Page 1

VERA, Rafael. “Modelo de gestión del conocimiento”

Investigación aplicada e innovación Volumen 5, N.o 2 Segundo semestre, 2011 Lima, Perú

ISSN 1996-7551

Editorial......................................................................................................................................................................

93

Diseño de Proyectos Industriales Operacionales.............................................. José Rojas

97

Análisis del Consumo de Energía Eléctrica en una Industria Usando Inteligencia Artificial........................................................................................................ Miguel Orellana

102

Guía para el Diseño de Programas de Desarrollo de Capacidades Humanas en Proyectos de Responsabilidad Social........................................................... Henry Gómez.

11 5

Estabilidad Transitoria del Modelo Dinámico de una Turbina Eólica de Velocidad Variable..................................................................................................................... Alberto Ríos

127

Estabilidad Transitoria de Parques Eólicos de Velocidad Variable......................... ...................................................................................................................................................................Alberto Ríos

137

Aplicación de los Métodos Combinados en la Conservación del Blanquillo Moqueguano (durazno)................................................................................................... Ricardo Benites

147

Estudia y Simulación de las Configuraciones de Transformadores para el Mejoramiento de la Calidad de Energía..................................................................... Oscar Peña

155

Método Alternativo para la Producción Directa............................................... Marco Polo

163

¿Cómo Evaluar el Logro de los Resultados del Estudiante? Caso: Tecsup – Perú........................................................................................................... Henry Gómez

171

Metalurgia Extractiva de Tierras Raras............................................................ Fathi Habashi

179

Invest Apl Innov 3(2), 2009

93


EDITORIAL Con este número estamos cerrando el quinto año de publicación de la revista I+i, y se puede observar que la acogida y aceptación a este medio indexado de comunicación para temas vigentes de ciencia aplicada e ingeniería continúa creciendo. En este número contamos con importantes contribuciones de autores nacionales y extranjeros que nos comunican sus interesantes hallazgos. Todos los artículos que aparecen en la revista han sido previamente arbitrados y evaluados por pares calificados y prestigiados, a quienes queremos agradecer por su importante colaboración. Los temas tratados en este número cubren las áreas de sistemas de energía, optimización, monitoreo remoto, tecnología agrícola, gestión y metalurgia. 95

Comité Editorial

Compendio_2012A_pag1-4.indd 95

2/13/12 6:19 PM


Compendio_2012A_pag1-4.indd 96

2/13/12 6:19 PM


Diseño de Proyectos Industriales Operacionales Operational Industrial Project Design

José Rojas, Tecsup

Resumen

INTRODUCCIÓN

En el mercado actual podemos encontrar una gran varie-

Uno de los problemas que enfrenta una persona al momento

dad de textos relacionados a proyectos de inversión privada,

de elaborar un proyecto es establecer el esquema con el cual

pero muy poca información sobre cómo elaborar y evaluar

va a trabajar: los proyectos de orden operacional presentan

proyectos de tipo operacional. Es por ello que la presente

una estructura muy distinta a los proyectos de inversión priva-

investigación tiene como objetivo central diseñar una es-

da (proyectos empresariales). Se dice que ningún proyecto es

tructura estándar para este tipo de proyectos y que sirva de

igual a otro. En ese sentido, la presente investigación plantea

documento guía tanto a formuladores y evaluadores, como

una estructura estándar que facilitará al formulador tener en

a personas que recién se estén iniciando en este fascinante

cuenta las consideraciones necesarias para la elaboración de

mundo de los proyectos. La metodología empleada en la pre-

su proyecto.

97

sente investigación fue la del análisis documental, engarzada a la experiencia propia del autor como consultor y asesor de

De acuerdo con el tipo de proyecto a emprender, pueden con-

proyectos.

siderarse todos o parcialmente los puntos que se encuentran

Abstract In today’s market we can find a variety of texts related to private investment projects but very little information on how to prepare and evaluate operational type projects. That is why the objective of this research is to design a standard structure for this type of project so it can be used as a guidance document for developers and evaluators, as well as for as are people who are just starting in this fascinating world of projects. The methodology used in this research was studded documentary analysis to the author’s own experience as a consultant and project advisor.

debidamente señalados en la estructura propuesta de la presente investigación.

FUNDAMENTOS La mayoría de autores de libros de proyectos presentan en su publicaciones estructuras similares de proyectos privados, enfatizando en estas los aspectos generales, entorno macroeconómico, área de influencia, estudio de mercado, estudio técnico y estudio económico – financiero, pero estas estructuras clásicas no siempre encajan en los proyectos de tipo operacional. Es conveniente señalar que no existe una guía o receta única

Palabras clave

para la formulación y evaluación de proyectos industriales. Sin

Proyecto operacional y estructura de proyectos

neamientos generales para la presentación final de un proyec-

Key words

embargo, algunas instituciones han establecido y diseñado lito industrial.

Operational project and project structure.

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

01_diseno de proyectos_rojas.indd 97

2/13/12 5:38 PM


ROJAS, José E. “Diseño de Proyectos Industriales Operacionales”

Esquema sugerido por entidades

En los proyectos de tipo operacional, generalmente no se elaboran estudios de mercado, que a diferencia de los proyectos

I. Resumen

empresariales si son indispensables para el desarrollo de los mismos.

II. Información complementaria Ejemplos de proyectos operacionales: III. Análisis del estudio de mercado – Ampliación de una planta. IV. Aspectos técnicos – Abandono de líneas de producción. V. Estudio de la organización, de los aspectos legales y del medio ambiente VI. Inversión inicial y financiamiento VII. Estimación y proyección de costos e ingresos VIII. Evaluación económica y financiera IX. Conclusiones y recomendaciones Estas estructuras de proyectos están orientadas solo a pro-

– Reemplazo de activos fijos. – Implementación de un plan de mantenimiento en el departamento de producción. – Implementación de un plan de seguridad y salud ocupacional en minería (según Decreto Supremo N.º 055-2010-EM). – Implementación de un sistema de recupero de desecho industriales. – Proyectos que involucran el outsourcing.

yectos empresariales (creación de nuevas unidades de ne-

98

gocios), no atiendan la demanda de los lectores que buscan

El énfasis de esta investigación se concentra en los proyectos

una estructura de proyectos que se adapte a proyectos de

de tipo operacional, por lo cual las estructuras de proyectos que

naturaleza operacional.

habitualmente encontramos en los textos no serán de mucho ayuda, dado que estas están orientadas a proyectos de imple-

Según Jenner Alegre Elera en su libro Formulación y evalua-

mentación donde si se debe llevar a cabo un riguroso estudio

ción de proyectos, uno de los criterios existentes para tipificar

de mercado.

proyectos es el aspecto de la naturaleza: los proyectos pueden ser de implantación (nuevos proyectos) y de operación

Como resultado de una ardua investigación, se presenta la si-

(racionalización del uso de factores de producción) o una

guiente propuesta de estructura de proyectos operacionales

combinación de ambos (instalación y operación de una in-

aplicables al sector industrial.

dustria). La diferencia entre los proyectos de implantación, o llama-

Estructura y presentación de proyectos industriales operacionales

dos también proyectos empresariales, con los proyectos operacionales radica en que los de implantación buscan crear

Carátula

nuevos negocios o empresas dentro de mercados internos o externos, mientras que los operacionales buscan evaluar

Se indica el nombre del proyecto. Este debe ser claro, de tal ma-

un cambio, mejora o modernización en una empresa ya exis-

nera que permita, solo al leerlo, formarse una idea de lo que se

tente.

persigue con su ejecución. El nombre debe identificar al proyecto durante toda su vida. Además, debe incluirse el nombre

En el primer caso, la evaluación se concentrará en determinar

del promotor del proyecto.

todos los costos y beneficios asociados directamente con la inversión. En el segundo, solo considerará aquellos que son

Ejemplo:

relevantes para la decisión que se deberá tomar. Así, por ejemplo, si se evalúa el reemplazo de una chancadora de mi-

Nombre del proyecto: Instalación de una fábrica de Clinker y

neral de cobre, el costo de la remuneración del operador es

cemento en el departamento de Arequipa

irrelevante, pues sin importar la marca por la que se opte, el sueldo será el mismo.

Promotor: Cementos Otorongo

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

01_diseno de proyectos_rojas.indd 98

2/13/12 5:38 PM


ROJAS, José E. “Diseño de Proyectos Industriales Operacionales”

Índice

– Registro único del contribuyente

Resume los temas y sub temas del trabajo en forma ordena-

– Domicilio legal

da, indicando el número de página de los mismos. – Representante legal Introducción – Información de contacto Da una visión general del problema, es decir, se debe realizar una descripción de la situación actual encontrada y luego

Justificación

plantear su alternativa. Esta sección tiene particular importancia porque representa la exposición racional y la lógica

En esta sección se establecerán los motivos por lo cuales se

que apoya su trabajo. El último párrafo de la introducción

realiza el proyecto. Cuando se trata de proyectos tecnológicos

debe presentar la conclusión del trabajo de aplicación.

o industriales, tendrán valor aquellos justificantes establecidos en términos de disminución de la vulnerabilidad, aumento de

Resumen ejecutivo

la competitividad, mejoramiento de imagen o de garantizar la supervivencia.

En este resumen se deberá presentar una síntesis del estudio que contemple los siguientes aspectos (se recomienda ha-

Para incrementar el atractivo del proyecto es recomendable

cerlo una vez terminado el estudio).

establecer escenarios que describan la posición de la organización una vez alcanzados los resultados esperados, es decir, los

a. Nombre del proyecto

efectos producidos por aprovechar la oportunidad o los derivados de la satisfacción de la necesidad planteada (situación sin

b. Justificación

proyecto vs. situación con proyecto).

c. Objetivo del proyecto

Desde luego, los beneficios esperados del proyecto servirán para justificarlo. Por ello, de manera enfática pero sintética, po-

d. Balance oferta y demanda de la producción

dremos enunciarlos para apoyar la solicitud de recursos. Tam-

99

bién es conveniente realizar algunas reflexiones sobre el costo e. Descripción de la propuesta a implementar

que representa el no aprovechar la oportunidad o atender a la necesidad planteada. Ocasionalmente, una relación beneficio/

f. Inversión

costo poco atractiva pudiera ser menos importante que el costo de oportunidad o la relación de riesgo/costo que pudiera

g. Resultados de la evaluación económica y financiera

existir para la organización.

h. Plazo de implementación del proyecto

Análisis y diagnóstico de la situación actual

Se recomienda que la extensión del resumen ejecutivo no

Los proyectos nacen de una idea, problema, necesidad u opor-

supere las dos páginas.

tunidad en el mercado. Generalmente en la industria se desarrollan proyectos con el fin de solucionar problemas, enten-

Breve antecedente de la empresa

diéndose como problema una situación existente que genera efectos negativos en la organización.

En este capítulo se hace referencia a los aspectos genéricos y características de la empresa en estudio: años en el mercado,

Una vez identificado el problema se plantea realizar un pro-

actividad principal del negocio, visión y misión de la empresa.

fundo diagnóstico, porque solo conociendo realmente en qué consiste el problema podemos plantear soluciones inteligentes

Además de esta información se deberán considerar los si-

para resolverlo.

guientes datos, en caso de que el proyecto sea financiado con recursos externos (prestamos bancarios).

Existen diferentes herramientas para la resolución de problemas que pueden ser utilizadas en la elaboración del diagnós-

– Razón social

tico. Ver cuadro1:

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

01_diseno de proyectos_rojas.indd 99

2/13/12 5:38 PM


ROJAS, José E. “Diseño de Proyectos Industriales Operacionales”

Esquematiza actividades secuenciales de un proceso

Diagrama de flujo Herramientas de tratamiento de “ideas”

De organización

para un mejor conocimiento del mismo. Proporciona ideas sobre un tema, con participación y

Tormenta de ideas

creatividad, para identificar diferentes posibilidades. Permite organizar ideas mediante su relación causal,

De causa-efecto De decisión

De organización Herramientas tratamiento de “datos”

Selección

Permite priorizar en base a criterios cualitativos.

Hoja recogida de datos

Permite la recolección planificada y ordenada de datos.

Histograma

Estratificación Diagrama Pareto De decisión

para facilitar su posterior tratamiento.

Diagrama diapersión

Permite la organización de datos para el análisis de variabilidades de un proceso o suceso. Permite la ordenación de datos en grupos homogéneos respecto a una variable. Permite la priorización en base a criterios cuantitativos. Permite la detección de correlaciones entre dos variables.

Cuadro 1: herramientas clave en la resolución de problemas Fuente: http://www.euskalit.net/pdf/folleto4.pdf

Los resultados previos del diagnóstico de la situación actual

Se recomienda trabajar este punto del proyecto con las perso-

nos permitirán tener un sustento técnico, económico, am-

nas involucradas con el problema.

biental, etc. para el planteamiento de soluciones apropiadas

100

para la resolución del problema.

Ejemplo:

Para la realización del diagnostico de la situación actual se

La empresa Metales del Sur S. A. C. presenta sobrecostos de

tomarán como referencia los siguientes puntos, pudiendo

mantenimiento de sus maquinarias y equipos en su área de

variar algunos de ellos de acuerdo con la naturaleza propia

corte y soldadura.

del proyecto. Involucrados: jefe de producción, supervisión y operarios. – Determinar la metodología más conveniente para la identificación y análisis de problemas según el tipo de

Información a tener en cuenta:

problema a abordar. – Cuaderno de incidencias y reportes – Identificación y análisis de las causas principales y secundarias del problema. – Identificación, medición y análisis de los efectos negati-

– Plan de mantenimiento (si lo tuviese) – Capacidad de producción / día (productividad)

vos del problema (lo que no se mide no se puede controlar).

– Costos de mantenimientos y operación de los últimos cinco años (recomendable)

– Puede darse el caso de que no se trate de un problema si no de una innovación o requerimiento. En este caso se

– Revisión técnica de las maquinas y equipos

planteará el diagnostico desde otra perspectiva. Además de la revisión de la información secundaria, se debe – Para el desarrollo del diagnostico se debe emplear tanto

nrealizar mediciones eléctricas, de aceites, temperatura, emi-

la información primaria y secundaria, existente en la or-

sión de sonidos, etc., dependiendo del tipo de problema a re-

ganización.

solver.

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

01_diseno de proyectos_rojas.indd 100

2/13/12 5:38 PM


ROJAS, José E. “Diseño de Proyectos Industriales Operacionales”

Luego de entender el problema es su real magnitud platea-

Cuando escriba los objetivos específicos, use verbos de acción

mos el objetivo general y objetivos específicos del proyecto.

que indiquen un cambio y la dirección que tomará ese cambio.

Objetivo general

Ejemplo:

El objetivo general debe responder a la pregunta: ¿qué pro-

Nombre del Proyecto: Centro de control de calidad y normali-

blema ayudará a resolver el proyecto? En la medida de lo

zación de productos industriales para la ZER.

posible se debe usar terminología clara, concisa y simple. No necesariamente el informe lo leerá personal relacionado con

Objetivo general

su área (ver figura 1). El objetivo del proyecto es lograr la provisión de buenos serviSolo aquellos proyectos que presenten objetivos claros, pre-

cios de control de calidad y normalización a las industrias, es-

cisos, mensurables y factibles son sujetos de aprobación. La

pecialmente a las de la rama metal-mecánica, proyectadas para

terminología empleada en su redacción tendrá un impacto

instalarse en la ZER.

directo sobre aquellos miembros de la organización encargados de juzgarla.

Objetivos Específicos

El objetivo del proyecto debe estar encaminado dentro del

a. Facilitar a las empresas industriales, los talleres y laborato-

marco de la visión de la empresa. Los proyectos operaciona-

rios requeridos para comprobar la calidad de las materias

les o de implementación deben estar señalados dentro los

primas y de los productos finales.

programas y estos mismos comprendidos en el plan estratégico de la organización.

b. Suministrar servicios para el control y calibración de instrumentos de medida.

Objetivos específicos c. Prestar servicios de medición a aquellas empresas más peLos objetivos específicos deben tener la filosofía SMART:

queñas que no pueden adquirirlos.

101 S

Specific

Concreto

M

Measurable

Medible

A

Achievable

Alcanzable

R

Relevant

Pertinente

T

Trackable

Tiempo

d. Aumentar el nivel técnico mediante la verificación del nivel de cumplimiento de las normas y la colocación, a través de este centro, del “sello de calidad” del producto. e. Aconsejar a las empresas respecto a los métodos para mejorar los controles de calidad y asistirlas en la promoción de actividades destinadas a mejorar la calidad y confiabilidad de los productos. f. Cooperar con centros educacionales para mejorar el entrenamiento de personal en aspectos de control de calidad.

Problema

Objetivo del proyecto

Objetivo general

Objetivo específicos

Es el lado opuesto Son todas las metas del problema, es que se deben decir el problema alcanzar para solucionado. poder solucionar el El objetivo general problema central. debe ser único. Son componentes del objetivo general.

Recuerde que el logro de los objetivos específicos, permitirá alcanzar el objetivo general del proyecto. Diseño de portafolio de alternativas de solución Consiste en desarrollar distintas posibles soluciones al problema. Por lo menos se requieren como mínimo dos alternativas para efecto de la evaluación, salvo que se trate de una alternativa única para el proyecto (en este caso se deberá consignar la

Figura 1

justificación correspondiente).

Relación Objetivo general – Objetivos específicos Fuente: Texto de gestión de proyectos, p.15.

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

01_diseno de proyectos_rojas.indd 101

2/13/12 5:38 PM


ROJAS, José E. “Diseño de Proyectos Industriales Operacionales”

Evaluación de alternativas por criterios

Descripción del proceso de producción:

Según el autor Nassir Sapag Chain en su libro Preparación y

-

evaluación de proyectos nos dice que un proyecto no es ni

Diagrama del proceso que muestre las etapas y sus respectivas duraciones, capacidades y rendimientos.

más ni menos que la búsqueda de una solución inteligente al planteamiento de un problema tendiente a resolver; entre

-

tantas, una necesidad humana.

Diagramas de distribución de planta dentro del terreno y áreas destinadas a expansiones futuras.

Las soluciones planteadas son las alternativas propuestas

-

para resolver un problema.

Diagrama de recorrido, con flujo de materias primas hasta obtener el producto final.

Los criterios para evaluar las alternativas son en base a aspec-

Tecnologías:

tos técnicos, financieros, económicos, organizacionales, ambientales y sociales (ver figura 2).

-

Describir las tecnologías a utilizarse y sus orígenes.

Se recomienda que por lo menos se tengan dos alternativas

-

Forma en que adquirirá la tecnología.

-

Gastos anuales para el uso de la tecnología, tales como re-

para la evaluación. Desarrollo de la alternativa propuesta

galías y otras compensaciones.

El desarrollo de la alternativa presupone el desarrollo integral

-

de la parte técnica de la alternativa a implementar.

Justificación de la tecnología adoptada: tamaño, versatilidad, uso de la mano de obra.

Podemos considerar algunos puntos que suelen tomarse en cuenta en la parte de ingeniería del proyecto.

102 LA FASE FASE DE DE EVALUACIÓN EVALUACIÓN LA DEL PROYECTO PROYECTO DEL consiste en en consiste

Seleccionar Seleccionar la la

mediante la la mediante

Mejor alternativa alternativa Mejor

debe garantizar garantizar debe

Determinar Determinar su su

Aplicación de de criterios criterios Aplicación

Pertenencia Pertenencia

de tipo tipo de

desde el el punto punto de de vista vista desde Social Social

Cuantitativos Cuantitativos

Cuanlitativos Cuanlitativos

Ambiental Ambiental Técnico Técnico Organizacional Organizacional Financiero Financiero Económico Económico Figura 2. Fase de evaluación de un proyecto Fuente: Texto de gestión de proyectos, p.22.

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

La asignación asignación óptima óptima La

de los los de

El logro logro El Impacto Impacto

Eficacia Eficacia

Recursos Recursos de los los de

Objetivos Objetivos propuestos propuestos


ROJAS, José E. “Diseño de Proyectos Industriales Operacionales”

Programa de producción

Estudio económico y financiero

Una vez proyectadas las ventas para los primeros años de

Para el estudio económico y financiero se tendrán en cuentas

operación de la empresa, el proyecto debe definir el progra-

las siguientes pautas, en base a la naturaleza de cada proyecto.

ma de producción que indique los volúmenes para cada artículo que se producirá anualmente, de acuerdo a la capacidad

– Inversiones fijas tangibles

del mercado y planta para un periodo mínimo de 5 años. – Inversiones fijas intangibles o diferidas Medios físicos de producción – Capital de trabajo Terrenos: – Financiamiento – Topografía – Ingreso y costos – Medidas y superficie total – Punto de equilibrio – Superficie afectada por el proyecto – Flujo de caja Obras de ingeniera civil – Evaluación económica y financiera – Trabajo de ingeniería civil por medio de la clasificación en preparación del terreno, construcción, trabajos y

Conclusiones

obras civiles especiales. Contempla los resultados alcanzados con la elaboración del – Edificaciones destinadas a servicios auxiliares, área pro-

proyecto.

ductiva y administración. Recomendaciones

103

– Planos de áreas a construirse. Considera las ideas, sugerencias y consideraciones compleMaquinarias y equipos

mentarias.

– Características técnicas principales

Bibliografía

– Cantidad de cada una de las maquinas y equipos

Deberá indicar los nombres de títulos de libros, revistas, informes, memorias, páginas web, etc. Con sus respectivos autores y

– Precio unitario en planta

fechas de edición y registro editorial en caso de ser necesario, en forma detallada; esto es con el objetivo de conocer de don-

– Costo de montaje y supervisión

de se ha extraído información para la elaboración trabajo de aplicación.

Costos totales de las maquinarias y equipos: Anexos – Repuestos de uso corriente y accesorios Adjuntar toda la información que permita verificar y/o susten– Instalaciones y servicios

tar el proyecto.

– Programas de mantenimiento

– Planos

– Cronograma de implementación del proyecto

– Cotizaciones

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

01_diseno de proyectos_rojas.indd 103

2/13/12 5:38 PM


ROJAS, José E. “Diseño de Proyectos Industriales Operacionales”

– Fichas técnicas

Finalmente, la presente estructura propuesta considera los requisitos mínimos que debe contener un proyecto de naturaleza operacional.

– Encuestas – Fotografías

CONCLUSIONES

– Normatividad

Los proyectos operacionales buscan evaluar un cambio, mejora o modernización en una empresa ya existente y no inciden de manera profunda en aspectos comerciales.

– Manuales técnicos y otros

METODOLOGÍA

La estructura de un proyecto industrial operacional debe guardar un orden lógico y secuencial entre sus partes, ade-

La experiencia de años como docente, asesor y consultor en

más de contener los puntos mínimos que conlleven desde

proyectos de inversión privada y pública (SNIP), me ha ense-

la identificación del problema hasta la solución técnica,

ñado que no existe un único formato (estructura de proyec-

económica y financiera de la misma.

tos) que sirva como documento guía para la elaboración y evaluación de proyectos operacionales.

El diagnóstico es la base fundamental de todo proyecto operacional, el cual debe ser realizado en forma concienzu-

La metodología empleada en la presente investigación se

da por el formulador. De no ser así, sería muy irresponsable

fundamenta en un análisis comparativo e interpretación de

de su parte el plantear soluciones para resolver los proble-

las diferentes estructuras de proyectos de orden privado, pre-

mas identificados en la organización.

sentadas por reconocidos autores de libros de proyectos en América Latina.

REFERENCIAS

El resultado de este análisis comparativo ha sido contrastado

[1]

industriales. Lima: Universidad San Martin de Porres.

con estructuras de proyectos productivos reales, elaborados

104

Vladimir, C. (2005). Formulación y evaluación de proyectos

por empresas consultoras de proyectos como profesionales independientes.

[2]

Andía, W. (1998). Proyectos de inversión. Lima: Centro de Investigación y Capacitación Empresarial.

Así mismo se tomó como referencia la opinión de diferentes especialistas y consultores en proyectos.

[3]

Alegre, J. (1994). Formulación y evaluación de proyectos. Lima: Centro Comunidades S.R.L.

RESULTADOS [4] •

Sapag, C. J. (1989). Preparación y evaluación de proyectos. México: Mc Graw-Hill.

El resultado de la presente investigación es la propuesta de una estructura estándar para la elaboración y evaluación de proyectos industriales operacionales. La estructu-

[5]

Banco Multisectorial de Inversiones. Guía para la formulación de proyectos de inversión.

ra guarda un orden lógico y secuencial de desarrollo. Los componentes de la estructura se encuentran relacionados entre sí, existiendo relaciones de dependencia entre

[6]

Sicchar, J. (2003). Curso Formulación de Proyectos: segunda especialidad en Ingeniería de Proyectos. Arequipa: Facultad

las partes del proyecto.

de Ingeniería y Producción de la Universidad Nacional de San Agustín.

• Las partes que debe contener el estudio de ingeniería para el desarrollo de la alternativa propuesta, se ha desarrollado en forma amplia, para que pueda ser utilizado

[7]

Tecsup. (2011G). Texto de gestión de proyectos .Lima: Tecsup.

indistintamente para proyectos operacionales como de implementación. [8]

“Herramientas para la resolución de problemas”. Recuperado el 3 de mayo de 2008, de: http://www.euskalit.net/ pdf/folleto4.pdf

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

01_diseno de proyectos_rojas.indd 104

2/13/12 5:38 PM


ROJAS, José E. “Diseño de Proyectos Industriales Operacionales”

ACERCA DEL AUTOR José Eduardo Rojas Gómez es economista con estudios de Maestría en Ingeniería Industrial y una segunda especialización en Proyectos de Inversión. Asesor y Consultor de Proyectos Privados y Públicos (SNIP). Exconsultor del Banco de Proyectos de la Región de Arequipa. Actualmente se desempeña como planner del Área de Estudios Generales de Tecsup Arequipa y es profesor encargado del curso de Gestión de Proyectos. Original recibido: 03 de octubre de 2011 Aceptado para publicación: 02 de enero de 2012

105

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

01_diseno de proyectos_rojas.indd 105

2/13/12 5:38 PM


01_diseno de proyectos_rojas.indd 106

2/13/12 5:38 PM


Análisis del Consumo de Energía Eléctrica en una Industria Usando Inteligencia Artificial Power Consumption Analysis in an industry using Artificial Intelligence Miguel Orellana, Escuela Politécnica de la Universidad de São Paulo (USP) - Brasil

Resumen

Abstract

La inteligencia artificial es indicada como un capo de cono-

Artificial intelligence is indicated as a lord of knowledge that

cimientos que puede apoyar en la toma de decisiones de

can assist in simple decision-making, this paper presents a

forma simple; este trabajo presenta una propuesta usando

proposal using Fuzzy technology for the analysis and control

tecnología Fuzzy, para el análisis y control del consumo de

of power consumption of an electro-electronics factory in the

energía eléctrica de una fábrica de electro-electrónicos en

free zone of Manaus - Brazil. The aim is to assist in the decision

la zona franca de Manaos - Brasil. El objetivo es ayudar en

making of the management of energy consumption; especially

la toma de decisiones en la gerencia del consumo de ener-

those considered as big consumer equipment.

107

gía especialmente de aquellos equipamientos considerados como mayores consumidores.

The proposal of this paper involves the control of the output variables that will be the demand and consumption of elec-

La propuesta de este trabajo envuelve el control de las va-

tricity, and three input variables such as time, temperature

riables de salida que será la demanda y consumo de ener-

and level of production, to model the linguistic variables and

gía eléctrica, y de tres variables de entrada, como el horario,

the construction of the Fuzzy rules base. For this a specialist’s

temperatura y nivel de producción. Para modelar las variables

knowledge was required to model the different events, espe-

lingüísticas y la construcción de la base de las reglas Fuzzy,

cially when there was incomplete data, the models were refi-

fue necesario el conocimiento especialista para modelar los

ned through simulations with the Matlab tool which allowed to

diferentes eventos, especialmente cuando se tuvo datos in-

perform several simulations with excellent results.

completos. Los modelos fueron refinados a través de las simulaciones realizadas con la herramienta Matlab que posi-

The Fuzzy system was implemented as an analytical tool to de-

bilitó realizar varias simulaciones con excelentes resultados.

termine the best operating condition, which includes rationalization, independent production, environmental and energy su-

El sistema Fuzzy fue implementado como herramienta de

pply factors, seeking the best average price of energy from its

análisis para determinar la mejor condición de funcionamien-

own generation or considering the concession rates available.

to, que contempla racionalización, producción independiente, factores ambientales y oferta de energía, buscando el me-

Palabras clave

jor precio de la energía proveniente de la generación propia o considerando las tarifas de concesionario disponible.

Inteligencia artificial, lógica Fuzzi, consumo de energía, Matlab.

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

02_inteligencia artificial_orellana.indd 107

2/13/12 5:40 PM


ORELLANA, Miguel. “Análisis del Consumo de Energía Eléctrica en una Industria Usando Inteligencia Artificial”

Key words

en un sistema confuso dos entradas muy próximas resultan en dos salidas sin cualquier conexión [3].

Artificial Intelligence, Fuzzi Logic, Energy Consumption, Matlab.

Para [9], la inteligencia es una contribución computacional, es la habilidad de alcanzar objetivos, percibiéndose diversos tipos

INTRODUCCIÓN

de grados de inteligencia en personas, en muchos amínales y en máquinas.

Las industrias modernas están invirtiendo en planeamiento, en iniciativas para racionalizar el uso de la energía eléctri-

Al menos cinco escuelas filosóficas se proponen a describir la

ca. Estas iniciativas tienen repercusión significativa en for-

inteligencia [3]:

ma económica y también en forma ambiental, teniendo en cuenta que una mejor administración de los recursos puede

Estructuralista: existen mecanismos que realizan las tareas, basta descubrirlos.

eliminar o postergar la necesidad de nuevas fuentes de generación, transmisión y distribución de la energía eléctrica. La mayor ventaja de la eficiencia energética casi siempre se

Conexionista: existen procesos simples que se autoorganizan, basta descubrirlos.

presenta como una solución más barata que la producción de energía. Para [6] la demanda de un típico sistema eléctrico varia considerablemente a largo del día; generalmente la de-

Genética: existen la inteligencia y el caos, basta separarlos

manda máxima acontece cuando la carga consumida por los

naturalmente, como hace la naturaleza, por eso en escala

equipamentos se sobreponen entre sí en determinados mo-

de tiempo adecuado.

mentos del día ocasionando un pico de demanda de energía. •

Fenomenológica: todo es caótico, en avance paralelo. Al

La utilización de la lógica Fuzzy tiene por finalidad crear co-

darse una sintonía momentánea, se da la comunicación. No

nocimientos que permitan la toma de decisiones en el “mo-

se conoce llave para repetir la inteligencia

mento” de su planeamiento o implementación mejorada. •

108

Metafísica: solo es posible comprender el intelecto. La in-

La inteligencia artificial es un campo de conocimientos que

teligencia pertenece a otra dimensión, inaccesible por me-

ofrece modelos de apoyo a la decisión y al control con base

dios intelectuales

en acciones reales y conocimientos empíricos y teóricos, cuando apoyados en datos incompletos. El objetivo de este

Para [2], la inteligencia artificial es un campo que usa técnicas

trabajo es presentar la aplicación de algunos conceptos del

de programación que buscan, por medio de máquinas, resolver

campo de la inteligencia artificial en el desenvolvimiento e

problemas del mismo modo que un ser humano lo resolvería.

implantación, a partir del conocimiento de especialistas, del

Para [10], la inteligencia artificial es un campo de estudio mul-

control de consumo de energía eléctrica, relevante en la in-

tidisciplinar, originado de la computación, ingeniería, psicolo-

dustria.

gía, matemática y cibernética, cuyo principal objetivo es construir sistemas que presenten comportamiento inteligente y

La utilización del sistema decisorio Fuzzy multicriterio para la

desempeñen tareas con un grado de competencia equivalente

determinación de la mejor condición del funcionamiento de

o superior al grado con que un especialista humano la desem-

una unidad industrial consumidora se presentó de una forma

peñaría. Para [9], la inteligencia artificial es la ciencia y la tecno-

adecuada para el análisis deseado, principalmente por per-

logía de las máquinas inteligentes, especialmente programas

mitir la consideración de las experiencias prácticas sobre las

de computación. Se relacionan con el uso de computadores

variables inciertas, relacionadas al proyecto de implantación

para el entendimiento y la exploración de la inteligencia huma-

del sistema de gerenciamiento de energía eléctrica aplicado

na, no limitándose; por eso, hay métodos biológicamente ob-

en el lado de la demanda.

servables. Para [2], las técnicas de inteligencia artificial buscan imitar mecanismos de la naturaleza por medio de mecanismos

FUNDAMENTOS

tecnológicos cuyo desenvolvimiento fue basado en mecanismos naturales.

La inteligencia es considerada como la demostración por resultados de principios coherentes, en escala de tiempo verifi-

Diversas técnicas y aplicaciones están disponibles en el cam-

cable: la naturaleza es inteligente en escala de tiempo inacce-

po de la inteligencia artificial. Una referencia que remite a otras

sible para los humanos. Lo opuesto a la inteligencia es el caos:

fuentes y encontrada en [9], para el objetivo de este trabajo, son

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

02_inteligencia artificial_orellana.indd 108

2/13/12 5:40 PM


ORELLANA, Miguel. “Análisis del Consumo de Energía Eléctrica en una Industria Usando Inteligencia Artificial”

suficientes los conceptos de sistemas especialistas y lógica Fuzzy.

d. Colecta y análisis de las variables de salida demanda y consumo de energía eléctrica.

4JTUFNBTFTQFDJBMJTUBTZMÉHJDB 'V[[Z

$POEJDJÉOBDUVBMEFMTJTUFNBFOMB JOEVTUSJB

Los sistemas especialistas son sistemas computacionales que

En este artículo consideramos como la unidad consumidora a

resuelven problemas de forma similar de modo como un es-

la industria de electro-electrónicos de audio y video, localizada

pecialista humano los resolvería, teniendo capacidad de de-

en Manaos- Brasil. La referida empresa posee un contrato para

cisión en campos específicos del conocimiento. Un sistema

suministro de energía con la empresa Amazonas Energía – Elec-

especialista resuelve problemas en un área limitada de cono-

trobras, los paramentos que son considerados en la factura son

cimientos, no debiendo esperarse lo mismo que pueda tener

consumo, demanda, factor de potencia e impuestos de ley.

capacidad de resolver cualquier tipo de problema. La empresa, para producir, precisa de electricidad como ítem Los sistemas especialistas buscan la respuesta y aprenden

crítico, considerando la ubicación de la empresa, región de sel-

con la experiencia, resolviendo problemas por análisis de in-

va donde la temperatura es alta (promedio de 35º C). También

ferencia, a partir de síntomas e intensidades aleatorias y apo-

se hace necesario el uso de aire acondicionado que eleva consi-

yadas en bases de conocimientos que pueden, inclusive, ser

derablemente el consumo de energía.

transferidos. Los sistemas especialistas poseen: El consumo y la demanda en el sistema eléctrico de la industria – Un banco de conocimientos que contienen hechos, reglas y padrones

varía considerablemente a lo largo del día, generalmente son unas pocas horas de demanda de punta: los usos de equipamientos de aire acondicionado e iluminación aumentan al final

Un dispositivo de inferencia capaz de tomar decisiones.

– Un lenguaje en el cual las reglas son escritas.

de la tarde; mientras que hay muchas horas de baja demanda durante la noche y el inicio de la mañana. La frecuencia del uso de un sistema eléctrico, a su vez, afecta tanto la operación como

– Un organizador que incluye el dispositivo de inferencia,

su desempeño económico, pues este debe de ser capaz de

el gerenciador de la base de conocimientos y las interfa-

atender toda la carga en el horario de punta con la utilización

ces de usuarios [10].

en el restante del periodo.

El razonamiento basado en casos (CBR) es una metodología que resuelve nuevos problemas adaptando soluciones conocidas de problemas antiguos, o sea, usando conocimientos generados en experiencias pasadas. Un nuevo problema es resuelto encontrando un caso similar ya resuelto en el pasado y reutilizando la solución, debidamente adaptada.

.&50%0-0(£" La metodología utilizada en el desarrollo de este trabajo es descrito del siguiente modo: a. Colecta de datos de las variables de entrada de este trabajo envuelve el control de las variables como el horario, temperatura y nivel de producción. b. Modelaje de las variables lingüísticas y construcción de la base de las reglas Fuzzy, utilizando Matlab. c. Aplicación del conocimiento especialista cuando los datos estén incompletos.

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

Figura 1. Arquitectura básica del sistema.

109


ORELLANA, Miguel. “Análisis del Consumo de Energía Eléctrica en una Industria Usando Inteligencia Artificial”

%FTDSJQDJÉOEFMQSPCMFNB

utilización de un sistema de generación alternativa de energía. En este caso utilizaremos un grupo motor generador, que re-

El problema es administrar con bajo costo el consumo de

presenta una opción que necesita análisis, debido a los costos

energía eléctrica de la industria de electro-electrónicos. La

envueltos. Es sobre este enfoque que el sistema decisorio Fuzzy

primera premisa es saber cuál será el momento cierto para

para el análisis de demanda se presenta como herramienta

desligar algunas cargas eléctricas sin que esto ocasione per-

para la determinación del diagnóstico cuantitativo y cualita-

didas en el proceso productivo ni trastornos en los funcio-

tivo de las opciones posibles de gerenciamiento y selección

narios como consecuencia del aumento de la temperatura,

del mejor contrato de tarifa, considerando las características

siempre que el ajuste en los controladores de temperatura de

propias del funcionamiento de la unidad consumidora. Y con-

los aires acondicionados estuviese fuera de los parámetros

secuentemente, la reducción del precio medio de energía, sea

aceptables por la legislación ambiental. La figura 1 muestra la

ella proveniente de la concesionaria o de la generación propia,

arquitectura de sistema eléctrico en la referida industria.

utilizada por la unidad consumidora facturada.

Existe de modo general varias maneras para la reducción de energía, que son: control de demanda, control de consumo, control del factor de potencia, entre otras. Para la etapa inicial, que consistió en el levantamiento de datos para cumplir con tal objetivo, fue necesario el uso de un analizador de energía con registrador digital con integración de quince minutos conectado en paralelo al medidor digital de la empresa concesionaria de energía, localizada en la cabina principal de distribución y que proporciona energía eléctrica a la fábrica. Simultáneamente, fue realizado también un acompañamien-

110

to diario de la rutina de accionamiento de los equipamientos considerados como mayores consumidores, donde también fueron observados detalles como el proceso productivo, los

Figura 2. Meta del consumo de Energía eléctrica.

así como el número de funcionarios.

%FTDSJQDJÉOEFMTJTUFNBEFBERVJTJDJÉO EFEBUPT

A partir del análisis de los datos obtenidos se fue verificado

En el proyecto sería implementado un sistema de posibilidad

la posibilidad de administrar el consumo de energía (deman-

de accionamiento-funcionamiento automático de cargas,

da y o consumo utilizada por la unidad industrial), actuando

como aire acondicionado, regulación de velocidad de bombas,

apenas en el proceso productivo y visualizando la utilización

chillers. Equipamientos eléctricos, como la optimización de los

más eficiente de este consumo. El objetivo es alcanzar la meta

recursos energéticos.

equipamientos utilizados y los horarios de funcionamiento,

propuesta en el proyecto de reducción del consumo de energía, conforme a lo mostrado en la figura 2.

La conexión como gerenciadores de utilidades microprocesados, puede ser de tipo barramento, donde todos los equipa-

1SPQVFTUBEFTPMVDJÉO

mientos podrán estar conectados en la misma línea física de circuito de conexión, donde la interconexión de los equipa-

La solución propuesta en este trabajo para el problema des-

mientos seria hecho un barramiento maestro esclavo.

crito es controlar de manera inteligente algunas variables de salida como consumo y demanda, en función a las variables

El dispositivo electrónico inteligente utilizado deberá ser ajus-

de entrada, producción, temperatura y horario de trabajo.

tado en pocos minutos desde una central de operaciones, a través de un conjunto de atributos que informarán las característi-

Para cumplir este objetivo instalaremos un analizador di-

cas de uso. Los dispositivos podrían ser ligados, a través de una

gital para colectar datos de demanda, consumo, factor de

lógica Fuzzy, implementando una estrategia global que tiene

potencia, harmónicos, entre otros; también será necesaria la

por objetivo la reducción en el consumo de energía eléctrica.

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011


ORELLANA, Miguel. “Análisis del Consumo de Energía Eléctrica en una Industria Usando Inteligencia Artificial”

Eso hace que la energía sea utilizada con más inteligencia y racionalidad. La reducción en la factura de energía eléctrica y consecuente aumento en la productividad, sin afectar la seguridad, ni el confort ambiental.

Modelo Fuzzy del conocimiento especialista Para modelar el sistema de conocimiento especializado es necesario parametrizar señales de entrada como temperatura, o sea la variación de las condiciones climáticas durante el año; inicialmente en los test fue posible descubrir y acumular conocimiento especializado sobre la variación en las señales de entrada y la implicancia en las variables de salida.

Figura 4. Función de la pertenencia de la variable lingüística producción.

A pesar de la complejidad e imprecisión del conocimiento obtenido con la experiencia realizada, fue posible modelar las variables envueltas, crear la base de las reglas Fuzzy y generar simulaciones satisfactorias en el modelo matemático Matlab. Modelamiento de las variables lingüísticas Una vez identificadas las variables lingüísticas se determinó para cada varia su universo de discurso, la participación del conjunto de términos y los respectivos conjuntos Fuzzy.

111 Entradas Figura 5. Función de la pertenencia de la variable lingüística horario.

En las figuras 3, 4 y 5 se muestran los conjuntos Fuzzy con la variable lingüística tiempo, producción y horario. Esas varia-

En el cuadro a seguir se muestra el discurso de todas las va-

bles representan la previsión a lo largo del periodo.

riables de entrada, así como los respectivos valores lingüísticos.

Temperatura interna

18,00

40 Baja 55

22,00 22,1 26,00 26,01 30,00

Figura 3. Función de pertenencia de la variable lingüística tiempo.

Producción

Media Alta

Horario 07:00

mañana

11:00 11:01

Intermedio

13:00

55

13:01

Tarde

70

17:00

Noche

70

17:01

85

22:00

Tabla 1. Universo de discurso variables de entrada.

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

02_inteligencia artificial_orellana.indd 111

2/13/12 5:40 PM


ORELLANA, Miguel. “Análisis del Consumo de Energía Eléctrica en una Industria Usando Inteligencia Artificial”

Salidas

Tabla de posibilidades de consumo eléctrico Entradas

En la figura 4 se muestran los conjuntos Fuzzy correspondien-

Horario

Temperatura

te a la variable lingüística consumo de energía. Esa variable representa los varios valores que pueden ser atribuidos para

baja

controlar el consumo de energía y consecuentemente la demanda contratada. Mañana

media

alta

baja

Tarde

media

alta

baja

Figura 6. Función de pertenencia de la variable lingüística consumo de Noche

energía.

alta

Salidas 1900

112

1850 1849 1800 1799 1750 1749 1700

media

Salidas Producción

Reglas

Salidas

baja media alta baja media alta baja media alta baja media alta baja media alta baja media alta baja media alta baja media alta baja media alta

1 2 3 4 5 6 7 8 9 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36

regular media alta regular media alta baja baja media media alto alto regular media alta regular media alta regular media alta baja regular media baja baja regular

Alto Tabla 3. Conocimiento especialista.

Medio Regular Bajo

Tabla 2. Universo de discurso valores lingüísticos.

El cuadro muestra el universo del discurso y los valores lingüísticos: alto, medio, regular y bajo. Base de reglas Fuzzy El conocimiento especialista que relaciona las diversas variables y sus respectivos valores fue resumido en la tabla 3, la cual dio origen a la base de reglas Fuzzy en el formato if then. Abajo se muestra la regla de control considerado como una estrategia de codificación de conocimiento especialista en términos de declaraciones de la descripción lingüística.

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

Figura 7. Reglas de control


ORELLANA, Miguel. “Análisis del Consumo de Energía Eléctrica en una Industria Usando Inteligencia Artificial”

Aplicación de las reglas Fuzzy

Finalmente, en el proceso de defuzzificación fueron determinadas las señales de control del consumo de energía =

Durante el ciclo de simulación, el primer paso es la fuzifica-

190.000KWh. En este ejemplo se utilizó el método del centro

ción, donde es realizada la clasificación de las variables de

de área (CDA) que calculada en el centro de área de la función

entrada con relación a las respectivas variables lingüísticas.

inferida la figura 8-9 muestra el resultado de los procesos des-

En este ejemplo, tenemos los siguientes valores de entrada

critos en este ejemplo.

para las variables modeladas: Temperatura = 26 ºC. Mañana con grado de pertenencia 0,2 y de tarde con grado 0,65. Producción = 504 K con grado de pertenencia 0,8 y día caluroso con grado 0,2. Concentración = 11.5 Hr. Mediodía con grado de pertenencia 0,3 y baja con grado 0,7. Después de esa clasificación, el procedimiento de inferencia verifica en la base de reglas cuál de esas son aplicadas, concluyendo las siguientes reglas

Figura 9. Proyección de las reglas sobre las variables de salida

113

CONClUSIONES La utilización de la inteligencia artificial, específicamente el sistema decisorio Fuzzy para la determinación de la mejor condición de funcionamiento en la industria donde se realizó la experiencia, se presentó de una manera adecuada para el análisis deseado, principalmente por permitir la realización de experiencias prácticas sobre las variables inciertas relacionadas al proyecto de implantación del sistema de gerenciamiento de energía aplicado al consumo y demanda. Figura 8. Proyección de la aplicación de las reglas sobre las variables de salida.

Este proyecto sugiere el uso alternado de dos sistemas de fornecimiento de energía eléctrica diferentes. En nuestro caso

Para las reglas con dos antecedentes relacionados con el co-

alternamos entre la concesionaria de energía y el grupo mo-

nectivo y el operador de intersección es aplicado, tomando el

tor generador con la respectiva alternancia de las cargas, en

valor mínimo entre los dos antecedentes. Para cada regla, el

determinados momentos. Esta situación posibilitó aprovechar

grado de activación de la acción de control es calculado de

las ventajas económicas que ofrece cada sistema en determi-

acuerdo con el resultado de la combinación de antecedentes.

nado momento del día, según el comportamiento de consumo

Terminada la inferencia, la acción final de control es calculada

de energía utilizado en el proceso productivo, para el geren-

a partir de la unión (operador máximo) de las combinaciones

ciamiento de la energía. En esta condición el sistema decisorio

de cada regla activada generando una única y nueva función.

Fuzzy resultó en una excelente alternativa que contempla ra-

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

02_inteligencia artificial_orellana.indd 113

2/13/12 5:40 PM


ORELLANA, Miguel. “Análisis del Consumo de Energía Eléctrica en una Industria Usando Inteligencia Artificial”

cionalización, producción independiente, factores ambienta-

[9]

McCarthy, J. (2002). What is Artificial intelligence? Recupe-

les y oferta de energía, cuyo objetivo final es obtener la mejor

rado del 5 de mayo de 2012, de http://www.formal.stn-

relación costo beneficio en la utilización de la energía eléc-

forsd.edu.

trica. [10] Nikopolos,S. (1997) Expert systems. New York: Maecel DeEl modelo presentado en este trabajo fue realizado en el

KKer, Inc.

ambiente Matlab, que posibilitó realizar varias simulaciones, donde fue posible notar que la relación de las variaciones de

ACERCA DEl AUTOR

las entradas refleja en las variaciones fuertemente coherentes en las salidas, de acuerdo con el conocimiento especialis-

Miguel Angel Orellana Postigo. Ingeniero mecánico electricista

ta. Fue también importante notar que el conocimiento espe-

egresado de la Universidad Nacional de San Agustín de Are-

cialista consigue buenos resultados, inclusive cuando se tiene

quipa, Perú.

datos incompletos, imprecisos y compactados. Los modelos Fuzzy cubren esas lagunas obteniendo una respuesta ade-

Especialista en Gerencia de Mantenimiento, MBA en Gerencia

cuada para cualquier valor sugerido del controlador Fuzzy.

de Proyectos, MBA en Gestión de personas. Máster en Ingenie-

El uso de la herramienta Matlab facilitó el trabajo de forma

ría Eléctrica por la Escuela Politécnica de la Universidad de São

considerable, pues ofrece un ambiente muy amigable para

Paulo (USP)-Brasil. Actualmente, gerente de infraestructura de

ajustar las curvas de los modelos Fuzzy y la observación del

la empresa Philips del Brasil y catedrático en la Universidad Fe-

comportamiento de las variables de salida de acuerdo con la

deral de Amazonas (UFAM).

aplicación de las reglas Fuzzy.

REFERENCIAS [1]

Original recibido: 27 de octubre de 2011 Aceptado para publicación: 01 de enero de 2012

AAmodt, A.; Plaza (2002) E. Case-Based Reasonig: foundational issues, methodological variations, and systemic. AI communications, IOS.

114 [2]

Araribola, G. (1988). Inteligência artificial. Rio de Janeiro: Ed LTC.

[3]

Conai: Tutorial Inteligencia artificial. In: Comgresso nacional de Automação Industrial São Paulo, 1994.

[4]

Corchado, J. et al. (2001) Hybrid instance-based system for predicting ocean temperature. International Journal of computational Inteligence and applications.

[5]

Chuen, L (1990) Fuzzy Logic in Control System: Fuzzy Logic controller, IEEE Transactions on systems, Man, and Cybernetics.

[6]

Jannuzzi, G.; Swisher, J. (1987) Panejamento integrado de recursos energéticos: meio ambiente conservação de energia e fontes renováveis. Campinas.

[7]

Kacprzyk, J. (1997) Multistage fuzzy control. Chichester: UK:

[8]

Klir, G. (1995) Fuzzy sets and Fuzzy logic: Theory and applications. New Jersey.

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

02_inteligencia artificial_orellana.indd 114

2/13/12 5:40 PM


Guía para el Diseño de Programas de Desarrollo de Capacidades Humanas en Proyectos de Responsabilidad Social Guide for the Design of Human Capacities Development Programs in Social Responsibility Projects Henry Gómez, Tecsup

Resumen

there are some useful documents and templates used in the design process.

Este artículo pretende ser una guía para el diseño de programas de desarrollo de capacidades humanas en proyectos de

Palabras Clave

responsabilidad social. El artículo se enfoca en el desarrollo de competencias en Tecnologías de Información y Comuni-

Marco lógico, objetivos de aprendizaje, diseño curricular, rúbri-

cación (TIC), pero puede ser aplicado a cualquier otro tipo de

cas.

programas. En este artículo se describe la metodología del marco lógico para identificar los objetivos, resultados y activi-

Key words

115

dades de un proyecto para resolver un problema social. También se describe la metodología de arriba hacia abajo para el diseño del currículo de estudios del programa de desarrollo de capacidades en TIC. Se explica en detalle el proceso, de-

Logical frame, learning objectives, curricular design, rubrics.

INTRODUCCIÓN

finiendo una lista de resultados de aprendizaje, criterios de desempeño y restricciones que afectan al programa. Final-

Las prácticas de Responsabilidad Social Empresarial (RSE) en el

mente se comparte algunos documentos y plantillas utiliza-

mundo de hoy son cada vez más importantes, no solo porque

das en el proyecto.

el concepto está de moda, sino más bien porque se ha convertido en un atributo de las empresas socialmente responsables.

Abstract

Este compromiso de las empresas toma especial relevancia por el hecho de expresar su voluntad para aceptar y asumir los im-

This paper is intended to be a guide for the design of human

pactos de sus actividades ante la sociedad. Esto implica, según

capacities development programs in social responsibility pro-

la norma ISO 26000, demostrar un comportamiento transpa-

jects. It is focused in the development of competences in In-

rente y ético que contribuya al desarrollo sostenible, incluyen-

formation and Communication Technologies (ICT), but it can

do la salud, educación y el bienestar de la sociedad, tomando

be applied to any other type of program. This paper describes

en consideración las expectativas de las partes interesadas.

a methodology using the logic framework methodology to identify the objectives, results and activities of a project in

Actualmente, las poblaciones cercanas a una actividad minera

order to solve a social problem. It also describes a top-down

tienen la expectativa de que los proyectos mineros deben pro-

methodology for designing the programs design curricular

porcionarles beneficios directos y duraderos. Ellos esperan que

of the human capacities development in ICT. It explains in

las empresas inviertan en iniciativas específicas para promover

deep the process, defining a list of learning outcomes, perfor-

el desarrollo sostenible y así puedan elevar la calidad de vida

mance criteria and constrains that affect the program. Finally,

de sus poblaciones.

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

03_Trabajo tecnico_gomez copy.indd 115

2/13/12 5:42 PM


Gómez, Henry. “Guía para el Diseño de Programas de Desarrollo de Capacidades Humanas en Proyectos de Responsabilidad Social ”

Una de estas iniciativas es la inversión en educación, especí-

DESARROLLO Y COLECCIÓN DE DATOS

ficamente los programas que buscan contribuir a mejorar la educación pública de las zonas desatendidas por el estado.

Para poder ilustrar de manera didáctica el modelo de gestión

Este es el caso de proyectos de responsabilidad social que

de esta propuesta, se toma como caso de estudio el proyecto

buscan mejorar la Educación Básica Regular (EBR), fortale-

DC-TIC que se ejecutó durante el periodo 2010-2011 en Are-

ciendo las capacidades de los docentes y equipando aulas y

quipa - Perú.

laboratorios con modernas Tecnologías de la Información y Comunicación (TIC). Estas acciones contribuyen a mejorar la

1. Identificación del problema

educación de la población escolar, propiciando un desarrollo sostenible en estos pueblos.

El punto de partida de todo proyecto de responsabilidad social es identificar la existencia de un problema que afecta a las

En Arequipa estamos viviendo experiencias de responsabili-

partes interesadas que tienen que ver con la empresa. Esto, no

dad social con aportes de la empresa Freeport-McMoran Co-

necesariamente es una consecuencia de las operaciones de la

oper & Gold, a través de las operaciones de Sociedad Minera

empresa, también pueden ser problemas sociales no atendidos

Cerro Verde (SMCV). Esta empresa, mediante la Asociación

por el estado. En el caso del programa DC-TIC, la problemática

Cerro Verde (ACV), una organización sin fines de lucro que

se presenta de la siguiente manera:

administra los aportes de SMCV en el marco del Convenio “Programa Minero de Solidaridad con el Pueblo”, ha ejecuta-

Las poblaciones de los distritos que están dentro del área

do el Proyecto “Desarrollo de Competencias en Tecnologías

de influencia de la empresa sufren las consecuencias de

de la Información y Comunicación para la excelencia de es-

una educación deficiente y desactualizada que utiliza mé-

cuelas públicas en los distritos de Uchumayo, Yarabamba,

todos de enseñanza–aprendizaje obsoletos en los tres ni-

Socabaya y Tiabaya 2010” (DC-TIC). Los beneficiarios directos

veles de la EBR. Este panorama es el resultado de tener IE y

de este proyecto fueron 222 profesores de EBR en sus tres ni-

docentes con competencias inadecuadas, insatisfactorias y

veles: inicial, primaria y secundaria. Estos profesores ejercen

desactualizadas en la incorporación de las TIC en los proce-

su labor docente en 34 Instituciones Educativas (IE) que per-

sos de enseñanza–aprendizaje.

tenecen a los 4 distritos de la zona de influencia de las opera-

116

ciones de SMCV. Los beneficiarios indirectos son los hijos en edad escolar de una población de más de 25,600 habitantes.

Por otro lado, el avance vertiginoso de la TIC, los cambios en el enfoque de la educación en el Perú y los limitados esfuerzos del Estado para actualizar a los docentes, ha traído

El proyecto DC-TIC es gestionado por Tecsup, institución edu-

como consecuencia que docentes de los tres niveles de la

cativa de prestigio, que aplica modernas metodologías de en-

EBR, queden rezagados y desactualizados en el uso de las

señanza y posee un sistema de gestión de la calidad en edu-

TIC en los procesos de enseñanza–aprendizaje.

cación, que considera las recomendaciones de los acuerdos de Bolonia en Europa y de Washington en Estados Unidos.

El primer paso en este caso es la identificación del problema

La observación de estas recomendaciones y el someterse a

central y de los grupos afectados. Un análisis minucioso de to-

exigentes procesos de evaluación, le ha permitido acreditar

dos los factores involucrados en la problemática permite iden-

internacionalmente sus programas de educación con agen-

tificar el problema central, las principales causas y sus efectos.

cias de acreditación como ABET, ASIIN, ICACIT, ENAEE, etc.

Una explicación detallada de este procedimiento se explica en

OBJETIVOS La experiencia vivida en los procesos de acreditación permite

[1] y [2]. Esta información se ilustra de manera gráfica en el llamado “árbol de problemas” de la fig. 1.

2. El Marco Lógico del proyecto

señalar que, para gestionar estratégicamente programas de desarrollo de capacidades humanas, se requieren dos cosas

La metodología básica para la formulación, diseño, ejecución y

básicas para alcanzar los objetivos propuestos: una metodo-

evaluación de proyectos sociales consiste en definir el llamado

logía de gestión o modelo y la utilización de indicadores para

“Marco Lógico” del proyecto, el cual debe satisfacer tres reque-

medir de algún modo (en mayor o menor grado de compleji-

rimientos fundamentales de calidad: coherencia, viabilidad y

dad) los logros del programa. En este trabajo se propone una

evaluabilidad.

metodología de diseño de programas de desarrollo de capacidades humanas en proyectos de responsabilidad social.

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

03_Trabajo tecnico_gomez copy.indd 116

2/13/12 5:42 PM


Gómez, Henry. “Guía para el Diseño de Programas de Desarrollo de Capacidades Humanas en Proyectos de Responsabilidad Social ”

EFECTO 1

EFECTO 3

EFECTO 2

proyecto que permitiría resolver el problema central. Utilizando la metodología del ML para proyectos sociales propuesta por [4], en la estructura analítica del proyecto, se identifica la finalidad del proyecto, el propósito que persigue, los resultados esperados y las actividades requeridas (fig. 2).

PROBLEMA CENTRAL

CAUSA 1

LOGRO 1

CAUSA 2

LOGRO 3

LOGRO 2

CAUSA 3 OBJETIVO CENTRAL

SUBCAUSA 1.1

SUBCAUSA 2.1

SUBCAUSA 3.1

SUBCAUSA 3.2

Fig. 1. Árbol de problemas.

OBJETIVO ESPECIFICO 1

OBJETIVO ESPECIFICO 2

OBJETIVO ESPECIFICO 3

El Marco Lógico (ML) es un esquema orientador que sistematiza en una matriz los resultados esperados de un proyecto,

ACTIVIDAD 1

ACTIVIDAD 2

presentando en forma visual su funcionamiento teórico y sus

ACTIVIDAD 3.1

ACTIVIDAD 3.2

medios de verificación. El ML describe y define con precisión los siguientes elementos: •

Fig. 2 Árbol de objetivos.

FIN. Es la razón fundamental del proyecto, responde a la

Aquí, es importante destacar que a partir de la estructura ana-

pregunta: ¿por qué se hace el proyecto? Es el objetivo ge-

lítica del proyecto, se determinan los fines del proyecto (Fin), el

neral del proyecto.

objetivo general (Propósito) y los objetivos específicos (Resultados). Así también, se seleccionan las acciones (Actividades) que

PROPÓSITO. Es el impacto o efecto deseado, del proyecto,

más contribuyen al logro de los resultados del proyecto, y se

responde a la pregunta: ¿para qué se realiza el proyecto?

descartan las de menor relevancia o que no están dentro de los

Son los objetivos específicos del proyecto.

alcances del proyecto. Con esta información clave, se procede a

117

formular las metas a lograr, los indicadores a utilizar y las fuen•

RESULTADOS. Es el producto o productos específicos

tes de verificación. Estos elementos constituyen los estudios de

derivados del proyecto. Responde a la pregunta: ¿qué se

la línea base, que más tarde servirán de referencia para medir

propone lograr el proyecto?

el impacto del proyecto durante su ejecución y a la finalización del mismo. La forma general de la matriz del ML se muestra en

ACTIVIDADES. Constituye el conjunto de acciones nece-

la tabla 1, aquí se puede observar la lógica horizontal y vertical.

sarias para desarrollar el proyecto, responde a la pregunta: ¿cómo se realiza el proyecto? ¿Con que recursos y en qué tiempo? La matriz del ML hace explícita la hipótesis del proyecto, integrando dos lógicas complementarias, una vertical y la otra horizontal. La lógica vertical muestra cómo se va a hacer y

OBJETIVOS

INDICADORES

VERIFICACIÓN

SUPUESTOS

FIN Objetivo general

Objetivos de verificación

Medios de verificación

___

Propósito Objetivo específico

Indicadores de verificación

Medios de verificación

Factores externos

Resultados Resultado 1

Indicadores de verificación

Medios de verificación

Factores externos

Actividades Actividad 1

Indicadores de verificación

Medios de verificación

Factores externos

Recursos

___

___

Condiciones previas

qué cambios se esperan, evidenciando la relación causal de los resultados con los supuestos. Por su parte, la lógica horizontal expresa cómo se va a medir y verificar los cambios, lo que significa vincular resultados, indicadores, medios de verificación y supuestos [3]. En este caso de estudio, identificado el problema central, seguidamente se analizan las principales causas y se proponen acciones correctivas para eliminarlas o atenuarlas. A partir del “árbol de problemas” se crea el “árbol de objetivos” y con ello se obtiene la estructura analítica del

Tabla 1. Matriz del Marco Lógico.

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

03_Trabajo tecnico_gomez copy.indd 117

2/13/12 5:42 PM


Gómez, Henry. “Guía para el Diseño de Programas de Desarrollo de Capacidades Humanas en Proyectos de Responsabilidad Social ”

3. Antecedentes y diseño del proyecto

valor a su trabajo, mediante la aplicación de conocimientos de las diversas disciplinas escolares para resolver problemas reales

En nuestro país, el Ministerio de Educación implementó el

y prioritarios de nuestra sociedad con ayuda de las TIC.

Proyecto Huascarán como respuesta a la necesidad de incorporar las TIC al ámbito educativo. También se han dado

Fase IV. Los docentes participantes que hayan superado la fase

algunas iniciativas privadas como el proyecto de “Inclusión

III, participan de un Programa de Capacitación a Nivel Especia-

Digital”, realizada por Empresarios por la Educación (ExE) y

lizado (PCNE). El objetivo de este programa es incrementar la

“Alfabetización Digital” con Microsoft Corporation. Otra ex-

productividad de los docentes de EBR generando conocimien-

periencia interesante es la asociación estado-empresa como

to e innovando prácticas pedagógicas en ambientes colabo-

es el caso de “Intel Educar” con Intel Corporation, el Institute

rativos con ayuda de las TIC y que redunden en beneficio del

of Computer Technology y el Ministerio de Educación. Todas

currículo de estudios y de las IE de su distrito.

estas acciones tienen como propósito contribuir a mejorar la calidad educativa en el Perú; sin embargo, aún son insuficien-

4. Desarrollo del proyecto

tes y tal vez no muy bien orientadas en cuanto al aseguramiento de su continuidad.

a. Diagnóstico situacional

Teniendo en cuenta estas experiencias, las políticas del se-

Las características generales de la población beneficiaria se

gundo objetivo estratégico del Proyecto Educativo Nacional

lograron mediante la aplicación de encuestas y entrevistas

[5] y considerando que a nivel nacional y regional no se han

durante el proceso de inscripción de los beneficiarios. La infor-

establecido directivas en cuanto a contenidos y currículos de

mación relacionada con los indicadores del proyecto se logró

estudios que incluyan las TIC en la formación de los docen-

mediante autoevaluaciones realizadas por los participantes

tes de EBR, es que se recurrió a modelos de otros países o de

en el proceso de inscripción y de la aplicación de evaluaciones

organismos internacionales que son referentes mundiales

presenciales teórico-prácticas aplicadas a los participantes en

en educación para definir las características del Programa

las siguientes modalidades:

DC-TIC. El modelo de referencia para este proyecto es el de

118

los “Estándares de Competencias en TIC para Docentes” de la

– Aplicación on–line de la encuesta referencial del nivel de

Unesco [6]. De acuerdo a este enfoque y a los objetivos del

competencias en las TIC de algunos de los participantes a

proyecto DC-TIC, el Plan Operativo del Proyecto define cuatro

través de la página web de Tecsup.

fases para el proyecto (fig.3). – Aplicación presencial de la encuesta referencial del nivel Fase I Diagnóstico situacional

Fase II Nociones básicas sobre TIC

Fase III Profundización de conocimiento

Fase IV Generación de conocimiento

Fig. 3. Fases del Proyecto DC-TIC

de competencias en las TIC de cada uno de los participantes. – Evaluación presencial teórico–práctica en las instalaciones de Tecsup del nivel de competencias en las TIC de los do-

Fase I. Se plantea hacer un diagnóstico situacional del nivel de

centes solicitantes.

competencias en TIC que poseen actualmente los docentes de EBR de las zonas de interés.

La información lograda se consolidó en una base de datos, clasificando a los participantes por distrito, por IE y por grupo de

Fase II. En base a los resultados del diagnóstico situacional,

acuerdo a los niveles de competencias en TIC y horarios de su

se clasifica a los docentes en grupos para participar en un

preferencia. Estos datos se confirmaron y validaron con la base

Programa de Capacitación a Nivel Básico (PCNB). El PCNB pre-

de datos de ACV.

para a los docentes para que sean capaces de comprender y aplicar las TIC en los procesos de enseñanza – aprendizaje

b. Diseño curricular

mediante una alfabetización digital integral. Un aspecto clave para garantizar el éxito del proyecto y su imFase III. Los docentes clasificados para esta fase, directamente

pacto social, es el diseño del currículo de estudios de los pro-

o a través de la fase anterior, participan de un Programa de

gramas de capacitación en sus diferentes niveles. El modelo

Capacitación a Nivel Avanzado (PCNA). A través del programa

“Top-Down” que se plantea (fig. 4), parte del perfil del progra-

se incrementan las capacidades de los docentes para agregar

ma o de la definición de Estándares o Resultados de Aprendizaje (RA) para TIC, y a partir de estos, la elaboración de una

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

03_Trabajo tecnico_gomez copy.indd 118

2/13/12 5:42 PM


Gómez, Henry. “Guía para el Diseño de Programas de Desarrollo de Capacidades Humanas en Proyectos de Responsabilidad Social ”

lista de competencias o desempeños esperados que deben

Los niveles de la taxonomía de Bloom (conocimiento, compren-

alcanzarse en la ejecución o culminación del proyecto. Aquí,

sión, aplicación, análisis, síntesis y evaluación) trabajados en el

el concepto de estándar o RA se define como la declaración

programa DC-TIC solo abarcan el conocimiento, la compren-

o conjunto de declaraciones que describen lo que los estu-

sión y la aplicación de las TIC. También se debe aclarar que con-

diantes esperan saber y/o son capaces de hacer a la finali-

siderando que el programa DC-TIC no es de carácter formativo,

zación del programa [7]. Este modelo, actualmente aplicado

se deja de lado las competencias transversales y las deodonto-

en Europa en el Espacio Europeo de la Educación Superior

lógicas y debe concentrarse solo en las competencias técnicas.

[8], también plantea que paralelo a la definición de los RA, se

En este entorno, los estándares o RA definidas para el programa

requiere identificar las restricciones que limitarían los alcan-

DC-TIC son los mostrados en la tabla 2.

ces del proyecto. Estas restricciones están relacionadas con la disponibilidad de recursos, capacidad de aulas, laboratorios, equipamiento, etc. En base a esta información y mediante un proceso iterativo, se define el currículo de estudios con la participación de docentes experimentados en TIC, por sus importantes aportes en cuanto a la secuencia, el nombre y

RA a

Describir y demostrar el uso de hardware actual.

b

Describir y demostrar tareas y utilizaciones básicas de procesadores de textos tales como digitación,

el nivel de complejidad de los cursos propuestos. Finalmente, la definición de objetivos formativos, resultados a los que aporta, contenidos, duración y métodos de evaluación deben

edición, formato e impresión de textos. c

curricular.

Utilizar software para mantener registros en red a fin de controlar asistencia, presentar notas de los estu-

hacerse por cada curso del currículo. Este proceso exige la revisión y ajuste permanente de todo el proceso de diseño

Resultados de aprendizaje

diantes y mantener registros relativos a ellos. d

Describir y demostrar el objetivo y las características básicas del software de presentaciones multimedia y

• Definición de resultados de aprendizaje

otros recursos informáticos. e

gráfico y utilizar un programa de este tipo para crear

Antes de identificar los RA a lograr en el programa DC-TIC, es preciso definir cuál es el nivel que se debe alcanzar teniendo en cuenta la taxonomía de Bloom [9]. Aquí es preciso distin-

una imagen sencilla. f

Describir internet y la World Wide Web, explicar con detalle sus usos, describir cómo funciona un navega-

guir que las competencias o desempeños a lograr en un pro-

119

dor y utilizar una dirección (URL) para acceder a un

grama de capacitación de nivel técnico, difieren sustancialmente de una titulación de bachiller o maestría.

Describir el objetivo y la función básica del software

sitio web. g

Utilizar un motor de búsqueda para efectuar una ex-

h

Crear una cuenta de correo electrónico y utilizarla

ploración booleana con palabras clave. para mantener correspondencia electrónica duradera. i

Describir la función y el objetivo de software de tutoría (tutoriales) y de instrucción y práctica, así como la manera en que contribuyen en los estudiantes, a la adquisición de conocimientos en las diferentes asignaturas escolares.

j

Localizar paquetes de software educativo y recursos web ya preparados, evaluarlos en función de su precisión y alineamiento con los estándares del plan de estudio (currículo), y adaptarlos a las necesidades de determinados estudiantes.

k

Utilizar tecnologías comunes de comunicación y colaboración tales como mensajes de texto, videoconferencias, colaboración mediante internet y comunicación con el entorno social.

Fig. 4. Modelo Top-Down de diseño curricular.

Tabla 2. Resultados de aprendizaje del programa DC-TIC.

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

03_Trabajo tecnico_gomez copy.indd 119

2/13/12 5:42 PM


Gómez, Henry. “Guía para el Diseño de Programas de Desarrollo de Capacidades Humanas en Proyectos de Responsabilidad Social ”

Por cada uno de estos RA es preciso definir por lo menos tres

También se especifica la metodología docente, el método de

competencias a lograr. Estas competencias o criterios de des-

evaluación y la dependencia con otros cursos del programa.

empeño (CD) deben estar formuladas en términos de conocimientos generales o específicos, dominio de métodos y técnicas específicas en TIC y la aplicación de estas en entornos educativos. Teniendo en cuenta estos aspectos se ha definido los criterios de desempeño para cada RA que se muestran en el anexo 3. Así, por ejemplo para el RA “a” se han definido los CD de la Tabla 3. RA

CD

Criterios de desempeño

Enfoque

Identifica y describe la funa1

ción de cada uno de los componentes de una com-

Conocimiento

putadora de escritorio. Instala, configura y utiliza rea

a2

cursos tecnológicos de una Destreza computadora de escritorio. Utiliza la información necesaria para la selección y

a3

adquisición de recursos tec- Aplicación nológicos de una computadora.

Tabla 3. Criterios de desempeño para el resultado “a” Tabla 4. Currículo de estudios del Programa DC-TIC

120

• Currículo de estudios Considerando los RA del programa DC-TIC, las restricciones mencionadas y con la participación activa de docentes expertos en TIC, se diseña el currículo de estudios del programa en forma modular. Aquí es importante definir los niveles, la duración de los mismos y los créditos que se acumulan para efectos de certificación, utilizando la definición de créditos CEU (Continuing Education Units) para programas de capacitación continua aplicados por IACET [10]. La definición del plan curricular va acompañada de la ponderación de cada RA y de la ubicación de estos en el plan, ello permite identificar en que cursos se trabaja cada RA y

PRESENTACIÓN Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS 1. El árbol de problemas El árbol de problemas propuesto para el programa DC-TIC se muestra en el anexo 1. Se ha identificado como problema central: “Los docentes de las IE de la zona de interés tienen competencias inadecuadas, insatisfactorias y desactualizadas en la incorporación de las TIC a los procesos de enseñanza-aprendizaje”, sus principales causas son: •

TIC de los docentes de EBR de la IE públicas de la zona de

ayudará más adelante en la medición del logro de los RA en

interés.

cada participante. También es necesario tener en cuenta la coordinación horizontal del plan para nivelar los créditos en cada curso y la coordinación vertical, que ayuda a mantener

En la definición de los cursos se debe identificar claramente

Que existen docentes de IE de la zona de interés que cuentan con escasos o nulo conocimiento de las TIC.

una secuencia lógica y completa del proceso de aprendizaje. • Sílabo o descriptor de cursos

Que no existe una evaluación base de las capacidades en

Las IE de la zona de interés no cuentan con un modelo de gestión que incorpore las TIC a las actividades de enseñanza-aprendizaje.

los RA a lograr, los CD esperados y los contenidos detallados.

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

03_Trabajo tecnico_gomez copy.indd 120

2/13/12 5:42 PM


Gómez, Henry. “Guía para el Diseño de Programas de Desarrollo de Capacidades Humanas en Proyectos de Responsabilidad Social ”

2. El árbol de objetivos

Lograr que las IE de las zonas de interés cuenten con un modelo de gestión que incorpore las TIC en las actividades de enseñanza-aprendizaje.

La solución a esta problemática social se convierte en un proyecto social, que se plantea con una estructura y objetivos bien definidos que se muestran en el anexo 2 y se detallan a

Para lograr estos objetivos, luego de haber analizado las accio-

continuación.

nes de mayor impacto, se plantea la realización de las siguientes actividades:

a. Objetivo general del proyecto c. Actividades Lograr IE con docentes que posean competencias adecuadas, •

satisfactorias y actualizadas, que incorporen las TIC a sus pro-

Hacer un diagnóstico en la zona de interés sobre el número de docentes y el nivel de competencias que poseen en el

cesos de enseñanza-aprendizaje.

uso de las TIC. b. Objetivos específicos • •

Diseñar y aplicar un Programa de Capacitación en TIC con diferentes niveles.

Obtener una evaluación base de las capacidades en TIC de los docentes de EBR de las IE de la zona de interés. •

Aplicar las TIC en las actividades de enseñanza-aprendizaje en las diversas materias del currículo de estudios.

Capacitar a los docentes de la IE de la zona de interés para que cuente con conocimientos actualizados sobre

3. El Marco Lógico del proyecto

las TIC.

La matriz del ML resumido del proyecto se muestra en la Tabla 5. Lógica

DESCRIPCIÓN

INDICADORES

VERIFICACIÓN

SUPUESTOS

Lógica Vertical

Fin: Mejorar la EBR en las IE de la zona de influencia, mediante la incorporación de las TIC.

Incremento del % de incorpo- Encuestas, entrevistas a ración de las TIC a los procedocentes y alumnos de las IE sos de enseñanza aprendizaje. beneficiarias.

Condiciones estables de la economía nacional.

Propósito: Capacitar en TIC a los docentes de las IE de la zona de interés.

Número de participantes del programa de capacitación.

Predisposición de los docentes a participar activamente en el programa.

Resultados: - Diagnóstico situacional de los docentes sobre capacidades en TIC. - Docentes capacitados en TIC. - IE que incorporan las TIC a sus procesos educativos. Actividades: - Evaluación teórico – práctico de las capacidades en TIC. - Diseño y ejecución de programas de capacitación en TIC.

- Evaluación base sobre capacidades en TIC. - Número de docentes capacitados. - Número de Programas de Capacitación aplicados.

- Número de docentes evaluados. - Número de programas con cursos y contenidos aprobados. - Número de horas de capacitación ejecutadas.

- Fichas de inscripción - Registros de asistencia

- Base de datos de beneficiarios - Registro de asistencia - Reportes de rendimiento

- Base de datos de beneficiarios - Registro de asistencia - Reportes de rendimiento - Informe de ejecución de cursos

121

Capacidad de gestión de institución ejecutora. Predisposición de IE a participar en el proyecto.

Capacidad de gestión de institución ejecutora.

Tabla 5. Matriz del Marco Lógico

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

03_Trabajo tecnico_gomez copy.indd 121

2/13/12 5:42 PM


4. Ejecución del proyecto a. Diagnóstico En la tabla 6 se muestra el número de inscritos por distrito y su distribución porcentual con respecto al total, siendo el distrito de Tiabaya el que concentra la mayor participación con 54%, mientras que el distrito de Yarabamba es la de menor participación con 6%.

DISTRITO BENEFICIARIO

INSTITUCIONES EDUCATIVAS

DOCENTES INSCRITOS

PARTICIPACIÓN PORCENTUAL

Tiabaya

14

119

54%

Uchumayo

15

71

32%

Socabaya

2

18

8%

Yarabamba

3

14

6%

TOTAL

34

222

100%

Fig. 6. Autoevaluación en TIC.

c. Currículo de estudios El currículo de estudios finalmente propuesto para este proyecto se muestra en el anexo 4. Aquí se puede observar la coordinación horizontal en cuanto a duración de cada curso y su contribución ponderada por cada RA. También se observa la coordinación vertical en cuanto a modularidad del programa, secuencia, dependencia de los cursos y aportes de cada curso

Tabla 6. Participantes inscritos por distrito.

en el logro de cada RA. En total se tiene 11 RA, que se constitu-

Es interesante observar que el mayor porcentaje de inscritos corresponde a participantes mujeres; alcanzando el 77% comparado con un 23% de hombres inscritos.

yen en ejes de desarrollo de cada participante. d. Descripción de los cursos La información pertinente a cada curso en cuanto a sus objetivos formativos, contenidos y metodologías utilizadas aparecen en el descriptor del curso.

Hombre 52 23%

Mujer 170 77%

5. Evaluación del proyecto Para la evaluación del proyecto es preciso distinguir entre la evaluación de los objetivos específicos del proyecto y la eva-

Fig. 5. Inscritos por género.

Los resultados de la autoevaluación se muestran en la fig. 6. En ella se puede observar que un alto porcentaje de los participantes (>78%), indican poseer escaso o nulo conocimiento en los módulos III, IV, V, VI y VII. En cambio, cerca del 56% declaran poseer un nivel regular o bueno en el módulo I y un 42% en el módulo II. b. Definición de resultados de aprendizaje y criterios de desempeño del programa El anexo 3 muestra el listado de RA y CD aprobados y validados, este cuadro es el resultado de la aplicación de la metodología expuesta en la sección 3.4.2. Es importante resaltar la codificación que recibe cada enunciado de los RA y CD, esto facilitará su utilización en la etapa de evaluación.

03_Trabajo tecnico_gomez copy.indd 122

luación de los resultados de aprendizaje que se planteó para el programa de capacitación. a. Logro de los objetivos del proyecto La medición del logro de los objetivos del proyecto se hace con la aplicación de las herramientas de medición señaladas en la matriz del ML. Se debe verificar el cumplimiento de las metas propuestas para los indicadores seleccionados en los medios de verificación existente. b. Logro de los resultados de aprendizaje La medición del logro de RA se hace utilizando herramientas de medición directa e indirecta. El rendimiento académico de los participantes, expresado cuantitativamente en una escala vigesimal, sirve de referencia para medir el logro de RA. Sin

2/13/12 5:42 PM


Gómez, Henry. “Guía para el Diseño de Programas de Desarrollo de Capacidades Humanas en Proyectos de Responsabilidad Social ”

embargo, una apreciación directa por parte del instructor

REFERENCIAS

sobre el desempeño del participante en tareas o actividades específicas es una medición más confiable. En este tipo de

[1]

Equal Support Unit. European Social Fund. A Project Cycle

mediciones, el instructor evalúa los desempeños listados en

Management and Logical Framework Toolkit - A practical

el anexo 3, y mediante la aplicación de una rúbrica, se califica

guide for equal Development Partnerships. GB

y cuantifica el logro de cada RA de una manera más objetiva. Al final del programa se obtienen indicadores de logro de RA

[2]

como se muestra en la fig. 7.

Ortegón, E., Pacheco, J. F. & Prieto, A. (2005). Metodología del Marco Lógico para la planificación, el seguimiento y la evaluación de proyectos y programas. Instituto Latinoamericano y del Caribe de Planificación Económica y Social (ILPES). Área de Proyectos y programación de inversiones CEPAL Naciones Unidas. Santiago de Chile.

[3]

PCM/FINCYT (2008). Guía para la elaboración de la línea base de los Proyectos Fincyt. Anexo de la R.D. N°121-2008.

[4]

European Commission. Project Cycle Management Guidelines. Volume 1. Aid Delivery Methods, Supporting Effective implementation of EC External Assistance.. March 2004.

[5] Ministerio de Educación. (2007). Proyecto Educativo Nacional al 2021. La educación que queremos para el Perú. Resolución Suprema N°001.2007-ED. [6] Fig. 7. Logro de RA por cada participante.

UNESCO. (2008). ICT Competency Standards for Teachers. Competency Standards Modules. United Nations Educa-

123

tional, Scientific and Cultural Organizations.

CONCLUSIONES [7]

ABET Technology Accreditation Commisión. (2009). Cri-

En este artículo se presenta una metodología de diseño de

teria for accrediting Engineering Technology Programs.

programas de desarrollo de capacidades humanas en el

ABET Inc.

marco de los proyectos de RSE desarrollado por una empresa minera. Se utiliza la información obtenida del Programa

[8]

Garcia Almiñana, J., Sanchez Carracedo, F. & Gavalda Mes-

DC-TIC para explicar en detalle los pasos y características del

tre, R. (2007). Recomendaciones para el diseño de una

método. La propuesta se basa en la experiencia adquirida en

titulación de Grado en Informática IEEE-RITA Vol 2. Nº. 2.

procesos de mejora continua de programas de capacitación y experiencias de acreditación internacional de programas de formación profesional en los últimos cinco años.

[9]

Bloom & Krathwohl. (2000). Definitions of Levels and McBeath Action Verbs. Pittsburg: The University of Pittsburg, USA. http://www.engrng.pitt.edu/~ec2000/.

Se propone estructurar el proceso de diseño en diversas fases: diagnóstico situacional, definición de resultados de aprendizaje y desempeños que deben poseer los participan-

[10] http://www.iacet.org/content/continuing-educationunits.html.

tes al final del proyecto, definición de restricciones y criterios del plan de estudio, definición del currículo de estudio, definición en detalle de los cursos y evaluación del logro de resultados.

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

03_Trabajo tecnico_gomez copy.indd 123

2/13/12 5:42 PM


Gómez, Henry. “Guía para el Diseño de Programas de Desarrollo de Capacidades Humanas en Proyectos de Responsabilidad Social ”

ANEXOS Anexo 1. Árbol de problemas

124 Anexo 2. Árbol de Objetivos

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

03_Trabajo tecnico_gomez copy.indd 124

2/13/12 5:42 PM


Gómez, Henry. “Guía para el Diseño de Programas de Desarrollo de Capacidades Humanas en Proyectos de Responsabilidad Social ”

Anexo 3. Lista de Resultados de Aprendizaje y Criterios de Desempeño

125

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

03_Trabajo tecnico_gomez copy.indd 125

2/13/12 5:42 PM


Gómez, Henry. “Guía para el Diseño de Programas de Desarrollo de Capacidades Humanas en Proyectos de Responsabilidad Social ”

Anexo 4. Currículo de Estudios con ponderación por Resultados de Aprendizaje

Coordinación horizontal

Coordinación vertical

126

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

03_Trabajo tecnico_gomez copy.indd 126

2/13/12 5:42 PM


Estabilidad Transitoria del Modelo Dinámico de una Turbina Eólica de Velocidad Variable Transient Stability of a Dynamic Model of a Variable Speed Wind Turbine Alberto Ríos, Universidad Europea de Madrid

Resumen

INTRODUCCIÓN

En este artículo se evalúa la respuesta transitoria de una tur-

Hasta hace unos años, las exigencias a la conexión de instala-

bina eólica de velocidad variable ante huecos de tensión bi-

ciones eólicas consistían en especificar las características de

fásicos y trifásicos. Los objetivos del presente estudio están

los sistemas de protección y asegurar una rápida desconexión

en presentar un análisis comparativo del modelo completo

ante la aparición de perturbaciones severas. La reducción de

y reducido de la turbina así como evaluar la influencia de la

la tensión por debajo del 85-80% de su valor nominal exigía la

conexión del crowbar y comprobar la capacidad de la turbina

desconexión instantánea de las instalaciones eólicas.

eólica de velocidad variable en mantener la continuidad de suministro.

Abstract

127

En los últimos años, la innovación tecnológica de los sistemas de conversión eólicos ha obligado a modificar las especificaciones técnicas de conexión por el posible impacto que causaría una masiva desconexión de instalaciones eólicas en la estabili-

This paper evaluates the transient response and the ability

dad y fiabilidad del sistema eléctrico. Las nuevas exigencias téc-

of the variable wind turbines againts three-phase and two-

nicas requieren que las instalaciones eólicas no se desconecten

phase voltage sags. The aim of this study is to provide a com-

ante la aparición de cortocircuitos en el punto de conexión a

parative analysis of full and reduced model of the turbine as

red. Adicionalmente se exige a las instalaciones eólicas que

well as to evaluate the influence of crowbar protection and to

aporten potencia reactiva durante el período de duración del

test the capacity of variable speed wind turbine in maintaini-

cortocircuito [1]. Los objetivos del presente estudio son:

nig the continuity of the supply.

Palabras clave

Presentar un análisis comparativo de la respuesta transitoria del modelo completo y reducido de turbina eólica de velocidad variable ante un hueco de tensión trifásico con y

Turbinas eólicas, estabilidad transitoria, integración en red,

sin conexión del crowbar.

crowbar, huecos de tensión.

Key words

Analizar la influencia de la conexión y desconexión del crowbar en la respuesta transitoria de una turbina eólica de velocidad variable en régimen supersíncrono.

Wind turbines, transient stability, grid integration, crowbar, voltage sags.

Evaluar la capacidad de las turbinas eólicas de velocidad variable en mantener la continuidad de suministro ante a huecos de tensión bifásicos y trifásicos.

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

04_Estabilidad Transitoria de turbinas Eolicos_rios.indd 127

2/13/12 5:46 PM


RIOS, Alberto. “Estabilidad Transitoria del Modelo Dinámico de una Turbina Eólica de Velocidad Variable”

FUNDAMENTOS

Turbina eólica de velocidad variable

Modelo dinámico de una turbina eólica

En la figura 1, se observa el esquema detallado de una turbina eólica equipada con un generador asíncrono doblemente ali-

La integración de un importante volumen de energía eólica

mentado. En un generador asíncrono doblemente alimentado,

en el sistema eléctrico exige la realización de estudios de in-

el devanado del estator está directamente conectado a la red

tegración que permitan:

eléctrica, mientras que el del rotor se conecta a través de un convertidor de frecuencia. El convertidor de frecuencia está

Analizar el comportamiento del sistema eléctrico ante la

compuesto por dos convertidores electrónicos CA/CC reversi-

creciente penetración de energía eólica en los próximos

bles: el convertidor de lado del rotor y el convertidor del lado de

años

red. Los dos convertidores funcionan como fuentes de tensión controlables, que utilizan dispositivos de electrónica de poten-

Evaluar el impacto de los sistemas de generación eólicos

cia de conmutación forzada para obtener una tensión alterna

en la operación y control del sistema.

partir de un enlace intermedio de continua entre los dos con-

Proponer soluciones técnicas para su óptima interacción con la red eléctrica.

Para la realización de los estudios de integración es necesario el desarrollo, implementación y evaluación de modelos dinámicos de turbinas eólicas. Los modelos dinámicos de las

vertidores. Los sistemas de control asociados al generador asíncrono doblemente alimentado permiten controlar la potencia activa y reactiva suministrada a la red de forma desacoplada, optimizar el valor de la energía extraída del viento en régimen de carga parcial y limitar la potencia entregada en régimen de funcionamiento nominal.

turbinas eólicas reflejan el alto grado de complejidad de estos sistemas de generación. Estos modelos se diseñan para resolver problemas específicos: •

Analizar el arranque de las turbinas eólicas y su impacto en la red.

128 •

Evaluar el nivel de flicker y armónicos introducidos por las turbinas eólicas.

Investigar el comportamiento dinámico de los turbinas eólicas o agrupación de turbinas eólicas (parques eólicos), conectados a un punto de conexión de la red eléctrica.

El grado de detalle de los modelos dinámicos de las turbi-

Figura 1. Esquema detallado de una turbina eólica de velocidad variable.

nas eólicas depende del objeto de análisis. La utilización de modelos dinámicos apropiados de las turbinas eólicas en

Asimismo, en la figura 1 se observa la característica más innova-

estudios de continuidad de suministro permite representar

dora de las turbinas eólicas de velocidad variable, la capacidad

los fenómenos electromagnéticos y electromecánicos que se

de funcionar en régimen supersíncrono y subíncrono, es decir,

producen ante graves perturbaciones.

cuando la velocidad de giro del rotor eólico es superior o inferior a la velocidad de sincronismo, respectivamente. El control

Actualmente, los modelos dinámicos de las turbinas eólicas

electrónico del convertidor de lado de red permite entregar la

de diferentes tecnologías son incluidos en los programas in-

potencia generada desde el rotor en régimen de velocidades

formáticos de simulación de sistemas eléctricos, tales como

supersíncronas (Protor > 0) o consumir la energía necesaria por

Simulink/Matlab, SIMPOW/ABB, Saber, DIgSILENT y PSS/E [2],

el rotor en régimen de velocidades subsíncronas (Protor < 0).

muy utilizados por las empresas eléctricas y centros de investigación especializados. La implementación de modelos di-

Control de convertidores electrónicos

námicos en diferentes plataformas informáticas que simulan el comportamiento de turbinas eólicas se describe en sendos

La implementación de convertidores electrónicos proporcio-

trabajos [3, 4, 5].

na a los sistemas de generación eólicos toda su versatilidad y

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

04_Estabilidad Transitoria de turbinas Eolicos_rios.indd 128

2/13/12 5:46 PM


RIOS, Alberto. “Estabilidad Transitoria del Modelo Dinámico de una Turbina Eólica de Velocidad Variable”

capacidad de control, permiten variar la velocidad de giro

la inserción de unas resistencias externas, lo que convierte al

del eje en un amplio rango de velocidades, optimizando la

generador doblemente alimentado en un generador asíncro-

extracción de energía del viento y amortiguando las oscila-

no. Las constantes de tiempo térmicas de los semiconductores

ciones de par sobre los elementos de transmisión. Asimismo,

de los convertidores electrónicos son muy cortas. Por tanto, el

los convertidores electrónicos permiten controlar, de forma

convertidor que alimenta a los devanados del rotor puede ser

independiente, la potencia activa y el factor de potencia de la

fácilmente destruido por las intensidades de cortocircuito, ha-

turbina. Los convertidores electrónicos se componen de se-

ciendo necesaria la instalación de sistemas de protección ante

miconductores controlados, habitualmente inversores PWM.

elevados valores de la intensidad del rotor.

Los convertidores electrónicos están conectados entre sí a través de una etapa de continua en la que hay un conden-

El crowbar es un dispositivo electrónico que cortocircuita los

sador. Para su fácil integración en los programas de análisis

devanados del rotor en caso de detectar una sobreintensidad,

dinámico de sistemas eléctricos, los convertidores electróni-

causada por la aparición de un cortocircuito, limitando así la

cos se representan por un modelo simplificado a frecuencia

elevada intensidad que circula por el rotor. Para poder soportar

fundamental, asumiendo que la etapa de continua es una

satisfactoriamente un hueco de tensión y mantener la continui-

fuente de tensión ideal y un inversor PWM con modulación

dad de suministro de la turbina eólica, el crowbar deberá des-

ideal (frecuencia de modulación infinita).

pejar el cortocircuito del devanado del rotor lo suficientemente rápido como para que el convertidor del rotor no se vea afecta-

La potencia activa entregada por el estator se controla por

do. Se ha de disponer de un tiristor con conmutación forzada,

medio del convertidor de lado de rotor ajustando el par elec-

un tiristor GTO o un IGBT.

tromagnético del generador a las variaciones de la velocidad de giro del rotor, alcanzando la máxima extracción de potencia eléctrica para un viento dado. En lo referente al control de potencia reactiva, el valor de referencia de potencia reactiva total depende de la estrategia de reactiva deseada, aunque es posible realizar un reparto óptimo de potencia reactiva entre el estator y el convertidor de lado de red en función

129

de mínimas pérdidas. La estrategia más empleada es mantener el factor de potencia igual a la unidad con ayuda del convertidor de red. A través del convertidor del lado del rotor se realiza el control de las corrientes que se inyectan en los devanados trifásicos del rotor.

Figura 2: Esquema simplificado del crowbar. Fuente propia.

El convertidor de lado de red permite obtener el factor de po-

En la figura 2, se muestra el esquema equivalente simplificado

tencia deseado y mantener constante la tensión en la etapa

del circuito del crowbar utilizado en las simulaciones. Es impor-

de continua a un valor de diseño previamente establecido. El

tante indicar que el control del crowbar es independiente del

control del convertidor de lado de red permite garantizar la

control vectorial de los convertidores electrónicos. El tiristor se

circulación de la potencia necesaria desde el rotor o viceversa

conmuta cuando la tensión en el enlace de continua alcanza su

para mantener la tensión constante en la etapa de continua.

valor máximo admisible. Simultáneamente, el circuito del rotor

La transferencia de energía que el rotor entrega o absorbe

es desconectado del convertidor electrónico y conectado al

de la red es instantánea, puesto que no existen elementos

crowbar. El rotor se mantiene conectado al crowbar hasta que

acumuladores de energía.

se desconecte el estator de la red o en función de diferentes

El dispositivo de protección crowbar

estrategias de control se reconecta al convertidor electrónico en un determinado período.

Las turbinas eólicas que disponen de convertidores electró-

Los sistemas de protección del convertidor electrónico monito-

nicos cuentan con un dispositivo adicional de protección

rizan constantemente las intensidades en el circuito del rotor y

contra sobreintensidades, denominado protección crowbar.

en el circuito del inversor de lado de red, la tensión en el enlace

Cuando aparece un hueco de tensión, la intensidad del ro-

de continua y en bornes del generador asíncrono y la frecuen-

tor se incrementa instantáneamente. El aumento de intensi-

cia de la red. El convertidor electrónico es bloqueado si uno o

dad es detectado por el sistema de control del convertidor

más valores monitorizados exceden los valores establecidos en

del rotor. Los devanados del rotor son cortocircuitados con

sus correspondientes sistemas de protección.

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

04_Estabilidad Transitoria de turbinas Eolicos_rios.indd 129

2/13/12 5:46 PM


RIOS, Alberto. “Estabilidad Transitoria del Modelo Dinámico de una Turbina Eólica de Velocidad Variable”

METODOLOGÍA

RESULTADOS

El estudio de la respuesta transitoria de una turbina eólica de velocidad variable consiste en realizar los siguientes estudios:

Estudio comparativo de modelos dinámicos

Análisis comparativo de la respuesta transitoria del mo-

En el presente apartado se realiza un análisis comparativo del

delo completo y reducido de turbina eólica de velocidad

comportamiento dinámico de los modelos completo y reduci-

variable ante un hueco de tensión trifásico.

do del generador asíncrono doblemente alimentado ante un hueco de tensión trifásico. El modelo reducido se caracteriza

Influencia de la conexión y desconexión del crowbar en la

por prescindir de los transitorios electromagnéticos en el esta-

respuesta transitoria de una turbina eólica de velocidad

tor. El principal objetivo de este estudio es demostrar la impor-

variable en régimen supersíncrono.

tancia de determinar correctamente la intensidad de cortocircuito del rotor para el adecuado funcionamiento del crowbar.

Capacidad de las turbinas eólicas de velocidad variable en mantener la continuidad de suministro ante huecos

La aparición de un hueco de tensión provoca una sobrein-

de tensión bifásicos y trifásicos.

tensidad en el rotor que activa el crowbar, con el objetivo de proteger las partes más sensibles del convertidor electrónico.

El modelo dinámico de una turbina eólica de velocidad varia-

La conexión del crowbar significa la inserción de un conjunto

ble se ha implementado en la plataforma informática DIgSI-

de resistencias, que reducen el pico de la intensidad del rotor,

LENT Power Factory. Esta plataforma de simulación se carac-

durante un período de aproximadamente 150 ms. Durante el

teriza por disponer de un entorno gráfico de fácil utilización

tiempo de conexión del crowbar, el arogenerador se comporta

para el usuario así como por la versatilidad en la implementa-

como un generador asíncrono de jaula de ardilla, es decir, se

ción de los modelos dinámicos. Los modelos de turbinas eóli-

pierde el control del circuito del rotor.

cas se representan con diferente grado de detalle, en función del tipo de estudio de integración a realizar.

Para analizar la influencia de la dinámica del flujo en el estator, sobre la respuesta transitoria de una turbina eólica de veloci-

130

En el modelo se ha incluido, además, el control de paso de

dad variable, se ha realizado un estudio comparativo de los mo-

pala y sistema de control de los convertidores de lado del ro-

delos dinámicos completo y reducido. El tiempo de duración

tor y de lado de red, el transformador elevador de baja a me-

de la falta es de 500 ms y la profundidad del hueco alcanza el

dia tensión y la impedancia del equivalente Thevenin hasta

20% de la tensión nominal en el punto de conexión.

el punto de conexión a la red eléctrica. La turbina eólica está compuesta por un generador asíncrono doblemente alimen-

En la figura 4 se muestra la comparativa de la respuesta transi-

tado con una potencia nominal de 2 mW y tensión nominal

toria de la intensidad del rotor durante la falta, obtenido para

de 690 V. El generador asíncrono doblemente alimentado se

el modelo completo y el reducido. Se observa que la actuación

conecta a la red de media tensión de 30 kV a través de un

del crowbar y la protección by pass del convertidor de lado de

transformador elevador de 2,1 MVA. La potencia de cortocir-

rotor está sincronizada. Asimismo, el disparo del crowbar se ha

cuito en el punto de conexión es 25 veces la potencia nomi-

ajustado a valor de aproximadamente dos veces el valor no-

nal del generador. En la figura 3 se muestra el esquema em-

minal de la intensidad del rotor de acuerdo a las característi-

pleado en los estudios de estabilidad transitoria propuestos.

cas técnicas de los fabricantes de convertidores. La conexión del crowbar tiene un retraso de 5 milisegundos y se mantiene conectado durante 150 milisegundos. Puesto que el modelo reducido desprecia los transitorios de frecuencia fundamental del estator, el valor máximo de la intensidad del rotor durante una falta es significativamente menor que con ayuda de un modelo completo. Este hecho afecta al correcto funcionamiento del crowbar. En los dos picos de intensidad que se observan en la figura 4, el valor máximo de la intensidad obtenido por el modelo reducido no supera el umbral de disparo establecido

Figura 3. Esquema eléctrico en los estudios de la turbina eólica de

para el crowbar. Este incorrecto funcionamiento pondría en pe-

velocidad variable.

ligro la integridad del convertidor de lado de red, puesto que no se activaría la protección by pass que bloquea el convertidor

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

04_Estabilidad Transitoria de turbinas Eolicos_rios.indd 130

2/13/12 5:46 PM


RIOS, Alberto. “Estabilidad Transitoria del Modelo Dinámico de una Turbina Eólica de Velocidad Variable”

del lado de rotor. En definitiva, la simulación de la respuesta

forma sincronizada, dispara el sistema de bloqueo del conver-

transitoria de la turbina eólica equipada con un generador

tidor, figura 5.

asíncrono doblemente alimentado por medio del modelo reducido conduce a un comportamiento erróneo del sistema de protección del convertidor. La respuesta transitoria del modelo completo determina con mayor exactitud el valor máximo de la intensidad del rotor y activa correctamente el crowbar, protegiendo al convertidor electrónico, puesto que al mismo tiempo se activa el bloqueo del convertidor.

Figura 5. Tensión e intensidad del rotor ante un hueco de tensión trifásico. DIgSILENT Power Factory.

La inserción de resistencias en el devanado del rotor reduce el pico de intensidad del rotor y el estator, protegiendo los dispositivos electrónicos del convertidor. Además, el crowbar modifica la constante de tiempo del rotor y afecta al transitorio de Figura 4. Comparativa de la respuesta transitoria del rotor ante un

intensidad del rotor, que decae rápidamente debido al valor

hueco de tensión trifásico. DIgSILENT Power Factory.

modificado de la constante de tiempo del rotor. La conexión del crowbar reduce la sobretensión que aparece en el bus de

El cumplimiento de los requisitos en mantenerse conectada

continua durante los primeros instantes posteriores a la apari-

a red de una turbina eólica equipada con un generador do-

ción de la falta. Pasado el tiempo de conexión del crowbar, de

blemente alimentado, representado por un modelo reducido

aproximadamente 150 ms, la intensidad transitoria del rotor

empeora con relación al modelo completo. Esto es evidente,

carga el condensador del bus de continua en el proceso de des-

ya que el incorrecto funcionamiento del crowbar provocaría

magnetización del rotor, durante algunos milisegundos. Inme-

la destrucción del convertidor electrónico y la pérdida de

diatamente después de la desconexión del crowbar se recupera

producción eléctrica de la turbina eólica.

la capacidad de control sobre el devanado del rotor.

131

Influencia del crowbar En esta apartado se analiza la respuesta transitoria de diferentes magnitudes eléctricas y mecánicas de una turbina eólica equipada con generador asíncrono doblemente alimentado ante un hueco de tensión trifásico de 500 ms de duración y una tensión residual igual al 20% de la tensión nominal. Se analiza el comportamiento de una turbina eólica equipada con un generador asíncrono de velocidad variable en régimen supersíncrono, a plena carga y factor de potencia

Figura 6. Potencia activa y reactiva de la turbina eólica ante un hueco de

igual a la unidad, cuando el crowbar entra en funcionamien-

tensión trifásico. DIgSILENT Power Factory.

to ante la aparición de un cortocircuito trifásico. Cuando se aplica la falta trifásica en el punto de conexión a red, aparece

La pérdida de la capacidad de control del generador doble-

en el estator del generador un pico de intensidad muy ele-

mente alimentado durante el período de actuación del crowbar

vado. La respuesta transitoria de la intensidad del rotor tiene

indica que el generador se comportará como un generador

un comportamiento muy similar a la del estator, debido a la

asíncrono de jaula de ardilla. Durante este período se produ-

interacción entre los flujos del estator y el rotor. La intensidad

cirá un consumo de potencia reactiva, figura 6. A los 150 ms de

que aparece en el devanado del rotor activa el crowbar y, de

la conexión del crowbar, se recupera el capacidad de control

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

04_Estabilidad Transitoria de turbinas Eolicos_rios.indd 131

2/13/12 5:46 PM


RIOS, Alberto. “Estabilidad Transitoria del Modelo Dinámico de una Turbina Eólica de Velocidad Variable”

sobre la máquina, la potencia activa y reactiva se ajustan a valores cercanos a cero. En el momento de despeje de la falta, se recupera la tensión y aparece un transitorio de potencia activa y reactiva, figura 6, que dispara por segunda vez el crowbar. La segunda conexión del crowbar descarga el condensador del enlace de continua y limita la sobreintensidad que aparece en el deva-

Tabla 1. Umbrales típicos de disparo de los sistemas de protección de una

nado del rotor, figura 5. El exceso de velocidad del generador, durante la falta, activa

turbina eólica. Fuente propia.

Los intercambios de potencia activa y reactiva, tanto du-

el sistema de control de paso de pala que modifica el ángu-

rante el período de duración del hueco de tensión como en

lo de calado y evita un exceso de par mecánico durante la

el periodo de recuperación posterior al despeje de una fal-

recuperación de la tensión, figura 7. En esa misma figura se

ta trifásica o bifásica, se deberán encontrar dentro de unos

observa que debido a la inercia de las palas, la velocidad de

límites predeterminados.

la turbina oscila mucho menos que la velocidad del rotor del generador. A pesar del consumo de potencia reactiva duran-

En relación a los consumos puntuales de energía y potencia

te el período de recuperación, la turbina eólica doblemente

(activa y reactiva) durante el hueco de tensión y el período in-

alimentada recupera rápidamente el valor nominal de la ten-

mediatamente posterior al despeje de la falta se definen tres

sión anterior a la falta, gracias a la capacidad de controlar el

zonas claramente diferenciadas. La zona A correspondería a

flujo de potencia reactiva, figura 6.

los primeros 150 ms después del inicio del hueco de tensión, la zona B se define como el periodo desde los 150 ms hasta los 500 ms de duración del hueco mientras que la zona C corresponde a los 150 ms inmediatamente posteriores al despeje de la falta. En la figura 8 se muestra de forma esquemática las zonas, diferenciadas de un hueco de tensión y los límites esta-

132

blecidos de consumos de energía y potencia (activa y reactiva) e intensidad reactiva de una instalación eólica ante un hueco bifásico y trifásico.

Figura 7. Respuesta de diferentes parámetros mecánicos ante un hueco trifásico. DIgSILENT Power Factory.

Continuidad de suministro eléctrico En esta apartado se procede a la evaluación de la capacidad de las turbinas eólicas de velocidad variable en mantener la continuidad de suministro ante huecos de tensión trifásicos y bifásicos. Para determinar si la turbina eólica se mantiene conectada después de un cortocircuito, se utilizarán los siguientes criterios: •

Los sistemas de protección de la turbina no actúan du-

Figura 8. Zonas diferenciadas del hueco de tensión y límites de consumo de energía y potencia.

Huecos de tensión trifásicos

rante el período de simulación y, por tanto, no desconectan la turbina eólica. Sin embargo, se verifica si los

En este apartado se analiza la capacidad de una turbina eólica

parámetros evaluados de la turbina superan los valores

de velocidad variable en mantener la continuidad de suminis-

umbrales de los diferentes sistemas de protección. En la

tro ante un hueco trifásico funcionando a plena carga. En la

tabla 1 se muestran los valores característicos de los sis-

figura 9 se muestra la respuesta transitoria de tensión e inten-

temas de protección de las turbinas eólicas.

sidad en valores instantáneos en el punto de conexión ante un

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

04_Estabilidad Transitoria de turbinas Eolicos_rios.indd 132

2/13/12 5:46 PM


RIOS, Alberto. “Estabilidad Transitoria del Modelo Dinámico de una Turbina Eólica de Velocidad Variable”

hueco de tensión trifásico. Con ayuda de estos valores instan-

Una de las características más interesantes de las turbinas

táneos se calculan los valores eficaces de tensión e intensi-

eólicas equipadas con generadores asíncronos doblemente

dad, mostrados en la figura 10.

alimentados es la capacidad de inyectar potencia reactiva durante el hueco de tensión y en el período de recuperación inmediatamente posterior al despeje de la falta.

Figura 9. Respuesta de tensión e intensidad ante un hueco trifásico en valores instantáneos. DIgSILENT Power Factory. Figura 11: Intercambio de potencia activa y reactiva e intensidad reactiva. Matlab MathWorks.

En la tabla 3 se muestra el intercambio de energía y potencia (activa y reactiva) de una turbina de velocidad variable cuando se implementa una estrategia de control que inyecta el máximo valor de intensidad reactiva. De la tabla 3 se deduce que, con la inyección de intensidad reactiva, la turbina de velocidad variable cumple con las exigencias técnicas de consumo de potenFigura 10. Respuesta de tensión e intensidad ante un hueco trifásico en valores eficaces. Matlab MathWorks.

cia y energía reactiva en la zona B y en la zona C del hueco de tensión, respectivamente (cifras en negrita de la tabla 3).

133

De la figura 10 se observa que la tensión en bornes del generador alcanza un valor cercano al nominal inmediatamente después del despeje de la falta. Esta rápida recuperación de la tensión en bornes del generador asíncrono doblemente alimentado, en comparación al generador asíncrono de jaula de ardilla, se debe a la capacidad de controlar el par mecánico de la turbina y, por tanto, la potencia activa, así como de la potencia reactiva inyectada o consumida por el generador eléctrico.

Tabla 2. Consumo de energía y potencia (activa y reactiva) ante un hueco trifásico a plena carga.

Según el criterio de disparo de protecciones, la turbina eólica no debería desconectarse de la red y mantendría la continuidad de suministro ante al hueco de tensión trifásico. En la figura 11 se muestra el intercambio de potencia activa, potencia reactiva e intensidad reactiva en las diferentes zonas del hueco de tensión trifásico a plena carga. En la tabla 2 se muestran los consumos de energía y potencia (activa y reactiva) para la turbina de velocidad variable. La turbina eólica no cumple las exigencias establecidas ante un

Tabla 3. Consumo de energía y potencia ante un hueco trifásico con

hueco de tensión trifásico por un ligero consumo de poten-

estrategia de control.

cia reactiva en la zona B y por consumo de energía reactiva en la zona C (cifras en rojo de la tabla 2).

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

04_Estabilidad Transitoria de turbinas Eolicos_rios.indd 133

2/13/12 5:46 PM


RIOS, Alberto. “Estabilidad Transitoria del Modelo Dinámico de una Turbina Eólica de Velocidad Variable”

Huecos de Tensión Bifásicos En este apartado se analiza la capacidad de una turbina eólica de velocidad variable de mantener la continuidad de suministro ante un hueco bifásico funcionando a plena carga.

Figura 14. Intercambio de potencia activa y reactiva e intensidad reactiva. Matlab MathWorks.

En la tabla 4, donde se presentan los resultados de consumo de energía y potencia (activa y reactiva), se observa que la turbina eólica de velocidad variable cumple con las especificaFigura 12. Respuesta de tensión e intensidad ante un hueco bifásico en

ciones técnicas establecidas en las diferentes zonas del hueco.

valores instantáneos. DIgSILENT Power Factory.

Se deduce de los resultados obtenidos que, ante un hueco de tensión bifásico, no es necesario implementar estrategia de

En la figura 12 se muestra la respuesta de tensión e intensi-

control alguna.

dad en valores instantáneos de una turbina eólica de velocidad variable ante un hueco de tensión bifásico funcionando a plena carga. Se aplica un hueco bifásico entre las fases A y B, las tensiones eficaces de estas fases se reducen a un 60% de su valor nominal, figura 13. En esa misma figura se observa que la fase C mantiene la tensión cerca de su valor nominal.

134

Tabla 4. Consumo de energía y potencia (activa y reactiva) ante un hueco bifásico.

CONCLUSIONES Los estudios realizados en una turbina eólica de velocidad variable, equipada con un generador asíncrono doblemente alimentado, se han centrado en demostrar la necesidad de utiFigura 13. Respuesta de la tensión e intensidad ante un hueco bifásico

lizar un modelo dinámico completo del generador eléctrico y

en valores eficaces. Matlab MathWorks.

en evaluar la influencia del crowbar en la respuesta transitoria. Asimismo, se ha evaluado la capacidad de la turbina eólica de

En la figura 13 se aprecia durante el hueco bifásico la apa-

velocidad variable de mantener la continuidad de suministro

rición de severos desequilibrios en las intensidades de fase.

frente a huecos de tensión trifásicos y bifásicos. Las principales

Estos desequilibrios se deben a la aparición de una impor-

conclusiones son las siguientes:

tante componente de secuencia negativa durante el hueco bifásico.

Se ha analizado la importancia y necesidad de utilizar un modelo completo en los estudios de continuidad de su-

En la figura 14 se observa que la turbina eólica equipada con

ministro. El modelo reducido desprecia los transitorios

un generador doblemente alimentado cumple las especifica-

electromagnéticos de frecuencia fundamental del estator,

ciones de continuidad de suministro en relación al intercam-

afectando al cálculo de la intensidad del rotor durante la

bio de potencia activa y reactiva e intensidad reactiva ante un

aparición de una falta. El valor de la intensidad del rotor es

hueco bifásico a plena carga.

significativamente menor cuando se emplea en su cálculo

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

04_Estabilidad Transitoria de turbinas Eolicos_rios.indd 134

2/13/12 5:46 PM


RIOS, Alberto. “Estabilidad Transitoria del Modelo Dinámico de una Turbina Eólica de Velocidad Variable”

un modelo reducido del generador, afectando al correcto funcionamiento del crowbar

[5]

Lund, T., Eek, J., Uski, S. & Perdana, A. (2004) “Dynamic Fault Simulation of Wind Turbines using Commercial Simulation Tools”Proceedings of the EWEC, London.

Se ha evaluado la influencia del crowbar en la respuesta transitoria de la turbina eólica de velocidad variable fren-

ACERCA DEL AUTOR

te a un cortocircuito trifásico. Los resultados obtenidos en las simulaciones permiten comprender el comporta-

Alberto Ríos Villacorta. Ingeniero eléctrico en la especialidad

miento dinámico de una turbina eólica de velocidad va-

de Sistemas y Redes Eléctricas por el Instituto Politécnico de

riable y evaluar la capacidad de este tipo de tecnología

Bielorrusia en el año 1993. Máster en Energías Renovables por

para cumplir los nuevos requisitos técnicos de conexión

la Universidad Europea de Madrid en el año 2004. Doctor in-

de las instalaciones eólicas, establecidos por el operador

geniero industrial por la Universidad Carlos III de Madrid en el

del sistema eléctrico.

año 2007. Director técnico de Energy to Quality, Laboratorio de Ensayos de Turbinas Eólicas y Simulaciones de Parques Eólicos,

La evaluación de la turbina de velocidad variable, equipa-

entre 2005 y 2006. Director del Máster Oficial en Energías Reno-

da con un generador asíncrono doblemente alimentado,

vables de la Universidad Europea de Madrid entre 2007 y 2011.

demuestra que no cumple las especificaciones técnicas

Sus áreas de interés son el modelado dinámico de sistemas de

referentes a la capacidad de mantener la continuidad de

generación eléctrica y los estudios de integración de sistemas

suministro ante huecos de tensión trifásicos, por lo que

renovables.

en este caso es necesario implementar una estrategia de control de potencia reactiva durante el hueco de tensión.

Original recibido: 28 de octubre de 2011

Por otro lado, se ha comprobado que ante huecos de

Aceptado para publicación: 02 de enero de 2012

tensión bifásicos, la turbina eólica de velocidad variable cumple los criterios de continuidad de suministro. •

Se ha demostrado la posibilidad de implementar estrategias de control en las turbinas eólicas de velocidad variable que permitan inyectar potencia reactiva durante el

135

periodo de duración de los huecos de tensión.

REFERENCIAS [1]

J. Matevosyan, J., Ackermann, T., Bolik, S. & Söder, L. (2004) “Comparison of International Regulations for Connection of Wind Turbines to the Network”, Nordic Wind Power Conference.

[2]

Kazachkov, Y., Stapleton, S. (2004) “Modeling Wind Farms for Power System Stability Studies”. Journal of Power Technology.

[3]

Iov, F., Hansen, Jauch, C., Sorensen, P. & Blaabjerg, F. (2004) “Advanced Tools for Modeling, Design and Optimization of Wind Turbine Systems”, Nordic Wind Power Conference.

[4]

Johnsen, K., Eliasson, B. (2004) “SIMULINK, Implementation of Wind Farm Model for use in Power System Studies”, Nordic Wind Power Conference.

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

04_Estabilidad Transitoria de turbinas Eolicos_rios.indd 135

2/13/12 5:46 PM


04_Estabilidad Transitoria de turbinas Eolicos_rios.indd 136

2/13/12 5:46 PM


Estabilidad Transitoria de Parques Eólicos de Velocidad Variable Transient Stability of Variable Speed Wind Farms Alberto Ríos, Universidad Europea de Madrid

Resumen

described and the power system dynamic grid to which its connected and then run simulations to:

Este artículo analiza la respuesta transitoria de un parque eólico de velocidad variable ante huecos de tensión trifásicos

Analyze the impact of transformer inrush current in the transient response of the wind farm.

y bifásicos y se evalúa su capacidad de mantener la continuidad de suministro. La respuesta transitoria de un parque eólico se ha realizado con ayuda de simulaciones y no se ha

Evaluate the capacity of variable speed wind farms to

verificado con datos reales, debido a la falta de mediciones y

maintain the continuity of supply against to two-phase

a la complejidad técnica que implica la aplicación de cortocir-

and three-phase voltage sags.

cuitos en parques eólicos. Inicialmente se describe el modelo equivalente y detallado de un parque eólico y la red dinámica

137

Palabras clave

del sistema eléctrico al cual se conecta y posteriormente se realizan simulaciones para:

Parques eólicos, estabilidad transitoria, integración en red, punto de conexión a red (PCR).

Analizar la influencia de la intensidad de conexión del transformador en la respuesta transitoria del parque

Key words

eólico. Wind farms, transient stability, grid integration, connection po•

Evaluar la capacidad de las parques eólicos de velocidad

int to grid.

variable en mantener la continuidad de suministro ante a huecos de tensión bifásicos y trifásicos.

Abstract

INTRODUCCIÓN La conexión distribuida de turbinas eólicas que conforman un parque eólico representa una dificultad añadida en la realiza-

This paper examines the transient response of a variable

ción de estudios de integración. El inconveniente que presen-

speed wind farm against three-phase and two-phase voltage

tan los parques eólicos es que son agrupaciones de decenas de

sags, and assesses their ability to maintain the continuity of

unidades de generación eléctrica interconectados por cables

supply. The transient response of a wind farms has been per-

de media tensión a través de transformadores elevadores de

formed using simulations and has not been verified with real

BT/MT. Las líneas eléctricas de media tensión, que recogen la

data, due to the lack of measurements and the technical diffi-

potencia entregada por las turbinas eólicas, canalizan toda esta

culty in the implementation of short circuits in wind farms.

energía hacia la red eléctrica convencional a través de una sub-

Initially, the equivalent and detailed model of wind farms are

estación transformadora MT/AT y unas líneas de evacuación

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

05_estabilidad transitoria de parques eolicos_rios.indd 137

2/13/12 5:55 PM


RIOS, Alberto. “Estabilidad Transitoria de Parques Eólicos de Velocidad Variable”

de alta tensión; estos últimos elementos del parque, además,

La representación detallada de un nudo del sistema eléctrico,

pueden estar diseñados para evacuar la energía eléctrica de

al cual se conectan decenas de aerogeneradores, es una tarea

varios parques de una determinada zona.

bastante engorrosa. La gran cantidad de datos que se ha de introducir en un programa de análisis y el elevado consumo

Antes de la construcción de los parques eólicos y su conexión

de tiempo en la realización de estudios de integración es un

a la red es necesario realizar estudios de su influencia en las

problema crítico para los operadores del sistema eléctrico. La

instalaciones eléctricas contiguas. Para la realización de es-

solución a este problema es representar el parque eólico con

tos estudios se utilizan programas informáticos específicos

ayuda de un modelo equivalente agregado. Un modelo equi-

para el análisis de sistemas eléctricos, entre ellos destacan

valente agregado consiste en representar el parque eólico por

PSS/E, DIgSILENT, NETOMAC, EUROSTAG, SINPOW. En los úl-

una única turbina eólica equivalente.

timos años, en paralelo al desarrollo de nuevas tecnologías de turbinas eólicas, estos programas han introducido en sus librerías modelos de aerogeneradores, incluyendo sus correspondientes sistemas de control asociados. La dificultad de los estudios de integración estriba en la necesidad de representar el parque eólico. En este sentido, los objetivos del presente estudio son: •

La representación más conveniente para el operador de un sistema eléctrico, con alta penetración de energía eólica, en sus estudios de operación y control tanto en régimen estable como en régimen transitorio sería un modelo equivalente de parque eólico. Aunque, es importante indicar que es necesario comprobar la exactitud del modelo equivalente adoptado, es decir, cerciorarse con ayuda de simulaciones que presente un comportamiento similar al modelo de parque eólico detallado.

Describir el modelo equivalente y detallado de un par-

En algunos casos, por las características geográficas y la distri-

que eólico, así como la red dinámica del sistema eléctrico

bución de las turbinas eólicas dentro del parque eólico, es im-

al cual se conecta.

posible reducirlo a una única turbina equivalente. En ese caso, resulta conveniente representar cada circuito del parque eólico

Analizar la influencia de la intensidad de conexión del

por una única turbina equivalente, así el parque eólico agrega-

transformador en la respuesta transitoria del parque

do consiste de un grupo de varias turbinas equivalentes. En la

eólico.

figura 1 se muestra la agregación de un parque eólico a un mo-

138

delo equivalente agregado. •

Evaluar la capacidad de las parques eólicos de velocidad variable en mantener la continuidad de suministro ante

El desarrollo de estos modelos equivalentes ha estado sujeto

huecos de tensión bifásicos y trifásicos.

a muchas discusiones. Exige un compromiso entre las simplificaciones a realizar para reducir los esfuerzos computacionales

FUNDAMENTOS

y mantener una razonable exactitud en la representación matemática de los fenómenos físicos, inherentes a los sistemas de

Modelo equivalente de parques eólicos

generación eólicos, que permitan obtener resultados de aceptable precisión.

Una representación detallada de las unidades de generación del parque eólico incrementaría sensiblemente el tiempo de cálculo para el flujo de cargas y, especialmente, para los estudios de estabilidad transitoria por el gran número de ecuaciones diferenciales que habría que considerar. Esto se agravaría considerablemente si el operador del sistema decidiera incluir una representación detallada de los parques eólicos en sus herramientas de simulación, en las que ya existen miles de unidades de generación convencionales. Por otro lado,

Un modelo equivalente apropiado de parque eólico permitiría validar los resultados de las simulaciones cuando al compararlos con los resultados obtenidos a partir de mediciones, los errores resultantes de la comparación sean insignificantes. Un ejemplo de esto sería comparar los valores de potencia activa y reactiva, obtenidos en las simulaciones de un modelo equivalente, con las mediciones de potencia activa y reactiva realizados en el punto de conexión a red (PCR).

las actuales plataformas de cálculo informático permiten

La agregación de un parque eólico es un aspecto muy crítico en

resolver gran volumen de ecuaciones reduciendo incluso el

el estudio de integración de sistemas eólicos. En el desarrollo

tiempo empleado. El problema reside, por tanto, en alcanzar

de un modelo de agregación de unidades de generación eólica

un compromiso entre el tiempo empleado en el cálculo y el

es necesario considerar, con particular atención, que las carac-

detalle de la información técnica deseada de los estudios de

terísticas dinámicas del generador eléctrico, sistema de acopla-

integración eólica.

miento mecánico y del sistema de conversión aerodinámico de cada aerogenerador sean correctamente representados en el

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

05_estabilidad transitoria de parques eolicos_rios.indd 138

2/13/12 5:55 PM


RIOS, Alberto. “Estabilidad Transitoria de Parques Eólicos de Velocidad Variable”

circuito equivalente del parque eólico; de lo contrario, el mo-

Modelo completo de parques eólicos

delo de agregación trasladará graves errores a los estudios de integración, [1]. Existen diversos trabajos que tratan con

La representación más cercana a la realidad de un parque eó-

profundidad el problema de agregación de turbinas eólicas

lico es el modelo equivalente detallado. En este caso, cada uno

[2, 3, 4, 5].

de los componentes del parque eólico es representado por sus respectivos modelos dinámicos. El comportamiento del par-

La reducción de un parque eólico a un modelo equivalente

que eólico se simula considerando todos los elementos que

debe cumplir un conjunto de condiciones. Así, la potencia

conforman un parque eólico: turbinas, transformadores de MT/

activa y reactiva en el punto de conexión a red (PCR) que su-

BT y AT/MT, líneas de media tensión, línea de distribución o de

ministra el modelo equivalente agregado a cualquier nivel

evacuación y sistemas de compensación adicionales. La repre-

de carga, debe ser igual a la potencia activa y reactiva que

sentación detallada de un parque eólico puede resultar exce-

suministra el parque eólico.

sivamente engorrosa desde el punto de vista de introducción de datos y demasiado lenta en tiempo de simulación, en el

La condición de potencia activa es fácil de cumplir, puesto

caso de que sea necesario analizar el comportamiento de va-

que la potencia total que suministra el parque eólico es igual

rios parques conectados a un sistema eléctrico. Sin embargo, la

a la suma de la potencia activa de cada turbina eólica me-

versatilidad de las actuales plataformas de simulación de siste-

nos las pérdidas en los circuitos y líneas de evacuación, que

mas eléctricos y la rapidez de los equipos informáticos hacen

suman entre un 1-2% de la potencia nominal del parque. La

posible estudios puntuales de integración con ayuda de una

condición de potencia reactiva depende de la tecnología de

representación detallada del parque eólico. Entre esos estudios

la turbina eólica utilizada. Si el parque eólico está formado

se pueden incluir a los de continuidad de suministro de par-

por generadores asíncronos de jaula de ardilla, el consumo

ques eólicos.

de potencia reactiva del aerogenerador está en función del nivel de carga. La relación entre la potencia reactiva consumi-

Según la normativa vigente en España, relacionado con los sis-

da por el generador eléctrico y la potencia activa suministra-

temas de generación basados en energías renovables, los par-

da por la turbina es no lineal. Si, por el contrario, el parque eó-

ques eólicos pertenecen al denominado régimen especial. Se

lico se compone de turbinas eólicas de velocidad variable, el

acogen al régimen especial aquellas instalaciones de produc-

sistema de control asociado de la turbina puede modificar el

ción de energía eléctrica con una potencia instalada menor o

valor de potencia reactiva entregada o consumida por cada

igual a 50 MW, abastecidas por recursos o fuentes de energía

turbina eólica. En este sentido, se puede coordinar la genera-

renovables. Además, se considera que pertenecen a un único

ción o consumo de potencia reactiva de cada aerogenerador,

parque eólico cuya potencia total será la suma de las potencias

de tal forma que el parque eólico pueda generar o consumir

de las instalaciones unitarias, todas las unidades de generación

potencia reactiva en función de las necesidades del sistema

eólicas que viertan su energía a un mismo transformador con

eléctrico.

tensión de salida igual a la red de distribución o de transporte

139

a la cual se conecta. El procedimiento de verificación de la respuesta transitoria de parques eólicos ante huecos de tensión indica que, una vez validados los modelos de aerogeneradores y componentes de compensación, se procederá a la simulación del parque eólico [6]. En el mencionado procedimiento se establece, con carácter general, que la simulación del parque incluirá la totalidad de turbinas eólicas, sistemas de compensación de potencia reactiva, cables, transformadores y líneas de evacuación. Puesto que el número de instalaciones eólicas en España es muy elevado y de diferente topología, para agilizar el proceso de certificación e instalación de nuevas instalaciones eólicas las simulaciones se podrán realizar con ayuda de un parque eólico tipo. La utilización del parque eólico tipo se basa en el supuesFigura 1. Agregación de un parque eólico a varias turbinas (a)

to de que la respuesta transitoria ante huecos de tensión de

o una única turbina equivalente (b).

una significativa parte de las instalaciones eólicas conectadas

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

05_estabilidad transitoria de parques eolicos_rios.indd 139

2/13/12 5:55 PM


RIOS, Alberto. “Estabilidad Transitoria de Parques Eólicos de Velocidad Variable”

al sistema eléctrico español es similar, siempre y cuando las

dios de estabilidad transitoria y continuidad de suministro de

unidades de generación eólica sean de igual tecnología y las

las instalaciones eólicas se suele emplear el esquema eléctrico

características eléctricas del parque eólico hasta el punto de

presentado en la figura 3. Se aprecian la existencia de los si-

conexión cumplan una serie de requisitos comunes. De esta

guientes elementos: parque eólico, dispositivos de compensa-

forma, se evita la innecesaria simulación de instalaciones eóli-

ción de potencia reactiva, transformador elevador MT/AT, línea

cas similares a un determinado parque eólico tipo. Si los resul-

de evacuación (AT-PCR) y red equivalente. En la figura 3 se ob-

tados de la simulación demuestran que el parque eólico cum-

serva que la red equivalente se puede representar con ayuda

ple con las especificaciones establecidas en el procedimiento

de una red equivalente Thevenin. La red equivalente Thevenin

operativo ante huecos de tensión, se emitirá un certificado

está compuesta por una reactancia, que depende de la poten-

de conformidad, que será válido para el denominado parque

cia de cortocircuito en el punto de conexión a red y del nivel

tipo. Si el parque tipo es certificado, se podrán certificar to-

de tensión al que se conecta el parque eólico, y del nudo de

dos aquellos parques cuyos parámetros de aerogeneradores

referencia o nudo oscilante.

y topología de red interna sean similares a los parámetros del anteriormente mencionado parque eólico tipo. Las instalaciones eólicas que difieran sensiblemente de la topología del parque eólico tipo deberán realizar una simulación adicional particular de su respuesta ante huecos de tensión. Por tanto, se aceptará como valida toda instalación eólica que se pueda declarar como asimilada a un parque eólico tipo. Los criterios de asimilación de una instalación eólica a un parque eólico tipo son las siguientes: •

140

La impedancia de cortocircuito de la instalación eólica se ha de encontrar en un margen de +20% el valor definido para el parque tipo.

Los grupos de conexión y regímenes de neutro han de ser idénticos a los definidos para el parque tipo.

El número de turbinas eólicas del mismo tipo ha de ser idéntico al del parque tipo.

La potencia eólica asignada de los sistemas de compensación deberá ser igual o superior a la del parque tipo.

Figura 2. Topología de un parque eólico tipo de 50MW.

Red equivalente dinámica

En la figura 2, se define la topología eléctrica de un parque eólico tipo de 50 MW, constituido por 25 aerogeneradores

La red equivalente se puede representar por una red dinámi-

de 2 MW, además de los siguientes elementos: punto de co-

ca en lugar de un equivalente Thevenin. A diferencia del equi-

nexión a red (PCR), línea de evacuación (entre las barras PCR

valente Thevenin, la red dinámica permite que el despeje de

y AT), circuitos de media tensión: Circuito 1 con 8 turbinas,

la falta en el punto de conexión a red reproduzca el perfil de

circuito 2 con 9 turbinas y circuito 3 con 8 turbinas, transfor-

tensión habitual en el sistema eléctrico español, es decir, una

mador AT/MT y transformador MT/BT.

subida brusca en el despeje de la falta y una recuperación lenta posterior, figura 4, debido a la conexión de cargas eléctricas

Red equivalente del sistema eléctrico

con una característica predominantemente inductiva. La red equivalente dinámica se compone de un nudo que representa

En apartados anteriores se explicaron las razones de repre-

el sistema europeo (nudo UCTE) y se modela por una fuente

sentar un parque eólico de forma detallada y las principales

de tensión ideal con inercia infinita; otro nudo simula el com-

características de un parque eólico tipo. Para realizar los estu-

portamiento dinámico de la red eléctrica más cercana al punto

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

05_estabilidad transitoria de parques eolicos_rios.indd 140

2/13/12 5:55 PM


RIOS, Alberto. “Estabilidad Transitoria de Parques Eólicos de Velocidad Variable”

de conexión del parque eólico (nudo RED); y existe un tercer

El ajuste de los valores de la carga inductiva así como la de las

nudo que representa el punto de conexión a la red, donde el

impedancias de líneas y transformadores, permite reproducir el

parque eólico vierte su potencia eléctrica (nudo PCR). Estos

perfil de tensión anteriormente mencionado. Además, el em-

nudos están separados por impedancias de valores prede-

pleo de la red equivalente dinámica garantiza que las simula-

terminados, de forma que se reproduzca el perfil de tensión

ciones del parque eólico se realizarán para cortocircuitos con

habitual en el Sistema Eléctrico Español.

las mismas características. El perfil de tensión se considerará fijo e independiente de la ubicación geográfica de la instalación eólica en estudio. Los datos de los elementos que conforman la red equivalente dinámica han sido proporcionados por el operador del sistema eléctrico español, REE, y se detallan en el procedimiento de verificación de la respuesta de instalaciones eólicas ante huecos de tensión [6]. En la figura 5 se muestra la red equivalente dinámica a emplear en los estudios de continuidad de suministro de parques eólicos. Los valores predeterminados de los diferentes elementos que componen la red equivalente son definidos en [6].

Figura 3. Circuito equivalente Thevenin de un parque eólico.

Figura 5. Esquema unifilar de la red eléctrica equivalente dinámica.

141

Intensidad de conexión del transformador En este apartado se presenta el modelo matemático de la intensidad transitoria de conexión del transformador, conocido en la literatura anglosajona como inrush. Cuando ocurre una falta cerca de un transformador, la tensión disminuye bruscamente e incluso puede llegar a cero si la falFigura 4. Ejemplo de perfil de tensión ante el despeje de una falta trifási-

ta es aislada. La posterior reconexión o rápida recuperación de

ca. Red Eléctrica de España.

la tensión hasta su valor nominal provoca la aparición de una elevada intensidad transitoria de magnetización (intensidad de

Para representar el comportamiento dinámico de la red

inrush en la literatura anglosajona). La causa de la aparición de

eléctrica más cercana al nudo RED, se incluye un generador

una elevada intensidad transitoria de magnetización se debe a

síncrono, denominado GEN y conectado al nudo GEN; y una

la relación no lineal existente entre el flujo magnético y la inten-

carga inductiva, denominada CARGA y conectada al nudo

sidad, característica de los núcleos magnéticos.

CARGA. El nudo GEN y el nudo CARGA se conectan a niveles de tensión de 20 kV, que se conectan al nudo RED a través

Los factores que determinan la duración y magnitud de la in-

de su correspondiente transformador elevador. El generador

tensidad transitoria de magnetización dependen de una serie

síncrono se representa por su modelo dinámico subtransito-

de parámetros técnicos específicos de los transformadores y de

rio e incluye un sistema de excitación y un sistema de regu-

las características de la red a la que se conectan:

lación de velocidad.

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

05_estabilidad transitoria de parques eolicos_rios.indd 141

2/13/12 5:55 PM


RIOS, Alberto. “Estabilidad Transitoria de Parques Eólicos de Velocidad Variable”

El valor instantáneo de la onda de tensión en el momento

uniforme de la operación previa sin la aparición de elevados

de cierre del interruptor (ángulo de cierre del interrup-

transitorios de intensidad, figura 7a. En la realidad, es imposible

tor).

controlar el instante de reconexión y la aparición de transitorios de intensidad son inevitables.

La impedancia existente entre la fuente de tensión y el transformador.

La potencia nominal del transformador.

El valor residual y polaridad del flujo magnético antes de la reconexión.

El valor de la potencia de cortocircuito en el punto de conexión. Figura 6. Curva de magnetización (a) e intensidad de magnetización

Las características del núcleo magnético (tipo de mate-

en régimen permanente (b).

rial, densidad de saturación, geometría del núcleo, etc.). La conexión del transformador se realiza mediante el cierre Puesto que la tensión aplicada al transformador varía de for-

simultáneo de las tres fases del interruptor, dejando al azar el

ma sinusoidal con el tiempo, se deduce que el flujo magnéti-

instante de la conexión. Este proceso origina la presencia de

co también es una función sinusoidal pero desfasada 90º en

grandes transitorios de intensidad en las fases y en el neutro a

retraso con relación a la tensión. La relación existente entre

tierra. Los transitorios de intensidad son diferentes en cada fase

flujo magnético y la intensidad en un material ferromagnéti-

del transformador, debido a que las ondas de tensión de cada

co se representa por una curva característica empírica cono-

fase están separadas 120° eléctricos y el cierre del interruptor

cida como curva de magnetización, que se caracteriza por un

es simultáneo en las tres fases, por lo que en el momento del

fenómeno denominado saturación magnética.

cierre del interruptor, los valores instantáneos de las ondas de

142

tensión son diferentes. La existencia del fenómeno de saturación divide la curva de magnetización en una región lineal, en la que el flujo magnético aumenta proporcionalmente con la intensidad, y en una región no lineal, en la que un aumento adicional de la intensidad no produce un incremento significativo del flujo magnético. En la figura 6.a se muestra la curva de magnetización de un transformador. La curva de magnetización define que, para una onda de flujo magnético sinusoidal, la onda de intensidad de magnetización presente una forma sinusoidal en la región lineal y no sinusoidal en la región no lineal. En la práctica, los transformadores se diseñan para que en su fun-

(a)

(b)

cionamiento en régimen permanente a tensión nominal, los valores de intensidad correspondan la región saturada de la

Figura 7. Intensidad de magnetización: caso mas satisfactorio (a) y caso

curva de magnetización, figura 6.b. Cuando un transformador

más desfavorable (b).

es reconectado después de una falta o un largo período fuera de servicio, las condiciones de análisis son diferentes.

El caso más desfavorable ocurrirá cuando la conexión se realiza en el instante en el que la onda de tensión pasa por cero, ten-

Si ocurre una falta cerca de un transformador, la intensidad

diendo hacia una polaridad tal que el flujo magnético aumen-

de magnetización tiende a cero mientras que el flujo mag-

ta en la dirección del flujo residual. En la figura 7, se considera

nético se reduce a un valor residual, φR, debido al fenómeno

que el transformador se reconecta en el instante en que el flujo

de histéresis. En el caso más satisfactorio, si la reconexión del

magnético alcanza su valor máximo negativo, -φmax, coincidien-

transformador se realizará exactamente en el instante en el

do con un valor positivo del flujo residual. Puesto que el flujo

que el valor instantáneo de la onda de tensión correspondie-

no puede cambiar instantáneamente, la onda del flujo en lugar

se al valor residual del flujo, se produciría una continuación

de partir de su valor normal, -φmax, y variar sinusoidalmente a lo

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

05_estabilidad transitoria de parques eolicos_rios.indd 142

2/13/12 5:55 PM


RIOS, Alberto. “Estabilidad Transitoria de Parques Eólicos de Velocidad Variable”

largo de la línea punteada de la figura 6b, parte del valor del

Para evaluar la influencia de la intensidad transitoria de mag-

flujo residual, φR, siguiendo la curva φtr. De la figura 7b se de-

netización del transformador en la respuesta transitoria en un

duce que la curva φtr es una senoidal desplazada, cuyo valor

parque eólico se emplea el esquema eléctrico de la figura 9.

de pico, φtr max es igual a +φR + 2φmax. Este exceso de flujo

En el esquema eléctrico propuesto, un parque eólico de velo-

magnético causará la saturación del flujo magnético y la apa-

cidad fija de 50 mW evacua su potencia a la red a través de un

rición de un transitorio de la intensidad de magnetización.

transformador de 55 MVA, cuya intensidad de magnetización

En función de la polaridad del flujo residual, se incrementará

se modela con ayuda de una expresión polinómica. Al igual que

o reducirá la intensidad transitoria de magnetización. En la

en el caso de una única turbina eólica, se aplica en el punto de

práctica, el valor del flujo residual puede alcanzar un valor

conexión un hueco de tensión trifásico de 500 ms de duración

igual a 0,5 φmax. De esta forma, el valor de pico de la curva φtr

con una tensión residual del 20% de la tensión nominal.

max será: φR + 2φmax = 0,5φmax + 2φmax = 2,5 φmax. En la figura 8, se muestra la típica forma del transitorio de la intensidad de magnetización. Se observa que esta intensidad se asemeja a una intensidad de cortocircuito. Es decir, el transitorio de intensidad se puede descomponer en una componente transitoria y en una componente permanente. La componente transitoria se amortigua exponencialmente y se suma a la componente permanente. Durante el primer semiperiodo, la componente transitoria apenas se amortigua debido a una constante de tiempo elevada. La saturación magnética es elevada y la inductancia es baja. Puesto que las pérdidas en el núcleo se incrementan, la saturación decae y la

Figura 9. Esquema de evaluación del efecto de la intensidad magnetizante

inductancia se incrementa, la constante de tiempo se reduce

en un parque eólico.

la componente transitoria se extingue rápidamente, quedando tan sólo la componente permanente.

RESULTADOS Influencia de la intensidad de conexión

143

En la figura 10 se aprecia la aparición del inrush en la respuesta transitoria de la intensidad magnetizante cuando la curva de magnetización del transformador de la subestación transformadora es modelada con ayuda de una expresión polinómica. En este caso, la intensidad magnetizante del parque eólico es Figura 8. Forma de onda de la intensidad transitoria de magnetización

muy apreciable en la respuesta transitoria de la potencia activa

de un transformador.

y reactiva instantánea del parque eólico, figuras 11 y 12, respectivamente.

METODOLOGÍA El estudio de la respuesta transitoria de un parque eólico de velocidad variable consiste en realizar: •

Análisis de la influencia de la intensidad de conexión del transformador en la respuesta transitoria del parque eólico.

Capacidad de las parques eólicos de velocidad variable en mantener la continuidad de suministro ante huecos de tensión bifásicos y trifásicos.

El objetivo de esta evaluación es comprobar que el parque eólico soporte los requisitos técnicos de conexión a red.

Figura 10. Respuesta transitoria de la intensidad magnetizante del transformador del parque eólico. Matlab MathWoks.

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

05_estabilidad transitoria de parques eolicos_rios.indd 143

2/13/12 5:55 PM


RIOS, Alberto. “Estabilidad Transitoria de Parques Eólicos de Velocidad Variable”

Huecos de tensión trifásicos En la figura 13 se presenta el intercambio de potencia activa, potencia reactiva e intensidad reactiva del parque de velocidad variable ante un hueco trifásico a plena carga. Se aprecia que se cumple con los requisitos de consumo potencia activa y reactiva e intensidad reactiva especificadas para las zonas diferenciadas del hueco de tensión.

Figura 11. Influencia del inrush en la medida de potencia activa del parque eólico. Matlab MathWoks.

Figura 13. Intercambio de potencia activa y reactiva de un parque eólico de velocidad variable. Matlab MathWoks.

En la tabla 1 se presentan los resultados de consumo de energía y potencia (activa y reactiva). Corroboran que el parque eólico de velocidad variable ante un hueco de tensión trifásico Figura 12. Influencia del inrush en la medida de potencia reactiva del parque eólico. Matlab MathWoks.

cumple los criterios establecidos en relación a la continuidad de suministro.

De los resultados obtenidos, se concluye que el efecto del in-

144

rush en las instalaciones eólicas se refleja en un aumento del consumo de potencia reactiva en el período inmediatamente posterior al despeje de la falta. Puesto que uno de los criterios de evaluación de la continuidad de suministro de parque eólicos es el consumo de la potencia reactiva en el punto de conexión, resulta de especial interés considerar la influencia del inrush en estos estudios.

Continuidad de suministro eléctrico

Tabla 1. Intercambio de potencia activa y reactiva de un parque eólico de velocidad variable.

En este apartado se procede a la evaluación de la capacidad de un parque eólico de velocidad variable en mantener la

Huecos de tensión bifásicos

continuidad de suministro ante huecos de tensión trifásicos y bifásicos. Para determinar si el parque eólico se mantiene

En la figura 14 se presenta el intercambio de potencia activa,

conectado después de un cortocircuito, se utilizaran los si-

potencia reactiva e intensidad reactiva del parque de veloci-

guientes criterios:

dad variable ante un hueco bifásico a plena carga. Se aprecia que se cumple con los requisitos de consumo potencia activa y

Los sistemas de protección del parque eólico no actúan

reactiva e intensidad reactiva especificadas para las zonas dife-

durante el período de simulación y, por tanto, no lo des-

renciadas del hueco de tensión.

conecten. •

Los intercambios de potencia activa y reactiva, tanto durante el período de duración del hueco de tensión como en el periodo de recuperación posterior al despeje de una falta trifásica o bifásica, se deberán encontrar dentro de unos límites predeterminados.

En la tabla 2, los resultados de consumo de energía y potencia (activa y reactiva) corroboran que el parque eólico de velocidad variable ante un hueco de tensión bifásico, funcionando a plena carga, cumple los criterios establecidos en relación a la continuidad de suministro.

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

05_estabilidad transitoria de parques eolicos_rios.indd 144

2/13/12 5:55 PM


RIOS, Alberto. “Estabilidad Transitoria de Parques Eólicos de Velocidad Variable”

Operation Analysis””. Nordic Wind Power Conference. [3]

Soens, J. , Driesen, J. & Belmans, R. (2004) “Generic Dynamic Wind Farm Model for Power System Simulation”, Nordic Wind Power Conference.

[4]

Poller, M. & Achilles, S. (2003) “Aggregated Wind Park Models for Analyzing Power System Dynamics”. Fourth Inter-

Tabla 2. Intercambio de potencia activa y reactiva de un parque eólico

national Workshop on Large-Scale Integration of Wind

de velocidad variable.

Power and Transmission Networks for Offshore Wind Farms. [5]

Muljiadi, E., Butterfield, C. P. & Yinger, R. (2004) “Wind Farm based Power Plant Model”, Nordic Wind Power Conference.

[6]

Asociación Empresarial Eólica, AEE. (2007) “Procedimiento de verificación, validación y certificación de los requisitos

Figura 14. Intercambio de potencia activa y reactiva de un parque eólico de velocidad variable.

del PO 12.3 sobre la respuesta de Instalaciones Eólicas ante Huecos de Tensión”.

CONCLUSIONES

ACERCA DEL AUTOR

Los estudios realizados en un parque eólico de velocidad

Alberto Ríos Villacorta. Ingeniero Eléctrico en la especialidad

variable han demostrado que el análisis del impacto de la

de Sistemas y Redes Eléctricas por el Instituto Politécnico de

intensidad transitoria de conexión del transformador en la

Bielorrusia en el año 1993. Máster en Energías Renovables por

respuesta transitoria del parque eólico demuestra la impor-

la Universidad Europea de Madrid en el año 2004. Doctor in-

tancia de considerar este fenómeno en los estudios de con-

geniero industrial por la Universidad Carlos III de Madrid en el

tinuidad de suministro. La intensidad transitoria de conexión

año 2007. Director técnico de Energy to Quality, Laboratorio de

del transformador afecta al consumo de potencia reactiva

Ensayos de Turbinas Eólicas y Simulaciones de Parques Eólicos,

del parque eólico en el período inmediatamente posterior a

entre 2005 y 2006. Director del Máster Oficial en Energías Reno-

la recuperación de la tensión, y, por tanto, a la capacidad del

vables de la Universidad Europea de Madrid entre 2007 y 2011.

parque en mantener la continuidad de suministro.

Sus áreas de interés son el modelado dinámico de sistemas de

145

generación eléctrica y los estudios de integración de sistemas La evaluación de la continuidad de suministro de los parques

renovables.

eólicos de velocidad variable indica que cumplen con los requisitos exigidos de conexión a la red. Puesto que la red

Original recibido: 23 de octubre de 2011

equivalente dinámica representa de forma similar la respues-

Aceptado para publicación: 02 de enero de 2012

ta de tensión en un nodo de transporte de la red eléctrica española se recomienda, en los estudios de continuidad de suministro, el empleo de la red equivalente dinámica en lugar de un equivalente Thevenin.

REFERENCIAS [1]

Rosas, P. (2003) “Dynamic Influences of Wind Power on the Power System”. PhD Thesis, Technical University of Danmark.

[2]

Lubosny, Z., Dobrzynski, K., Kluznik, J, & Zajczyk, R. (2004) “Wind Farm Equivalenting for Electric Power System

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

05_estabilidad transitoria de parques eolicos_rios.indd 145

2/13/12 5:55 PM


05_estabilidad transitoria de parques eolicos_rios.indd 146

2/13/12 5:55 PM


Aplicación de los Métodos Combinados en la Conservación del Blanquillo Moqueguano (durazno) Application of the Combined Methods in the conservation of the Moqueguan White Peach Ricardo Benites. Tecsup

Resumen

samiento para mantener una buena conservación del fruto: 1 000 ppm de sorbato de potasio (SK) y 150 ppm de benzoato de

El presente trabajo de investigación, tiene como finalidad

sodio (BNa), regulación de 3,8 en pH (preparación del jarabe) y

usar: la “Tecnología de los métodos combinados” en la con-

tratamiento térmico por 2 min.

servación de los alimentos; la cual permite reducir la intensidad del tratamiento térmico y mantener las propiedades

Abstract

organolépticas del fruto fresco en el producto final, mediante la reducción de la actividad de agua (aw), la regulación del

This research is aims to use: the “Technology of the Combined

pH y la adición de conservantes que aseguran su estabilidad

Methods” for food preserving, which allows to reduce the in-

y seguridad microbiana.

tensity of the thermal treatment and keep the organoleptic

147

properties of the fresh fruit in the final product through the El objetivo de este trabajo fue aplicar dicha tecnología para

reduction of the water activity (aw), the pH regulation, and the

conservar el fruto del durazno de la variedad “blanquillo mo-

addition of preservatives that guarantee its microbial stability

queguano” y analizar la calidad y vida útil de los productos

and safety.

obtenidos a temperatura ambiente. The objective of this research was to apply such technology to La elaboración de la conserva del blanquillo moqueguano se

preserve the peach of the “Moqueguan White Peach” variety

efectuó del siguiente modo: se prepararon mitades de duraz-

and analyze the quality and shelf life of the obtained products

nos estabilizándolos con una relación 1 a 2 (fruta – jarabe).

at room temperature.

Posteriormente, se evaluó su estabilidad microbiológica, fisicoquímica y organoléptica durante su almacenamiento a

The production of the canned Moqueguan White Peach was

26 °C (+ 2 °C) en frascos de vidrio.

carried out as follows: peaches cut in half were prepared and stabilized with a 1 to 2 relation (fruit -syrup). Afterwards, its mi-

Los resultados indican que la aplicación de los métodos com-

crobial, physicochemical and organoleptic stability was evalua-

binados en la conservación del blanquillo moqueguano per-

ted during its storage at 26º C (+2ºC) in glass jars.

miten conservar el producto a temperatura ambiente, manteniendo una estabilidad y seguridad microbiológica por un

The results indicate that the application of the combined

periodo de 80 días a 25 °C. En la aplicación de la tecnología

methods in the preservation of the Moqueguan White Peach

de los métodos combinados se comprobó que los microor-

allows to mantain the stability and microbiological safety for a

ganismos son sensibles a los cambios de temperatura (shock

period of 80 days at 26 °C. In the application of combined me-

térmico); siendo los más afectados hongos, coliformes y le-

thods technology it was found that the organisms are sensi-

vaduras. Se determinó las siguientes condiciones de proce-

tive to temperature changes (thermal shock) being the most

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

06_Articulo de investigacion_benites.indd 147

2/13/12 5:57 PM


BENITES, Ricardo. “Aplicación de los Métodos Combinados en la Conservación del Blanquillo Moqueguano (durazno)”

affected fungi, coliforms and yeasts. The following processing

y está dentro de la clasificación de alimentos de humedad in-

conditions were determined for the good preservation of the

termedia (AHI); por lo que gran parte de su producción, entre el

fruit: 1000 ppm of Potassium Sorbate (KS) and 150 ppm of

10% y 40%, se descompone.

Sodium Benzoate (BNa), regulation of pH in 3.8 (preparation of syrup) and heat treatment for 2 min.

Una alternativa para la conservación de este recurso lo constituyen los “métodos combinados”, que son: 1) Aplicación de un

Palabras clave

ligero tratamiento térmico para inactivar enzimas y disminuir la carga microbiana inicial, 2) Reducción de la aw por adición

Blanquillo moqueguano, métodos combinados, conserva-

de sacarosa (azúcar), 3) Ajuste de pH en caso de ser necesario

ción de alimentos, conservas.

con ácido cítrico o fosfórico y 4) Adición de conservantes como sorbato de potasio o benzoato de sodio; de tal forma que se

Key words

alcance la estabilidad del producto durante un tiempo sin necesidad de refrigeración.

Moqueguan White Peach, Combined Methods, Food Preservation, Canned food.

El presente trabajo de investigación tiene como objetivos: determinar las características físicas y químicas de la materia pri-

INTRODUCCIÓN

ma y del producto final en conserva (aw, pH, °brix, azúcares reductores y no reductores, humedad, cenizas y acidez) y evaluar

A través de la historia de la conservación de alimentos, se

la vida en anaquel del blanquillo moqueguano conservado por

advierte que los métodos de procesamiento de frutas y hor-

métodos combinados (cuenta de hongos, mesófilos y levadu-

talizas han cambiado continuamente. En los últimos años se

ras).

han dado mejoras significativas que fueron estimuladas por la demanda en calidad y la extensión de la vida en anaquel

Con todo este avance tecnológico se permitirá dar otra alter-

de los productos procesados.

nativa para aprovechar este fruto, sin que ocasione pérdida alguna. Se da lugar a que se amplíen las zonas de producción

148

En los últimos 20 años se han desarrollado nuevas tecnolo-

con el posterior beneficio para el desarrollo químico industrial

gías en Iberoamérica para conservar “el alto contenido de

y agroindustrial; satisfaciendo así las necesidades alimentarias y

humedad de la fruta, sin que esta pierda sus características

económicas de un pueblo en vías de desarrollo como es el Perú.

y propiedades naturales” (durazno, piña, mango, papaya, plátano); basados en el principio de reducir la intensidad del

FUNDAMENTOS

tratamiento térmico; debido a que este último produce reacciones tanto físicas como químicas que influyen en el valor

La tecnología de los métodos combinados pretende conservar

nutritivo de los alimentos.

las propiedades organolépticas de alimentos almacenados por largos periodos, debido a que los alimentos son susceptibles de

En los países en vías de desarrollo, como el Perú, se enfren-

presentar un deterioro físicoquímico y/o microbiano en algu-

ta el desafío de que sus productos frutícolas se adaptan a su

nas de las etapas de su procesamiento previas a su consumo.

realidad regional, las pérdidas poscosecha son altas; además de que hay severas restricciones de energía, transporte y un

Entre los principales mecanismos de protección, usando esta

almacenamiento ineficaz. En consecuencia, existe una nece-

tecnología de métodos combinados, se encuentran: la aplica-

sidad urgente de alternativas de procesamientos simples y

ción de un ligero tratamiento térmico, como es el escaldado

baratos que reemplacen la esterilización, refrigeración, con-

para el caso de las frutas; reducción de la actividad de agua (aw)

gelación y otros métodos de procesamiento con gasto de

por medio de agentes depresores de la misma, como la gluco-

energía y un alto capital de inversión. La tecnología de los

sa o sacarosa incorporadas a las conservas en almíbar; acidifi-

métodos combinados, aplicados a la conservación de frutas,

cación del sistema por medio de ácidos orgánicos débiles; así

podrían aportar una solución a esta problemática.

como la adición de sustancias antioxidantes y/o antimicrobinas.

El durazno de la variedad “blanquillo moqueguano” es una

ACTIVIDAD DE AGUA (aw)

de las variedades de mayor producción en el Perú; siendo las zonas de mayor producción: Lima (33 000 T.M.), Arequipa (1

La regulación del agua para la conservación de los alimentos,

200 T.M), Junín (1 100 T.M), Ancash (900 T.M) e Ica (450 T.M). Es

es disminuir el contenido de agua disponible en el sistema me-

un fruto carnoso, rico en carbohidratos, vitaminas, minerales

diante la adición de agentes depresores (se puede controlar

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

06_Articulo de investigacion_benites.indd 148

2/13/12 5:57 PM


BENITES, Ricardo. “Aplicación de los Métodos Combinados en la Conservación del Blanquillo Moqueguano (durazno)”

por deshidratación, congelación o por la adición de solutos

SUSTANCIAS ANTIMICROBIANAS

tales como: sal o azúcar) con el objetivo de evitar el desarrollo microbiano, así como de reacciones deteriorativas.

Su objetivo principal es inhibir el crecimiento microbiano durante el almacenamiento de los productos. Estas sustancias

La aw es una propiedad termodinámica de un alimento o so-

tienen tres tipos de acción sobre el microorganismo: inhiben

lución, y se define como la relación entre la presión de vapor

la biosíntesis de la pared celular (ácidos nucleicos), dañan la in-

en equilibrio de la muestra (P) y la presión de equilibrio del

tegridad de las membranas e interfieren con los procesos meta-

agua pura (P°) a la misma temperatura, y pueden tener valo-

bólicos esenciales. En general, se dice que los antimicrobianos

res que varían desde 0 a 1.

pueden ser de dos tipos: conservadores sintéticos (sustancias químicas con el objetivo de retardar el proceso de deterioro) o

Donde:

agentes naturales (sustancias naturales comúnmente utilizadas en la cocina diaria, con las propiedades de inhibir el crecimiento

aw = es la actividad de agua, P(alimento ,T) es la presión par-

microbiano). Los conservantes químicos más utilizados en las

cial del agua ejercida por el alimento a una temperatura T.

industrias son: el sorbato de potasio y el benzoato de sodio;

Siendo equivalente la ecuación de la actividad de agua con

mientras que los agentes naturales de mayor importancia son

la de humedad relativa dividido entre 100.

la vainillina (vainilla) y la canela.

La relación de aw y la humedad relativa es fundamental en la fabricación de ciertos alimentos; donde controlando los

ESTRUCTURA MOLECULAR DE SUSTANCIAS ANTIMICROBIANAS USADAS EN LA CONSERVACIÓN DE ALIMENTOS

parámetros indicados, nos permite obtener el grado de deshidratación deseado y la conveniente flora superficial. Se disponen de varios métodos instrumentales que se emplean ampliamente en la industria alimentaria para la determinación de la actividad de agua, siendo el más sencillo y utilizado el higrómetro eléctrico. Este se puede usar para productos cuyos niveles de actividad de agua son superiores

2. Benzoato de sodio

1. Sorbato de potasio

149

a 0,85.

MEDICIÓN DE pH Controlando el pH de un producto alimenticio se puede inhibir la proliferación del crecimiento microbiano. En general, las bacterias requieren para su crecimiento valores de pH entre 4,0 a 8,0, mientras que levaduras y mohos pueden desarro-

3. Vainillina (vainilla)

llarse a pH inferiores. Para evitarlo, se adicionan a los produc-

3. Aldehído cinámico (canela)

tos alimentación ácidos orgánicos débiles (ejemplo: ácido cítrico, ácido fosfórico) con el objetivo de acidificar el medio y

Cuadro 1. Estructura molecular de las principales sustancias antimicro-

evitar el crecimiento microbiano; es decir, presentan también

bianas.

un efecto conservador. Los productos obtenidos mediante la aplicación de las tecnolo-

TRATAMIENTO TÉRMICO

gías descritas vienen a ser alimentos mínimamente procesados

Esta tecnología es empleada durante la preparación de pro-

de anaquel y de apariencia fresca. Su procesamiento es simple y

ductos frutícolas para lograr la inactivación de enzimas como la polifenoloxidasa, capaz de desarrollar reacciones deterio-

pero altamente seguros para el consumo humano, de larga vida ello permite reducir costos por pérdidas poscosecha, al almacenar los productos sin necesidad de refrigeración.

rativas en los alimentos; entre ellos, el oscurecimiento y alteración del sabor. El tratamiento térmico aplicado a futas consiste en un escaldado por algunos segundos con vapor o agua hirviendo, seguido de una inmersión en agua fría por

METODOLOGÍA

algunos minutos.

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

06_Articulo de investigacion_benites.indd 149

2/13/12 5:57 PM


BENITES, Ricardo. “Aplicación de los Métodos Combinados en la Conservación del Blanquillo Moqueguano (durazno)”

La conservación del blanquillo moqueguano (durazno) apli-

NaoH en ebullición al 5% (% en peso) por un minuto, enjua-

cando la tecnología de los métodos combinados; aúna diver-

gando luego la fruta con agua fría hasta desaparecer la soda

sos métodos de conservación para dar lugar a un producto

caústica (esto es comprobado echando unas pequeñas gotas

estable, seguro y con apariencia fresca. Entre estos tenemos:

de fenolftaleína al agua de enjuague, hasta que no presente

escaldado (ligero tratamiento térmico de la fruta con vapor

coloración alguna).

directo a 100 °C por 2 minutos), adición de agentes depresores de la aw como la glucosa (azúcar usado en preparación

Luego, el fruto fue descarozado (eliminación de la pepa) y cor-

del jarabe), reducción de pH con ácidos orgánicos débiles

tado en mitades para ser escaldado con vapor saturado (100

como el ácido cítrico o fosfórico y la adición de agentes anti-

°C) por un tiempo de 2 minutos; esto es realizado principalmen-

microbianos.

te para inactivas enzimas que puedan contribuir a cambios indeseables en la pulpa de la fruta.

Sensorialmente, las formulaciones en las cuales se combinan estos tres factores son aceptables por parte de los consumi-

Obtenida la pulpa (1 000 gr), se traslado a frascos de vidrio y

dores finales.

se cubrió con la cantidad necesaria de jarabe ya preparado (2 000 gr) a: 27°Brix, 3,8 de pH (uso de ácido cítrico), 1 000 ppm

FACTOR

INTERVALO DEL FACTOR

de sorbato de potasio (SK), 150 ppm de benzoato de sodios (BNa) y 0,98 de aw en equilibrio. Una vez envasado el producto

Actividad acuosa (Inmersión en sacarosa)

0,94 – 0,98

en frascos de vidrio se deja enfriar hasta temperatura ambiente.

pH

A partir de esta etapa se va a determinar el tiempo de vida

(Ajustado con ácido cítrico o 3,0 – 4,1

en anaquel del blanquillo moqueguano, conservado por mé-

fosfórico)

todos combinados a través de los respectivos análisis micro-

Tratamiento térmico (Escaldado)

Vapor saturado por 2 min

biológicos.

Agentes antimicrobianos

150

(Sorbato de potasio)

Selección durazno

0 – 1 500 ppm

(Benzoato de sodio) Cuadro 2. Principales factores usados en frutas

Lavado

de humedad Intermedia. Fuente: Minimally Processed Fruits by Combined Methods. Alzamora S.M., 1995.

0#5&/$*©/%&-"16-1"%&'365" %&-#-"/26*--0.026&(6"/0

Impurezas

Agua fria Pelado

Cáscaras

NaOH 5% Descarozado

Pepas

Para la realización de la parte experimental se empleó como materia prima el durazno (Prunus pérsica), de la variedad de blanquillo moqueguano proveniente de la región central. La selección de la fruta fue en el mercado central de la ciudad de Trujillo, tomando en cuenta las observaciones visuales y

Escaldado Vapor satiurado Envasado

características físicas del durazno; es decir, se tuvo cuidado de que la fruta no esté demasiado madura ni picada y presente un color, sabor y olor característico a su estado.

Empaquetamiento

Relación jarabe - fruta 2 a 1 (p/p)

Con la finalidad de eliminar las partículas extrañas adheridas a la superficie de la fruta (tierra, basura, hojas), se realizó un

Control microbiológico

lavado por inmersión hasta dejarlo en condiciones óptimas para las etapas posteriores del proceso.

Fig. 1. Diagrama de flujo del proceso de conservación del blanquillo moqueguano (durazno) utilizando métodos combinados.

El pelado de la fruta se realizó sumergiéndola en solución de

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011


BENITES, Ricardo. “Aplicación de los Métodos Combinados en la Conservación del Blanquillo Moqueguano (durazno)”

3&46-5"%04

Los resultados demostraron que la carga microbiana es alta en la fruta fresca, notándose un alto porcentaje de bacterias pro-

En el cuadro 3, se observa los valores de los parámetros físi-

pias de las frutas que no son manejadas con el mínimo grado

cos y químicos del blanquillo moqueguano antes y después

de salubridad. Esta flora microbiana se ve disminuida después

del tratamiento de conservación.

del escaldado y pelado; siendo más afectadas las levaduras por ser más sensibles al calor. El escaldado da como resultado una menor intensidad de reacciones químicas de oscurecimiento

DURAZNO FRESCO

DURAZNO EN CONSERVA PRODUCTO FINAL

Humedad (%)

85,27

82,54

Sólidos solubles (°Brix)

13,00

12,40

Azúcares reductores (%)

2,73

2,72

nados. Este recuento microbiológico de microorganismos ae-

3,80

3,39

robios mesófilos viables (MAMV), hongos y levaduras, se realizó

Acidez (% ácido cítrico)

0,84

0,81

pH

4,30

3,75

Cenizas

0,40

0,30

Tiempo (Días)

MAMV (UFC/ ml)

HONGOS (UFC/ml)

LEVADURAS (UFC/ml)

Actividad de Agua (aw)

0,98

0,95

0

< 10

< 10

O

Cuadro 3. Comparación de los parámetros físicos químicos del blanqui-

8

< 10

< 10

< 10

llo moqueguano.

12

< 10

< 10

< 10

20

12

< 10

< 10

De acuerdo a los resultados se observa que el valor de pH del

29

7

< 10

< 10

durazno fresco es mayor que la del conservado; ello se debe

36

< 10

< 10

< 10

a la influencia del ácido cítrico en la solución del jarabe (re-

44

15

< 10

< 10

lleno). En la composición de azúcares reductores y no reduc-

51

<10

< 10

< 10

tores no se evidenciaron cambios significativos, ya que estos

60

<10

< 10

< 10

68

<10

< 10

< 10

74

<10

8

12

82

20

5

35

90

75

< 10

120

CARACTERÍSTICAS

Azúcares no reductores (%)

no enzimático no deseable en donde participan los azúcares simples. En el cuadro 5 se muestra el recuento microbiológico (UFC/ml) del blanquillo moqueguano conservado por métodos combi-

después de 12 días de estabilización entre la fruta y el jarabe.

parámetros no varían por el tratamiento térmico. En cuanto a la aw se evidencia una ligera disminución, esto debido a la concentración de azúcar en el jarabe como agente osmótico de deshidratación. En el cuadro 4 se muestra el recuento microbiológico del blanquillo moqueguano como fruta fresca y después de la

Cuadro 5. Recuento microbiológico del blanquillo moqueguano utilizando métodos combinados

etapa de escaldado y del tratamiento de conservación.

DURAZNO FRESCO (UFC/ml)

DURAZNO ESCALDADO (UFC/ ml)

DURAZNO EN CONSERVA PRODUCTO FINAL (UFC/ml)

38 x 104

22 x 10

< 10

Hongos

24 x 102

30 x 10

< 10

Levaduras

62 x 102

0

0

CARACTERÍSTICAS

Microorganismos aerobios mesófilos viables (AMV) Fig. 2. Semana de la estabilización del jarabe y la fruta en relación 2 a 1

Cuadro 4. Recuento microbiológico por etapas.

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

(P/P).

151


BENITES, Ricardo. “Aplicación de los Métodos Combinados en la Conservación del Blanquillo Moqueguano (durazno)”

Los resultados muestran que el blanquillo moqueguano

zados en la preparación de jarabe), ya que se obtuvo una ligera

conservado por métodos combinados fue estable microbio-

disminución de la aw y de pH. Esto retardo el crecimiento mi-

lógicamente por 82 días; presentando un efecto casi de es-

crobiano a temperatura ambiente, sin afectar por ello las pro-

terilización después de haber alcanzado su estabilización. La

piedades organolépticas del durazno.

dosis de 0,98 de aw, pH de 3,8, 1 000 ppm de SK y 150 ppm de BNa (preparación del jarabe), no destruye totalmente a los

Se debería continuar con el estudio en el ámbito industrial rea-

microorganismos pero si cumplen el efecto de retardo del

lizando una evaluación económica de costos de fabricación.

crecimiento microbiano.

Se toma como base el presente trabajo de investigación. Aunado al estudio de otros principios de conservación como por el

En el cuadro 6 se muestra la aceptabilidad del blanquillo mo-

ejemplo la refrigeración para alargar el tiempo de vida útil en

queguano teniendo como evaluadores a cinco panelistas no

anaquel de la conserva.

entrenados, en donde se evaluaron las propiedades organolépticas a los 8, 20, 30, 50 y 70 días después de la estabiliza-

Con este tipo de tecnología no es necesario una alta inversión

ción.

en equipos de procesamiento de conservas. CARACTERÍSTICAS

PROMEDIO

Sabor

4,20

Color

3,66

Aroma

4,17

REFERENCIAS Madrid Guerra, K. (1984). Secado de Manzanas por Métodos combinados de ósmosis y secado convencional. En: Actividad de Agua (pp. 52-59, 65-67). Lima: U.N.A La Molina. Velezmoro Sánchez, C. (1985). Deshidratación de frutas por ós-

Cuadro 2. Principales factores usados en frutas de alta humedad.

mosis. En: Agentes Osmóticos Potenciales para la Deshidratación Osmótica de Frutas (pp: 53). Lima: U.N.A La Molina.

En cuanto a la aceptabilidad, los panelistas han evidenciado

152

que la fruta no pierde sus características organolépticas, re-

Cruess, V. (1987). Industrialización de frutas y hortalizas. Buenos

sultando ser muy aceptable, presentando ésta un color blan-

Aire: Editorial Suelo Argentino.

co, sabor suave, un olor característico del fruto y un aspecto limpio y transparente.

CONCLUSIONES

C.M.S.F. (1994). Ecología microbiana de los alimentos y factores que Afectan a la Supervivencia de los microorganismos en los alimentos. Madrid: Editorial Acribia.

El blanquillo moqueguano (durazno) fue microbiológica-

Alzamora S. M., Cerruti, P., Guerreo, S. & López-Malo, A. (1995).

mente estable en frasco de vidrio por 80 días a una tempe-

Minimally Processed Fruits by Combined Methods. USA: Pub. Co.,

ratura ambiente de 26 °C (+ 2 °C); conservándose todas sus

Lancaster.

propiedades organolépticas intactas durante su periodo de almacenamiento.

Ministerio de Agricultura-Instituto de Recursos Naturales (INRENA). Oficina de información Agraria. Lima: 1995.

Se comprobó que los microorganismos son sensibles a los cambios de temperatura (shock térmico), es decir, cambios

Equipos y tecnología. Revista Técnica de la industria Alimentaria.

inusitados matan la flora microbiana, siendo los más afecta-

Alemania, setiembre 1998.

dos hongos y levaduras. Esto se manifestó después del pelado caustico y escaldado (T = 100 °C y t = 2 min), provocando

Fernández, E., Monserrat, S., Sluka, E. (2005). Tecnologías de

la ausencia de coliformes, hongos y levaduras.

conservación por métodos combinados en pimiento, chaucha y berenjena. [en línea], N.°2. Recuperado el 01 de Noviembre

La sustitución de sacarosa por glucosa y la adición de ácidos

de 2011 de http://bdigital.uncu.edu.ar/objetos_digitales/785/

orgánicos débiles fue relativamente favorable (aditivos utili-

fernandezAgrarias2-05.pdf.

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

06_Articulo de investigacion_benites.indd 152

2/13/12 5:57 PM


BENITES, Ricardo. “Aplicación de los Métodos Combinados en la Conservación del Blanquillo Moqueguano (durazno)”

ACERCA DEL AUTOR Ricardo Benites Aliaga, graduado en Ingeniería Química por la Universidad Nacional de Trujillo (UNT). Ha realizado estudio de maestría en la Universidad del Pacífico en Administración de Empresas (MBA). Su experiencia profesional industrial la ha desarrollado en el área de investigación a nivel piloto (estandarización de parámetros de operación), supervisión y jefatura. Actualmente se desempeña como jefe de Departamento Industrial de Tecsup Trujillo y viene realizando el programa de Especialista en Gestión de la Producción, la Calidad y la Tecnología por la Universidad Politécnica de Madrid (Cepade). Original recibido: 06 de noviembre de 2011 Aceptado para publicación: 02 de enero de 2012

153

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

06_Articulo de investigacion_benites.indd 153

2/13/12 5:57 PM


06_Articulo de investigacion_benites.indd 154

2/13/12 5:57 PM


Estudio y Simulación de las Configuraciones de Transformadores para el Mejoramiento de la Calidad de Energía Study and Simulation of Transformer Configurations to Improve Energy Quality Oscar Peña, Tecsup

Resumen

Existen diferentes soluciones para cada problema específico de polución armónica en los sistemas eléctricos, la utilización de

Este artículo presenta el estudio y la simulación de las confi-

reactancias de choque, filtros pasivos, inductancias antirreso-

guraciones de transformadores para el mejoramiento de la

nantes y otras soluciones que involucran electrónica de poten-

calidad de energía, mostrando el sustento teórico basado en

cia como los filtros activos y filtros híbridos.

la expansión de las series de fourier y el análisis de las componentes simétricas. Se implementa un sistema de prueba en

La utilización de transformadores permite la reducción del con-

el laboratorio, realizando mediciones y verificando la efecti-

tenido armónico del sistema, sobre todo en aquellos donde se

vidad de las configuraciones en la reducción del contenido

tienen convertidores, los cuales son conectados de modo que

armónico del sistema. Las configuraciones son modeladas

los armónicos producidos por un convertidor sean cancelados

utilizando el software PSCAD/EMTDC y empleando como car-

con los armónicos producidos por otros convertidores.

155

gas de prueba rectificadores de 6 pulsos, así como variadores de velocidad.

En el presente artículo se analizan diferentes configuraciones de transformadores, que nos permiten reducir la contamina-

Palabras clave

ción armónica en el sistema producidas, por las armónicas 3th, 5th y 7th, 11th y 13th, implementando un sistema de prueba

Armónicos, calidad de energía, componentes simétricas, con-

en laboratorio y modelando las configuraciones en el software

vertidores, transformadores.

PSCAD/EMTDC, bajo la consideración cargas no lineales (rectificadores de 6 pulsos y variadores de velocidad).

INTRODUCCIÓN Las simulaciones de los sistemas son realizadas tomando en Los efectos de las armónicas del sistema de potencia son variados, podemos dividirlos como efectos instantáneos (sobre los instrumentos de medición y los sistemas de co-

cuenta los criterios descritos en [2] y [3].

OBJETIVO

municación) y efectos a largo plazo (pérdidas adicionales en maquinas y transformadores, bancos de condensadores, ca-

Mostrar y analizar las configuraciones de transformadores

lentamiento de cables y equipos, etc.). Las consecuencias son

que permiten disminuir el grado de contaminación armó-

múltiples, por ejemplo: pérdida de capacidad de aislamiento

nica en el sistema.

de los equipos (menor tiempo de vida o su total inoperatividad); actuación inadecuada de los sistemas de protección (que puede llevar a la desconexión de cargas importantes, lo

Presentar los resultados de la comparación teórica experimental (laboratorio-software PSCAD/EMTDC).

cual podría conllevar a penalidades), etc.

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

07_Estudio y Simulación de las Configuraciones_peña.indd 155

2/13/12 5:59 PM


PEÑA, Oscar. “Estudio y Simulación de las Configuraciones de Transformadores para el Mejoramiento de la Calidad de Energía”

CONFIGURACIÓN DE TRANSFORMADORES PARA LA REDUCCIÓN DEL TERCER ARMÓNICO Y SUS MÚLTIPLOS A. Análisis del sistema

(2)

(3) Sin embargo, esta expresión también puede expresarse de la

Las configuraciones de transformadores trifásicos más utili-

siguiente manera:

zadas en los sistemas eléctricos son D − y, y − D.

(4)

Estas configuraciones son mostradas en la fig.1, donde podemos asumir una relación de transformación “a” entre el primario y el secundario del transformador, de tal forma que exista un desfasaje de 30° entre las corrientes de línea del primario y secundario, el cual estará en adelanto o atraso de-

Donde: h0 : Componente DC.

pendiendo de la secuencia de las fases (positiva o negativa).

h1 : Componente fundamental

Podemos notar además que estas configuraciones tienen

hi : Componentes armónicas pares

por lo menos un devanado en D.

hk : Componentes armónicas impares En este trabajo se ha considerando el valor de h0 igual a cero, debido a que esta componente es la que satura los transformadores. Las armónicas pares son originadas por los hornos de arco, los ciclos convertidores y los rectificadores semicontrolados (ac-

156

tualmente en desuso debido a su inestabilidad). Las armónicas impares son generadas por equipos basados en

Fig. 1. Configuraciones de transformadores con devanado D.

rectificadores estáticos y rectificadores controlados, son las que se encuentran en mayor magnitud en los sistemas eléctricos.

B. Armónicas y componentes de secuencia La serie de Fourier representa una alternativa para el análisis de la distorsión armónica de corriente y tensión cuando no se

Como una aproximación de este sistema y simplificando la expresión (4), tenemos:

consideran componentes interarmónicas y subarmónicas. [1] Una forma de onda periódica puede ser representada en la serie de Fourier como:

(5) Considerando las corrientes:

(1) Donde: Entonces, para la 3th tenemos: es una función de frecuencia

Constituye el valor medio de la función

, frecuencia angular

Entonces

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

07_Estudio y Simulación de las Configuraciones_peña.indd 156

2/13/12 5:59 PM


PEĂ&#x2018;A, Oscar. â&#x20AC;&#x153;Estudio y SimulaciĂłn de las Configuraciones de Transformadores para el Mejoramiento de la Calidad de EnergĂ­aâ&#x20AC;?

La ďŹ g. 2 muestra cĂłmo la conexiĂłn D â&#x2C6;&#x2019; y atrapa a los armĂł-

El THDi pasa de 50 % a 0 %, veriďŹ cando que las armĂłnicas de

nicos de tercer orden y sus mĂşltiplos en el lado D, haciendo

tercer orden quedan atrapadas en el devanado D.

que estos no circulen como componentes armĂłnicas en las corrientes de lĂ­nea del primario. Si el devanado en Y no estĂĄ conectado a tierra, no habrĂĄ corriente en el neutro y como las componentes de secuencia cero estĂĄn en fase, no existe

$0/'*(63"$*Š/ %& 53"/4'03." %03&4 1"3" -" 3&%6$$*Š/ %&- 26*/50:4Â&#x;5*.0"3.Š/*$0

posible trayectoria para estas corrientes en el secundario. [4] A. AnĂĄlisis del sistema El transformador es un dispositivo capaz de cambiar el ĂĄngulo de la fase de una seĂąal elĂŠctrica y permite minimizar el contenido armĂłnico de un sistema cuando se conectan en paralelo dos cargas iguales mediante transformadores de potencia con conexiones distintas. Esta tĂŠcnica es muy utilizada en el control Fig. 2. Trampa de armĂłnicos de tercer orden.

C. SimulaciĂłn del sistema

de armĂłnicos generados por convertidores multipulso [5]. La ďŹ g. 5 muestra la conďŹ guraciĂłn del sistema para minimizar el contenido de los armĂłnicos 5th y 7th en el sistema.

La ďŹ g. 3 muestra un sistema donde se inyecta corriente fundamental a 60 Hz (40A) y corriente de 180 Hz (20A) con la

El transformador T1 tiene una conďŹ guraciĂłn Y â&#x2C6;&#x2019; Y, evidente-

ďŹ nalidad de observar la actuaciĂłn del devanado D como

mente en el transformador T2 la componente de 3th quedarĂĄ

trampa de armĂłnicos de tercer orden.

atrapada en el devanado D. El transformador T2 tiene una conďŹ guraciĂłn Y â&#x2C6;&#x2019; D, introduce un desfasaje de 30Âş entre la corriente de lĂ­nea del lado primario y la corriente de lĂ­nea del lado secundario, mientras que en el transformador T1 las corrientes de lĂ­nea primaria y secundaria estĂĄn en fase.

Fig. 3. SimulaciĂłn del sistema de conexiĂłn D â&#x2C6;&#x2019; Y.

Los resultados de la simulaciĂłn son mostrados en la ďŹ g. 4. La corriente de lĂ­nea en el primario del transformador ( IA ) solo contiene la componente fundamental. Fig. 5. ConexiĂłn de transformadores para disminuir la 5th y7th.

La 5th es de secuencia negativa, en un motor producirĂ­a un campo magnĂŠtico que gira en sentido contrario a la componente fundamental originando el sobrecalentamiento del motor y una velocidad en el eje menor a la prevista. La 7th es de secuencia positiva, en un motor producirĂ­a un campo magnĂŠtico que gira en el mismo sentido que la componente fundamental originando el incremento de corriente y una velocidad en el eje mayor a la prevista. Fig. 4. Corriente de lĂ­nea IA sin la presencia de armĂłnicos de tercer orden.

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

157


PEÑA, Oscar. “Estudio y Simulación de las Configuraciones de Transformadores para el Mejoramiento de la Calidad de Energía”

B. Armónicas y componentes de secuencia (7) Las ecuaciones correspondientes al análisis de secuencia de Y en el transformador D-Y tenemos:

la 5th son las siguientes:

(8) Entonces la corriente total en el lado de alta será IY + ID : Debido al desfasamiento de -30° que introduce el transformador T2, las corrientes del secundario correspondientes a la 5th armónica están desfasadas en - 30*5 = -150°, respecto a (9)

las del transformador T1.

(10)

Mientras que, debido a que las 5th se comportan como componentes de secuencia negativa, existe -30° de desfasamiento, por lo tanto las corrientes en el primario de T2 están desfasadas -150 - 30 = -180° = 180°.

UTILIZACIÓN DE TRANSFORMADORES ZIG ZAG PARA LA REDUCCIÓN DE CONTENIDO ARMÓNICO

Si las magnitudes de las corrientes en los primarios de T1 y T2 son iguales, entonces la 5th se cancela y no fluye hacia la

A. Análisis del sistema

fuente. Para la reducción de corrientes armónicas de los convertidores Las ecuaciones correspondientes al análisis de secuencia de

múltiples se emplean transformadores con desplazamiento de

la 7th son las siguientes:

fase. El cambio de fase debe ser apropiado para el número de con-

158

vertidores. En general, el desplazamiento de fase mínima requerida para el número de convertidores con formas de onda Debido al desfasamiento de -30° que introduce el transfor-

de 6 pulsos es:

mador T2, las corrientes del secundario del T2 correspondien(11)

tes a la 5a armónica están desfasadas en -30 * 7 = - 210° = 150°, respecto a las del transformador T1.

En los circuitos multipulso las corrientes armónicas individuaMientras que, debido a que las 7th se comportan como com-

les de cada convertidor puente siguen siendo las mismas. Estos

ponentes de secuencia positiva, existe -30° de desfasamiento,

arreglos permiten que las corrientes armónicas producidas por

por lo tanto las corrientes en el primario de T2 están desfasa-

un convertidor sean compensados por otro convertidor.

das 150 +30 = 180°. El hecho de que las tensiones de secuencia negativa y las coSi las magnitudes de las corrientes en los primarios de T1 y

rrientes se desplacen en sentido opuesto a los valores secuen-

T2 son iguales, entonces la 7th se cancela y no fluye hacia la

cia positiva también proporciona un mecanismo para cancelar

fuente.

los armónicos de dos en dos.

Si en el lado de baja tensión de los transformadores T1 y T2 se

Los tipos de conexión de los transformadores zig zag son; pri-

colocan rectificadores de seis pulsos, la corriente en el lado de

mario en Y secundario en zig zag ( Z ), primario en Dy secunda-

baja está dada por: [6]

rio en zig zag ( Z ). Tanto en desfase positivo + Z y negativo − Z . (6)

La fig. 6 muestra la configuración del arreglo de transformadores para minimizar el contenido armónico de cuatro rectifica-

Luego, cuando esta corriente es reflejada en el lado de alta

dores de 6 pulsos, lo que hace un total de 24 pulsos.

del transformador Y-Y tenemos:

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

07_Estudio y Simulación de las Configuraciones_peña.indd 158

2/13/12 5:59 PM


PEÑA, Oscar. “Estudio y Simulación de las Configuraciones de Transformadores para el Mejoramiento de la Calidad de Energía”

2 recticadores de potencia de 6 pulsos.

3 PC.

Resistencias, capacitancias e inductancias.

Cables de conexión.

Fig. 6 Utilización de transformadores zig zag para disminuir el contenido armónico del sistema.

La fig. 7 muestra la reducción del contenido armónico del sistema de la fig. 6, el THDi de un convertidor es 25,5% y del

Fig.8. Esquema de conexión del sistema

sistema equivalente es 8,2%.

La fig. 9 muestra la implementación del sistema en el laboratorio. Lo que incluye instrumentos de medición y varias PC para observar los espectros armónicos y el equipamiento necesario.

159

Fig. 7. Reducción del contenido armónico del sistema.

IMPLEMENTACIÓN Y SIMULACIÓN DE UN SISTEMA DE FILTRADO DE ARMÓNICOS PARA 5TH Y 7TH UTILIZANDO ARREGLO DE TRANSFORMADORES A. Descripción del sistema La fig. 8 muestra el esquema de conexión del sistema. Fig.9. Imágenes de la implementación del sistema

La red a implementar cuenta con: •

Tensión de suministro 220Vef.

2 Transformadores de 5kVA.

3 Analizadores de redes con conexión a PC, software de

B. Resultados La fig. 10 muestra los espectros armónicos obtenidos de la medición de los equipos, en cada rectificador y en la entrada de la fuente.

internas de datos.

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

07_Estudio y Simulación de las Configuraciones_peña.indd 159

2/13/12 5:59 PM


PEĂ&#x2018;A, Oscar. â&#x20AC;&#x153;Estudio y SimulaciĂłn de las Configuraciones de Transformadores para el Mejoramiento de la Calidad de EnergĂ­aâ&#x20AC;?

Fig. 10. Resultados de las mediciones a) Trafo-RectiďŹ cador YY b) Trafo- RectiďŹ cador YD5 c) Equivalente del Sistema Fig. 12. ReducciĂłn del contenido armĂłnico del sistema y formas de onda.

C. SimulaciĂłn del sistema Los resultados son mostrados en las ďŹ g. 12 donde se puede La ďŹ g. 11 muestra la conďŹ guraciĂłn del sistema.

observar que el THDi en el lado de alta del transformador es 27,45%, y el THDi en la fuente es 10,25%. Se veriďŹ ca la reducciĂłn del contenido armĂłnico del sistema.

"1-*$"$*Š/%&-"33&(-0%&53"/4 '03."%03&41"3"7"3*"%03&4%& 7&-0$*%"% 160

La ďŹ g. 13 muestra la conďŹ guraciĂłn del sistema. Se han modelado los variadores de velocidad de acuerdo a [7], aquĂ­ se ha considerado que los variadores no cuentan con reactancia de choque o mecanismos que reduzcan el grado de contaminaciĂłn del sistema, para poder apreciar la efectividad del sistema.

Fig. 11. ConďŹ guraciĂłn del sistema, con dos rectiďŹ cadores de 6 pulsos.

Fig. 13. ConďŹ guraciĂłn del sistema, con dos variadores de velocidad

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011


PEÑA, Oscar. “Estudio y Simulación de las Configuraciones de Transformadores para el Mejoramiento de la Calidad de Energía”

La fig. 14 muestra que el THDi en el lado de alta del transfor-

cargas de potencia que poseen rectificación de entrada,

mador es 111,48%, y el THDi en la fuente es 41,15%. Se verifi-

como los mostrados en este articulo (rectificadores y varia-

ca la reducción del contenido armónico del sistema.

dores). •

Cuando se requiere filtrar el contenido armónico de una mayor cantidad de convertidores es necesario emplear transformadores con conexión zig zag.

Se recomienda la utilización de estas configuraciones de transformadores en redes donde, mediante un acople, se pueda tener estructurada estas configuración, ya que en muchos casos resulta más rentable que la instalación de otros sistemas de filtrado.

"(3"%&$*.*&/504 Deseo expresar mi agradecimiento al Laboratorio de Electrotecnia del Instituto Superior Tecnológico TECSUP, por el apoyo Fig. 14. Resultados de la simulación: corriente en la entrada de los

brindado en la implementación de este proyecto.

variadores.

$0/$-64*0/&4

3&'&3&/$*"4 [1] Acevedo, S. (s. f.). Conexión de transformadores para eli-

El transformador es un dispositivo capaz de cambiar el

minar armónicas. Departamento de Ingeniería Eléctrica.

ángulo de la fase de una señal eléctrica y permite mini-

ITESM, Campus Monterrey.

mizar el contenido armónico de un sistema, cuando se

conectan en paralelo dos cargas iguales mediante trans-

[2] Task Force on Harmonics Modeling and Simulation. Mo-

formadores de potencia con conexiones distintas. Estos

deling and Simulation of the Propagation of Harmonics in

arreglos de transformadores hacen posible que las co-

Electric Power Networks. Part I: Concepts, Models, and Si-

rrientes armónicas producidas por un convertidor sean

mulation Techniques. (1996, January). IEEE Transactions on

compensados por otro convertidor.

Power Delivery, Vol. 11, pp. 452- 465.

Las armónicas de tercer orden y sus múltiplos pueden ser

[3] Task Force on Harmonics Modeling and Simulation. Mo-

filtradas eficientemente con la utilización de un transfor-

deling and Simulation of the Propagation of Harmonics in

mador D − Y, estas armónicas aparecen cuando utiliza-

Electric Power Networks. Part II: Sample Systems and Exam-

mos cargas que cuentan con rectificación monofásica de

ples. (1996, January). IEEE Transactions on Power Delivery,

entrada, los cuales podrían ser los equipos de TV, compu-

Vol. 11, pp. 466-474.

tadoras o sistemas de iluminación. [4] Roger C Dugan, /Mark F. McGranaghan Electrical Power SysAdicionalmente a ello también puede utilizarse esta con-

tem Quality

figuración en sistemas con alumbrado dimable para edificios.

[5] Paice, D. (1995) Power Electronics Converter Harmonics. Multipulse Methods for Clean Power. IEEE PRESS.

La utilización de los transformadores en configuración Y − Y y D − Y , puede minimizar el contenido armónico 5th y 7th del sistema, sin embargo hay que tener especial

[6] George J. (2001). Wakileh Power Systems Harmonics Fundamentals, Analysis and Filter Design.

cuidado de que las cargas tengan potencias similares, ya que la diferencia de la amplitud de corriente no permiti-

[7] Peña, O. & Montes, F. (2007). Análisis de la influencia armónica

ría que se logren filtrar adecuadamente las armónicas en

de los Variadores de velocidad en los sistemas eléctricos y pro-

este sistema. Esta configuración puede ser utilizada con

puesta para mitigar armónicos. Sicel.

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

161


PEÑA, Oscar. “Estudio y Simulación de las Configuraciones de Transformadores para el Mejoramiento de la Calidad de Energía”

ACERCA DEL AUTOR Oscar Peña. Ingeniero electricista en la Universidad Nacional de Ingeniería, Lima (Perú). Estudiante de Maestría en Sistemas de Potencia de la Universidad Nacional de Ingeniería, UNI-MINEM CARELEC. Ha trabajado en CAM PERU – ENDESA en el Área de Gestión Energética y Automatización (2007-2009). En el área de planeamiento de MT/BT en la empresa de distribución eléctrica LUZ DEL SUR (2009-2011). Actualmente trabaja en SCHNEIDER ELECTRIC en la línea de negocio de Energy. Sus temas de interés son: Estudios y Aplicaciones de Electrónica de Potencia y Calidad de Energía, Energías Renovables y gestión de la energía. Original recibido: 15 de setiembre de 2011 Aceptado para publicación: 02 de enero de 2012

162

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

07_Estudio y Simulación de las Configuraciones_peña.indd 162

2/13/12 5:59 PM


Método Alternativo para la Producción Directa de Azúcar Blanco Alternative Method for the Direct Production of White Sugar Marco Polo, Tecsup

Resumen

Abstract

La caña de azúcar presenta una gama de sustancias que son

Sugar cane has a range of substances that are extracted from

extraídas con el jugo y que pueden modificar el color del azú-

the juice and can change the color of sugar.

car. Direct production of white sugar is carried out by the convenLa producción directa de azúcar blanca se lleva a cabo por el

tional method using gases such as SO2 as bleacher. The method

método convencional empleando gases de dióxido de azufre

has problems with the current specifications due to its content

(SO2) como decolorante. El método tiene problemas con las

of SO2 which pollutes and deteriorates the industries that use it.

163

especificaciones actuales por su contenido de SO2 que contaminar y deteriorar las industrias que lo utilizan.

The purpose of this study is to evaluate an alternative method for the direct production of white sugar using activated clays

El objetivo del presente trabajo es evaluar un método alterna-

with phosphoric acid, taking advantage of the fact that they are

tivo para la producción directa de azúcar blanca empleando

used in food bleaching such as vegetable oils and animals. To

arcillas activadas con ácido fosfórico, aprovechando además

demonstrate its feasibility, it was tested in the laboratory and

que tienen ya un empleo comprobado en la decoloración

two rows of white sugar production without sulfur in the plant.

de alimentos como los aceites vegetales y animales. Para demostrar su viabilidad se realizaron pruebas en laboratorio y

The results show that the new process is an alternative me-

se programaron dos corridas de producción de azúcar blanca

thod for the direct production of white sugar in an ecological,

sin azufre en la planta industrial.

healthy way and at a lower cost. Optimizing the color of white sugar requires small adjustments in the process such as the use

Los resultados demuestran que el nuevo proceso es un méto-

of surfactants to reduce the viscosity of the materials in pro-

do alternativo para la producción directa de azúcar blanca en

cess, and the continuity of the process to standardize colors.

forma ecológica, saludable y a un menor costo. Optimizar el color del azúcar blanco requiere pequeños ajustes en el pro-

Palabras clave

ceso, como es el empleo de agentes tensoactivos para reducir la viscosidad de los materiales en proceso; así como la conti-

Azúcar blanca, azufre, arcilla, color, turbidez.

nuidad del proceso para estandarizar los colores.

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

08_Metodo alternativo produccion azucar_polo.indd 163

2/13/12 6:01 PM


POLO, Marco. “Método Alternativo para la Producción Directa de Azúcar Blanco”

Key words

bronquiolos, aún en pequeñas concentraciones. En cantidades mayores, provoca irritación en todo el sistema respiratorio, causando daños en los tejidos pulmonares. La exposición prolon-

White sugar, sulfur, clay, color, turbidity.

gada a bajas concentraciones de SO2 han sido asociadas con el

INTRODUCCIÓN

aumento de la morbilidad cardiovascular en personas mayores.

El azúcar blanca ha sido producida directamente en las fá-

Además de los efectos sobre la salud, los óxidos de azufre pre-

bricas de azúcar crudo por muchos años sin refinación o re-

sentan agresividad prácticamente sobre todos los materiales,

cristalización. Este proceso generalmente ha involucrado el

inclusive sobre la vegetación, siendo asociados a los procesos

uso de la sulfitación del jugo y/o del jarabe, produciendo un

de formación de lluvias ácidas.

azúcar con 150 a 200 de color en unidades ICUMSA (International Commission for Uniform Methods of Sugar Analysis).

Las consideraciones señaladas obligan a buscar métodos al-

En la producción de azúcar sin “refinar” se incluye el proce-

ternativos para el tratamiento del jugo de caña y posibilitar la

so denominado “blanco directo” (Bennet and Ross 1988) y el

producción del azúcar blanca de consumo directo en forma

azúcar blanca de “plantación”.

ecológica y sustentable, habiendo sido considerable el esfuerzo realizado por un gran número de investigadores.

La sulfitación del jugo tiene un importante efecto decolorizante en algunas industrias, particularmente en la India y Bra-

El objetivo de este trabajo es evaluar la alternativa tecnológi-

sil, donde este proceso es ampliamente practicado. En nues-

ca de reemplazar el azufre en la producción directa de azúcar

tro país también se emplea la sulfitación en algunas fábricas.

blanca, empleando arcillas activadas con ácido fosfórico. Las

La desventaja de este proceso es el hecho de que el azúcar

Arcillas naturales son probados adsorbentes de colorantes tipo

tiene SO2 en su contenido, tal como se muestra en la Tabla 1.

azoico, las cuales ven incrementada su capacidad de adsorción de colorantes por activación en solución ácida, y muy utilizadas

Descripción

Blanco directo

Blanco de plantación

99,9

99,8

99,6

10 - 80

100 - 200

200 - 250

10 - 30

20 - 50

100 - 500

jugo concentrado de la caña de azúcar, sin que intervenga la

0

1-5

20 - 50

etapa de elaborar primero azúcar crudo para ser redisuelta o

Polarización

164

en la industrias del aceite, textil y otras.

Refinado

Color de unidades ICUMSA Turbidez (ICUMSA) SO2 en mg/kg

FUNDAMENTOS El azúcar blanca puede ser obtenida directamente desde el

“refundida” y sometido a purificaciones adicionales o refinada.

Tabla 1. Comparación del blanco directo y azúcar de plantacióncon azúcar refinada.

Para la producción directa de azúcar blanco es necesario recurrir a procesos más elaborados que una simple defecación. Los

La técnica de sulfitar consiste en la solubilización del dióxido

procedimientos que emplean SO2,en conjunto con cal, son los

de azufre en el jugo de la caña de azúcar. Esta es una ope-

mejores y más conocidos métodos usados.

ración de transferencia de masa denominada absorción y

Materiales que determinan el color de los azúcares

la solubilización es realizada por el contacto del jugo de la caña de azúcar con los gases de la combustión de azufre, en columnas de platos. La operatividad de este tratamiento es

El color del azúcar es originado de los colorantes de la caña o

influenciada por las características, a veces rudimentarias, de

de los precursores de color contenidos en el jugo extraído, que

los equipos empleados y que resultan en la liberación de can-

se manifiestan durante el proceso. Los colorantes existentes en

tidades considerables y no controladas de dióxido de azufre.

el jugo incluyen a la clorofila, carotenos, xantofila, antocianina,

Como consecuencia se constatan problemas relacionados a

polifenoles y los iones de fierro.

la higiene ocupacional, la corrosión de equipos industriales, y la emisión de contaminantes hacia la atmósfera.

Durante el proceso se forman polímeros altamente coloridos como consecuencia de reacciones entre los componentes del

El SO2 es un gas irritante y sus efectos sobre la salud son

jugo extraído. Los productos coloridos formados durante el

debido a su solubilización en la secreción húmeda del apa-

procesamiento son derivados, en su mayoría, de la descomposi-

rato respiratorio humano, que provoca espasmos de los

ción térmica de la sacarosa y de los azúcares reductores o de la

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

08_Metodo alternativo produccion azucar_polo.indd 164

2/13/12 6:01 PM


POLO, Marco. “Método Alternativo para la Producción Directa de Azúcar Blanco”

reacción de los carbohidratos con compuestos amino-nitro-

Como desventajas de este proceso se consideran que se de-

genados presentes en la planta, produciendo polímeros co-

posita muchos incrustantes en los intercambiadores de calor,

loreados, denominados melanoidinas (reacción de Maillard).

como son los calentadores de jugo y evaporadores; la gran inversión que representan las columnas de sulfitación, horno de

La inhibición de la formación de color ha sido conseguida,

combustión del azufre, tanques de jugo sulfitado, bombas de

en parte, mediante el empleo de algunos tratamientos, como

circulación, corrosión de tanques y tuberías, costo del azufre,

la aplicación de dióxido de azufre. La acción del SO2 sobre

etc. Adicionalmente, el proceso de sulfitación requiere mayor

el jugo es eliminar parte de la materia colorante (propiedad

cantidad de cal para elevar el pH del jugo y el azufre residual en

común de todos los ácidos) y reducir a compuestos incoloros

el azúcar blanca puede exceder las especificaciones demanda-

las sales férricas que se forman por contacto con los molinos,

das por algunos clientes.

tanques y tuberías.

Sulfitación

El tema de los sulfitos como aditivo de los alimentos está desterrado en países como Estados Unidos y en la Comunidad Europea. Los sulfitos traen una serie de problemas de salud, entre los

El proceso de sulfitación ha sido empleado durante muchos

cuales, flatulencia, alergias, urticarias y destrucción de la vitami-

años en el tratamiento de los jugos de caña, particularmente

na B1. La FDA (Food and Drug Administration: Agencia de Ali-

en la producción de azúcar blanca de consumo directo, pero

mentos y Medicamentos), agencia del gobierno de los Estados

su consumo deberá ser eliminado de forma gradual debido

Unidos responsable de la regulación de alimentos para seres

a las especificaciones actuales exigidas por el mercado con-

humanos y animales, obliga que cualquier producto alimenti-

sumidor.

cio que contiene más de 10 ppm de sulfito debe indicarlo en un rótulo como tal.

El efecto de la sulfitación sobre los jugos de caña puede ser resumido en los siguientes ítems:

Arcillas decolorantes: industria alimenticia

a. Formación en el jugo de un precipitado de pequeños cristales de CaSO3 (sulfito de calcio) que posee gran ac-

Las arcillas decolorantes han sido usadas por más de 100 años

tividad superficial y, por lo tanto, es un fuerte absorbente

en la refinación de aceites vegetales y animales, así como en

y, además de eso, en razón de su alta densidad, son pode-

grasas y algunos aceites minerales.

165

rosos auxiliares de la decantación: mejoran la capacidad de los clarificadores.

Estas arcillas, conocidas como bentonita, tienen como principal componente a la montmorillonita y su activación es usualmen-

b. Por su acción fuertemente bactericida, la sulfitación des-

te hecha con ácidos minerales, a elevada temperatura y por va-

truye los microorganismos en los jugos de caña, evitando

rias horas. Este tratamiento incrementa la superficie específica

la acción dañina de estos.

de un 40-60 m2/g hasta 250-350 m2/g. Sus principales características son su fuerza de adsorción de impurezas, su naturaleza

c. Por ser un enérgico reductor, el SO2 actúa sobre las sus-

acídica y catalítica, y su capacidad de intercambio iónico.

tancias colorantes del jugo, reduciendo el color. El SO2 también reacciona con los azúcares reductores inhibien-

La fórmula es SiO2Al2O3.H2O y la montmorillonita varía desde

do la formación de melaninas y caramelos que son alta-

50 – 98%. Su capacidad de intercambio iónico se origina por un

mente melasinógenos y colorantes.

desequilibrio por sustitución de iones de la unidad estructural que se compensa con otros iones.

d. El jarabe, producto de la evaporación del agua del jugo clarificado, y por consiguiente las masas cocidas son me-

La arcilla empleada en esta investigación es activada con áci-

nos viscosas y los cocimientos para la producción de los

do fosfórico y su alta capacidad de adsorción la hace específi-

cristales de azúcar son mucho más rápidos y eficientes.

ca para la remoción de impurezas tanto físicas como químicas. Su distribución de tamaño de partícula asegura una excelente

e. Además, el dióxido de azufre tiene un efecto inhibidor en

velocidad de sedimentación, arrastrando partículas en suspen-

el amarillamiento del azúcar por bloqueo de los grupos

sión, como bagacillo y otros. Esta propiedad la hace ideal para

carbonilos, esenciales para la formación de melanoidinas.

incrementar la capacidad del clarificador.

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

08_Metodo alternativo produccion azucar_polo.indd 165

2/13/12 6:01 PM


POLO, Marco. “Método Alternativo para la Producción Directa de Azúcar Blanco”

Empleo de las arcillas activadas en la decoloración del jugo de la caña de azúcar

e. Después de un tiempo de reacción de 3 a 5 minutos, se adi-

El método alternativo para la producción directa de azúcar

f. Enseguida se calentó la mezcla hasta 100 °C y se adicionó

blanca se basa en las propiedades descritas de las arcillas ac-

2 ppm de una solución con floculante, transfiriéndose la

tivadas, las cuales deben eliminar las materias colorantes en

mezcla a una probeta para observar la precipitación de las

el jugo extraído por los molinos de caña de azúcar e inhibir

impurezas de la muestra, entre ellos, las sustancias colo-

la coloración en el proceso. Por su activación con ácido fos-

rantes.

cionó sacarato de calcio hasta alcanzar un pH ligeramente básico.

fórico, su adición al jugo de caña reduce ligeramente el pH, ya ácido, del jugo. El empleo de sacarato de calcio en forma

El procedimiento general para las pruebas se adaptó a las con-

inmediata para elevar el pH hasta un nivel ligeramente bási-

diciones específicas del proceso en la planta industrial, por lo

co, inhibe la acción de microorganismos capaces de degradar

que se tomó en cuenta el contenido de P2O5 del jugo, pH antes

la sacarosa contenida en el jugo. El calentamiento del jugo

y después del encalado y temperatura de calentamiento.

permite la rápida floculación de las impurezas.

Prueba a nivel de planta industrial

Las impurezas floculadas del jugo (se emplea como un auxiliar de la clarificación un floculante en pequeñas dosis), son

Con los resultados obtenidos en el laboratorio se planificó el

eliminadas principalmente en el clarificadores de jugo al no

empleo de la arcilla activada para la producción directa de azú-

contar en este caso, en la planta industrial, con un clarificador

car blanca en la planta industrial. El experimento se corrió en

de jarabe.

dos periodos de ocho y diez días de operación siguiéndose el siguiente proceso:

La medición del color y la turbidez del jugo clarificado y de

166

los materiales en proceso permiten una evaluación consis-

La molienda de la caña de azúcar separa el jugo de la fibra de-

tente sobre la eliminación del color y turbidez, de la calidad

nominada bagazo. El jugo sale de los molinos con una tempe-

del producto final, eficiencia del proceso y costo de produc-

ratura de 30 °C y debe ser encalado (con sacarato de calcio) y

ción.

calentado inmediatamente para evitar las pérdidas por inversión de la sacarosa. La arcilla activada para decolorar el jugo

METODOLOGÍA

fue adicionada en el tanque que recolecta todo el jugo de los diferentes molinos denominado jugo mezclado. La dosificación

Pruebas en laboratorio

empleada fue de 0,15 a 0,20%. El jugo con arcilla fue encalado y calentado hasta 105 °C, tal como se procede en la opera-

Las pruebas realizadas en el laboratorio fueron diseñadas

ción normal. Como en todo proceso de elaboración de azúcar

para determinar el color y turbidez del jugo de la caña usan-

blanco directa, el jugo se pasa a un clarificador continuo para

do dosificaciones variadas de la arcilla activada, empleando

eliminar las impurezas que lo acompañan. El lodo es retirado

los métodos de análisis señalados por ICUMSA.

de la parte inferior de las cuatro bandejas que componen el clarificador Rapidoor 4-4-4. El jugo es extraído de la parte supe-

El procedimiento empleado es el siguiente:

rior y luego pasa al área de evaporación para eliminar la mayor cantidad del agua que ingresa con la caña de azúcar. Se obtiene

a. Se pesó una cantidad determinada de jugo de caña de

un jarabe de 60° Bx (sólidos solubles) y con este jarabe en la

azúcar del día en un vaso de precipitación, considerándo-

sección de cocimientos se elabora el azúcar, que luego es se-

se como la muestra.

parada de las mieles madres en máquinas centrífugas y secado para su envasado y venta (Ver fig. 2).

b. Se varió la temperatura de la muestra de acuerdo con las condiciones del proceso de la planta industrial.

La diferencia saltante entre los dos periodos de las pruebas realizadas en la planta industrial es la mejora realizada en la sec-

c. Se emplearon dosis desde 0,025 hasta 0,20% de arcilla activada en la muestra. d. Se homogenizó la muestra mediante agitación.

ción de cocimientos para evitar recirculación de materiales no apropiados para la producción eficiente de azúcar. Un diagrama de la adición de arcilla activada al jugo es el que se muestra:

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

08_Metodo alternativo produccion azucar_polo.indd 166

2/13/12 6:01 PM


POLO, Marco. “Método Alternativo para la Producción Directa de Azúcar Blanco”

Fig. 1. Adición de arcilla activada al jugo mezclado en la planta industrial.

167

Fig. 2. Sistema de cocimiento para la producción directa de azúcar blanco (doble magma)

RESULTADOS Laboratorio Se lograron resultados muy buenos en cuanto a la reducción del color y turbidez del jugo clarificado empleando una dosis de 0,2% de arcilla activada. Los resultados se compararon con el jugo clarificado del proceso de sulfitación de la planta industrial. Los resultados se muestran en la tabla 2 y en las figuras 3 y 4. Descripción

Ph Jugo de caña mezclado 5,28

Tratamiento con arcilla activada

Dosis % arcilla activada

0,025

0,05

0,075

0,10

0,125

Tratamiento con sulfitación 0,15

0,20

Ph jugo + arcilla activada

5,17

5,01

4,86

4,73

4,66

4,51

4,20

Ph jugo encalado

7,49

7,40

7,52

7,45

7,47

7,53

7,67

Ph jugo clarificado

6,53

6,36

6,43

6,28

6,17

6,24

6,17

6,40

Absorbancia

0,57

0,55

0,53

0,51

0,49

0,43

0,39

0,43

Color icumsa

11200

10807

10414

10022

9629

8450

7663

8450

Nota: Las muestras del jugo de caña tratado con sulfitación fueron del proceso en la etapa industrial. Tabla 2. Resultados en laboratorio. Pruebas de clarificación de jugo de caña de azúcar con arcilla activada.

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

08_Metodo alternativo produccion azucar_polo.indd 167

2/13/12 6:01 PM


POLO, Marco. “Método Alternativo para la Producción Directa de Azúcar Blanco”

Fig. 3. Tratamiento del jugo de caña en laboratorio Jugo clarificado

Fig. 6. Reducción de color de jugo clarificado, %

En la medición de la turbidez del jugo mezclado y del jugo ya clarificado, también se logró una reducción muy importante. Los resultados se muestran en las figs. 7 y 8.

Fig. 7. Turbidez de jugo mezclado vs. jugo clarificado.

168 Fig. 4. Jugo clarificado obtenido en el laboratorio con el empleo de arcilla activada.

1MBOUB*OEVTUSJBM Durante la corrida industrial se realizaron mediciones del color del jugo mezclado que se obtiene en el área de molinos y del jugo después del tratamiento: adición de arcilla activada, encalado, calentamiento y clarificación. Los resultados se

Fig. 8. Reducción de turbidez jugo clarificado, %.

muestran en la fig. 5. En la fig. 6 se ha graficado la reducción del color obtenido en el jugo clarificado empleando la arcilla

Durante todo el proceso de la elaboración directa del azúcar

activada.

blanca se monitorearon los colores de los productos en proceso. El promedio del color de estos productos son mostrados en un perfil de colores de la Fig. 9. Puede observarse la reducción del color en cada etapa empleando un mínimo tiempo de lavado en las centrífugas para separar los cristales. Los resultados de color obtenidos en el producto final, es decir en el azúcar blanca, se grafican en la fig. 10. A pesar de haberse logrado una excelente reducción del color y turbidez en el clarificador de jugo, el producto final no alcanzó el color trazado como objetivo. El promedio del color del azúcar blanco fue de Fig. 5. Color jugo mezclado vs. jugo clarificado

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

250 unidades Icumsa y el objetivo fue 150.


POLO, Marco. “Método Alternativo para la Producción Directa de Azúcar Blanco”

Entre otros resultados de las operaciones de los 10 días se

caña. No se incluye la depreciación de los equipos y auxiliares

encontró un detalle importante que tiene influencia directa

del proceso, los cuales en el proceso de sulfitación son mucho

en el resultado del producto final obtenido. El empleo del

mayores que para el empleo de arcillas activadas.

proceso de sulfitación tiene un efecto sobre la viscosidad del jugo y por supuesto de los productos en proceso posterio-

$0/$-64*0/&4

res como son el jarabe, masas cocidas, mieles, etc. Al reducir la viscosidad se logra mayor facilidad en las operaciones de

Con el proceso alternativo de producción directa de azúcar

evaporación, cristalización, centrifugado y secado; sin embar-

blanca empleando arcillas activadas en reemplazo del azufre se

go el empleo de la arcilla activada no tuvo mayor efecto en

consiguieron demostrar ventajas importantes:

las viscosidades de los materiales. a. Es un proceso ecológico, sin contaminación del medio ambiente y con un producto saludable sin presencia de azufre. b. Es un proceso no corrosivo por no formar ácido sulfúrico como producto secundario de la combustión del azufre y la posterior destrucción de las líneas de condensado de vapor por la presencia de este ácido. Además no afecta el pH del agua de retorno al caldero. c. La inversión requerida en equipos de proceso es mucho Fig. 9. Perfil de colores del proceso

menor. Asimismo, el costo de producción es mucho menor con el empleo de arcillas activadas que con la sulfitación del jugo. d. Se consiguió una mayor reducción del color y turbidez del jugo mezclado frente al proceso de sulfitación.

169 Como desventaja del proceso podemos señalar que no logra reducir las incrustaciones por su fuente mineral y no logra reducir las viscosidades para lograr una mejor cristalización de la Fig. 10. Color del azúcar blanca (proceso con arcilla).

sacarosa y acabado.

Otro resultado importante es que el % de sacarosa en el azú-

La conclusión final es que el proceso alternativo para producir

car final fue tan alto como en el que se logra con el proceso

directamente azúcar blanco con arcillas activadas es viable. El

de sulfitación. En ambos casos la polarización (aproximada-

color del azúcar producida se mejorará con el empleo de ten-

mente porcentaje en peso) del azúcar fue mayor a 99,5.

soactivos en el proceso para la reducción de las viscosidades.

Un resultado digno de resaltar fue que se logró producir azú-

3&'&3&/$*"4

car blanco con 0 mg/kg de SO2 en el azúcar, frente al promedio de 5 a 10 mg/kg (ppm) empleando azufre.

Bennett, M. C.; Ross, B. G. (1988). Blanco-Directo production at the Hawaiian-Philippines Company, Silay, Negros Occidental,

El costo de producción comparado con el costo del proceso

Philippines. En: Clarke M.A. Raw Sugar Quality and White Sugar

de sulfitación se redujo en 50%. Se han tenido en cuenta los

Quality (pp. 89-92). Berlin: Verlag Dr. A. Bartens.

costos del azufre y de la arcilla activada, de los aditivos anticorrosivos empleados en el proceso de sulfitación para evi-

Chen, J.; & Chou, Ch. (1993). Cane Sugar Handbook. New York:

tar el deterioro de los equipos del proceso por la formación

John Wiley & Sons Inc.

indeseable de ácido sulfúrico y de los reactivos añadidos al agua de alimentación de los calderos (generación de vapor),

Medeiros de Albuquerque, F. (2009). Processo de fabricação do

proveniente del agua evaporada y condensada del jugo de la

Azúcar. Recife: Editora Universitária.

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011


POLO, Marco. “Método Alternativo para la Producción Directa de Azúcar Blanco”

Rein, P. (2007). Cane Sugar Engineering. Berlin: Bartens. Van der Poel, P. (1998). Sugar Technology. Berlin: Bartens. Zarpelon, F. (2009, Marzo/Abril) STAB. Açúcar, Álcool e Subprodutos, 27 (1), 14-15.

ACERCA DEL AUTOR Ingeniero Químico. Se ha desempeñado en la Gerencia de Fábrica y Proyectos de industrias del sector sucroenergético del Perú y Venezuela. Actualmente se desempeña como consultor internacional y docente del departamento de Tecnología de la Producción de Tecsup-Trujillo. Original recibido: 11 de noviembre de 2011 Aceptado para publicación: 04 de enero de 2012

170

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

08_Metodo alternativo produccion azucar_polo.indd 170

2/13/12 6:01 PM


¿Cómo Evaluar el Logro de los Resultados del Estudiante? Caso: Tecsup - Perú How to Assess the Student’s Outcomes? Case Study: Tecsup - Peru Henry Gómez, Tecsup

Abstract

de Ingeniería o Tecnologías de Ingeniería. La definición de los RE, su alineamiento con los Objetivos Educacionales del Pro-

The assessment of Students Outcomes is one of the main ac-

grama (OEP) y la misión de la Institución Educativa (IE); asi la

tivities in the continuous improvement process for enginee-

evaluación de las competencias del estudiante, el análisis de la

ring or technology engineering programs. But before asses-

información y la implementación de oportunidades de mejora,

sing the Students Outcomes, these activities must be defined

constituyen tareas que exigen tiempo y arduo trabajo de parte

and aligned to institutional mission and Educational Program

del docente. Estas labores adicionales a la carga académica, si

Objectives. Using the learning capabilities proposed by ABET

no se atienden apropiadamente, pueden conducir al fracaso

as a reference for the Students Outcomes definition, these

del PMC.

171

must be divided in attributes to assess the performance of students in activities. The use of attributes in a rubric help

En este artículo se describe la metodología utilizada en la de-

faculty to identify learning categories of Bloom taxonomy

finición, medición y evaluación de los RE para Programas de

and grade the Students Outcomes achievement. All data pro-

Tecnologías de Ingeniería Eléctrica y de Información en el Ins-

duced in this process has to be processed and evaluated to

tituto de Educación Superior Tecnológico Privado Tecsup de

identify improvement actions. The use of concepts and me-

Arequipa - Perú. Esta metodología ha permitido culminar exi-

thodology of Balance Scorecard in simple Excel spreadsheets

tosamente procesos de evaluación con agencias de acredita-

can help to summarize and identify key indicators in the im-

ción nacionales y extranjeras como ICACIT, ABET, ASIIN y ENAE.

provements process. This paper describes the methodology

Los criterios de evaluación que estas agencias aplican están en

and tools used in a successfull accreditation process with

concordancia con los lineamientos del Acuerdo de Washington

ABET Criteria for an Engineering Technology Program in Tec-

,por el lado americano [1], y de la Declaración de Bolonia, en

sup - Arequipa, Peru.

el marco del Espacio Europeo de Educación Superior [2]. Estos reconocimientos internacionales otorgan a los egresados de

Keywords

Tecsup una ventaja competitiva frente a sus pares de otras IE y les abre nuevas puertas para enfrentarse a los retos de la glo-

Students Outcomes, performance criteria, rubrics, outcomes assessment, bloom taxonomy

INTRODUCCION La medición y evaluación del logro de los Resultados del

balización.

DESARROLLO a. Definición de los Resultados del Estudiante

Estudiante (RE) es una de las actividades del Plan de Mejora Continua (PMC) que demanda gran esfuerzo en Programas

Los RE describen lo que los estudiantes esperan saber y son

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

09_Logro de Resultados del estudiante_gomez.indd 171

2/13/12 6:02 PM


Gómez, Henry. “¿Cómo evaluar el Logro de los Resultados del estudiante? Caso: Tecsup - Perú”

capaces de hacer al momento de la graduación [3]. El texto

Para ejemplificar mejor esta parte, se analiza el caso de los OEP

de la declaración de cada uno de los RE debe describir el con-

del PEI. En un estudio estadístico realizado en 2006 sobre un

junto de conocimientos, habilidades, destrezas y actitudes o

universo de 1022 egresados [5], se relacionó la actividad en que

comportamientos que los grupos de interés o stakeholders

se desenvuelven con la remuneración mensual que perciben

esperan se logre en el estudiante a través del proceso edu-

y el tiempo transcurrido desde que terminaron su carrera. Con

cativo. Los grupos de interés son las empresas, quienes ven a

estos datos se calcula el Periodo de Recupero de la Inversión

los egresados de un Programa como potenciales colaborado-

(PRI) en educación. En la Fig. 1 se muestra la dispersión de la

res; son sus egresados, quienes están deseosos de insertarse

población de egresados por actividad y las curvas de tenden-

exitosamente al mercado laboral; son sus docentes, quienes

cia central. Con ayuda de estas curvas, se puede inferir que el

quieren ver el fruto de su trabajo reflejado en profesionales

PRI para actividades relacionadas a Sistemas de Potencia era la

de éxito, y son los mismos estudiantes porque quieren ase-

menor (4 años), la media de la remuneración era la más alta y

gurarse de lograr una profesión en las mejores condiciones.

el número de egresados en esta actividad era creciente pero

Además de cubrir las expectativas de los grupos de interés,

menor que en otras tres actividades.

los RE deben garantizar el logro de los OEP y la misión de la IE. Para explicar mejor el proceso de definición del RE, se toma como ejemplo el caso del Programa de Electrotecnia Industrial (PEI) de Tecsup. Esta IE que forma profesionales de Ingeniería Aplicada en diversas especialidades en el Perú [4], asignó la misión de formar profesionales en Tecnologías de Ingeniería Eléctrica al Departamento de Electrotecnia (DE). Teniendo en cuenta este encargo y como producto del planeamiento estratégico institucional, el DE definió su misión dentro de la organización en los términos que se muestra en la tabla 1. En la misión institucional se identificaron los atri-

Fig. 1. Población de egresados del PEI por actividad

butos relevantes que debieran incluirse en la definición de

172

la misión del DE. En este caso, el “desarrollo de personas me-

A partir de esta información se concluyó que en su mayoría los

diante la formación” constituye la traza que se hereda para la

egresados del PEI estaban bien posicionados y reconocidos

misión del DE; así, el “desarrollo de profesionales en los cam-

en actividades relacionadas con el Mantenimiento Eléctrico,

pos de la electrotecnia” define el campo ocupacional del PEI,

las Instalaciones Eléctricas y en Electrónica e Instrumentación,

mientras que la “aplicación de conocimientos y habilidades

aunque para ésta última actividad no habían sido formados, las

para contribuir al éxito de las empresas y desarrollo del país”

competencias logradas les permitían atender la demanda de

constituye uno de los objetivos estratégicos del DE y de la IE.

las empresas. También se identificó que las actividades en “Sisdel mercado laboral de alta rentabilidad.

Desarrollarpersonasyempresasmedianteformación, capacitación y asesoría

Con este hallazgo y considerando otros aspectos como el crecimiento económico del país y los proyectos mineros y ener-

DEPARTAMENTO

MISION

INSTITUCIONAL

temas de Potencia” se vislumbraban como un posible “nicho”

DesarrollarprofesionalesenloscamposdelaElectrotecniaqueaplicansusconocimientosyhabilidadesparacontribuiraléitodelasempresas y al desarrollo del país.

géticos que se vislumbraban, la información obtenida permitió tomar la decisión de fortalecer el PEI en el área de Sistemas Eléctricos de Potencia. Por otro lado, las competencias requeridas para esta área demandaban nuevos conocimientos, otras habilidades y ciertas actitudes relacionadas con la seguridad,

Tabla 1. Misión institucional y del departamento

que en ese momento no se trabajaban con los estudiantes. También, el currículo de estudios de esa época no permitía im-

Ahora, para definir los RE, previamente se deben definir los

plementar experiencias de aprendizaje de mayor profundidad

OEP. De acuerdo a [3], los OEP son declaraciones amplias que describen lo que los graduados esperan lograr durante los primeros años del ejercicio de su profesión. Estas declaraciones describen el perfil profesional de la carrera y se basan en

relacionadas con esta área.

las necesidades de los grupos de interés o constituyentes del

creditation Board for Engineering and Technology) de EE.UU, se

Programa.

replantearon los OEP del PEI según se muestra en la tabla 2.

Habiendo identificado una oportunidad de mejora para el PEI y en concordancia con los criterios de evaluación de ABET (Ac-

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

09_Logro de Resultados del estudiante_gomez.indd 172

2/13/12 6:02 PM


OBJETIVOS EDUCACIONALES DEL PROGRAMA

Gómez, Henry. “¿Cómo evaluar el Logro de los Resultados del estudiante? Caso: Tecsup - Perú”

OEP “A”

Nuestros egresados desarrollan, implementan y mantienen sistemas eléctricos basados en sólidos conocimientos en instalaciones eléctricas y sistemas de potencia.

OEP “B”

Nuestros egresados identifican y analizan problemas para implementar soluciones efectivas.

Justamente, definir los límites del constructo es una de las mayores preocupaciones de los docentes, al momento de formular los RE. Estos son una descripción desde la perspectiva de los docentes de lo que los estudiantes deben saber (cognitivo), pensar (actitudinal) y hacer (conducta) al momento de graduarse. Estos tres elementos: cognitivo, actitudinal y conductual son,

Nuestros egresados se desempeñan con OEP “C” iniciativa, creatividad, manejo eficiente de recursos y trabajo en equipo.

por tanto, valiosos a la hora de delimitar los RE. El otro aspecto,

Nuestros egresados son profesionales comOEP “D” prometidos con su desarrollo, la calidad y la seguridad en el trabajo.

en Tecnologías de Ingeniería, por ejemplo, los RE son manifesta-

OEP “E”

Nuestros egresados practican principios éticos que contribuyen al desarrollo de la sociedad

el nivel de especificidad, es el alcance o profundidad con que un programa se enfoca en un área específica. Para un programa ciones observables y medibles de la aplicación del conocimiento. Esto significa que el verdadero aprendizaje se refleja a través de la acción y el comportamiento del estudiante. En efecto, el verdadero aprendizaje no puede ser medido sin conductas observables y verificables.

Tabla 2. OEP del PEI.

Aquí se puede notar claramente las mejoras al programa, se ha incluido el tema de “sistemas de potencia” en el OEP “A”.

RE “a”

Los estudiantes diseñan, implementan y optimizan sistemas eléctricos utilizando sus conocimientos de instalaciones eléctricas y sistemas de potencia, aplicando técnicas y herramientas modernas.

RE “b”

Los estudiantes aplican matemática, ciencia y tecnología en el diseño, instalación, operación y mantenimiento de sistemas eléctricos.

RE “c”

Los estudiantes conducen pruebas y mediciones, analizan e interpretan sus resultados para evaluar y mejorar sistemas.

RE “d”

Los estudiantes aplican la creatividad en el diseño de sistemas.

RE “e”

Los estudiantes trabajan eficazmente en equipo.

RE “f”

Los estudiantes identifican, analizan y solucionan problemas de equipos y sistemas.

RE “g”

Los estudiantes se comunican eficazmente.

RE “h”

Los estudiantes reconocen los aspectos contemporáneos de la profesión, la sociedad, practican el aprendizaje permanente y el respeto por la diversidad.

RE “i”

Los estudiantes trabajan con criterios de calidad, seguridad y actúan con principios éticos.

RE “j”

Los estudiantes gestionan eficazmente los recursos materiales y humanos a su cargo.

Ahora, respecto al alineamiento de los OEP con la misión del DE y de la IE un análisis de cada declaración permite concluir tos y habilidades vinculadas a su perfil profesional (OEP “A” y “B”), mientras que las otras tres (OEP “C”, “D” y “E”) están relacionados con las llamadas “habilidades blandas” o “soft skill”, que son las actitudes y comportamientos de la persona [6]. Esto es coherente, debido a que la “formación de personas” no solo implica competencias técnicas, sino también trabajar los aspectos no técnicos como la ética, el trabajo en equipo, el desarrollo profesional, etc. Hasta aquí, se han definidos los OEP, ahora recién se pueden definir los RE del PEI. Un Programa que pretende acre-

RESULTADOS DEL ESTUDIANTE (RE)

que los OEP abarcan aspectos relacionados con conocimien-

ditarse con ABET, debe también cumplir con los criterios de evaluación publicados por esta organización. Para el caso de Programas de bachillerato en Tecnologías de Ingeniería, por ejemplo, ABET sugiere incluir los RE descritos en [3] y que son llamados eufemísticamente como los RE “a-k”. La declaración

173

de cada uno de los RE de ABET es, a propósito, amplia e inespecífica, de manera que para usarlas hay que adecuarlas a la

Tabla 3. RE del PEI.

naturaleza del Programa y a su perspectiva educacional. Por otro lado, el término RE es similar en su significado a otros

Entonces, volviendo al caso de ejemplo del PEI y tomando

términos frecuentemente utilizados como “objetivos educa-

como referencia las recomendaciones anteriores y las de ABET,

cionales” [7], “competencias” [8], “habilidades” [9] o “logros”

se definieron los RE de la tabla 3. Estos incluyen los nuevos retos

[10], etc. Sino se definen previamente estos términos, pue-

para fortalecer las competencias de los estudiantes en Sistemas

den provocar confusiones. Por esta razón es recomendable

Eléctricos de Potencia. De igual forma como se hizo con la mi-

seguir una metodología y tener presente las definiciones de

sión institucional y del DE, los atributos relevantes de cada OEP

los términos utilizados. La metodología propuesta por [11],

deben relacionarse con los RE, lo cual se ve reflejado en la tabla

por ejemplo, considera dos aspectos para este constructo: 1)

4. En la matriz mostrada se evidencia la relación de RE y OEP

La amplitud del constructo y 2) El nivel de especificidad.

del PEI.

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

09_Logro de Resultados del estudiante_gomez.indd 173

2/13/12 6:02 PM


GĂ&#x201C;MEZ, Henry. â&#x20AC;&#x153;ÂżCĂłmo Evaluar el Logro de los Resultados del Estudiante? Caso: Tecsup - PerĂşâ&#x20AC;?

Para el caso del PEI, los RE ya estĂĄn deďŹ nidos: la meta es mantener una mediciĂłn del logro de RE por encima del 70%; entonces, ya se tiene el primer componente. Ahora se deben seleccionar los instrumentos de evaluaciĂłn del logro de las metas. Al respecto existen dos opciones: instrumentos de mediciĂłn

Tabla 4. Matriz OEP-RP del PEI.

directa e indirecta. La mediciĂłn directa tiene que ver con la me-

#.FEJDJĂ&#x2030;OEFMPT3FTVMUBEPTEFM&T UVEJBOUF

diciĂłn y evaluaciĂłn del desempeĂąo del estudiante por parte del docente, durante actividades de aplicaciĂłn de lo aprendido. En cambio, la mediciĂłn indirecta es una referencia cualitativa

Un buen proceso de mejora continua tiene tres componen-

o cuantitativa del desempeĂąo del estudiante ante situaciones

tes [12]: 1) Una declaraciĂłn de las metas educacionales, 2) Un

especĂ­ďŹ cas observadas por terceros. El resto de este artĂ­culo

conjunto validado de instrumentos de mediciĂłn del logro de

abarca la mediciĂłn directa del desempeĂąo del estudiante en

estas metas y 3) Un plan para utilizar los resultados de la eva-

actividades de aprendizaje desarrolladas por los docentes a lo

luaciĂłn y polĂ­ticas para mejorar el proceso educativo.

largo del currĂ­culo de estudios.

174

Fig. 2. Cartilla de la taxonomĂ­a de Bloom.

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011


GÓMEZ, Henry. “¿Cómo Evaluar el Logro de los Resultados del Estudiante? Caso: Tecsup - Perú”

Tabla 5. Marco de atributos o CD del RE “a”.

Para poder medir y evaluar el logro de RE es necesario cons-

conductas que van desde lo simple a lo complejo (1 a 6) y sus

truir el “Marco de Atributos” como lo propone [12]. Aquí se

definiciones. También se tiene un listado con los verbos que se

recomienda dividir cada RE en atributos que representen dos

utilizan para identificar la actitud del estudiante, lo cual permite

importantes dimensiones: el componente individual del RE o

valorar su nivel de aprendizaje. Con estas ayudas se construyó

Criterio de Desempeño (CD) y el nivel de aprendizaje del es-

el marco de atributos o CD para cada RE. En la tabla 5 se mues-

tudiante o categorías para cada componente. Un ejemplo del

tra una parte de este marco para el RE “a”. Para demostrar, por

“Marco de Atributos” para Programas de Ingeniería se puede

ejemplo, la capacidad de “Seleccionar materiales y equipos de

observar en [13].

acuerdo a los requerimientos de un sistema eléctrico” se debe evidenciar poseer competencias en las categorías de conoci-

Para representar el nivel de aprendizaje de cada componen-

miento, comprensión, aplicación y análisis. De manera que para

te en el PEI, se adoptaron las categorías de aprendizaje de la

“conectar y revisar los componentes de una instalación eléctri-

taxonomía de Bloom [14]. Para ayudar a los docentes en la

ca” se ha debido de “identificar componentes y distinguir sus

tarea de identificación de los niveles de aprendizaje se con-

características funcionales”; así como “calcular y determinar los

feccionó la cartilla de la fig. 2. Aquí se pueden observar las seis

componentes necesarios para una instalación eléctrica”.

mayores categorías del dominio cognitivo que representan

Tabla 6. CD, cursos y actividades para el RE “a”.

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

175


GĂ&#x201C;MEZ, Henry. â&#x20AC;&#x153;ÂżCĂłmo Evaluar el Logro de los Resultados del Estudiante? Caso: Tecsup - PerĂşâ&#x20AC;?

Hecho esto, lo siguiente es identiďŹ car en el currĂ­culo de estu-

todo el trabajo desarrollado. En esta parte son de mucha ayu-

dios los Cursos del Programa (CP) cuyos Objetivos EspecĂ­ďŹ cos

da los conceptos y metodologĂ­a del Balanced ScoreCard. En el

(OE) y contenidos se alinean con los RE. AsĂ­, se obtiene la ma-

caso del DE, se elaborĂł el Tablero de Mando Integral (TMI) para

triz CPâ&#x20AC;&#x201C;RE, que es semejante a la matriz OEPâ&#x20AC;&#x201C;RP. Luego, en

los RE de los programas a su cargo. La representaciĂłn de los

estos cursos se seleccionan o diseĂąan actividades, donde se

parĂĄmetros de interĂŠs mediante sĂ­mbolos y nemĂłnicos ayuda

pueda medir y evaluar el desempeĂąo de los estudiantes. Para

mucho a sintetizar la informaciĂłn. Por otro lado, el uso de una

esto, es necesario tener en cuenta los CD establecidos para

escala porcentual y la semaforizaciĂłn de los valores obtenidos,

cada RE, el nivel de aprendizaje de acuerdo a las categorĂ­as

habiendo establecido una referencia, permiten rĂĄpidamente

de la taxonomĂ­a de Bloom y el semestre en donde los estu-

concentrarse en los indicadores cuya mediciĂłn estĂĄ por debajo

diantes demuestran la competencia. Por ejemplo, una lista de

de lo esperado. El uso de vĂ­nculos o de un sistema de navega-

CD, cursos y actividades para el RE â&#x20AC;&#x153;aâ&#x20AC;? del PEI se muestra en la

ciĂłn eďŹ caz permite tambiĂŠn determinar instantĂĄneamente las

tabla 6. En la actividad â&#x20AC;&#x153;a1.1â&#x20AC;? del cuarto ciclo, los estudiantes

causas que provocan mediciones por debajo de la referencia.

evidencian competencias a nivel bĂĄsico; en la actividad â&#x20AC;&#x153;a1.2â&#x20AC;?

La ďŹ g. 3 muestra una parte del TMI utilizado para el Programa

del quinto ciclo, competencias intermedias y en la actividad

de Redes y Comunicaciones de Datos (PRCD).

â&#x20AC;&#x153;a1.3â&#x20AC;? del sexto ciclo, competencias avanzadas. Para garantizar una mediciĂłn objetiva del desempeĂąo de los estudiantes,

Luego de identiďŹ cados los indicadores con alarma, se convoca

con ayuda del marco de atributos se construye la rĂşbrica que

a los miembros del ComitĂŠ Evaluador (CE) para analizar las cau-

se aplica en la evaluaciĂłn de las actividades seleccionadas.

sas y encontrar oportunidades de mejora que permitan supe-

Una secciĂłn de esta rĂşbrica se aprecia en la tabla 7, tambiĂŠn

rar las diďŹ cultades halladas.

se observa la valoraciĂłn cualitativa y cuantitativa del desempeĂąo del estudiante.

A continuaciĂłn, el CE evacĂşa un informe con los hallazgos y

D&WBMVBDJĂ&#x2030;OEFMMPHSPEFMPT3FTVMUB EPTEFM&TUVEJBOUF

las acciones de mejora correspondiente. Estas acciones se ejecutan de manera inmediata o son analizadas en un ComitĂŠ Central (CC) para su aprobaciĂłn, si la acciĂłn es trascendente y demanda aprobaciĂłn o ďŹ nanciamiento. Luego de aplicada la

176

Para evaluar el logro de los RE es necesario haber aplicado

medida correctiva, se monitorea el tiempo que sea necesario

todos los instrumentos de mediciĂłn, haber procesado y con-

para garantizar su eďŹ cacia. Todo este proceso queda registrado

solidado toda la informaciĂłn y tener un sistema que permita

en copia dura y en formato digital en el Portafolio de cada RE

visualizar rĂĄpidamente y en forma eďŹ ciente los resultados de

como evidencia del PMC.

Tabla 7. Modelo de rĂşbrica para actividad â&#x20AC;&#x153;a1.1â&#x20AC;?.

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011


Gómez, Henry. “¿Cómo evaluar el Logro de los Resultados del estudiante? Caso: Tecsup - Perú”

Fig. 3. Tablero de Mando Integral para el PRCD.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

[2]

177

Center for Higher Education Policy Studies. (2010). The Bologna Process Independent Assessment. The first decade of working on the European Higher Education Area.

La medición directa de los CD es un instrumento muy útil en

[Online]. FTP disponible en: http://www.ond.vlaanderen.

la medición del logro de los RE. Sin embargo, su aplicación

be/hogeronderwijs/bologna/2010_conference/docu-

demanda un gran esfuerzo de los docentes, tanto en la parte

ments/IndependentAssessment_executive_summary_

operativa como en el conocimiento de los conceptos y me-

overview_conclusions.pdf

todologías. Esto amerita un proceso de inducción a los docentes y un sistema de monitoreo permanente en cada parte

[3]

ABET Technology Accreditation Commission. (2011). Criteria for Accrediting Engineering Technology Programs

del proceso.

[Online]. FTP disponible: http://www.abet.org/Linked%20 Por otro lado, la sistematización de cada uno de los procesos

Documents-UPDATE/Program%20Docs/abet-tac-crite-

involucrados es muy importante por la cantidad de informa-

ria-2011-2012.pdf

ción que se genera, la asistencia del personal administrativo igualmente es valiosa, porque permite aligerar al docente de

[4]

ponible: www.tecsup.edu.pe

sus tareas rutinarias.

REFERENCIAS

[5]

[1]

[6]

International Engineering Alliance. (2009). Graduates

Programa de Electrotecnia Industrial (2011). [Online] dis-

Maza, L. “Revision curricular 2008”. Tecsup. Lima, Abril. Skvarenina, Timothy. (2004). “Incorporating ABET Soft

Attributes and Professional Competencies [Online]. FTP

Skills into Energy Conversion Courses” in Proc. of the 2004

disponible: http//www.ieagreements.org.

American Society for Engineering Education Annual Con-

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

09_Logro de Resultados del estudiante_gomez.indd 177

2/13/12 6:02 PM


Gómez, Henry. “¿Cómo evaluar el Logro de los Resultados del estudiante? Caso: Tecsup - Perú”

ference & Exposition, American Society for Engineering

AUTOR

Education, School of Technology Purdue University. Henry Gómez Urquizo es Ingeniero electrónico de profesión, [7]

Wolf, R. M. “Evaluation in Education: Foundations of

con estudios de Maestría en Automatización e Instrumenta-

Competency Assessment and Program Review”. New

ción, es candidato a doctor en Ingeniería de la Producción en

York: Praeger.

la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. Se especializó en Electrónica de Potencia en el SENA de Barranquilla

[8]

“The Bases of Competence: Skills for Lifelong Learning

- Colombia, en Redes y Protocolos de Comunicación Industrial

and Employability”. San Francisco, CA: Jossey- Bass.

en Pepperl+Fuchs de Mannheim-Alemania. Posee diez años de experiencia industrial en la industria cervecera y más de quin-

[9]

“Developing intellectual skills,” in Handbook of the Un-

ce años en la docencia en educación superior. Actualmente se

dergraduate Curriculum: A Comprehensive Guide to

desempeña como Jefe de Departamento en Tecsup - Arequi-

Purposes, Structures, Practices and Change, J. Gaff and

pa, ha logrado la acreditación internacional con ABET, ASIIN y

J. Ratcliff, Eds. San Francisco, CA:Jossey-Bass.

ENAE de las carreras de Redes y Comunicaciones de Datos y de Electrotecnia Industrial. Es miembro activo de la IEEE y de la

[10] Gronlund, N. E. (1998). “Assessment of Student Achievement”, 6th ed. Boston, MA: Allyn and Bacon.

ISA, también es evaluador experto de Programas de Ingeniería de ICACIT.

[11] Besterfield-Sacre, M. et al. (2000, May) ”Defining the Outcomes: A framework for EC-2000”. IEEE Transaction on Education, Vol 43. N°2. [12] Michael, J. et al. (2000, May) “A Design Attribute Framework for Course Planning and Learning Assessment”. IEEE Transaction on Education, Vol 43, N° 2. May 2000.

178

[13] Bloom and Krathwohl (2000) “Definition of Levels and McBeath Action Verbs”. The University of Pittsburgh. [14] Taxonomy of Educational Objectives: Handbook 1: Cognitive Domain (1956) Longman, New York.

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

09_Logro de Resultados del estudiante_gomez.indd 178

2/13/12 6:02 PM


Metalurgia Extractiva de Tierras Raras Extractive Metallurgy of Rare Earths Fathi Habashi, Department of Mining, Metallurgical, and Materials Engineering, Laval University

Resumen

INTRODUCTION

Debido a su estructura electrónica los elementos de las tierras

Originally, the term rare earths was only used for the oxides,

raras tienen un comportamiento químico similar. Por lo tan-

R2O3, which are similar to one other in their chemical and physi-

to antiguamente ningún método de separación química era

cal properties and are therefore difficult to separate. Within the

adecuado y se utilizaron solamente métodos físicos para se-

rare earth group, the elements scandium, yttrium, and lantha-

parar sus sales. Inicialmente la cristalización fraccionada fue el

num differ in their atomic structure from the elements cerium

único método utilizado por los primeros investigadores. Más

to lutetium (the lanthanides, Ln). Scandium occupies a special

tarde, se aplicaron el intercambio iónico y la extracción con

position with respect to this classification and its other proper-

solventes. Las tierras raras no son ni raras ni tierras. La indus-

ties, and therefore does not belong to either of these groups.

tria comenzó en Viena (Austria) por Carl Auer von Welsbach a

The rare earth elements always occur in nature in association

finales del siglo XIX, con la producción de capas de gas para

with each other. The isolation of groups of rare earth elements

el alumbrado. Fue el inicio de su uso, luego se ha desarrollado

or of individual elements requires costly separation and fractio-

en nuevas direcciones para convertirse en materia prima para

nation processes owing to the great similarity of the chemical

la actual alta tecnología.

and physical properties of their compounds, which explains

Abstract

179

why the history of their discovery has extended for about two hundred years.

Due to their electronic structure the rare earth elements have

The word “rare”, when used to describe this group of elements,

similar chemical behavior. As a result no chemical method

originates from the fact it was thought that these elements

of separation was available and only physical methods were

could only be isolated from very rare minerals. Considering

used for separating their salts. Initially fractional crystalliza-

their abundance in the Earth’s crust, the term rare is now

tion was the only method used by the pioneer researchers.

inappropriate. These elements are lithophilic and are therefore

Later, ion exchange and solvent extraction were successfully

concentrated in oxidic compounds such as carbonates, silica-

applied. The rare earths are neither rare nor they are earths.

tes, titano-tantalo-niobates, and phosphates.

The industry started in Vienna, Austria by Carl Auer von Welsbach at the end of the 19th century to produce gas mantles

The abundance of the rare earth elements taken together is

for lighting streets. It then prospered in new directions to be-

quite considerable. Cerium, the most common rare earth, is

come essential for today’s high technology.

more abundant than cobalt. Yttrium is more abundant than lead, whereas Lu and Tm are as abundant as Sb, Hg, Bi, and Ag. Promethium does not occur in nature. It forms only in nuclear reactors.

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

10. Metalurgia extractiva de tierras raras_Habashi.indd 179

2/13/12 6:08 PM


HAbAsHI, Fathi. “Metalurgia Extractiva de Tierras Raras”

The electronic structure of the rare earths reveals that the

Table 4. Scandium, although in the same group with yttrium,

two outermost shells have the same number of electrons

lanthanum, and the lanthanides, is not present in any of these

(Table 1). As a result their chemical properties are very si-

minerals.

milar and it was not possible to separate them by chemical methods - - only physical methods could be applied. Ce

Pr

Nd Pm Sm

Eu

Gd

Tb

Dy

Ho

Er

Tm

Yb

Lu

2

2

2

2

8

8

8

8

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

8

8

8

8

8

8

8

8

8

8

18

18

18

19

20

21

18

18

18

18

18

18

18

18

18

18

18

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

9

9

2

2

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

Table 1. The electronic structure of the rare earths

RAW MATERIAL The major raw material for rare earths is monazite sand, xenotime, bastnasite, and phosphate rock

Monazite and xenotime

Figure 1. Separation of monazite and other valuable minerals from monazite sand by physical methods. In the first magnetic separation weak magnetic field is used while in the second case a strong magnetic field is used

Monazite derives its name from Greek meaning to be alone.

180

Monazite

The mineral monazite is a lanthanide phosphate containing some thorium and small amounts of uranium. It is widely dis-

Color

tributed in the Earth’s crust. It occurs in small proportions in

Specific gravity

granites. When such rocks are weathered, grains of monazite

Hardness (Mohs)

are carried by waters, then deposited at the mouths of rivers,

Crystal structure

Xenotime

Yellow to red

Pale yellow to

brown

browish green

4.9–5.5

4.45–4.59

5

4.5

Monoclinic

Tetragonal

together with the heavier constituents of the parent rock, to form black sands known as monazite sand. The monazite in

Table 2. Physical properties of lanthanide phosphate minerals

these sands is usually present in rounded grains, showing that the grains have previously been rolled to and fro in

Monazite concentrate, %

streams of water. Monazite sands occur mainly in Brazil, India, Australia, and USA. Xenotime is also a lanthanide phosphate but the individual lanthanides occur in a different proportion from that in monazite. It occurs mainly in South East Asia associated with alluvial tin deposits. Monazite sand and xenotime can be easily concentrated from the sands by physical methods. For example, a monazite sand containing 1 % monazite can be concentrated by gravity, magnetic, and electrostatic methods to a concentrate containing 85 % monazite (Figure 1). Some physical properties of monazite and xenotime concentrates are given in Table 2. A chemical analysis of the concentrates is given in Table 3. The composition of the lanthanide

P2O5 Ln2O3* ThO2 U3O8 SiO2 CaO Fe2O3 Al2O3 ZrO2 SnO2

24–29 55–65 5–10 0.2–0.4 1–3 0.2–0.8 1–2 0.1–0.8 0.7 —

Xenotime concentrate, % 52–63 1–3 0.5–3.5

2–3 0–9

*Ln = Lanthanide. Table 3. Chemical analysis of lanthanide phosphate concentrates

fraction in monazite, in xenotime, and bastnasite is given in

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

10. Metalurgia extractiva de tierras raras_Habashi.indd 180

2/13/12 6:08 PM


HAbAsHI, Fathi. “Metalurgia Extractiva de Tierras Raras”

Monazite and xenotime are the main source of thorium and the lanthanides; uranium is recovered as a by-product.

re

(Na,Ca,Ce)2(NbTa,Ti)2(O,OH,F)7,

and

loparite

(Na,Ca,

Ce)2(Nb,Ta,Ti)2O6 in the Kola Peninsula and also in most uranium minerals as trace substituents.

Bastnasite

Scandium occurs in trace amounts in most rare earth minerals. The most important mined rare earth deposit is at the Moun-

In many minerals, scandium is present in a dispersed state. Wol-

tain Pass Mine in California, where up to 40 000 t/a bastnasite

framite and cassiterite can contain up to 1 % scandium, so that

ore concentrate (70 % REO) is produced by ore beneficiation.

scandium is a by-product of the production of tungsten and tin.

Other important bastnæsite deposits are in Burundi, Mada-

Uranium minerals contain much smaller amounts of scandium,

gascar, and in Bayan Obo, near the town of Baotou in Inner

but, since uranium is produced in relatively large quantities,

Mongolia in China. The bastnasite, with monazite, is associa-

scandium is produced in appreciable quantities also.

ted with magnetite–hematite–fluorspar. Bastnasite is a fluo-

Phosphate rock

rocarbonate, Ln2(CO3)3, LnF3, or LnFCO3.

Tonnage wise, phosphate rock is the most important as com-

Light

Heavy

Bastnasite %

pared with the other material; about 120 millions tons of rock

Lanthanide oxide

Monazite

Xenotime %

La2O3

23.0

0.5

32.0

CeO2

46.5

5.0

49.0

Pr6O11

5.1

0.7

4.4

Nd2O3

18.4

2.2

13.5

Sm2O3

2.3

1.9

0.5

and tourmaline, prior to the latter part of the eighteenth cen-

Eu2O3

0.07

0.2

0.1

tury. Phosphate rock is the main raw material for the production

Gd2O3

1.7

4.0

0.3

of phosphatic fertilizers. Phosphate rock is composed mainly

Tb4O7

0.16

1.0

0.01

of:

Dy2O3

0.52

8.7

0.03

Ho2O3

0.09

2.1

0.01

Er2O3

0.13

5.4

0.01

Tm2O3

0.013

0.9

0.2

Yb2O3

0.061

6.2

0.01

Lu2O3

0.006

0.4

0.1

Y2O3

2

60.8

0.1

are treated annually while only 30 000 tons of monazite and xenotime. However, no production of rare earths from this source is actually conducted. Apatite is the principal constituent of phosphate rock. The mineral received its name from the Greek word meaning I deceive when it was realized that it was frequently confused with other mineral species, including beryl

181 •

Fluorapatite, Ca10(PO4)6F2

Hydroxyapatite, Ca10(PO4)6(OH)2

Carbonato-apatite, Ca10(PO4)6CO3

Depending on the proportion of each component, the rock Table 4. Typical composition of lanthanides in monazite, xenotime,

may be frankolite, kunskite, or colophanite (Table 5). Low-grade

and bastnasite

phosphate rock, may contain appreciable amounts of alumi-

Other complex minerals

num phosphate wavellite, AlPO4, and/or calcium–aluminum phosphate, crandallite.

Minerals of this type are oxidic ores containing titanium, nio-

Type

bium, tantalum, uranium, and thorium; for example:

Composition Isomorphous mixture of fluo-

Frankolite

roapatite and carbonate apa-

Euxenite

(Y,Ce)(Nb,Ta,Ti)2O6

tite in the ratio 3:1.

Samarskite

(Y,Ce)4(Nb,Ta,Ti)2O6

Isomorphous mixture of fluo-

Fergusonite

(Y)(Nb,Ti,Ta)O4

Betafite

(U,Ca,Y,Ce2(Nb,Ta,Ti)2O6(OH)

Kunskite

tite in the ratio 2:1. Colophanite

Useful concentrations (up to 5 %) of rare earth elements occur in apatite and up to 10 % in pyrochlo-

roapatite and carbonate apaAn ultra microcrystalline variety of frankolite. Table 5. Main types of phosphate rock

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

10. Metalurgia extractiva de tierras raras_Habashi.indd 181

2/13/12 6:08 PM


HAbAsHI, Fathi. “Metalurgia Extractiva de Tierras Raras”

Phosphate rock occurs either as a sedimentary deposit, e.g.,

Digestion. The concentrate is digested in a closed reactor

in Florida and North Africa, or as igneous rock, e.g., in Kola pe-

or baked in a rotary kiln with 93 % H2SO4 at about 200°C

ninsula, Russia. Sedimentary phosphates supply about 85%

for 2–4 hours at an acid to concentrate ratio of 2:1. An acid-

of the phosphate rock for the industry. Typical analyses of

to-concentrate ratio lower than this, results in incomplete

phosphate rocks are given in Table 6. Phosphate rock is used

reaction while higher ratio interferes with subsequent ope-

for the manufacture of fertilizers and elemental phosphorus.

rations. Also, with temperatures lower than the above, the

Pure phosphoric acid for other uses than fertilizers is pre-

reaction will be too slow, and if higher than 300°C, insolu-

pared from the latter product although attempts are being

ble thorium pyrophosphate is liable to be formed. The reac-

made to prepare a moderate-grade phosphoric acid by lea-

tion is exothermic and can be represented by the equation:

ching the rock. 2LnPO4 + 3H2SO4 ➜ Ln2(SO4)3 + 2H3PO4 % P2O5

29–38

CaO

48–52

MgO

0.2–0.8

Fe2O3

0.2–1

Al2O3

0.1–1

Na2O

1–2

K2O

0.1–0.4

F

3.3–4.3

% Cl

0.01–0.7

CO2

2–6

SO3

1–3

SiO2

0.2–5

Organic carbon

0–0.4

Uranium

0.01–0.02

Ln2O3

0.1–1

Thorium and uranium are also transformed into sulfates. Due to the high temperature used the product is a thick paste of anhydrous sulfates. •

Dissolution of the reaction mass. The resulting mass is allowed to cool, diluted with water to allow the insoluble material to settle, and then filtered. Typical analysis of the filtrate is shown in Table 7. The clear leach solution is then subjected to further treatment to separate thorium, ura-

Table 6. Analysis of typical phosphate rock

nium, and the lanthanides. The residue contains most of the radioactive decay products of uranium and thorium.

RECOVERY METHODS g/L

182

Monazite /xenotime

g/L

Th

5.3

Nd2O3

7.0

U

0.2

Sm2O3

1.3

There are two methods used for treating these concentrates:

Ce2O3

16.0

SO4

128.0

the sulfuric acid and the sodium hydroxide methods (Figure

La2O3

8.5

PO43–

26.0

2). The decision between one or the other is an economic one;

Pr2O3

1.7

2–

for example in Brazil, the NaOH process is used because of a shortage in sulfuric acid. However, the general tendency today is to use the NaOH process.

Table 7. Typical analysis of monazite leach solution, pH = 0.05

Sodium hydroxide method The sodium hydroxide process differs from the acid process in that water-soluble phosphates are formed while the lanthanides, thorium, and uranium form insoluble hydroxides: LnPO4 + 3NaOH ➜ Ln(OH)3 + Na3PO4 Th3(PO4)4 + 12NaOH ➜ 3Th(OH)4 + 4Na3PO4 Figure 2. Leaching methods for monazite sand [left: acid leaching, right:

UO2HPO4 + 2NaOH ➜ UO2(OH)2 + Na2HPO4

NaOH leaching]

Optimum conditions of digestion are 40–50 % NaOH, 160°C, Sulfuric acid method

NaOH to concentrate 2:1, time of reaction about 3 hours. Sodium hydroxide should be free from carbonate otherwise ura-

This method involves two steps:

nium will be lost in solution, since it forms soluble carbonates.

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

10. Metalurgia extractiva de tierras raras_Habashi.indd 182

2/13/12 6:08 PM


HAbAsHI, Fathi. “Metalurgia Extractiva de Tierras Raras”

The product is a thick paste; it is slurried in water then filte-

used, normal superphosphate or phosphoric acid is produced:

red, washed, and dried. The cake obtained is composed of hydroxides of uranium, thorium, and lanthanides, containing

When a small amount of acid is used the product is known

small amounts of phosphate; it is dissolved in acid for further

as normal superphosphate:

separation. The leach solution contains the unreacted NaOH

Ca10(PO4)6F2 + 2H2SO4 + 2H2O ➜ [3Ca(H2PO4)2.2H2O +

as well as the phosphorus originally present in the concentra-

7CaSO4.2H2O] + 2HF

te. When allowed to cool to about 60°C, trisodium phosphate hydrate hydrate (Na3PO4·10H2O) crystallizes out. After sepa-

When a large amount of sulfuric acid is used, phosphoric

ration, the solution typically analyse 47.4 % NaOH, 0.5 % Na-

acid is produced. The reaction is largely complete in few mi-

3

PO4, 1.5 % Na2SiO3, and can be recycled.

nutes. Three processes are used (Table 8):

Bastnasite

– Hemihydrate Process. Conducted above 80 °C and produces 30 % acid:

In the Molycorp process, the mineral is concentrated to 60

Ca10(PO4)6F2 + 10H2SO4 + 5H2O ➜ 6H3PO4 + 10CaSO4 ·

% by flotation and then calcined, converting the cerium to

1/2H2O + 2HF

the tetravalent state. It is then treated with hydrochloric acid, which causes only the trivalent rare earth elements to go into

– Dihydrate Process. Conducted below 80°C and produ-

solution, leaving behind 65–80 % CeO2 (Figure 3). The indi-

ces 60 % acid:

vidual earths are then separated by solvent extraction (see

Ca10(PO4)6F2 + 10H2SO4 + 20H2O ➜ 6H3PO4 + 10CaSO4 ·

later).

2H2O + 2HF More time is needed, about 8 hours, to allow for the proper formation of crystals that can be removed easily by filtration. – Hemihydrate–dihydrate Process. Conducted above 80°C to produce the hemihydrate crystals, then slurry is

183

agitated for few hours to allow the crystallization of the dihydrate.

Hemihydrate Process

Dihydrate Process

Hemihydrate dihydrate Process Initially CaSO4

Figure 3. Separation of the lanthanides from bastnasite by extraction with D2EHPA (Molycop process)

Phosphate rock Phosphate rock is insoluble in water, but when treated with acids water-soluble monocalcium phosphate, citrate-soluble dicalcium phosphate, and phosphoric acid can be obtained. The first two can be used directly as a fertilizer, while the latter is neutralized with ammonia to produce an ammonium phosphate fertilizer. The acids used for treating the rock are the following. Sulfuric acid

Crystal form

CaSO4 ·1/2H2O

Crystal size

15–30 (without

(mm)

modifier)

CaSO4·2H2O

·1/2H2O, then CaSO4 ·2H2O

40–60 (with modifier) P2O5 losses in crystal (%) Temperature (°C)

40–60 3–6

lower

> 80

< 80

45–54

28–30

> 80

Phosphoric acid concentration % P2O5 – % H3PO4

Leaching with sulfuric acid is the most common method for treating phosphate rock. Depending on the amount of acid

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

10. Metalurgia extractiva de tierras raras_Habashi.indd 183

2/13/12 6:08 PM


HAbAsHI, Fathi. “Metalurgia Extractiva de Tierras Raras”

Ca10(PO4)6F2 + 20HCl ➜ 6H3PO4 + 10CaCl2 + 2HF

CounterWashing

Vacuum belt

current in

system

filter (Lurgi)

thickeners

Calcium chloride is then removed as CaCO3 by precipitation

(Dorr)

with (NH4)2CO3:

Phosphoric

91

93

Low because

High because

Energy requi-

less water to

more water to

rement

be evaporated

be evaporated

later

later

acid yield (%)

99

CaCl2 + (NH4)2CO3 ➜ CaCO3 + 2NH4Cl Nitric acid Nitric acid is also used to produce a fertilizer known as nitrophosphate:

Table 8. Production of phosphoric acid by the H2SO4 route

Ca10(PO4)6F2 + 14HNO3 ➜ [ 3Ca(H2PO4)2 + 7Ca(NO3)2] + 2HF There are two types of wet process phosphoric acid: the “black acid” and the “green acid”. The black acid is the one

or phosphoric acid:

usually produced and its black color is due to the organic matter originally present in the rock. If the organic matter

Ca10(PO4)6F2 + 20HNO3 ➜ 6H3PO4 +10Ca(NO3)2 + 2HF

is above certain limits it is usually eliminated by calcining in an oxidizing atmosphere. The acid derived from such treated

Calcium nitrate is separated by cooling to –10°C then centrifu-

rock is the green acid because it has a green tint. Both acids

ging the crystals of Ca(NO3)2·4H2O. It is usually transformed to

are a commercial product, and is shipped to fertilizer produ-

ammonium nitrate by reaction with ammonium carbonate.

cers. It is usually neutralized by ammonia to form ammonium phosphates:

Present tendency

The first fertilizer produced in industry was normal super-

184 •

Monoammonium phosphate (46 % P2O5, 11 % N): H3PO4 + NH4OH NH4·H2PO4 + H2O

phosphate. Because of its low concentration in P2O5, its pro-

Diammonium phosphate (46 % P2O5, 18 % N):

was taken over by triple superphosphate, and more recently

duction has declined gradually in the past years and its place

H3PO4 + 2NH4OH (NH4)2·HPO4 + 2H2O

by mono- and diammonium phosphates. Over 70 % of the

Or, reacted with a fresh batch of phosphate rock in a

process. Phosphoric acid provduced by leaching phosphate

rotary kiln to produce triple superphosphate (40–48 %

rock is impure and cannot be used for manufacturing phospha-

P2O5):

tes needed for the food or detergent industries unless it under-

Ca10(PO4)6F2 + 14H3PO4 + H2O ➜ 10Ca(H2PO4)2·H2O + 2HF

phosphate rock is used in making phosphoric acid by the wet

goes extensive purification, e.g., extraction by organic solvents Phosphate rock of sedimentary origin contains about 0.5 % lan-

This in turn is usually treated by ammonia to form ammo-

thanide oxides while igneous phosphate, e.g., in Kola Peninsula,

niated triple superphosphates:

contains about 1 % lanthanide oxides. During the manufacture of phosphoric acid about 70 % is lost in the gypsum. However,

Ca(H2PO4)2·H2O + NH3 ➜ CaHPO4 + H4.H2PO4 + H2O

if acidulation is conducted by nitric acid all will go into solu-

Ca(H2PO4)2 · H2O + 2NH3 ➜ CaHPO4 + (NH4)2HPO4 + H2O

lanthanides were recovered commercially by Kemira Oy from

tion and can be recovered by organic solvents. In Finland, the phosphate rock during 1965–1972 using organic solvents. It is

Hydrochloric acid

believed that a similar operation is in existence in Russia.

Hydrochloric acid is used sometimes to leach phosphate rock

RECOVERY FROM LEACH SOLUTION

to produce either monocalcium phosphate fertilizer: Separation of thorium and the lanthanides from sulfuric acid Ca10(PO4)6F2 + 14HCl ➜ 3Ca(H2PO4)2 + 7CaCl2 + 2HF

leach solution of monazite and xenotime concentrates is based on oxalate precipitation:

or phosphoric acid:

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

10. Metalurgia extractiva de tierras raras_Habashi.indd 184

2/13/12 6:08 PM


HAbAsHI, Fathi. “Metalurgia Extractiva de Tierras Raras”

Th4+ + 2(C2O4)2– ➜ Th(C2O4)

sin. However, the resin has no selectivity for one of the lanthanides as compared with the other, and therefore practically no

Ln3+ + 3(C2O4)2– ➜ Ln2(C2O4)3

separation can be achieved. In order to separate the different metals, use is made of their different affinities toward com-

Uranium is not precipitated. The oxalate filter cake is then

plexing agents in solution. When a buffered solution of some

digested with NaOH solution to convert the oxalates into

negative ion species, which forms a stable complex with the

hydroxides and recover sodium oxalate for recycle:

lanthanides, is passed through the column, a competition for the lanthanide ions between the aqueous phase and resin pha-

Th(C2O4)2 + 4OH– ➜ Th(OH)4 + 2(C2O4)2–

se will be set up. When equilibrium conditions are maintained, an individual lanthanide ion continuously exchanges between

Ln2(C2O4)3 + 6OH– ➜ 2Ln(OH)3 + 3(C2O4)2–

the complexing ion and the resin. The positive ion in the complexing solution replaces the lanthanide ions at the rear edge

The hydroxides are then calcined, and the resulting oxides

of the band, so that the lanthanide band is driven down the re-

dissolved in nitric acid for later separation of thorium by sol-

sin bed. Because the stability constants of the lanthanide com-

vent extraction.

plexes differ appreciably from one lanthanide to another, the most stable complex moves faster down the column.

Fractional crystallization Different complexing agents were used as eluents for example, This is one of the oldest methods for the separation of rare

5 % citric acid adjusted at pH 3 by ammonium hydroxide, 0.1

earths and is now obsolete. It depends on small differences

% citric acid adjusted at pH 5–8 by ammonium hydroxide, 1 M

which are magnified by repeated operations (Figure 4). It has

lactate at pH 3, and 0.26 M ethylene diamine tetraacetic acid

been replaced by ion exchange and solvent extraction which

(EDTA) at pH 3.6. Uniform rate of elution has been obtained by

are faster and less tedious.

continuously varying the pH of the eluant. The eluant at pH 3.19 was neutralized at a predetermined rate with 1 M lactic acid buffered with ammonia to pH 7 to give a rate of change of pH of +0.1 unit/hour.

185 In the separation of the lanthanides, the concentrate is dissolved in hydrochloric acid and diluted with water to make up the feed solution for the cation exchange columns 1.5 m long x 15 cm diameter in the ammonium form. The solution of the chlorides is loaded on four columns which are connected together in series. The sorbed band is first washed with distilled water then eluted with 0.1 % citrate solution at pH 8 at a flow rate of 0.1–1.2 L/min into a series of six similar columns. Under these conditions, the front of the adsorbed band advances at the rate of about one resin bed per day. The light lanthanides are sorbed on the first two columns, and the heavy lanthanides are concentrated on the last two columns, while the bulk of yttrium and a considerable portion of terbium and dysprosium are concentrated on the two middle columns. Each set of two columns is further fractioned by elution through a series of eight smaller columns (1.5 m long x 10 Figure 4. Separation of rare earths by fractional crystallization

cm diameter) at a much smaller flow rate of 0.5 L/min. Each of these small columns is loaded with a pure metal then separa-

Ion exchange

tely eluted in a container. The pure lanthanide is recovered from the solution by precipitation with oxalic acid. Individual lantha-

When the acid leach solution containing the lanthanides

nides up to 99.99 % purity from monazite are produced on a

is allowed to flow through a cation exchange resin bed in

commercial scale based on elution with EDTA (Figure 5).

hydrogen or ammonium form, they will be sorbed by the re-

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

10. Metalurgia extractiva de tierras raras_Habashi.indd 185

2/13/12 6:08 PM


Cerium salts are produced by liquid–liquid extraction from rare-earth cerium-containing solutions. Cerium can be extracted out of cerium nitrate–nitric acid solutions in a few steps in the form of a cerium(IV) nitrate complex in tributyl phosphate and therefore separated from the accompanying trivalent rare-earth elements, which form less stable nitrate complexes. Purities of 99.99 % and better can be achieved.

METAL PRODUCTION Mischmetal Mischmetal (from German: Mischmetall - “mixed metals”) is an alloy of rare earth elements in various naturally-occurring proportions. Monazite-derived Mischmetal typically is about 48% Figure 5. Ion exchange columns for the separation of the lanthanides

cerium, 25% lanthanum, 17% neodymium, and 5% praseody-

at Michigan Chemical Corporation, St. Louis, Michigan

mium, with the balance being the other lanthanides. Bastnasite-derived Mischmetall is higher in lanthanum and lower in neodymium. Mischmetal is the lowest priced rare-earth metal

Solvent extraction

because no expensive chemical separation is needed to produThe solvent used for the separation of the lanthanides from

ce it. It is produced predominantly by fused-salt electrolysis of

leach solution of bastnasite concentrates is di (2-ethylhexyl)

rare-earth chlorides. Mischmetal was first produced industrially

phosphoric acid known as D2EHPA:

in 1908 by Auer von Welsbach, who succeeded in finding an outlet for surplus rare earth in the production of lighter flints. At that time, monazite was used exclusively as the source of thorium needed for the manufacture of incandescent mantles.

where R is Oxide Process A process developed by the US Bureau of Mines and further Cerium is already separated in the leaching step since it is

improved by Santoku Metal Industries in Japan, produces mis-

transformed into soluble cerium(IV) compound and is reco-

chmetal from rare-earth oxides. The process is similar to Hall–

vered from the residue. Each extraction step includes nume-

Héroult process for aluminum electrolysis. It avoids emission of

rous stages of contact with the extractant and the stripping

chlorine and the consequent expensive purification of off-gas.

agent under certain conditions of organic/aqueous ratio, and

Rare-earth oxides are dissolved in an electrolyte consisting of

extractant and stripping agent concentrations. The plant is

alkali fluorides (to improve conductivity), alkaline-earth fluori-

computerized and is fully automated (Figure 6).

des (to reduce melting point), and rare-earth fluorides (to improve the solubility of rare-earth oxides) and are reduced electrolytically to the rare-earth metals. The electrolysis cell (Figure 7) consists of a graphite crucible with graphite anode and molybdenum cathode, working under an inert-gas atmosphere to prevent oxidation of the construction materials. The electrolyte is initially melted by resistance heating. Electrolyte and electrodeposited rare-earth metals are kept liquid by the joule heat. A cell produces ca. 500 kg of metal per day. If bastnasite is a raw material, it must be specially purified prior to electrolysis.

Individual rare earth metals The rare earth metals are produced, both on the laboratory and Figure 6. Inside of Molycorp’s rare earths extraction plant at Mountain Pass, California

10. Metalurgia extractiva de tierras raras_Habashi.indd 186

industrial scale, by molten salt electrolysis and metallothermic reduction

2/13/12 6:08 PM


HAbAsHI, Fathi. “Metalurgia Extractiva de Tierras Raras”

including Y. Alloys can also be produced by this process. Alkali metals, alkaline earth metals, and aluminum are suitable reducing agents, as are alloys of these elements with each other. Lithium, which forms low-melting LiF, is of special importance, as is calcium. The use of Mg or Zn has the additional advantage of producing a low-melting alloy with the rare earth metal. The alloying elements can be removed by distillation, yielding the pure rare earth metal. For the production of La, Ce, Pr, and Nd, the metallothermic reduction of the anhydrous rare earth chlorides is preferred. The reaction is carried out in crucibles lined with MgO at temperatures up to 1100°C. At higher temperatures, reaction takes place between the rare earth metal and the MgO, and the rare earth chlorides vaporize. The process is not suitable for the production of Sm, Eu and Yb, which are merely reduced to the divalent state. Figure 7. Electrolysis cell for the production of misch-metal from oxides: a) Graphite anodes, b) Molybdenum cathode, c) Graphite crucible, d)

Gd to Lu and Sc, which have higher melting points, are obtained

Liquid electrolyte, e) Molybdenum crucible, f) Tapping pipe, g) Molten

by reduction of the fluorides with Ca at 1500–1600°C. The re-

misch-metal [Handbook of Extractive Metallurgy].

duction is carried out in tantalum crucibles under a protective gas or in vacuum. The reaction temperature can be reduced by

Fused-Salt Electrolysis

adding a booster such as iodine, which gives a slag with good flow properties that separates cleanly from the metal. Praseo-

La, Ce, Pr, Nd can be produced by molten salt electrolysis of a

dymium is produced by reduction of the fluoride with lithium.

mixture of anhydrous rare earth chlorides and fluorides with

The Carlson–Schmidt apparatus is shown in Figure 8. This was

alkali and alkaline earth chlorides and fluorides. This process

used between 1957 and 1959 to produce high-purity yttrium

is made possible by the lower melting points of the cerium

metal in 50 kg batches.

187

earth metals, whereas the yttrium earth metals have higher melting points and therefore do not melt during the electro-

Sm, Eu, and Yb can be produced by reduction of the oxides with

lysis process. A lower melting point can be achieved by using

La or the cheaper cerium mischmetal at 1000–1300°C. The rare

a cathode (e.g., Cd, Zn) that forms a low-melting alloy with

earth oxides and the reducing metal are used in the form of

the rare earth metal. This alloy can also have a lower density

pellets, prepared from chippings or thin disks. Sm, Eu, and Yb are

than the fused salt (e.g., Mg), so that it rises to the surface and

volatile at the reaction temperature under vacuum (< 10–4 bar),

can be removed from the fused salt. The alloying element

and can be distilled from the reaction space during the reaction

can then be removed by distillation. By using molten Cd or Zn

and condensed on coolers. Thus, these metals can be separated

as cathode, Sm, Eu, and Yb can also be produced.

from rare earth metals that are not volatile under these conditions and obtained in a pure state. Hence, the starting materials

The reactivity of the rare earth metals causes problems in the

can consist of rare earth oxides in which Sm, Eu, and Yb have

choice of construction materials of the electrolysis furnace.

merely been concentrated. The principle of the reduction disti-

High-purity metals can be produced by using molybdenum,

llation apparatus is illustrated in Figure 9. Further purification

tungsten, or tantalum as the crucible and cathode materials.

can be carried out by a second distillation.

For industrial manufacture, iron crucibles with ceramic or graphite linings are used. If halogens are liberated during the

Purification

electrolysis, carbon is used as the anode material. Production of the pure rare earth metals necessitates the remoMetallothermic Reduction

val of products of the reaction of the metals with the atmosphere, crucible materials, and co-reactants. Suitable methods

Metallothermic reduction of the rare earth oxides and an-

include melting under a protective gas or in a vacuum. The

hydrous rare earth chlorides and fluorides can be used to

high-boiling rare earth metals can also be purified by distilla-

produce high-purity rare earth metals, especially Gd to Lu,

tion. Alloying elements and impurities such as Mg, Cd, Zn, and

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

10. Metalurgia extractiva de tierras raras_Habashi.indd 187

2/13/12 6:08 PM


HABASHI, Fathi. “Metalurgia Extractiva de Tierras Raras”

Ca are distilled off under vacuum. The remaining rare earth

R2O3 + nCo3O4 + (10–3n)Co + (4n+3)Ca « 2RCo5 + (4n – 3)CaO

metal is then in the form of a sponge, which can be consolidated by fusion in an electric arc furnace. Zone melting, melt

64&4

extraction, and melt filtration, e.g., through tungsten powder, degassing in a high vacuum, etc., are other recommended pu-

The early uses of rare earth metals was to prepare the gas

rification methods.

mantles for lighting streets and as flint for cigarette lighters (Figure 10). The most important uses of mischmetal or cerium are metallurgical. The metallurgical importance of rare-earth metals is based on reactions to form solids with oxygen, hydrogen, nitrogen, sulfur, arsenic, bismuth, and antimony, reducing the effects of these elements on the properties of the metals. Mischmetal is added as lumps, rods, or wire. The principal uses for cerium compounds are as polishing agents and as a component in glass. The rare earth metals and their compounds are used in numerous areas of industry for a wide range of purposes. The most important of these include metallurgy, catalysts in the chemical industry, coloring of glass and ceramics, the production of magnets, and phosphors.

188

Figure 8 - Reduction apparatus for the production of yttrium: a) Sight

Gas mantle

Street lit with gas mantle

Flint for generating a spark

A cigarette lighter

glass, b) Vacuum connection and helium inlet, c) Charging tunnel, d) Charging shut-off mechanism, e) Steel reaction chamber, f) Titanium reaction crucible, g) Graphite insulation, h) Titanium or steel supporting crucible, i) Water cooling [Handbook of Extractive Metallurgy].

Figure 10 - Early uses of rare earths

3&'&3&/$&4 Figure 9- Reduction–distillation apparatus for the production of samarium, europium, and ytterbium: a) Furnace, b) Heating element, c) Stainless steel container, d) Water cooling, e) Vacuum, f) Baffle, g) RE metal. h) Molybdenum condenser, i) Heat shield, j) Molybdenum crucible, k) Pelletized reactants [Handbook of Extractive Metallurgy].

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

R.J. Callow, The Industrial Chemistry of the Lanthanons, Yttrium, Thorium, and Uranium, Pergamon Press, Oxford 1967 C.K. Gupta, N. Krishnamurthy, Extractive Metallurgy of Rare Earths, CRC Press, Boca Raton, Florida 2005


HAbAsHI, Fathi. “Metalurgia Extractiva de Tierras Raras”

F. Habashi, Principles of Extractive Metallurgy, Volume 4. Amalgam & Electrometallurgy, Métallurgie Extractive Québec, Sainte-Foy, Québec 1998. Distributed by Laval University Bookstore F. Habashi, A Textbook of Hydrometallurgy, Métallurgie Extractive Québec, Sainte-Foy, Québec 1993, second edition 1999. Distributed by Laval University Bookstore F. Habashi, Textbook of Pyrometallurgy, Métallurgie Extractive Québec, Sainte-Foy, Québec 2002. Distributed by Laval University Bookstore F. Habashi, Researches on Rare Earths. History and Technology, Métallurgie Extractive Québec, Québec City 2008. Distributed by Laval University Bookstore I. McGill, “Rare Earth Metals”, pp. 1695 – 1741 in Handbook of Extractive Metallurgy, edited by F. Habashi, WILEY-VCH, Weinheim, Germany 1997 F.H. Spedding and A.H. Daane, editors, The Rare Earths, Wiley, 1961

AUTHOR Fathi Habashi, Professor Emeritus at Laval University in Que-

189

bec City. He holds a B.Sc. degree in Chemical Engineering from the University of Cairo, a Dr. techn. degree in Inorganic Chemical Technology from the University of Technology in Vienna, and Dr. Sc. honorus causa from the Saint Petersburg Mining Institute in Russia. He held the Canadian Government Scholarship at the Mines Branch in Ottawa, taught at Montana School of Mines then worked at the Extractive Metallurgical Research Department of Anaconda Company in Tucson, Arizona before joining Laval in 1970. His research was mainly directed towards organizing the unit operations in extractive metallurgy and putting them into a historical perspective. Habashi was guest professor at a number of foreign universities, authored a number of textbooks on extractive metallurgy and its history, and edited Handbook of Extractive Metallurgy in 4 volumes in 1997. Some of his books were translated into Russian, Chinese, Vietnamese, and Farsi.

Invest. Apl. Innov. 5(2), 2011

10. Metalurgia extractiva de tierras raras_Habashi.indd 189

2/13/12 6:08 PM


Lima: Av. Cascanueces 2221 Santa Anita. Lima 43, Perú Publicación Semestral Tecsup se reserva todos los derechos legales de reproducción del contenido, sin embargo autoriza la reproducción total o parcial para fines didácticos, siempre y cuando se cite la fuente.

Compendio_2011B_pag finales.indd 190

2/13/12 6:08 PM


RD: N° 054-2005-ED (24/02/2005) RM: N° 153-84-ED (17/02/1984)

Campus Lima Av. Cascanueces 2221 Santa Anita. Lima 43, Perú T: (51)317-3900 - F: (51-1)317-3901 MAIL: informes@tecsup.edu.pe Campus Trujillo: Via de Evitamiento s/n Victor Larco Herrera. Trujillo, Perú T: (44)60-7800 - F: (44)60-7821 MAIL: informestrujillo@tecsup.edu.pe

www.tecsup.edu.pe

Instituto de Educación Superior Tecnológico Privado TECSUP N° 1

Campus Arequipa Urb. Monterrey Lote D-8 José Luis Bustamante y Rivero. Arequipa, Perú T: (54)426610 - F: (54)426654 MAIL: principal@tecsup-aqp.edu.pe


I+i Investigación aplicada e innovación. Volumen 5 - Nº 2 / Segundo Semestre 2011  

En este número la Revista I+i ofrece a sus lectores: Diseño de Proyectos Industriales Operacionales.- Análisis del Consumo de Energía Eléctr...

Advertisement
Read more
Read more
Similar to
Popular now
Just for you