la electricidad, fundamentos, problemas y soluciones

Ing. J. Diego Frías Herrera

La electricidad es la forma de energía más utilizada por el hombre. Gracias a ella, se puede hacer que funcionen las lámparas eléctricas, las maquinarias, los electrodomésticos, las herramientas, los ordenadores, etc.

Hace más de 2000 años que los griegos descubrieron la electricidad, al frotar ámbar con un trozo de tela, atrayendo pequeños trozos de plumas. De hecho la palabra “electricidad” se deriva de la palabra griega “ámbar”.

En la actualidad sabemos que hay sustancias, como los plásticos y los vidrios, que pueden producir electricidad al frotarlos con un paño de algodón o de lana, son capaces de atraer objetos pequeños, como trocitos de papel o cabellos.

Esto es debido a que se han cargado de electricidad: tienen carga eléctrica y notas sus efectos.

Esto les pasa a los peines, a algunas prendas de vestir, reglas de plástico, globos...

Podemos observar la electricidad en la naturaleza. Por ejemplo, en una tormenta se suelen producir relámpagos, que son descargas eléctricas.

También las gotas de agua que forman las nubes se cargan de electricidad y, a veces, esta electricidad se descarga al suelo o a otra nube.

El resultado es una chispa que se llama rayo.

Se produce un fenómeno de electrización porque:

Todos los cuerpos, como la mesa, el lápiz, las rocas, el agua, el Sol o los seres vivos, están formados de materia.

La materia está formada por partículas muy pequeñas que llamamos átomos.

Los átomos están compuestos por tres partes aún más pequeñas, se llaman:

Protones : Tienen carga positiva.

Neutrones : No tienen carga, son neutros.

Los neutrones y los protones forman el núcleo del átomo, que es positivo.

Los electrones son los que giran alrededor del núcleo y tienen carga negativa.

2 cuerpos con cargas iguales:

positiva-positiva

negativa – negativa

Se repelen

+ + -

+

2 cuerpos con cargas distintas:

positiva-negativa

negativa – positiva

Se atraen

1º Al frotar el bolígrafo contra la tela (o el globo contra el pelo), los electrones de la tela pasan al bolígrafo. Ahora el bolígrafo está cargado negativamente.

2º Al acercar el bolígrafo a los papelillos, los electrones del bolígrafo son atraídos por los protones de los papelillos. Por eso, el bolígrafo atrae a los papeles.

Al igual que ocurre con el agua que fluye por una tubería, los electrones pueden moverse a través de ciertos materiales. Cuando lo hacen están creando corriente eléctrica.

La electricidad se llama también corriente eléctrica y es el movimiento de los electrones a través de un material conductor, de forma ordenada y en la misma dirección.

La energía eléctrica producida por frotamiento de una regla no se puede aprovechar. Para poder utilizar la energía eléctrica se precisa un flujo continuo de electricidad, es decir, una corriente eléctrica.

Materiales conductores de la electricidad: son aquellos que dejan pasar la corriente a través de ellos. Por ejemplo los metales.

Materiales aislantes de la electricidad: son aquellos que no permiten que la electricidad pase a través de ellos. La madera y el plástico son materiales aislantes.

aislante

conductor

Se define como la fuerza que se ejerce sobre los electrones, para que se desplacen a través de un circuito eléctrico.

También se le denomina voltaje o tensión eléctrica y su unidad es el Volt.

TENSÌÓN ELÉCTRICA

Se define como la oposición al paso de los electrones. Su unidad es el Ohm.

Son circuitos cerrados por donde pasa la corriente eléctrica.

Un circuito está formado por varios elementos:

Generador de corriente: pila, batería

Receptor: bombilla, motor, timbre…

Cables conductores: cobre, otros metales

Elementos de maniobra: interruptores, pulsadores, conmutadores

Elementos de protección : fusibles

La potencia eléctrica se define como la cantidad de trabajo realizado por una corriente eléctrica, y se puede expresar por la siguiente expresión matemática:

Potencia (Watts) = Tensión (Volts) x Corriente eléctrica (Amperes)

En los circuitos eléctricos que utilizan lámparas de filamento, la potencia total se le denomina potencia activa o efectiva en la producción del trabajo útil, esto es, en calentar el filamento hasta la incandescencia.

Cuando se tienen lámparas de descarga eléctrica, como las fluorescentes y las de aditivo metálico, estas requieren de un balastro para proporcionar la tensión de encendido necesaria. Como estos balastros no aprovechan al cien por ciento la energía eléctrica para su funcionamiento, se producen pérdidas debido a la energía que se necesita para formar un campo magnético necesario para el funcionamiento del transformador eléctrico. A la potencia que se utiliza para generar el campo magnético necesario para que funcionen los motores o los transformadores eléctricos se le denomina potencia reactiva y su unidad es el VAR.

Es un indicador sobre el correcto aprovechamiento de la energía, de forma general es la cantidad de energía que se ha convertido en trabajo.

El factor de potencia puede tomar valores entre 0 y 1, lo que significa que:

El valor ideal del factor de potencia es 1, esto indica que toda la energía consumida por los aparatos ha sido transformada en trabajo. Por el contrario, un factor de potencia menor a la unidad significa mayor consumo de energía necesaria para producir un trabajo útil.

La mayoría de los equipos eléctricos utilizan potencia activa o real que es la que hace el trabajo real y utilizan también la potencia reactiva, la cual no produce un trabajo físico directo en los equipos.

Un alto consumo de energía reactiva puede producirse como consecuencia principalmente de:

Un gran número de motores.

Presencia de equipos de refrigeración y aire acondicionado.

Una sub-utilización de la capacidad instalada en equipos electromecánicos, por una mala planificación y operación en el sistema eléctrico de la industria.

Un mal estado físico de la red eléctrica y de los equipos de la industria.

Además del incremento en el importe de la facturación, un bajo factor de potencia también deriva en los siguientes problemas:

Mayor consumo de corriente.

Aumento de las pérdidas en conductores.

Desgaste prematuro de los conductores.

Sobrecarga de transformadores y líneas de distribución.

Incremento en caídas de voltaje.

30

Las compañías suministradoras de energía penaliza a los usuarios que tienen un FP inferior al 90% y los bonifica en caso contrario:

Condición Suministradora Valores máximos

FP<0.9Penalización por bajo FP

10019.0

5

3(%)

FPónPenalizaci

Penalización120 %

FP>0.9Bonificaión por alto FP

1009.0

14

1(%)

FPónBonificaci

Bonificación2.5%

Ya que el bajo factor de potencia se origina por la operación de motores eléctricos, es necesario compensar este consumo reactivo mediante bancos de capacitores y/o filtros de armónicas.

Se pueden manejar tres arreglos para la aplicación de capacitores, los cuales pueden combinarse entre sí según el arreglo que más beneficie en cada caso.

Actualmente en México existen 33 tarifas eléctricas, las cuales se pueden clasificar en:

Domésticas (7)

Servicio público (3)

Riego agrícola (2)

Servicios generales (20)

Dentro de las tarifas de servicios generales se dividen en: alta (12), media (6) y baja (3) tensión

Son disposiciones específicas que contienen las cuotas y condiciones que rigen para los suministros de energía

Se identifican oficialmente por su número y/o letra(s), según su aplicación

TARIFAS ELÉCTRICAS: DEFINICIÓN

Tarifa Descripción

1 Servicio doméstico: 1, 1A, 1B, 1C, 1D, 1E, DAC

2 Servicio general hasta 25 kW de demanda

3 Servicio general para más de 25 kW de demanda

5, 5A Servicio para alumbrado público

6 Servicio para bombeo de aguas potables o

negras, de servicio público

7 Servicio temporal

9 Servicio para bombeo de agua para riego

agrícola en baja tensión

TARIFAS ELÉCTRICAS: TIPOS (1)

Tarifa Descripción

O-M Tarifa ordinaria para servicio general en media

tensión con demanda menor a 100 kW

H-M Tarifa horaria para servicio generalen media

tensión, con demanda de 100 kW o más

H-MC Tarifa horaria para servicio generalen media

tensión, con demanda de 100 kW o mas, para

corta utilización (Baja California)

H-S, H-T Tarifas horarias para servicio general alta tensión

H-SL, H-L

TARIFAS ELÉCTRICAS: TIPOS (2)

38

Tarifa

HM-R, HM-

RF, HM-RM,

HS-R, HS-RF,

HS-RM,

HT-R, HT-RF,

HT-RM

I15, I30

Descripción

Tarifas horarias para servicio de respaldo

Tarifa de uso general para servicio

interrumpible

TARIFAS ELÉCTRICAS: TIPOS (3)

39

Específicas:

1, 1-A, 1-B, 1-C, 1-D, 1-E, DAC, 5, 5-A, 6, 9 y 9-M

Generales:

2, 3, 7, O-M, H-M, H-MC, H-S, H-T, H-SL, H-TL, HM-R,

HM-RF, HM-RM, HS-R, HS-RF, HS-RM, HT-R, HT-RF,

HT-RM, I-15 e I-30

TARIFAS ELÉCTRICAS: CLASIFICACIÓN

40

Cargos y bonificaciones: Redondeo

Cargos fijos, cargos por demanda y bonificaciones: a dos decimales

Cargos por energía de las tarifas no horarias: a tres decimales

Cargos por energía de las tarifas horarias: a cuatro decimales

41

Tensión de suministro

Baja tensión: tensión <= 1000 volts

Media tensión: 1 kV < tensión > 35 kV

Alta tensión (nivel subtransmisión): 35 kV < tensión > 220 kV

Alta tensión (nivel transmisión): tensión >= 220 kV

42

Regiones tarifarias

Se consideran diferentes regiones y estaciones en los costos del suministro de energía eléctrica con el objeto de reflejar el costo real del servicio

Norte Baja

California

Baja California

Sur

Noroeste Noreste

Central

Sur

Peninsular

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Carga instalada: Es la capacidad total en kW conectada a la instalación eléctrica Demanda: Es el valor en kW medido en un instante Demanda máxima: Es la demanda medida en kW durante cualquier intervalo de 15 minutos, en el cual el consumo de energía eléctrica fue mayor que en cualquier otro intervalo de 15 minutos en periodo de consumo

Conceptos de facturación eléctrica: Carga y Demanda

COSTO – BENEFICIO POR EL CAMBIO A SISTEMAS

EFICIENTES

COMPARACIÓN RELATIVA DE LA EFICIENCIA Y LOS LÚMENES ENTRE LAS LÁMPARAS DE LEDS Y LÁMPARAS

FLUORESCENTES.

COMPARATIVO ENTRE LAMPARAS FLUORESCENTES COMPACTAS DE BAJO CONSUMO

LAMPARAS FLUORESCENTES COMPACTAS

9W 28 lm/W

11W 36 lm/W

13W 46 lm/W

17W 68 lm/W

LAMPARAS INCANDESCENTES

25W 10 lm/W

40W 12 lm/W

60W 13 lm/W

75W 14 lm/W

Consideremos una situación que requiere 10 sistemas de 2 lámparas cada uno, con 3000 horas de operación al año y un costo de energía de $ 1/kWh.

• T12 + balastro magnético: 87 W por sistema, 4726 lm de salida. • T8 + balastro electrónico: 58 W por sistema, 4928 lm de salida.

El sistema T8 da un poco más del 4% extra en la salida.

Con flujos mensuales de efectivo: 250 horas al mes.

• T12: 10 X 0.087 kW X 250 h/mes X 1 $/kWh = 217.5 $/mes • T8: 10 X 0.058 kW X 250 h/mes X 1 $/kWh = 145.0 $/mes Ahorro mensual = 72.5 $/mes.

El costo aproximado de 10 sistemas de (balastro + 2 T8s) es del orden de $ 2400

2400$/72.5$/mes = 33 meses 70 % de Vida nominal de lámparas T8= 14,000 h 56 meses!

BENEFICIO ECONÓMICO POR EL CAMBIO DE LUMINARIOS A TECNOLOGÍA EFICIENTE EN EL CECYT 11

WILFRIDO MASSIEU

DESCRIPCIÓN

LUMINARIO

FLUORESCENTE

DE 2 X 32 W

LUMINARIO

FLUORESCENTE

DE 2 X 28 W

Potencia total en Watts

(potencia de las lámparas más

pérdidas en el balastro)

69 W 61 W

Operación anual (base del

cálculo) 2800 horas 2800 horas

Consumo anual 193.20 kWh 170.80 kWh

Costo del kWh (tarifa 1) $ 2.951 $ 2.951

Costo consumo anual $ 570.13 $ 504.03

Número de luminarias

instaladas 1004 1004

Costo total anual $ 572 413.73 $ 506 046.92

Diferencia $ 66 366.80

Por ciento de diferencia 11.59 %