UPS integrada con Flywheel para aplicaciones Industriales

Documento 109 Rev. 2

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Objetivo

Este documento tratará sobre el significativo crecimiento de las aplicaciones industriales altamente automatizadas, que ha convertido a los procesos en sistemas de misión citica. En un intento de mejorar la eficiencia, muchos de estos procesos de manufactura se han pasado al control digital mediante equipos computarizados altamente sofisticados. Este documento mostrará cómo un sistema UPS basado en la tecnología de volanta giratoria (Flywheel) puede efectiva y predeciblemente proteger las cargas computarizadas de misión crítica que manejan directamente la producción en las empresas de manufactura.

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Los Procesos Industriales Convertidos en Sistemas de Misión Crítica

La competencia global está conduciendo a los usuarios industriales a reevaluar cada aspecto sobre la eficiencia de las fábricas. Con este fin, se están incrementando cada vez más los niveles de automatización, especialmente en las áreas de proceso y control de las maquinarias, las comunicaciones y la automatización computarizada del flujo de los materiales. En esencia, la electrónica está invadiendo las áreas de producción de manera semejante a como proliferaron los computadores de escritorio en las oficinas hace unos 10 o 20 años. Ahora el trabajador promedio de una fábrica, a semejanza de su contraparte de las oficinas, está equipado con la tecnología más avanzada de computación en la búsqueda interminable de una mayor productividad, mejor calidad y costos fijos más bajos. Un arsenal de equipos automatizados es ahora cosa común en los sitios de fabricación (Ver Figura 1).

Figura 1. Botellas de cerveza en una planta de embotellamiento automatizada.

Tanto los controladores de los motores de baja potencia como los variadores de velocidad para los motores de alta capacidad están siendo instalados para disminuir los cargos por consumo de energía eléctrica y para proporcionar un mejor control sobre los procesos. Los controladores programables se han generalizado debido a su importancia en la mejora de la calidad de los productos mediante el mejoramiento del control, las comunicaciones y la obtención de información. Las estadísticas de producción en tiempo real están siendo utilizadas por una audiencia cada vez más amplia que va desde el operador de las máquinas hasta la alta gerencia. Estas herramientas para mejorar la competitividad son vulnerables al mismo tipo de perturbaciones de la calidad de energía que aquellas que amenazan a aplicaciones más tradicionales de la tecnología informática (IT). La ocurrencia de apagones y perturbaciones de voltaje pueden momentáneamente interrumpir la producción o causar daños significativos a las máquinas o pérdidas de producción. Por ejemplo, en la industria de los semiconductores existen ciertos pasos en el proceso de difusión que son críticos, y una temperatura incorrecta o la mala operación de un temporizador pueden convertir un lote de producción en un deshecho muy costoso. Las fallas de energía en ciertos procesos de extrusión, que se integran en serie, resultan en la pérdida de un lote de producto terminado y en serios daños de la maquinaria. Las máquinas pueden atascarse con materia prima si la función de los calefactores falla o si el controlador de los motores se dispara por sobrecarga.

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Adicionalmente, un entorno industrial presenta significativamente mayores riesgos para los

equipos electrónicos que los que se presentan en un centro de cómputo con aire acondicionado, debido a las grandes fluctuaciones de temperatura y alta contaminación ambiental. Además, las plantas de producción pueden estar localizadas en sitios remotos o ser alimentadas por una red eléctrica vieja y poco robusta. Un estudio del Instituto de Investigación de la Energía (EPRI), sobre los problemas recurrentes de la energía en los Estados Unidos, revela que anualmente más del 90% de las instalaciones de la industria manufacturera experimentan disminuciones temporales del voltaje (Sags) mayores al 20% del valor nominal1. El estudio también establece que anualmente se presentan más de 30 disminuciones transitorias de voltaje que exceden el 10% del voltaje nominal. Otro problema a considerar son los cortes completos de energía, cuya frecuencia de ocurrencia varía alrededor del mundo. Solución a los Problemas de Energía

Históricamente ha habido diferentes tentativas para solucionar los problemas eléctricos mediante soluciones distribuidas o localizadas, tales como la colocación de pequeños sistemas de UPS en los circuitos de control de las máquinas, o colocando dispositivos de almacenamiento de energía sobre los barrajes de DC de los controladores de motores. También se han utilizado generadores Diésel, pero estos, típicamente, son utilizados solamente después de que la planta ha sufrido un apagado repentino y no están bien coordinados con las necesidades totales de energía. Recientemente, el mercado de la industria ha preferido sistemas de UPS centralizados con capacidad para proveer energía de calidad y almacenamiento temporal de soporte para mantener las plantas operando sin dificultades. Diseños de UPS

Existen dos tipos principales de sistemas de UPS que se utilizan en la industria manufacturera. Ellos varían tanto en la topología como en el método usado para el almacenamiento de la energía. Doble-conversión Los UPS de doble conversión aíslan completamente las cargas de IT de la energía no acondicionada de la red comercial. Como su nombre lo indica, estos UPS convierten, en condiciones normales, dos veces la energía comercial- primero de AC a DC y después en sentido contrario de DC a energía de AC ya acondicionada. La UPS de doble conversión siempre acondiciona la energía comercial para la carga, así sea que esta energía no presente ninguna perturbación. La mayoría de los sistemas de doble conversión utilizan baterías químicas – conocidas como baterías de plomo ácido de válvula regulada, o VRLAs – para proveer el almacenamiento de la energía y así superar la emergencia energética.

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Paralelo en línea Los sistemas UPS paralelo en línea colocan los circuitos de inversor y cargador, o trasformador, en paralelo con la energía comercial. En este diseño, la calidad de la onda de salida está determinada por el inversor interno, no de la forma de la onda de entrada. Si la forma de onda de salida a la carga se desvía de la forma de onda seno pura, el UPS conmuta y utiliza el inversor para corregir la forma de la onda y retornarla a su forma senoidal. Esto es muy similar a lo que hace un UPS de doble conversión para mantener una buena calidad de onda a la salida. La diferencia es que, exceptuando el período de descarga, el inversor no tiene

que suministrar la totalidad de la potencia de salida que se requiere para la carga. Cuando la energía comercial no está disponible o se sale de los límites aceptables el UPS paralelo en línea entra en modo de energía almacenada. El UPS desconecta la carga de la energía comercial y re- direcciona la carga a la energía almacenada mediante el switche estático. Los sistemas Active Power CleanSource UPS Y CleanSource HD UPS son ejemplos de tecnología paralela en línea. Ellos son activados por el movimiento: en el núcleo de cada UPS existe integrada una máquina Flywheel que almacena energía cinética – energía en forma de movimiento – mediante la rotación continua de un rotor compacto en un entorno de bajo rozamiento (ver Figura 2). Cuando se requiere energía de respaldo de corta duración, por fluctuaciones o ausencia de la energía comercial, la inercia del Flywheel permite que esta volanta siga girando y que la energía cinética sea convertida en energía eléctrica para alimentar la carga. El Flywheel ahora hace las veces de las baterías como medio de almacenamiento de energía y se constituye en una solución más compacta, más confiable, económica y bien adaptada a las necesidades industriales.

300 Series Flywheel

HD Series Flywheel

Altura 4.4”; 25.5” de diámetro; 600 Libras de masa giratoria

12.5” de altura; 12.5” de diámetro; 1700 libras de masa giratoria

Almacena 4.3 MJ de energía (240 kW durante 15 segundos)

Almacena 12.65 MJ de energía (675 W durante 15 segundos)

Figure 2. CleanSource Flywheels

Consideraciones Para Seleccionar un Ups

La selección de un UPS requiere la comparación de varios factores que identifican la correcta adaptación de la solución a cada necesidad. Entre estas consideraciones están: - - - - -

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Método de almacenamiento de la energía Protección de la carga Confiabilidad Cantidad de espacio requerido Costo total para el propietario

Almacenamiento de la Energía Los sistemas convencionales de UPS utilizan las baterías VRLA para almacenar energía por unos cuantos minutos que dan tiempo a que una fuente de energía de emergencia entre en operación. Aunque las baterías son la tecnología común para almacenar energía en forma económica y abundante, existen limitaciones para su instalación en un medio industrial. Primero, las baterías presentan desgaste por el uso frecuente, y deben ser reemplazadas normalmente cada 4 o 6 años para conservar su capacidad de almacenamiento de energía. En aplicaciones industriales, en donde se requiere el respaldo frecuente del UPS, el reemplazo debe ser más frecuente. Segundo, las baterías deben ser instaladas y mantenidas en un ambiente de temperatura controlada en forma precisa a 25 grados Celsius. Las fluctuaciones por arriba o por debajo de esa temperatura pueden degradar significativamente la vida útil delas baterías. Por lo anterior, se hace necesario la adición de un sistema de aire acondicionado para el cuarto de baterías, lo cual incrementa el costo de la energía por las necesidades energéticas del sistema de enfriamiento. Tercero, se requiere especial atención para instalar y mantener las baterías en forma segura. Esto requiere ventilación, seguridad contra incendios, monitoreo y sistemas de seguridad personal, específicamente para su operación, y pueden requerirse permisos adicionales o aprobaciones especiales de las agencias reguladoras debido a estas consideraciones. En comparación con las baterías, el Flywheel del CleanSource ofrece ventajas significativas. El Flywheel del CleanSource no sufre ninguna degradación por el tiempo de uso cuando se descarga. El Flywheel puede ser utilizado para proteger la carga frecuentemente, y a fondo, por el tiempo de vida del equipo, que es de 20 años, y todavía conserva su capacidad inicial de almacenamiento. Esta es una conveniencia significativa que implica ahorros. Para el caso de las aplicaciones industriales, con frecuentes sags de voltaje y descargas del sistema Flywheel esta solución es más confiable y económica que la típica solución basada de UPS basada en baterías. El CleanSource con Flywheel soporta un amplio rango de temperaturas de operación que van de 0 a 40 grados Celsius sin ningún impacto en su funcionamiento. Esto permite que estos UPS puedan ser instalados en localidades en donde los sistemas de enfriamiento resultan costos o no están disponibles, como ocurre en los espacios de las fábricas. Los CleanSource UPS pueden también operar a mayores temperaturas ambientes y producen menos disipación de calor lo cual mejora de manera sensible los costos y la carga térmica. Finalmente, el diseño libre de baterías reduce los costos de instalación y operación tales como la ventilación y seguridad contra incendios, esto comparado con las soluciones convencionales de UPS. Esto simplifica y mejora la flexibilidad del UPS y puede reducir las preocupaciones respecto a los permisos de las agencias reguladoras. Protección de la carga

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Tanto los sistemas UPS de doble conversión como los del tipo paralelo en línea son medios apropiados para manejar las perturbaciones que afectan a la calidad de la energía. Como se

muestra en la Figura 3 abajo, las características de verdadera topología paralelo en línea del CleanSource UPS, habilitada por el Flywheel, corrige todo tipo de problemas de calidad de energía. La salida del CleanSource UPS está conectada directamente a un inversor de alta velocidad de IGBT (transistores bipolares de compuerta aislada) que acondiciona el voltaje para la carga. Debido a que el inversor es conmutado a una frecuencia 100 veces más alta que los 60 Hz de la red, este puede hacer correcciones al voltaje de salida en términos de tiempo de fracciones de ciclo. Esto significa que cuando se detecta a la entrada del CleanSource UPS cualquiera de las nueve perturbaciones de la energía definidas por la IEEE, estas son corregidas en forma activa mediante los supresores de transitorios de voltaje (TVSS), las inductancias de línea, los filtros activos, lo convertidores de energía y el sistema tolerante de almacenamiento de energía, el Flywheel.

Inductor de Línea Contactor de Entrada

Disconectador Estático

Fusible del Inversor

Contactor de Bypass

Contactor de Salida

Inductor de Filtro

Volante Giratorio

Convertidor de Volante Giratorio

Convertidor de Salida

Figura 3. CleanSource arquitectura paralela en línea

El reporte del EPRI sobre las perturbaciones de la energía establece que la mayoría de los problemas, consiste en descensos de un 10 a un 30% del voltaje nominal con una duración de tiempo entre 3 y 30 ciclos. Esta es la clase de perturbación que hace que un variador ajustable de velocidad (ASD) momentáneamente interrumpa un proceso o permanentemente dispare una línea de producción. El CleanSource UPS opera continuamente para asegurar que el voltaje de salida este dentro del 1% del valor nominal. El sistema de UPS que integra el Flywheel corrige las subidas y descensos de voltaje hasta de un 10% por arriba y 15% por debajo del valor nominal, sin importar la duración de la perturbación y sin utilizar la energía almacenada en el Flywheel. Para desviaciones fuera de este rango el UPS desconecta la energía comercial e inmediatamente comienza a suministrar la energía a la carga tomándola de su energía almacenada, sin que se detecte cambio alguno en la energía de salida, el UPS se reconectará a la energía comercial una vez esta retorne a la normalidad. Confiabilidad Debido a las expectativas que se crean alrededor de los resultados económicos que se esperan de estos equipos en una instalación industrial, un aspecto crítico es evaluar la confiabilidad de los sistemas de UPS

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En la mayoría de los sistemas convencionales de UPS, las baterías son las más propensas a fallar ya sea por uno de sus componentes o un subsistema. La falla de las baterías es la causa principal de la caída de la carga conectada a un UPS y del tiempo muerto del sistema, causando más de la tercera parte de todas las pérdidas de energía de los sistemas críticos2. La falla de las baterías es impredecible debido al envejecimiento, estado de la carga, eventos de carga y descarga y períodos entre estos eventos, los cuales resultan en una disminución de su confiabilidad. El almacenamiento de energía en la volante giratoria (Flywheel) es la base del CleanSource UPS, lo cual lo hace una fuente de respaldo, inherentemente confiable, predecible y consistente. El estado normal de un CleanSource UPS implica la rotación constante del Flywheel, almacenando así la energía cinética. Cuando el sistema es exigido durante un apagón u otros eventos de calidad de energía, el Flywheel está listo para asumir la carga. Un estudio de la firma evaluadora de riesgos MTechnology, Inc. concluyó que el CleanSource UPS de Active Power puede reducir el riesgo de falla en un 80%, en comparación con los UPS convencionales con baterías en caso de fallas de la energía comercial inferiores a 10 segundos.3 Cantidad de espacio Requerido La cantidad de espacio requerido por un UPS es otra consideración muy importante. El espacio requerido por un UPS y otros sistemas de respaldo de energía puede, en muchos casos, tener mejor aplicación para la instalación de equipos más dirigidos a la producción de la fábrica o puede requerir una inversión adicional para acomodar el UPS. Los sistemas CleanSource UPS y CleanSource HD UPS ofrecen significativamente más densidad de energía que los UPS convencionales con baterías. Como se ilustra en la Figura 4, abajo, el CleanSource HD UPS ocupa alrededor de la mitad del espacio requerido por los UPS convencionales más adelantados. El beneficio de la alta densidad de energía en aplicaciones industriales es significativo. Esto permite reducir la cantidad de espacio ocupado por la infraestructura eléctrica liberándolo para otros equipos o para espacio de trabajo de personal. Si en etapas tempranas de un proyecto se identifica un UPS que requiera poco espacio, esto puede representar un ahorro tremendo en la construcción de la planta o edificio. Un espacio requerido pequeño también puede facilitar la adición de un UPS a una instalación existente que requiere actualizar su sistema de acondicionamiento de la energía.

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Figura 4. Comparación de espacios requeridos para un UPS de 750 kVA. Basada en las especificaciones publicadas de UPS de 750 kVA (480 V) y 625 kVA (400 V), con gabinetes de baterías, Vs CleanSource 750HD.

Total Cost of Ownership La manera usual de valorar económicamente un sistema de UPS es el costo Total para el propietario (TCO); esto incluye la inversión inicial más costos de mantenimiento y operación por un periodo determinado de tiempo. El TCO normalmente es evaluado por períodos que van de 5 a 10 años; de esta manera se considera el costo económico total estimado a lo largo de la vida del equipo. Algunos aspectos que determinan el TCO de un UPS:

Factores Primarios para el TCO Costo del Sistema Costo de Instalación Eficiencia Energética del UPS Costo de la Energía Costo de Reemplazo de Consumibles

Factores Secundarios Para el TCO Espacio Requerido / Costo del m2 Requerimientos de Enfriamiento / Costo del Enfriamiento Monitoreo de baterías

Requerimientos de Mantenimiento El mayor beneficio del sistema de UPS integrado con Flywheel es la eficiencia energética de operación. Mientras que la mayoría de los UPS de doble conversión presentan eficiencias entre el 92-94%, el CleanSource UPS opera al 98% de eficiencia a plena carga. Esta diferencia en eficiencia puede rápidamente significar una disminución adicional en los costos. Como un ejemplo, para un UPS que protege una carga de un megavatio, con un costo promedio de US$ 0.10 Por kWH, la diferencia de un 4% en eficiencia significa un ahorro anual de más de US$ 40.000. Otros ahorros de energía provienen de la eliminación del enfriamiento requerido por las baterías para mantenerlas a la temperatura recomendada de 25 grados Celsius y para eliminar el calor extra producido por la ineficiencia del UPS; esto significa, para este caso, un ahorro adicional de US$ 12.000 por año. El sistema de almacenamiento de energía por Flywheel, en sí mismo, es la segunda mayor fuente de ahorro a lo largo del ciclo de vida del sistema. Un sistema de baterías de plomo ácido, utilizado en los UPS convencionales, requiere típicamente de dos reposiciones cada 10 años. Si se trata de un sistema de 675 kW, cada reemplazo excedería, típicamente, los US$ 75.000. En contraposición, un sistema CleanSource UPS con Flywheel no requiere reposiciones de este tipo, resultando así en un ahorro que excede los US$ 150.000 en un período de 10 años.

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UPS Convencional

Aprox. US $260K de ahorros a lo largo de 10 años

CleanSource HD

Precio de compra competitivo Menor precio instalado

TCO efectivo a partir del dia 1

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Año

6

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8

9

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Figura 5. Comparación entre el TCO del CleanSource HD UPS y una UPS tradicional. Se asumen una caga de 1 MW con diseño 2N, Un sistema CleanSource HD UPS de 750 HD, eficiencia del 96%, un UPS convencional de 94% de eficiencia con baterías VRLA para 6 minutos con 5 años como ciclo de reposición y un costo de energía de US$ 0.10 /kWH.

Como se muestra en la Figura 5, el CleanSource HD UPS ahorra más del 50% de los costos anuales frente al UPS convencional equivalente y más de US$ 260.000 en total de ahorros a lo largo de 10 años. Combinando esto con el valor de la inversión inicial, que es comparable, se concluye fácilmente que el ahorro en el TCO hace del CleanSource UPS y del CleanSource HD UPS la solución ideal para el mercado de los UPS en aplicaciones industriales. Los Cleansource UPS en Acción

Refinación Pemex

Pemex es una subsidiaria de Pemex, empresa de petróleos nacional de Méjico. Pemex es la segunda non-publicly Company en el mundo en términos de su valor de mercado y la mayor empresa petrolera fuera del Medio Oriente. La organización es una empresa que bombea crudo, gasolina y diésel entre diferentes ciudades en Méjico.

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Los motores y turbinas de Refinación Pemex, en sus estaciones de bombeo, contienen controles muy sensibles, lo que hace que su operación sea muy crítica en el aspecto de la calidad de la energía. Como muchas de sus estaciones de bombeo se encuentran en áreas

remotas y alimentadas de los sistemas más alejados de la red eléctrica entonces la energía disponible es de muy pobre calidad y poco confiable. Las estaciones de bombeo también operan en cascada y dependen mutuamente una de otra- si una bomba sale de servicio, las otras también se detienen- esto magnifica la importancia de mantener a cada una de las estaciones operativas y en funcionamiento. Refinación Pemex ha instalado más de 20 megavatios en equipos CleanSource UPS de Active Power a través de 22 estaciones en Méjico, de esta manera protege las cargas de motores de la estaciones de las fallas de energía. La arquitectura paralela en línea del CleanSource UPS permite que estos equipos puedan soportar en forma efectiva las corrientes instantáneas de arranque y switcheo típicas de las cargas inductivas. Además, sus características de operar sin baterías, su habilidad para operar en ambientes industriales, el poco espacio requerido, y bajos requisitos de mantenimiento hace de estos equipos la mejor solución para las necesidades de Pemex. El diseño robusto e inherentemente confiable del CleanSource UPS hace de este sistema la solución ideal para soportar estas misiones críticas de estaciones de bombeo, asegurando de esta manera que tanto el gas como los derivados del petróleo fluyan continuamente y eviten las potenciales pérdidas de ingresos y daños en los equipos.

“La carencia de energía constante y confiable para apoyar nuestras operaciones era un dolor de cabeza omnipresente de la gerencia antes de que instaláramos el CleanSource UPS. Desde la instalación, estamos muy contentos con la mejora en nuestras operaciones cotidianas.”



– Mauro Caceres, General Superintendent, Operations

Heineken

1864 Heineken International es la tercera empresa fabricante de cerveza más grande del mundo y posee más de 190 cervecerías en más de 70 países. Heineken elabora y vende más de 170 cervezas especiales regionales, locales y de especialidad internacional.

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Una de las plantas de producción de Heineken está localizada en la isla Saint Denis, Reunión, que es una isla Francesa sobre la costa este de África. La fuente de energía comercial no es confiable y produce micro-cortes y otras perturbaciones críticas que afectan ocasionalmente la producción y causan tiempo muerto y pérdidas económicas. Cada segundo perdido le cuesta a la cervecería aproximadamente US$ 2 en costos operativos, o sea más de US$ 170.000 diarios. Heineken requirió una solución de energía de respaldo robusta e insensible a los cambios de la temperatura ambiente que pudiera ser instalada justo en el sitio de producción.

Heineken eligió instalar un CleanSource UPS de 750 KVA producido por Active Power para proteger sus operaciones sensibles de la inconsistencia de la energía comercial. Debido a su diseño electromecánico robusto, el sistema pudo ser instalado en el piso de producción de la fábrica sin la necesidad de equipo de enfriamiento. Un UPS convencional basado en baterías hubiera requerido del diseño y construcción de un espacio acondicionado especialmente para almacenar las baterías, lo cual económicamente no era una opción para la cervecería. Esta solución proporciona 25 segundos de energía de reserva, suficiente tiempo para proceder con una parada ordenada de la línea de embotellamiento. Desde su instalación, el CleanSource UPS ha experimentado centenares de descargas sin causar interrupción a las líneas de producción del cliente. Desde entonces la cervecería ha instalado sistemas CleanSource UPS en cinco sitios más de producción, incluyendo Congo y Haití. Conclusión

La automatización en el mercado industrial está cambiando la filosofía de la fabricación, del procesamiento por lotes a procesos de misión crítica. Incluso una pequeña perturbación en la energía puede tener implicaciones significativas en la producción de una planta industrial, ya sea que se trate de una fábrica de papel o de una compañía embotelladora de agua. El sistema integrado de UPS con Flywheel proporciona ventajas significativas para estos usos. Controla con eficacia las causas principales del tiempo improductivo, tales como transitorios, subidas y bajadas de voltaje, y pérdidas totales de energía. Además, está bien adaptado para los ambientes eléctricos extremos, como los de plantas industriales. El hecho de que el sistema se puede instalar virtualmente en cualquier sitio, aún en la proximidad del equipo que está protegiendo, resulta ser un aspecto muy atractivo. Puesto que no hay baterías químicas tampoco se requiere de un control estricto de temperatura. Existen ventajas muy significativas entre esta solución que tiene el 98 por ciento de eficiencia y la otra tecnología de la competencia, lo cual resulta en una valor del TCO notablemente inferior. Finalmente, se ha demostrado que la UPS basada en la volanta giratoria presenta ventajas significativas de confiabilidad sobre los sistemas basados en baterías, reduciendo el riesgo de falla del sistema en un 80 por ciento. La integración del Flywheel, o volanta rotatoria, para el almacenamiento de energía en los sistemas de UPS industriales y de manufactura está dirigida a solucionar los aspectos que preocupan en estas aplicaciones. Los sistemas CleanSource UPS de Active Power han demostrado, en forma inequívoca, que son más seguros, más confiables, y menos costosos para el propietario que los UPS tradicionales basados en baterías.

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References 1

EPRI, “An Assessment of Distribution System Power Quality,” TR 106249-V2, May 1996.

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P. Jones, Avoiding Battery Failure and Outages, DatacenterDynamics,

http://www.datacenterdynamics.com/critical-environment/avoiding-battery-failure-and-outages/85881.fullarticle, Apr. 14, 2014. 3

Active Power White Paper 115, Mitigating Risk of UPS System Failure, http://www.activepower.com/white-paper-115/,

Aug. 2014.

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