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• Joaquin Montero Alvarado

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13/09/2016

Seminario de energía

Principios de medición de la energía Identificación y cuantificación del desaprovechamiento energético

Principios de medición de la energía

©2013 Fluke Corporation. No está permitido modificar ni reproducir este documento sin la autorización por escrito de Fluke Corporation.

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Ponente

Ing. Juan Carlos Peralta Abadía Jefe de Producto Regional FLUKE Industrial ELVATRON S.A. [email protected] (506) 2242-9900 EXT 156

¿Por qué es importante medir la energía? Los datos de las mediciones respaldan las decisiones y las acciones que reducen el consumo de energía y el costo, como: • el análisis de actualización de los equipos y el ROI; • el dimensionamiento correcto y la optimización del suministro/consumo; • la justificación de la introducción de controles y automatización; • las solicitudes de incentivos a la compañía eléctrica; • reparaciones.

Principios de Mmedición de la energía

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¿De qué modo se manifiestan las ineficiencias en cuanto a la energía? Aplicaciones eléctricas

Especificaciones mecánicas

Entrada frente a salida

• Consumo de energía • Distorsión de potencia • Sobrecalentamiento

• Vibración o fricción excesiva • Sobrecalentamiento • Ruido excesivo

• Caída de presión

Principios de medición de la energía

• Aire acondicionado • Aire comprimido

• Disminución de la temperatura • Vapor

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¿Cómo se puede cuantificar el desaprovechamiento de energía? • Aplicaciones eléctricas – – – – –

• • • •

kWh Armónicos Desequilibrio Factor de potencia Pico de demanda

Vibración PSI Calor Delta-T

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¿Cuánto puede ahorrar? En general: Las auditorias energéticas de las instalaciones pueden ayudar a reducir los gastos de electricidad en un 25 % al año. • Depende del tamaño, la antigüedad y el tipo de instalaciones, además del alcance del registro energético. • Las instalaciones con buenos programas de mantenimiento proactivo pueden identificar ahorros del 10 al 20 %. • En las instalaciones donde el mantenimiento todavía evita una gran cantidad de incendios, se pueden identificar ahorros de hasta un 30 %. Principios de medición de la energía

Los ahorros de las mediciones energéticas en las noticias: “Un ejemplo, que aparece en un estudio realizado por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, proviene de Sysco, una compañía de servicios alimentarios de EE.UU. de $37 mil millones de dólares con más de 140 instalaciones en América del Norte. En el transcurso de un programa de eficiencia energética lanzado en el 2005/2006, la compañía utilizó el análisis como un componente crítico para la reducción del consumo energético en un 28 %, un ahorro mensual de 18 millones de kWh. Es importante destacar que el primer 18 % se logró con acciones de bajo coste o sin coste, y solo el último 10 % requirió una inversión mayor de capital y nuevos equipos”

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Focalización en tres sistemas de la instalación Distribución eléctrica trifásica (redes de electricidad)

Sistemas de proceso de producción

Flujo: Compresión de aire, vapor

Cargas mecánicas

Subsistema eléctrico Facturación de servicios públicos

Infraestructura del edificio

Infraestructura de distribución eléctrica Ventilación, calefacción, refrigeración

Envolvente de los edificios

Iluminación

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Puntos de desaprovechamiento de los subsistemas eléctricos Carga n.º 1 50 kVA Medición del desaprovechamiento

Carga n.º2 100 kVA

Medición del desaprovechamiento

Transformador

Panel de 480 V

Arrancador motor

Acometida de servicio principal

Medición del desaprovechamiento

Medición del desaprovechamiento

Desconectar

Desconectar Desconectar

Subpanel n.º 1.1

Subpanel n.º 1.2 Capacitor

Motor n.° 1

Cargas: iluminación, computadoras, etc.

Principios de medición de la energía

Motor n.° 2

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Identificando acciones de mejora en la factura de la compañía eléctrica Preguntas claves:

• ¿Qué coste tiene la electricidad? • ¿Está siendo penalizado? • ¿Cuánto está consumiendo?

Cargos por demanda máxima Cargos por demanda fija

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Cómo la compañía eléctrica mide el consumo de energía Comprenda lo que hay que medir. El consumo de energía es la acumulación de potencia a lo largo del tiempo y se expresa en kilowatt-hora (kWh) Los cargos de consumo de energía por parte de la compañía eléctrica se dividen en • Potencia activa (o verdadera) (kW) distribuida por la compañía eléctrica; • Costes asociados al cos phi / factor de potencia; • Costes asociados al horario pico de demanda. Principios de medición de la energía

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Registro de energía: ¿por qué? y ¿dónde? ¿Por qué?: Usted necesita trazar un mapa para ver dónde va su consumo. • Compare con el medidor/factura de la compañía eléctrica. • Evalúe el pico de demanda y el factor de potencia de todas las cargas.

Dónde:

14 0

12 0

Total ( k W)

2. Registre los kW, kWh y el cos phi / factor de potencia.

Total de kW

16 0

1. Registre la potencia en los cuadros principales y secundarios y en las cargas importantes.

10 0

80

3. Identifique las franjas horarias de uso pico (a continuación). 4. Determine si el uso puede ajustarse y de qué otra forma se puede reducir el coste.

Principios de medición de la energía

60

40 3/5

4 /5

5 /5

6 /5

7/5

8 /5

9/5

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Identificación de las opciones de ahorro de costes Ejemplo de registro de energía 1. Compare el horario de trabajo con el esquema tarifario de la compañía eléctrica.

Principios de medición de la energía

100.00

kWh

90.00

Weds 7th Jan Thurs 5th Feb Sun 25th Jan Weds 10th Jun Sun 17th May

80.00

Fri 31st Jul Sat 25th Jul Sat 20th Jun

70.00

0

50.00

: 01 0 0 :0 0 0 :20 0 0 :30 0 0 :40 0 0 5 : 06 0 0 :0 0 0 :70 0 0 :80 0 0 :90 0 1 0 : 11 0 0 :0 0 1 :20 0 1 :30 0 1 :40 0 1 :50 16 0 :0 0 1 :70 0 1 :80 0 1 :90 0 2 :00 21 0 :0 0 2 :20 0 2 :30 0

60.00

0

2. Cambie los procesos de producción para aprovechar: • los menores costos de energía de las franjas horarias; • las horas cuando pueden apagarse las máquinas; • los sensores y los controles de apagado de los sistemas cuando no son necesarios. 3. Fije horarios de encendido/apagado de los equipos de la infraestructura para los modos ocupado y desocupado.

110.00

4. Ponga en marcha y ejecute los equipos con gran consumo de energía eléctrica con al menos 15 minutos de diferencia para evitar cargos por pico de demanda. 5. Instale variadores de velocidad en motores grandes y reemplazar los motores defectuosos por motores de alta eficiencia

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Empiece con un análisis termográfico Carga n.º 1 50 kVA

Detección de desaprovechamiento

Carga n.º 2 100 kVA

Detección de desaprovechamiento

Transformador

Entrada de servicio principal

Panel de 480 V

Motor de arranque

Detección de desaprovechamiento

Detección de desaprovechamiento

Desconect ar Desconectar

Desconectar

Subpanel n.º 1.1

Subpanel n.º 1.2 Capacitor

Motor n.º 1

Unidad

Mediciones

Objetivo

Conmutador de alta tensión principal

kW, FP, desequilibrio, armónicos

Compare el uso con la factura, evalúe el nivel de desaprovechamiento

Conmutadores de alta tensión/banco de capacitores

Cos phi / FP

Verifique la eficiencia de la intervención del cos phi / FP

de alta kW, eficiencia del inversor, Verifique la potencia aportada y la Motor n.º Cargas: iluminación,Conmutadores computadoras, tensión/fuente de energía etc. temperatura eficiencia del inversor

2

alternativa Panel 277/480 o carga

kW, FP, desequilibrio, armónicos, temperatura

Evalúe la mitigación del nivel de desaprovechamiento y el ROI o los cambios en las cargas o los programas

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Desaprovechamiento de calor de sistemas eléctricos Conceptos básicos de la transferencia de calor: cómo funcionan las cámaras termográficas • Todos los objetos emiten radiación infrarroja. • Las cámaras termográficas “ven” la temperatura mediante la medición de la radiación emitida y convierten estos datos en la imagen correspondiente. • Solo mide las temperaturas de la superficie. • Los objetos eléctricos emiten calor como un subproducto. • El exceso de calor, o un cambio en la cantidad de calor, indica la presencia de ineficiencias que consumen energía en exceso.

Principios de medición de la energía

convección

radiación

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Teoría de la medición: calor eléctrico o ∆T Razones típicas de la existencia de puntos calientes eléctricos: • cargas desequilibradas; • armónicos (corriente de 3.ª armónico en el neutro); • sobrecarga en los sistemas/exceso de corriente; • conexiones flojas u oxidadas que incrementan la resistencia del circuito (generalmente se calienta un lado de los componentes); • Fallo de aislamiento • Fallos en los componentes • Errores de cableado • Componentes subespecificados (como los fusibles, se calentarán de ambos lados).

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Componentes eléctricos por inspeccionar • Distribución de alimentación eléctrica (trifásica)

• Subestaciones

• Cajas de fusibles

• Controladores

• Cables y conexión

• Transformadores

• Relés e interruptores

• Motores

• Aisladores

• Bancos de baterías

• Disyuntores

• Capacitores

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Seguimiento con mediciones eléctricas Carga n.º 1 50 kVA

Detección de desaprovechamiento

Carga n.º 2 100 kVA

Detección de desaprovechamiento

Transformador

Panel de 480 V

Motor de arranque

Entrada de servicio principal

Detección de desaprovechamiento

Detección de desaprovechamiento

Desconectar

Desconectar

Desconectar

Subpanel n.º 1.1

Subpanel n.º 1.2 Capacitor

Motor n.º 1

Principios de medición de la energía

Unidad

Mediciones

Objetivo

Conmutador de alta tensión principal

kW, FP, desequilibrio, armónicos

Compare el uso con la factura, evalúe el nivel de desaprovechamiento

Conmutadores de alta tensión/banco de capacitores

FP

Verifique la eficiencia de la intervención del FP

n.º la potencia aportada y la eficiencia del Cargas: iluminación, computadoras, etc. Conmutadores de alta kW, eficiencia del inversor,Motor Verifique tensión/fuente de energía alternativa

temperatura

inversor 2

Panel 277/480 o carga

kW, FP, desequilibrio, armónicos, temperatura

Evalúe la mitigación del nivel de desaprovechamiento y la ROI o los cambios en las cargas o los programas

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Penalizaciones por factor de potencia Debido a que la potencia reactiva exige una mayor capacidad del sistema, pero no realiza trabajo alguno, las compañías eléctricas y las empresas intentan mantener los kVAR netos a un valor lo más bajo posible. • Muchas compañías eléctricas aplican tarifas superiores por cada punto porcentual por encima de un límite (< 0,97). Algunas tarifas se basan en los VAR que usted utiliza. Compruebe el plan de tarifas de su compañía eléctrica. • ¿Cómo mide su compañía eléctrica el factor de potencia o los VAR? ¿Tienen en cuenta intervalos con valores pico o valores promedio? ¿El DPF o el FP total? • Identifique las cargas que provocan retraso de la potencia reactiva y trabaje junto con los ingenieros para desarrollar una estrategia de corrección.

Ejemplo de cálculo • Asuma que la compañía eléctrica añade a la factura un cargo por demanda del 1% por cada 0,01 por debajo del FP 0,97. • Asuma que su FP promedio es de 0,86/mes y el cargo por demanda es de $7000. (0,97-0,86) * 100 % = 11 % (11 % x $7000) x 12 meses

= costo anual evitable de $9240 Principios de medición de la energía ©2013 Fluke Corporation. No está permitido modificar ni reproducir este documento sin la autorización por escrito de Fluke Corporation.

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Pico de demanda: la energía más cara • El pico de demanda determina cómo el tamaño del “conducto de electricidad” debe suministrar la energía necesaria para las instalaciones • El pico de demanda es la lectura en kW mayor de varias mediciones consecutivas cada 15 minutos (la técnica varía dependiendo del proveedor). • Para algunos grandes consumidores, la empresa eléctrica incluye un cargo por demanda a fin de cubrir el costo de invertir en los equipos necesarios para suministrar la energía.

KW continuos

Kw promedio en 15 minutos

15 min

15 min

15 min

15 min

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Caso práctico: hornos funcionando en horas pico de demanda Objetivo: • Optimizar la demanda y el consumo de energía en comparación con el programa tarifario de la compañía eléctrica

15 0

Método de medición:

Primera hora: pico de 130 kW Penalización mensual posible de $1950

10 0

• Registre un ciclo operativo completo para obtener un perfil de demanda completo. • Conozca el programa tarifario/comprenda como factura la compañía eléctrica. • Desarrolle un plan de administración de carga para prevenir que las grandes cargas alcancen el pico durante las horas en las que las tarifas son más altas.

50

0 16h

1 8h

20h

22 h

0h

2h

4h

6h

8h

1 0h

1 2h

A ctiv e Pow er Av g 40

Total ( k W)

30

17horas: pico de 34 kW Penalización mensual posible de $510

20

10

0 15/6 1 8h

Principios de medición de la energía

1 6/6 0 h

16/6 6h

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1 6/6 1 2h

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Pérdidas asociadas a los armónicos • En un sistema normal de energía de CA, la tensión varía sinusoidalmente. • Con cargas no lineales, como los rectificadores e interruptores, el consumo de corriente no es necesariamente sinusoidal. • La forma de onda es, por lo tanto, compleja. • La forma de onda compleja se puede descomponer en componentes sinusoidales individuales. • Estos componentes armónicos afectan los motores, los transformadores, el cableado y demás componentes eléctricos.

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¿Por qué debemos preocuparnos del desaprovechamiento de armónicos? Los armónicos causan: • Energía inutilizable, que proviene de la compañía eléctrica, pero no se convierte en trabajo real utilizable normalmente.. • Corrientes elevadas en los conductores de neutro. • Calentamiento de motores y transformadores, lo que disminuye la eficiencia y la vida útil. • Reducción en la eficiencia de los transformadores o necesidad de unidades mayores para soportar los armónicos.

Principios de medición de la energía

Los analizadores de calidad eléctrica muestran un gráfico del espectro de los componentes armónicos presentes en un sistema, pero el gráfico por sí solo no cuantifica la cantidad de energía desperdiciada por los armónicos.

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Pérdidas asociadas a los desequilibrios A

El desequilibrio es la medición del grado de la diferencia entre las tensiones de fase. El desequilibrio de la tensión provoca fatiga sobre las cargas trifásicas, lo que conduce a un consumo deficiente y a una falla eventual del dispositivo.

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120°

120°

120° B

B

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¿Dónde sucede el resto del desaprovechamiento? El desaprovechamiento sucede en la transferencia de energía entre las cargas, en el cableado: Pérdidas de I2R • Primera ley de Joule • El calor producido (Q) en el conductor que transporta corriente eléctrica es proporcional al cuadrado de la corriente (I) multiplicado por la resistencia (R) del conductor durante un tiempo (t) • A medida que la resistencia del conductor aumenta debido a la longitud del conductor, el diámetro general o resistividad, también aumentará el calor generado • ¡Se puede medir de manera automática con el Fluke 435-II!

Principios de medición de energía




 2    R

Dónde, R = Resistencia ρ = Resistividad L = Longitud A = Área

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Opciones de calculadora automática Con un Analizador de calidad eléctrica Fluke 435, usted puede medir y calcular el consumo y el desaprovechamiento simultáneamente. Incluso puede cuantificar cuánto desaprovechamiento proviene de cada uno de los factores que hemos revisado, gracias a un algoritmo patentado conocido como Potencia Unificada. Desglose de potencia total Tensión: u(t) = u+(t) + uU(t) + uH(t) Corriente: i(t) = i+(t) + iR(t) + iU(t) + iH(t) Potencia: p(t) = u(t).i(t) = pE(t) + pR(t) + pU(t) + pH(t)

Dónde; Sub U = Desequilibrio Sub H = Armónicos Sub R = Reactivo Sub E = Efectivo

Principios de medición de energía

Efectivo (Activo)

Reactivo

Desequilibrio

Armónico

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La calculadora de pérdida de energía de Fluke Identifica, cuantifica y monetiza las pérdidas de energía globales, incluyendo los armónicos, el desequilibrio, el factor de potencia y el cableado Kilovatios (potencia) útiles disponibles Potencia reactiva (inutilizable) Potencia asociada al desequilibrio Potencia asociada a los armónicos Corriente del neutro. Costo total de kilovatios derrochados en horas por año La longitud y el diámetro del cable se factorizan en los desaprovechamientos anteriores

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Resumen: cómo reducir los costos de energía • Registre la potencia de cada sistema y carga de importancia en la instalación y asignar esos costos respecto de la factura de servicio: Conocer dónde se produce el consumo. • Mantener el ahorro realizando mediciones en momento diferentes del año en distintas condiciones. • Considerar cambios operativos o de cronograma, así como también de equipo. • Vuelva a evaluar los programas de mantenimiento y la definición de "ligero" para tener en cuenta el consumo de energía y la eficiencia general del sistema. • Revise la factura de servicio con regularidad: Cambios de sistemas, cronogramas y equipos.

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Principios de medición de la energía Seminario de energía

¡Muchas gracias!

Princípios de medição de energia

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