revistaEl 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 energa 51

ABB

4 | 10La revista tcnica corporativa del Grupo ABB

Especial productividad

A menudo se dice que el conjunto puede ser ms que la suma de sus partes. Esto es as en casi todos los aspectos de la actividad industrial. El objetivo de reducir los residuos, la variabilidad y las interrupciones imprevistas debe alcanzarse no slo mediante la optimizacin de los aspectos y compo nentes individuales, sino tambin considerando las distintas interacciones que existen entre recursos y componentes. Este nmero de la Revista ABB, Especial productividad, aborda tecnologas concretas y su interaccin en sentido amplio, todo ello al servicio de una mayor productividad.

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ndice

Productividad y seguridad

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El operario eficaz El puesto de trabajo del operario del System 800xA est preparado para las necesidades actuales y futuras Seguridad en los accionamientos Seguridad funcional en la maquinaria, especialmente en accionamientos de CA Comportamiento ssmico Anlisis ssmicos avanzados de productos elctricos

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Productividad y control

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La electrnica de potencia en el suministro elctrico Los semiconductores son un factor clave de las redes elctricas 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?

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El suministro elctrico

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Sencillamente eXTraordinarios Presentacin de la nueva familia Tmax XT de ABB de avanzados interruptores automticos en caja moldeada Transformadores mviles Transformadores modulares de instalacin rpida para sistemas de transmisin de alta tensin Una mejora activa de la calidad Los filtros activos PQF de ABB mejoran el rendimiento y la eficiencia de los sistemas Conexin elctrica desde el muelle al buque Una solucin de ABB llave en mano que reduce de forma eficaz las emisiones en los puertos

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ndice de 2010

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La Revista ABB en 2010 ndice de artculos

ndice

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Editorial

Productividad

Peter Terwiesch Director General de Tecnologa ABB Ltd.

Estimado lector: La produccin es la transformacin de materias primas, capital, mano de obra y energa 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 bsqueda de una mayor productividad ha pasado de optimizar componentes por separado a centrarse cada vez ms en todo el proceso. Para ello, se cuenta con el apoyo del progreso tecnolgico en mbitos como el control, las comunicaciones, la integracin y el anlisis en tiempo real. Nuestro artculo de apertura trata del inter cambio de informacin entre una planta y sus operarios. El diseo de las interfaces entre el hombre y la mquina influye en gran medida en la capacidad del operario para detectar situaciones anmalas y reaccionar antes de que se vuelvan crticas. Detalles evidentes del diseo de la interfaz pueden favorecer la deteccin temprana y lograr as un verdadero efecto en la productividad de la planta. No todas las situaciones anmalas pueden evitarse nicamente 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 parmetros. Tradicionalmente, los sistemas de seguridad se han separado de los sistemas de control y han exigido cables y hardware especficos. No obstante, las funcio nes de seguridad pueden integrarse cada vez ms en los sistemas de control. Abordamos este tema con el ejemplo de los accionamientos de CA. Evitar situaciones anmalas por medio de buenas prcticas operativas y una slida cultura de seguridad es la mejor manera de evitar interrupciones y prdidas de productividad. Sin embargo, a veces los incidentes vienen causados por influencias externas excepciona les, como los sesmos. El equipo debera ser lo bastante resistente para soportar dichos incidentes y reanudar sus operaciones habitua les lo antes posible. Hemos dedicado un artculo a la resistencia ssmica de los grandes transformadores.

A pesar de todas las precauciones, habr situaciones en las que se produzca el fallo inesperado de grandes componentes. Debido a los plazos de fabricacin y transporte, los grandes transformadores elctricos no pueden sustituirse en poco tiempo. Una solucin consiste en utilizar transformadores mviles. Son pequeos 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 solucin temporal hasta que pueda repararse o sustituir se la unidad daada. Hasta ahora, los transfor madores mviles tenan un lmite de 250 kV, pero ABB ha presentado recientemente una versin de 400 kV. La electrnica de potencia es un rea que ha permitido mejoras significativas de la productivi dad en las ltimas dcadas. Entre las ventajas se incluye el ahorro de energa, la mejora del control y la simplificacin del mantenimiento. La Revista ABB dedica varios artculos a las ofertas de la empresa en el mbito de la electrnica de potencia, que abarca desde semiconductores al control inteligente de motores. Otros artculos se centran en la ltima genera cin de interruptores de circuito de caja moldeada, los filtros activos para sistemas elctricos y la reduccin del consumo de combustible de los buques mientras estn en el puerto. Cambiando de tema, me gustara dar las gracias a todos los lectores que han participado en la encuesta realizada en el nmero anterior de esta revista. Presentaremos los resultados en el prximo nmero de la Revista ABB. Espero que este nmero 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 Terwiesch Director General de Tecnologa ABB Ltd.

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Editorial

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El operario eficazEl puesto de trabajo del operario del System 800xA est preparado para las necesidades actuales y futurasHongyU PEi BrEivoLD, MArTin oLAUSSon, SUSAnnE TiMSj, MAgnUS LArSSon, roy TAnnEr Las prdidas mundiales en la industria de

procesos se calculan en unos 20.000 millones de dlares anuales, lo que equivale al 5% de la produccin total 1. El 80% de ellas podran 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 ascendera a 6.400 millones de dlares. La eficacia de los operarios es un elemento crucial para mantener el valor econmico del control y la gestin de los procesos, y puede mejorarse capacitndoles para que tengan un mayor conocimiento de las situaciones y puedan gestionar mejor las condiciones anmalas. As, los operarios pueden tomar decisiones ms acertadas y mejorar con ello la seguridad y el tiempo de actividad de los procesos.

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El System 800xA de ABB propor ciona a los clientes la capacidad de consolidar y racio nalizar los datos procedentes de distintas fuentes.

S

i se desea lograr la eficacia de los operarios es preciso hacer frente a diversos problemas im portantes en relacin con la tec nologa y la gestin. Por ejemplo, la gestin y la supervisin de los procesos industriales se caracterizan por estar sujetas a cambios inevitables en el mbito tecnolgico, a la disminucin de la base de conocimientos debido a los cambios demogrficos en la plantilla y al incesante aumento de la com plejidad 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 in terfaz hombremquina (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.nota a pie de pgina 1 Atkinson, T., Hollender, M., 2010, Operator Effectiveness, Collaborative Process Automa tion Systems, ISBN 9781936007103.

Los cuatro pilares de la eficacia de los operarios De acuerdo con la filosofa del Extended Automation System 800xA de ABB, hay cuatro pilares principales que afectan al rendimiento de los operarios: Integracin de las operaciones Diseo que propicie el alto rendimiento Atencin a los factores humanos Competencia del operario Estos puntos se abordan ms abajo.integracin de las operaciones

El System 800xA de ABB proporciona a los clientes los medios para consolidar y racionalizar los datos procedentes de dis tintas fuentes, ya que permite la colabora cin entre distintos programas y sistemas informticos. Los operarios reciben toda la informacin necesaria. Pueden acceder de manera intuitiva a informacin utilizable y gestionar lo que aparece en pantalla con dinamismo y eficacia. Estas caractersticas reducen el tiempo necesario para identifi car las medidas que es preciso adoptar.

En la actualidad, una planta industrial puede incluir mltiples plataformas de controladores, como PLC (controladores lgicos programables), DCS (sistemas de control distribuido), sistemas de seguri dad, FAS (sistemas de automatizacin de instalaciones) y ECS (sistemas de control elctrico), por citar slo algunas. Adems, hay tambin sistemas de informacin de las plantas como CMMS (sistemas de gestin de mantenimiento informatiza dos), ERP (planificacin de recursos em presariales), sistemas de vigilancia por vdeo e histricos de datos que contie nen datos valiosos que pueden ser de utilidad a los operarios para tomar deci siones. La tecnologa Aspect Object del System 800xA permite no slo el acceso a la infor macin procedente de todas estas fuentes y su perfecta presentacin, sino tambin la posibilidad de filtrarla segn las funciones y responsabilidades de cada usuario. Por ejemplo, basta con pulsar el botn derecho del ratn y seleccionar una opcin del men contextual para averiguar la proce

El operario eficaz

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1 La forma de presentacin de datos tradicional frente a la personali zada con efectos diferentes sobre el conocimiento de la situacin

2 Lugar de trabajo ampliado del operador de ABB

1

39.4

grados C

Est subiendo o bajando? Est a punto de alcanzar una alarma? Qu otras indicaciones se vern afectadas por sta?

2

Aparece una pequea tendencia que muestra 6 unidades lo que ha pasado cuando de tiempo el ratn pasa por encima La tendencia indica si est a punto de saltar una alarma o volviendo a una situacin normal La flecha seala las indicaciones afectadas

24 horas

Con un simulador, los operarios de procesos y los tcnicos de instru mentos pueden aprender a domi nar el proceso en un entorno seguro y realista.

dencia de los diversos datos que aparecen en un grfico.Diseo que propicie el alto rendimiento

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 diseo propi cio al alto rendimiento en relacin con la interfaz hombremquina es el conocimien to de la situacin (en ingls, situational awareness). De acuerdo con el experto en gestin de situaciones anmalas Ian Nim mo (de la empresa User Centered Design Services y coautor del manual High Performance HMI Handbook 4): Contar con un buen conocimiento de la situacin significa que el operario tiene una percepcin exac ta del estado del proceso y de los equipos en ese momento, as como una compren sin precisa del significado de diversas tendencias de la unidad. Algunos de los conceptos fundamentales que se manejan en el mbito del conocimiento de las situa ciones son las definiciones y el uso del color para aumentar al mximo la visibili dad de las situaciones anmalas. El con cepto de conocimiento de la situacin no es nuevo, pero sigue siendo objeto de debate entre diversas organizaciones. Uno de los aspectos que se debaten es el uso de representaciones grficas de procesos en escalas de grises o colores fros. Ade ms, la metodologa de navegacin, la definicin a escala de grfico para obtener una respuesta rpida en condiciones an malas y la presentacin de informacin se utilizan tambin para predecir y evitar com pletamente las situaciones anmalas.

Muchas organizaciones de desarrollo de normativas e institutos de investigacin han realizado y siguen hacindolo valio sas aportaciones a las filosofas relativas a las interfaces hombremquina. Estos conocimientos se han materializado en directrices para el diseo de interfaces, la ergonoma, el conocimiento de las situa ciones y la gestin de alarmas. Partiendo de estas bases y de su amplia experiencia, ABB intenta contribuir a la formulacin de buenas normativas mediante su participa cin activa en las diversas comisiones tc nicas, grupos de trabajo y comits cientfi cos de las organizaciones encargadas de su elaboracin. Una de las reas clave que afecta al desa rrollo de interfaces hombremquina es la gestin de las situaciones anmalas, es decir, perturbaciones o incidentes que el sistema de control no es capaz de afrontar por s mismo y que, por tanto, exigen la intervencin del operario. ABB desempea un papel activo en la identificacin de prc ticas eficaces de supervisin e intervencin destinadas a mejorar la capacidad del ope rario para detectar y responder a situacio nes anmalas. La empresa aplica estas medidas en el System 800xA. Este siste ma, por ejemplo, permite la personaliza cin del diseo del puesto de trabajo en funcin del modo en que opere el usuario final y admite la aplicacin de estrategias de gestin de alarmas de alto rendimiento con caractersticas como la inhibicin de la alarma activada por el operario y la ocul tacin de la alarma basada en el estado. Estas caractersticas reducen el nmero de alarmas falsas o irrelevantes, lo que ayuda

notas a pie de pgina 2 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.

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3 Diseo de la disposicin de una sala de control

rio, un sistema de sonido direccional e ilu minacin graduable integrada. Por otra parte, un diseo productivo al crear entor nos de salas de control es de suma impor tancia para el rendimiento de los equipos de operarios. En 3 se muestra un ejem plo. Todos estos factores contribuyen a mejorar el entorno del operario, as 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. Tambin pueden ser de ayuda a un operario en acti vidades que no se realicen con frecuencia. Como ejemplo se puede citar el uso de listas de comprobacin para guiar a los operarios a lo largo de todos los proce dimientos necesarios en determinadas cir cunstancias.

Un buen ejemplo de conocimiento de si tuaciones, como se describe en el manual High Performance HMI Handbook mencio nado ms arriba, hace referencia a dos grficos que incluyen la misma informa cin, pero con dos efectos totalmente dife rentes por lo que respecta al conocimiento de la situacin. El grfico con fondo negro y mucho colorido conduce a un conoci miento deficiente de la situacin, incluso en situaciones no anmalas, mientras que el grfico con escalas de grises y un color ntido para representar la alarma permite un buen conocimiento de la situacin.

anmala antes incluso de que se produzca la alarma. En 1 se facilita un ejemplo de presenta cin del valor de un proceso de dos formas distintas. La diferencia se traduce en distin tos niveles de conocimiento de la informa cin y, por tanto, de la situacin y la capa cidad de un operario para tomar la decisin acertada con rapidez.Atencin a los factores humanos

La definicin clara de las funciones y res ponsabilidades de un puesto de trabajo es otro elemento fundamental que caracteriza a las operaciones realizadas correctamen te. Esto significa que todas las tareas que un operario tiene que realizar deben reco nocerse 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 diseo de salas de con trol (centros de control inteligente) centra das en el operario. Con la ayuda del pro veedor de mobiliario para salas de control CGM, ABB participa desde los primeros momentos en los proyectos y puede defi nir, conjuntamente con el usuario final, una disposicin ptima de la sala de control orientada a los factores humanos y la ergo noma. Una visita al Future Operations Centre de Bors (Suecia) permite obtener la ltima informacin sobre la construccin de salas de control ptimas. Se contem plan, entre otras cosas, cuestiones como el sonido, la absorcin de ruido, el material del suelo, el control de la iluminacin y el estado de colores del proceso.Competencia del operario

Las situaciones anmalas son perturbaciones o incidentes que el sistema de control no es capaz de afrontar por s mismo y que exigen la intervencin del operario.El conocimiento de la situacin puede tener una repercusin enorme porque: aumenta la tasa de xito en la gestin de situaciones anmalas 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 situacin anmala; conduce a un aumento del nmero de casos en los que los operarios de la sala de control detectan una situacin

ABB es sumamente consciente de la nece sidad de abordar de manera explcita la atencin a los factores humanos. Una de las razones principales es que la empresa sabe que un mejor entorno de trabajo puede redu cir el estrs de un ope rario, lo que, a su vez, aumenta considerable mente su rendimiento y su eficacia para ges tionar situaciones an malas, adems de re ducir los problemas de salud y la rotacin 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 est equipado con te clados avanzados con teclas de acceso directo para el manejo de varios clientes, un sistema que permite ajustar la posicin del monitor y la mesa de trabajo del opera

Cuando los operarios interaccionan con los procesos, sus acciones suelen tener enormes consecuencias empresariales, en especial cuando el proceso es una situa cin excepcional y los operarios necesitan comprender y gestionar operaciones com plejas para ayudar a recuperar la normali dad. El System 800xA de ABB proporciona una base de formacin avanzada para tales

El operario eficaz

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

PC

Controles de software

E/S Sistema de control

situaciones gracias a la utilizacin de simu laciones que reproducen con exactitud el entorno del operario (grficos y lgica de control). El simulador ofrece un entorno seguro y realista con el que los operarios de procesos y los tcnicos de instrumen tos pueden aprender a controlar el proceso y a aumentar su confianza 4.

los operarios de la sala de control. Y para conseguir entender correctamente el pro ceso de flujo de trabajo de los operarios y saber cmo gestionan stos la cantidad considerable de tareas operativas, ABB realiza anlisis de las tareas junto con los operarios mediante estudios de usuario. Los mtodos incluyen entrevistas, as como estudios y observaciones sobre el terreno. Las preguntas de la entrevista se envan previamente a los operarios para garantizar que los usuarios tienen el perfil y los cono cimientos adecuados, y que estn prepa rados 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 identifi car y priorizar los objetivos y las necesida des del operario. Al visitar a los usuarios en su propio entorno de trabajo y observar cmo realizan las tareas operativas, se consigue informacin de primera mano con respecto a sus problemas y necesida des. Este mtodo es ideal para descubrir usos incorrectos o ineficaces de los que los operarios no son conscientes. Asimis mo, se solicita la opinin del operario y se recaba feedback directo tanto en relacin con las buenas prcticas como con las reas con potencial de mejora. Los datos recopilados se analizan y se re sumen. El proceso de sntesis de los datos incluye la identificacin de los conceptos y las indicaciones principales de cada estu dio de usuario, as como el anlisis de la medida en la que estn relacionados con la mejora de la eficacia de los operarios.

Modelo de proceso y puesto del instructor

E/S simuladas Funciones de simulacin

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

Controlador ABB

Controlador ABB

Controlador ABB

Controlador ABB

Controlador ABB

Sistema de control

Se solicita la opi nin del operario sobre las buenas prcticas y las posibles reas de mejora en relacin con las tareas cotidianas.Actividades fundamentales para la eficacia de los operarios Dada la rpida evolucin de la tecnologa, los cambios generacionales en las plantillas y la creciente complejidad de las operacio nes, es necesario abordar de manera expl cita 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: Diseo centrado en los usuarios Mirar al futuroDiseo centrado en los usuarios

Los continuos avances en las tcnicas de software relacionadas con la experiencia del usuario y la interaccin plantean la ne cesidad de que evolucione tambin la in terfaz hombremquina actual. ABB cuenta con unos laboratorios perfectamente equi pados dedicados a la experiencia del usua rio y la interaccin. Los investigadores in dagan en el futuro, analizan la repercusin de las tecnologas emergentes y exploran el uso eficiente y la combinacin razonable de las tecnologas existentes y emergen tes. En concreto, ABB acaba de crear una nueva rea de investigacin dedicada a la eficacia de los operarios. Una de sus fun ciones es buscar nuevas tecnologas en el mercado y sus aplicaciones en los secto res industriales. Entre los ejemplos figuran tecnologas de interaccin, diseo y visua lizacin. De los procesos de desarrollo de ABB sur gen muchas ideas innovadoras. Por ejem plo, en 5 se muestra una nueva pantalla de procesos que ayuda a los operarios cuando se enfrentan a situaciones anma las, ya que les ofrece una representacin intuitiva de la alarma que atrae completa mente su atencin. Otro ejemplo de idea innovadora consiste en centrar el proceso de trabajo y las tareas del operario para desarrollar una interfaz hombremquina eficaz. Por todos es sabi do que el funcionamiento de los procesos es un trabajo en equipo. Los distintos turnos necesitan comunicarse y colaborar entre s. En consecuencia, para ayudar a los operarios a realizar estas actividades, una idea innovadora de ABB es la apari cin del llamado panel de colaboracin,

Para que el diseo de una interfaz hombre mquina sea eficaz es preciso prestar atencin al flujo de trabajo y las tareas de

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5 Presentacin de procesos que slo se hace visible en situaciones anmalas

6 notas electrnicas en la pantalla de colaboracin

7 Pantalla de notas desplegable para discusiones

que permite a los operarios colocar men sajes en las pantallas de los procesos 6, o utilizar un panel blanco desplegable para ilustrar los detalles de una conversacin o un debate 7. El panel est pensado para que lo utilicen, entre otros, los directivos de la planta, los directivos del sistema, direc tores y personal de mantenimiento y ope raciones. La eficacia del operario es una caractersti ca intemporal que siempre se considerar importante. En consecuencia, adems de mejorar la eficacia de la generacin actual de operarios, ABB tambin tiene en cuenta las generaciones futuras. Algunos clientes

prefieren hacerlo de forma secuencial. Por tanto, ABB sigue activamente y aplica tec nologas y conceptos de diseo futuros para dirigirse a las generaciones ms jve nes, cuyas habilidades en el trabajo son distintas a las de la generacin anterior. El secreto de la eficacia de los operarios La eficacia de los operarios es un mbito difcil. ABB desempea un papel de lide razgo en la colocacin de los pilares para lograr la eficacia de los operarios en los siguientes trminos: 1) Aprovecha una plataforma de automati zacin que puede fomentar y ofrecer de forma nativa el nivel de integracin y centralizacin necesarias para propiciar un entorno de colaboracin. 2) Es un proveedor de soluciones de automatizacin que puede ayudar en el cumplimiento de las normativas y los criterios de diseo en relacin con el conocimiento de las situaciones y la gestin de condiciones anmalas, y aprovecha un sistema de automatiza cin con la flexibilidad necesaria para satisfacer requisitos especficos de los clientes. 3) Es un proveedor de soluciones de automatizacin con capacidad para integrar los factores humanos y las buenas prcticas a fin de ofrecer los mejores niveles de eficacia de los operarios. 4) Es un proveedor de soluciones de automatizacin que no se limita a ofrecer formacin al operario, sino un entorno que utiliza el bien ms valioso y la propiedad intelectual existente para aumentar la confianza y la competencia de los operarios. Adems, ABB est adoptando medidas activas para alcanzar un entorno de proce sos que favorezca la eficacia de los opera rios y analiza las tecnologas futuras y sus

aplicaciones en este mbito. Tambin reali za continuamente actividades relaciona das, por ejemplo, con el diseo centrado en el usuario. Esto podra reducir las posi bilidades de que se produzcan errores, por ejemplo, mediante un uso ms eficiente de la experiencia tecnolgica del operario, un acceso rpido a los datos relevantes en cualquier situacin operativa y una asisten cia a los operarios en el proceso de toma de decisiones. Todo ello representa una rentabilidad econmica continuada para los clientes. ABB ha logrado hasta ahora un xito con siderable 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 faci litan a los operarios la adopcin de las de cisiones correctas en todos los modos de funcionamiento. ABB se ha propuesto per manecer en la vanguardia de estos avan ces a travs de la investigacin y el desa rrollo continuos, y ayudando a los clientes a lograr la excelencia operativa.

La eficacia del operario es una caracterstica intemporal que siempre se consi derar importante.han informado a ABB de que, a medida que las plantillas actuales maduran, las expec tativas de los operarios evolucionan. Muchos de los operarios que empiezan a trabajar ahora se criaron entre ordenadores y pertenecen a la generacin de los llama dos nativos digitales. Para estas nuevas generaciones, el aprendizaje visual es un mtodo perfecto de ensear cmo se comporta una planta industrial. Los estu dios realizados sobre cmo llevan a cabo las operaciones del proceso estas perso nas indican que tienen ms pantallas abier tas que el personal de ms edad. Tambin solicitan unas pantallas ms personaliza das. Los nuevos operarios tienden a visua lizar el comportamiento de la planta de manera grfica, mientras que los anteriores

Hongyu Pei Breivold Martin olausson Susanne Timsj Magnus Larsson ABB Corporate Research Vsters, 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

El operario eficaz

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Seguridad en los accionamientosSeguridad funcional en la maquinaria, especialmente en accionamientos de CAMikko riSToLAinEn La seguridad es primordial en la fabricacin y

debera ser objeto de mxima prioridad. A veces puede parecer que este objetivo entra en conflicto con el de lograr la mxima produc tividad. no obstante, la mejora del control y los conceptos de super visin 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 integracin permite que seguridad, control y supervisin vayan cada vez ms de la mano utilizando datos y funciones comunes, y creando con ello una funcio nalidad combinada antes impensable. Un ejemplo son los acciona mientos de CA. Existen ofertas que abarcan desde la parada de seguridad hasta funciones de supervisin ms complejas y que anuncian nuevas oportunidades en este mbito

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revista ABB 4|10

L

a seguridad es importante. Las le yes nacionales de la Unin Euro pea exigen que las mquinas 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 res ponsabilidad de los fabricantes o importa dores de mquinas. Detrs de la armonizacin de los requisi tos nacionales se encuentra la Directiva relativa a las mquinas 2006/42/CE (que sustituy a la antigua Directiva 98/37/CE el 29/12/2009). Esta Directiva tiene por objeto garantizar que las mquinas sean seguras y estn diseadas y construidas para que su uso, configuracin y manteni miento en todas las fases de su vida til impliquen un riesgo mnimo para las per sonas y el medio ambiente. De acuerdo con los requisitos, los fabrican tes (o sus representantes) deben realizar y documentar evaluaciones de riesgos y te ner en cuenta los resultados para el diseo de la mquina. Cualquier riesgo debe redu cirse a un nivel aceptable mediante cam bios de diseo o tcnicas de proteccin adecuadas. Una vez aplicadas las medidas de reduccin de riesgos, debe documen tarse cualquier riesgo residual. Una forma de llevar a cabo el proceso de reduccin de riesgos y de asegurar el cumplimiento de los requisitos es aplicar principios armo

nizados y apropiados segn la Directiva relativa a las mquinas. Cuando las mquinas estn diseadas y se utilizan de acuerdo con las normas armoni zadas correspondientes, se supone que la maquinaria cumple los requisitos esencia les de salud y seguridad y generalmente no requiere certificacin por un tercero. Los

Hoy en da pueden utilizarse sistemas de seguridad confi gurables para reali zar numerosas fun ciones de seguridad estndar para ac cionamientos segn la EN 6180052.fabricantes pueden realizar documental mente una autodeclaracin de conformi dad con la Directiva y colocar la marca CE en la mquina como signo de cumplimien to de los requisitos exigidos. Las normas armonizadas proporcionan tambin una pauta para determinar el m bito de utilizacin de la mquina y sus lmi

tes operativos, los riesgos potenciales y los medios para evaluar los riesgos identifica dos. Las normas ayudarn a decidir si la reduccin del riesgo es necesaria y perfila rn un enfoque estratgico para reducir los riesgos a un nivel aceptable. La forma ms eficaz de reducir o eliminar riesgos es excluirlos en el diseo. No obs tante, cuando no es posible ni factible re ducir los riesgos en el diseo, las protec ciones estticas o la seguridad funcional pueden ser la solucin. Adems, la seguri dad funcional puede utilizarse a menudo para lograr una mayor productividad de la mquina, un mayor tiempo en servicio y un comportamiento menos brusco del sistema de seguridad, al tiempo que se cumplen los requisitos legales. Las mqui nas pueden detenerse con rapidez y segu ridad o, lo que es an mejor, funcionar a velocidad reducida en determinados momentos para disminuir el riesgo. En sectores donde las personas trabajan muy cerca de las mquinas, la tecnologa 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 diseo, la seguridad forma parte del proceso, las personas estn prote gidas y se mantiene una productividad elevada.

Seguridad en los accionamientos

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han de ofrecer apoyo a los clientes para ayudarles con sus procesos de diseo de seguridad. Se ha pronosticado que las em presas que ofrecen apoyo y conocimientos de diseo de seguridad adems de com ponentes estarn cada vez en mejor posi cin para hacer negocios. Dicha ayuda bien puede convertirse en un requisito es tndar en la venta de productos de seguri dad, segn el cual los proveedores de componentes de seguridad tendrn que ofrecer asesoramiento de seguridad junto con sus productos. Evolucin de las soluciones de seguridad funcional en los acciona mientos de CA La evolucin de los sistemas de control electrnicos tambin ha afectado a la tec nologa de seguridad utilizada en los accio namientos de CA. Tradicionalmente, los sistemas de automatizacin que contenan accionamientos han utilizado por lo general rels de seguridad electromecnicos. Es tos rels supervisan diversos dispositivos de entrada de seguridad, como los inte rruptores de posicin lmite y botones de parada de emergencia, y accionan contac tores para cortar de forma segura la ali mentacin elctrica al accionamiento de potencia cuando se superan determinados parmetros. La electrnica se utiliza cada vez ms en los sistemas de seguridad modernos para aplicaciones de accionamientos de CA. La tendencia ha sido tan fuerte que, en 2008, se armoniz una nueva norma relativa a re quisitos de seguridad funcional para siste mas de accionamiento, la EN (IEC) 61800 52:2007 (accionamientos elctricos de potencia de velocidad variable Parte 52: requisitos de seguridad funcional). Esta norma establece los requisitos de los prin cipios de diseo de los sistemas de accio namiento relacionados con la seguridad, adems de definir una serie de funciones de seguridad normalizadas para los accio namientos. Estas definiciones ayudan a armonizar la terminologa de marketing uti lizada para comercializar las funciones de seguridad. Ahora, los contactores destinados a dete ner el movimiento del motor con seguridad en situaciones de emergencia o de preven cin de arranque pueden eliminarse gra cias a una nueva caracterstica integrada en la seccin de alimentacin del acciona miento. La caracterstica de desconexin segura del par (STO) simplemente desacti va la modulacin de salida del acciona miento y elimina de forma segura la capa

normas actualizadas para tecnologa actualizada Debido a los desarrollos en los mbitos de la tecnologa y de las normas, se han ac tualizado los requisitos para la implantacin de sistemas de control relacionados con la seguridad. Antes, era relativamente fcil di sear sistemas de seguridad de acuerdo con la norma EN 9541 (Seguridad de las mquinas piezas relacionadas con la seguridad de los sistemas de control Parte 1: principios generales de diseo), que aportaba normas de diseo sencillas para conseguir cierto grado de seguridad (categora de seguridad). Esta norma se basa en un enfoque de causa y efecto, y pone el acento en el uso de componentes y mtodos probados. La norma EN 9541 es relativamente senci lla y est concebida principalmente para sistemas mecnicos y electromecnicos. No contempla los sistemas de control elc tricos relacionados con la seguridad com plejos o configurables por software, que se han convertido en el enfoque estndar en seguridad funcional. El enfoque de la EN 9541, determinista y orientado al dise o, ha sido sustituido por conceptos como la probabilidad de fallo y el pensamiento centrado en el ciclo vital. Se pretende as abarcar toda la vida de la mquina desde los primeros conceptos hasta el desman telamiento. El perodo de transicin para la EN 9541 finaliza en diciembre de 2011, y a partir de entonces quedar obsoleto. Aunque la EN 9541 an ofrece la presuncin de con

formidad con la Directiva relativa a las m quinas hasta finales de 2011, ya no repre senta la ltima tecnologa. Las normas armonizadas modernas en virtud de la Directiva relativa a las mquinas son EN 62061:2005 (Seguridad de las mquinas seguridad funcional de siste mas de control elctricos, electrnicos y electrnicos programables relacionados con la seguridad) para sistemas de control electrnicos y EN ISO 138491:2008 (Seguridad de las mquinas piezas rela cionadas con la seguridad de los sistemas de control Parte 1: principios generales de diseo) para diversos tipos de sistemas relacionados con la seguridad (por ejem plo, los hidrulicos y los neumticos). Am bas normas se basan en la norma general IEC 615081.7 (Seguridad funcional de sis temas elctricos/electrnicos/electrnicos programables relacionados con la seguri dad), que define los requisitos y procesos generales para el diseo de sistemas de control elctricos/electrnicos relaciona dos con la seguridad. El apoyo marca la diferencia La implantacin de un sistema de seguri dad de mquinas de principio a fin siguien do las nuevas normas puede ser una tarea complicada. Qu norma debera utilizar se? Qu medidas deberan adoptarse? Cmo deberan realizarse los clculos ne cesarios y validarse los diseos? Etc . . . En consecuencia, las empresas de servicios de consultora de seguridad estn en auge. Adems, los proveedores de componentes

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cidad de ste para hacer que el motor produzca el par. Los procesos pueden ser ms productivos cuando la STO se utiliza para detener con seguridad el motor sin desconectar la fuen te de alimentacin ni el circuito de CC del accionamiento. El accionamiento puede ponerse de nuevo en marcha rpidamente sin tener que recargar los circuitos de CC o restablecer los parmetros de control. Cuando se necesita funcionalidad adicio nal, las ventajas de la STO pueden comple mentarse combinando la opcin con fun ciones de supervisin ms avanzadas. Entre las ofertas externas se incluyen, por ejemplo, rels de accin retardada o los denominados sistemas de seguridad confi gurables. Estos dispositivos ocupan nor malmente una posicin intermedia entre los PLC y los rels de seguridad de estado slido. Hoy en da pueden utilizarse siste mas de seguridad configurables para reali zar numerosas funciones de seguridad estndar para accionamientos segn la EN 6180052. Entre las funciones habi tuales figuran diferentes funciones de para da de seguridad (IEC 602041 categoras de parada 0, 1, 2), limitacin de velocidad segura (SLS), direccin segura (SDI), para da de funcionamiento segura (SOS), con trol de freno seguro (mecnico), etc., unas 17 funciones en total. Estos sistemas configurables son alternati vas viables cuando se ejecutan varias fun

Ahora, los contactores destina dos a detener el movimiento del motor con seguridad en situaciones de emergencia pueden eliminarse gracias a una nueva caracterstica inte grada en la seccin de alimen tacin del accionamiento.ciones de seguridad en el mismo sistema. Para las funciones de seguridad individua les, los componentes especficos de uso exclusivo como los rels de accin retarda da o los rels de control doble siguen sien do el enfoque ms viable. Normalmente, los componentes de seguri dad externos se cablean y configuran para funcionar junto con el accionamiento. El desarrollo de una aplicacin suele requerir el cableado y la configuracin individuales

de los dos dispositivos para que puedan funcionar juntos. Esto puede suponer un gran esfuerzo de diseo, instalacin y puesta en servicio del sistema. Por lo tan to, es necesario que el proveedor de los accionamientos facilite instrucciones claras para esta configuracin. Si se utiliza una comunicacin segura, el sistema suele tener dos buses de campo independientes, uno para la comunicacin de seguridad con el dispositivo de seguri dad y el bus de campo normal con el ac cionamiento para fines de control. Por otro lado, los sistemas de seguridad configura bles, a menudo con muchas entradas y salidas suplementarias, pueden ofrecer funcionalidad de control adicional para otros sistemas genricos de la mquina fuera del mbito de la seguridad. Despus del uso de componentes exter nos, el siguiente paso lgico 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 configuracin puede realizarse mediante una sola conexin con un nico juego de herramientas. Debido a que las funciones de seguridad integradas son especficas para el accionamiento, el proceso de pues ta en servicio se refiere bsicamente al es tablecimiento de valores de parmetros y de opciones de comportamiento. Ya no se necesita la progra macin de la fun cionalidad bsica, lo que supone una mejora en relacin con los sistemas externos, que obli gan a programar en bloques la lgica funcional. Adems, puede utilizarse una sola conexin de bus de campo tan to para las comuni caciones normales como de seguridad. La funcionalidad general de seguridad pue de optimizarse cuando las piezas de con trol y de seguridad del accionamiento com parten informacin de estado a travs de una conexin de bus. Naturalmente, el sis tema parece mucho ms limpio sin todas las unidades independientes y el cablea do. El desarrollo de seguridad integrada en el accionamiento es un proceso difcil para los fabricantes del mismo. No obstante, el

coste de instalacin de un sistema de se guridad integrado avanzado suele ser infe rior que si se logra la misma funcionalidad con los componentes de seguridad exter nos, especialmente cuando se ejecutan varias funciones de seguridad. ver ms all de la publicidad Los sistemas de seguridad integrados se promocionan con frecuencia en revistas y ferias comerciales, as como en artculos de investigacin. As, las caractersticas de seguridad han marcado a menudo la dife rencia en el producto, donde la seguridad se ha promocionado como una caracters tica indispensable. Las caractersticas de seguridad funcional pueden ayudar a aumentar el rendimiento y la facilidad de uso de las mquinas a la vez que cumplen las normas de seguridad. Sin embargo, tambin lleva tiempo compren der realmente las oportunidades que las funciones de seguridad ofrecen y sus impli caciones, as como asegurarse de que di chas funciones se ajustan a las necesida des reales de la aplicacin. Numerosos fabricantes de mquinas estn creando planes y especificaciones para sus futuras mquinas. No obstante, debido a que la oferta de seguridad funcional mo derna 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 necesi dades. Es decir, que escojan aquellos pro ductos que ofrecen el mayor nmero de caractersticas o la mxima calificacin 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 necesi dades. A pesar de la evolucin de las herramien tas, tecnologas y normativas, el principal objetivo de la seguridad sigue siendo pro teger a las personas y al medio ambiente. Cuanta ms informacin sobre seguridad tenga un comprador, mejor podr diferen ciar la publicidad de las ventajas reales y evitar as tomar decisiones de compra equivocadas. ABB recomienda a sus clien tes que estn informados y preparados, y puede ofrecerles apoyo y asesoramiento.

Mikko ristolainen ABB Drives Helsinki, Finlandia mikko.ristolainen@fi.abb.com

Seguridad en los accionamientos

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Comportamiento ssmicoAnlisis ssmicos avanzados de productos elctricosroBErT PLATEk, BogUSz LEwAnDowSki Los terremotos

pueden sembrar el caos, provocar muertes y daar las infraestructuras. Adems de los daos en las instalaciones elctricas, el tiempo necesario para reanudar el funciona miento normal se traduce en mayores costes en trminos de productividad y oportunidades perdidas. A medida que la tecnologa de construccin avanza y los edificios son ms resistentes a los terremotos, los equipos elctricos tambin se estn diseando para no sufrir daos. Conseguir que los productos elctricos resistan los terremotos no es fcil. 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 represen tativa de su comportamiento una vez realizado el montaje como sistema. Tampoco basta con considerar estos compo nentes en su conjunto, ya que el lquido en el interior del sistema modificar el comportamiento ssmico global. ABB ha desarrollado una sofisticada combinacin de mtodos de ensayo y simulacin para conocer mejor el comportamiento ssmico del conjunto y poder desarrollar transformadores capaces de resistir el prximo terremoto.

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1 Configuraciones de modos seleccionados para bornas de transformador de 230 kv SeismicriP (la deformacin est amplificada con un factor de escala)

3 2 1 Modo 1

3 2 1 Modo 3

3 2 1 Modo 5

E

Aunque los ensayos de vibracin estn muy recomendados para la calificacin ss mica de componentes crticos, los anlisis numricos pueden ser muy tiles para de terminar la resistencia ssmica de estos productos. Adems, en los casos en que no es posible realizar ensayos debido al elevado peso del equipo (por ejemplo, transformadores de potencia), estos anli sis son la nica forma de determinar la ca racterstica dinmica del sistema. Anlisis de bornas SeismicriP Las estructuras complejas pueden tener numerosos modos de resonancia 1 distin tos dentro del inter valo ssmico de peli gro. ABB realiza as anlisis dinmicos modales en ellos. Los anlisis numri cos de la borna de transformador Seis micRIP de 230 kV bajo cargas ssmi cas se realizaron utilizando el mtodo de elementos finitos (FEM). En el enfo que aqu presenta do, la evaluacin estructural ante movi mientos ssmicos se basa en el anlisis lineal, utilizando los modos de la estructura hasta una frecuencia de corte lmite (33 Hz). Una vez determinados los modos de reso nancia, la propiedad de ortogonalidad 2 permite que la respuesta lineal de la estruc tura se construya como la respuesta de una serie de sistemas con un solo grado de libertad. En otras palabras, el compor tamiento mecnico de la estructura de la borna sometida al movimiento del terreno se deriva como una superposicin lineal de

los modos de frecuencia naturales. Depen diendo del espectro de excitacin, las fre cuencias naturales individuales pueden in fluir de manera distinta en el movimiento resultante 1. Las simulaciones muestran muy buena correlacin con las mediciones de los en sayos. Se ha encontrado que las frecuen cias resonantes naturales difieren como mximo entre un 1 y un 4%. Para las ace leraciones mximas en el punto de medi cin (extremo superior de la borna), la des viacin se encontraba entre el 3 y el 14% [3]. Los resultados de esta comprobacin

xisten diversos mtodos para in vestigar el comportamiento ss mico de los equipos elctricos. Estos mtodos suelen incluir cl culos estticos para estimar las fuerzas ge neradas durante un movimiento ssmico con una determinada aceleracin del suelo y compararlas con la capacidad del equi po. Los datos anteriores pueden derivarse de clculos o de mediciones reales.

Las dos normas internacionales utiliza das para este trabajo son: IEEE 693 e IEC 61463. La IEEE 6932005, Prctica recomendada para el diseo ssmico de subestaciones [1], es un documento revi sado recientemente que abarca los proce dimientos de calificacin de los equipos de subestaciones elctricas para distintos niveles de comportamiento ssmico. La IEEE 693 recomienda encarecidamente realizar la calificacin del equipo con ste colocado sobre la estructura de apoyo que se usar en la subestacin final. Por el contrario, la IEC 61463, Bornas calificacin ssmica [2], es una recomen dacin de la IEC relativa a la calificacin ssmica de las bornas de transformadores. Las bornas que cumplen los requisitos de la IEEE 693 tambin cumplirn, en la ma yora de los casos, los de la norma IEC 61463.

Las nuevas herramientas de simulacin deben com probarse siempre de forma experimental. A continuacin, puede evaluarse la precisin y determinarse las ventajas y limitaciones.son tiles en el posterior desarrollo de he rramientas numricas para clculos ssmi cos.notas a pie de pgina 1 Un modo es el patrn de movimiento en el que vibra un cuerpo. Normalmente, un cuerpo puede vibrar en varios modos bsicos, as 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 perodo, pero tambin puede conseguirse que vibre en forma de ondas senoidales de mayor frecuencia. Un slido tridimensional complejo puede presentar muchos ms modos que este sencillo ejemplo unidimensional. 2 Los modos de vibracin ortogonal son aquellos que no provocan excitacin mutua.

Comportamiento ssmico

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2 Distribucin de esfuerzos en un transfor mador de potencia bajo carga ssmica

4 Primer paso de un anlisis ssmico basado en FSiAire Agua Anlisis CFD Definicin del movimiento para los anlisis CFD Anlisis estructural Anlisis modales infor macin sobre los modos

movimiento = velocidad (t)

dinmico es distinto en cada caso. Las fre cuencias resonantes naturales de las bor nas de transformador simuladas por sepa rado son diferentes de las bornas simuladas montadas en el transformador 3. Los resultados indican claramente que los anlisis ssmicos completos de las bornas de transformadores requieren tener en cuenta todo el sistema.3 La primera frecuencia natural de la borna se ve afectada por su montaje.Frecuencia (Hz) LP Borna Borna con placa superior, torreta y depsito 7,08 7,38 8,36 8,74

1 2 3 4

14,13 14,13

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

Comportamiento dinmico del sistema de transformador y borna Muchos expertos sostienen que el com portamiento dinmico de una borna difiere segn est montada en un transformador o se pruebe por separado. De hecho, la respuesta ssmica de la combinacin de transformador y borna puede verse influida por los componentes interconectados. Adems, el equipo instalado sobre el terre no puede provocar daos por medio de sus conectores [4]. Es necesaria una mayor investigacin para cuantificar este efecto. El FEM (para la borna tipo RIP de 230 kV) parece ser un buen campo para seguir la investigacin a fin de comprender la carac terstica dinmica del sistema de transfor mador y borna. Las simulaciones realizadas en ambos ca sos (borna de transformador por separado y transformador de potencia con bor nas 2) indican que el comportamiento

interaccin entre el fluido y la estructura (FSi) Se han realizado numerosos estudios so bre las caractersticas dinmicas adecua das 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 refrigeran te. Hay estudios que examinan la influencia del fluido en la respuesta ssmica de cubas elevadas [6], as como en estructuras de este tipo en aplicaciones marinas y trans porte martimo [7]. Sin embargo, ninguna de estas lecciones era claramente aplica ble al comportamiento dinmico de un sis tema de transformador y borna. Para examinar la influencia del fluido en las caractersticas dinmicas, se propuso una investigacin utilizando la interaccin entre el fluido y la estructura (FSI). El enfoque de FSI se basa en el intercambio de datos en tre las herramientas de simulacin que ge neran modelos del caudal y el comporta miento mecnico. Anlisis ssmicos basados en FSi El anlisis ssmico completo (ensayo de barrido senoidal, evolucin temporal del te rremoto y pulso senoidal) es un procedi miento complejo. As, 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 acstico. Basndose en este paso, es po sible definir las condiciones iniciales (movi miento) para los anlisis CFD (dinmica computacional de fluidos) 4.

En el siguiente paso se aplica todo el mto do de FSI 5. En la parte de la CFD, la estructura (cuba) se modela con fluido, mientras que en los clculos estructurales se contempla aislada. El cdigo CFD se utiliza tambin para simular los efectos del flujo de aire en el fluido. Las fuerzas que actan sobre las paredes de la estructura se suministran as a la herramienta estruc tural y se utilizan como condiciones de contorno. La nueva forma de la estructura se devuelve a su vez a la CFD, donde se

Las simulaciones muestran muy buena correlacin con las mediciones de los ensayos. Se ha encontrado que las frecuencias re sonantes naturales difieren como mxi mo entre un 1 y un 4% en el caso del anlisis de bornas SeismicRIP.prepara la actualizacin de la malla para el siguiente incremento. Los esfuerzos, ten siones y deformacin de la estructura se obtienen teniendo en cuenta la dinmica de fluidos. Comprobacin experimental de la metodologa propuesta Las nuevas herramientas de simulacin deben comprobarse siempre de forma ex perimental. A continuacin, puede evaluar se la precisin y determinarse las ventajas y limitaciones. Uno de los objetos utilizados

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5 Segundo paso de un anlisis ssmico basado en FSi

6 verificacin experimental de la simulacina b c

Fuerzas en las paredes Lquido Anlisis CFD + Movimiento de flotacin en el aire Actualizacin de malla Anlisis estructural Deformaciones Esfuerzos Tensiones

Depsito

Depsito

Nueva forma de las paredes

7 Comparacin de frecuencias naturales, medidas frente a simulacinLP Frecuencia medida (Hz) Seco 1 2 3 4 5 6 8,5 10,5 24,6 25,4 Lleno de aceite 5,4 6,2 24 Frecuencia calculada (Hz) Seco 6,21 13,88 25,39 27,5 28,64 28,85 Lleno de aceite 5,09 11,17 16,52 19,56 20,64 23,75 6a Banco de medida para Hv iT 6b Modelo en 3D de Hv iT 6c Esfuerzos durante el primer modo calculado

para esta comprobacin experimental fue un prototipo de transformador de instru mento combinado de alta tensin JUK 145. El banco de medida se presenta en 6a. Se prepar un modelo tridimensional 6b utilizando el mtodo de simulacin basado en FSI (medio acstico), y se realizaron con

basadas en FSI que permitirn una mayor comprobacin de la herramienta. Un paso adelante en las simulaciones ssmicas El ensayo de vibracin de las bornas ha demostrado el buen comportamiento de estos componentes en cuanto a la res puesta general segn la IEEE693 [8]. La metodologa FEM aplicada para las bor nas seismicRIP presenta el potencial nece sario para predecir la aceleracin y el des plazamiento relativos con buena precisin en las calificaciones ssmicas [3]. No obs tante, para ir ms all es fundamental com prender las interacciones ssmicas entre los fluidos y los equipos de las subestacio nes. El desarrollo de esta metodologa puede mejorar el comportamiento ssmico de las subestaciones y los productos que contienen lquidos. Prosigue el estudio de la influencia de los fluidos en las calificaciones ssmicas de productos que contienen lquidos. Sin duda, el mtodo propuesto es nico y ayu da a comprender el comportamiento din mico de los sistemas completos para po der mejorar su comportamiento ssmico.

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., Patek, 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, Turqua. [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.

Se descubri que el refrigerante tena un efecto significativo en el comportamiento ssmico del con junto de transfor mador y borna.l los anlisis modales del transforma dor 6c. La comparacin de los resulta dos (mediciones frente a simulaciones) se presenta en 7. El siguiente paso consisti en preparar ensayos ssmicos en el laboratorio. El JUK 145 super con xito la calificacin ssmica segn IEC 60068. Est previsto realizar simulaciones ssmicas completas

Comportamiento ssmico

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La electrnica de potencia en el suministro elctricoLos semiconductores son un factor clave de las redes elctricasCLAES ryToFT, PETEr LUnDBErg, HArMEET BAwA, MArk CUrTiS El

sector elctrico cambia rpidamente debido a los crecientes niveles de consumo de electricidad, el mayor uso de fuentes de energa alternativas, a menudo lejanas, y una mayor atencin a la eficiencia energtica y la fiabilidad de las redes. El desarrollo de los semiconductores de potencia y el uso de esta tecnologa en diversas aplica ciones basadas en la electrnica de potencia facilitan muchos de estos cambios. Los semiconductores de potencia son los componentes princi pales de los dispositivos de conmuta cin basados en la electrnica 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 semi conductores estn presentes en el ncleo de muchas tecnologas elctri cas y son un factor clave para confor mar las redes del futuro.

radicionalmente, las redes elc tricas se construan alrededor de grandes plantas centraliza das que generaban una energa previsible y controlable suministrada a la red de forma estable. En estas redes se mantena el flujo de energa en un solo sentido a pesar de las fluctuaciones tem porales de la demanda. En la actualidad, siguen existiendo similares fluctuaciones temporales de la demanda, pero la existencia de una mayor dependencia de fuentes de ener ga renovables ins taladas para ayudar a reducir las emisio nes de CO2 ha re presentado que las redes elctricas de ban adaptarse tam bin a fluctuaciones en el suministro. Estas fuentes de energa intermitentes y varia bles (por ejemplo, la solar y la elica) subrayan la necesidad de almacenar la energa, as como de disponer de sistemas que coordinen las fuentes disponibles de generacin elctrica con diversos patro nes de consumo. Las fluctuaciones en el suministro y la de manda de electricidad pueden adaptarse entre s, hasta cierto punto, gracias a la

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comercializacin de la energa; sin embar go, existen una serie de dificultades para el transporte eficiente de la energa desde la fuente al consumidor a travs de redes adyacentes, posiblemente a largas distan cias, en ambas direcciones. Esas dificul tades se ven agravadas por la siempre creciente demanda de energa, que se debe satisfacer al tiempo que se reducen las emisiones de gases de efecto inverna

Los semiconductores estn presentes en el ncleo de muchas tecnologas elctricas y son un factor clave para conformar las redes del futuro.dero. Una mayor capacidad, que permita hacer frente al uso de los vehculos elctri cos y a la gestin de una mayor demanda, contribuir a incrementar la complejidad y aportar el impulso para la evolucin de redes ms inteligentes, flexibles y fiables. Se han desarrollado y presentado diversas tecnologas lideradas por ABB para ayudar a la industria elctrica a cumplir estas obli gaciones. Las tecnologas dependen de los semiconductores de potencia, lo que explica la reciente ampliacin de las insta

Aplicaciones de la electrnica de potencia en el suministro elctrico

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1 Tecnologa de encapsulado de semiconductoresEn el encapsulado aislado, el semiconductor f est aislado galvnicamente del disipador de calor c. Los contactos elctricos internos del mdulo se establecen por medio de hilos de unin. En caso de avera del dispositivo, estos hilos tienden a vaporizarse y el mdulo deja de conducir. En el encapsulado de contacto por presin, la corriente de carga entra a travs de una superficie k y sale por la superficie opuesta. La resistencia elctrica y trmica reducida de los contactos queda asegurada por la elevada presin mecnica sobre las superficies. En caso de fallo, el semiconductor de silicio l y el molibdeno se fundirn, de forma que la corriente pueda continuar circulando.

a Conexiones de alimentacin y control b Hilo de unin c Sumidero de calor d Cermica (normalmente AIN) a b d f

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

h Sumidero de calor i Compensacin CTE1 (Mo) j Encapsulado (cermica)

k Cobre l Semiconductor

a

a g e h i i k j k

radiacin solar intensa o grandes volme nes de agua en movimiento, se encuentran en regiones remotas del mundo, lejos de las poblaciones y los centros industriales. El transporte de energa a grandes distan cias, mediante un sistema de transporte de corriente alterna (CA) clsico, es menos efi ciente en algunos de esos casos y no pue de desplegarse, por ejemplo, all donde se precisen cables submarinos para conectar las turbinas elicas marinas con tierra fir me. 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 tensin, alta tensin, media ten sin o baja tensin. En cada ciclo, un cable de CA se carga y descarga a la tensin del sistema. Esta co rriente de carga aumenta con la longitud del cable. A una determinada longitud, la corriente de carga del cable y su funda es

l

c

Prcticamente todos los semiconductores de potencia comerciales estn basados en silicio; sin embargo, la continua optimizacin de la tecnologa de materiales de silicio ha llevado sus prestaciones muy cerca de sus lmites fsicos. Esto significa que la posibilidad de conseguir mejoras en este aspecto del diseo es limitada; sin embargo, el encapsulado del dispositivo semi conductor todava dispone de un considerable potencial de mejora de las prestaciones. Bsicamente hay dos formas de encapsulado de semiconductores de alta potencia. La principal diferencia entre ellas es que, en el mdulo aislado, el circuito elctrico est galvnicamente aislado del sumidero de calor por un aislante cermico, mientras que en el diseo de contacto por pre sin la corriente circula verticalmente por todo el mdulo, tambin a travs 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 prctica, los IGCT solamente se presentan actualmente con encapsulado de contacto por presin, 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 presin es preferible para potencias de ms de 10 MW. Existen varias razones para ello. Las dos ms importantes son las siguientes: En los sistemas con potencias muy altas, hay que conectar los semiconductores en paralelo y/o en serie. Para esta ltima opcin, los en capsulados de contacto de presin presentan una considerable ventaja, ya que los mdulos pueden organizarse apilados, separados ni 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 mdulos. Se debe utilizar un encapsulado de contacto por presin si la aplicacin requiere una corriente ininterrumpida garantizada (por ejemplo, un inversor de fuente de corriente). En el encapsulado de contacto por presin, los polos metlicos 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 unin, que se volatilizan cuando se presenta un impulso de corriente elevada durante un fallo y dejan abierto el circuito.

ABB se unir a la industria elctrica en su misin de desarrollar redes ms inteligentes, flexibles, eficientes y fiables.tan grande que no queda potencia til, aunque mucho antes de alcanzar esta lon gitud, el transporte de energa deja de ser econmico. Por otro lado, el cable de corriente continua (CC) no precisa una corriente de carga de esas caractersticas. En el cable de CC toda la corriente es utili zable. Para transportar energa de forma eficiente a los consumidores a lo largo de grandes distancias con pocas prdidas, ASEA, el precursor sueco de ABB, desarro ll 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 permita el transporte masivo de electricidad con pocas prdidas mediante cables submarinos, proporcionando a los isleos un suministro fiable de electricidad barata. Desde esa primera instalacin, ABB ha seguido perfeccionando la tecno loga, sustituyendo las frgiles vlvulas de arco de mercurio iniciales, utilizadas para

nota a pie de pgina 1 CTE es el coeficiente de dilatacin trmica.

laciones de fabricacin de ABB. La fabrica cin y el desarrollo continuo de semicon ductores de potencia especializados garantizan que ABB siga en la vanguardia de esta tecnologa. ABB se unir a la in dustria elctrica en su misin de desarrollar redes flexibles, eficientes y fiables median te la introduccin de soluciones innovado

ras basadas en la electrnica de potencia que utilizan semiconductores de alta po tencia diseados y desarrollados para pro porcionar mejores prestaciones 1. Energas renovables Generalmente, las fuentes de energa reno vables ms fiables, como vientos fuertes,

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

3 Sala de tiristores

4 Conexin de 2.071 km de UHvDC entre Xiangjiaba y Shanghai

China Shanghai Xiangjiaba

convertir la CA en CC y la CC en CA, por aplicaciones basadas en robustos semi conductores de potencia. En la actualidad, algunas de las ciudades ms grandes, in cluidas Shanghai, Delhi, Los ngeles y Sao Paulo, dependen del suministro de enor mes cantidades de electricidad, a menudo a travs de miles de kilmetros de distancia, mediante sistemas de transporte HVDC. Asimismo, ABB ha instalado varias interco nexiones con cables HVDC submarinos entre distintos pases de Europa occiden tal, como el proyecto NorNed, que conecta Noruega con los Pases Bajos. Adems, ABB ha conectado parques elicos mari nos con tierra firme, incluido el proyecto Borwin 1, el parque elico marino ms ale jado del mundo situado en el Mar del Norte, a 128 kilmetros de la Alemania continen tal. Para conseguir estas hazaas, ABB ha desarrollado una serie de sistemas de transporte HVDC que permiten la adapta cin a diversas aplicaciones especializa das. HvDC Classic Como su nombre sugiere, HVDC Classic fue la tecnologa pionera, que utiliz inicial mente vlvulas de mercurio. En la actuali dad, la conversin de energa se hace con tiristores (vanse los dispositivos que se describen en La desmitificacin de los se miconductores, pgina 27 de la Revista ABB 3/2010). Los tiristores se conectan en serie y se disponen en mdulos, en los que cada tiristor puede soportar 8,5 kilovoltios (kV). Estos mdulos (en encapsulado de contacto por presin) se conectan a su vez en serie en capas para crear vlvulas de tiristores a plena tensin 3. La frecuencia

de conmutacin de cada tiristor es de 50 Hz (o potencialmente 60 Hz) en esta aplicacin. Este sistema se utiliza principal mente para el transporte masivo de electri cidad a grandes distancias, bien por tierra o bajo el agua, lo que permite la interco nexin de las redes elctricas para aumen tar la estabilidad cuando no se puedan utilizar mtodos de CA convencionales. Los actuales sistemas de transporte HVDC tienen capacidad para manejar potencias elevadas y excelentes registros de fiabili dad. Las prdidas en los convertidores son pequeas y los costes de los equipos se han reducido al mnimo en esta tecnolo ga comparativamente madura. El sistema HVDC desempear un papel importante en las redes emergentes del futuro. ABB ocupa una posicin nica gracias a su capacidad de fabricacin de todos los componentes clave, desde cables, conver tidores y transformadores hasta semicon ductores de potencia. UltraHvDC Ms recientemente, los avances tecnolgi cos han permitido tensiones de hasta 800 kV gracias al empleo de sistemas UHVDC (ultraHVDC). Para lograr este ni vel, 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 conmutacin. Estas innova ciones representan el mayor salto en capa cidad de transporte y eficiencia en ms de dos dcadas. La tecnologa se est em pleando para transportar 6.400 MW de electricidad a una distancia de 2.071 km desde la central hidroelctrica de Xiangjia ba, en el sudoeste de China, hasta Shangai,

5 Mdulo StakPak con igBT

Oblea de silicio con chips

Chip IGBT individual

Mdulo StakPak

Submdulo

ABB ha instalado varias interconexio nes con cables HVDC submarinos entre distintos pases de Europa occidental, incluido el proyecto Nor Ned, un enlace de 580 km entre Noruega y los Pases Bajos.

Aplicaciones de la electrnica de potencia en el suministro elctrico

23

6 Sala de vlvulas igBT

7 Principales instalaciones de HvDC Light y SvCProyecto nmero de conver tidores 2 1 2 6 2 2 1 2 2 1 1 4 1 2 1 1 1 1 1 1 2 2 1 2 Ao de funciona miento 1997 1999 1999 2000 2002 2000 2000 2002 2002 2002 2003 2005 2004 2006 2006 2006 2008 2009 2009 2009 2010 2010 2010 2010 2011 2011 2012

1 Hllsjn 2 Hagfors (SVC) 3 Gotland 4 Directlink 5 Tjreborg 6 Eagle Pass 7 Moselstahlwerke (SVC) 8 Cross Sound Cable 9 Murraylink 10 Polarit (SVC) 11 Evron (SVC) 12 Troll A 13 Holly (SVC) 14 Estlink 15 Ameristeel (SVC) 16 ZPSS (SVC) 17 Mesnay (SVC) 18 Martham (SVC) 19 Liepajas (SVC) 20 Siam Yamato (SVC) 22 Enlace Caprivi 23 Valhall 25 Danieli GHC2 (SVC) 27 EWIP

en el este, para suministrar electricidad lim pia a unos 31 millones de personas 4. HvDC Light Una til adaptacin 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 proce so de conversin de la energa. HVDC Light permite, asimismo, el transporte a larga dis tancia utilizando cables submarinos y sub terrneos de bajo impacto o lneas areas. Sin embargo, el uso de conmutadores se miconductores controlados por puerta de alta velocidad, es decir, transistores bipola res de puerta aislada (IGBT), ha hecho po sible crear convertidores de fuente de ten sin (VSC) de vanguardia como parte integrante del sistema, capaces de inyec

ABB ocupa una posicin nica para ayudar a crear las redes del futuro por su capa cidad para fabricar todos los componentes clave, desde cables, convertidores y trans formadores hasta semicon ductores de potencia.tar o absorber rpidamente energa reacti va. Gracias a su mayor capacidad para estabilizar la tensin de CA en los termina les, esta tecnologa es ideal para los par ques elicos, en los que la variacin de la velocidad del viento puede ocasionar gra ves fluctuaciones de tensin. De forma si milar, su extraordinaria capacidad de con trol y flexibilidad han permitido su uso

creciente para conectar plataformas mari nas petrolferas y de gas con tierra firme y hacer posible las interconexiones de redes. La caracterstica principal que hace que HVDC Light sea tan controlable se debe, en gran parte, a los dispositivos semiconduc tores IGBT utilizados en su montaje. Como los tiristores, los IGBT pueden conectarse en serie para aumentar la tensin. Sin embargo, a diferencia de los tiristores, controlados por una corriente de puerta, slo se requiere una pequea seal de tensin para controlar su conmutacin. Para construir un sistema HVDC Light con potencias de 300 MW, se conectan en serie 6.000 mdulos StakPak, con unos 200.000 chips IGBT 5 y 6. Cada mdulo StakPak consta de varios sub mdulos (pueden ser dos, cuatro o seis). La frecuencia de conmutacin del IGBT puede deter minarse en funcin de la aplicacin y se encuentra normal mente entre un par de centenares de Hz y 1 kHz. El mon taje de los IGBT de esta forma propor ciona un converti dor electrnico de potencia compac to, muy controlable, para permitir la estabi lidad de la tensin incluso en regiones de la red sin fuentes de energa adicionales. El primer proyecto HVDC Light fue el trans porte de prueba de 10 kV en Hllsjn Grngesberg, que se complet en 1997. Desde entonces, se han construido mu chas estaciones de convertidores, la mayor de las cuales tiene una corriente mxima

21 BorWin 1 (Nord E.ON 1) 2

24 Liepajas Metalurgs (SVC) 1 26 Danieli UNI Steel (SVC) 1

de desconexin de 4.000 A en funciona miento normal y puede soportar unos 18 kA en condiciones de cortocircuito 7. Sistemas de transporte de CA flexibles (FACTS) El sistema elctrico de CA ha encontrado siempre dificultades con la energa reacti va. Este componente de la CA es consumi do por los condensadores, los transforma dores y los motores inductivos, que son elementos usuales en una red de CA. La prdida de energa en el sistema por causa de estos elementos es consecuencia de la produccin de campos magnticos (en el caso de los elementos inductivos) o de campos elctricos (en el caso de los ele mentos capacitivos), lo que reduce de for ma efectiva la potencia real disponible en el sistema (para una explicacin sobre la energa activa y reactiva, vase la pgina 35 de la Revista ABB 3/2009). En condicio nes inductivas, se pueden conectar auto mticamente al sistema dispositivos para la compensacin de la energa reactiva, ta les como bateras de condensadores 8, que aumentan la tensin del sistema, o en condiciones capacitivas, se pueden em

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revista ABB 4|10

8 Batera de condensadores

9 TCSC en imperatriz, Brasil

plear reactancias para consumir var (po tencia reactiva en voltamperios) del siste ma, y reducir su tensin. Si la energa reactiva no se compensa localmente ser llevada a travs de las lneas de transporte y desestabilizar la red, lo que puede cau sar apagones. El trmino FACTS cubre un grupo de tecnologas que mejoran la segu ridad, la capacidad y la flexibilidad de los sistemas de transporte de energa. Estas tecnologas se pueden instalar en lneas nuevas o existentes de transporte de ener ga, bien en serie, por ejemplo, utilizando condensadores en serie controlados me diante tiristores (TCSC) o reactancias en serie controladas con tiristores (TCSR), bien en paralelo, por ejemplo, con com pensadores estticos de var (SVC) o con compensadores estticos sncronos (STATCOM). Estos dispositivos optimizan el flujo de energa y estabilizan las tensio nes compensando la energa reactiva me diante electrnica de potencia. TCSC y TCSr Los tiristores se pueden utilizar para co nectar automticamente condensadores, mediante TCSC, o reactancias, mediante TCSR, a fin de estabilizar la tensin. Los TCSC son particularmente tiles para la estabilizacin de tensiones en las interco nexiones de las redes de transporte y se han empleado para interconectar los siste mas elctricos 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 interco nector de 500 kV entre los sistemas elctri cos del norte y del sur 9. ABB ha instala do unos 1.100 Mvar de condensadores en serie que proporcionan estabilidad dinmi ca en ambos sistemas interconectados de suministro elctrico.

SvC Tanto 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 energa reactiva. Esto se debe a que los sistemas HVDC slo pueden transportar energa ac tiva, es decir, estos sistemas forman una barrera efectiva contra el flujo de energa reactiva. Si bien esto puede evitar el efecto en cascada de la energa reactiva fluyendo por toda la red y provocando cadas de tensin y apagones, tambin puede redu cir las fuentes disponibles de energa reac tiva. Para compensar esta deficiencia de energa reactiva, hay que instalar SVC en el punto de conexin del HVDC para asegu rar la estabilidad, establecindose una ins talacin local que absorbe o inyecta ener ga reactiva. Una de las consecuencias de interconectar redes elctricas para la comercializacin de la energa elctrica ha sido una mayor vulnerabilidad de la red a los problemas que se extienden por ella. La ventaja de uti lizar sistemas HVDC para conectar redes de CA ha sido doble: constituyen una ba rrera para el flujo de energa reactiva, como se ha descrito anteriormente, y permiten conectar alimentaciones elctricas de dis tinta frecuencia o redes de la misma fre cuencia nominal pero sin relacin de fases fija, o ambas (es decir, diferente frecuencia y distinto nmero de fases). Por supuesto, dichas conexiones no tienen que ser lar gas; todo lo que se requiere es una esta cin HVDC adosada con inversores estti cos y rectificadores en el mismo edificio. STATCoM Adems del HVDC Light, que utiliza los IGBT para proporcionar capacidades VSC a fin de inyectar o absorber rpidamente energa reactiva, el SVC Light utiliza los

10 Pila de SvC Light

IGBT de forma similar. El SVC Light es un compensador esttico sncrono (STATCOM) que funciona de forma similar al SVC basa do en tiristores, pero que utiliza un VSC. Los semiconductores IGBT del SVC Light se renen en StakPaks y se conectan en serie para soportar la tensin requeri da 10. El mayor control que permiten los IGBT proporciona mejoras de calidad de la energa que pueden reducir el parpadeo de tensin producido por clientes que traba jan con hornos de arco elctrico. Estos hornos consumen no slo mucha energa activa, sino tambin reactiva. Para com pensar el consumo de rpida fluctuacin de energa reactiva de los hornos, se nece sita un dispositivo de compensacin igual mente rpido. Esta rpida respuesta la pro porciona la tecnologa IGBT de vanguardia. La llegada de esos dispositivos semicon ductores controlables de forma continua, capaces de manejar potencias elevadas, permite que el SVC Light se haga cargo de

Aplicaciones de la electrnica de potencia en el suministro elctrico

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11 SvC Light con almacenamiento de energa

12 Capacidad de transporte en aumento en los ltimos aosHvDC Classic Capacidad de transporte (MW) 6.000in ad

HvDC Light Tensin (V) Capacidad de transporte (MW) 800 Prdidas (%)

800 1.000 600

4.000Te

pa

ns

Ca

2.000

400 200

P rd

Cidas

a ap

cid

ci

da

d3 1 2010

1970

1990 Ao

2010

2000 Ao Innovaciones importantes

La capacidad ha aumentado 6 veces desde 2000. La tensin ha aumentado de 100 kV a 800 kV desde 1970.

La capacidad ha aumentado 10 veces desde 2000. Reduccin de las prdidas del 3% al 1% por convertidor desde 2000.

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

los requisitos de energa reactiva de la red, muy dinmicos, que van desde decenas de megavoltamperios (MVA) hasta valores superiores a 100 MVA. SvC Light con almacenamiento de energa Con la mayor dependencia de las energas renovables aparece un cierto grado de inestabilidad en la red. Para mejorar la es tabilidad y la fiabilidad, ABB ha presentado su ltima incorporacin a la familia FACTS, el SVC Light with Energy Storage 11. Se trata de un sistema dinmico de almacena miento de energa basado en bateras de iones de litio que no slo puede suministrar energa reactiva, como el SVC Light nor mal, sino que tambin puede suministrar energa activa, lo que ofrece una alternativa a los refuerzos en transporte y distribucin para apoyar las cargas de pico. Los valores actuales de potencia nominal y de capaci dad de almacenamiento se encuentran normalmente en el intervalo de 20 MW du rante perodos de entre 15 y 45 minutos, pero esta tecnologa puede ampliarse has ta 50 MW de potencia durante 60 minutos y ms. Sistema de control MACH2 La introduccin de la tecnologa de la elec trnica de potencia en la red elctrica su pone una oportunidad para gestionar de forma efectiva la magnitud y la direccin del flujo de potencia. Para maximizar y pro teger las prestaciones, se han desarrollado herramientas eficientes que controlan, su pervisan y analizan los sistemas de trans porte HVDC. El sistema MACH2 de ABB es un sistema de control y proteccin del HVDC de alto rendimiento. Se utiliza ac tualmente en los sistemas HVDC, SVC y SVC Light y otras aplicaciones para con trolar la conmutacin de los semiconduc tores a velocidad muy elevada y con gran

exactitud a fin de controlar la tensin y la potencia de forma precisa. En las redes elctricas actuales se requiere un mayor grado de sofisticacin para ase gurar que se suministra energa estable y fiable en respuesta a la demanda, pese a la naturaleza intermitente de las fuentes de energa renovable, como la elica, solar, undimotriz o mareomotriz. Para facilitar las nuevas demandas exigidas a las redes elctricas se estn incorporando continua mente a las estructuras nuevas y existen tes dispositivos de electrnica de potencia innovadores con mejores prestaciones. Las prestaciones del HVDC Classic y el HVDC Light han aumentado con rapidez en los ltimos 10 aos 12. Continuarn producindose avances en las aplicacio nes de la tecnologa de semiconductores a medida que proyectos con visin 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 Vsters, 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

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revista ABB 4|10

Control inteligente del motorEl UMC100 es un ejemplo excelente de controlador flexible, modular y escalable de motorPETEr o. MLLEr, 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. As pues, la proteccin y la gestin fiables de los motores son bsicos para garanti zar una secuencia controlada de la produccin. Algunos alimentadores actuales de motores se montan por mdulos, utilizando, por ejemplo, proteccin trmica para el motor basada en un rel bimetlico. En estos sistemas, implantar funciones de proteccin y control resulta complejo y difcil; las funciones de control e interbloqueo del motor deben programarse en el controlador de procesos, y las seales de

control y realimentacin se intercambian a travs de mdulos de entrada y salida que deben disearse y cablearse. otras funciones de proteccin, como la supervisin de la tempera tura en el devanado del motor mediante un termistor, exigen ms dispositivos y cables. stas y otras muchas funciones se integran ahora en una sola unidad: el controlador universal inteligente de motores UMC100. Conocido como modulo de gestin inteligente del motor, el UMC100 realiza funciones de control y proteccin del motor y de comunicacin entre el bus de campo y el sistema de control y diagnstico. En compara cin con los alimentadores convencionales del motor, los controladores ofrecen muchas ventajas a lo largo de todo el ciclo de vida de una planta industrial.Control inteligente del motor 27

Modelos de motorTodo 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 seal de disparo para parar el motor cuando se supere un determinado umbral. La eleccin del modelo del motor es un paso esencial en el diseo del controlador de un motor, ya que afecta al comportamiento de la funcin principal del dispositivo. Esta opcin de diseo exige una solucin de compromiso bsica: por un lado, el modelo debe ser lo ms sencillo posible. Un modelo de motor complejo no entra en la plataforma electrnica del controlador del motor y puede incluir demasiados parmetros, lo que puede hacer difcil su identificacin y determina cin por el cliente. Por otro lado, la temperatura del motor debe estimarse con precisin para protegerlo eficazmente. Los requisitos mnimos para los modelos de mo tor pueden obtenerse de la norma IEC 6094741 [3], que define los tiempos mnimo y mximo de disparo para distintos tamaos de motor (clases de disparo) y valores de la corriente en el motor. Por ejemplo, la norma indica que un rel 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. se ve afectada directamente por la corriente del estator debido al efecto Joule y de forma indi recta por la conduccin trmica con otros com ponentes del motor. Un modelo de motor fiable (modelo A) debe tener en cuenta ambos efectos; uno ms sencillo (modelo B) puede considerar slo el primer efecto, que es el predominante. En el grfico adjunto se muestra el comportamiento de estos dos modelos, que muestran un motor funcionando en condicin de sobrecarga durante algn tiempo antes de que se apague y vuelva a cargarse en condicin nominal. Comportamiento trmico para los dos modelos (curva azul para el modelo A, curva roja para el modelo B) durante la fase final (carga en condicin nominal). En este caso, el efecto de conduccin trmica no es despreciable, ya que el motor estaba sobrecarga do 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 ms complejo como el A proporcionara en este caso una mejor proteccin del motor.

Resultados de los distintos modelos de motor 104 Temperatura (% nominal) 102 100 98 96 94 Modelo A Modelo B

L

os cambios en los mercados mundiales son una de las razones por las que muchas empresas se estn viendo obligadas a reducir los costes de funcionamiento y de produc cin, as como a aumentar la produccin y la calidad. La eficiencia energtica es otro factor cuya mejora interesa en particular a los fabricantes. De hecho, existe ahora una demanda cada vez mayor de soluciones ms modulares, flexibles e integradas. Esto, a su vez, hace que muchos provee dores examinen sus carteras de productos y busquen modos de mejorar sus ofertas para responder a tal demanda.

El cumplimiento de esta norma es una exigencia mnima para un controlador inteligente de motor. Un modelo muy simplificado de motor puede que no capte la dinmica de la temperatura del motor con la suficiente precisin, 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

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Las soluciones integrad