en el accionamiento es un proceso difícil para los fabricantes del mismo. No obstante, el

cidad de éste para hacer que el motor produzca el par.Los procesos pueden ser más productivos cuando la STO se utiliza para detener con seguridad el motor sin desconectar la fuen­te de alimentación ni el circuito de CC del accionamiento. El accionamiento puede ponerse de nuevo en marcha rápidamente sin tener que recargar los circuitos de CC o restablecer los parámetros de control.Cuando se necesita funcionalidad adicio­nal, las ventajas de la STO pueden comple­mentarse combinando la opción con fun­ciones de supervisión más avanzadas. Entre las ofertas externas se incluyen, por ejemplo, relés de acción retardada o los denominados sistemas de seguridad confi­gurables. Estos dispositivos ocupan nor­malmente una posición intermedia entre los PLC y los relés de seguridad de estado sólido. Hoy en día pueden utilizarse siste­mas de seguridad configurables para reali­zar numerosas funciones de seguridad estándar para accionamientos según la EN 61800­5­2. Entre las funciones habi­tuales figuran diferentes funciones de para­da de seguridad (IEC 60204­1 categorías de parada 0, 1, 2), limitación de velocidad segura (SLS), dirección segura (SDI), para­da de funcionamiento segura (SOS), con­trol de freno seguro (mecánico), etc., unas 17 funciones en total.Estos sistemas configurables son alternati­vas viables cuando se ejecutan varias fun­

ciones de seguridad en el mismo sistema. Para las funciones de seguridad individua­les, los componentes específicos de uso exclusivo como los relés de acción retarda­da o los relés de control doble siguen sien­do el enfoque más viable.Normalmente, los componentes de seguri­dad externos se cablean y configuran para funcionar junto con el accionamiento. El desarrollo de una aplicación suele requerir el cableado y la configuración individuales

Seguridad en los accionamientos

coste de instalación de un sistema de se­guridad integrado avanzado suele ser infe­rior que si se logra la misma funcionalidad con los componentes de seguridad exter­nos, especialmente cuando se ejecutan varias funciones de seguridad.

ver más allá de la publicidadLos sistemas de seguridad integrados se promocionan con frecuencia en revistas y ferias comerciales, así como en artículos de investigación. Así, las características de seguridad han marcado a menudo la dife­rencia en el producto, donde la seguridad se ha promocionado como una caracterís­tica indispensable.Las características de seguridad funcional pueden ayudar a aumentar el rendimiento y la facilidad de uso de las máquinas a la vez que cumplen las normas de seguridad. Sin embargo, también lleva tiempo compren­der realmente las oportunidades que las funciones de seguridad ofrecen y sus impli­caciones, así como asegurarse de que di­chas funciones se ajustan a las necesida­des reales de la aplicación.Numerosos fabricantes de máquinas están creando planes y especificaciones para sus futuras máquinas. No obstante, debido a que la oferta de seguridad funcional mo­derna no siempre es bien entendida, existe el riesgo de que los compradores se dejen llevar por la publicidad y elijan productos que no se ajusten realmente a sus necesi­dades. Es decir, que escojan aquellos pro­ductos que ofrecen el mayor número de características o la máxima calificación de seguridad “por si acaso se necesitan”. Por ello, es importante que los compradores entiendan claramente sus necesidades de seguridad, las definan de antemano y elijan los productos que satisfagan esas necesi­dades.A pesar de la evolución de las herramien­tas, tecnologías y normativas, el principal objetivo de la seguridad sigue siendo pro­teger a las personas y al medio ambiente. Cuanta más información sobre seguridad tenga un comprador, mejor podrá diferen­ciar la publicidad de las ventajas reales y evitar así tomar decisiones de compra equivocadas. ABB recomienda a sus clien­tes que estén informados y preparados, y puede ofrecerles apoyo y asesoramiento.

Mikko ristolainen

ABB Drives

Helsinki, Finlandia

mikko.ristolainen@fi.abb.com

Ahora, los contactores destina­dos a detener el movimiento del motor con seguridad en situaciones de emergencia pueden eliminarse gracias a una nueva característica inte­grada en la sección de alimen­tación del accionamiento.

16 revista ABB 4|10

roBErT PLATEk, BogUSz LEwAnDowSki – Los terremotos pueden sembrar el caos, provocar muertes y dañar las infraestructuras. Además de los daños en las instalaciones eléctricas, el tiempo necesario para reanudar el funciona­miento normal se traduce en mayores costes en términos de productividad y oportunidades perdidas. A medida que la tecnología de construcción avanza y los edificios son más resistentes a los terremotos, los equipos eléctricos también se están diseñando para no sufrir daños. Conseguir que los productos eléctricos resistan los terremotos no es fácil. Debido a sus dimensiones, un transformador grande –con su

base, cuba, bornas, placa superior y conexiones– no puede colocarse en una mesa vibratoria, y ninguna de las pruebas de estos componentes por separado es realmente represen­tativa de su comportamiento una vez realizado el montaje como sistema. Tampoco basta con considerar estos compo­nentes en su conjunto, ya que el líquido en el interior del sistema modificará el comportamiento sísmico global. ABB ha desarrollado una sofisticada combinación de métodos de ensayo y simulación para conocer mejor el comportamiento sísmico del conjunto y poder desarrollar transformadores capaces de resistir el próximo terremoto.

Análisis sísmicos avanzados de productos eléctricos

Comportamiento sísmico

17Comportamiento sísmico

los modos de frecuencia naturales. Depen­diendo del espectro de excitación, las fre­cuencias naturales individuales pueden in­fluir de manera distinta en el movimiento resultante ➔ 1.

Las simulaciones muestran muy buena correlación con las mediciones de los en­sayos. Se ha encontrado que las frecuen­cias resonantes naturales difieren como máximo entre un 1 y un 4%. Para las ace­leraciones máximas en el punto de medi­ción (extremo superior de la borna), la des­viación se encontraba entre el 3 y el 14% [3]. Los resultados de esta comprobación

son útiles en el posterior desarrollo de he­rramientas numéricas para cálculos sísmi­cos.

Aunque los ensayos de vibración están muy recomendados para la calificación sís­mica de componentes críticos, los análisis numéricos pueden ser muy útiles para de­terminar la resistencia sísmica de estos productos. Además, en los casos en que no es posible realizar ensayos debido al elevado peso del equipo (por ejemplo, transformadores de potencia), estos análi­sis son la única forma de determinar la ca­racterística dinámica del sistema.

Análisis de bornas SeismicriPLas estructuras complejas pueden tener numerosos modos de resonancia 1 distin­tos dentro del inter­valo sísmico de peli­gro. ABB realiza así análisis dinámicos modales en ellos. Los análisis numéri­cos de la borna de transformador Seis­micRIP™ de 230 kV bajo cargas sísmi­cas se realizaron utilizando el método de elementos finitos (FEM). En el enfo­que aquí presenta­do, la evaluación estructural ante movi­mientos sísmicos se basa en el análisis lineal, utilizando los modos de la estructura hasta una frecuencia de corte límite (33 Hz).

Una vez determinados los modos de reso­nancia, la propiedad de ortogonalidad 2 permite que la respuesta lineal de la estruc­tura se construya como la respuesta de una serie de sistemas con un solo grado de libertad. En otras palabras, el compor­tamiento mecánico de la estructura de la borna sometida al movimiento del terreno se deriva como una superposición lineal de

E xisten diversos métodos para in­vestigar el comportamiento sís­mico de los equipos eléctricos. Estos métodos suelen incluir cál­

culos estáticos para estimar las fuerzas ge­neradas durante un movimiento sísmico con una determinada aceleración del suelo y compararlas con la capacidad del equi­po. Los datos anteriores pueden derivarse de cálculos o de mediciones reales.

Las dos normas internacionales utiliza­ das para este trabajo son: IEEE 693 e IEC 61463. La IEEE 693­2005, “Práctica recomendada para el diseño sísmico de subestaciones” [1], es un documento revi­sado recientemente que abarca los proce­dimientos de calificación de los equipos de subestaciones eléctricas para distintos niveles de comportamiento sísmico. La IEEE 693 recomienda encarecidamente realizar la calificación del equipo con éste colocado sobre la estructura de apoyo que se usará en la subestación final.

Por el contrario, la IEC 61463, “Bornas­calificación sísmica” [2], es una recomen­dación de la IEC relativa a la calificación sísmica de las bornas de transformadores. Las bornas que cumplen los requisitos de la IEEE 693 también cumplirán, en la ma­yoría de los casos, los de la norma IEC 61463.

Las nuevas herramientas de simulación deben com­probarse siempre de forma experimental. A continuación, puede evaluarse la precisión y determinarse las ventajas y limitaciones.

1 Configuraciones de modos seleccionados para bornas de transformador de 230 kv SeismicriP™ (la deformación está amplificada con un factor de escala)

Modo 1 Modo 3 Modo 5

3

2 1

3

2 1

3

2 1

notas a pie de página1 Un modo es el patrón de movimiento en el que

vibra un cuerpo. Normalmente, un cuerpo puede vibrar en varios modos básicos, así como en diversas superposiciones posibles de los mis­ mos. Por ejemplo, una viga sujeta por los extre­ mos puede vibrar en forma de onda senoidal de medio período, pero también puede conseguirse que vibre en forma de ondas senoidales de mayor frecuencia. Un sólido tridimensional complejo puede presentar muchos más modos que este sencillo ejemplo unidimensional.

2 Los modos de vibración ortogonal son aquellos que no provocan excitación mutua.

18 revista ABB 4|10

En el siguiente paso se aplica todo el méto­do de FSI ➔ 5. En la parte de la CFD, la estructura (cuba) se modela con fluido, mientras que en los cálculos estructurales se contempla aislada. El código CFD se utiliza también para simular los efectos del flujo de aire en el fluido. Las fuerzas que actúan sobre las paredes de la estructura se suministran así a la herramienta estruc­tural y se utilizan como condiciones de contorno. La nueva forma de la estructura se devuelve a su vez a la CFD, donde se

prepara la actualización de la malla para el siguiente incremento. Los esfuerzos, ten­siones y deformación de la estructura se obtienen teniendo en cuenta la dinámica de fluidos.

Comprobación experimental de la metodología propuestaLas nuevas herramientas de simulación deben comprobarse siempre de forma ex­perimental. A continuación, puede evaluar­se la precisión y determinarse las ventajas y limitaciones. Uno de los objetos utilizados

dinámico es distinto en cada caso. Las fre­cuencias resonantes naturales de las bor­nas de transformador simuladas por sepa­rado son diferentes de las bornas simuladas montadas en el transformador ➔ 3.

Los resultados indican claramente que los análisis sísmicos completos de las bornas de transformadores requieren tener en cuenta todo el sistema.

interacción entre el fluido y la estructura (FSi)Se han realizado numerosos estudios so­bre las características dinámicas adecua­das del sistema de transformador y borna (incluidas la cuba, la placa superior, las torretas y las bornas [4, 5]). No obstante, ninguno de estos estudios considera una influencia muy importante: la del refrigeran­te. Hay estudios que examinan la influencia del fluido en la respuesta sísmica de cubas elevadas [6], así como en estructuras de este tipo en aplicaciones marinas y trans­porte marítimo [7]. Sin embargo, ninguna de estas lecciones era claramente aplica­ble al comportamiento dinámico de un sis­tema de transformador y borna.

Para examinar la influencia del fluido en las características dinámicas, se propuso una investigación utilizando la interacción entre el fluido y la estructura (FSI). El enfoque de FSI se basa en el intercambio de datos en­tre las herramientas de simulación que ge­neran modelos del caudal y el comporta­miento mecánico.

Análisis sísmicos basados en FSiEl análisis sísmico completo (ensayo de barrido senoidal, evolución temporal del te­rremoto y pulso senoidal) es un procedi­miento complejo. Así, el ensayo de barrido senoidal, en el que se identifican los modos y sus formas, debe prepararse de manera que el fluido sea modelado como medio acústico. Basándose en este paso, es po­sible definir las condiciones iniciales (movi­miento) para los análisis CFD (dinámica computacional de fluidos) ➔ 4.

Comportamiento dinámico del sistema de transformador y bornaMuchos expertos sostienen que el com­portamiento dinámico de una borna difiere según esté montada en un transformador o se pruebe por separado. De hecho, la respuesta sísmica de la combinación de transformador y borna puede verse influida por los componentes interconectados. Además, el equipo instalado sobre el terre­no puede provocar daños por medio de sus conectores [4]. Es necesaria una mayor investigación para cuantificar este efecto. El FEM (para la borna tipo RIP de 230 kV) parece ser un buen campo para seguir la investigación a fin de comprender la carac­terística dinámica del sistema de transfor­mador y borna.

Las simulaciones realizadas en ambos ca­sos (borna de transformador por separado y transformador de potencia con bor­nas ➔ 2) indican que el comportamiento

Las simulaciones muestran muy buena correlación con las mediciones de los ensayos. Se ha encontrado que las frecuencias re­sonantes naturales difieren como máxi­mo entre un 1 y un 4% en el caso del análisis de bornas SeismicRIP.

2 Distribución de esfuerzos en un transfor­mador de potencia bajo carga sísmica

3 La primera frecuencia natural de la borna se ve afectada por su montaje.

Frecuencia (Hz)

LP Borna Borna con placa superior, torreta y depósito

1 14,13 7,08

2 14,13 7,38

3 – 8,36

4 – 8,74

Las primeras frecuencias naturales de la borna son diferentes cuando se monta en el bastidor rígido que cuando se monta en el transformador de potencia.

4 Primer paso de un análisis sísmico basado en FSi

Aire

Análisis CFD

Definición del movimiento para los análisis CFD

Agua

movimiento = velocidad (t)Análisis estructural

Análisis modales – infor­mación sobre los modos

19

para esta comprobación experimental fue un prototipo de transformador de instru­mento combinado de alta tensión JUK 145. El banco de medida se presenta en ➔ 6a.

Se preparó un modelo tridimensional ➔ 6b utilizando el método de simulación basado en FSI (medio acústico), y se realizaron con

él los análisis modales del transforma­dor ➔ 6c. La comparación de los resulta­dos (mediciones frente a simulaciones) se presenta en ➔ 7.

El siguiente paso consistió en preparar ensayos sísmicos en el laboratorio. El JUK 145 superó con éxito la calificación sísmica según IEC 60068. Está previsto realizar simulaciones sísmicas completas

Comportamiento sísmico

Se descubrió que el refrigerante tenía un efecto significativo en el comportamiento sísmico del con­junto de transfor­mador y borna.

robert Platek

ABB Corporate Research

Cracovia, Polonia

robert.platek@pl.abb.com

Bogusz Lewandowski

ABB High Voltage Products

Lodz, Polonia

bogusz.lewandowski@pl.abb.com

Lecturas recomendadas[1] IEEE Std 693­2005, IEEE Recommended Practice

for Seismic Design of Substations, IEEE Standard Department, 2005.

[2] IEC 61463 Technical Report II; Bushings – seismic qualifications, Luglio, 1996.

[3] Rocks, J., Koch, N., Płatek, R., Nowak, T. (2007). Seismic Response of RIP­transformer bushing, INMR World Congress on insulators, arresters and bushings, Brasil.

[4] Ersoy, S,. Saadeghvaziri, M. A. (2004). Seismic response of transformer­bushing systems, IEEE Transaction on Power Delivery, Power Engineering Society, Institute of Electrical and Electronics Engineers, Vol 19.

[5] Filiatrault, A., EERI, M., Matt, H. (noviembre de 2005). Experimental seismic response of hight­voltage transformer­bushing systems, Earthquake spectra, Vol. 21.

[6] Livaoglu, R., Dogangun, A. (2005). Seismic evaluation fluid­elevated tank­foundation/soil systems in frequency domain, Karadeniz Technical University, Department of Civil Engineering, Trabzon, Turquía.

[7] Warmowska, M. (2006). Numerical simulation of liquid motion in a partly filled tank, Opuscula Mathematica, Vol. 26, No. 3.

[8] Whittaker, A. S., Fenves, G. L., Giliani, A. S. J. (2001). Evaluation of seismic qualification procedures for high­voltage substation equipment. In P. Chang, (Ed.), Proc. Structure Congr. Espo., Washington, DC.

basadas en FSI que permitirán una mayor comprobación de la herramienta.

Un paso adelante en las simulaciones sísmicasEl ensayo de vibración de las bornas ha demostrado el buen comportamiento de estos componentes en cuanto a la res­puesta general según la IEEE­693 [8].

La metodología FEM aplicada para las bor­nas seismicRIP presenta el potencial nece­sario para predecir la aceleración y el des­plazamiento relativos con buena precisión en las calificaciones sísmicas [3]. No obs­tante, para ir más allá es fundamental com­prender las interacciones sísmicas entre los fluidos y los equipos de las subestacio­nes. El desarrollo de esta metodología puede mejorar el comportamiento sísmico de las subestaciones y los productos que contienen líquidos.

Prosigue el estudio de la influencia de los fluidos en las calificaciones sísmicas de productos que contienen líquidos. Sin duda, el método propuesto es único y ayu­da a comprender el comportamiento diná­mico de los sistemas completos para po­der mejorar su comportamiento sísmico.

6a Banco de medida para Hv iT6b Modelo en 3D de Hv iT6c Esfuerzos durante el primer modo calculado

6 verificación experimental de la simulación

a b c

5 Segundo paso de un análisis sísmico basado en FSi

Fuerzas en las paredes

Nueva forma de las paredes

Líquido

Depósito

Depósito+

Análisis CFD Análisis estructural

– Movimiento de flotación en el aire

– Actualización de malla

– Deformaciones– Esfuerzos– Tensiones

7 Comparación de frecuencias naturales, medidas frente a simulación

LP Frecuencia Frecuencia medida (Hz) calculada (Hz)

Seco Lleno de aceite Seco Lleno de aceite

1 8,5 5,4 6,21 5,09

2 10,5 6,2 13,88 11,17

3 24,6 24 25,39 16,52

4 25,4 27,5 19,56

5 28,64 20,64

6 28,85 23,75

20 revista ABB 4|10

21Aplicaciones de la electrónica de potencia en el suministro eléctrico

T radicionalmente, las redes eléc­tricas se construían alrededor de grandes plantas centraliza­das que generaban una energía

previsible y controlable suministrada a la red de forma estable. En estas redes se mantenía el flujo de energía en un solo sentido a pesar de las fluctuaciones tem­porales de la demanda. En la actualidad, siguen existiendo similares fluctuaciones temporales de la demanda, pero la existencia de una mayor dependencia de fuentes de ener­gía renovables ins­taladas para ayudar a reducir las emisio­nes de CO2 ha re­presentado que las redes eléctricas de­ban adaptarse tam­bién a fluctuaciones en el suministro. Estas fuentes de energía intermitentes y varia­bles (por ejemplo, la solar y la eólica) subrayan la necesidad de almacenar la energía, así como de disponer de sistemas que coordinen las fuentes disponibles de generación eléctrica con diversos patro­nes de consumo.

Las fluctuaciones en el suministro y la de­manda de electricidad pueden adaptarse entre sí, hasta cierto punto, gracias a la

CLAES ryToFT, PETEr LUnDBErg,

HArMEET BAwA, MArk CUrTiS – El sector eléctrico cambia rápidamente debido a los crecientes niveles de consumo de electricidad, el mayor uso de fuentes de energía alternativas, a menudo lejanas, y una mayor atención a la eficiencia energética y la fiabilidad de las redes. El desarrollo de los semiconductores de potencia y el uso de esta tecnología en diversas aplica­ciones basadas en la electrónica de potencia facilitan muchos de estos cambios. Los semiconductores de potencia son los componentes princi­pales de los dispositivos de conmuta­ción basados en la electrónica de potencia que controlan el suministro de electricidad y la convierten en la forma de onda y la frecuencia requeridas para las diferentes aplicaciones. Los semi­conductores están presentes en el núcleo de muchas tecnologías eléctri­cas y son un factor clave para confor­mar las redes del futuro.

Los semiconductores son un factor clave de las redes eléctricas

La electrónica de potencia en el suministro eléctrico

comercialización de la energía; sin embar­go, existen una serie de dificultades para el transporte eficiente de la energía desde la fuente al consumidor a través de redes adyacentes, posiblemente a largas distan­cias, en ambas direcciones. Esas dificul­tades se ven agravadas por la siempre creciente demanda de energía, que se debe satisfacer al tiempo que se reducen las emisiones de gases de efecto inverna­

dero. Una mayor capacidad, que permita hacer frente al uso de los vehículos eléctri­cos y a la gestión de una mayor demanda, contribuirá a incrementar la complejidad y aportará el impulso para la evolución de redes más inteligentes, flexibles y fiables.Se han desarrollado y presentado diversas tecnologías lideradas por ABB para ayudar a la industria eléctrica a cumplir estas obli­gaciones. Las tecnologías dependen de los semiconductores de potencia, lo que explica la reciente ampliación de las insta­

Los semiconductores están presentes en el núcleo de muchas tecnologías eléctricas y son un factor clave para conformar las redes del futuro.

22 revista ABB 4|10

radiación solar intensa o grandes volúme­nes de agua en movimiento, se encuentran en regiones remotas del mundo, lejos de las poblaciones y los centros industriales. El transporte de energía a grandes distan­cias, mediante un sistema de transporte de corriente alterna (CA) clásico, es menos efi­ciente en algunos de esos casos y no pue­de desplegarse, por ejemplo, allí donde se precisen cables submarinos para conectar las turbinas eólicas marinas con tierra fir­me. El problema es que la CA oscila a 50 o 60 ciclos por segundo (es decir, 50/60 Hz) independientemente de que se trate de extra alta tensión, alta tensión, media ten­sión o baja tensión.En cada ciclo, un cable de CA se carga y descarga a la tensión del sistema. Esta co­rriente de carga aumenta con la longitud del cable. A una determinada longitud, la corriente de carga del cable y su funda es

tan grande que no queda potencia útil, aunque mucho antes de alcanzar esta lon­gitud, el transporte de energía deja de ser económico. Por otro lado, el cable de corriente continua (CC) no precisa una corriente de carga de esas características. En el cable de CC toda la corriente es utili­zable. Para transportar energía de forma eficiente a los consumidores a lo largo de grandes distancias con pocas pérdidas, ASEA, el precursor sueco de ABB, desarro­lló un sistema de transporte de CC con una potencia nominal de 30 megavatios (MW) a principios del decenio de 1950. El sistema fue utilizado por primera vez para enlazar la isla de Gotland con el territorio continental de Suecia ➔ 2. Este enlace fue importante porque permitía el transporte masivo de electricidad con pocas pérdidas mediante cables submarinos, proporcionando a los isleños un suministro fiable de electricidad barata. Desde esa primera instalación, ABB ha seguido perfeccionando la tecno­logía, sustituyendo las frágiles válvulas de arco de mercurio iniciales, utilizadas para

ABB se unirá a la industria eléctrica en su misión de desarrollar redes más inteligentes, flexibles, eficientes y fiables.

laciones de fabricación de ABB. La fabrica­ción y el desarrollo continuo de semicon­ductores de potencia especializados garantizan que ABB siga en la vanguardia de esta tecnología. ABB se unirá a la in­dustria eléctrica en su misión de desarrollar redes flexibles, eficientes y fiables median­te la introducción de soluciones innovado­

ras basadas en la electrónica de potencia que utilizan semiconductores de alta po­tencia diseñados y desarrollados para pro­porcionar mejores prestaciones ➔ 1.

Energías renovablesGeneralmente, las fuentes de energía reno­vables más fiables, como vientos fuertes,

1 Tecnología de encapsulado de semiconductores

Prácticamente todos los semiconductores de potencia comerciales están basados en silicio; sin embargo, la continua optimización de la tecnología de materiales de silicio ha llevado sus prestaciones muy cerca de sus límites físicos. Esto significa que la posibilidad de conseguir mejoras en este aspecto del diseño es limitada; sin embargo, el encapsulado del dispositivo semi­conductor todavía dispone de un considerable potencial de mejora de las prestaciones.

Básicamente hay dos formas de encapsulado de semiconductores de alta potencia. La principal diferencia entre ellas es que, en el módulo aislado, el circuito eléctrico está galvánicamente aislado del sumidero de calor por un aislante cerámico, mientras que en el diseño de contacto por pre­ sión la corriente circula verticalmente por todo el módulo, también a través del sumidero de calor.

Ambas formas de encapsulado son adecuadas para transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) y tiristores conmutados de puerta inte­ grada (IGCT). Sin embargo, en la práctica, los IGCT solamente se presentan actualmente con encapsulado de contacto por presión, mientras que los IGBT se presentan en las dos variantes. El encapsulado aislado domina actualmente los sistemas de baja potencia (sobre todo por debajo de 1 megavatio), ya que se puede construir el circuito a bajo coste. Por otro lado, el encapsu­

lado de contacto por presión es preferible para potencias de más de 10 MW. Existen varias razones para ello. Las dos más importantes son las siguientes:− En los sistemas con potencias muy altas, hay

que conectar los semiconductores en paralelo y/o en serie. Para esta última opción, los en­ capsulados de contacto de presión presentan una considerable ventaja, ya que los módulos pueden organizarse apilados, separados úni­ camente por sumideros de calor. Un ejemplo de ello se encuentra en las instalaciones de transporte de electricidad de HVDC, en las que se conectan en serie hasta 200 módulos.

− Se debe utilizar un encapsulado de contacto por presión si la aplicación requiere una corriente ininterrumpida garantizada (por ejemplo, un inversor de fuente de corriente). En el encapsulado de contacto por presión, los polos metálicos se funden si falla un semiconductor, asegurando de esa forma un camino de baja impedancia para la corriente. Por el contrario, en un encapsulado aislado, la corriente circula por los hilos de unión, que se volatilizan cuando se presenta un impulso de corriente elevada durante un fallo y dejan abierto el circuito.

nota a pie de página1 CTE es el coeficiente de dilatación térmica.

➔ a Conexiones de alimentación y control➔ b Hilo de unión➔ c Sumidero de calor➔ d Cerámica (normalmente AIN)

➔ e Placa de base (normalmente AISiC)➔ f Semiconductor➔ g Encapsulado

➔ h Sumidero de calor➔ i Compensación CTE1 (Mo) ➔ j Encapsulado (cerámica)

➔ k Cobre➔ l Semiconductor

a

b

d

c h

e

f

a a

gl

i kj

ki

En el encapsulado aislado, el semiconductor ➔ f está aislado galvánicamente del disipador de calor ➔ c. Los contactos eléctricos internos del módulo se establecen por medio de hilos de unión. En caso de avería del dispositivo, estos hilos tienden a vaporizarse y el módulo deja de conducir. En el encapsulado de contacto por presión, la corriente de carga entra a través de una superficie ➔ k y sale por la superficie opuesta. La resistencia eléctrica y térmica reducida de los contactos queda asegurada por la elevada presión mecánica sobre las superficies. En caso de fallo, el semiconductor de silicio ➔ l y el molibdeno se fundirán, de forma que la corriente pueda continuar circulando.

23Aplicaciones de la electrónica de potencia en el suministro eléctrico

de conmutación de cada tiristor es de 50 Hz (o potencialmente 60 Hz) en esta aplicación. Este sistema se utiliza principal­mente para el transporte masivo de electri­cidad a grandes distancias, bien por tierra o bajo el agua, lo que permite la interco­nexión de las redes eléctricas para aumen­tar la estabilidad cuando no se puedan utilizar métodos de CA convencionales. Los actuales sistemas de transporte HVDC tienen capacidad para manejar potencias elevadas y excelentes registros de fiabili­dad. Las pérdidas en los convertidores son pequeñas y los costes de los equipos se han reducido al mínimo en esta tecnolo­gía comparativamente madura. El sistema HVDC desempeñará un papel importante en las redes emergentes del futuro. ABB ocupa una posición única gracias a su capacidad de fabricación de todos los componentes clave, desde cables, conver­tidores y transformadores hasta semicon­ductores de potencia.

Ultra­HvDCMás recientemente, los avances tecnológi­cos han permitido tensiones de hasta 800 kV gracias al empleo de sistemas UHVDC (ultra­HVDC). Para lograr este ni­vel, se ha presentado un nuevo tiristor de 6 pulgadas de 130 cm2 que ha aumentado la corriente normal a 4.000 A, sin afectar a la frecuencia de conmutación. Estas innova­ciones representan el mayor salto en capa­cidad de transporte y eficiencia en más de dos décadas. La tecnología se está em­pleando para transportar 6.400 MW de electricidad a una distancia de 2.071 km desde la central hidroeléctrica de Xiangjia­ba, en el sudoeste de China, hasta Shangai,

convertir la CA en CC y la CC en CA, por aplicaciones basadas en robustos semi­conductores de potencia. En la actualidad, algunas de las ciudades más grandes, in­cluidas Shanghai, Delhi, Los Ángeles y Sao Paulo, dependen del suministro de enor­mes cantidades de electricidad, a menudo a través de miles de kilómetros de distancia, mediante sistemas de transporte HVDC. Asimismo, ABB ha instalado varias interco­nexiones con cables HVDC submarinos entre distintos países de Europa occiden­tal, como el proyecto NorNed, que conecta Noruega con los Países Bajos. Además, ABB ha conectado parques eólicos mari­nos con tierra firme, incluido el proyecto Borwin 1, el parque eólico marino más ale­jado del mundo situado en el Mar del Norte, a 128 kilómetros de la Alemania continen­tal. Para conseguir estas hazañas, ABB ha desarrollado una serie de sistemas de transporte HVDC que permiten la adapta­ción a diversas aplicaciones especializa­das.

HvDC ClassicComo su nombre sugiere, HVDC Classic fue la tecnología pionera, que utilizó inicial­mente válvulas de mercurio. En la actuali­dad, la conversión de energía se hace con tiristores (véanse los dispositivos que se describen en “La desmitificación de los se­miconductores”, página 27 de la Revista ABB 3/2010). Los tiristores se conectan en serie y se disponen en módulos, en los que cada tiristor puede soportar 8,5 kilovoltios (kV). Estos módulos (en encapsulado de contacto por presión) se conectan a su vez en serie en capas para crear válvulas de tiristores a plena tensión ➔ 3. La frecuencia

2 Tendido del cable para el enlace HvDC de gotland en 1954

3 Sala de tiristores

ABB ha instalado varias interconexio­nes con cables HVDC submarinos entre distintos países de Europa occidental, incluido el proyecto Nor­Ned, un enlace de 580 km entre Noruega y los Países Bajos.

5 Módulo StakPak™ con igBT

Oblea de silicio con chipsChip IGBT individual

SubmóduloMódulo StakPak™

4 Conexión de 2.071 km de UHvDC entre Xiangjiaba y Shanghai

Shanghai

Xiangjiaba

China

24 revista ABB 4|10

de desconexión de 4.000 A en funciona­miento normal y puede soportar unos 18 kA en condiciones de cortocir cuito ➔ 7.

Sistemas de transporte de CA flexibles (FACTS)El sistema eléctrico de CA ha encontrado siempre dificultades con la energía reacti­va. Este componente de la CA es consumi­do por los condensadores, los transforma­dores y los motores inductivos, que son elementos usuales en una red de CA. La pérdida de energía en el sistema por causa de estos elementos es consecuencia de la producción de campos magnéticos (en el caso de los elementos inductivos) o de campos eléctricos (en el caso de los ele­mentos capacitivos), lo que reduce de for­ma efectiva la potencia real disponible en el sistema (para una explicación sobre la energía activa y reactiva, véase la página 35 de la Revista ABB 3/2009). En condicio­nes inductivas, se pueden conectar auto­máticamente al sistema dispositivos para la compensación de la energía reactiva, ta­les como baterías de condensadores ➔ 8, que aumentan la tensión del sistema, o en condiciones capacitivas, se pueden em­

creciente para conectar plataformas mari­nas petrolíferas y de gas con tierra firme y hacer posible las interconexiones de redes.La característica principal que hace que HVDC Light sea tan controlable se debe, en gran parte, a los dispositivos semiconduc­tores IGBT utilizados en su montaje. Como los tiristores, los IGBT pueden conectarse en serie para aumentar la tensión.Sin embargo, a diferencia de los tiristores, controlados por una corriente de puerta, sólo se requiere una pequeña señal de tensión para controlar su conmutación. Para construir un sistema HVDC Light con potencias de 300 MW, se conectan en serie 6.000 módulos StakPak, con unos 200.000 chips IGBT ➔ 5 y ➔ 6. Cada módulo StakPak consta de varios sub­

módulos (pueden ser dos, cuatro o seis). La frecuencia de conmutación del IGBT puede deter­minarse en función de la aplicación y se encuentra normal­mente entre un par de centenares de Hz y 1 kHz. El mon­taje de los IGBT de esta forma propor­ciona un converti­dor electrónico de potencia compac­

to, muy controlable, para permitir la estabi­lidad de la tensión incluso en regiones de la red sin fuentes de energía adicionales. El primer proyecto HVDC Light fue el trans­porte de prueba de 10 kV en Hällsjön­Grängesberg, que se completó en 1997. Desde entonces, se han construido mu­chas estaciones de convertidores, la mayor de las cuales tiene una corriente máxima

en el este, para suministrar electricidad lim­pia a unos 31 millones de personas ➔ 4.

HvDC LightUna útil adaptación del HVDC Classic ha sido el desarrollo del HVDC Light® de ABB en el decenio de 1990. Este sistema utiliza transistores en vez de tiristores en el proce­so de conversión de la energía. HVDC Light permite, asimismo, el transporte a larga dis­tancia utilizando cables submarinos y sub­terráneos de bajo impacto o líneas aéreas. Sin embargo, el uso de conmutadores se­miconductores controlados por puerta de alta velocidad, es decir, transistores bipola­res de puerta aislada (IGBT), ha hecho po­sible crear convertidores de fuente de ten­sión (VSC) de vanguardia como parte integrante del sistema, capaces de inyec­

tar o absorber rápidamente energía reacti­va. Gracias a su mayor capacidad para estabilizar la tensión de CA en los termina­les, esta tecnología es ideal para los par­ques eólicos, en los que la variación de la velocidad del viento puede ocasionar gra­ves fluctuaciones de tensión. De forma si­milar, su extraordinaria capacidad de con­trol y flexibilidad han permitido su uso

ABB ocupa una posición única para ayudar a crear las redes del futuro por su capa­cidad para fabricar todos los componentes clave, desde cables, convertidores y trans­formadores hasta semicon­ductores de potencia.

6 Sala de válvulas igBT 7 Principales instalaciones de HvDC Light y SvC

Proyecto número Año de de conver­ funciona­ tidores miento

1 Hällsjön 2 1997

2 Hagfors (SVC) 1 1999

3 Gotland 2 1999

4 Directlink 6 2000

5 Tjæreborg 2 2002

6 Eagle Pass 2 2000

7 Moselstahlwerke (SVC) 1 2000

8 Cross Sound Cable 2 2002

9 Murraylink 2 2002

10 Polarit (SVC) 1 2002

11 Evron (SVC) 1 2003

12 Troll A 4 2005

13 Holly (SVC) 1 2004

14 Estlink 2 2006

15 Ameristeel (SVC) 1 2006

16 ZPSS (SVC) 1 2006

17 Mesnay (SVC) 1 2008

18 Martham (SVC) 1 2009

19 Liepajas (SVC) 1 2009

20 Siam Yamato (SVC) 1 2009

21 BorWin 1 (Nord E.ON 1) 2 2010

22 Enlace Caprivi 2 2010

23 Valhall 2 2010

24 Liepajas Metalurgs (SVC) 1 2010

25 Danieli – GHC2 (SVC) 1 2011

26 Danieli – UNI Steel (SVC) 1 2011

27 EWIP 2 2012

25

SvCTanto con el HVDC Classic como con el UHVDC, los SVC deben instalarse en el punto en que estos sistemas se unen a la red de CA para inyectar o absorber energía reactiva. Esto se debe a que los sistemas HVDC sólo pueden transportar energía ac­tiva, es decir, estos sistemas forman una barrera efectiva contra el flujo de energía reactiva. Si bien esto puede evitar el efecto en cascada de la energía reactiva fluyendo por toda la red y provocando caídas de tensión y apagones, también puede redu­cir las fuentes disponibles de energía reac­tiva. Para compensar esta deficiencia de energía reactiva, hay que instalar SVC en el punto de conexión del HVDC para asegu­rar la estabilidad, estableciéndose una ins­talación local que absorbe o inyecta ener­gía reactiva.Una de las consecuencias de interconectar redes eléctricas para la comercialización de la energía eléctrica ha sido una mayor vulnerabilidad de la red a los problemas que se extienden por ella. La ventaja de uti­lizar sistemas HVDC para conectar redes de CA ha sido doble: constituyen una ba­rrera para el flujo de energía reactiva, como se ha descrito anteriormente, y permiten conectar alimentaciones eléctricas de dis­tinta frecuencia o redes de la misma fre­cuencia nominal pero sin relación de fases fija, o ambas (es decir, diferente frecuencia y distinto número de fases). Por supuesto, dichas conexiones no tienen que ser lar­gas; todo lo que se requiere es una esta­ción HVDC adosada con inversores estáti­cos y rectificadores en el mismo edificio.

STATCoMAdemás del HVDC Light, que utiliza los IGBT para proporcionar capacidades VSC a fin de inyectar o absorber rápidamente energía reactiva, el SVC Light® utiliza los

plear reactancias para consumir var (po­tencia reactiva en voltamperios) del siste­ma, y reducir su tensión. Si la energía reactiva no se compensa localmente será llevada a través de las líneas de transporte y desestabilizará la red, lo que puede cau­sar apagones. El término FACTS cubre un grupo de tecnologías que mejoran la segu­ridad, la capacidad y la flexibilidad de los sistemas de transporte de energía. Estas tecnologías se pueden instalar en líneas nuevas o existentes de transporte de ener­gía, bien en serie, por ejemplo, utilizando condensadores en serie controlados me­diante tiristores (TCSC) o reactancias en serie controladas con tiristores (TCSR), bien en paralelo, por ejemplo, con com­pensadores estáticos de var (SVC) o con compensadores estáticos síncronos (STATCOM). Estos dispositivos optimizan el flujo de energía y estabilizan las tensio­nes compensando la energía reactiva me­diante electrónica de potencia.

TCSC y TCSrLos tiristores se pueden utilizar para co­nectar automáticamente condensadores, mediante TCSC, o reactancias, mediante TCSR, a fin de estabilizar la tensión. Los TCSC son particularmente útiles para la estabilización de tensiones en las interco­nexiones de las redes de transporte y se han empleado para interconectar los siste­mas eléctricos del norte y del sur de Brasil. Desde la primavera de 1999, Eletronorte de Brasil ha estado trabajando con un TCSC y cinco condensadores en serie (SC) fijos suministrados por ABB en su interco­nector de 500 kV entre los sistemas eléctri­cos del norte y del sur ➔ 9. ABB ha instala­do unos 1.100 Mvar de condensadores en serie que proporcionan estabilidad dinámi­ca en ambos sistemas interconectados de suministro eléctrico.

9 TCSC en imperatriz, Brasil8 Batería de condensadores

10 Pila de SvC Light

Aplicaciones de la electrónica de potencia en el suministro eléctrico

IGBT de forma similar. El SVC Light es un compensador estático síncrono (STATCOM) que funciona de forma similar al SVC basa­do en tiristores, pero que utiliza un VSC. Los semiconductores IGBT del SVC Light se reúnen en StakPaks y se conectan en serie para soportar la tensión requeri­da ➔ 10. El mayor control que permiten los IGBT proporciona mejoras de calidad de la energía que pueden reducir el parpadeo de tensión producido por clientes que traba­jan con hornos de arco eléctrico. Estos hornos consumen no sólo mucha energía activa, sino también reactiva. Para com­pensar el consumo de rápida fluctuación de energía reactiva de los hornos, se nece­sita un dispositivo de compensación igual­mente rápido. Esta rápida respuesta la pro­porciona la tecnología IGBT de vanguardia. La llegada de esos dispositivos semicon­ductores controlables de forma continua, capaces de manejar potencias elevadas, permite que el SVC Light se haga cargo de

26 revista ABB 4|10

exactitud a fin de controlar la tensión y la potencia de forma precisa.En las redes eléctricas actuales se requiere un mayor grado de sofisticación para ase­gurar que se suministra energía estable y fiable en respuesta a la demanda, pese a la naturaleza intermitente de las fuentes de energía renovable, como la eólica, solar, undimotriz o mareomotriz. Para facilitar las nuevas demandas exigidas a las redes eléctricas se están incorporando continua­mente a las estructuras nuevas y existen­tes dispositivos de electrónica de potencia innovadores con mejores prestaciones.Las prestaciones del HVDC Classic y el HVDC Light han aumentado con rapidez en los últimos 10 años ➔ 12. Continuarán produciéndose avances en las aplicacio­nes de la tecnología de semiconductores a medida que proyectos con visión de futuro, tales como Desertec y las redes de CC, se conviertan en realidad.

Claes rytoft

ABB Power Systems

Zurich, Suiza

claes.rytoft@ch.abb.com

Peter Lundberg

ABB Grid Systems

Västerås, Suecia

peter.lundberg@se.abb.com

Harmeet Bawa

ABB Power Products and Power Systems

Zurich, Suiza

harmeet.bawa@ch.abb.com

Mark Curtis

ABB Corporate Communications

Zurich, Suiza

mark.curtis@ch.abb.com

los requisitos de energía reactiva de la red, muy dinámicos, que van desde decenas de megavoltamperios (MVA) hasta valores superiores a 100 MVA.

SvC Light con almacenamiento de energíaCon la mayor dependencia de las energías renovables aparece un cierto grado de inestabilidad en la red. Para mejorar la es­tabilidad y la fiabilidad, ABB ha presentado su última incorporación a la familia FACTS, el SVC Light® with Energy Storage ➔ 11. Se trata de un sistema dinámico de almacena­miento de energía basado en baterías de iones de litio que no sólo puede suministrar energía reactiva, como el SVC Light nor­mal, sino que también puede suministrar energía activa, lo que ofrece una alternativa a los refuerzos en transporte y distribución para apoyar las cargas de pico. Los valores actuales de potencia nominal y de capaci­dad de almacenamiento se encuentran normalmente en el intervalo de 20 MW du­rante períodos de entre 15 y 45 minutos, pero esta tecnología puede ampliarse has­ta 50 MW de potencia durante 60 minutos y más.

Sistema de control MACH2™La introducción de la tecnología de la elec­trónica de potencia en la red eléctrica su­pone una oportunidad para gestionar de forma efectiva la magnitud y la dirección del flujo de potencia. Para maximizar y pro­teger las prestaciones, se han desarrollado herramientas eficientes que controlan, su­pervisan y analizan los sistemas de trans­porte HVDC. El sistema MACH2™ de ABB es un sistema de control y protección del HVDC de alto rendimiento. Se utiliza ac­tualmente en los sistemas HVDC, SVC y SVC Light y otras aplicaciones para con­trolar la conmutación de los semiconduc­tores a velocidad muy elevada y con gran

11 SvC Light con almacenamiento de energía

El SVC Light with Energy Storage permite el control independiente y dinámico de la energía activa y la energía reactiva de la red.

12 Capacidad de transporte en aumento en los últimos años

HvDC ClassicCapacidad de transporte (MW)

Capacidad de transporte (MW)

1970 1990 2010 2000 2010

6.000

4.000

2.000

1.000

800

400 3

1

800

600

200

HvDC Light

Año Año

Innovaciones importantes

La capacidad ha aumentado 10 veces desde 2000. Reducción de las pérdidas

del 3% al 1% por convertidor desde 2000.

La capacidad ha aumentado 6 veces desde 2000. La tensión ha aumentado

de 100 kV a 800 kV desde 1970.

Pérdidas (%)

Pérdidas

Tensión (V)

Tensión

Cap

acid

ad

Capac

idad

27Control inteligente del motor

PETEr o. MüLLEr, ABHiSEk UkiL, AnDrEA AnDEnnA – En las grandes plantas industriales suele haber miles de motores que proporcionan el movimiento necesario. Cualquier parada imprevista o repentina de un motor puede provocar costosos fallos en la secuencia de los procesos. Así pues, la protección y la gestión fiables de los motores son básicos para garanti­zar una secuencia controlada de la producción. Algunos alimentadores actuales de motores se montan por módulos, utilizando, por ejemplo, protección térmica para el motor basada en un relé bimetálico. En estos sistemas, implantar funciones de protección y control resulta complejo y difícil; las funciones de control e interbloqueo del motor deben programarse en el controlador de procesos, y las señales de

control y realimentación se intercambian a través de módulos de entrada y salida que deben diseñarse y cablearse. otras funciones de protección, como la supervisión de la tempera­tura en el devanado del motor mediante un termistor, exigen más dispositivos y cables. Éstas y otras muchas funciones se integran ahora en una sola unidad: el controlador universal inteligente de motores UMC100. Conocido como “modulo de gestión inteligente del motor”, el UMC100 realiza funciones de control y protección del motor y de comunicación entre el bus de campo y el sistema de control y diagnóstico. En compara­ción con los alimentadores convencionales del motor, los controladores ofrecen muchas ventajas a lo largo de todo el ciclo de vida de una planta industrial.

El UMC100 es un ejemplo excelente de controlador flexible, modular y escalable de motor

Control inteligente del motor

28 revista ABB 4|10

gráfica del funcionamiento de los paráme­tros, así como la lectura de todos los datos de las mediciones mediante una conexión en línea con el dispositivo. El panel de diá­logo del DTM para la configuración de los parámetros de protección a partir de la medición de la corriente del motor se muestra en ➔ 1.

Todas las funciones de control que más suelen necesitarse en la práctica ya están integradas en el UMC100 y se pueden configurar con sólo establecer diversos parámetros. Tales funciones permiten la adaptación flexible a las distintas necesi­dades de los clientes y un intervalo de ajuste amplio. Esto reduce considerable­mente el esfuerzo de ingeniería en el sis­tema de control, puesto que toda la fun­ción de control se ejecuta en el controlador del motor. Las funciones de control espe­cíficas de una aplicación pueden implan­tarse usando la lógica programable a vo­luntad. Si está previsto reutilizar los módulos existentes de gestión del motor en el sistema de control distribuido (DCS),

El UMC100 de cercaEste controlador universal de motores (UMC), también denominado “modulo de gestión inteligente del motor”, está diseña­do para motores de inducción de CA trifá­sica y combina las funciones de protección y de gestión del motor en un único disposi­tivo, así como la comunicación del bus de campo y el diagnóstico.

El UMC100 funciona con total independen­cia y garantiza la protección del motor en todo momento, aunque falle el control o el sistema de bus. La alta precisión del siste­ma de medición electrónica permite la utili­zación más optimizada de los motores y garantiza un comportamiento constante de disparo.

Los parámetros pueden configurarse según convenga a través de archivos estándar de descripción de dispositivos (por ejemplo, GSD/EDES), del panel de control o del administrador de tipos de dispositivos (DTM). El DTM permite la agrupación de parámetros asociados y la visualización

L os cambios en los mercados mundiales son una de las razones por las que muchas empresas se están viendo obligadas a reducir

los costes de funcionamiento y de produc­ción, así como a aumentar la producción y la calidad. La eficiencia energética es otro factor cuya mejora interesa en particular a los fabricantes. De hecho, existe ahora una demanda cada vez mayor de soluciones más modulares, flexibles e integradas. Esto, a su vez, hace que muchos provee­dores examinen sus carteras de productos y busquen modos de mejorar sus ofertas para responder a tal demanda.

Las soluciones integradas se están convir­tiendo rápidamente en algo habitual, en parte porque los avances tecnológicos facilitan la integración, y también porque este tipo de soluciones funcionan con mayor eficacia como conjunto que como suma de los elementos que las componen. Además, las tendencias futuras indican que la integración es un factor capaz de favorecer o destruir una empresa.

ABB lleva algún tiempo centrada en el ulte­rior desarrollo de muchas de sus carteras de productos en respuesta a la tendencia hacia la integración perfecta de dispositi­vos, y el éxito de este esfuerzo puede ver­se en un dispositivo: el controlador inteli­gente del motor UMC100.

Modelos de motor

Todo controlador inteligente de motor necesita un modelo de motor. El modelo estima la tempe ­ ratura del motor a lo largo del tiempo y genera una señal de disparo para parar el motor cuando se supere un determinado umbral. La elección del modelo del motor es un paso esencial en el diseño del controlador de un motor, ya que afecta al comportamiento de la función principal del dispositivo. Esta opción de diseño exige una solución de compromiso básica: por un lado, el modelo debe ser lo más sencillo posible. Un modelo de motor complejo no “entra” en la plataforma electrónica del controlador del motor y puede incluir demasiados parámetros, lo que puede hacer difícil su identificación y determina­ción por el cliente. Por otro lado, la temperatura del motor debe estimarse con precisión para protegerlo eficazmente.

Los requisitos mínimos para los modelos de mo ­ t or pueden obtenerse de la norma IEC 60947­4­1 [3], que define los tiempos mínimo y máximo de disparo para distintos tamaños de motor (clases de disparo) y valores de la corriente en el motor. Por ejemplo, la norma indica que un relé de so­ brecarga o un controlador de motor que proteja un motor de clase de disparo 20 debe tardar en parar el motor entre 6 y 20 segundos cuando la corriente sea 7,2 veces el valor nominal.

El cumplimiento de esta norma es una exigencia mínima para un controlador inteligente de motor. Un modelo muy simplificado de motor puede que no capte la dinámica de la temperatura del motor con la suficiente precisión, y en el peor de los casos puede que no llegue a dispararse cuando la temperatura real del motor sea excesiva. Por ejemplo, la temperatura en el devanado del motor

se ve afectada directamente por la corriente del estator debido al efecto Joule y de forma indi ­ recta por la conducción térmica con otros com­ ponentes del motor. Un modelo de motor fiable (modelo A) debe tener en cuenta ambos efectos; uno más sencillo (modelo B) puede considerar sólo el primer efecto, que es el predominante. En el gráfico adjunto se muestra el comportamiento de estos dos modelos, que muestran un motor funcionando en condición de sobrecarga durante algún tiempo antes de que se apague y vuelva a cargarse en condición nominal. Comportamiento térmico para los dos modelos (curva azul para el modelo A, curva roja para el modelo B) durante la fase final (carga en condición nominal). En este caso, el efecto de conducción térmica no es despreciable, ya que el motor estaba sobrecarga­do poco antes, y la temperatura en el devanado pudo aumentar temporalmente hasta un valor superior al nominal, como muestra la salida del modelo A. Por lo tanto, un modelo más complejo como el A proporcionaría en este caso una mejor protección del motor.

Resultados de los distintos modelos de motor

Tiempo (min)

60 70 80 90 100

104

102

100

98

96

94

Tem

per

atur

a (%

nom

inal

)

Modelo A

Modelo B

29Control inteligente del motor

planificación, el inventario y la prestación del servicio.

DiagnósticoEl fallo de un motor suele provocar la inte­rrupción del proceso, lo que, a su vez, repercute considerablemente en los costes totales de explotación y mantenimiento. Es muy habitual que la información de diag­nóstico sólo se utilice una vez producido un fallo para determinar la causa. Por lo tanto, el diagnóstico claro e integral de los motores de inducción en su entorno de proceso reviste una importancia funda­mental para evitar averías y permitir su rec­tificación rápida cuando ocurren.

En los motores de inducción se producen varios tipos de averías, cuyo origen puede ser externo o interno por diversas razones de índole eléctrica y mecánica ➔ 3. En este sector se utiliza actualmente el diagnóstico de averías de motores de inducción (en es­

de campo. Aunque el UMC100 es compa­tible con las normas Profibus DP, Device­Net, Mod­bus y CANopen, también se garantiza su plena funcionalidad indepen­diente, sin bus de campo.

El UMC100 cubre toda la gama de intensi­dades desde 0,24 A hasta 850 A. Sólo las intensidades superiores a 63 A necesitan un transformador externo adicional, que actúa más como un transformador previo. Incluso con intensidades nominales pe­queñas, los cables del motor deben diri­girse a través de los transformadores de corriente sólo una vez. Los planificadores no tienen que seleccionar distintos tipos de dispositivos en función de la intensidad nominal del motor. No se producirán pro­blemas a causa de solapamientos adver­sos de los intervalos de medición de la intensidad. En general, el número de ca­racterísticas típicas que debe aplicar el pla­nificador puede reducirse, lo que facilita la

la posición de las señales de control y su­pervisión también puede adaptarse a la nueva situación. Esto es especialmente útil en la remodelación de plantas indus­triales antiguas.

Se aplica en cuatro puntos de control dis­tintos (bus, “en el motor”, puerta del arma­rio, ordenador portátil de servicio) ➔ 2. Para cada punto, el control del motor se puede activar o desactivar en función del modo (automático o local). El dispositivo básico está equipado con seis entradas digitales, tres salidas de relé y una salida de conmu­

tación de 24 V. Para aplicaciones más complejas con un gran número de entra­das y salidas o con señales especiales, hay disponibles módulos de expansión.

Los controladores de motores suelen estar integrados en un DCS. Para su uso a esca­la mundial, deben admitirse distintos buses

1 Configuración de los parámetros de protección con el DTM UMC100 2 Editor para funciones de control personalizadas

Este controlador universal de motores (UMC), diseñado para motores de in­ducción de CA trifásicos, combi­na las funciones de protección y gestión del motor en un solo dispo­sitivo.

3 origen de las averías

Origen eléctrico

Averías del estatorDaños en el aislamientoRelacionadas con el dieléctricoRelacionadas con los conductores

Barras del rotorDesalineaciónAvería de los cojinetesVibración del bastidorExcentricidad del entrehierro

SobrecargaCarga pulsante

Montaje incorrectoBase inestable

DesequilibrioSecuencia de fases

Pérdida de faseBajadas y subidas breves de tensiónCableadoFallo de tierra

Temperatura ambienteAltitudLimpiezaHumedad

Origen mecánico

Mecánicas

Proceso

Instalación

Alimentación

SucesosEléctrica

Otros

Causas internas

Causas externas

­

­

­

­

­

­

Causas de las averías

­

­ ­­

­

30 revista ABB 4|10

y completo es de particular importancia. La práctica ha demostrado que aunque los portátiles suelen estar disponibles, no siempre están listos para su uso inmediato. Para solucionarlo, el UMC100 dispone de un panel de control LCD multilingüe y total­mente gráfico colocado en la puerta del armario, que muestra todos los datos de estado y los parámetros de una manera fácil de comprender ➔ 5. Los mensajes de error se presentan en texto claro, y es po­sible definir textos de mensajes específicos de la planta para las entradas de averías configurables a voluntad. Por lo tanto, no hace falta ningún portátil para detectar las averías.

El mantenimiento predictivo es rentableEn combinación con los sistemas de con­trol de ABB, UMC100 Asset Monitor ayuda a identificar rápidamente si una avería está en el propio dispositivo, en la instalación eléctrica exterior o en el proceso conecta­do. Para ello, Asset Monitor reúne todos los datos de diagnóstico que proporciona el UMC100 a intervalos configurables y los asigna a las siguientes categorías, de con­formidad con la recomendación NE107 de NAMUR:− Fallo: el motor no está disponible

debido a una anomalía funcional en el dispositivo de campo o su periferia (por ejemplo, disparo térmico).

− Comprobación del funcionamiento: la señal de salida no es válida temporal­mente debido al trabajo que se está realizando en el alimentador del motor (por ejemplo, posición de prueba durante la puesta en servicio).

− Fuera de especificaciones: el alimenta­dor del motor está aún disponible, pero fuera de los límites especificados (por ejemplo, la corriente del motor está por encima/por debajo del valor límite preestablecido).

− Necesidad de mantenimiento: el alimentador está aún disponible, pero se indica que es preciso realizar de inmediato el mantenimiento (por ejemplo, rotura de cable del PTC).

Estos mensajes ayudan al operario de la planta a adoptar las medidas apropiadas sin verse abrumado por los detalles del dis­positivo.

El personal de mantenimiento, por otro lado, puede ver fácilmente todos los deta­lles disponibles en la pantalla LCD del dis­positivo o el DTM a través del bus y, por

pecial, problemas relacionados con fuen­tes internas) mediante el análisis espectral de la corriente del motor (MCSA) [2, 3]. Sin embargo, por razones económicas, el diagnóstico basado en el MCSA se aplica sobre todo, por ejemplo, a motores gran­des y sistemas de diagnóstico avanzados de motores/accionamientos, que son más complejos y costosos. Otros problemas como los fallos de los cojinetes revisten también interés. Sin embargo, los proble­mas de los cojinetes pueden no afectar directamente al circuito eléctrico del motor de inducción de forma evidente y, por lo tanto, ser difíciles de detectar utilizando el MCSA. Por esta razón, pueden resultar más eficaces otros tipos de diagnósticos como, por ejemplo, el análisis de vibraciones.

En lugar de tener que configurar distintos sistemas de diagnóstico para garantizar que se cubren todos los ángulos posibles de averías del motor, la solución ideal sería disponer de un controlador del motor con un coste comparativamente bajo que ofre­ciera funciones estándar de protección y diagnóstico, así como funciones de diag­nóstico del motor en línea.

El controlador UMC100 responde a estas características y ofrece completas opcio­nes de prueba y análisis, entre ellas: medi­ción continua de las horas de funciona­miento del motor, recuento de arranques del motor y disparos por sobrecarga, regis­tro de los datos de diagnóstico, determina­ción del tiempo de arranque del motor y de la corriente máxima de arranque, etc. Todos los datos son accesibles a través del bus de campo y pueden utilizarse para la planificación de las operaciones de mante­nimiento. Por ejemplo, un aumento del tiempo de arranque puede reflejar un com­portamiento lento de la carga conectada. Además, la información procedente del modelo del motor puede ayudar al operario de la planta durante el funcionamiento de ésta. Por ejemplo, si la carga térmica indi­cada de un motor supera un umbral prede­finido, el operario de la planta puede redu­cir la cantidad de material que se introduce en un agitador para evitar un disparo.

Las opciones de diagnóstico avanzadas se encuentran entre las principales ventajas de los controladores inteligentes de moto­res. Puede accederse a las funciones de diagnóstico del UMC100 desde el panel de control de LCD, desde un ordenador por­tátil de servicio o a través del bus. En caso de avería del motor, un diagnóstico rápido

El UMC100 repre­senta un avance enorme hacia una estrategia de man­tenimiento predicti­vo, que hasta hace poco se ha asocia­do con medidas especiales muy costosas.

4 El panel de control permite presentar todos los datos in situ.

31Control inteligente del motor

seguro. Si el cajón se retira, la dirección del nodo no se pierde, de modo que si los cajones se intercambiaran accidentalmen­te, se detectaría de inmediato.

Una solución excelenteAl facilitar continuamente datos completos sobre el diagnóstico, el servicio y el funcio­namiento del motor al sistema de control, el UMC100 permite detectar anomalías en una fase temprana y adoptar las medidas oportunas para evitar, o al menos limitar, sus efectos. El moderno panel de control LCD muestra todos los datos sobre el fun­cionamiento y el mantenimiento, y permite la detección rápida de averías sin necesi­dad de utilizar un ordenador portátil. La es­tructura modular del dispositivo representa ventajas ya en las fases de planificación y diseño. Y el tiempo y el esfuerzo necesa­rios para el cableado se reducen conside­rablemente debido al hecho de que todas las funciones de protección, supervisión y control están integradas en un solo dispo­sitivo.

En comparación con la tecnología conven­cional, el UMC100 es una solución exce­lente para la implantación de alimentadores de motores en plantas industriales, ya que ofrece muchas ventajas a lo largo de todo el ciclo de vida de la planta.

Peter o. Müller

ABB STOTZ­KONTAKT GmbH

Heildelberg, Alemania

peter.o.mueller@de.abb.com

Abhisek Ukil

Andrea Andenna

ABB Corporate Research

Baden­Dättwil, Suiza

abhisek.ukil@ch.abb.com

andrea.andenna@ch.abb.com

referencias[1] Norma internacional IEC­60947­4­1. Contacto­

res y arrancadores de motor. Contactores y arrancadores electromecánicos. Ed. 3.0 (9/2009).

[2] Benbouzid, M. E. H. (2000). A Review of Induction Motors Signature Analysis as a Medium for Faults Detection. IEEE Transactions Industrial Electronics, vol. 47, no. 5. pp. 984–993

[3] Thomson W. T., Fenger M. (July/August 2001). Current signature analysis to detect induction motor faults. IEEE Industry Applications Magazine, pp. 26–34.

poco se había asociado con medidas es­peciales muy costosas y que ahora se ha convertido en una solución económica­mente viable para muchas aplicaciones.

integración sencilla en los espacios más reducidosGracias a su diseño compacto y a su siste­ma de medición integrado, los controlado­res de motores se adaptan incluso a los espacios más reducidos. Esto supone una ventaja enorme, en especial en apli­

caciones que utili­zan aparamenta de baja tensión extraí­ble con un espacio limitado o en la renovación de los sistemas existentes para alojar un siste­ma moderno de gestión de moto­res ➔ 5. En estas aplicaciones, una integración directa del nodo del bus de campo en el con­

trolador del motor sería un inconveniente, puesto que se necesitaría una línea de derivación para cada uno de los dispositi­vos. Esto suele originar problemas de esta­bilidad en el bus de campo. Como conse­cuencia, es necesario reducir la velocidad de transmisión en baudios, lo que a su vez conduce a ciclos más largos. La mejor solución es la separación entre el nodo del bus y el controlador del motor. El nodo del bus de campo independiente permanece en el compartimiento del cable y se comu­nica con su controlador en el cajón. La línea del bus de campo es lineal, no tiene líneas de derivación, lo que resulta benefi­cioso para que el funcionamiento sea

ejemplo, remitir instrucciones para que se emprendan acciones específicas en rela­ción con el dispositivo y con la planta. Las funciones descritas de supervisión y gene­ración de informes sobre el estado pueden utilizarse para recoger, combinar, analizar y comparar esta información con los datos históricos para ver, por ejemplo, cómo ha ido variando el tiempo de arranque del mo­tor. Además, las advertencias de desgaste incipiente de los dispositivos y componen­tes y su posible avería pueden identificarse

con mayor facilidad y presentarse al per­sonal de mantenimiento de forma com­prensible. Esto permite una mejor planifica­ción de las operaciones de mantenimiento y reduce al mínimo los tiempos de inmovili­zación. Todos los datos relacionados con el mantenimiento son totalmente accesi­bles a través del bus de campo, es decir, que la información está también disponible para las herramientas de gestión del man­tenimiento ya existentes, si fuera necesa­rio.

En general, el UMC100 representa un avance enorme hacia una estrategia de mantenimiento predictivo, que hasta hace

Como todas las funciones de protección, supervisión y control están integradas en un solo dispositivo, el tiempo y el esfuerzo necesarios para el cableado se reducen considerablemente.

5 Cuando se utiliza para aplicaciones con cajones en centros de control de motores, el UMC100­FBP se coloca dentro de la ranura mientras la conexión del bus de campo se monta externamente

Conexión en serie en el cajón

UMC100

De la conexión del bus de campo anterior

Conexión del bus de campo (por ejemplo, PDP22)

Al bus de campo siguiente

Cámara de cables

32 revista ABB 4|10

jUAn SAgArDUy, jESPEr kriSTEnSSon, SörEn kLing, joHAn rEES – En las aplica­ciones hidráulicas, las bombas centrífugas son accionadas por un motor de inducción alimentado directamente de la red. La regulación del caudal se efectúa con varios medios distintos, principalmente mediante el empleo de dispositivos de reducción de paso, un método de muy poco rendimiento, ya que las pérdidas hidráulicas aumentan espectacularmente cuando se estrangula el paso del líquido mediante una válvula; los accionamientos de frecuencia variable (vFD), recomen­dados como un medio eficaz para el ahorro de energía, garantizan la regulación del caudal mediante el control de la velocidad de giro del eje del motor; y como alternativa, la activación y desactivación del funcionamiento de la bomba siguien­do un ciclo de trabajo preciso (la bomba no funciona continuamente, sino que se conecta durante el tiempo necesario para bombear el volumen de agua deseado y se desconecta el resto del tiempo). Dado que muchos sistemas hidráulicos distintos recomiendan utilizar convertidores de frecuencia o control cíclico (es decir, tecnologías de arranque suave), ¿cuál de estas dos soluciones es la más rentable para reducir el consumo de energía y proporcionar el plazo de amortiza­ción más satisfactorio?

¿Arrancadores suaves, accionamientos de velocidad variable o ambos?

Dejar lo mejor para el final

33Dejar lo mejor para el final

34 revista ABB 4|10

Puesto que los dispositivos de reducción de paso ofrecen un bajo rendimiento, ¿cuál de las dos soluciones técnicas, velocidad variable o control cíclico, es la más rentable desde el punto de vista de la reducción del consumo de energía? ➔ 1. De hecho, el factor determinante para seleccionar uno u otro de los métodos de control es la natu­raleza de los sistemas hidráulicos en los que trabaja la bomba centrífuga.

Por ejemplo, en el tratamiento de aguas residuales, la puesta en marcha o parada de las bombas centrífugas se basa, en general, en el control del proceso. Las aguas residuales (es decir, los efluentes de zonas residenciales o edificios comerciales) se recogen normalmente en fosas sépticas

L a eficiencia energética es un as­pecto muy importante que los clientes buscan en productos y sistemas, y algo que los provee­

dores se esfuerzan en mejorar en su oferta de productos. De hecho, la opinión general es que la inversión dedicada a la adquisi­ción de equipos eléctricos, así como el coste del tiempo de inmovilización corres­pondiente a la instalación y la puesta en funcionamiento, se ven compensados por una disminución del consumo eléctrico gracias a un funcionamiento con una ma­yor eficiencia energética.

El compromiso de ABB con la eficiencia energética es incuestionable y la empresa ha dedicado tiempo, conocimientos y recursos para poder ofrecer las mejores soluciones de baja tensión del mercado (en forma de convertidores de frecuencia y arrancadores suaves 1), especialmente adecuadas para maximizar el ahorro de energía en las bombas hidráulicas y las aplicaciones de tratamientos de aguas residuales.

nota a pie de página1 Al reducir la tensión aplicada, el arrancador suave

permite poner en marcha los motores de CA con suavidad. Cuando se para la bomba, se evitan los golpes de ariete en el sistema hidráulico mediante la reducción controlada del par gracias a un algoritmo exclusivo del arrancador suave.

2 La gama PSE de ABB se utiliza principal­mente para aplicaciones de bombeo.

nomenclatura

Hbep [m]: Presión hidráulica en el punto de mejor eficiencia de la bomba centrífuga.Qbep [m

3/s]: Capacidad en el punto de mejor eficiencia de la bomba.Hst [m]: Presión hidrostática total. Se define como la distancia vertical que debe elevar el agua

la bomba. Cuando se bombea desde un pozo, se trataría de la distancia desde el nivel del agua de donde se bombea en el pozo hasta la superficie del terreno más la distancia vertical que se debe levantar el agua desde esta superficie al punto de descarga. Cuando se bombea desde una superficie de agua abierta sería la distancia total desde dicha superficie al punto de descarga.

Qop [m3/s]: Capacidad en el punto de diseño del sistema. En la práctica, se determina con los

picos de caudal que se producen ocasionalmente (es decir, aproximadamente el 5% del tiempo en las plantas de tratamiento de aguas).

Hop [m]: Presión hidráulica en el punto de diseño del sistema. Hop,id [m]: Presión hidráulica en el punto de diseño de un sistema ideal.Ht [m]: Presión hidráulica asociada a una capacidad genérica Q [m3/s] a velocidad constante y

regulación de caudal con válvula.Hd [m]: Presión hidráulica asociada a una capacidad genérica Q [m3/s] con regulación del

caudal de frecuencia variable.Hmáx [m]: Altura máxima a la que se puede levantar el líquido con una bomba dada.Qmáx [m

3/s]: Capacidad máxima de una determinada bomba.

1 ilustración de sistema para los métodos de control de caudal con válvula, cíclico y de vFD

Ciclo de trabajo on­off

Control cíclico Control de la válvula de mariposa Control de velocidad variable

Perfil de capacidad a lo largo del tiempo

Arranque suave PSE/PST

Contactor

En funcionamiento

Caudal

t_on = 75% t_totalt_off = 25% t_total

CaudalCaudal Caudal0.75 1.0 0.75 1.0

Pre

sión

Pre

sión

Pre

sión

Pre

sión

(Hop, Qop) (Hop, Qop)(Hop, Qop)

(Alt, Q) (Alt, Q)Parado

Regulación del caudal al 75% de la capacidad de diseño Qop (m3/h)

Motor de inducción

Motor de inducción

Motor de inducción

Control de frecuencia

Bomba centrífuga

Bomba centrífuga

Bomba centrífuga

Acciona­miento

Acción manual

U = 415 V U = 415 VU = 415 V

Control del proceso

35Dejar lo mejor para el final

En las siguientes secciones, se analizan el ahorro de energía y el plazo de amorti­zación de las soluciones de velocidad variable y de control cíclico para dos sistemas de bomba centrífuga (de 90 kW y 350 kW).

Un sistema de bombeo típicoCuando se monta un sistema de bombeo, se debe garantizar que se suministra el caudal deseado Qop [m

3/h]. En un sistema ideal, la bomba seleccionada tiene un Qbep [m3/h] que coincide con Qop [m3/h]. Sin embargo, en la realidad se selecciona una bomba mayor ➔ 3a. Como conse­cuencia, la bomba funciona con un rendi­miento hidráulico menor en la mayor par­te de su intervalo de capacidad. Este punto se describe en ➔ 3b para dos bom­bas centrífugas Aurora con potencias nominales de 90 kW y 350 kW respecti­vamente ➔ 4 [2].

o depósitos de aguas residuales hasta que se bombean a las plantas de tratamiento municipales [1]. A causa de los distintos eventos que provocan su puesta en mar­cha, el empleo de arrancadores suaves re­duce considerablemente el riesgo de atas­co de la bomba debido a la presencia de lodos en el agua ➔ 2. En general, el control cíclico es una alternativa atractiva a la estrategia de accionamiento de frecuencia variable (VFD) a pesar de su menor flexibili­dad en la regulación del caudal. En otras palabras, se considera que un arrancador suave es una tecnología adecuada y com­petitiva que protege el motor de inducción frente a deformaciones eléctricas, golpes mecánicos y vibraciones durante el arran­que y evita los golpes de ariete al pararse la bomba. Además, el motor se utiliza en el punto de su mejor rendimiento y se apaga el resto del tiempo.

3b Bajada del rendimiento hidráulico en bombas de 90 kw y 350 kw a causa de un sobredimensionado del 15%

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

9085807570656055504540353025201510

50

Ren

dim

ient

o hi

drá

ulic

o (%

)

Q/Qop (adim)

Ideal_350kW

Real_350kW

Ideal_90kW

Real_90kW

3a Selección de bomba para una instalación industrial

Hmáx

Hop

Hbep

Hop,id

Hst

Altura (m)

Capacidad (m3/h)Qop Qbep Qmáx

Bomba ideal (Qop = Qbep)

Carga hidráulica (sistema ideal)

Bomba comercial disponible

(Qop < Qbep)

Carga hidráulica (sistema real)

4 Datos típicos de las dos bombas estudiadas

Potencia del fabricante (kw) Hmáx (m) Hbep (m) Qbcp (m3/h) ηmáx (%)

Aurora 90 43,6 27,6 575 74,8

Aurora 350 52,7 33,8 2.500 84,5

5 Sistemas hidráulicos seleccionados para análisis del posible ahorro de energía

Hmáx

Hop

Hmáx

Hop

Qop Qop

Hst

Hst

Hst = 5% Hmáx Hst = 25% Hmáx

altura (m) altura (m)

Capacidad (m3/h) Capacidad (m3/h)

Curva del sistema hidráulico

Curva de la bombaHmáx

Hop

Qop

Hst = 50% Hmáx

altura (m)

Capacidad (m3/h)

a dominada por carga por fricciónb dominada por carga mixtac dominada por carga estática

a b

c

6 variación del rendimiento eléctrico [%] en circuito de electrónica de potencia (arrancador suave y convertidor) con carga hidráulica

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1

100

99

98

97

96

95

94

93

92

91

90

89

88

Ren

dim

ient

o re

laci

onad

o co

n la

to

pol

ogía

de

la E

P (%

)

Q/Qop (adim)

Convertidor (90 kW)

Convertidor (350 kW)

Arrancador suave (1 puesta en marcha por hora)

Arrancador suave (2 puestas en marcha por hora)

Arrancador suave (3 puestas en marcha por hora)

Para analizar el potencial de ahorro de energía de estas bombas se han conside­rado tres sistemas hidráulicos distintos: predominio de la carga de fricción, es decir, la relación (υ) de la carga estática Hst [m] con la altura hidráulica máxima Hmáx [m] es el 5%; predominio de la carga estática (υ es el 50%); y mixto (υ es el 25%) ➔ 5.

Convertidor, arrancador suave y prestaciones del motorLos convertidores de frecuencia tienen un alto rendimiento (ηconv), que cae de forma natural cuando disminuye la potencia pro­ducida respecto al valor nominal. El rendi­miento de los arrancadores suaves es prácticamente del 100% cuando se activa el bypass del motor. Su eficiencia disminu­ye considerablemente con el número de arranques por hora y los períodos de trabajo más cortos debido a las pérdidas

36 revista ABB 4|10

los puntos de trabajo, mientras que para el sistema de 350 kW, el control VFD garantiza un ahorro de energía ligeramente superior pero sólo entre el 75% y el 92% de la capacidad de la bomba. Cuando se con­sidera un sistema hidráulico combinado (υ = 25%), el control VFD sólo garantiza un beneficio económico superior para capaci­dades de la bomba por encima del 28% (para el sistema de 90 kW) y del 24% (para el sistema de 350 kW). De hecho, la ganancia máxima con el control VFD se encuentra entre el 15% y el 20% del inter­valo de capacidad.

A diferencia de los convertidores de fre­cuencia (caracterizados por pérdidas en los semiconductores con la carga nominal), los arrancadores suaves funcionan en es­tado de bypass con carga nominal ➔ 9c. De esa forma, no se consideran pérdidas adicionales en los tiristores. Se muestran en ➔ 10 2 las condiciones de funcionamien­to y del sistema cuando la solución escogi­da para la regulación del caudal de la bom­ba es control cíclico o VFD.

rentabilidad de la inversiónLos clientes quieren inevitablemente saber cuándo pueden esperar que su inversión sea rentable, lo que incluye los costes adi­cionales ocasionados por los tiempos de inmovilización de la producción mientras se instala y se pone en servicio el acciona­miento o el arranque suave.

intervalo de funcionamiento (es decir, entre el 7% y el 98%) en ambos sistemas de bombeo. En un sistema de predominio de

carga estática (υ = 50%) y con una bomba de 90 kW, el control cíclico es una solución técnica mejor que el control VFD en todos

adicionales por efecto Joule durante el arranque y la parada del motor ➔ 6.

En la actualidad, hay normas más estrictas (clases IEC) que garantizan un alto rendi­miento del motor (generalmente superior al 90%) para cargas [3, 4] ➔ 7a y ➔ 7b. Esta eficiencia (que depende considerablemen­te de la clase a la que pertenece) se ve afectada por el empleo de un convertidor de frecuencia o de un arrancador suave: disminuye cuando la alimentación se efec­túa mediante un convertidor de conmuta­ción rápida debido a la distorsión armónica de corriente y tensión pero no se ve altera­da cuando se aplica el bypass al motor tras el arranque suave a causa de un suministro puramente sinusoidal.

El impacto del sobredimensionamiento del sistema, la clase del motor y las pérdidas por armónicos (control de tracción) en un sistema real aparece en ➔ 8.

Ahorro de energíaEl ahorro de energía conseguido utilizando VFD y control cíclico en un sistema de bombeo de 90 kW y 350 kW se presenta en ➔ 9a y ➔ 9b, respectivamente. En los sistemas de predominio de la carga de fric­ción (υ es el 5%), el control VFD garantiza un mayor ahorro de energía en casi todo el

La inversión inicial total asociada a las soluciones de VFD y control cíclico se calcula como el coste del acciona­miento o del arran­cador suave más un porcentaje de los costes del ciclo de vida para cubrir los tiempos de inmovilización de la producción. nota a pie de página

2 La conversión de porcentajes de ahorro de energía (en comparación con velocidad fija y control por válvula) en beneficios económicos supone que la bomba trabajará durante 8.760 horas al año (330 × 24) con un precio de 0,065 dólares el kWh de electricidad [5].

7a repercusión del tipo de clase en el rendimiento de los motores [4]

100

95

90

85

80

75

70

65

60

Ren

dim

ient

o (%

)

Potencia del motor (kW)

Rendimiento de motores de 4 polos por antigüedad (%)

IE3 2010

IE2 2000

IE1 1990

Iff3 1980

0,75

1,10

1,50

2,20

3,00

4,00

5,50

7,50

11,0

015

,00

18,5

0 22 30 37 45 55 75 90 110

132

160

200

220

260

315

330

370

7b variación del rendimiento del motor con carga hidráulica

0,05 0,1001 0,2001 0,3001 0,4001 0,5001 0,6001 0,7001 0,8001 0,9001 1,0001

97,595,092,590,087,585,082,580,077,575,072,570,067,565,062,560,0

Ren

dim

ient

o d

el m

otor

(%)

Q/Qop (adim)

Motor de inducción de 90 kW

Clase IE1

Clase IE1 (sobredimensionado 85%)

Clase Eff3 (sobredimensionado 85%)

8 Efecto del sobredimensionamiento del sistema, la clase del motor y las pérdidas por armó­ nicos en el consumo de energía eléctrica (Pn = 90 kw ­ frecuencia de conmutación 4 kHz)

Carga (%)

Pérdida de rendimiento (%) producida por 5% 25% 50% 75% 100%

1 – Bomba sobredimensionada (en un 15%) ­1,3 ­3,8 ­6,0 ­4,5 ­2,1

2 – Motor sobredimensionado (en un 15%) ­3,2 ­1,2 ­0,4 ­3,0 0,2

3 – Clase del motor (Efic. 3) ­9,5 ­3,4 ­3,0 ­3,0 ­3,0

4 – Pérdidas por armónicos ­7,0 ­2,1 ­2,4 ­1,9 ­1,3

Aumento del consumo de energía (%) 26,5 11,7 13,3 10,3 6,6

37Dejar lo mejor para el final

arranque suave

accionamiento (5% Hmáx)

accionamiento (25% Hmáx)

accionamiento (50% Hmáx)

9a Ahorro de energía [%] de vFD y control cíclico en el sistema de bomba de 90 kw

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

Aho

rro

de

ener

gía

(% d

e p

oten

cia

/ vá

lvul

a y

velo

cid

ad f

ija)

Q/Qop (adim)

Bomba ­ 90 kW0,

00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

0,55

0,60

0,65

0,70

0,75

0,80

0,85

0,90

0,95

1,00

arranque suave

accionamiento (5% Hmáx)

accionamiento (25% Hmáx)

accionamiento (50% Hmáx)

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

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0,40

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0,70

0,75

0,80

0,85

0,90

0,95

1,00

1,05

9b Ahorro de energía [%] de vFD y control cíclico en el sistema de bomba de 350 kw

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

Aho

rro

de

ener

gía

(% d

e p

oten

cia

/ vá

lvul

a y

velo

cid

ad f

ija)

Q/Qop (adim)

Bomba ­ 350 kW

9c rendimiento óptimo de la bomba de 90 kw gracias a la capacidad de puentear el arranque suave con cargas elevadas (90%­100% de la capacidad de diseño)

12,5

10,0

7,5

5,0

2,5

0,0

­2,5

­5,0

­7,5

­10,0

­12,5

Aho

rro

de

ener

gía

(% d

e p

oten

cia

/ vá

lvul

a y

velo

cid

ad f

ija)

Q/Qop (adim)

Bomba ­ 90 kW

arranque suave

accionamiento (5% Hst/Hmáx)

accionamiento (25% Hst/Hmáx)

accionamiento (50% Hst/Hmáx)

0,92 0,93 0,94 0,95 0,96 0,97 0,98 0,99 1,00

10 Punto de inflexión donde el ahorro económico con el control cíclico (arranque suave) se hace mayor que con la solución vFD

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

0,0

Hst/Hmáx (%)

Q/Q

op (a

dim

)

350 kW

90 kW

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

Accionamiento: solución preferida

Arranque suave: solución preferida

11a Plazo de amortización de soluciones de vFD y cíclico (arranque suave) para la bomba de 90 kw

5,0

4,5

4,0

3,5

3,0

2,5

2,0

1,5

1,0

0,5

0,0

Pla

zo d

e am

ortiz

ació

n (a

ños)

Q/Qop (adim)

Bomba ­ 90 kW

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

arranque suave

accionamiento (Hst/Hmáx= 5%)

accionamiento (Hst/Hmáx= 25%)

accionamiento (Hst/Hmáx= 50%)

11b Plazo de amortización de soluciones de vFD y cíclico (arranque suave) para la bomba de 350 kw

2,75

2,50

2,25

2,0

1,75

1,50

1,25

1,00

0,75

0,50

0,25

0,0

Pla

zo d

e am

ortiz

ació

n (a

ños)

Q/Qop (adim)

Bomba ­ 350 kW

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

arranque suave

accionamiento (Hst/Hmáx= 5%)

accionamiento (Hst/Hmáx= 25%)

accionamiento (Hst/Hmáx= 50%)

38 revista ABB 4|10

zando soluciones con bombas en paralelo 3 que combinan accionamientos y arranques suaves.

Por ejemplo, en un sistema hidráulico con predominio de fricción (υ = 5%), una solu­ción de electrónica de potencia recomen­dada para un sistema de cuatro bombas en paralelo [cada una de ellas con una potencia nominal de 350 kW (2.500 m3/h)] se compone de dos convertidores y dos arrancadores suaves ➔ 12. El esquema que proporciona la solución óptima en cuanto a tiempo de amortización y funcionalidad del control equipa las bombas 1 y 2 con arran­cador suave y las bombas 3 y 4 con un convertidor de frecuencia ➔ 13. Las bom­bas equipadas con arrancador suave están directamente conectadas a la red con ca­pacidad elevada. Al aumentar la velocidad de giro en un intervalo predefinido (por en­cima de 50 Hz), las bombas accionadas mediante convertidores pueden proporcio­nar un pico de caudal si fuera necesario ocasionalmente.

En un sistema hidráulico mixto (υ = 5%), la combinación que proporciona la solución óptima por lo que se refiere a tiempo de amortización y funcionalidad del control

puerta aislada (IGBT) y se deben diseñar con suficiente capacidad de refrigeración, lo que los hace más caros cuando se com­paran con los arrancadores suaves de la misma potencia nominal. Por otra parte, los arrancadores suaves, que trabajan en intervalos de tiempo reducidos de hasta 15 segundos incorporan tiristores potentes y de coste competitivo y se benefician de una refrigeración natural.

Los plazos de amortización para el VFD y el control cíclico del caudal se muestran en ➔ 11a y ➔ 11b para las bombas de 90 kW y 350 kW respectivamente en los tres siste­mas hidráulicos: υ = 5%, 25% y 50%.

Soluciones con sistemas de bombas en paraleloEn muchos sistemas hidráulicos, se puede conseguir un ahorro de energía óptimo con una buena rentabilidad de la inversión utili­

Para bombas con una potencia nominal de unos 25 kW, la relación de precios del con­vertidor con el arranque suave es de tres aproximadamente y alcanza un valor cer­cano a cinco para bombas de 350 kW [6]. La inversión inicial total asociada a las solu­ciones de VFD y control cíclico se calcula como la suma del coste del accionamiento o del arrancador suave más un porcentaje de los costes del ciclo de vida para cubrir los tiempos de inmovilización de la produc­ción [7]. Para ambas topologías de electró­nica de potencia, se utiliza un valor del 7,5%.

El coste de los componentes individuales puede variar por diversas razones. En pri­mer lugar, los VFD de baja tensión suelen trabajar más de forma continua que según una pauta de paradas y arranques y permi­ten un control más perfeccionado. Sin em­bargo, emplean transistores bipolares de

12 Solución recomendada de electrónica de potencia para un sistema de cuatro bombas en paralelo (sistema hidráulico dominado por la fricción)

Caudal Q1 (m3/h)

Bomba n º 1

Arranque suave PSE

Arranque suave PSETransformador

de distribución

Accionamiento

Accionamiento

Bomba n º 2

Bomba n º 3

Bomba n º 4

Caudal Q2 (m3/h)

Caudal Q3 (m3/h) Caudal total

Q (m3/h)

Caudal Q4 (m3/h)

14 Solución recomendada de electrónica de potencia para un sistema de tres bombas en paralelo (sistema hidráulico dominado por la presión estática/fricción)

Arranque suave PSE

Arranque suave PSE

Transformador de distribución

Accionamiento

Bomba n º 1

Bomba n º 2

Bomba n º 3

Caudal Q1 (m3/h)

Caudal Q2 (m3/h) Caudal total

Q (m3/h)

Caudal Q3 (m3/h)

13 Esquema de control de caudal en un sistema de cuatro bombas en paralelo (dominado por las pérdidas por fricción)

Bomba 1 Bomba 2 Bomba 3 Bomba 4

EP Arrancador suave Arrancador suave Accionamiento Accionamiento

Control de caudal Cíclico Cíclico VFD VFD

Caudal Q (m3/h)

0–1.130 on­off (0–22,5%) on­off (0–22,5%) off off

1.130–2.500 off off on (22,5–50% Pn) on (22,5–50% Pn)

2.500–4.740 on­off (27,5–45%) on­off (27,5–45%) on (22,5–50% Pn) on (22,5–50% Pn)

4.740–5.790 on­off (60%) on­off (60%) on (35–85% Pn) on (35–85% Pn)

5.790–8.000 on­off (75%) on­off (75%) on (70–85% Pn) on (70–85% Pn)

8.000–10.000 bypass bypass on (60–100% Pn) on (60–100% Pn)

mayor que bypass bypass on (> 100% Pn) on (> 100% Pn)10.000

nota a pie de página3 Para la regulación óptima del caudal en sistemas

en paralelo, se hace trabajar una bomba sola hasta un punto crítico en el que se alcanza el caudal deseado, tras lo cual dos bombas com­ par ten simultáneamente la carga hidráulica [8]. Cuando se alcanza un segundo punto crítico, entran en servicio tres bombas y así sucesiva­mente.

39Dejar lo mejor para el final

juan Sagarduy

ABB Corporate Research

Västerås, Suecia

juan.sagarduy@se.abb.com

jesper kristensson

Sören kling

johan rees

ABB Cewe Control

Västerås, Suecia

jesper.kristensson@se.abb.com

soren.kling@se.abb.com

johan.rees@se.abb.com

referencias[1] ITT Industries (2007). ITT’s Place in the cycle of

water: Everything but the pipes.[2] Aurora Pump (Pentair Pump Group) junio 1994,

Estados Unidos.[3] IEC 60034­31:2009. Rotating electrical

machines. Part 31: Guide for the selection and application of energy­efficient motors including variable speed applications.

[4] Brunner, C. U. (4­5 febrero 2009). Efficiency classes: Electric motors and systems. Motor energy performance standards event, Sydney (Australia). www.motorsystems.org.

[5] Department of Energy (DOE). Energy Internatio­nal Agency (EIA) (junio 2009). Average retail price of electricity to ultimate customers.

[6] Sagarduy, J. (enero 2010). Economic evaluation of reduced voltage starting methods. SECRC/PT­RM10/017.

[7] Hydraulic Institute (agosto 2008). Pumps & Systems, Understanding pump system fundamentals for energy efficiency. Calculating cost of ownership.

[8] ITT Flygt (2006). Cirkulationspumpar med våt motor för värmesystem i kommersiella byg­gnader.

[9] Vogelesang, H. (abril 2009). Energy efficiency. Two approaches to capacity control. World Pumps Magazine.

Los arrancadores suaves son una solución técnica muy competitiva, especialmente para aplicaciones hidráulicas y de aguas residuales en las que sea usual la puesta en marcha y parada regulares para vaciar un depósito y bombear el líquido con vistas a un tratamiento posterior. Se trata de equipos potentes, con buena capacidad de bypass y con algoritmos de control exclusivos para secuencias de arranque (“kick boost”) y parada (sin golpe de ariete). Sin embargo, es posible conseguir un aho­rro de energía óptimo y buenos tiempos de amortización para una gran diversidad de sistemas hidráulicos utilizando configura­ciones de bombas en paralelo que utilizan combinaciones de accionamientos y arran­cadores suaves ➔ 17. ABB reafirma su compromiso con la eficiencia energética al tiempo que garantiza el valor adquirido por el cliente, fundándose en sus conocimien­tos y su sólida cartera de productos de auto matización de baja tensión.

utiliza tres bombas, las dos primeras equi­padas con arrancadores suaves y la terce­ra con un accionamiento ➔ 14 y ➔ 15.

Para ambos sistemas, la inversión inicial en soluciones de electrónica de potencia se traduce en beneficios económicos en menos de un año y medio, con el caudal regulado por debajo del 80% de la capaci­dad total ➔ 16.

¿La mejor solución?Se ha analizado la idoneidad de la regu­lación cíclica del caudal y por velocidad variable en aplicaciones de bombas centrí­fugas para dos bombas (de 90 kW y 350 kW) en el intervalo de baja tensión. Los datos muestran que el control de frecuen­cia variable es la mejor solución en los sis­temas hidráulicos con predominio de las pérdidas por fricción (transporte de líquido sin diferencia de alturas) y el control cíclico se recomienda para sistemas con predo­minio de la carga estática. Debe evitarse el control de velocidad en sistemas con con­figuración muy plana de bomba y carga, ya que existe riesgo de inestabilidad y daños en la bomba [9].

17 Sistema de bombas de una planta de tratamiento de aguas

15 Esquema de control del caudal en un sistema de tres bombas en paralelo (sistema hidráulico mixto)

Bomba 1 Bomba 2 Bomba 3

EP Arrancador suave Arrancador suave Accionamiento

Control de caudal Cíclico Cíclico Frecuencia variable

Caudal Q (m3/h)

0–2.500 on­off (0–50%) on­off (0–50%) off

2.500–4.500 on­off (30–60%) on­off (30– 60%) on (40–60% Pn)

4.500–5.760 on­off (60–75%) on­off (60–75%) on (60–80% Pn)

5.760–6.630 bypass on­off (75%) on (55–90% Pn)

6.630–7.500 bypass bypass on (35–100% Pn)

> 7.500 bypass bypass on (> 100% Pn)

16 Plazo de amortización estimado para dos instalaciones compuestas por bombas en paralelo y distintas soluciones de electrónica de potencia

5,0

4,5

4,0

3,5

3,0

2,5

2,0

1,5

1,0

0,5

0,0

Pla

zo d

e am

ortiz

ació

n (a

ños)

Q/Qop (adim)

sistema de fricción (2 arranque

suave + 2 accionamiento)

sistema mixto (2 arranque

suave + 1 accionamiento)

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

0,55

0,60

0,65

0,70

0,75

0,80

0,85

0,90

0,95

1,00

40 revista ABB 4|10

LArA CorTinoviS, LUCio AzzoLA – Un interruptor es uno de los mecanismos de seguridad más importantes y esenciales de los sistemas eléctricos modernos. Se pueden clasificar de muchas maneras distintas, según la clase de tensión, el tipo de construcción y de desconexión y las características estructurales. Sin embargo, las tendencias actuales del mercado indican que los consumidores desean interrupto­res más modulares, flexibles e integrados, a lo que ABB ha respondido con su nueva familia de interruptores en caja moldeada de alto rendimiento. Conocida como Tmax XT, la

serie incluye cuatro dispositivos que pueden usarse para distribución, protección de motores y generadores, neutros sobredimensionados e interruptores­seccionadores. Se comercializan en versiones de tres o cuatro polos y pueden ser fijos, enchufables y fácilmente extraíbles. van equipados con la última generación de unidades de disparo electróni­cas y termomagnéticas intercambiables, precisas y fiables. y son los únicos que ofrecen una amplia y nueva serie de accesorios específicos para satisfacer las aplicaciones más exigentes.

Sencillamente eXTraordinariosPresentación de la nueva familia Tmax XT de ABB de avanzados interruptores automáticos en caja moldeada

41Sencillamente eXTraordinarios

− XT1 (160 A) con una Icu de hasta 70 kA (a 415 V)

− XT2 (160 A) con una Icu de hasta 150 kA (a 415 V)

− XT3 (250 A) con una Icu de hasta 50 kA (a 415 V)

− XT4 (160­250 A) con una Icu de hasta 150 kA (a 415 V)

Los modelos XT1 y XT3 se pueden usar en instalaciones de distribución a gran escala, hospitales y, en general, en todas las apli­caciones del sector de los servicios que exijan una gran fiabilidad, mientras que los XT2 y XT4, que ofrecen la máxima capaci­dad de corte del mercado, son más apro­piados para la industria pesada, la metalur­gia y las aplicaciones navales (cruceros, plataformas petrolíferas, buques de conte­nedores), donde es esencial un rendimien­to extremadamente alto. Únicos en el mer­cado, estos dos bastidores pueden equiparse con la última generación de uni­dades de disparo electrónicas, lo que per­mite la intercambiabilidad y la comunica­ción integrada a partir de intensidades nominales de 10 A.

de dispositivos modulares, más pequeños, inteligentes y conformes con las normati­vas que se puedan integrar o interconectar fácilmente con otros componentes o siste­mas.

La nueva generación de interruptores Tmax de ABB, los Tmax XT, son ejemplos de estos dispositivos (véase la imagen que acompaña al título de este artículo). Esta familia de interruptores, que se caracteriza por el alto rendimiento de un dispositivo pequeño provisto de las unidades de dis­paro electrónicas más modernas, combina más de 60 años de experiencia y conoci­mientos técnicos en el campo del diseño de interruptores con los avances tecnológi­cos más modernos.

El álbum de la familia Tmax XTLa familia Tmax XT está formada por cua­tro bastidores (XT1, XT2, XT3 y XT4), con intensidades nominales que abarcan hasta 250 A y una capacidad nominal máxima de corte en cortocircuito (Icu) de hasta 150 kA (a 415 V) y 90 kA (a 690 V):

A BB diseña y fabrica interrup­tores en caja moldeada (MCCB) de baja tensión e in­terruptores al aire (ACB) des­

de 1934. La primera familia de la serie MCCB, denominada “Isol”, incluía una unidad de disparo (TU) termomagnética y tenía una capacidad máxima de corte de hasta 25 kA (a 415 V CA). En las décadas posteriores al lanzamiento de la familia Isol fueron apareciendo sucesivas gene­raciones de este tipo de interruptores, entre ellas, Fusol, Modul, Limitor e Iso­max. La conocida familia de interruptores Tmax T se lanzó en 2001.

En los últimos diez años se han producido cambios impresionantes en las demandas de los consumidores y del mercado que, a su vez, han afectado a los proveedores. Por ejemplo, hay nuevas y mejores aplica­ciones que requieren más velocidad y fiabi­lidad en un sistema de protección para mantener la seguridad, la estabilidad y el servicio permanente. Para los proveedores –muchos de los cuales han aparecido en la última década–, esto significa el desarrollo

La nueva genera­ción de interrupto­res automáticos Tmax, que cum­plen las normativas en vigor, está for­mada por dispositi­vos modulares e inteligentes que pueden integrarse o interconectarse fácilmente con otros componentes o sistemas.

42 revista ABB 4|10

de 32 bits ARM 1, que se caracteriza por su gran eficiencia energética y su alto rendi­miento, con una arquitectura de procesa­dor único y unas dimensiones reducidas. Además, proporciona un elevado nivel de conectividad que permite el desarrollo inte­grado de diferentes buses de comunicación.

A continuación fue necesario desarrollar, seleccionar, integrar e interconectar los componentes individuales del conjunto mecatrónico, es decir, la caja de plástico, los terminales y sensores de corriente, la unidad de disparo electrónica, la bobina de disparo y las interconexiones ➔ 4 al mismo tiempo. Hubo que verificar si los compo­nentes elegidos eran los correctos y si ocu­paban la posición óptima en la tarjeta de circuito impreso (PCB), así como observar cómo se integraban con otros componen­tes del conjunto mecatrónico. Los pasos de este proceso pudieron darse mucho antes de que empezara la fabricación física del conjunto utilizando una plataforma de diseño común.

Gracias a su escalabilidad y amplia dispo­nibilidad, esta plataforma puede volver a utilizarse como base para futuros desarro­llos que incluyan un elevado nivel de porta­bilidad de código de software (es decir, la misma plataforma de hardware y de soft­ware). Esto garantiza una reducción del tiempo de salida al mercado y un aumento de la fiabilidad. El firmware se ha desarro­llado de conformidad con normas interna­cionales de calidad del software, como el suplemento SE 2 de la norma UL489 y las

Los modelos XT1 y XT3 se comercializan en las versiones enchufables y fijas de tres y cuatro polos, con una profundidad de 70 mm y una sección de puerta del com­partimento de 45 mm, lo que permite insta­larlos yuxtapuestos en un carril DIN o en una placa posterior sin necesidad de utili­zar separadores.

innovación en investigación y desarrolloA fin de reducir el tiempo necesario para el desarrollo y la validación de los interrupto­res y aumentar la calidad del proyecto, los ingenieros de ABB desarrollaron herra­mientas de diseño avanzado que pudieran utilizarse en la fase inicial de diseño:− una plataforma de diseño común para

desarrollar, seleccionar, integrar e interconectar cada componente de la familia de interruptores Tmax XT;

− la simulación multifísica para diseñar y calibrar la gama completa de relés de sobreintensidad Tmax XT;

− el sistema de imágenes de arco (AIS), que permite realizar diagnósticos ópticos de arcos de baja tensión;

− la prueba HALT (aceleración de la vida del producto), que lo somete a modos de fallo y permite realizar correcciones en los procesos de diseño o de pro ­ ducción.

Una plataforma de diseño común

Uno de los requisitos de la nueva unidad de disparo electrónica “Ekip” (utilizada en los bastidores XT2 y XT4) fue un mayor rendimiento con un dispositivo más peque­ño. Aunque un mayor rendimiento suele significar un aumento de la complejidad, la potencia de cálculo y la funcionalidad, todo ello es ahora posible en una unidad que es la mitad de pequeña que su predeceso­ra ➔ 1 y ➔ 2. Para ello, los diseñadores analizaron primero el núcleo de la unidad y seleccionaron un potente microcontrolador

2 vistas tridimensionales de la nueva placa de circuito impreso (PCB) de la TU

La familia de inte­rruptores Tmax XT está formada por cuatro dispositivos que pueden usarse para distribución, protección de mo­tores y generado­res, neutros sobre­dimensionados e interruptores­sec­cionadores.

1 El tamaño de la antigua unidad de disparo (TU) Tmax en comparación con la nueva

3 vista del grupo mecánico y electrónico del disyuntor

notas a pie de página1 ARM, con sede central en Cambridge (Reino

Unido), es el principal proveedor del sector de microprocesadores de 32 bits.

2 El suplemento SE de la norma UL489 aborda los requisitos para los interruptores automáticos en caja moldeada y los conmutadores en caja moldea­ da con software en componentes programables.

43Sencillamente eXTraordinarios

ratura en un cambio de forma y que, gra­cias a su sencillez, fiabilidad y bajo coste de producción, suele ser el método más común de proteger los interruptores auto­máticos en caja moldeada de la sobrein­tensidad. Aunque el principio de funciona­miento de los bimetales está bien documentado y se conoce desde hace muchos años, el diseño y la calibración de la gama completa de relés de sobreintensi­dad Tmax XT han presentado grandes difi­cultades debido a las especificaciones téc­nicas que deben cumplirse, entre las que se incluyen las siguientes:− sobrecalentamiento de régimen

reducido con intensidad nominal (In)− sensibilidad baja a la temperatura

ambiente− intensidad de no disparo de 1,05 x In− velocidad de disparo con 1,3 x In en

menos de 10 minutos− velocidad de disparo con 2,0 x In en

menos de 3 minutos− velocidad de disparo con 6,0 x In en

menos de 20 segundos− menor aumento de la temperatura

durante un cortocircuito (Icu, Ics).

positivo innovador para los interruptores automáticos en caja moldeada de ABB– es una interfaz gráfica hombre­máquina que permite la configuración local de funciones mejoradas de la unidad de disparo que anteriormente sólo estaban disponibles a través de un bus de comunicación o un dispositivo manual ➔ 5. La pantalla es ali­mentada directamente por la unidad de disparo y es un dispositivo “plug and play” que puede desplazarse con facilidad de una TU a otra. Ekip T&P permite que la uni­dad de disparo pueda interconectarse directamente con el puerto USB de un PC y trabajar con Ekip Connect, una herra­mienta de software para supervisar, confi­gurar y realizar pruebas ➔ 6. Ekip COM es un módulo que puede integrarse en el inte­rruptor automático y que ofrece una inter­faz entre la comunicación del bus local de la unidad de disparo y el bus del sistema. Además, la unidad de disparo y el interrup­tor automático se pueden controlar a dis­tancia con un equipo accionado por motor.

Simulación multifísica

Una tira bimetálica es un dispositivo mecá­nico que transforma un cambio de tempe­

últimas directrices de ingeniería de soft­ware.

La unidad de disparo Ekip es una serie completa que proporciona protección a plantas de 400 Hz (por ejemplo, aeropuer­tos, buques). Para garantizar esta protec­ción es necesario realizar un análisis ex­haustivo de frecuencias, lo que requiere la respuesta de frecuencia correcta del sen­sor de intensidad, un ancho de banda ade­cuado en el canal analógico para la medi­ción de componentes armónicos y un diseño digital de filtros para la reconstruc­ción exacta de la señal ➔ 4. Para satisfacer tales requisitos se utilizan las herramientas de simulación Simulink y Matlab.

La funcionalidad de la unidad de disparo Ekip puede ampliarse mediante accesorios de tipo “plug and play” (enchufar y usar), como una pantalla gráfica LCD con retroilu­minación (Ekip Display), un medidor LED, una interfaz de comunicación local (Ekip T&P y Connect), una interfaz de comunica­ciones del sistema (Ekip COM) y un dispo­sitivo para pruebas de disparo y detección de último disparo. La pantalla Ekip –un dis­

4 Ejemplo de modelo de simulación de hardware y software para análisis de frecuencias

5 Pantalla de Tmax XT Ekip

6 Contenido de una pantalla de Tmax XT Ekip Connect

44 revista ABB 4|10

ton, es un sistema móvil autónomo que se suministra con una serie de secciones de fibra óptica ➔ 9. Incluye un PC diseñado expresamente para esta función, así como una pantalla integrada y teclado. El sistema cuenta con un total de seis tarjetas, cada una capaz de admitir 16 canales para la obtención de datos (96 canales en total). El equipo se monta sobre unos soportes a prueba de vibraciones y puede sellarse para el transporte.

Se ha desarrollado una rutina automática posterior al proceso que facilita una pelícu­la de la evolución del arco: véanse como ejemplo las imágenes que se muestran en ➔ 10. En otras palabras, para cualquier instante muestreado, el valor de la intensi­dad de la luz de cada fibra se representa en una escala de color adecuada y se super­pone a una imagen de la cámara del arco del interruptor en el lugar correcto.

El sistema AIS ha demostrado ser una herramienta sorprendente, ya que interpre­ta correctamente el resultado de una prue­ba y –con el análisis con oscilogramas del laboratorio de pruebas– ha ayudado enor­memente a aclarar muchos aspectos de la interrupción de la corriente.

Prueba HALT (aceleración de la vida del

producto)

Los interruptores Tmax XT se han desarro­llado con técnicas modernas que han per­mitido una mayor fiabilidad y solidez. Tam­bién se han diseñado y probado de conformidad con todas las normas interna­cionales correspondientes, así como con los requisitos en el ámbito naval. Uno de los enfoques aplicados es la prueba HALT, basada en el principio de aceleración de la vida del producto y realizada directamente

Para satisfacer estas condiciones, relativas a diversas ramas de la física, se ha aplica­do un procedimiento multidisciplinar iterati­vo ➔ 7. A partir de una configuración geométrica aproximada (incluidas las pro­piedades del material), una secuencia de simulaciones eléctricas a tasas de intensi­dad impuestas proporcionan las fuentes de calor oportunas para los cálculos térmicos posteriores. Una vez obtenidas las distribu­ciones satisfactorias de temperatura, se pueden conocer todos los valores mecáni­cos (desviación, velocidad y fuerza del bimetal). En consecuencia, la geometría inicial se revisa hasta que todas las condi­ciones mencionadas se cumplen plena­mente.

En comparación con el enfoque analítico clásico, este procedimiento presenta dos ventajas:− tiene aplicaciones muy diversas (desde

las intensidades más altas a las más bajas);

− es geométricamente independiente (se puede analizar cada solución).

Diagnóstico óptico de arcos de baja tensión

El estudio de la interrupción de cortocircui­tos es un reto para los diseñadores. Por ejemplo, durante una interrupción, el plas­ma del arco puede alcanzar temperaturas de hasta 20.000 K y debe extinguirse de inmediato. Para observar el movimiento del arco durante un cortocircuito, se ha desa­rrollado una técnica avanzada: el sistema de imágenes de arco (AIS, por sus siglas en inglés). Incluye un conjunto de fibras ópticas montadas en un lado del interrup­tor, que leen la intensidad de la luz en el interior de las cámaras del arco ➔ 8. El sis­tema de adquisición, desarrollado en cola­boración con la Universidad de Southamp­

9 vista del sistema de imagen de arco (AiS)

8 Para vigilar el desplazamiento del arco se instalan en un lado del interruptor fibras ópticas protegidas por un cristal interpuesto.

La prueba HALT está basada en el principio de acele­ración de la vida del producto y se realiza directamen­te con los interrup­tores completos, los accesorios y los componentes aislados en la fase de diseño.

Cristal

7 Procedimiento multidisciplinar

Geometría

DeformaciónDensidad

de corriente

Temperatura (cortocircuito)

Temperatura (sobrecorriente)

1

25

34

45Sencillamente eXTraordinarios

planta, desde los más corrientes a los más avanzados tecnológicamente. Incluyen una nueva serie de unidades de disparo “plug and play” para protección termomagnética y electrónica, que pueden intercambiarse (incluso con el menor de los bastidores) y que garantizan una fiabilidad de disparo y precisión absolutas.

Además, los interruptores están diseñados teniendo en cuenta el medio ambiente, es decir, se desarrollan y se fabrican de con­formidad con la directiva sobre restriccio­nes a la utilización de determinadas sus­tancias peligrosas (RoHS) y con otras normativas medioambientales pertinentes relativas a las mismas. Por otro lado, el método de evaluación del ciclo de vida se ha empleado para valorar y reducir al míni­mo el impacto medioambiental del produc­to por lo que respecta a emisiones, agota­miento de recursos y residuos a lo largo de todo el ciclo de vida del producto, desde la fabricación a la eliminación.

Lara Cortinovis

Lucio Azzola

ABB S.p.A

Bérgamo, Italia

lara.cortinovis@it.abb.com

lucio.azzola@it.abb.com

En cada uno de los pasos de la prueba HALT se prevé lo siguiente:− el diseño de la prueba, utilizando la

técnica de diseño del experimento (DOE), para definir el número adecuado de muestras y variables;

− la realización de las pruebas según el procedimiento HALT con unos niveles definidos de esfuerzo y de duración del paso;

− el análisis de resultados, que se realiza aplicando un fallo con modelos estadísticos –por ejemplo, la ley de Arrhenius para fallos por causas térmicas, la teoría de Eyring para la temperatura y la humedad, la ley cuadrática inversa para la presión, el esfuerzo mecánico, la alimentación y los datos térmicos­no térmicos (por ejemplo, temperatura y vibración).

En general, este enfoque mejoró el proce­so de desarrollo de XT, facilitó a los diseña­dores más información sobre el comporta­miento previsto durante el ciclo de vida del producto y redujo el tiempo de salida al mercado.

La experiencia de toda una vidaLos nuevos interruptores Tmax XT de ABB tienen como objetivo responder con efica­cia a todos los requisitos técnicos de una

con los interruptores completos, los acce­sorios y los componentes aislados en la fase de diseño.

El objetivo de la prueba HALT es deteriorar rápidamente el producto y conocer los mo­dos de fallo a los que se expone a lo largo de su vida. El valor fundamental de la prue­ba reside en los modos de fallo que que­dan ocultos y la velocidad a la que esto ocurre. En condiciones reales, podrían pasar años antes de que se produjeran tales modos de fallo. La prueba HALT se considera un éxito cuando se inducen los fallos, se entienden los modos de fallo y se adoptan las medidas correctoras en los procesos de diseño o de producción ➔ 11.

Según el procedimiento HALT, el producto se somete a un esfuerzo que supera am­pliamente las especificaciones y las condi­ciones ambientales normales. Se buscan los límites funcionales y de destrucción del producto y se aumentan al máximo posible (por ejemplo, se somete a vibraciones de hasta 40 g, a temperaturas de – 80 ºC a 180 ºC y a golpes térmicos con una tasa de aumento de 15 ºC/min) ➔ 12.

10 Una interrupción satisfactoria captada mediante el sistema Arc imaging System (AiS)

d Enfriamiento del arco (4 ms)e rigidez del dieléctrico casi recuperada (5 ms)f Final del fenómeno: interrupción de corriente conseguida (6 ms)

a repulsión del contacto y encendido del arco (1 ms)b Movimiento del arco desde el contacto a la guía de arco (2 ms)c Expansión del arco en la cámara de arco (3 ms)

a

d

b

e

c

f

11 Esfuerzo­resistencia en las secuencias HALT

Esfuerzo aplicado

Región de fallo

Resistencia en t = n años

Resistencia en t = 0

Degradación

12 Un ciclo de prueba HALT

157150140130120110100

908070605040302010

0­10­20­30­40­50­60­67

Varia

ble

29 de julio de 2009

Gráfico ­ 4 horas

Temperatura del aire ­ PV

Temperatura carga ­ PV

Humedad ­ PV

Vibración ­ PV

02:2

0

02:3

0

02:4

5

03:0

0

03:1

5

03:3

0

03:4

5

04:0

0

04:1

5

04:3

0

04:4

5

05:0

0

05:1

5

05:3

0

05:4

5

06:0

0

06:2

0

46 revista ABB 4|10

47Transformadores móviles

L a continuidad y la calidad del suministro eléctrico son los dos objetivos operativos más impor­tantes de las compañías eléctri­

cas. La gestión de la creciente demanda de energía requiere nuevas inversiones y una utilización aún más eficaz de los equipos existentes. En este contexto, las compañías eléctricas necesitan adoptar estrategias para minimizar los costes de explotación y mantenimiento y, al tiempo, reducir el número de cortes forzados del suministro y las tasas de fallo.

Los transformadores de potencia repre­sentan un activo significativo en la cadena de suministro de las compañías eléctricas. Son uno de los c o m p o n e n t e s más importantes y costosos, y los nodos más cru­ciales en las redes de transporte de alta tensión. Los grandes transfor­madores de po­tencia son una cuestión de gran relevancia para cualquier compa­ñía de suministro eléctrico por lo que res­pecta a la fiabilidad. Son fundamentales para el funcionamiento del sistema de su­

ministro y su sustitución requiere una inver­sión considerable de tiempo y dinero. Un transformador es un componente comple­jo que lleva detrás un coste elevado, cono­cimientos de ingeniería y esfuerzo de fabri­cación. Además, los plazos de entrega son relativamente largos y precisan un mante­nimiento adecuado para optimizar el fun­cionamiento y la esperanza de vida.

Según la importancia estratégica de la uni­dad, la inactividad inesperada de un trans­formador puede derivar en pérdidas impor­tantes de producción o de ingresos para la compañía y repercutir gravemente en el sistema. En casos extremos, un fallo pue­de provocar un apagón, con el correspon­

diente deterioro de la imagen pública de la compañía, quejas de los clientes y sancio­nes administrativas.

Transformadores móviles

MigUEL oLivA – Las instalaciones que suministran energía a su hogar o su fábrica tienen un diseño y un manteni­miento concebidos para ofrecer altos niveles de fiabilidad. Sin embargo, a pesar del buen diseño y mantenimiento, los fallos no pueden descartarse por completo. Un incidente grave puede retirar del servicio a un transformador durante meses o incluso durante un año, mientras se sustituye o se realizan arduas reparaciones. Entre tanto, para poder seguir prestando el servicio a los clientes es necesario buscar una alternativa. Una solución es instalar un transformador móvil. Este tipo de transformador es lo suficientemente pequeño y ligero para poder ser trasladado por carretera, ya sea en una sola pieza o de un modo que permita el montaje y la puesta en servicio con la mayor rapidez. Hasta la fecha, los transformadores móviles estaban limitados a 230 kv. Ahora, gracias a diversas innovaciones en el diseño, ABB ha logrado desarrollar un transformador móvil de 400 kv.

Transformadores modulares de instalación rápida para sistemas de transmisión de alta tensión

El tiempo necesario para instalar un transformador en una situación de emergencia puede reducirse de varias semanas o meses a 10–15 días, con la movilización y el transporte incluidos.

48 revista ABB 4|10

transformador móvil abarcan de 35 kV a 245 kV, con potencias eléctricas que van de 5 MVA a 100 MVA en unidades trifási­cas. Para reducir al mínimo las dimensio­nes y el peso se utiliza normalmente aisla­miento de alta temperatura. Suelen transportarse completamente montados y llenos de aceite para poder instalarlos con rapidez.

El peso y las dimensiones son las principa­les limitaciones para fabricar transformado­res móviles para valores nominales supe­riores a 230 kV. Por tanto, la capacidad de los transformadores móviles se ha limitado hasta la fecha a ese nivel de tensión. ABB ha estado trabajando a fin de abordar este reto y ofrecer soluciones para los planes de contingencia de reacción rápida en las re­des de transporte de energía eléctrica de alta tensión.

El conceptoLos transformadores de potencia supe­ rior a 100 MVA son relativamente gran­des y pesados. Su transporte requiere vehículos específi­cos, evaluaciones exhaustivas y planifi­cación, sin olvidar

los permisos administrativos necesarios, que pueden llevar mucho tiempo ➔ 4.

Por tanto, ABB se propuso afrontar tales retos de valores MVA y facilidad de trans­porte para los transformadores móviles. El requisito era desarrollar un transformador de valores nominales altos y con dimensio­nes reducidas, de modo que pudiera supe­rar las limitaciones para su transporte por carretera, utilizando además procedimien­tos administrativos sencillos.

Si se desea evitar estos problemas, es ne­cesario planificar contingencias para poder reaccionar ante el fallo de los transforma­dores que provocaría caídas prolongadas de éstos. Hay diferentes estrategias de planificación de contingencias para inci­dentes relacionados con los transformado­res de potencia. Entre ellas:− Redes malladas− Transformadores redundantes− Normalización de transformadores− Unidades de repuesto− Politransformadores− Transformadores móviles.

La adquisición de un transformador nuevo con las especificaciones necesarias lleva entre varios meses y más de un año. La instalación de una unidad de repuesto existente podría llevar de semanas a meses, puesto que exige el transporte, el

remolque, el montaje y otras actividades si esta nueva unidad no está en el mismo lugar que la averiada. Los planes de recu­peración de emergencia con una respues­ta rápida son esenciales, y los transforma­dores móviles pueden desempeñar un papel importante en este contexto.

Los transformadores móviles no son un concepto nuevo. Sin embargo, tradicional­mente han estado limitados a aplicaciones de 230 kV. Las características típicas de un

El objetivo principal del pro­yecto fue obtener los máxi­mos valores dentro de las restricciones existentes para el transporte por carretera.

1 El politransformador: los módulos de transformador monofásico más pequeños se combinan para construir una unidad mayor

Solución modular

Módulos monofásicos combinados para dar lugar a transformadores monofásicos o trifásicos más grandes

Módulos monofásicos aislados: 100 MVA

Tres módulos: transformador trifásico de 300 MVA

Dos módulos: transformador monofásico de 200 MVA

2 Concepto modular: transformador móvil de 400 kv para emergencias

Ejemplo con dos módulos para sustituir un transformador monofásico

Ejemplo de tres módulos para sustituir un transformador trifásico

3 Transformadores móviles de un vistazo

Funciones principales del transformador móvil de alta tensión:– Concepto modular para aplicaciones

de 345 kV, 400 kV y 525 kV.− Posibilidad de despliegue rápido.− Transporte rápido y sencillo.− Son posibles unidades de politransforma­

dor para cubrir un número mayor de tensiones.

− Preparados para medición inteligente.

Ventajas y aplicaciones de los transformado­res móviles de mayores prestaciones:– Planes de emergencia con respuesta

rápida y flexibilidad para recuperar el servicio en subestaciones críticas en el caso de fallos de transformadores con un objetivo de tiempo limitado.

− Instalaciones temporales para aconteci­mientos importantes y para permitir una mayor capacidad en áreas críticas en el caso de picos de carga estacionales o para eventos especiales.

− Reducción de las primas de seguro.− Reducción de los problemas de

seguridad nacional.− Reducción del riesgo de apagones, ahorro

de multas administrativas por interrupción del servicio y reducción de las reclamacio­nes y protestas de los clientes.

− La amortización de la inversión es inmediata una vez que se necesita y el coste de oportunidad es muy alto.

49Transformadores móviles

externas, los casquillos de alta tensión de­ben retirarse durante el transporte, aunque pueden utilizarse conectores enchufables.

Los trabajos de montaje final han de planifi­carse detenidamente de modo que se ten­gan en cuenta todos los aspectos prácticos: rellenar de aceite, realizar la puesta en servi­cio y efectuar pruebas, mientras se minimiza el tiempo necesario para poner la unidad en funcionamiento. El tiempo de instalación puede reducirse si la unidad se almacena de modo que esté lista para la expedición, si el personal encargado ha recibido la forma­ción adecuada para llevar a cabo su trabajo y si los procesos están bien definidos.

Con este concepto, el tiempo de reacción puede mejorarse de varias semanas o me­ses a 10–15 días, movilización y transporte incluidos. Esto representa mayores venta­jas para que las compañías eléctricas pue­dan restablecer con rapidez los transfor­madores averiados en la red de transporte de energía eléctrica ➔ 3.

ABB adoptó un enfoque modular, en el que se combinan módulos monofásicos de trans­formador más pequeños para formar una unidad mayor ➔ 1. Por ejemplo, dos módu­los monofásicos para una unidad mayor de una sola fase, y tres módulos para una uni­dad trifásica ➔ 2. Para optimizar el tamaño, se utilizan transformadores tipo acorazado, entre cuyas ventajas se pueden citar:− Diseño compacto, con un núcleo

magnético que contiene los devanados para responder a las restricciones relativas al transporte y el remolque.

− Funcionamiento en posición horizontal que facilita el transporte y permite la opti­mización del diseño del transformador.

El transformador se monta en un vehículo con plataforma para permitir un transporte más rápido por carretera con un mínimo de permisos administrativos. Se escogió el aislamiento tradicional con celulosa porque el aislamiento de alta temperatura no se había utilizado hasta ahora para aplicacio­nes por encima de 230 kV. En la actualidad hay investigaciones en curso sobre la utili­zación de aislamiento de alta temperatura para aumentar los valores nominales con las mismas dimensiones o para mantener­los, reduciendo el peso.

Un aspecto importante es la rápida instala­ción de estos transformadores. Si se supe­ran las limitaciones de transporte que rigen el peso y las dimensiones, las unidades deben transportarse parcialmente desar­madas y sin el aceite de aislamiento.

El diseño de los transformadores se puede hacer a la medida de la aplicación y su ob­jetivo es reducir al mínimo el trabajo de desmontaje. También pueden fabricarse de modo que su transporte y montaje se reali­ce con los refrigeradores situados en el ve­hículo. En función del tipo de conexiones

El transformador se monta en un vehículo de plata­forma para permitir un transporte más rápido por carrete­ra con un mínimo de permisos admi­nistrativos.

4 Transporte por carretera de un gran transformador estándar que precisa vehículos y permisos especiales

5 Transformador móvil listo para el transporte

50 revista ABB 4|10

ría con los casquillos y los refrigeradores desmontados. Se elaboró un exhaustivo plan de montaje en colaboración con la compañía eléctrica para minimizar el tiem­po de montaje in situ y se facilitó la adecua­da formación al personal de servicio. La compañía se encargó también de adoptar todas las medidas necesarias para la inter­conexión con el sistema, los descargado­res y los aisladores de las conexiones de las líneas, conexiones de cables, controles, etc. Se abordaron asimismo los aspectos relativos a la seguridad y el medio ambien­te por medio de la utilización de un reci­piente portátil de aceite en caso de que se produjeran fugas de aceite.

Se han fabricado tres unidades de 400 kV. A fin de estar preparados para una situa­ción de emergencia, la compañía eléctrica realizó una instalación de prueba que le permitió comprobar el rendimiento, el tiem­po de reacción y el nivel de formación del personal en un solo ejercicio. Ésta conside­ró satisfactorio el resultado de la prueba, que en una situación real habría represen­tado una recuperación rápida del servicio.

Miguel oliva

ABB Power Products

Córdoba, España

miguel.oliva@es.abb.com

La posibilidad de utilizar un conmutador de tomas de corriente se descartó para no añadir peso y volumen. Sin embargo, se incluyó un conmutador de tomas de co­rriente desactivado para añadir funcionali­dad y cierta capacidad de regulación fuera de línea.

El objetivo principal del proyecto fue obte­ner los máximos valores dentro de las res­tricciones existentes para el transporte por carretera. Se empleó un transformador de tipo acorazado en posición horizontal. El producto final representaba menos de 60 toneladas para el transporte, y menos de 3,4 m de altura y de 2,7 m de anchura.

El transformador se preparó para el trans­porte móvil y se montó en un vehículo de transporte por carretera, sin aceite ➔ 5. Se acordó con la compañía que se transporta­

Un caso prácticoEl concepto de transformador móvil de ins­talación rápida se desarrolló como apoyo a los planes de contingencia estratégicos de la compañía española explotadora de sistemas de transporte y propietaria del sistema de 400 kV, Red Eléctrica Espa­ ñola (REE). Se trata de la primera referen­ cia mundial de transformador móvil de 400 kV.

Se adoptó un enfoque de colaboración en­tre las partes para aprovechar las sinergias entre ABB y la compañía de suministro eléctrico. El valor de 117 MVA de los mó­dulos monofásicos y otras características como la impedancia se seleccionaron para poder sustituir el transformador normaliza­do (unidades monofásicas de 200 MVA) de la compañía y ofrecer un valor mayor como una unidad trifásica (350 MVA), al tiempo que se cumplían las restricciones relativas a las dimensiones para el transporte por carretera.

Se desarrolló un politransformador con 400 kV en el lado de la alta tensión y la opción de elegir entre 230 kV o 138 kV en el de la baja tensión, y tres niveles diferen­tes de tensión en el terciario (33 kV, 26,4 kV y 24 kV). Se amplió la utilidad y el campo de aplicación de estos transformadores de modo que pudieran sustituir muchas de las unidades (monofásicas o trifásicas) de las que disponía la compañía.

Los transformadores móviles no son un concepto nuevo. Sin embargo, tradicio­nalmente han esta­do limitados a apli­caciones de 230kV.

51Una mejora activa de la calidad

Los filtros activos PQF de ABB mejoran el rendimiento y la eficiencia de los sistemas

kUrT SCHiPMAn, FrAnçoiS DELinCÉ – La creciente utilización de cargas no lineales en todo tipo de aplicaciones industria­les y comerciales ha dado lugar a la presencia de armónicos que pueden resultar perjudiciales para la red eléctrica y provocar el sobrecalentamiento de los cables, motores y transformadores, causar daños a los equipos sensibles, desconectar disyuntores y fundir fusibles, así como envejecer de forma prematura la instalación.

Los filtros activos y modulares PQF de ABB representan una solución fiable y rentable a este problema, dado que super­visan continuamente la intensidad en tiempo real para determinar la presencia de armónicos y después inyectar corrientes armónicas en la red con una fase exactamente opuesta a la de los componentes que van a filtrarse. Los dos armónicos se anulan entre sí de modo que la onda sinusoidal queda limpia para el transformador de alimentación.

Una mejora activa de la calidad

52 revista ABB 4|10

armónica de tensión en la red pública. En consecuencia, cualquier usuario del servi­cio que esté conectado al mismo suminis­tro se verá afectado por la contaminación producida por otro cliente del servicio. Esto puede ocasionar problemas de funciona­miento en otras instalaciones.La mayoría de las centrales eléctricas han adoptado y cumplen las normas y los reglamentos de calidad relativos a la ener­gía para limitar este tipo de problemas. El incumplimiento de tales normativas condu­ce a la denegación de la conexión de una nueva instalación.

Cómo abordar la contaminación de armónicos y el desequilibrio de cargaTradicionalmente, se han propuesto los filtros pasivos como método para reducir la contaminación de armónicos. En las ins­talaciones de baja tensión, se aplica cada vez menos esta solución cuando:− las instalaciones de baja tensión son

muy dinámicas, lo que produce una sobrecarga del filtro pasivo relativamen­te rápida;

− las cargas modernas (por ejemplo, accionamientos de velocidad variable, sistemas de iluminación actuales) tienen ya un excelente factor de potencia unitario (cos φ) (posiblemente, incluso capacitivo) que produce un exceso de compensación cuando hay un filtro pasivo instalado. Si a esto se añade la limitada capacidad de los generadores de reserva habituales para funcionar con factores cos φ capacitivos, la fiabilidad de la instalación se reduce;

− los filtros pasivos instalados en instala­ciones de baja tensión suelen utilizarse para los armónicos de menor orden. En la actualidad, sin embargo, los armóni­cos de las frecuencias más altas son los que plantean más problemas en las instalaciones;

− la eficiencia de los filtros pasivos queda definida por la proporción de la impe­dancia del filtro pasivo y la impedancia

mes. Esto queda ilustrado en ➔ 1, donde se ofrece una visión general de las pérdi­das económicas típicas que se producen por un incidente de calidad de la energía (parada) en instalaciones eléctricas de varios sectores industriales [1]. Los datos marcados con asterisco (*) proceden de un estudio a escala europea sobre esta cues­tión realizado por el Instituto Europeo del Cobre en 2002. El resto de la información se basa en datos de ABB.Un posible método para cuantificar teórica­mente las pérdidas añadidas que causan los armónicos en los transformadores es utilizar la norma IEEE C57.110 [2]. El impacto calculado dependerá de las cir­cunstancias locales, pero lo que resulta claro es que las pérdidas se acumulan con rapidez.Actualmente, la mayor parte de la contami­nación de armónicos se crea en forma de corriente armónica producida por las car­gas en las instalaciones individuales. Esta

corriente armónica, inyectada en la impe­dancia de la red, se convierte en tensión armónica (ley de Ohm) y luego se aplica a todas las cargas de las instalaciones del usuario. Además, la corriente armónica que se produce en una instalación, si no se filtra, fluirá también por los transformadores de alimentación hasta la fuente del servicio de suministro y provocará una distorsión

L as redes con energía eléctrica de mala calidad ocasionan pérdidas económicas, un impacto negati­vo en el medio ambiente o pro­

blemas de seguridad. Hay tres causas im­portantes de la calidad deficiente de la energía eléctrica:– Contaminación de armónicos− Desequilibrios de carga que provocan

desequilibrios de tensión− Energía reactivaCuando estas condiciones se dan en exce­so, se producen fallos frecuentes en los equipos o la reducción de la vida de éstos, pérdidas de producción, menores niveles de seguridad en las instalaciones, mayor huella de carbono, incumplimiento de las normativas del servicio de suministro y otros efectos no deseados. Además de las pérdidas económicas, se incurre en otros costes por las pérdidas añadidas de kWh en componentes habituales de la red, como transformadores, cables y motores. Tales pérdidas redundan en las centrales eléctricas del servicio de suministro público y, según el proceso y la fuente de la energía eléctrica, aumentan las emisiones de CO2. Las centrales nucleares, por ejemplo, ape­nas dejan huella de CO2 por kWh, mientras que las centrales eléctricas de carbón ge­neran entre 900 y 1.000 g/kWh.Si debido a la deficiente calidad de la ener­gía eléctrica la producción debe detenerse, los costes en los que se incurre son enor­

Los filtros activos y modulares PQF de ABB se emplean para contrarrestar el efecto potencial­mente perjudicial de los armónicos en la red eléctrica.

1 Ejemplos de pérdidas económicas debidas a incidentes de calidad del suministro eléctrico

Sector Pérdidas financieras por incidente (en euros)

Fabricación de semiconductores (*) 3,8 millones (5,3 millones de dólares)

Mercados financieros (*) 6 millones (8,4 millones de dólares)

Centros informáticos (*) 750.000 millones (1 millón de dólares)

Telecomunicaciones (*) 30.000 millones (42.000 de dólares)

Siderurgia (*) 350.000 millones (490.000 de dólares)

Industria del vidrio (*) 250.000 millones (350.000 de dólares)

Plataformas marinas 250.000­750.000 (350.000­1 millón de dólares)

Dragado y recuperación de terrenos anegados 50.000­250.000 (70.000­350.000 de dólares)

53Una mejora activa de la calidad

y la señal invertida resultante acciona el puente del transistor bipolar de puerta ais­lada (IGBT). Puesto que no hay retroali­mentación, la corriente de línea resultante puede contener normalmente componen­tes de error que el sistema de control no detecta.En resumen, las ventajas de utilizar un sis­tema en bucle cerrado en lugar de abierto son [3]:− los sistemas en bucle cerrado permiten

cancelar los errores en el bucle de control y en el comportamiento en respuesta a perturbaciones exteriores; los sistemas en bucle abierto no tienen esta función;

− los sistemas de control en bucle cerrado pueden reaccionar con tanta rapidez como los de bucle abierto, siempre que se determinen los paráme­tros del bucle de control para que se comporten de este modo.

Es preferible utilizar el enfoque del dominio de frecuencias que el del dominio de tiem­po. A continuación se explica el motivo.En el enfoque del dominio de tiempo, el componente de la frecuencia fundamental se elimina de la señal de corriente medida. La forma de onda restante se invierte y la señal resultante acciona el puente del tran­sistor bipolar de puerta aislada (IGBT) del filtro activo. Este enfoque no tiene en cuen­ta el hecho de que las características de la red son diferentes para distintas frecuen­cias, así como las características de los transformadores de intensidad (CT) de me­dida y del sistema de control. El rendimien­to de los filtros activos con este enfoque de control disminuye a medida que aumenta la frecuencia. En el enfoque del dominio de frecuencias, cada armónico y sus corres­pondientes características del sistema se tratan de forma individual y el rendimiento puede optimizarse para los componentes armónicos en el ancho de banda de filtra­do. En consecuencia, se puede mantener el mismo rendimiento de filtrado (alto) en todo el ancho de banda. El principio en el que se basa el enfoque del dominio de frecuencias para el filtrado se muestra en ➔ 4.

El mejor rendimiento de filtrado se conse­guirá utilizando un filtro activo con sistema de control en bucle cerrado y un enfoque de dominio de frecuencias individual. Entre otras ventajas de estos filtros se incluyen las siguientes:− Pueden predefinirse los requisitos del

usuario para cada armónico (por ejemplo, requisito de conformidad normativa).

− el uso de un sistema de control en bucle cerrado;

− el enfoque relativo al dominio de fre­ cuencias para el procesamiento y el control de la corriente contaminada.

Para los filtros activos, la cuestión del bucle cerrado y el bucle abierto radica en el lugar en el que deban instalarse los transforma­dores de intensidad (CT) de medida del filtro activo ➔ 3.

En los sistemas de bucle cerrado, se mide la corriente anterior a la carga y la conexión del filtro y se adoptan medidas correctoras. Cualquier medida u otras imprecisiones pueden cancelarse automáticamente y compensarse con el concepto de bucle cerrado. En los sistemas en bucle abierto, la corriente de carga se mide y se procesa,

de la red y, por tanto, no puede garanti­ zarse. En consecuencia, es práctica­mente imposible garantizar el cumpli­miento de las normativas con la utiliza­ ción de filtros pasivos.

Lo anterior explica la tendencia mundial a abandonar las soluciones de filtrado pasivo en favor de soluciones de filtrado activo en aplicaciones de baja y media tensión.Los filtros activos más comunes se en­cuentran en los equipos eléctricos basados en la electrónica de potencia instalados en un alimentador paralelo a las cargas conta­minantes ➔ 2.

El controlador de un filtro de calidad de la energía (PQF) de ABB analiza los armóni­cos de corriente de la línea, así como las necesidades del cliente. De ese modo, puede generar para cada frecuencia armó­nica una corriente armónica (corriente de compensación) con una fase opuesta a la de la corriente contaminante medida.Dado que el PQF no funciona conforme al principio convencional de baja impedan­cia de armónicos utilizado por los filtros pasivos, permanece inalterable ante los cambios en los parámetros de la red y no puede sufrir sobrecarga. Además, en com­paración con las unidades de filtros pasi­vos, los filtros activos pueden ampliarse con facilidad.Para que el rendimiento sea eficaz en todo el ancho de banda del filtro, hay dos aspectos de control esenciales:

La tendencia actual es abandonar las soluciones de filtra­do pasivo en favor de soluciones de filtrado activo en aplicaciones de baja y media tensión.

2 Diagrama de conexión de los filtros activos más comunes

Alimen­tación

Filtro activo

Carga

Sólo lo esencial idistorsión

icompensación

3 Principio de filtro activo de bucle cerrado y de bucle abierto

Filtro activo

Filtro activo

Recorrido de la distorsión

Recorrido de la distorsión

Bucle cerrado

Bucle abierto

4 Principio del método de filtrado del dominio de frecuencias

Corriente de alimentación Corriente de carga Corriente del filtro

= +

54 revista ABB 4|10

den una central eléctrica que alimenta a numerosos grupos de bombeo. La gran mayoría de las cargas están controladas por accionamiento de CA. Hay 40 grupos aproximadamente, cada uno con una carga en el intervalo de 2 MW. Sin filtros activos, la distorsión armónica total de ten­sión (THDV) en el lado de la baja tensión del grupo sería igual al 12%, y la distorsión armónica total de corriente (THDI) sería del 27% ➔ 6.

Con filtros activos, la THDV se ha reducido al 2% y la THDI al 3% ➔ 7.

En general, se ha mejorado notablemente la calidad de la energía de los grupos, lo que permite que la planta funcione den­tro de los límites de la norma IEEE 519 y garantiza un funcionamiento sin problemas de los distintos grupos.Otro ejemplo examina la calidad de la ener­gía a bordo de un buque ➔ 8. El buque en cuestión tiene una central eléctrica con dos generadores que funcionan a unos 600 kVA cada uno. Las cargas principales son dos unidades de propulsión con accionamiento de CC. Antes de la compensación, la THDI estaba cercana al 25% y la THDV corres­pondiente era de aproximadamente el 22%. El factor cos φ de la instalación esta­ba en torno al 0,76. El consumo de com­bustible habitual del buque estaba entre 14.000 y 15.000 litros al mes.Los requisitos del cliente eran los siguien­tes:− Reducir la contaminación de armónicos

a niveles aceptables para evitar problemas técnicos con las unidades de propulsión.

− Realizar la compensación de la energía reactiva sin riesgo de sobrecompensa­ción.

Por esta razón, se seleccionaron y se insta­laron filtros activos de ABB. La opinión del cliente fue muy alentadora, dado que los problemas técnicos se resolvieron y había margen para ahorrar aproximadamente un 10% de los costes de combustible. En tér­minos anuales, el cliente tiene la posibilidad de ahorrar cerca de 18.000 litros de com­bustible. La razón principal es que uno de los generadores podía desactivarse con mayor frecuencia gracias a la mejor calidad de la red.Cómo se ha mostrado en los ejemplos an­teriores, las cuestiones relativas a la cali­dad de la energía suelen plantearse a me­nudo en las redes industriales debido a la presencia de un número nada desdeñable de (grandes) cargas de contaminación. En todo caso, la calidad de la energía es tam­bién motivo de preocupación en las aplica­

− Pueden seleccionarse armónicos individuales para permitir un uso óptimo de los recursos del filtro (por ejemplo, no es necesario filtrar el quinto armóni­co si éste ya ha sido filtrado por otro dispositivo).

− Es posible establecer y conservar obje­ tivos precisos para cos φ. Esto permite que los filtros activos funcionen en apli­ caciones en las que es necesario con­ trolar con precisión el factor cos φ para evitar perturbaciones en la instalación (por ejemplo, desconexión de un gene­ rador). Las unidades de filtración activa de ABB pueden compensar tanto las cargas inductivas como las capacitivas.

− Puede aplicarse un equilibrado preciso de cargas permitiendo la descarga de los sistemas neutros y evitando que la tensión del neutro a tierra se mantenga en los niveles mínimos. Además, puede garantizarse el equilibrado de la carga de, por ejemplo, un UPS. En ➔ 5 se muestra un ejemplo de aplicación de equilibrado mediante un filtro activo PQF de ABB con control de bucle cerrado.

Además de los aspectos funcionales, los filtros activos más avanzados, como son las unidades de ABB, tienen características que permiten minimizar las pérdidas opera­tivas del equipo y proporcionar más fiabili­dad a la instalación. Esto se debe a las valiosas funciones secundarias (por ejem­plo, la reducción automática de la tempe­ratura, entre otras).

resultados en la prácticaLos filtros activos PQF de ABB y otros equipos de calidad de la energía de ABB se aplican en diversos campos.Por ejemplo, las instalaciones de explota­ción de un yacimiento petrolífero compren­

El mejor rendimien­to de filtrado se conseguirá utilizan­do un filtro activo con sistema de control en bucle cerrado y un enfo­que de dominio de frecuencias indivi­dual.

5 Ejemplo de aplicación de equilibrado con un filtro activo de bucle cerrado

L1: 49,1 Arms

L2: 5,3 Arms

L3: 5,1 Arms

N: 44,1 Arms

N: 3,5 Arms

L1: 19,6 Arms

L2: 19,4 Arms

L3: 19,5 Arms

Nota: Datos de la parte superior: carga original desequilibrada Datos de la parte inferior: filtro activo en funcionamiento y equilibrado de la corriente

55Una mejora activa de la calidad

inestable. El simple cambio del punto de trabajo de las cargas en uno de los lados del edificio afectaría al funcionamiento de otras cargas situadas en otras dependen­cias. Una cuestión claramente inaceptable, ya que podría provocar la pérdida de clien­tes por la baja calidad del servicio. El equi­po de filtrado de ABB resolvió estos pro­blemas.

kurt Schipman

François Delincé

ABB Power Products

Charleroi, Bélgica

kurt.schipman@be.abb.com

francois.delince@be.abb.com

referencias[1] European Copper Institute (2002). European

power quality survey.[2] IEEE, C57.110­2008: práctica recomendada

por la IEEE para el establecimiento de la capacidad de los transformadores al suministrar corrientes de carga no sinusoidales. 2008.

[3] Kuo, B.C. Automatic Control Systems. John Wiley & Sons, Inc. New York, NY, The United States.

para el funcionamiento del producto y por cuestiones de seguridad.

− Presencia del factor cos φ capacitivo debido al hardware moderno del servidor, que puede exigir con el tiempo la disminución de los valores del sistema UPS, etc.

Un ejemplo de aplicación comercial es la calidad de la energía en un prestigioso hotel de varias estrellas. Dispone de habi­taciones, suites, salas especiales y área de negocios. Las cargas típicas que se pue­den encontrar son ascensores de alta velo­cidad, interruptores para regulación de la luminosidad y otros equipos habituales de oficina, como ordenadores, impresoras, etc. A causa de todas estas cargas, la cali­dad de la energía eléctrica se ha deteriora­do hasta el extremo de que la tensión es

ciones comerciales, en las que la presencia de muchas cargas contaminantes monofá­sicas crea problemas como los siguientes:− Aumento del esfuerzo armónico al que

se ven sometidos los equipos que suelen ser más vulnerables que los equipos industriales.

− Excitación de resonancia a causa de la presencia de terceros componentes armónicos en combinación con baterías de condensadores con una reactancia de desintonización incorrectamente seleccionada o sin ninguna reactancia en absoluto.

− Corrientes neutras con valores superio­res a los de los conductores neutros y los elevadores de bus.

− Tensiones del neutro a tierra demasiado altas, que pueden no ser aceptables

8 ABB redujo el consumo de este barco en un 10%

Los filtros activos PQF de ABB ofre­cen otras funcio­nes que minimizan las pérdidas opera­tivas del equipo y proporcionan más fiabilidad a la insta­lación.

6 Formas de onda de tensión (arriba) y de intensidad (abajo) antes del filtrado en el lado de baja tensión del grupo de bombeo

Forma de onda en 22/11/01 10:25:43,533

10:25:43.72 10:25:43.73 10:25:43.74 10:25:43.75 10:25:43.76 10:25:43.77 10:25:43.78

750

500

250

0

­250

­500

­750

3.000

2.000

1.000

0

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­3.000

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osA

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s

Voltios CHA

Voltios CHB

Voltios CHC

Amperios CHA

Amperios CHB

Amperios CHC

7 Formas de onda de tensión (arriba) y de corriente (abajo) después del filtrado en el lado de baja tensión del grupo de bombeo

Forma de onda en 22/11/01 10:41:55,533

10:41:55.72 10:41:55.73 10:41:55.74 10:41:55.75 10:41:55.76 10:41:55.77 10:41:55.78

3.000

2.000

1.000

0

­1.000

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Voltios CHA

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56 revista ABB 4|10

knUT MArQUArT, Ton HAASDijk, gB FErrAri, rALPH SCHMiDHALTEr – En el sector naval, las áreas portuarias se consideran uno de los principales candidatos para permitir una reducción sustancial de las emisiones. Con esto presente, las autoridades portuarias, los armadores, los proveedores del sector y los organismos reguladores dirigen ahora la atención a una tecnología de hace una década conocida como “alimentación eléctrica de muelle a buque” para la que el iEEE, la iSo y la iEC están a punto de ratificar normativas eléctricas internacionales. La alimentación eléctrica desde el muelle permite apagar los motores diésel de los buques comerciales y conectarse a fuentes de energía más limpias mientras éstos se encuentran atracados en los puertos. Dado que ABB realizó con éxito en 2002 la primera conexión eléctrica del mundo desde el muelle al buque en el puerto de gotemburgo (Suecia), no sólo dispone de la tecnología, sino también de la experiencia necesaria para realizar la conexión completa, tanto a bordo como en tierra.

Una solución de ABB llave en mano que reduce de forma eficaz las emisiones en los puertos

Conexión eléctrica desde el muelle al buque

57Conexión eléctrica desde el muelle al buque

Con la conexión eléctrica de ABB desde el muelle al buque, una gran embarcación de crucero puede recortar el consu­mo de combustible hasta en 20 tone­ladas métricas y reducir las emisio­nes de CO2 en 60 toneladas métricas durante una estan­cia de 10 horas en puerto.

nota a pie de página1 La alimentación eléctrica desde el muelle al

buque se conoce también como “cold ironing”, alimentación eléctrica en puerto, energía marítima alternativa (AMP) y suministro de electricidad en el amarre, entre otros.

ma de gestión de cables para el puerto o el buque.Estas tecnologías se encuentran con facili­dad, y dado el nivel de reducción de emi­siones implícito en la alimentación eléctrica en tierra y la normalización inminente de la tecnología, la solución va ganando adep­tos. De hecho, es cada vez más frecuente que aparezca en normativas y debates de la Unión Europea, los Estados Unidos y la IMO (Organización Marítima Internacional de las Naciones Unidas). La Directiva 2005/33/CE, que entró en vigor el 1 de enero de 2010, exime a los buques que se conectan a la electricidad en tierra de una norma que exige a los buques la utilización de combustibles con un contenido reduci­do de azufre mientras están atracados en un puerto. En los Estados Unidos, la legis­lación va avanzando por estados: Califor­nia, un precursor en materia de normativas,

estacionamiento y otras actividades que consumen energía mientras está atracado. La conexión y desconexión del buque llevan sólo 15 minutos, y la administración de la alimentación y el consumo de electri­cidad corren a cargo del operador del puerto.El establecimiento de una conexión eléctri­ca desde el muelle al buque exige una in­versión tanto de los armadores como de las autoridades portuarias o los operado­res de terminales para la remodelación de las instalaciones existentes o la construc­ción de otras nuevas ➔ 1. El buque precisa de un cuadro eléctrico adicional, de cables que lo conecten al cuadro principal del buque y, en muchos casos, de un transfor­mador reductor. El puerto necesita una subestación con interruptores y secciona­dores, un interruptor de puesta a tierra automático, un transformador, equipos de protección como relés de transformador y de alimentador, equipos de comunicación entre el buque y el puerto, y, en la mayoría de los casos, un convertidor para adaptar la frecuencia de la red local a la de cada embarcación. Además, es preciso un siste­

M ás del 90% de las mercan­cías mundiales se transpor­tan por mar y, aunque el transporte marítimo es un

medio muy eficiente de traslado de mer­cancías, con un menor nivel de emisiones de CO2 que el transporte por carretera y con emisiones muy inferiores a las del transporte aéreo, el sector sigue siendo responsable de cerca del 4% del CO2 mundial (la aviación representa el 2%). Con la conexión eléctrica de ABB desde el muelle al buque 1, una gran embarcación de crucero puede recortar el consumo de combustible hasta en 20 toneladas métri­cas y reducir las emisiones de CO2 en 60 toneladas métricas durante una estancia de 10 horas en puerto, el equivalente a las emisiones anuales totales de 25 coches europeos. Por tanto, no es de extrañar que el interés por este tipo sistema esté aumentando, y no sólo por razones medio­ambientales, sino también económicas. Con una conexión a la alimentación eléc­trica en tierra, un buque puede apagar los motores sin interrumpir sus operaciones en el puerto, como la carga y descarga, el

58 revista ABB 4|10

bación, y su entrada en vigor se produjo en 2005.La UE ha adoptado medidas para reducir las emisiones de los buques junto con la IMO. Mientras la UE preparaba una es­trategia para hacer frente a la contamina­ción relacionada con los buques en 2001 y 2002, ya se debatía sobre el potencial del sistema de alimentación eléctrica des­de el muelle. El resultado fue una directiva que obligaba a todos los buques atraca­dos en puertos de la UE a utilizar com­bustibles para uso marítimo con un conte­nido máximo de azufre del 0,1%, con algunas excepciones, como la relativa a los buques conectados a la red eléctrica en el amarre.La UE ha optado por promover una directi­va que no favorezca ningún tipo concreto de tecnología para la reducción de la con­taminación, sino que responda a objetivos más generales. En el caso de las emisiones de los buques, la legislación de la UE ha priorizado la reducción de las emisiones que afecten directamente a la salud en las zonas cercanas a los puertos o en las prin­cipales vías de transporte marítimo, pero ha adoptado una perspectiva regional. Los efectos duraderos y extendidos de la acidi­ficación y la contaminación por partículas también se han legislado. (No se han abor­dado las emisiones de CO2 procedentes del transporte marítimo, puesto que su re­percusión en la salud local es escasa en comparación con las emisiones de partícu­las.) Aunque el problema lo han abordado la UE y la IMO, en especial en relación con un sistema de comercio de derechos de emisión de carbono, no hay resultados de­finitivos por el momento.

normativas en los Estados Unidos

En comparación con la UE, la Agencia de Protección Medioambiental (EPA) del Esta­do de California ha ido mucho más lejos en las exigencias de conexión a la red eléctrica para los buques atracados en puerto, aunque ofrece tecnologías alterna­tivas. La EPA obliga a los buques porta­contenedores, buques de pasajeros y bu­ques de carga refrigerada a que apaguen sus motores auxiliares la mayor parte del tiempo que permanezcan en un puerto californiano y se conecten a otra fuente de energía (por ejemplo, a la red eléctrica), o bien a que utilicen otras técnicas de con­trol que consigan el mismo nivel de reduc­ción de emisiones.En un principio, esta normativa sólo se re­fería a unos cuantos tipos de buques per­tenecientes a flotas que atracan en puertos

iniciales para reducir las amenazas para la salud pública debidas a las emisiones, como la lluvia ácida, se centraron en las fuentes de emisiones terrestres. En el decenio de 1980, las centrales eléctricas y el tráfico rodado pasaron a ocupar, por tanto, el centro de atención. Sin embargo, a medida que los estudios fueron mostran­do la existencia de mayores niveles de depósitos de contaminantes en regiones costeras y a lo largo de importantes vías marítimas, como el canal de la Mancha, que podían asignarse a contaminantes conocidos, se hizo evidente que los

buques en tránsito internacional eran res­ponsables de una gran cantidad de conta­minación. Suecia y Noruega presentaron estos estudios ante la IMO en 1988. Ten­drían que pasar casi diez años para que el convenio de la IMO (anexo VI de MARPOL), que limita la cantidad de contaminantes en los combustibles marinos, lograra la apro­

El perfil medioam­biental de la elec­tricidad generada por las centrales eléctricas en tierra frente a los moto­res diésel de los buques alimenta­dos con combusti­bles pesados es una de las ventajas principales de la alimentación eléc­trica en tierra.

ha comenzado a exigir la conexión eléctri­ca en el muelle a determinados tipos de buques. Por lo que respecta a la IMO, las nuevas restricciones del contenido de azu­fre admisible en los combustibles favore­cen la justificación económica del suminis­tro de electricidad en el amarre, aunque ni se respalde ni se imponga explícitamente.La alimentación eléctrica desde el muelle es una tecnología consolidada ➔ 2 de la que disponen ya diversos puertos, como los de Estados Unidos, Bélgica, China, Canadá, Alemania, Suecia, Finlandia y los Países Bajos. Con un nuevo conjunto de normativas mundiales en esta materia a punto de ser ratificadas, se espera que la práctica se extienda con rapidez por los principales tipos de buques y puertos en todo el mundo.

El aspecto normativo de la alimentación desde el muelleA medida que los organismos reguladores advierten que la contaminación que produ­ce el sector naval afecta notablemente a la salud pública y a los costes, éstos prestan cada vez más atención a este sector. Des­de al menos finales del decenio de 1980, la IMO se ha centrado en el modo de reducir el impacto medioambiental del transporte marítimo (la prevención de vertidos de fuel tiene una historia mucho más larga). Las autoridades nacionales, ciudadanas y por­tuarias están emprendiendo también una regulación de las emisiones que generan los buques.En la actualidad no existe ninguna ley ni norma que exija a los buques atracados en un puerto que se conecten a una fuente de alimentación en el muelle, pero la normali­zación bien podría derivar en un aumento de la adopción de tecnologías para implan­tar este sistema.

normativas en Europa

En el norte de Europa, la identificación pre­cisa de las emisiones mundiales a gran escala comenzó en el decenio de 1970. A partir de estos estudios, los esfuerzos

1 Esquema de una conexión de alimentación de muelle a buque

Subestación de entrada principal

Cables de alimentación

Subestación de muelle

Terminal de muelle

Instalación de a bordo

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59Conexión eléctrica desde el muelle al buque

atracados les permite establecer un servi­cio de alimentación eléctrica general más eficaz y potente. El uso de convertidores de frecuencia de última generación puede causar tanto un efecto estabilizador en la red pública local como un mejor factor de potencia. En realidad, esto significa que el sistema eléctrico local tendrá menos pérdi­das.Los sistemas de alimentación eléctrica en puerto tienen otra ventaja con respecto a las otras tecnologías de reducción de las emisiones: permiten disminuir el ruido y las vibraciones en las zonas portuarias. Es una ventaja para los marinos mercantes, los pasajeros y las tripulaciones, así como para los trabajadores de los puertos y las comu­nidades vecinas, en especial cuando los puertos son grandes. Algunos puertos, a causa del aumento excesivo de los niveles de emisiones, vibraciones y ruido de sus operaciones, han observado que las licen­cias medioambientales limitan su creci­miento.Por último, el sistema de conexión eléctrica desde el muelle al buque es fácilmente am­pliable, y las inversiones en infraestructura son sostenibles durante décadas con in­gresos a largo plazo y un mantenimiento relativamente reducido. Por cada nuevo puerto que invierte en conexiones en tierra, el valor acumulado de la tecnología se mul­tiplica, puesto que repercute en un número cada vez mayor de buques e itinerarios marítimos.Los argumentos en contra de este sistema se refieren a la procedencia de la electrici­dad en tierra, a los costes de inversión en infraestructuras, a razones relacionadas con la seguridad y la eficiencia en las ope­raciones portuarias, y a la necesidad de utilizar tecnologías que influyen también en el nivel de emisiones cuando un buque está navegando. Los estudios han demos­trado que la sustitución de la energía diésel generada a bordo por energía eléctrica de carbón en tierra tiene un beneficio medio­ambiental limitado (con aumentos de las emisiones de partículas en suspensión y, posiblemente, de óxidos de azufre), mien­tras que otras formas de energía presentan ventajas más importantes; las fuentes de energía renovables, en particular, mejoran el impacto medioambiental de los opera­dores de puertos.Los costes de inversión en infraestructuras para que los buques puedan conectarse a

mentación del muelle frente a otras tecno­logías para la reducción de emisiones son cuestionables. El régimen de operaciones del buque tiene también un gran impacto, es decir, no es lo mismo un transbordador que atraca en un puerto todos los días que un portacontenedores que lo hace una vez al mes. Por tanto, es difícil para los inverso­res calcular la rentabilidad a largo plazo de la inversión dado que el panorama norma­tivo cambia. Las fluctuaciones en el precio de los combustibles pesados para trans­porte marítimo 2 en comparación con el de la electricidad en el muelle influyen también en los cálculos.El perfil medioambiental de la electricidad generada por las centrales eléctricas en tierra frente a los motores diésel de los bu­ques alimentados con combustibles pesa­dos es una de las principales ventajas de la alimentación eléctrica en tierra. En general, si puede reducirse al mínimo posible el nú­mero de productores de energía eléctrica, es más fácil y eficiente optimizar a éstos para reducir el impacto medioambiental.Otro argumento a favor de la alimentación de muelle a buque es la ventaja jurisdiccio­nal. Cuando existen disposiciones en este sentido, los organismos reguladores pue­den abordar el problema específico y local de la contaminación con una respuesta es­pecífica y local. Los esfuerzos para captu­rar las emisiones de los motores diésel auxiliares pueden aplicarse a todas las operaciones que realiza una embarcación en todo el mundo, pero eliminan cualquier tipo de acción por parte de las autoridades locales o regionales.Por lo que se refiere a los puertos, la capa­cidad de suministrar energía a los barcos

californianos 25 o más veces al año. A par­tir del 1 de enero de 2010, cualquier buque que pueda conectarse a la electricidad en el muelle y que pertenezca a una de las flo­tas en cuestión deberá utilizar este tipo de energía si está disponible en el puerto y es compatible con los equipos de a bordo. El requisito para 2014 acaba con las lagunas en relación con los buques que no están equipados para la conexión a la red eléctri­ca del puerto y establece un límite máximo, para el conjunto de una flota, del 50% de la energía generada por los motores auxilia­res mientras permanecen atracados. En 2017, el 70% de las estancias en puerto de una flota deberán cubrirse con conexión a la red eléctrica del muelle, y la potencia generada por los motores de los buques deberá reducirse en un 70%; en 2020, estas cifras se elevarán al 80%.Los avances normativos en la IMO, la EU y el Estado de California están sirviendo de modelo a otras jurisdicciones, como las de otros estados de EE.UU. y algunos países de Asia. En general, se espera que las au­toridades responsables dicten normas cada vez más estrictas en relación con las emisiones procedentes de los buques atra­cados en puerto, aumenten los impuestos para las fuentes contaminantes y hagan exenciones con los buques que se conec­ten a la electricidad del muelle, lo que abri­rá la puerta a empresas como ABB, que pueden ofrecer una solución completa para la conexión eléctrica desde el muelle al buque.

Evaluación de las ventajasPara las autoridades portuarias y los arma­dores, las ventajas de la conexión a la ali­

nota a pie de página2 Por combustible pesado para uso marino se

entiende cualquier combustible utilizado a bordo de una embarcación.

Sistema completo de a bordo con panel de conexión y almacenamiento de alta tensión y tambor de cable

Toma de corriente 6,6 kV / 11 kV

Subestación (con convertidor de 50/60 Hz)

Cable subterráneo de alta tensión (distancia 1 – 5 km)

Cabina del transformador de muelle

2 Esquema general de alimentación eléctrica desde el muelle

60 revista ABB 4|10

3 Las conexiones eléctricas desde el muelle de ABB ya se han instalado en distintos tipos de embarcaciones, como petroleros, portacontenedores y buques de crucero.

Una solución en tierraLos sistemas de conexión a la red eléctrica terrestre se han instalado en aproximada­mente dos docenas de terminales portua­rias de todo el mundo desde el año 2000 y en más de 100 embarcaciones, desde buques de crucero a petroleros y porta­contenedores ➔ 3. Otros muchos opera­dores portuarios y armadores están valo­rando la inversión en estas tecnologías, a condición de que entren en vigor las nor­mativas internacionales pertinentes.La aceptación y las inversiones en infraes­tructuras para el suministro de electricidad en los amarres se han limitado por falta de una normativa global. Ya hay especificacio­nes públicas que sirven a los armadores y las autoridades portuarias para evaluar ins­talaciones futuras. Las soluciones tecnoló­gicas actuales se han construido en gran medida partiendo de tales especificacio­nes.Las acciones normativas de los organis­mos locales, nacionales e internacionales para propiciar la adopción de conexiones eléctricas desde los muelles a los buques incluyen impuestos a los combustibles fósiles, requisitos para los combustibles de uso marino y estipulaciones en relación con la alimentación eléctrica desde el mue­lle (o alternativas con una reducción de emisiones equivalente).El suministro de electricidad en los amarres es, en la mayoría de los casos, un método práctico y eficaz para reducir las emisiones en las áreas de los puertos muy utilizadas.

La tecnología ya existe, pero su adopción depende de su disponibilidad en un gran número de puertos y de buques. ABB ha desarrollado soluciones de instalación flexi­bles y ampliables que satisfacen las nece­sidades de los armadores y los puertos. Como parte de la solución de ABB para la alimentación eléctrica a buques desde tie­rra, la empresa ha diseñado conexiones tanto para los buques como para los mue­lles, y es una de las pocas empresas del mundo que ha elaborado una lista de refe­rencias en esta tecnología. Se pueden di­señar e instalar uno o varios puntos de co­nexión en un plazo de entre seis meses y un año. Las instalaciones a bordo pueden diseñarse en cuestión de meses e instalar­se en una semana.Se considera que la adopción de una nor­ma mundial aumentará considerablemente las inversiones en estas infraestructuras, lo que, a su vez, estimulará a cada vez más armadores y autoridades portuarias a pre­parar sus instalaciones para este sistema. Ya hay un número creciente de proyectos de expansión de puertos en todo el mun­do, y con la solución de suministro eléctri­co desde el muelle al buque, muy sosteni­ble y eficiente, ABB está totalmente equipada para proporcionar las tecnologías necesarias. Y para garantizar que sus solu­ciones cumplen las necesidades del mer­cado, ABB sigue trabajando con sus clien­tes de todo el mundo.

Una exposición más detallada de las tecnologías implicadas en la alimentación de muelle a buque aparecerá en el próximo número de la Revista ABB.

knut Marquart

ABB Marketing and Customer Solutions

knut.marquart@ch.abb.com

Ton Haasdijk

ABB marine solutions

ton.haasdijk@nl.abb.com

gB Ferrari

ABB shore solutions

gb.ferrari@it.abb.com

ralph Schmidhalter

ABB frequency converter solutions

ralph.schmidhalter@ch.abb.com

Lecturas recomendadaswww.abb.com/ports

la electricidad del muelle son importantes, y aún no se ha elaborado una plantilla sobre cómo deben repartirse esos costes entre los Gobiernos, los operadores de puertos o terminales y los armadores. En el puerto de Gotemburgo, por ejemplo, un fletador de buques, decidido a mejorar el perfil medioambiental de su cadena de su­ministro, invirtió en este tipo de infraestruc­tura. En los puertos de Long Beach y Los Ángeles, pertenecientes a la Administra­ción local, la infraestructura está financiada con fondos públicos. Sin embargo, a medi­da que aumentan el coste de las emisiones y las normativas que las impiden, habrá cada vez más fondos tanto del sector pú­blico como del privado destinados a estos fines.Las cuestiones relativas a la seguridad y la eficiencia de las operaciones portuarias son también muy importantes. Las termi­nales de contenedores, con grandes grúas pórtico sobre ruedas, plantean problemas con respecto a la posición de los cables y la infraestructura en tierra. En los puertos, el espacio es muy escaso. Además, la po­sibilidad de que se produzcan lesiones per­sonales o muertes relacionadas con la co­nexión eléctrica preocupa tanto a las autoridades portuarias como a los arma­dores. La introducción de normas estrictas y soluciones técnicas sobre la conexión a la red eléctrica terrestre que permitan la fluidez de las operaciones en el muelle y el manejo seguro del cableado deberían reducir tal preocupación.

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Electricidad inteligenteEnergía eficiente para un mundo sostenible

El siguiente nivel de evoluciónTecnologías de redes inteligentes para suministrar electricidad sostenible

Fuerza para cambiarPCS 6000 STATCOM

Enlaces sosteniblesHVDC para una red más inteligente

Almacenar para estabilizarLa próxima generación de FACTS

La inteligencia al mandoLas innovaciones integradas SCADA/DMS ayudan a las compañías explotadoras de redes

ConectadaRedes de comunicaciones para redes inteligentes

Cerrar el bucleSistemas inteligentes de gestión de la distribución

Trabajo en equipo inteligenteColaboraciones con prestigiosas instituciones de investigación

garantizar el suministroLos sistemas SVC atenúan las caídas de tensión

interruptores que superan lo esperadoInterruptor de polos encapsulados PT1

En forma a los 50TrafoAsset ManagementTM – Servicios preventivos

Un tesoro ocultoUso de datos de accionamiento con fines de diagnóstico

Contadores inteligentesControl del consumo de energía

Los colores de la intuiciónSoluciones para el control de edificios y habitaciones

ABB, los ferrocarriles y el transporte La cartera de productos de la empresa de un vistazo

Soluciones ferroviarias al problema de la movilidad Entrevista – UNIFE Y ABB

Por la vía rápida Trenes de alta velocidad

La revolución ferroviaria china Transformación de la red ferroviaria china

Un ferrocarril más verde para la india Mejora de los ferrocarriles de la India

Suiza en tren Tracción eléctrica para ferrocarriles

Conocer FACTS FACTS en sistemas de alimentación para ferrocarril

Convertidores estáticos para prestaciones dinámicas Convertidores de frecuencia para la electrificación del ferrocarril

La base del éxito Interruptores automáticos de vacío para exterior FSK II

Transformación de ideas en movimiento Transformadores secos de bobina encapsulada

La transformación del transporte suburbano Transformadores de tracción para trenes de cercanías

Un ajuste perfecto Convertidores de propulsión para vehículos de cualquier diseño

normalización del motor de tracción Motores de tracción modulares de inducción

Servicio especializado Amplia cartera de servicios de ABB

El amanecer de una nueva era Unidades de carga para vehículos eléctricos

Puertos de corriente Soluciones de conexión eléctrica desde el muelle

rapidez, seguridad y ahorro Interruptor ultrarrápido de puesta a tierra para aparamenta de media tensión

Historia de la electrificación Ingeniería de ferrocarriles eléctricos en ABB

Redes inteligentes

Los ferrocarriles y el transporte

1|10 La revista técnica

corporativa del Grupo ABB

Energía para un desarrollo sostenible 6Conexión de la generación marina 20Aparamenta: el molde perfecto 57Los colores de la intuición 79

Redes inteligentes

revistaABB ABB

La revista técnica corporativa

del Grupo ABBrevistaLas redes nacionales y ferroviarias se conectan 42Motores de tracción 66Servicios para la industria ferroviaria 70Carga de coches eléctricos 77

Los ferrocarriles y el transporte

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Revista ABB 3|10 Revista ABB 4|10

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reducción de las emisiones de dióxido de carbonoAnálisis de la amortización medioambiental con accionamientos

Diseñado para la eficiencia El edificio verde de ABB en Sudáfrica

Una jugada redonda Tecnología de control directo del par

Llegar a buen puerto Propulsión eléctrica en buques AHTS

De cara al viento Parque eólico Alpha Ventus

La desmitificación de los semiconductores Introducción a la tecnología de semiconductores

Alcanzar nuevos niveles Centro de pruebas de tensión ultra alta (UHV) de ABB

Arc guard System™ Reducción del riesgo de accidentes por arcos eléctricos

interruptores seccionadores (DCB) Subestaciones aisladas en aire con DCB

Cuestionario Contamos con su colaboración para hacer una Revista ABB aún mejor

Sistemas colaborativos de automatización de procesos System 800xA

El operario eficazEl puesto de trabajo del operario del System 800xA

Seguridad en los accionamientosSeguridad funcional en accionamientos de CA

Comportamiento sísmicoAnálisis sísmicos avanzados de productos eléctricos

La electrónica de potencia en el suministro eléctricoSemiconductores para redes eléctricas

Control inteligente del motorEl controlador UMC100

Dejar lo mejor para el finalArrancadores suaves y accionamientos de velocidad variable

Sencillamente eXTraordinariosLa familia Tmax XT de interruptores automáticos en caja moldeada

Transformadores móvilesTransformadores móviles de 400 kV

Una mejora activa de la calidadFiltros activos PQF

Conexión eléctrica desde el muelle al buqueReducción de emisiones en los puertos

Índice 2010

Energía y recursos

Aspectos de la productividad

ABB La revista técnica

corporativa del Grupo ABBrevista

Accionamientos y amortización medioambiental 6 El edificio verde de ABB 10 Las turbinas eólicas afrontan desafíos en alta mar 23 Una plataforma común para la automatización 49

Energía y recursos

3|10 La revista técnica

corporativa del Grupo ABBrevista

ABB

El puesto de trabajo del operario del futuro 6 Transformadores y terremotos 16 Control inteligente del motor 27 Filtros activos que aumentan la calidad de la energía 51

Especial productividad

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Consejo de redacción

Peter TerwieschDirector general de tecnologíaI+D y tecnología del Grupo

Clarissa HallerResponsable de comunicaciones corporativas

ron PopperResponsable de responsabilidad corporativa

Eero jaaskelaJefe de gestión de cuentas del grupo

Friedrich PinnekampVicepresidente de estrategia corporativa

Andreas MoglestueJefe de redacción de la Revista ABBandreas.moglestue@ch.abb.com

EditorialLa Revista ABB es una publicación de I+D y tecnología del Grupo ABB.

ABB Asea Brown Boveri Ltd.ABB Review/REVCH­8050 ZürichSuiza

La Revista ABB se publica cuatro veces al año en inglés, francés, alemán, español, chino y ruso. La Revista ABB es una publicación gratuita para todos los interesados en la tecnología y los objetivos de ABB. Si desea subscribirse, póngase en contacto con el representante de ABB más cercano o haga una subscripción en línea en www.abb.com/abbreview

La reproducción o reimpresión parcial está permitida a condición de citar la fuente. La reimpresión completa precisa del acuerdo por escrito del editor.

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impresiónVorarlberger Verlagsanstalt GmbHAT­6850 Dornbirn/Austria

DiseñoDAVILLA Werbeagentur GmbHAT­6900 Bregenz/Austria

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ISSN: 1013­3119

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La innovación es un impulsor fundamental de la tecnología. Crea soluciones nuevas para retos nuevos y antiguos y ofrece tecnolo­gías que abren nuevos caminos en lo que respecta a la eficacia, productividad o funcionalidad. ABB tiene un sólido compromiso con la innovación.

Desde hace algún tiempo, el último número de la Revista ABB de cada año se ha dedicado a la innovación y presenta normalmente una selección de los avances más significativos de la empresa en investigación y desarrollo, así como lanzamientos de productos importantes. Esto se traslada ahora al primer número del año. El cambio permitirá incluir innovaciones que se producen a finales de año y ofrecer así los logros de un año natural completo.

Entre las novedades que se presentarán figuran un nuevo motor de alta eficiencia, avances en los sistemas de control y un concepto de iluminación personalizable para el hogar.

Tecnología e innovación

Avance

Avance 1|11

¿Reducir anualmente las emisiones de CO2 en 180 millones de toneladas?

Por supuesto.

En 2009, nuestra base instalada de convertidores de frecuencia redujo las emisiones de CO2 en 180 millones de toneladas. Estos productos, que ajustan la velocidad de los motores, reduciendo así la energía consumida, son una de las muchas soluciones de ABB que contribuyen a la eficiencia energética, a la reducción de emisiones de CO2 y al ahorro de costes. www.abb.com/betterworld