vera, rafael. “modelo de gestión del ... - tecsup.edu.pe · “modelo de gestión del...

Campus ArequipaUrb. Monterrey Lote D-8 José Luis Bustamante y Rivero. Arequipa, PerúT: (54)426610 - F: (54)426654MAIL: [email protected]

Campus LimaAv. Cascanueces 2221 Santa Anita. Lima 43, PerúT: (51)317-3900 - F: (51-1)317-3901MAIL: [email protected]

Campus Trujillo:Via de Evitamiento s/n Victor Larco Herrera. Trujillo, PerúT: (44)60-7800 - F: (44)60-7821MAIL: [email protected]

www.tecsup.edu.pe

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005)

93

Invest Apl Innov 3(2), 2009

VERA, Rafael. “Modelo de gestión del conocimiento”

Investigaciónaplicada einnovación

Volumen 5, N.o 2Segundo semestre, 2011 Lima, Perú

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

ISSN 1996-7551

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OT. 11536 / TECSUP - Investigación aplicada e Innovación / Lomo OK: 0,4 cm. papel couche mate 90 gr. 96 pp. / Medida: 42.4 x 29.7 cm. TIRA JBM mac-pro

cyan negro AZUL TECSUP

95

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 inte-

resantes 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 cola-

boración.

Los temas tratados en este número cubren las áreas de sistemas de energía, optimización,

monitoreo remoto, tecnología agrícola, gestión y metalurgia.

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

97

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

José Rojas, Xxxxxx

Diseño de Proyectos Industriales Operacionales

José Rojas, Tecsup


Operational Industrial Project Design

Resumen

En el mercado actual podemos encontrar una gran varie-

dad de textos relacionados a proyectos de inversión privada,

pero muy poca información sobre cómo elaborar y evaluar

proyectos de tipo operacional. Es por ello que la presente

investigación tiene como objetivo central diseñar una es-

tructura estándar para este tipo de proyectos y que sirva de

documento guía tanto a formuladores y evaluadores, como

a personas que recién se estén iniciando en este fascinante

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

sente investigación fue la del análisis documental, engarzada

a la experiencia propia del autor como consultor y asesor de

proyectos.

Abstract

In today’s market we can find a variety of texts related to pri-

vate 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 struc-

ture 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.

Palabras clave

Proyecto operacional y estructura de proyectos

Key words

Operational project and project structure.

INTRODUCCIÓN

Uno de los problemas que enfrenta una persona al momento

de elaborar un proyecto es establecer el esquema con el cual

va a trabajar: los proyectos de orden operacional presentan

una estructura muy distinta a los proyectos de inversión priva-

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

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

una estructura estándar que facilitará al formulador tener en

cuenta las consideraciones necesarias para la elaboración de

su proyecto.

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

siderarse todos o parcialmente los puntos que se encuentran

debidamente señalados en la estructura propuesta de la pre-

sente investigación.

FUNDAMENTOS

La mayoría de autores de libros de proyectos presentan en su

publicaciones estructuras similares de proyectos privados, en-

fatizando en estas los aspectos generales, entorno macroeco-

nómico, área de influencia, estudio de mercado, estudio técnico

y estudio económico – financiero, pero estas estructuras clási-

cas no siempre encajan en los proyectos de tipo operacional.

Es conveniente señalar que no existe una guía o receta única

para la formulación y evaluación de proyectos industriales. Sin

embargo, algunas instituciones han establecido y diseñado li-

neamientos generales para la presentación final de un proyec-

to industrial.

01_diseno de proyectos_rojas.indd 97 2/13/12 5:38 PM

98


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

Esquema sugerido por entidades

I. Resumen

II. Información complementaria

III. Análisis del estudio de mercado

IV. Aspectos técnicos

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-

yectos empresariales (creación de nuevas unidades de ne-

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

una estructura de proyectos que se adapte a proyectos de

naturaleza operacional.

Según Jenner Alegre Elera en su libro Formulación y evalua-

ción de proyectos, uno de los criterios existentes para tipificar

proyectos es el aspecto de la naturaleza: los proyectos pue-

den ser de implantación (nuevos proyectos) y de operación

(racionalización del uso de factores de producción) o una

combinación de ambos (instalación y operación de una in-

dustria).

La diferencia entre los proyectos de implantación, o llama-

dos también proyectos empresariales, con los proyectos ope-

racionales radica en que los de implantación buscan crear

nuevos negocios o empresas dentro de mercados internos

o externos, mientras que los operacionales buscan evaluar

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

tente.

En el primer caso, la evaluación se concentrará en determinar

todos los costos y beneficios asociados directamente con la

inversión. En el segundo, solo considerará aquellos que son

relevantes para la decisión que se deberá tomar. Así, por

ejemplo, si se evalúa el reemplazo de una chancadora de mi-

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

irrelevante, pues sin importar la marca por la que se opte, el

sueldo será el mismo.

En los proyectos de tipo operacional, generalmente no se ela-

boran estudios de mercado, que a diferencia de los proyectos

empresariales si son indispensables para el desarrollo de los

mismos.

Ejemplos de proyectos operacionales:

– Ampliación de una planta.

– Abandono de líneas de producción.

– Reemplazo de activos fijos.

– Implementación de un plan de mantenimiento en el depar-

tamento de producción.

– Implementación de un plan de seguridad y salud ocupacio-

nal en minería (según Decreto Supremo N.º 055-2010-EM).

– Implementación de un sistema de recupero de desecho in-

dustriales.

– Proyectos que involucran el outsourcing.

El énfasis de esta investigación se concentra en los proyectos

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

habitualmente encontramos en los textos no serán de mucho

ayuda, dado que estas están orientadas a proyectos de imple-

mentación donde si se debe llevar a cabo un riguroso estudio

de mercado.

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

guiente propuesta de estructura de proyectos operacionales

aplicables al sector industrial.

Estructura y presentación de proyectos industriales operacionales

Carátula

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

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

persigue con su ejecución. El nombre debe identificar al pro-

yecto durante toda su vida. Además, debe incluirse el nombre

del promotor del proyecto.

Ejemplo:

Nombre del proyecto: Instalación de una fábrica de Clinker y

cemento en el departamento de Arequipa

Promotor: Cementos Otorongo


99



Índice

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

da, indicando el número de página de los mismos.

Introducción

Da una visión general del problema, es decir, se debe reali-

zar una descripción de la situación actual encontrada y luego

plantear su alternativa. Esta sección tiene particular impor-

tancia porque representa la exposición racional y la lógica

que apoya su trabajo. El último párrafo de la introducción

debe presentar la conclusión del trabajo de aplicación.

Resumen ejecutivo

En este resumen se deberá presentar una síntesis del estudio

que contemple los siguientes aspectos (se recomienda ha-

cerlo una vez terminado el estudio).

a. Nombre del proyecto

b. Justificación

c. Objetivo del proyecto

d. Balance oferta y demanda de la producción

e. Descripción de la propuesta a implementar

f. Inversión

g. Resultados de la evaluación económica y financiera

h. Plazo de implementación del proyecto

Se recomienda que la extensión del resumen ejecutivo no

supere las dos páginas.

Breve antecedente de la empresa

En este capítulo se hace referencia a los aspectos genéricos y

características de la empresa en estudio: años en el mercado,

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

Además de esta información se deberán considerar los si-

guientes datos, en caso de que el proyecto sea financiado

con recursos externos (prestamos bancarios).

– Razón social

– Registro único del contribuyente

– Domicilio legal

– Representante legal

– Información de contacto

Justificación

En esta sección se establecerán los motivos por lo cuales se

realiza el proyecto. Cuando se trata de proyectos tecnológicos

o industriales, tendrán valor aquellos justificantes establecidos

en términos de disminución de la vulnerabilidad, aumento de

la competitividad, mejoramiento de imagen o de garantizar la

supervivencia.

Para incrementar el atractivo del proyecto es recomendable

establecer escenarios que describan la posición de la organiza-

ción una vez alcanzados los resultados esperados, es decir, los

efectos producidos por aprovechar la oportunidad o los deriva-

dos de la satisfacción de la necesidad planteada (situación sin

proyecto vs. situación con proyecto).

Desde luego, los beneficios esperados del proyecto servirán

para justificarlo. Por ello, de manera enfática pero sintética, po-

dremos enunciarlos para apoyar la solicitud de recursos. Tam-

bién es conveniente realizar algunas reflexiones sobre el costo

que representa el no aprovechar la oportunidad o atender a la

necesidad planteada. Ocasionalmente, una relación beneficio/

costo poco atractiva pudiera ser menos importante que el cos-

to de oportunidad o la relación de riesgo/costo que pudiera

existir para la organización.

Análisis y diagnóstico de la situación actual

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

tunidad en el mercado. Generalmente en la industria se desa-

rrollan proyectos con el fin de solucionar problemas, enten-

diéndose como problema una situación existente que genera

efectos negativos en la organización.

Una vez identificado el problema se plantea realizar un pro-

fundo diagnóstico, porque solo conociendo realmente en qué

consiste el problema podemos plantear soluciones inteligentes

para resolverlo.

Existen diferentes herramientas para la resolución de proble-

mas que pueden ser utilizadas en la elaboración del diagnós-

tico. Ver cuadro1:


100



Cuadro 1: herramientas clave en la resolución de problemas

Fuente: http://www.euskalit.net/pdf/folleto4.pdf

Se recomienda trabajar este punto del proyecto con las perso-

nas involucradas con el problema.

Ejemplo:

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

mantenimiento de sus maquinarias y equipos en su área de

corte y soldadura.

Involucrados: jefe de producción, supervisión y operarios.

Información a tener en cuenta:

– Cuaderno de incidencias y reportes

– Plan de mantenimiento (si lo tuviese)

– Capacidad de producción / día (productividad)

– Costos de mantenimientos y operación de los últimos cin-

co años (recomendable)

– Revisión técnica de las maquinas y equipos

Además de la revisión de la información secundaria, se debe

nrealizar mediciones eléctricas, de aceites, temperatura, emi-

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

solver.

Los resultados previos del diagnóstico de la situación actual

nos permitirán tener un sustento técnico, económico, am-

biental, etc. para el planteamiento de soluciones apropiadas

para la resolución del problema.

Para la realización del diagnostico de la situación actual se

tomarán como referencia los siguientes puntos, pudiendo

variar algunos de ellos de acuerdo con la naturaleza propia

del proyecto.

– Determinar la metodología más conveniente para la

identificación y análisis de problemas según el tipo de

problema a abordar.

– Identificación y análisis de las causas principales y secun-

darias del problema.

– Identificación, medición y análisis de los efectos negati-

vos del problema (lo que no se mide no se puede con-

trolar).

– Puede darse el caso de que no se trate de un problema

si no de una innovación o requerimiento. En este caso se

planteará el diagnostico desde otra perspectiva.

– Para el desarrollo del diagnostico se debe emplear tanto

la información primaria y secundaria, existente en la or-

ganización.

Herramientas de tratamiento de “ideas”

De organización

Diagrama de flujoEsquematiza actividades secuenciales de un proceso

para un mejor conocimiento del mismo.

Tormenta de ideasProporciona ideas sobre un tema, con participación y

creatividad, para identificar diferentes posibilidades.

De causa-efectoPermite organizar ideas mediante su relación causal,

para facilitar su posterior tratamiento.

De decisión Selección Permite priorizar en base a criterios cualitativos.

Herramientas tratamiento de “datos”

De organización

Hoja recogida de datos Permite la recolección planificada y ordenada de datos.

HistogramaPermite la organización de datos para el análisis de

variabilidades de un proceso o suceso.

EstratificaciónPermite la ordenación de datos en grupos homogéneos

respecto a una variable.

De decisión

Diagrama Pareto Permite la priorización en base a criterios cuantitativos.

Diagrama diapersiónPermite la detección de correlaciones entre dos

variables.


101



Luego de entender el problema es su real magnitud platea-

mos el objetivo general y objetivos específicos del proyecto.

Objetivo general

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

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

posible se debe usar terminología clara, concisa y simple. No

necesariamente el informe lo leerá personal relacionado con

su área (ver figura 1).

Solo aquellos proyectos que presenten objetivos claros, pre-

cisos, mensurables y factibles son sujetos de aprobación. La

terminología empleada en su redacción tendrá un impacto

directo sobre aquellos miembros de la organización encar-

gados de juzgarla.

El objetivo del proyecto debe estar encaminado dentro del

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

les o de implementación deben estar señalados dentro los

programas y estos mismos comprendidos en el plan estraté-

gico de la organización.

Objetivos específicos

Los objetivos específicos deben tener la filosofía SMART:

S Specific Concreto

M Measurable Medible

A Achievable Alcanzable

R Relevant Pertinente

T Trackable Tiempo

Figura 1

Relación Objetivo general – Objetivos específicos

Fuente: Texto de gestión de proyectos, p.15.

Cuando escriba los objetivos específicos, use verbos de acción

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

Ejemplo:

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

zación de productos industriales para la ZER.

Objetivo general

El objetivo del proyecto es lograr la provisión de buenos servi-

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

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

instalarse en la ZER.

Objetivos Específicos

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

rios requeridos para comprobar la calidad de las materias

primas y de los productos finales.

b. Suministrar servicios para el control y calibración de instru-

mentos de medida.

c. Prestar servicios de medición a aquellas empresas más pe-

queñas que no pueden adquirirlos.

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 me-

jorar 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 entre-

namiento de personal en aspectos de control de calidad.

Recuerde que el logro de los objetivos específicos, permitirá al-

canzar el objetivo general del proyecto.

Diseño de portafolio de alternativas de solución

Consiste en desarrollar distintas posibles soluciones al proble-

ma. Por lo menos se requieren como mínimo dos alternativas

para efecto de la evaluación, salvo que se trate de una alterna-

tiva única para el proyecto (en este caso se deberá consignar la

justificación correspondiente).

Objetivo general

Es el lado opuesto del problema, es

decir el problema solucionado.

El objetivo general debe ser único.

Objetivo específicos

Son todas las metas que se deben alcanzar para

poder solucionar el problema central.Son componentes

del objetivo general.

Problema

Objetivo del proyecto


102



Evaluación de alternativas por criterios

Según el autor Nassir Sapag Chain en su libro Preparación y

evaluación de proyectos nos dice que un proyecto no es ni

más ni menos que la búsqueda de una solución inteligente

al planteamiento de un problema tendiente a resolver; entre

tantas, una necesidad humana.

Las soluciones planteadas son las alternativas propuestas

para resolver un problema.

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

tos técnicos, financieros, económicos, organizacionales, am-

bientales y sociales (ver figura 2).

Se recomienda que por lo menos se tengan dos alternativas

para la evaluación.

Desarrollo de la alternativa propuesta

El desarrollo de la alternativa presupone el desarrollo integral

de la parte técnica de la alternativa a implementar.

Podemos considerar algunos puntos que suelen tomarse en

cuenta en la parte de ingeniería del proyecto.

Descripción del proceso de producción:

- Diagrama del proceso que muestre las etapas y sus respec-

tivas duraciones, capacidades y rendimientos.

- Diagramas de distribución de planta dentro del terreno y

áreas destinadas a expansiones futuras.

- Diagrama de recorrido, con flujo de materias primas hasta

obtener el producto final.

Tecnologías:

- Describir las tecnologías a utilizarse y sus orígenes.

- Forma en que adquirirá la tecnología.

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

galías y otras compensaciones.

- Justificación de la tecnología adoptada: tamaño, versatili-

dad, uso de la mano de obra.

Figura 2. Fase de evaluación de un proyecto Fuente: Texto de gestión de proyectos, p.22.

Mejor alternativa

la

Social

Ambiental

Organizacional

Técnico

Financiero

Económico

LA FASE DE EVALUACIÓN DEL PROYECTO

Seleccionar Determinar El logro

La asignación óptima

Aplicación de criterios

consiste en

mediante la

de los

de los

Pertenencia Eficacia

ImpactoRecursos

Objetivos propuestos

Cuantitativos

debe garantizar

su

de tipo

Cuanlitativos

desde el punto de vista

Mejor alternativa

la

Social

Ambiental

Organizacional

Técnico

Financiero

Económico

LA FASE DE EVALUACIÓN DEL PROYECTO

Seleccionar Determinar El logro

La asignación óptima

Aplicación de criterios

consiste en

mediante la

de los

de los

Pertenencia Eficacia

ImpactoRecursos

Objetivos propuestos

Cuantitativos

debe garantizar

su

de tipo

Cuanlitativos

desde el punto de vista

103



Programa de producción

Una vez proyectadas las ventas para los primeros años de

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

ma de producción que indique los volúmenes para cada artí-

culo que se producirá anualmente, de acuerdo a la capacidad

del mercado y planta para un periodo mínimo de 5 años.

Medios físicos de producción

Terrenos:

– Topografía

– Medidas y superficie total

– Superficie afectada por el proyecto

Obras de ingeniera civil

– Trabajo de ingeniería civil por medio de la clasificación

en preparación del terreno, construcción, trabajos y

obras civiles especiales.

– Edificaciones destinadas a servicios auxiliares, área pro-

ductiva y administración.

– Planos de áreas a construirse.

Maquinarias y equipos

– Características técnicas principales

– Cantidad de cada una de las maquinas y equipos

– Precio unitario en planta

– Costo de montaje y supervisión

Costos totales de las maquinarias y equipos:

– Repuestos de uso corriente y accesorios

– Instalaciones y servicios

– Programas de mantenimiento

– Cronograma de implementación del proyecto

Estudio económico y financiero

Para el estudio económico y financiero se tendrán en cuentas

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

– Inversiones fijas tangibles

– Inversiones fijas intangibles o diferidas

– Capital de trabajo

– Financiamiento

– Ingreso y costos

– Punto de equilibrio

– Flujo de caja

– Evaluación económica y financiera

Conclusiones

Contempla los resultados alcanzados con la elaboración del

proyecto.

Recomendaciones

Considera las ideas, sugerencias y consideraciones comple-

mentarias.

Bibliografía

Deberá indicar los nombres de títulos de libros, revistas, infor-

mes, memorias, páginas web, etc. Con sus respectivos autores y

fechas de edición y registro editorial en caso de ser necesario,

en forma detallada; esto es con el objetivo de conocer de don-

de se ha extraído información para la elaboración trabajo de

aplicación.

Anexos

Adjuntar toda la información que permita verificar y/o susten-

tar el proyecto.

– Planos

– Cotizaciones


104



– Fichas técnicas

– Encuestas

– Fotografías

– Normatividad

– Manuales técnicos y otros

METODOLOGÍA

La experiencia de años como docente, asesor y consultor en

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

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

tos) que sirva como documento guía para la elaboración y

evaluación de proyectos operacionales.

La metodología empleada en la presente investigación se

fundamenta en un análisis comparativo e interpretación de

las diferentes estructuras de proyectos de orden privado, pre-

sentadas por reconocidos autores de libros de proyectos en

América Latina.

El resultado de este análisis comparativo ha sido contrastado

con estructuras de proyectos productivos reales, elaborados

por empresas consultoras de proyectos como profesionales

independientes.

Así mismo se tomó como referencia la opinión de diferentes

especialistas y consultores en proyectos.

RESULTADOS

• El resultado de la presente investigación es la propuesta

de una estructura estándar para la elaboración y evalua-

ción de proyectos industriales operacionales. La estructu-

ra guarda un orden lógico y secuencial de desarrollo. Los

componentes de la estructura se encuentran relaciona-

dos entre sí, existiendo relaciones de dependencia entre

las partes del proyecto.

• Las partes que debe contener el estudio de ingeniería

para el desarrollo de la alternativa propuesta, se ha de-

sarrollado en forma amplia, para que pueda ser utilizado

indistintamente para proyectos operacionales como de

implementación.

• Finalmente, la presente estructura propuesta considera los

requisitos mínimos que debe contener un proyecto de na-

turaleza operacional.

CONCLUSIONES

• Los proyectos operacionales buscan evaluar un cambio,

mejora o modernización en una empresa ya existente y no

inciden de manera profunda en aspectos comerciales.

• La estructura de un proyecto industrial operacional debe

guardar un orden lógico y secuencial entre sus partes, ade-

más de contener los puntos mínimos que conlleven desde

la identificación del problema hasta la solución técnica,

económica y financiera de la misma.

• El diagnóstico es la base fundamental de todo proyecto

operacional, el cual debe ser realizado en forma concienzu-

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

de su parte el plantear soluciones para resolver los proble-

mas identificados en la organización.

REFERENCIAS

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

industriales. Lima: Universidad San Martin de Porres.

[2] Andía, W. (1998). Proyectos de inversión. Lima: Centro de

Investigación y Capacitación Empresarial.

[3] Alegre, J. (1994). Formulación y evaluación de proyectos.

Lima: Centro Comunidades S.R.L.

[4] Sapag, C. J. (1989). Preparación y evaluación de proyectos.

México: Mc Graw-Hill.

[5] Banco Multisectorial de Inversiones. Guía para la formula-

ción de proyectos de inversión.

[6] Sicchar, J. (2003). Curso Formulación de Proyectos: segunda

especialidad en Ingeniería de Proyectos. Arequipa: Facultad

de Ingeniería y Producción de la Universidad Nacional de

San Agustín.

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

Tecsup.

[8] “Herramientas para la resolución de problemas”. Recupe-

rado el 3 de mayo de 2008, de: http://www.euskalit.net/

pdf/folleto4.pdf


105



ACERCA DEL AUTOR

José Eduardo Rojas Gómez es economista con estudios de

Maestría en Ingeniería Industrial y una segunda especializa-

ción en Proyectos de Inversión. Asesor y Consultor de Pro-

yectos Privados y Públicos (SNIP). Exconsultor del Banco de

Proyectos de la Región de Arequipa. Actualmente se desem-

peña como planner del Área de Estudios Generales de Tec-

sup 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


107


José Rojas, Xxxxxx


Miguel Orellana, Escuela Politécnica de la Universidadde São Paulo (USP) - Brasil

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

Power Consumption Analysis in an industry using Artificial Intelligence

Resumen

La inteligencia artificial es indicada como un capo de cono-

cimientos que puede apoyar en la toma de decisiones de

forma simple; este trabajo presenta una propuesta usando

tecnología Fuzzy, para el análisis y control del consumo de

energía eléctrica de una fábrica de electro-electrónicos en

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

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

gía especialmente de aquellos equipamientos considerados

como mayores consumidores.

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

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

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

temperatura y nivel de producción. Para modelar las variables

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

fue necesario el conocimiento especialista para modelar los

diferentes eventos, especialmente cuando se tuvo datos in-

completos. Los modelos fueron refinados a través de las si-

mulaciones realizadas con la herramienta Matlab que posi-

bilitó realizar varias simulaciones con excelentes resultados.

El sistema Fuzzy fue implementado como herramienta de

análisis para determinar la mejor condición de funcionamien-

to, que contempla racionalización, producción independien-

te, factores ambientales y oferta de energía, buscando el me-

jor precio de la energía proveniente de la generación propia o

considerando las tarifas de concesionario disponible.

Abstract

Artificial intelligence is indicated as a lord of knowledge that

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

proposal using Fuzzy technology for the analysis and control

of power consumption of an electro-electronics factory in the

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

making of the management of energy consumption; especially

those considered as big consumer equipment.

The proposal of this paper involves the control of the output

variables that will be the demand and consumption of elec-

tricity, and three input variables such as time, temperature

and level of production, to model the linguistic variables and

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

knowledge was required to model the different events, espe-

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

ned through simulations with the Matlab tool which allowed to

perform several simulations with excellent results.

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

termine the best operating condition, which includes rationali-

zation, independent production, environmental and energy su-

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

own generation or considering the concession rates available.

Palabras clave

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

02_inteligencia artificial_orellana.indd 107 2/13/12 5:40 PM

108


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

Key words

Artificial Intelligence, Fuzzi Logic, Energy Consumption,

Matlab.

INTRODUCCIÓN

Las industrias modernas están invirtiendo en planeamiento,

en iniciativas para racionalizar el uso de la energía eléctri-

ca. Estas iniciativas tienen repercusión significativa en for-

ma económica y también en forma ambiental, teniendo en

cuenta que una mejor administración de los recursos puede

eliminar o postergar la necesidad de nuevas fuentes de ge-

neración, transmisión y distribución de la energía eléctrica.

La mayor ventaja de la eficiencia energética casi siempre se

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-

manda máxima acontece cuando la carga consumida por los

equipamentos se sobreponen entre sí en determinados mo-

mentos del día ocasionando un pico de demanda de energía.

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

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

mento” de su planeamiento o implementación mejorada.

La inteligencia artificial es un campo de conocimientos que

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

en acciones reales y conocimientos empíricos y teóricos,

cuando apoyados en datos incompletos. El objetivo de este

trabajo es presentar la aplicación de algunos conceptos del

campo de la inteligencia artificial en el desenvolvimiento e

implantación, a partir del conocimiento de especialistas, del

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

dustria.

La utilización del sistema decisorio Fuzzy multicriterio para la

determinación de la mejor condición del funcionamiento de

una unidad industrial consumidora se presentó de una forma

adecuada para el análisis deseado, principalmente por per-

mitir la consideración de las experiencias prácticas sobre las

variables inciertas, relacionadas al proyecto de implantación

del sistema de gerenciamiento de energía eléctrica aplicado

en el lado de la demanda.

FUNDAMENTOS

La inteligencia es considerada como la demostración por re-

sultados de principios coherentes, en escala de tiempo verifi-

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

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

en un sistema confuso dos entradas muy próximas resultan en

dos salidas sin cualquier conexión [3].

Para [9], la inteligencia es una contribución computacional, es

la habilidad de alcanzar objetivos, percibiéndose diversos tipos

de grados de inteligencia en personas, en muchos amínales y

en máquinas.

Al menos cinco escuelas filosóficas se proponen a describir la

inteligencia [3]:

• Estructuralista: existen mecanismos que realizan las tareas,

basta descubrirlos.

• Conexionista: existen procesos simples que se autoorgani-

zan, basta descubrirlos.

• Genética: existen la inteligencia y el caos, basta separarlos

naturalmente, como hace la naturaleza, por eso en escala

de tiempo adecuado.

• Fenomenológica: todo es caótico, en avance paralelo. Al

darse una sintonía momentánea, se da la comunicación. No

se conoce llave para repetir la inteligencia

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

teligencia pertenece a otra dimensión, inaccesible por me-

dios intelectuales

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

de programación que buscan, por medio de máquinas, resolver

problemas del mismo modo que un ser humano lo resolvería.

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

tidisciplinar, originado de la computación, ingeniería, psicolo-

gía, matemática y cibernética, cuyo principal objetivo es cons-

truir sistemas que presenten comportamiento inteligente y

desempeñen tareas con un grado de competencia equivalente

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

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

logía de las máquinas inteligentes, especialmente programas

de computación. Se relacionan con el uso de computadores

para el entendimiento y la exploración de la inteligencia huma-

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

servables. Para [2], las técnicas de inteligencia artificial buscan

imitar mecanismos de la naturaleza por medio de mecanismos

tecnológicos cuyo desenvolvimiento fue basado en mecanis-

mos naturales.

Diversas técnicas y aplicaciones están disponibles en el cam-

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

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


109



suficientes los conceptos de sistemas especialistas y lógica

Fuzzy.

Los sistemas especialistas son sistemas computacionales que

resuelven problemas de forma similar de modo como un es-

pecialista humano los resolvería, teniendo capacidad de de-

cisión en campos específicos del conocimiento. Un sistema

especialista resuelve problemas en un área limitada de cono-

cimientos, no debiendo esperarse lo mismo que pueda tener

capacidad de resolver cualquier tipo de problema.

Los sistemas especialistas buscan la respuesta y aprenden

con la experiencia, resolviendo problemas por análisis de in-

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

yadas en bases de conocimientos que pueden, inclusive, ser

transferidos. Los sistemas especialistas poseen:

– Un banco de conocimientos que contienen hechos, re-

glas y padrones

– Un dispositivo de inferencia capaz de tomar decisiones.

– Un lenguaje en el cual las reglas son escritas.

– Un organizador que incluye el dispositivo de inferencia,

el gerenciador de la base de conocimientos y las interfa-

ces de usuarios [10].

El razonamiento basado en casos (CBR) es una metodología

que resuelve nuevos problemas adaptando soluciones cono-

cidas de problemas antiguos, o sea, usando conocimientos

generados en experiencias pasadas. Un nuevo problema es

resuelto encontrando un caso similar ya resuelto en el pasa-

do y reutilizando la solución, debidamente adaptada.

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 tra-

bajo 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 da-

tos estén incompletos.

d. Colecta y análisis de las variables de salida demanda y con-

sumo de energía eléctrica.

En este artículo consideramos como la unidad consumidora a

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

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

suministro de energía con la empresa Amazonas Energía – Elec-

trobras, los paramentos que son considerados en la factura son

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

La empresa, para producir, precisa de electricidad como ítem

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

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

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

derablemente el consumo de energía.

El consumo y la demanda en el sistema eléctrico de la industria

varía considerablemente a lo largo del día, generalmente son

unas pocas horas de demanda de punta: los usos de equipa-

mientos de aire acondicionado e iluminación aumentan al final

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

su desempeño económico, pues este debe de ser capaz de

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

en el restante del periodo.

Figura 1. Arquitectura básica del sistema.

110



utilización de un sistema de generación alternativa de energía.

En este caso utilizaremos un grupo motor generador, que re-

presenta una opción que necesita análisis, debido a los costos

envueltos. Es sobre este enfoque que el sistema decisorio Fuzzy

para el análisis de demanda se presenta como herramienta

para la determinación del diagnóstico cuantitativo y cualita-

tivo de las opciones posibles de gerenciamiento y selección

del mejor contrato de tarifa, considerando las características

propias del funcionamiento de la unidad consumidora. Y con-

secuentemente, la reducción del precio medio de energía, sea

ella proveniente de la concesionaria o de la generación propia,

utilizada por la unidad consumidora facturada.

Figura 2. Meta del consumo de Energía eléctrica.

En el proyecto sería implementado un sistema de posibilidad

de accionamiento-funcionamiento automático de cargas,

como aire acondicionado, regulación de velocidad de bombas,

chillers. Equipamientos eléctricos, como la optimización de los

recursos energéticos.

La conexión como gerenciadores de utilidades microprocesa-

dos, puede ser de tipo barramento, donde todos los equipa-

mientos podrán estar conectados en la misma línea física de

circuito de conexión, donde la interconexión de los equipa-

mientos seria hecho un barramiento maestro esclavo.

El dispositivo electrónico inteligente utilizado deberá ser ajus-

tado en pocos minutos desde una central de operaciones, a tra-

vés de un conjunto de atributos que informarán las característi-

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

lógica Fuzzy, implementando una estrategia global que tiene

por objetivo la reducción en el consumo de energía eléctrica.

El problema es administrar con bajo costo el consumo de

energía eléctrica de la industria de electro-electrónicos. La

primera premisa es saber cuál será el momento cierto para

desligar algunas cargas eléctricas sin que esto ocasione per-

didas en el proceso productivo ni trastornos en los funcio-

narios como consecuencia del aumento de la temperatura,

siempre que el ajuste en los controladores de temperatura de

los aires acondicionados estuviese fuera de los parámetros

aceptables por la legislación ambiental. La figura 1 muestra la

arquitectura de sistema eléctrico en la referida industria.

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 da-

tos 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 digi-

tal 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-

to diario de la rutina de accionamiento de los equipamientos

considerados como mayores consumidores, donde también

fueron observados detalles como el proceso productivo, los

equipamientos utilizados y los horarios de funcionamiento,

así como el número de funcionarios.

A partir del análisis de los datos obtenidos se fue verificado

la posibilidad de administrar el consumo de energía (deman-

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

apenas en el proceso productivo y visualizando la utilización

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

propuesta en el proyecto de reducción del consumo de ener-

gía, conforme a lo mostrado en la figura 2.

La solución propuesta en este trabajo para el problema des-

crito es controlar de manera inteligente algunas variables de

salida como consumo y demanda, en función a las variables

de entrada, producción, temperatura y horario de trabajo.

Para cumplir este objetivo instalaremos un analizador di-

gital para colectar datos de demanda, consumo, factor de

potencia, harmónicos, entre otros; también será necesaria la

111



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 se-

guridad, ni el confort ambiental.

Modelo Fuzzy del conocimiento espe-cialista

Para modelar el sistema de conocimiento especializado es

necesario parametrizar señales de entrada como temperatu-

ra, 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.

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 ge-

nerar 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.

Entradas

En las figuras 3, 4 y 5 se muestran los conjuntos Fuzzy con la

variable lingüística tiempo, producción y horario. Esas varia-

bles representan la previsión a lo largo del periodo.

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

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

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

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

riables de entrada, así como los respectivos valores lingüísticos.

Temperatura internaProduc-

ciónHorario

18,00Baja

4007:00 mañana

11:00

5511:01 Intermedio

22,00 13:00

22,1Media

55 13:01 Tarde

26,00 70 17:00 Noche

26,01Alta

70 17:01

30,00 85 22:00

Tabla 1. Universo de discurso variables de entrada.


112



Salidas

En la figura 4 se muestran los conjuntos Fuzzy correspondien-

te a la variable lingüística consumo de energía. Esa variable

representa los varios valores que pueden ser atribuidos para

controlar el consumo de energía y consecuentemente la de-

manda contratada.

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

energía.

Salidas

1900Alto

1850

1849Medio

1800

1799Regular

1750

1749Bajo

1700

Tabla 2. Universo de discurso valores lingüísticos.

El cuadro muestra el universo del discurso y los valores lin-

güísticos: alto, medio, regular y bajo.

Base de reglas Fuzzy

El conocimiento especialista que relaciona las diversas varia-

bles 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.

Tabla de posibilidades de consumo eléctrico

Entradas Salidas

Horario Temperatura Producción Reglas Salidas

Mañana

baja

baja 1 regular

media 2 media

alta 3 alta

media

baja 4 regular

media 5 media

alta 6 alta

alta

baja 7 baja

media 8 baja

alta 9 media

Tarde

baja

baja 19 media

media 20 alto

alta 21 alto

media

baja 22 regular

media 23 media

alta 24 alta

alta

baja 25 regular

media 26 media

alta 27 alta

Noche

baja

baja 28 regular

media 29 media

alta 30 alta

media

baja 31 baja

media 32 regular

alta 33 media

alta

baja 34 baja

media 35 baja

alta 36 regular

Tabla 3. Conocimiento especialista.

Figura 7. Reglas de control

113



Aplicación de las reglas Fuzzy

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

ción, donde es realizada la clasificación de las variables de

entrada con relación a las respectivas variables lingüísticas.

En este ejemplo, tenemos los siguientes valores de entrada

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 calu-

roso 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, con-

cluyendo las siguientes reglas

Figura 8. Proyección de la aplicación de las reglas sobre las variables de

salida.

Para las reglas con dos antecedentes relacionados con el co-

nectivo y el operador de intersección es aplicado, tomando el

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

grado de activación de la acción de control es calculado de

acuerdo con el resultado de la combinación de antecedentes.

Terminada la inferencia, la acción final de control es calculada

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

de cada regla activada generando una única y nueva función.

Finalmente, en el proceso de defuzzificación fueron deter-

minadas las señales de control del consumo de energía =

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

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

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

critos en este ejemplo.

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

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.

Este proyecto sugiere el uso alternado de dos sistemas de for-

necimiento de energía eléctrica diferentes. En nuestro caso

alternamos entre la concesionaria de energía y el grupo mo-

tor generador con la respectiva alternancia de las cargas, en

determinados momentos. Esta situación posibilitó aprovechar

las ventajas económicas que ofrece cada sistema en determi-

nado momento del día, según el comportamiento de consumo

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

ciamiento de la energía. En esta condición el sistema decisorio

Fuzzy resultó en una excelente alternativa que contempla ra-


114



cionalización, producción independiente, factores ambienta-

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

relación costo beneficio en la utilización de la energía eléc-

trica.

El modelo presentado en este trabajo fue realizado en el

ambiente Matlab, que posibilitó realizar varias simulaciones,

donde fue posible notar que la relación de las variaciones de

las entradas refleja en las variaciones fuertemente coheren-

tes en las salidas, de acuerdo con el conocimiento especialis-

ta. Fue también importante notar que el conocimiento espe-

cialista consigue buenos resultados, inclusive cuando se tiene

datos incompletos, imprecisos y compactados. Los modelos

Fuzzy cubren esas lagunas obteniendo una respuesta ade-

cuada para cualquier valor sugerido del controlador Fuzzy.

El uso de la herramienta Matlab facilitó el trabajo de forma

considerable, pues ofrece un ambiente muy amigable para

ajustar las curvas de los modelos Fuzzy y la observación del

comportamiento de las variables de salida de acuerdo con la

aplicación de las reglas Fuzzy.

REFERENCIAS

[1] AAmodt, A.; Plaza (2002) E. Case-Based Reasonig: foun-

dational issues, methodological variations, and syste-

mic. AI communications, IOS.

[2] Araribola, G. (1988). Inteligência artificial. Rio de Janeiro:

Ed LTC.

[3] Conai: Tutorial Inteligencia artificial. In: Comgresso na-

cional 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 appli-

cations. New Jersey.

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

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

forsd.edu.

[10] Nikopolos,S. (1997) Expert systems. New York: Maecel De-

KKer, Inc.

ACERCA DEl AUTOR

Miguel Angel Orellana Postigo. Ingeniero mecánico electricista

egresado de la Universidad Nacional de San Agustín de Are-

quipa, Perú.

Especialista en Gerencia de Mantenimiento, MBA en Gerencia

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

ría Eléctrica por la Escuela Politécnica de la Universidad de São

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

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

deral de Amazonas (UFAM).




115


Henry Gómez, Tecsup

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

Resumen

Este artículo pretende ser una guía para el diseño de progra-

mas de desarrollo de capacidades humanas en proyectos de

responsabilidad social. El artículo se enfoca en el desarrollo

de competencias en Tecnologías de Información y Comuni-

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

programas. En este artículo se describe la metodología del

marco lógico para identificar los objetivos, resultados y activi-

dades de un proyecto para resolver un problema social. Tam-

bién 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-

finiendo una lista de resultados de aprendizaje, criterios de

desempeño y restricciones que afectan al programa. Final-

mente se comparte algunos documentos y plantillas utiliza-

das en el proyecto.

Abstract

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

capacities development programs in social responsibility pro-

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

formation and Communication Technologies (ICT), but it can

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

a methodology using the logic framework methodology to

identify the objectives, results and activities of a project in

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

methodology for designing the programs design curricular

of the human capacities development in ICT. It explains in

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

mance criteria and constrains that affect the program. Finally,

there are some useful documents and templates used in the

design process.

Palabras Clave

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

cas.

Key words

Logical frame, learning objectives, curricular design, rubrics.

INTRODUCCIÓN

Las prácticas de Responsabilidad Social Empresarial (RSE) en el

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

el concepto está de moda, sino más bien porque se ha conver-

tido en un atributo de las empresas socialmente responsables.

Este compromiso de las empresas toma especial relevancia por

el hecho de expresar su voluntad para aceptar y asumir los im-

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

la norma ISO 26000, demostrar un comportamiento transpa-

rente y ético que contribuya al desarrollo sostenible, incluyen-

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

en consideración las expectativas de las partes interesadas.

Actualmente, las poblaciones cercanas a una actividad minera

tienen la expectativa de que los proyectos mineros deben pro-

porcionarles beneficios directos y duraderos. Ellos esperan que

las empresas inviertan en iniciativas específicas para promover

el desarrollo sostenible y así puedan elevar la calidad de vida

de sus poblaciones.

03_Trabajo tecnico_gomez copy.indd 115 2/13/12 5:42 PM

116


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-

ficamente los programas que buscan contribuir a mejorar la

educación pública de las zonas desatendidas por el estado.

Este es el caso de proyectos de responsabilidad social que

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

ciendo las capacidades de los docentes y equipando aulas y

laboratorios con modernas Tecnologías de la Información y

Comunicación (TIC). Estas acciones contribuyen a mejorar la

educación de la población escolar, propiciando un desarrollo

sostenible en estos pueblos.

En Arequipa estamos viviendo experiencias de responsabili-

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

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

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

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

administra los aportes de SMCV en el marco del Convenio

“Programa Minero de Solidaridad con el Pueblo”, ha ejecuta-

do el Proyecto “Desarrollo de Competencias en Tecnologías

de la Información y Comunicación para la excelencia de es-

cuelas públicas en los distritos de Uchumayo, Yarabamba,

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

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

veles: inicial, primaria y secundaria. Estos profesores ejercen

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

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

ciones de SMCV. Los beneficiarios indirectos son los hijos en

edad escolar de una población de más de 25,600 habitantes.

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

cativa de prestigio, que aplica modernas metodologías de en-

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

cación, que considera las recomendaciones de los acuerdos

de Bolonia en Europa y de Washington en Estados Unidos.

La observación de estas recomendaciones y el someterse a

exigentes procesos de evaluación, le ha permitido acreditar

internacionalmente sus programas de educación con agen-

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

OBJETIVOS

La experiencia vivida en los procesos de acreditación permite

señalar que, para gestionar estratégicamente programas de

desarrollo de capacidades humanas, se requieren dos cosas

básicas para alcanzar los objetivos propuestos: una metodo-

logía de gestión o modelo y la utilización de indicadores para

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

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

metodología de diseño de programas de desarrollo de capa-

cidades humanas en proyectos de responsabilidad social.

DESARROLLO Y COLECCIÓN DE DATOS

Para poder ilustrar de manera didáctica el modelo de gestión

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

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

quipa - Perú.

1. Identificación del problema

El punto de partida de todo proyecto de responsabilidad so-

cial es identificar la existencia de un problema que afecta a las

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

necesariamente es una consecuencia de las operaciones de la

empresa, también pueden ser problemas sociales no atendidos

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

se presenta de la siguiente manera:

• Las poblaciones de los distritos que están dentro del área

de influencia de la empresa sufren las consecuencias de

una educación deficiente y desactualizada que utiliza mé-

todos de enseñanza–aprendizaje obsoletos en los tres ni-

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

docentes con competencias inadecuadas, insatisfactorias y

desactualizadas en la incorporación de las TIC en los proce-

sos de enseñanza–aprendizaje.

• Por otro lado, el avance vertiginoso de la TIC, los cambios

en el enfoque de la educación en el Perú y los limitados es-

fuerzos del Estado para actualizar a los docentes, ha traído

como consecuencia que docentes de los tres niveles de la

EBR, queden rezagados y desactualizados en el uso de las

TIC en los procesos de enseñanza–aprendizaje.

El primer paso en este caso es la identificación del problema

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

dos los factores involucrados en la problemática permite iden-

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

Una explicación detallada de este procedimiento se explica en

[1] y [2]. Esta información se ilustra de manera gráfica en el lla-

mado “árbol de problemas” de la fig. 1.

2. El Marco Lógico del proyecto

La metodología básica para la formulación, diseño, ejecución y

evaluación de proyectos sociales consiste en definir el llamado

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

rimientos fundamentales de calidad: coherencia, viabilidad y

evaluabilidad.


117



Fig. 1. Árbol de problemas.

El Marco Lógico (ML) es un esquema orientador que sistema-

tiza en una matriz los resultados esperados de un proyecto,

presentando en forma visual su funcionamiento teórico y sus

medios de verificación. El ML describe y define con precisión

los siguientes elementos:

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

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

neral del proyecto.

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

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

Son los objetivos específicos del proyecto.

• RESULTADOS. Es el producto o productos específicos

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

propone lograr el proyecto?

• ACTIVIDADES. Constituye el conjunto de acciones nece-

sarias para desarrollar el proyecto, responde a la pregun-

ta: ¿cómo se realiza el proyecto? ¿Con que recursos y en

qué tiempo?

La matriz del ML hace explícita la hipótesis del proyecto, in-

tegrando dos lógicas complementarias, una vertical y la otra

horizontal. La lógica vertical muestra cómo se va a hacer y

qué cambios se esperan, evidenciando la relación causal de

los resultados con los supuestos. Por su parte, la lógica hori-

zontal expresa cómo se va a medir y verificar los cambios, lo

que significa vincular resultados, indicadores, medios de veri-

ficación 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

proyecto que permitiría resolver el problema central. Utilizan-

do 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).

Fig. 2 Árbol de objetivos.

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

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

objetivo general (Propósito) y los objetivos específicos (Resulta-

dos). Así también, se seleccionan las acciones (Actividades) que

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

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

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

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

tes de verificación. Estos elementos constituyen los estudios de

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

el impacto del proyecto durante su ejecución y a la finalización

del mismo. La forma general de la matriz del ML se muestra en

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

Tabla 1. Matriz del Marco Lógico.

EFECTO 1

CAUSA 1

SUBCAUSA 1.1

SUBCAUSA 2.1

SUBCAUSA 3.1

ACTIVIDAD 3.1

SUBCAUSA 3.2

ACTIVIDAD 3.2

EFECTO 3

LOGRO 1

ACTIVIDAD 1 ACTIVIDAD 2

LOGRO 3LOGRO 2

CAUSA 3

EFECTO 2

CAUSA 2

PROBLEMA CENTRAL

OBJETIVO CENTRAL

OBJETIVO ESPECIFICO 1



OBJETIVOSINDICA-DORES

VERIFI-CACIÓN

SUPUESTOS

FIN Objetivo general

Objetivos de verificación

Medios de verificación

___

Propósito Objetivo

específico

Indicadores de verifica-

ción


Factores externos

Resultados Resultado 1


ción


Factores externos

Actividades Actividad 1


ción


Factores externos

Recursos ___ ___Condiciones

previas


118



3. Antecedentes y diseño del proyecto

En nuestro país, el Ministerio de Educación implementó el

Proyecto Huascarán como respuesta a la necesidad de in-

corporar las TIC al ámbito educativo. También se han dado

algunas iniciativas privadas como el proyecto de “Inclusión

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

“Alfabetización Digital” con Microsoft Corporation. Otra ex-

periencia interesante es la asociación estado-empresa como

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

of Computer Technology y el Ministerio de Educación. Todas

estas acciones tienen como propósito contribuir a mejorar la

calidad educativa en el Perú; sin embargo, aún son insuficien-

tes y tal vez no muy bien orientadas en cuanto al asegura-

miento de su continuidad.

Teniendo en cuenta estas experiencias, las políticas del se-

gundo objetivo estratégico del Proyecto Educativo Nacional

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

establecido directivas en cuanto a contenidos y currículos de

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

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

organismos internacionales que son referentes mundiales

en educación para definir las características del Programa

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

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

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

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

fases para el proyecto (fig.3).

Fig. 3. Fases del Proyecto DC-TIC

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

competencias en TIC que poseen actualmente los docentes

de EBR de las zonas de interés.

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

se clasifica a los docentes en grupos para participar en un

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

para a los docentes para que sean capaces de comprender

y aplicar las TIC en los procesos de enseñanza – aprendizaje

mediante una alfabetización digital integral.

Fase III. Los docentes clasificados para esta fase, directamente

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

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

se incrementan las capacidades de los docentes para agregar

valor a su trabajo, mediante la aplicación de conocimientos de

las diversas disciplinas escolares para resolver problemas reales

y prioritarios de nuestra sociedad con ayuda de las TIC.

Fase IV. Los docentes participantes que hayan superado la fase

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

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

productividad de los docentes de EBR generando conocimien-

to e innovando prácticas pedagógicas en ambientes colabo-

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

currículo de estudios y de las IE de su distrito.

4. Desarrollo del proyecto

a. Diagnósticosituacional

Las características generales de la población beneficiaria se

lograron mediante la aplicación de encuestas y entrevistas

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

mación relacionada con los indicadores del proyecto se logró

mediante autoevaluaciones realizadas por los participantes

en el proceso de inscripción y de la aplicación de evaluaciones

presenciales teórico-prácticas aplicadas a los participantes en

las siguientes modalidades:

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

competencias en las TIC de algunos de los participantes a

través de la página web de Tecsup.

– Aplicación presencial de la encuesta referencial del nivel

de competencias en las TIC de cada uno de los partici-

pantes.

– Evaluación presencial teórico–práctica en las instalaciones

de Tecsup del nivel de competencias en las TIC de los do-

centes solicitantes.

La información lograda se consolidó en una base de datos, cla-

sificando a los participantes por distrito, por IE y por grupo de

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

preferencia. Estos datos se confirmaron y validaron con la base

de datos de ACV.

b. Diseñocurricular

Un aspecto clave para garantizar el éxito del proyecto y su im-

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

gramas de capacitación en sus diferentes niveles. El modelo

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

ma o de la definición de Estándares o Resultados de Apren-

dizaje (RA) para TIC, y a partir de estos, la elaboración de una

FaseIDiagnósticosituacional

FaseIINocionesbásicas

sobreTIC

FaseIIIProfundizacióndeconocimiento

FaseIVGeneracióndeconocimiento


119



lista de competencias o desempeños esperados que deben

alcanzarse en la ejecución o culminación del proyecto. Aquí,

el concepto de estándar o RA se define como la declaración

o conjunto de declaraciones que describen lo que los estu-

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

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

en Europa en el Espacio Europeo de la Educación Superior

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

requiere identificar las restricciones que limitarían los alcan-

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

el nivel de complejidad de los cursos propuestos. Finalmen-

te, la definición de objetivos formativos, resultados a los que

aporta, contenidos, duración y métodos de evaluación deben

hacerse por cada curso del currículo. Este proceso exige la

revisión y ajuste permanente de todo el proceso de diseño

curricular.

• Definiciónderesultadosdeaprendizaje

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-

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

grama de capacitación de nivel técnico, difieren sustancial-

mente de una titulación de bachiller o maestría.

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

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

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

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

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

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

se deja de lado las competencias transversales y las deodonto-

lógicas y debe concentrarse solo en las competencias técnicas.

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

DC-TIC son los mostrados en la tabla 2.

RA Resultadosdeaprendizaje

a Describir y demostrar el uso de hardware actual.

b Describir y demostrar tareas y utilizaciones básicas

de procesadores de textos tales como digitación,

edición, formato e impresión de textos.

c Utilizar software para mantener registros en red a fin

de controlar asistencia, presentar notas de los estu-

diantes y mantener registros relativos a ellos.

d Describir y demostrar el objetivo y las características

básicas del software de presentaciones multimedia y

otros recursos informáticos.

e Describir el objetivo y la función básica del software

gráfico y utilizar un programa de este tipo para crear

una imagen sencilla.

f Describir internet y la World Wide Web, explicar con

detalle sus usos, describir cómo funciona un navega-

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

sitio web.

g Utilizar un motor de búsqueda para efectuar una ex-

ploración booleana con palabras clave.

h Crear una cuenta de correo electrónico y utilizarla

para mantener correspondencia electrónica dura-

dera.

i Describir la función y el objetivo de software de tuto-

ría (tutoriales) y de instrucción y práctica, así como la

manera en que contribuyen en los estudiantes, a la

adquisición de conocimientos en las diferentes asig-

naturas escolares.

j Localizar paquetes de software educativo y recursos

web ya preparados, evaluarlos en función de su pre-

cisión 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 co-

laboración tales como mensajes de texto, videocon-

ferencias, colaboración mediante internet y comuni-

cación con el entorno social.

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


120



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

competencias a lograr. Estas competencias o criterios de des-

empeño (CD) deben estar formuladas en términos de conoci-

mientos generales o específicos, dominio de métodos y téc-

nicas 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 Criteriosdedesempeño Enfoque

a

a1

Identifica y describe la fun-

ción de cada uno de los

componentes de una com-

putadora de escritorio.

Conocimiento

a2

Instala, configura y utiliza re-

cursos tecnológicos de una

computadora de escritorio.

Destreza

a3

Utiliza la información ne-

cesaria para la selección y

adquisición de recursos tec-

nológicos de una computa-

dora.

Aplicación

Tabla 3. Criterios de desempeño para el resultado “a”

• Currículodeestudios

Considerando los RA del programa DC-TIC, las restricciones

mencionadas y con la participación activa de docentes ex-

pertos 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 capa-

citación continua aplicados por IACET [10].

La definición del plan curricular va acompañada de la pon-

deración de cada RA y de la ubicación de estos en el plan,

ello permite identificar en que cursos se trabaja cada RA y

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

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

una secuencia lógica y completa del proceso de aprendizaje.

• Sílaboodescriptordecursos

En la definición de los cursos se debe identificar claramente

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

También se especifica la metodología docente, el método de

evaluación y la dependencia con otros cursos del programa.

Tabla 4. Currículo de estudios del Programa DC-TIC

PRESENTACIÓN Y DISCUSIÓN DE RE-SULTADOS

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 cen-

tral: “Los docentes de las IE de la zona de interés tienen com-

petencias inadecuadas, insatisfactorias y desactualizadas en la

incorporación de las TIC a los procesos de enseñanza-aprendi-

zaje”, sus principales causas son:

• Que no existe una evaluación base de las capacidades en

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

interés.

• Que existen docentes de IE de la zona de interés que cuen-

tan con escasos o nulo conocimiento de las TIC.

• Las IE de la zona de interés no cuentan con un modelo de

gestión que incorpore las TIC a las actividades de enseñan-

za-aprendizaje.


121



2. El árbol de objetivos

La solución a esta problemática social se convierte en un pro-

yecto social, que se plantea con una estructura y objetivos

bien definidos que se muestran en el anexo 2 y se detallan a

continuación.

a. Objetivogeneraldelproyecto

Lograr IE con docentes que posean competencias adecuadas,

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

cesos de enseñanza-aprendizaje.

b. Objetivosespecíficos

• Obtener una evaluación base de las capacidades en TIC

de los docentes de EBR de las IE de la zona de interés.

• Capacitar a los docentes de la IE de la zona de interés

para que cuente con conocimientos actualizados sobre

las TIC.

• 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.

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

nes de mayor impacto, se plantea la realización de las siguien-

tes actividades:

c. Actividades

• Hacer un diagnóstico en la zona de interés sobre el número

de docentes y el nivel de competencias que poseen en el

uso de las TIC.

• Diseñar y aplicar un Programa de Capacitación en TIC con

diferentes niveles.

• Aplicar las TIC en las actividades de enseñanza-aprendizaje

en las diversas materias del currículo de estudios.

3. El Marco Lógico del proyecto

La matriz del ML resumido del proyecto se muestra en la Tabla

5.

DESCRIPCIÓN INDICADORES VERIFICACIÓN SUPUESTOS

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

Incremento del % de incorpo-ración de las TIC a los proce-sos de enseñanza aprendizaje.

Encuestas, entrevistas a docentes y alumnos de las IE beneficiarias.

Condiciones estables de la economía nacional.

Propósito:Capacitar en TIC a los docen-tes de las IE de la zona de interés.

Número de participantes del programa de capacitación.

- Fichas de inscripción- Registros de asistencia

Predisposición de los docen-tes a participar activamente en el programa.

Resultados:- Diagnóstico situacional de

los docentes sobre capaci-dades en TIC.

- Docentes capacitados en TIC.

- IE que incorporan las TIC a sus procesos educativos.

- Evaluación base sobre capacidades en TIC.

- Número de docentes capa-citados.

- Número de Programas de Capacitación aplicados.

- Base de datos de beneficia-rios

- Registro de asistencia- Reportes de rendimiento

Capacidad de gestión de institución ejecutora.Predisposición de IE a partici-par en el proyecto.

Actividades:- Evaluación teórico – prác-

tico de las capacidades en TIC.

- Diseño y ejecución de programas de capacitación en TIC.

- Número de docentes eva-luados.

- Número de programas con cursos y contenidos aprobados.

- Número de horas de capa-citación ejecutadas.

- Base de datos de beneficia-rios

- Registro de asistencia- Reportes de rendimiento- Informe de ejecución de

cursos

Capacidad de gestión de institución ejecutora.

Tabla 5. Matriz del Marco Lógico

Lógica Vertical

Lógica


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 dis-

trito de Tiabaya el que concentra la mayor participación con

54%, mientras que el distrito de Yarabamba es la de menor

participación con 6%.

DISTRITOBENEFICIA-

RIO

INSTITU-CIONES

EDUCATI-VAS

DOCENTESINSCRITOS

PARTICIPA-CIÓNPOR-CENTUAL

Tiabaya 14 119 54%

Uchumayo 15 71 32%

Socabaya 2 18 8%

Yarabamba 3 14 6%

TOTAL 34 222 100%

Tabla 6. Participantes inscritos por distrito.

Es interesante observar que el mayor porcentaje de inscritos

corresponde a participantes mujeres; alcanzando el 77%

comparado con un 23% de hombres inscritos.

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 parti-

cipantes (>78%), indican poseer escaso o nulo conocimiento

en los módulos III, IV, V, VI y VII. En cambio, cerca del 56% decla-

ran poseer un nivel regular o bueno en el módulo I y un 42%

en el módulo II.

b. Definiciónderesultadosdeaprendizajeycriteriosde

desempeñodelprograma

El anexo 3 muestra el listado de RA y CD aprobados y valida-

dos, este cuadro es el resultado de la aplicación de la meto-

dología 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.

Fig. 6. Autoevaluación en TIC.

c. Currículodeestudios

El currículo de estudios finalmente propuesto para este proyec-

to se muestra en el anexo 4. Aquí se puede observar la coor-

dinación 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

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

yen en ejes de desarrollo de cada participante.

d. Descripcióndeloscursos

La información pertinente a cada curso en cuanto a sus objeti-

vos formativos, contenidos y metodologías utilizadas aparecen

en el descriptor del curso.

5. Evaluación del proyecto

Para la evaluación del proyecto es preciso distinguir entre la

evaluación de los objetivos específicos del proyecto y la eva-

luación de los resultados de aprendizaje que se planteó para el

programa de capacitación.

a. Logrodelosobjetivosdelproyecto

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. Logrodelosresultadosdeaprendizaje

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

Hombre52

23%Mujer

17077%


123



embargo, una apreciación directa por parte del instructor

sobre el desempeño del participante en tareas o actividades

específicas es una medición más confiable. En este tipo de

mediciones, el instructor evalúa los desempeños listados en

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

y cuantifica el logro de cada RA de una manera más objetiva.

Al final del programa se obtienen indicadores de logro de RA

como se muestra en la fig. 7.

Fig. 7. Logro de RA por cada participante.

CONCLUSIONES

En este artículo se presenta una metodología de diseño de

programas de desarrollo de capacidades humanas en el

marco de los proyectos de RSE desarrollado por una empre-

sa minera. Se utiliza la información obtenida del Programa

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

método. La propuesta se basa en la experiencia adquirida en

procesos de mejora continua de programas de capacitación

y experiencias de acreditación internacional de programas

de formación profesional en los últimos cinco años.

Se propone estructurar el proceso de diseño en diversas

fases: diagnóstico situacional, definición de resultados de

aprendizaje y desempeños que deben poseer los participan-

tes al final del proyecto, definición de restricciones y crite-

rios del plan de estudio, definición del currículo de estudio,

definición en detalle de los cursos y evaluación del logro de

resultados.

REFERENCIAS

[1] Equal Support Unit. European Social Fund. A Project Cycle

Management and Logical Framework Toolkit - A practical

guide for equal Development Partnerships. GB

[2] 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 Lati-

noamericano y del Caribe de Planificación Económica y

Social (ILPES). Área de Proyectos y programación de in-

versiones 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 Gui-

delines. Volume 1. Aid Delivery Methods, Supporting

Effective implementation of EC External Assistance..

March 2004.

[5] Ministerio de Educación. (2007). Proyecto Educativo Na-

cional al 2021. La educación que queremos para el Perú.

Resolución Suprema N°001.2007-ED.

[6] UNESCO. (2008). ICT Competency Standards for Teachers.

Competency Standards Modules. United Nations Educa-

tional, Scientific and Cultural Organizations.

[7] ABET Technology Accreditation Commisión. (2009). Cri-

teria for accrediting Engineering Technology Programs.

ABET Inc.

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

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

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

[9] Bloom & Krathwohl. (2000). Definitions of Levels and

McBeath Action Verbs. Pittsburg: The University of Pitts-

burg, USA. http://www.engrng.pitt.edu/~ec2000/.

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

units.html.


124



ANEXOS

Anexo1.Árboldeproblemas

Anexo2.ÁrboldeObjetivos


125



Anexo3.ListadeResultadosdeAprendizajeyCriteriosdeDesempeño


126



Anexo4.CurrículodeEstudiosconponderaciónporResultadosdeAprendizaje

Coordinaciónhorizontal

Co

ord

inació

nvertical


127


José Rojas, Xxxxxx


Alberto Ríos, Universidad Europea de Madrid

Estabilidad Transitoria del Modelo Dinámico de una Turbina Eólica de Velocidad Variable

Transient Stability of a Dynamic Model of a Variable Speed Wind Turbine

Resumen

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

bina eólica de velocidad variable ante huecos de tensión bi-

fásicos y trifásicos. Los objetivos del presente estudio están

en presentar un análisis comparativo del modelo completo

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

conexión del crowbar y comprobar la capacidad de la turbina

eólica de velocidad variable en mantener la continuidad de

suministro.

Abstract

This paper evaluates the transient response and the ability

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

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

parative analysis of full and reduced model of the turbine as

well as to evaluate the influence of crowbar protection and to

test the capacity of variable speed wind turbine in maintaini-

nig the continuity of the supply.

Palabras clave

Turbinas eólicas, estabilidad transitoria, integración en red,

crowbar, huecos de tensión.

Key words

Wind turbines, transient stability, grid integration, crowbar,

voltage sags.

INTRODUCCIÓN

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

ciones eólicas consistían en especificar las características de

los sistemas de protección y asegurar una rápida desconexión

ante la aparición de perturbaciones severas. La reducción de

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

desconexión instantánea de las instalaciones eólicas.

En los últimos años, la innovación tecnológica de los sistemas

de conversión eólicos ha obligado a modificar las especificacio-

nes técnicas de conexión por el posible impacto que causaría

una masiva desconexión de instalaciones eólicas en la estabili-

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

nicas requieren que las instalaciones eólicas no se desconecten

ante la aparición de cortocircuitos en el punto de conexión a

red. Adicionalmente se exige a las instalaciones eólicas que

aporten potencia reactiva durante el período de duración del

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

• Presentar un análisis comparativo de la respuesta transito-

ria del modelo completo y reducido de turbina eólica de

velocidad variable ante un hueco de tensión trifásico con y

sin conexión del crowbar.

• Analizar la influencia de la conexión y desconexión del

crowbar en la respuesta transitoria de una turbina eólica de

velocidad variable en régimen supersíncrono.

• Evaluar la capacidad de las turbinas eólicas de velocidad

variable en mantener la continuidad de suministro ante a

huecos de tensión bifásicos y trifásicos.

04_Estabilidad Transitoria de turbinas Eolicos_rios.indd 127 2/13/12 5:46 PM

128


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

FUNDAMENTOS

Modelo dinámico de una turbina eólica

La integración de un importante volumen de energía eólica

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

tegración que permitan:

• Analizar el comportamiento del sistema eléctrico ante la

creciente penetración de energía eólica en los próximos

años

• Evaluar el impacto de los sistemas de generación eólicos

en la operación y control del sistema.

• Proponer soluciones técnicas para su óptima interacción

con la red eléctrica.

Para la realización de los estudios de integración es necesa-

rio el desarrollo, implementación y evaluación de modelos

dinámicos de turbinas eólicas. Los modelos dinámicos de las

turbinas eólicas reflejan el alto grado de complejidad de es-

tos sistemas de generación. Estos modelos se diseñan para

resolver problemas específicos:

• Analizar el arranque de las turbinas eólicas y su impacto

en la red.

• 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 eóli-

cos), conectados a un punto de conexión de la red eléc-

trica.

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

nas eólicas depende del objeto de análisis. La utilización de

modelos dinámicos apropiados de las turbinas eólicas en

estudios de continuidad de suministro permite representar

los fenómenos electromagnéticos y electromecánicos que se

producen ante graves perturbaciones.

Actualmente, los modelos dinámicos de las turbinas eólicas

de diferentes tecnologías son incluidos en los programas in-

formáticos de simulación de sistemas eléctricos, tales como

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

muy utilizados por las empresas eléctricas y centros de inves-

tigación especializados. La implementación de modelos di-

námicos en diferentes plataformas informáticas que simulan

el comportamiento de turbinas eólicas se describe en sendos

trabajos [3, 4, 5].

Turbina eólica de velocidad variable

En la figura 1, se observa el esquema detallado de una turbina

eólica equipada con un generador asíncrono doblemente ali-

mentado. En un generador asíncrono doblemente alimentado,

el devanado del estator está directamente conectado a la red

eléctrica, mientras que el del rotor se conecta a través de un

convertidor de frecuencia. El convertidor de frecuencia está

compuesto por dos convertidores electrónicos CA/CC reversi-

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

red. Los dos convertidores funcionan como fuentes de tensión

controlables, que utilizan dispositivos de electrónica de poten-

cia de conmutación forzada para obtener una tensión alterna

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

vertidores. Los sistemas de control asociados al generador asín-

crono 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.

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

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

dora de las turbinas eólicas de velocidad variable, la capacidad

de funcionar en régimen supersíncrono y subíncrono, es decir,

cuando la velocidad de giro del rotor eólico es superior o infe-

rior a la velocidad de sincronismo, respectivamente. El control

electrónico del convertidor de lado de red permite entregar la

potencia generada desde el rotor en régimen de velocidades

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

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

Control de convertidores electrónicos

La implementación de convertidores electrónicos proporcio-

na a los sistemas de generación eólicos toda su versatilidad y


129



capacidad de control, permiten variar la velocidad de giro

del eje en un amplio rango de velocidades, optimizando la

extracción de energía del viento y amortiguando las oscila-

ciones de par sobre los elementos de transmisión. Asimismo,

los convertidores electrónicos permiten controlar, de forma

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

turbina. Los convertidores electrónicos se componen de se-

miconductores controlados, habitualmente inversores PWM.

Los convertidores electrónicos están conectados entre sí a

través de una etapa de continua en la que hay un conden-

sador. Para su fácil integración en los programas de análisis

dinámico de sistemas eléctricos, los convertidores electróni-

cos se representan por un modelo simplificado a frecuencia

fundamental, asumiendo que la etapa de continua es una

fuente de tensión ideal y un inversor PWM con modulación

ideal (frecuencia de modulación infinita).

La potencia activa entregada por el estator se controla por

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

tromagnético del generador a las variaciones de la velocidad

de giro del rotor, alcanzando la máxima extracción de poten-

cia 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

de mínimas pérdidas. La estrategia más empleada es man-

tener 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.

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

tencia deseado y mantener constante la tensión en la etapa

de continua a un valor de diseño previamente establecido. El

control del convertidor de lado de red permite garantizar la

circulación de la potencia necesaria desde el rotor o viceversa

para mantener la tensión constante en la etapa de continua.

La transferencia de energía que el rotor entrega o absorbe

de la red es instantánea, puesto que no existen elementos

acumuladores de energía.

El dispositivo de protección crowbar

Las turbinas eólicas que disponen de convertidores electró-

nicos cuentan con un dispositivo adicional de protección

contra sobreintensidades, denominado protección crowbar.

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

tor se incrementa instantáneamente. El aumento de intensi-

dad es detectado por el sistema de control del convertidor

del rotor. Los devanados del rotor son cortocircuitados con

la inserción de unas resistencias externas, lo que convierte al

generador doblemente alimentado en un generador asíncro-

no. Las constantes de tiempo térmicas de los semiconductores

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

convertidor que alimenta a los devanados del rotor puede ser

fácilmente destruido por las intensidades de cortocircuito, ha-

ciendo necesaria la instalación de sistemas de protección ante

elevados valores de la intensidad del rotor.

El crowbar es un dispositivo electrónico que cortocircuita los

devanados del rotor en caso de detectar una sobreintensidad,

causada por la aparición de un cortocircuito, limitando así la

elevada intensidad que circula por el rotor. Para poder soportar

satisfactoriamente un hueco de tensión y mantener la continui-

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

pejar el cortocircuito del devanado del rotor lo suficientemente

rápido como para que el convertidor del rotor no se vea afecta-

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

un tiristor GTO o un IGBT.

Figura 2: Esquema simplificado del crowbar. Fuente propia.

En la figura 2, se muestra el esquema equivalente simplificado

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

tante indicar que el control del crowbar es independiente del

control vectorial de los convertidores electrónicos. El tiristor se

conmuta cuando la tensión en el enlace de continua alcanza su

valor máximo admisible. Simultáneamente, el circuito del rotor

es desconectado del convertidor electrónico y conectado al

crowbar. El rotor se mantiene conectado al crowbar hasta que

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

estrategias de control se reconecta al convertidor electrónico

en un determinado período.

Los sistemas de protección del convertidor electrónico monito-

rizan constantemente las intensidades en el circuito del rotor y

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

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

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

más valores monitorizados exceden los valores establecidos en

sus correspondientes sistemas de protección.


130



RESULTADOS

Estudio comparativo de modelos diná-micos

En el presente apartado se realiza un análisis comparativo del

comportamiento dinámico de los modelos completo y reduci-

do del generador asíncrono doblemente alimentado ante un

hueco de tensión trifásico. El modelo reducido se caracteriza

por prescindir de los transitorios electromagnéticos en el esta-

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

tancia de determinar correctamente la intensidad de cortocir-

cuito del rotor para el adecuado funcionamiento del crowbar.

La aparición de un hueco de tensión provoca una sobrein-

tensidad en el rotor que activa el crowbar, con el objetivo de

proteger las partes más sensibles del convertidor electrónico.

La conexión del crowbar significa la inserción de un conjunto

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

durante un período de aproximadamente 150 ms. Durante el

tiempo de conexión del crowbar, el arogenerador se comporta

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

pierde el control del circuito del rotor.

Para analizar la influencia de la dinámica del flujo en el estator,

sobre la respuesta transitoria de una turbina eólica de veloci-

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

delos dinámicos completo y reducido. El tiempo de duración

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

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

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

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

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

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

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

ajustado a valor de aproximadamente dos veces el valor no-

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

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 duran-

te una falta es significativamente menor que con ayuda de un

modelo completo. Este hecho afecta al correcto funcionamien-

to 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

para el crowbar. Este incorrecto funcionamiento pondría en pe-

ligro la integridad del convertidor de lado de red, puesto que

no se activaría la protección by pass que bloquea el convertidor

METODOLOGÍA

El estudio de la respuesta transitoria de una turbina eólica de

velocidad variable consiste en realizar los siguientes estudios:

• Análisis comparativo de la respuesta transitoria del mo-

delo completo y reducido de turbina eólica de velocidad

variable ante un hueco de tensión trifásico.

• Influencia de la conexión y desconexión del crowbar en la

respuesta transitoria de una turbina eólica de velocidad

variable en régimen supersíncrono.

• Capacidad de las turbinas eólicas de velocidad variable

en mantener la continuidad de suministro ante huecos

de tensión bifásicos y trifásicos.

El modelo dinámico de una turbina eólica de velocidad varia-

ble se ha implementado en la plataforma informática DIgSI-

LENT Power Factory. Esta plataforma de simulación se carac-

teriza por disponer de un entorno gráfico de fácil utilización

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

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

cas se representan con diferente grado de detalle, en función

del tipo de estudio de integración a realizar.

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

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

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

dia tensión y la impedancia del equivalente Thevenin hasta

el punto de conexión a la red eléctrica. La turbina eólica está

compuesta por un generador asíncrono doblemente alimen-

tado con una potencia nominal de 2 mW y tensión nominal

de 690 V. El generador asíncrono doblemente alimentado se

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

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

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

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

pleado en los estudios de estabilidad transitoria propuestos.

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

velocidad variable.


131



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

transitoria de la turbina eólica equipada con un generador

asíncrono doblemente alimentado por medio del modelo re-

ducido 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 4. Comparativa de la respuesta transitoria del rotor ante un

hueco de tensión trifásico. DIgSILENT Power Factory.

El cumplimiento de los requisitos en mantenerse conectada

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

blemente alimentado, representado por un modelo reducido

empeora con relación al modelo completo. Esto es evidente,

ya que el incorrecto funcionamiento del crowbar provocaría

la destrucción del convertidor electrónico y la pérdida de

producción eléctrica de la turbina eólica.

Influencia del crowbar

En esta apartado se analiza la respuesta transitoria de diferen-

tes 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 equi-

pada con un generador asíncrono de velocidad variable en

régimen supersíncrono, a plena carga y factor de potencia

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

to ante la aparición de un cortocircuito trifásico. Cuando se

aplica la falta trifásica en el punto de conexión a red, aparece

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

vado. La respuesta transitoria de la intensidad del rotor tiene

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

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

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

forma sincronizada, dispara el sistema de bloqueo del conver-

tidor, figura 5.

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 dispo-

sitivos electrónicos del convertidor. Además, el crowbar modi-

fica la constante de tiempo del rotor y afecta al transitorio de

intensidad del rotor, que decae rápidamente debido al valor

modificado de la constante de tiempo del rotor. La conexión

del crowbar reduce la sobretensión que aparece en el bus de

continua durante los primeros instantes posteriores a la apari-

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

aproximadamente 150 ms, la intensidad transitoria del rotor

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

magnetización del rotor, durante algunos milisegundos. Inme-

diatamente después de la desconexión del crowbar se recupera

la capacidad de control sobre el devanado del rotor.

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

tensión trifásico. DIgSILENT Power Factory.

La pérdida de la capacidad de control del generador doble-

mente alimentado durante el período de actuación del crowbar

indica que el generador se comportará como un generador

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

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

la conexión del crowbar, se recupera el capacidad de control


132



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 co-

nexión del crowbar descarga el condensador del enlace de

continua y limita la sobreintensidad que aparece en el deva-

nado del rotor, figura 5.

El exceso de velocidad del generador, durante la falta, activa

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

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

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

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

la turbina oscila mucho menos que la velocidad del rotor del

generador. A pesar del consumo de potencia reactiva duran-

te el período de recuperación, la turbina eólica doblemente

alimentada recupera rápidamente el valor nominal de la ten-

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

flujo de potencia reactiva, figura 6.

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 si-

guientes criterios:

• Los sistemas de protección de la turbina no actúan du-

rante el período de simulación y, por tanto, no desco-

nectan la turbina eólica. Sin embargo, se verifica si los

parámetros evaluados de la turbina superan los valores

umbrales de los diferentes sistemas de protección. En la

tabla 1 se muestran los valores característicos de los sis-

temas de protección de las turbinas eólicas.

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

turbina eólica. Fuente propia.

• Los intercambios de potencia activa y reactiva, tanto du-

rante el período de duración del hueco de tensión como en

el periodo de recuperación posterior al despeje de una fal-

ta trifásica o bifásica, se deberán encontrar dentro de unos

límites predeterminados.

En relación a los consumos puntuales de energía y potencia

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

mediatamente posterior al despeje de la falta se definen tres

zonas claramente diferenciadas. La zona A correspondería a

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 co-

rresponde 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-

blecidos de consumos de energía y potencia (activa y reactiva)

e intensidad reactiva de una instalación eólica ante un hueco

bifásico y trifásico.

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

de energía y potencia.

Huecos de tensión trifásicos

En este apartado se analiza la capacidad de una turbina eólica

de velocidad variable en mantener la continuidad de suminis-

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

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

sidad en valores instantáneos en el punto de conexión ante un


133



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

táneos se calculan los valores eficaces de tensión e intensi-

dad, mostrados en la figura 10.

Figura 9. Respuesta de tensión e intensidad ante un hueco trifásico en

valores instantáneos. DIgSILENT Power Factory.

Figura 10. Respuesta de tensión e intensidad ante un hueco trifásico en

valores eficaces. Matlab MathWorks.

De la figura 10 se observa que la tensión en bornes del gene-

rador 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 mecáni-

co de la turbina y, por tanto, la potencia activa, así como de

la potencia reactiva inyectada o consumida por el generador

eléctrico.

Según el criterio de disparo de protecciones, la turbina eólica

no debería desconectarse de la red y mantendría la conti-

nuidad de suministro ante al hueco de tensión trifásico. En la

figura 11 se muestra el intercambio de potencia activa, po-

tencia 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 poten-

cia (activa y reactiva) para la turbina de velocidad variable. La

turbina eólica no cumple las exigencias establecidas ante un

hueco de tensión trifásico por un ligero consumo de poten-

cia reactiva en la zona B y por consumo de energía reactiva

en la zona C (cifras en rojo de la tabla 2).

Una de las características más interesantes de las turbinas

eólicas equipadas con generadores asíncronos doblemente

alimentados es la capacidad de inyectar potencia reactiva du-

rante el hueco de tensión y en el período de recuperación in-

mediatamente posterior al despeje de la falta.

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 varia-

ble cumple con las exigencias técnicas de consumo de poten-

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).

Tabla 2. Consumo de energía y potencia (activa y reactiva) ante un hueco

trifásico a plena carga.

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

estrategia de control.


134



Huecos de Tensión Bifásicos

En este apartado se analiza la capacidad de una turbina eó-

lica de velocidad variable de mantener la continuidad de su-

ministro ante un hueco bifásico funcionando a plena carga.

Figura 12. Respuesta de tensión e intensidad ante un hueco bifásico en

valores instantáneos. DIgSILENT Power Factory.

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

dad en valores instantáneos de una turbina eólica de veloci-

dad 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.

Figura 13. Respuesta de la tensión e intensidad ante un hueco bifásico

en valores eficaces. Matlab MathWorks.

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

rición de severos desequilibrios en las intensidades de fase.

Estos desequilibrios se deben a la aparición de una impor-

tante componente de secuencia negativa durante el hueco

bifásico.

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

un generador doblemente alimentado cumple las especifica-

ciones de continuidad de suministro en relación al intercam-

bio de potencia activa y reactiva e intensidad reactiva ante un

hueco bifásico 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 tur-

bina eólica de velocidad variable cumple con las especifica-

ciones técnicas establecidas en las diferentes zonas del hueco.

Se deduce de los resultados obtenidos que, ante un hueco de

tensión bifásico, no es necesario implementar estrategia de

control alguna.

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 uti-

lizar un modelo dinámico completo del generador eléctrico y

en evaluar la influencia del crowbar en la respuesta transitoria.

Asimismo, se ha evaluado la capacidad de la turbina eólica de

velocidad variable de mantener la continuidad de suministro

frente a huecos de tensión trifásicos y bifásicos. Las principales

conclusiones son las siguientes:

• Se ha analizado la importancia y necesidad de utilizar un

modelo completo en los estudios de continuidad de su-

ministro. El modelo reducido desprecia los transitorios

electromagnéticos de frecuencia fundamental del estator,

afectando al cálculo de la intensidad del rotor durante la

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

significativamente menor cuando se emplea en su cálculo


135



un modelo reducido del generador, afectando al correcto

funcionamiento del crowbar

• Se ha evaluado la influencia del crowbar en la respuesta

transitoria de la turbina eólica de velocidad variable fren-

te a un cortocircuito trifásico. Los resultados obtenidos

en las simulaciones permiten comprender el comporta-

miento dinámico de una turbina eólica de velocidad va-

riable y evaluar la capacidad de este tipo de tecnología

para cumplir los nuevos requisitos técnicos de conexión

de las instalaciones eólicas, establecidos por el operador

del sistema eléctrico.

• La evaluación de la turbina de velocidad variable, equipa-

da con un generador asíncrono doblemente alimentado,

demuestra que no cumple las especificaciones técnicas

referentes a la capacidad de mantener la continuidad de

suministro ante huecos de tensión trifásicos, por lo que

en este caso es necesario implementar una estrategia de

control de potencia reactiva durante el hueco de tensión.

Por otro lado, se ha comprobado que ante huecos de

tensión bifásicos, la turbina eólica de velocidad variable

cumple los criterios de continuidad de suministro.

• Se ha demostrado la posibilidad de implementar estra-

tegias de control en las turbinas eólicas de velocidad va-

riable que permitan inyectar potencia reactiva durante el

periodo de duración de los huecos de tensión.

REFERENCIAS

[1] J. Matevosyan, J., Ackermann, T., Bolik, S. & Söder, L.

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Connection of Wind Turbines to the Network”, Nordic

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[2] Kazachkov, Y., Stapleton, S. (2004) “Modeling Wind

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Power Technology.

[3] Iov, F., Hansen, Jauch, C., Sorensen, P. & Blaabjerg, F.

(2004) “Advanced Tools for Modeling, Design and Opti-

mization of Wind Turbine Systems”, Nordic Wind Power

Conference.

[4] Johnsen, K., Eliasson, B. (2004) “SIMULINK, Implementa-

tion of Wind Farm Model for use in Power System Stu-

dies”, Nordic Wind Power Conference.

[5] Lund, T., Eek, J., Uski, S. & Perdana, A. (2004) “Dynamic Fault

Simulation of Wind Turbines using Commercial Simula-

tion Tools”Proceedings of the EWEC, London.

ACERCA DEL AUTOR

Alberto Ríos Villacorta. Ingeniero eléctrico en la especialidad

de Sistemas y Redes Eléctricas por el Instituto Politécnico de

Bielorrusia en el año 1993. Máster en Energías Renovables por

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

geniero industrial por la Universidad Carlos III de Madrid en el

año 2007. Director técnico de Energy to Quality, Laboratorio de

Ensayos de Turbinas Eólicas y Simulaciones de Parques Eólicos,

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

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

Sus áreas de interés son el modelado dinámico de sistemas de

generación eléctrica y los estudios de integración de sistemas

renovables.




137


José Rojas, Xxxxxx


Alberto Ríos, Universidad Europea de Madrid

Estabilidad Transitoria de Parques Eólicos de Velocidad Variable

Transient Stability of Variable Speed Wind Farms

Resumen

Este artículo analiza la respuesta transitoria de un parque eó-

lico de velocidad variable ante huecos de tensión trifásicos

y bifásicos y se evalúa su capacidad de mantener la conti-

nuidad de suministro. La respuesta transitoria de un parque

eólico se ha realizado con ayuda de simulaciones y no se ha

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

a la complejidad técnica que implica la aplicación de cortocir-

cuitos en parques eólicos. Inicialmente se describe el modelo

equivalente y detallado de un parque eólico y la red dinámica

del sistema eléctrico al cual se conecta y posteriormente se

realizan simulaciones para:

• Analizar la influencia de la intensidad de conexión del

transformador en la respuesta transitoria del parque

eólico.

• Evaluar la capacidad de las parques eólicos de velocidad

variable en mantener la continuidad de suministro ante a


Abstract

This paper examines the transient response of a variable

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

sags, and assesses their ability to maintain the continuity of

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

formed using simulations and has not been verified with real

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

culty in the implementation of short circuits in wind farms.

Initially, the equivalent and detailed model of wind farms are

described and the power system dynamic grid to which its con-

nected and then run simulations to:

• Analyze the impact of transformer inrush current in the

transient response of the wind farm.

• Evaluate the capacity of variable speed wind farms to

maintain the continuity of supply against to two-phase

and three-phase voltage sags.

Palabras clave

Parques eólicos, estabilidad transitoria, integración en red, pun-

to de conexión a red (PCR).

Key words

Wind farms, transient stability, grid integration, connection po-

int to grid.

INTRODUCCIÓN

La conexión distribuida de turbinas eólicas que conforman un

parque eólico representa una dificultad añadida en la realiza-

ción de estudios de integración. El inconveniente que presen-

tan los parques eólicos es que son agrupaciones de decenas de

unidades de generación eléctrica interconectados por cables

de media tensión a través de transformadores elevadores de

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

potencia entregada por las turbinas eólicas, canalizan toda esta

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

estación transformadora MT/AT y unas líneas de evacuación

05_estabilidad transitoria de parques eolicos_rios.indd 137 2/13/12 5:55 PM

138


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

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

pueden estar diseñados para evacuar la energía eléctrica de

varios parques de una determinada zona.

Antes de la construcción de los parques eólicos y su conexión

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

instalaciones eléctricas contiguas. Para la realización de es-

tos estudios se utilizan programas informáticos específicos

para el análisis de sistemas eléctricos, entre ellos destacan

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

timos años, en paralelo al desarrollo de nuevas tecnologías

de turbinas eólicas, estos programas han introducido en sus

librerías modelos de aerogeneradores, incluyendo sus corres-

pondientes sistemas de control asociados. La dificultad de los

estudios de integración estriba en la necesidad de represen-

tar el parque eólico.

En este sentido, los objetivos del presente estudio son:

• Describir el modelo equivalente y detallado de un par-

que eólico, así como la red dinámica del sistema eléctrico

al cual se conecta.

• Analizar la influencia de la intensidad de conexión del

transformador en la respuesta transitoria del parque

eólico.

• Evaluar la capacidad de las parques eólicos de velocidad

variable en mantener la continuidad de suministro ante


FUNDAMENTOS

Modelo equivalente de parques eólicos

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 estu-

dios de estabilidad transitoria por el gran número de ecua-

ciones diferenciales que habría que considerar. Esto se agra-

varía 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 mi-

les de unidades de generación convencionales. Por otro lado,

las actuales plataformas de cálculo informático permiten

resolver gran volumen de ecuaciones reduciendo incluso el

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

un compromiso entre el tiempo empleado en el cálculo y el

detalle de la información técnica deseada de los estudios de

integración eólica.

La representación detallada de un nudo del sistema eléctrico,

al cual se conectan decenas de aerogeneradores, es una tarea

bastante engorrosa. La gran cantidad de datos que se ha de

introducir en un programa de análisis y el elevado consumo

de tiempo en la realización de estudios de integración es un

problema crítico para los operadores del sistema eléctrico. La

solución a este problema es representar el parque eólico con

ayuda de un modelo equivalente agregado. Un modelo equi-

valente agregado consiste en representar el parque eólico por

una única turbina eólica equivalente.

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.

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

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

posible reducirlo a una única turbina equivalente. En ese caso,

resulta conveniente representar cada circuito del parque eólico

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

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

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

delo equivalente agregado.

El desarrollo de estos modelos equivalentes ha estado sujeto

a muchas discusiones. Exige un compromiso entre las simplifi-

caciones a realizar para reducir los esfuerzos computacionales

y mantener una razonable exactitud en la representación ma-

temática de los fenómenos físicos, inherentes a los sistemas de

generación eólicos, que permitan obtener resultados de acep-

table precisión.

Un modelo equivalente apropiado de parque eólico permitiría

validar los resultados de las simulaciones cuando al compa-

rarlos 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 equiva-

lente, con las mediciones de potencia activa y reactiva realiza-

dos en el punto de conexión a red (PCR).

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

el estudio de integración de sistemas eólicos. En el desarrollo

de un modelo de agregación de unidades de generación eólica

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

terísticas dinámicas del generador eléctrico, sistema de acopla-

miento mecánico y del sistema de conversión aerodinámico de

cada aerogenerador sean correctamente representados en el


139



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

delo de agregación trasladará graves errores a los estudios

de integración, [1]. Existen diversos trabajos que tratan con

profundidad el problema de agregación de turbinas eólicas

[2, 3, 4, 5].

La reducción de un parque eólico a un modelo equivalente

debe cumplir un conjunto de condiciones. Así, la potencia

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

ministra el modelo equivalente agregado a cualquier nivel

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

suministra el parque eólico.

La condición de potencia activa es fácil de cumplir, puesto

que la potencia total que suministra el parque eólico es igual

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

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

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

condición de potencia reactiva depende de la tecnología de

la turbina eólica utilizada. Si el parque eólico está formado

por generadores asíncronos de jaula de ardilla, el consumo

de potencia reactiva del aerogenerador está en función del

nivel de carga. La relación entre la potencia reactiva consumi-

da por el generador eléctrico y la potencia activa suministra-

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

lico se compone de turbinas eólicas de velocidad variable, el

sistema de control asociado de la turbina puede modificar el

valor de potencia reactiva entregada o consumida por cada

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

ción o consumo de potencia reactiva de cada aerogenerador,

de tal forma que el parque eólico pueda generar o consumir

potencia reactiva en función de las necesidades del sistema

eléctrico.

Figura 1. Agregación de un parque eólico a varias turbinas (a)

o una única turbina equivalente (b).

Modelo completo de parques eólicos

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

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

de los componentes del parque eólico es representado por sus

respectivos modelos dinámicos. El comportamiento del par-

que eólico se simula considerando todos los elementos que

conforman un parque eólico: turbinas, transformadores de MT/

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

evacuación y sistemas de compensación adicionales. La repre-

sentación detallada de un parque eólico puede resultar exce-

sivamente engorrosa desde el punto de vista de introducción

de datos y demasiado lenta en tiempo de simulación, en el

caso de que sea necesario analizar el comportamiento de va-

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

versatilidad de las actuales plataformas de simulación de siste-

mas eléctricos y la rapidez de los equipos informáticos hacen

posible estudios puntuales de integración con ayuda de una

representación detallada del parque eólico. Entre esos estudios

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

ques eólicos.

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

temas de generación basados en energías renovables, los par-

ques eólicos pertenecen al denominado régimen especial. Se

acogen al régimen especial aquellas instalaciones de produc-

ción de energía eléctrica con una potencia instalada menor o

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

renovables. Además, se considera que pertenecen a un único

parque eólico cuya potencia total será la suma de las potencias

de las instalaciones unitarias, todas las unidades de generación

eólicas que viertan su energía a un mismo transformador con

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

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 reacti-

va, 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 supues-

to de que la respuesta transitoria ante huecos de tensión de

una significativa parte de las instalaciones eólicas conectadas


140



dios de estabilidad transitoria y continuidad de suministro de

las instalaciones eólicas se suele emplear el esquema eléctrico

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

guientes elementos: parque eólico, dispositivos de compensa-

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

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

serva que la red equivalente se puede representar con ayuda

de una red equivalente Thevenin. La red equivalente Thevenin

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

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

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

referencia o nudo oscilante.

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

Red equivalente dinámica

La red equivalente se puede representar por una red dinámi-

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

valente Thevenin, la red dinámica permite que el despeje de

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

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

subida brusca en el despeje de la falta y una recuperación len-

ta posterior, figura 4, debido a la conexión de cargas eléctricas

con una característica predominantemente inductiva. La red

equivalente dinámica se compone de un nudo que representa

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

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

portamiento dinámico de la red eléctrica más cercana al punto

al sistema eléctrico español es similar, siempre y cuando las

unidades de generación eólica sean de igual tecnología y las

características eléctricas del parque eólico hasta el punto de

conexión cumplan una serie de requisitos comunes. De esta

forma, se evita la innecesaria simulación de instalaciones eóli-

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

tados de la simulación demuestran que el parque eólico cum-

ple con las especificaciones establecidas en el procedimiento

operativo ante huecos de tensión, se emitirá un certificado

de conformidad, que será válido para el denominado parque

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

dos aquellos parques cuyos parámetros de aerogeneradores

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 simu-

lación 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 par-

que eólico tipo son las siguientes:

• 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 compen-

sación deberá ser igual o superior a la del parque tipo.

En la figura 2, se define la topología eléctrica de un parque

eólico tipo de 50 MW, constituido por 25 aerogeneradores

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

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

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

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

mador AT/MT y transformador MT/BT.

Red equivalente del sistema eléctrico

En apartados anteriores se explicaron las razones de repre-

sentar un parque eólico de forma detallada y las principales

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


141



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

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

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

nudos están separados por impedancias de valores prede-

terminados, de forma que se reproduzca el perfil de tensión

habitual en el Sistema Eléctrico Español.

Figura 3. Circuito equivalente Thevenin de un parque eólico.

Figura 4. Ejemplo de perfil de tensión ante el despeje de una falta trifási-

ca. Red Eléctrica de España.

Para representar el comportamiento dinámico de la red

eléctrica más cercana al nudo RED, se incluye un generador

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

carga inductiva, denominada CARGA y conectada al nudo

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

de su correspondiente transformador elevador. El generador

síncrono se representa por su modelo dinámico subtransito-

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

lación de velocidad.

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

impedancias de líneas y transformadores, permite reproducir el

perfil de tensión anteriormente mencionado. Además, el em-

pleo de la red equivalente dinámica garantiza que las simula-

ciones del parque eólico se realizarán para cortocircuitos con

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 ope-

rador del sistema eléctrico español, REE, y se detallan en el pro-

cedimiento de verificación de la respuesta de instalaciones eó-

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

Intensidad de conexión del transfor-mador

En este apartado se presenta el modelo matemático de la in-

tensidad 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 fal-

ta es aislada. La posterior reconexión o rápida recuperación de

la tensión hasta su valor nominal provoca la aparición de una

elevada intensidad transitoria de magnetización (intensidad de

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

una elevada intensidad transitoria de magnetización se debe a

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

sidad, característica de los núcleos magnéticos.

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

tensidad transitoria de magnetización dependen de una serie

de parámetros técnicos específicos de los transformadores y de

las características de la red a la que se conectan:


142



• El valor instantáneo de la onda de tensión en el momento

de cierre del interruptor (ángulo de cierre del interrup-

tor).

• 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 co-

nexión.

• Las características del núcleo magnético (tipo de mate-

rial, densidad de saturación, geometría del núcleo, etc.).

Puesto que la tensión aplicada al transformador varía de for-

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

co también es una función sinusoidal pero desfasada 90º en

retraso con relación a la tensión. La relación existente entre

flujo magnético y la intensidad en un material ferromagnéti-

co se representa por una curva característica empírica cono-

cida como curva de magnetización, que se caracteriza por un

fenómeno denominado saturación magnética.

La existencia del fenómeno de saturación divide la curva de

magnetización en una región lineal, en la que el flujo mag-

nético 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 magnetiza-

ción 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-

cionamiento en régimen permanente a tensión nominal, los

valores de intensidad correspondan la región saturada de la

curva de magnetización, figura 6.b. Cuando un transformador

es reconectado después de una falta o un largo período fuera

de servicio, las condiciones de análisis son diferentes.

Si ocurre una falta cerca de un transformador, la intensidad

de magnetización tiende a cero mientras que el flujo mag-

nético se reduce a un valor residual, φR, debido al fenómeno

de histéresis. En el caso más satisfactorio, si la reconexión del

transformador se realizará exactamente en el instante en el

que el valor instantáneo de la onda de tensión correspondie-

se al valor residual del flujo, se produciría una continuación

uniforme de la operación previa sin la aparición de elevados

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

controlar el instante de reconexión y la aparición de transito-

rios de intensidad son inevitables.

Figura 6. Curva de magnetización (a) e intensidad de magnetización

en régimen permanente (b).

La conexión del transformador se realiza mediante el cierre

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

instante de la conexión. Este proceso origina la presencia de

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

tierra. Los transitorios de intensidad son diferentes en cada fase

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

fase están separadas 120° eléctricos y el cierre del interruptor

es simultáneo en las tres fases, por lo que en el momento del

cierre del interruptor, los valores instantáneos de las ondas de

tensión son diferentes.

(a) (b)

Figura 7. Intensidad de magnetización: caso mas satisfactorio (a) y caso

más desfavorable (b).

El caso más desfavorable ocurrirá cuando la conexión se realiza

en el instante en el que la onda de tensión pasa por cero, ten-

diendo hacia una polaridad tal que el flujo magnético aumen-

ta en la dirección del flujo residual. En la figura 7, se considera

que el transformador se reconecta en el instante en que el flujo

magnético alcanza su valor máximo negativo, -φmax

, coincidien-

do con un valor positivo del flujo residual. Puesto que el flujo

no puede cambiar instantáneamente, la onda del flujo en lugar

de partir de su valor normal, -φmax

, y variar sinusoidalmente a lo


143



largo de la línea punteada de la figura 6b, parte del valor del

flujo residual, φR, siguiendo la curva φ

tr. De la figura 7b se de-

duce que la curva φtr es una senoidal desplazada, cuyo valor

de pico, φtr max

es igual a +φR + 2φ

max. Este exceso de flujo

magnético causará la saturación del flujo magnético y la apa-

rición de un transitorio de la intensidad de magnetización.

En función de la polaridad del flujo residual, se incrementará

o reducirá la intensidad transitoria de magnetización. En la

práctica, el valor del flujo residual puede alcanzar un valor

igual a 0,5 φmax

. De esta forma, el valor de pico de la curva φtr

max será: φR + 2φ

max = 0,5φ

max + 2φ

max = 2,5 φ

max.

En la figura 8, se muestra la típica forma del transitorio de

la intensidad de magnetización. Se observa que esta inten-

sidad 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

inductancia se incrementa, la constante de tiempo se reduce

la componente transitoria se extingue rápidamente, quedan-

do tan sólo la componente permanente.

Figura 8. Forma de onda de la intensidad transitoria de magnetización

de un transformador.

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.

Para evaluar la influencia de la intensidad transitoria de mag-

netización del transformador en la respuesta transitoria en un

parque eólico se emplea el esquema eléctrico de la figura 9.

En el esquema eléctrico propuesto, un parque eólico de velo-

cidad fija de 50 mW evacua su potencia a la red a través de un

transformador de 55 MVA, cuya intensidad de magnetización

se modela con ayuda de una expresión polinómica. Al igual que

en el caso de una única turbina eólica, se aplica en el punto de

conexión un hueco de tensión trifásico de 500 ms de duración

con una tensión residual del 20% de la tensión nominal.

Figura 9. Esquema de evaluación del efecto de la intensidad magnetizante

en un parque eólico.

RESULTADOS

Influencia de la intensidad de conexión

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 transfor-

madora es modelada con ayuda de una expresión polinómica.

En este caso, la intensidad magnetizante del parque eólico es

muy apreciable en la respuesta transitoria de la potencia activa

y reactiva instantánea del parque eólico, figuras 11 y 12, respec-

tivamente.

Figura 10. Respuesta transitoria de la intensidad magnetizante del trans-

formador del parque eólico. Matlab MathWoks.


144



Figura 11. Influencia del inrush en la medida de potencia activa del

parque eólico. Matlab MathWoks.

Figura 12. Influencia del inrush en la medida de potencia reactiva del

parque eólico. Matlab MathWoks.

De los resultados obtenidos, se concluye que el efecto del in-

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 crite-

rios 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

En este apartado se procede a la evaluación de la capacidad

de un parque eólico de velocidad variable en mantener la

continuidad de suministro ante huecos de tensión trifásicos

y bifásicos. Para determinar si el parque eólico se mantiene

conectado después de un cortocircuito, se utilizaran los si-

guientes criterios:

• Los sistemas de protección del parque eólico no actúan

durante el período de simulación y, por tanto, no lo des-

conecten.

• Los intercambios de potencia activa y reactiva, tanto du-

rante 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.

Huecos de tensión trifásicos

En la figura 13 se presenta el intercambio de potencia activa,

potencia reactiva e intensidad reactiva del parque de veloci-

dad 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 dife-

renciadas del hueco de tensión.

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 ener-

gía y potencia (activa y reactiva). Corroboran que el parque eó-

lico de velocidad variable ante un hueco de tensión trifásico

cumple los criterios establecidos en relación a la continuidad

de suministro.

Tabla 1. Intercambio de potencia activa y reactiva de un parque eólico de

velocidad variable.

Huecos de tensión bifásicos

En la figura 14 se presenta el intercambio de potencia activa,

potencia reactiva e intensidad reactiva del parque de veloci-

dad variable ante un hueco bifásico a plena carga. Se aprecia

que se cumple con los requisitos de consumo potencia activa y

reactiva e intensidad reactiva especificadas para las zonas dife-

renciadas del hueco de tensión.

En la tabla 2, los resultados de consumo de energía y potencia

(activa y reactiva) corroboran que el parque eólico de veloci-

dad variable ante un hueco de tensión bifásico, funcionando

a plena carga, cumple los criterios establecidos en relación a la

continuidad de suministro.


145



José Rojas, Xxxxxx

Diseño de Proyectos Industriales OperacionalesTabla 2. Intercambio de potencia activa y reactiva de un parque eólico

de velocidad variable.

Figura 14. Intercambio de potencia activa y reactiva de un parque

eólico de velocidad variable.

CONCLUSIONES

Los estudios realizados en un parque eólico de velocidad

variable han demostrado que el análisis del impacto de la

intensidad transitoria de conexión del transformador en la

respuesta transitoria del parque eólico demuestra la impor-

tancia de considerar este fenómeno en los estudios de con-

tinuidad de suministro. La intensidad transitoria de conexión

del transformador afecta al consumo de potencia reactiva

del parque eólico en el período inmediatamente posterior a

la recuperación de la tensión, y, por tanto, a la capacidad del

parque en mantener la continuidad de suministro.

La evaluación de la continuidad de suministro de los parques

eólicos de velocidad variable indica que cumplen con los

requisitos exigidos de conexión a la red. Puesto que la red

equivalente dinámica representa de forma similar la respues-

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

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 Mo-

dels for Analyzing Power System Dynamics”. Fourth Inter-

national Workshop on Large-Scale Integration of Wind

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

del PO 12.3 sobre la respuesta de Instalaciones Eólicas

ante Huecos de Tensión”.

ACERCA DEL AUTOR

Alberto Ríos Villacorta. Ingeniero Eléctrico en la especialidad

de Sistemas y Redes Eléctricas por el Instituto Politécnico de

Bielorrusia en el año 1993. Máster en Energías Renovables por

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

geniero industrial por la Universidad Carlos III de Madrid en el

año 2007. Director técnico de Energy to Quality, Laboratorio de

Ensayos de Turbinas Eólicas y Simulaciones de Parques Eólicos,

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

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

Sus áreas de interés son el modelado dinámico de sistemas de

generación eléctrica y los estudios de integración de sistemas

renovables.




147


Ricardo Benites. Tecsup

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

Resumen

El presente trabajo de investigación, tiene como finalidad

usar: la “Tecnología de los métodos combinados” en la con-

servación de los alimentos; la cual permite reducir la inten-

sidad del tratamiento térmico y mantener las propiedades

organolépticas del fruto fresco en el producto final, mediante

la reducción de la actividad de agua (aw), la regulación del

pH y la adición de conservantes que aseguran su estabilidad

y seguridad microbiana.

El objetivo de este trabajo fue aplicar dicha tecnología para

conservar el fruto del durazno de la variedad “blanquillo mo-

queguano” y analizar la calidad y vida útil de los productos

obtenidos a temperatura ambiente.

La elaboración de la conserva del blanquillo moqueguano se

efectuó del siguiente modo: se prepararon mitades de duraz-

nos estabilizándolos con una relación 1 a 2 (fruta – jarabe).

Posteriormente, se evaluó su estabilidad microbiológica, fi-

sicoquímica y organoléptica durante su almacenamiento a

26 °C (+ 2 °C) en frascos de vidrio.

Los resultados indican que la aplicación de los métodos com-

binados en la conservación del blanquillo moqueguano per-

miten conservar el producto a temperatura ambiente, man-

teniendo una estabilidad y seguridad microbiológica por un

periodo de 80 días a 25 °C. En la aplicación de la tecnología

de los métodos combinados se comprobó que los microor-

ganismos son sensibles a los cambios de temperatura (shock

térmico); siendo los más afectados hongos, coliformes y le-

vaduras. Se determinó las siguientes condiciones de proce-

samiento para mantener una buena conservación del fruto: 1

000 ppm de sorbato de potasio (SK) y 150 ppm de benzoato de

sodio (BNa), regulación de 3,8 en pH (preparación del jarabe) y

tratamiento térmico por 2 min.

Abstract

This research is aims to use: the “Technology of the Combined

Methods” for food preserving, which allows to reduce the in-

tensity of the thermal treatment and keep the organoleptic

properties of the fresh fruit in the final product through the

reduction of the water activity (aw), the pH regulation, and the

addition of preservatives that guarantee its microbial stability

and safety.

The objective of this research was to apply such technology to

preserve the peach of the “Moqueguan White Peach” variety

and analyze the quality and shelf life of the obtained products

at room temperature.

The production of the canned Moqueguan White Peach was

carried out as follows: peaches cut in half were prepared and

stabilized with a 1 to 2 relation (fruit -syrup). Afterwards, its mi-

crobial, physicochemical and organoleptic stability was evalua-

ted during its storage at 26º C (+2ºC) in glass jars.

The results indicate that the application of the combined

methods in the preservation of the Moqueguan White Peach

allows to mantain the stability and microbiological safety for a

period of 80 days at 26 °C. In the application of combined me-

thods technology it was found that the organisms are sensi-

tive to temperature changes (thermal shock) being the most

06_Articulo de investigacion_benites.indd 147 2/13/12 5:57 PM

148


BENITES, Ricardo. “Aplicación de los Métodos Combinados en la Conservación del Blanquillo Moqueguano (durazno)”

affected fungi, coliforms and yeasts. The following processing

conditions were determined for the good preservation of the

fruit: 1000 ppm of Potassium Sorbate (KS) and 150 ppm of

Sodium Benzoate (BNa), regulation of pH in 3.8 (preparation

of syrup) and heat treatment for 2 min.

Palabras clave

Blanquillo moqueguano, métodos combinados, conserva-

ción de alimentos, conservas.

Key words

Moqueguan White Peach, Combined Methods, Food Preser-

vation, Canned food.

INTRODUCCIÓN

A través de la historia de la conservación de alimentos, se

advierte que los métodos de procesamiento de frutas y hor-

talizas han cambiado continuamente. En los últimos años se

han dado mejoras significativas que fueron estimuladas por

la demanda en calidad y la extensión de la vida en anaquel

de los productos procesados.

En los últimos 20 años se han desarrollado nuevas tecnolo-

gías en Iberoamérica para conservar “el alto contenido de

humedad de la fruta, sin que esta pierda sus características

y propiedades naturales” (durazno, piña, mango, papaya, plá-

tano); basados en el principio de reducir la intensidad del

tratamiento térmico; debido a que este último produce re-

acciones tanto físicas como químicas que influyen en el valor

nutritivo de los alimentos.

En los países en vías de desarrollo, como el Perú, se enfren-

ta el desafío de que sus productos frutícolas se adaptan a su

realidad regional, las pérdidas poscosecha son altas; además

de que hay severas restricciones de energía, transporte y un

almacenamiento ineficaz. En consecuencia, existe una nece-

sidad urgente de alternativas de procesamientos simples y

baratos que reemplacen la esterilización, refrigeración, con-

gelación y otros métodos de procesamiento con gasto de

energía y un alto capital de inversión. La tecnología de los

métodos combinados, aplicados a la conservación de frutas,

podrían aportar una solución a esta problemática.

El durazno de la variedad “blanquillo moqueguano” es una

de las variedades de mayor producción en el Perú; siendo las

zonas de mayor producción: Lima (33 000 T.M.), Arequipa (1

200 T.M), Junín (1 100 T.M), Ancash (900 T.M) e Ica (450 T.M). Es

un fruto carnoso, rico en carbohidratos, vitaminas, minerales

y está dentro de la clasificación de alimentos de humedad in-

termedia (AHI); por lo que gran parte de su producción, entre el

10% y 40%, se descompone.

Una alternativa para la conservación de este recurso lo consti-

tuyen los “métodos combinados”, que son: 1) Aplicación de un

ligero tratamiento térmico para inactivar enzimas y disminuir

la carga microbiana inicial, 2) Reducción de la aw por adición

de sacarosa (azúcar), 3) Ajuste de pH en caso de ser necesario

con ácido cítrico o fosfórico y 4) Adición de conservantes como

sorbato de potasio o benzoato de sodio; de tal forma que se

alcance la estabilidad del producto durante un tiempo sin ne-

cesidad de refrigeración.

El presente trabajo de investigación tiene como objetivos: de-

terminar las características físicas y químicas de la materia pri-

ma y del producto final en conserva (aw, pH, °brix, azúcares re-

ductores y no reductores, humedad, cenizas y acidez) y evaluar

la vida en anaquel del blanquillo moqueguano conservado por

métodos combinados (cuenta de hongos, mesófilos y levadu-

ras).

Con todo este avance tecnológico se permitirá dar otra alter-

nativa para aprovechar este fruto, sin que ocasione pérdida

alguna. Se da lugar a que se amplíen las zonas de producción

con el posterior beneficio para el desarrollo químico industrial

y agroindustrial; satisfaciendo así las necesidades alimentarias y

económicas de un pueblo en vías de desarrollo como es el Perú.

FUNDAMENTOS

La tecnología de los métodos combinados pretende conservar

las propiedades organolépticas de alimentos almacenados por

largos periodos, debido a que los alimentos son susceptibles de

presentar un deterioro físicoquímico y/o microbiano en algu-

nas de las etapas de su procesamiento previas a su consumo.

Entre los principales mecanismos de protección, usando esta

tecnología de métodos combinados, se encuentran: la aplica-

ción de un ligero tratamiento térmico, como es el escaldado

para el caso de las frutas; reducción de la actividad de agua (aw)

por medio de agentes depresores de la misma, como la gluco-

sa o sacarosa incorporadas a las conservas en almíbar; acidifi-

cación del sistema por medio de ácidos orgánicos débiles; así

como la adición de sustancias antioxidantes y/o antimicrobinas.

ACTIVIDAD DE AGUA (aw)

La regulación del agua para la conservación de los alimentos,

es disminuir el contenido de agua disponible en el sistema me-

diante la adición de agentes depresores (se puede controlar


149



por deshidratación, congelación o por la adición de solutos

tales como: sal o azúcar) con el objetivo de evitar el desarrollo

microbiano, así como de reacciones deteriorativas.

La aw es una propiedad termodinámica de un alimento o so-

lución, y se define como la relación entre la presión de vapor

en equilibrio de la muestra (P) y la presión de equilibrio del

agua pura (P°) a la misma temperatura, y pueden tener valo-

res que varían desde 0 a 1.

Donde:

aw = es la actividad de agua, P(alimento ,T) es la presión par-

cial del agua ejercida por el alimento a una temperatura T.

Siendo equivalente la ecuación de la actividad de agua con

la de humedad relativa dividido entre 100.

La relación de aw y la humedad relativa es fundamental en

la fabricación de ciertos alimentos; donde controlando los

parámetros indicados, nos permite obtener el grado de des-

hidratación deseado y la conveniente flora superficial.

Se disponen de varios métodos instrumentales que se em-

plean ampliamente en la industria alimentaria para la de-

terminación 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

a 0,85.

MEDICIÓN DE pH

Controlando el pH de un producto alimenticio se puede inhi-

bir 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-

llarse a pH inferiores. Para evitarlo, se adicionan a los produc-

tos alimentación ácidos orgánicos débiles (ejemplo: ácido

cítrico, ácido fosfórico) con el objetivo de acidificar el medio y

evitar el crecimiento microbiano; es decir, presentan también

un efecto conservador.

TRATAMIENTO TÉRMICO

Esta tecnología es empleada durante la preparación de pro-

ductos frutícolas para lograr la inactivación de enzimas como

la polifenoloxidasa, capaz de desarrollar reacciones deterio-

rativas en los alimentos; entre ellos, el oscurecimiento y al-

teración 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

algunos minutos.

SUSTANCIAS ANTIMICROBIANAS

Su objetivo principal es inhibir el crecimiento microbiano du-

rante el almacenamiento de los productos. Estas sustancias

tienen tres tipos de acción sobre el microorganismo: inhiben

la biosíntesis de la pared celular (ácidos nucleicos), dañan la in-

tegridad de las membranas e interfieren con los procesos meta-

bólicos esenciales. En general, se dice que los antimicrobianos

pueden ser de dos tipos: conservadores sintéticos (sustancias

químicas con el objetivo de retardar el proceso de deterioro) o

agentes naturales (sustancias naturales comúnmente utilizadas

en la cocina diaria, con las propiedades de inhibir el crecimiento

microbiano). Los conservantes químicos más utilizados en las

industrias son: el sorbato de potasio y el benzoato de sodio;

mientras que los agentes naturales de mayor importancia son

la vainillina (vainilla) y la canela.

ESTRUCTURA MOLECULAR DE SUSTANCIAS ANTIMICRO-BIANAS USADAS EN LA CONSERVACIÓN DE ALIMENTOS

1. Sorbato de potasio

2. Benzoato de sodio

3. Vainillina (vainilla) 3. Aldehído cinámico (canela)

Cuadro 1. Estructura molecular de las principales sustancias antimicro-

bianas.

Los productos obtenidos mediante la aplicación de las tecnolo-

gías descritas vienen a ser alimentos mínimamente procesados

pero altamente seguros para el consumo humano, de larga vida

de anaquel y de apariencia fresca. Su procesamiento es simple y

ello permite reducir costos por pérdidas poscosecha, al almace-

nar los productos sin necesidad de refrigeración.

METODOLOGÍA


150



La conservación del blanquillo moqueguano (durazno) apli-

cando la tecnología de los métodos combinados; aúna diver-

sos métodos de conservación para dar lugar a un producto

estable, seguro y con apariencia fresca. Entre estos tenemos:

escaldado (ligero tratamiento térmico de la fruta con vapor

directo a 100 °C por 2 minutos), adición de agentes depreso-

res de la aw como la glucosa (azúcar usado en preparación

del jarabe), reducción de pH con ácidos orgánicos débiles

como el ácido cítrico o fosfórico y la adición de agentes anti-

microbianos.

Sensorialmente, las formulaciones en las cuales se combinan

estos tres factores son aceptables por parte de los consumi-

dores finales.

FACTOR INTERVALO DEL FACTOR

Actividad acuosa

(Inmersión en sacarosa)0,94 – 0,98

pH

(Ajustado con ácido cítrico o

fosfórico)

3,0 – 4,1

Tratamiento térmico

(Escaldado)Vapor saturado por 2 min

Agentes antimicrobianos

(Sorbato de potasio)

(Benzoato de sodio)

0 – 1 500 ppm

Cuadro 2. Principales factores usados en frutas

de humedad Intermedia.

Fuente: Minimally Processed Fruits by Combined Methods.

Alzamora S.M., 1995.

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

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.

Con la finalidad de eliminar las partículas extrañas adheridas

a la superficie de la fruta (tierra, basura, hojas), se realizó un

lavado por inmersión hasta dejarlo en condiciones óptimas

para las etapas posteriores del proceso.

El pelado de la fruta se realizó sumergiéndola en solución de

NaoH en ebullición al 5% (% en peso) por un minuto, enjua-

gando luego la fruta con agua fría hasta desaparecer la soda

caústica (esto es comprobado echando unas pequeñas gotas

de fenolftaleína al agua de enjuague, hasta que no presente

coloración alguna).

Luego, el fruto fue descarozado (eliminación de la pepa) y cor-

tado en mitades para ser escaldado con vapor saturado (100

°C) por un tiempo de 2 minutos; esto es realizado principalmen-

te para inactivas enzimas que puedan contribuir a cambios in-

deseables en la pulpa de la fruta.

Obtenida la pulpa (1 000 gr), se traslado a frascos de vidrio y

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

de sorbato de potasio (SK), 150 ppm de benzoato de sodios

(BNa) y 0,98 de aw en equilibrio. Una vez envasado el producto

en frascos de vidrio se deja enfriar hasta temperatura ambiente.

A partir de esta etapa se va a determinar el tiempo de vida

en anaquel del blanquillo moqueguano, conservado por mé-

todos combinados a través de los respectivos análisis micro-

biológicos.

Selección durazno

Lavado

Pelado

Descarozado

Escaldado

Envasado

Empaquetamiento

Control microbiológico

Fig. 1. Diagrama de flujo del proceso de conservación del blanquillo

moqueguano (durazno) utilizando métodos combinados.

Impurezas

Cáscaras

Pepas

Relación jarabe - fruta 2 a 1

(p/p)

Agua fria

NaOH 5%

Vaporsatiurado

151



En el cuadro 3, se observa los valores de los parámetros físi-

cos y químicos del blanquillo moqueguano antes y después

del tratamiento de conservación.

CARACTERÍSTICASDURAZNO

FRESCO

DURAZNO EN CONSERVA PRODUCTO

FINAL

Humedad (%) 85,27 82,54

Sólidos solubles (°Brix) 13,00 12,40

Azúcares reductores (%) 2,73 2,72

Azúcares no reductores

(%)3,80 3,39

Acidez (% ácido cítrico) 0,84 0,81

pH 4,30 3,75

Cenizas 0,40 0,30

Actividad de Agua (aw) 0,98 0,95

Cuadro 3. Comparación de los parámetros físicos químicos del blanqui-

llo moqueguano.

De acuerdo a los resultados se observa que el valor de pH del

durazno fresco es mayor que la del conservado; ello se debe

a la influencia del ácido cítrico en la solución del jarabe (re-

lleno). En la composición de azúcares reductores y no reduc-

tores no se evidenciaron cambios significativos, ya que estos

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

etapa de escaldado y del tratamiento de conservación.

CARACTERÍSTI-CAS

DURAZNO FRESCO

(UFC/ml)

DU-RAZNO ESCAL-DADO (UFC/

ml)

DURAZNO EN CONSER-VA PRODUC-

TO FINAL (UFC/ml)

Microorganis-

mos aerobios

mesófilos viables

(AMV)

38 x 104 22 x 10 < 10

Hongos 24 x 102 30 x 10 < 10

Levaduras 62 x 102 0 0

Cuadro 4. Recuento microbiológico por etapas.

Los resultados demostraron que la carga microbiana es alta en

la fruta fresca, notándose un alto porcentaje de bacterias pro-

pias de las frutas que no son manejadas con el mínimo grado

de salubridad. Esta flora microbiana se ve disminuida después

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

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-

nados. Este recuento microbiológico de microorganismos ae-

robios mesófilos viables (MAMV), hongos y levaduras, se realizó

después de 12 días de estabilización entre la fruta y el jarabe.

Tiempo (Días)

MAMV (UFC/ml)

HONGOS (UFC/ml)

LEVADURAS (UFC/ml)

0 < 10 < 10 O

8 < 10 < 10 < 10

12 < 10 < 10 < 10

20 12 < 10 < 10

29 7 < 10 < 10

36 < 10 < 10 < 10

44 15 < 10 < 10

51 <10 < 10 < 10

60 <10 < 10 < 10

68 <10 < 10 < 10

74 <10 8 12

82 20 5 35

90 75 < 10 120

Cuadro 5. Recuento microbiológico del blanquillo moqueguano utilizan-

do métodos combinados

Fig. 2. Semana de la estabilización del jarabe y la fruta en relación 2 a 1

(P/P).

152



Los resultados muestran que el blanquillo moqueguano

conservado por métodos combinados fue estable microbio-

lógicamente por 82 días; presentando un efecto casi de es-

terilización después de haber alcanzado su estabilización. La

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

microorganismos pero si cumplen el efecto de retardo del

crecimiento microbiano.

En el cuadro 6 se muestra la aceptabilidad del blanquillo mo-

queguano teniendo como evaluadores a cinco panelistas no

entrenados, en donde se evaluaron las propiedades organo-

lépticas a los 8, 20, 30, 50 y 70 días después de la estabiliza-

ción.

CARACTERÍSTICAS PROMEDIO

Sabor 4,20

Color 3,66

Aroma 4,17

Cuadro 2. Principales factores usados en frutas de alta humedad.

En cuanto a la aceptabilidad, los panelistas han evidenciado

que la fruta no pierde sus características organolépticas, re-

sultando ser muy aceptable, presentando ésta un color blan-

co, sabor suave, un olor característico del fruto y un aspecto

limpio y transparente.

CONCLUSIONES

El blanquillo moqueguano (durazno) fue microbiológica-

mente estable en frasco de vidrio por 80 días a una tempe-

ratura ambiente de 26 °C (+ 2 °C); conservándose todas sus

propiedades organolépticas intactas durante su periodo de

almacenamiento.

Se comprobó que los microorganismos son sensibles a los

cambios de temperatura (shock térmico), es decir, cambios

inusitados matan la flora microbiana, siendo los más afecta-

dos hongos y levaduras. Esto se manifestó después del pela-

do caustico y escaldado (T = 100 °C y t = 2 min), provocando

la ausencia de coliformes, hongos y levaduras.

La sustitución de sacarosa por glucosa y la adición de ácidos

orgánicos débiles fue relativamente favorable (aditivos utili-

zados en la preparación de jarabe), ya que se obtuvo una ligera

disminución de la aw y de pH. Esto retardo el crecimiento mi-

crobiano a temperatura ambiente, sin afectar por ello las pro-

piedades organolépticas del durazno.

Se debería continuar con el estudio en el ámbito industrial rea-

lizando una evaluación económica de costos de fabricación.

Se toma como base el presente trabajo de investigación. Auna-

do al estudio de otros principios de conservación como por el

ejemplo la refrigeración para alargar el tiempo de vida útil en

anaquel de la conserva.

Con este tipo de tecnología no es necesario una alta inversión

en equipos de procesamiento de conservas.

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-

mosis. En: Agentes Osmóticos Potenciales para la Deshidratación

Osmótica de Frutas (pp: 53). Lima: U.N.A La Molina.

Cruess, V. (1987). Industrialización de frutas y hortalizas. Buenos

Aire: Editorial Suelo Argentino.

C.M.S.F. (1994). Ecología microbiana de los alimentos y factores

que Afectan a la Supervivencia de los microorganismos en los ali-

mentos. Madrid: Editorial Acribia.

Alzamora S. M., Cerruti, P., Guerreo, S. & López-Malo, A. (1995).

Minimally Processed Fruits by Combined Methods. USA: Pub. Co.,

Lancaster.

Ministerio de Agricultura-Instituto de Recursos Naturales (IN-

RENA). Oficina de información Agraria. Lima: 1995.

Equipos y tecnología. Revista Técnica de la industria Alimentaria.

Alemania, setiembre 1998.

Fernández, E., Monserrat, S., Sluka, E. (2005). Tecnologías de

conservación por métodos combinados en pimiento, chaucha

y berenjena. [en línea], N.°2. Recuperado el 01 de Noviembre

de 2011 de http://bdigital.uncu.edu.ar/objetos_digitales/785/

fernandezAgrarias2-05.pdf.


153



ACERCA DEL AUTOR

Ricardo Benites Aliaga, graduado en Ingeniería Química por

la Universidad Nacional de Trujillo (UNT). Ha realizado estu-

dio de maestría en la Universidad del Pacífico en Adminis-

tración de Empresas (MBA). Su experiencia profesional in-

dustrial la ha desarrollado en el área de investigación a nivel

piloto (estandarización de parámetros de operación), super-

visión 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 Ma-

drid (Cepade).

Original recibido: 06 de noviembre de 2011



155


Oscar Peña, Tecsup

Estudio y Simulación de las Configuraciones deTransformadores para el Mejoramiento de la

Calidad de Energía

Study and Simulation of Transformer Configurations to Improve Energy Quality

Resumen

Este artículo presenta el estudio y la simulación de las confi-

guraciones de transformadores para el mejoramiento de la

calidad de energía, mostrando el sustento teórico basado en

la expansión de las series de fourier y el análisis de las com-

ponentes simétricas. Se implementa un sistema de prueba en

el laboratorio, realizando mediciones y verificando la efecti-

vidad de las configuraciones en la reducción del contenido

armónico del sistema. Las configuraciones son modeladas

utilizando el software PSCAD/EMTDC y empleando como car-

gas de prueba rectificadores de 6 pulsos, así como variadores

de velocidad.

Palabras clave

Armónicos, calidad de energía, componentes simétricas, con-

vertidores, transformadores.

INTRODUCCIÓN

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-

municación) y efectos a largo plazo (pérdidas adicionales en

maquinas y transformadores, bancos de condensadores, ca-

lentamiento de cables y equipos, etc.). Las consecuencias son

múltiples, por ejemplo: pérdida de capacidad de aislamiento

de los equipos (menor tiempo de vida o su total inoperati-

vidad); actuación inadecuada de los sistemas de protección

(que puede llevar a la desconexión de cargas importantes, lo

cual podría conllevar a penalidades), etc.

Existen diferentes soluciones para cada problema específico de

polución armónica en los sistemas eléctricos, la utilización de

reactancias de choque, filtros pasivos, inductancias antirreso-

nantes y otras soluciones que involucran electrónica de poten-

cia como los filtros activos y filtros híbridos.

La utilización de transformadores permite la reducción del con-

tenido armónico del sistema, sobre todo en aquellos donde se

tienen convertidores, los cuales son conectados de modo que

los armónicos producidos por un convertidor sean cancelados

con los armónicos producidos por otros convertidores.

En el presente artículo se analizan diferentes configuraciones

de transformadores, que nos permiten reducir la contamina-

ción armónica en el sistema producidas, por las armónicas 3th,

5th y 7th, 11th y 13th, implementando un sistema de prueba

en laboratorio y modelando las configuraciones en el software

PSCAD/EMTDC, bajo la consideración cargas no lineales (recti-

ficadores de 6 pulsos y variadores de velocidad).

Las simulaciones de los sistemas son realizadas tomando en

cuenta los criterios descritos en [2] y [3].

OBJETIVO

• Mostrar y analizar las configuraciones de transformadores

que permiten disminuir el grado de contaminación armó-

nica en el sistema.

• Presentar los resultados de la comparación teórica experi-

mental (laboratorio-software PSCAD/EMTDC).

07_Estudio y Simulación de las Configuraciones_peña.indd 155 2/13/12 5:59 PM

156


PEÑA, Oscar. “Estudio y Simulación de las Configuraciones de Transformadores para el Mejoramiento de la Calidad de Energía”

CONFIGURACIÓN DE TRANSFORMA-DORES PARA LA REDUCCIÓN DEL TERCER ARMÓNICO Y SUS MÚLTI-PLOS

A. Análisisdelsistema

Las configuraciones de transformadores trifásicos más utili-

zadas en los sistemas eléctricos son D − y, y − D.

Estas configuraciones son mostradas en la fig.1, donde po-

demos 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-

pendiendo de la secuencia de las fases (positiva o negativa).

Podemos notar además que estas configuraciones tienen

por lo menos un devanado en D.

Fig. 1. Configuraciones de transformadores con devanado D.

B. Armónicasycomponentesdesecuencia

La serie de Fourier representa una alternativa para el análisis

de la distorsión armónica de corriente y tensión cuando no se

consideran componentes interarmónicas y subarmónicas. [1]

Una forma de onda periódica puede ser representada en la

serie de Fourier como:

(1)

Donde:

es una función de frecuencia , frecuencia angular

Constituye el valor medio de la función

(2)

(3)

Sin embargo, esta expresión también puede expresarse de la

siguiente manera:

(4)

Donde:

h0 : Componente DC.

h1 : Componente fundamental

hi : Componentes armónicas pares

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 transfor-

madores.

Las armónicas pares son originadas por los hornos de arco, los

ciclos convertidores y los rectificadores semicontrolados (ac-

tualmente en desuso debido a su inestabilidad).

Las armónicas impares son generadas por equipos basados en

rectificadores estáticos y rectificadores controlados, son las que

se encuentran en mayor magnitud en los sistemas eléctricos.

Como una aproximación de este sistema y simplificando la ex-

presión (4), tenemos:

(5)

Considerando las corrientes:

Entonces, para la 3th tenemos:

Entonces


157



La fig. 2 muestra cómo la conexión D − y atrapa a los armó-

nicos de tercer orden y sus múltiplos en el lado D, haciendo

que estos no circulen como componentes armónicas en las

corrientes de línea del primario. Si el devanado en Y no está

conectado a tierra, no habrá corriente en el neutro y como

las componentes de secuencia cero están en fase, no existe

posible trayectoria para estas corrientes en el secundario. [4]

Fig. 2. Trampa de armónicos de tercer orden.

C. Simulación del sistema

La fig. 3 muestra un sistema donde se inyecta corriente fun-

damental a 60 Hz (40A) y corriente de 180 Hz (20A) con la

finalidad de observar la actuación del devanado D como

trampa de armónicos de tercer orden.

Fig. 3. Simulación del sistema de conexión D − Y.

Los resultados de la simulación son mostrados en la fig. 4. La

corriente de línea en el primario del transformador ( IA ) solo

contiene la componente fundamental.

Fig. 4. Corriente de línea IA sin la presencia

de armónicos de tercer orden.

El THDi pasa de 50 % a 0 %, verificando que las armónicas de

tercer orden quedan atrapadas en el devanado D.

A. Análisis del sistema

El transformador es un dispositivo capaz de cambiar el ángulo

de la fase de una señal eléctrica y permite minimizar el conte-

nido armónico de un sistema cuando se conectan en paralelo

dos cargas iguales mediante transformadores de potencia con

conexiones distintas. Esta técnica es muy utilizada en el control

de armónicos generados por convertidores multipulso [5].

La fig. 5 muestra la configuración del sistema para minimizar el

contenido de los armónicos 5th y 7th en el sistema.

El transformador T1 tiene una configuración Y − Y, evidente-

mente en el transformador T2 la componente de 3th quedará

atrapada en el devanado D.

El transformador T2 tiene una configuración Y − D, introduce

un desfasaje de 30º entre la corriente de línea del lado primario

y la corriente de línea del lado secundario, mientras que en el

transformador T1 las corrientes de línea primaria y secundaria

están en fase.

Fig. 5. Conexión de transformadores para disminuir la 5th y7th.

La 5th es de secuencia negativa, en un motor produciría un

campo magnético que gira en sentido contrario a la compo-

nente fundamental originando el sobrecalentamiento del mo-

tor y una velocidad en el eje menor a la prevista.

La 7th es de secuencia positiva, en un motor produciría un cam-

po magnético que gira en el mismo sentido que la componente

fundamental originando el incremento de corriente y una velo-

cidad en el eje mayor a la prevista.

158



B. Armónicasycomponentesdesecuencia

Las ecuaciones correspondientes al análisis de secuencia de

la 5th son las siguientes:

Debido al desfasamiento de -30° que introduce el transfor-

mador T2, las corrientes del secundario correspondientes a la

5th armónica están desfasadas en - 30*5 = -150°, respecto a

las del transformador T1.

Mientras que, debido a que las 5th se comportan como com-

ponentes de secuencia negativa, existe -30° de desfasamien-

to, por lo tanto las corrientes en el primario de T2 están desfa-

sadas -150 - 30 = -180° = 180°.

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

fuente.

Las ecuaciones correspondientes al análisis de secuencia de

la 7th son las siguientes:

Debido al desfasamiento de -30° que introduce el transfor-

mador T2, las corrientes del secundario del T2 correspondien-

tes a la 5a armónica están desfasadas en -30 * 7 = - 210° =

150°, respecto a las del transformador T1.

Mientras que, debido a que las 7th se comportan como com-

ponentes de secuencia positiva, existe -30° de desfasamiento,

por lo tanto las corrientes en el primario de T2 están desfasa-

das 150 +30 = 180°.

Si las magnitudes de las corrientes en los primarios de T1 y

T2 son iguales, entonces la 7th se cancela y no fluye hacia la

fuente.

Si en el lado de baja tensión de los transformadores T1 y T2 se

colocan rectificadores de seis pulsos, la corriente en el lado de

baja está dada por: [6]

(6)

Luego, cuando esta corriente es reflejada en el lado de alta

del transformador Y-Y tenemos:

(7)

Y en el transformador D-Y tenemos:

(8)

Entonces la corriente total en el lado de alta será IY + ID :

(9)

(10)

UTILIZACIÓN DE TRANSFORMADO-RES ZIG ZAG PARA LA REDUCCIÓN DE CONTENIDO ARMÓNICO

A. Análisisdelsistema

Para la reducción de corrientes armónicas de los convertidores

múltiples se emplean transformadores con desplazamiento de

fase.

El cambio de fase debe ser apropiado para el número de con-

vertidores. En general, el desplazamiento de fase mínima re-

querida para el número de convertidores con formas de onda

de 6 pulsos es:

(11)

En los circuitos multipulso las corrientes armónicas individua-

les de cada convertidor puente siguen siendo las mismas. Estos

arreglos permiten que las corrientes armónicas producidas por

un convertidor sean compensados por otro convertidor.

El hecho de que las tensiones de secuencia negativa y las co-

rrientes se desplacen en sentido opuesto a los valores secuen-

cia positiva también proporciona un mecanismo para cancelar

los armónicos de dos en dos.

Los tipos de conexión de los transformadores zig zag son; pri-

mario en Y secundario en zig zag ( Z ), primario en Dy secunda-

rio en zig zag ( Z ). Tanto en desfase positivo + Z y negativo − Z .

La fig. 6 muestra la configuración del arreglo de transformado-

res para minimizar el contenido armónico de cuatro rectifica-

dores de 6 pulsos, lo que hace un total de 24 pulsos.


159



Fig. 6 Utilización de transformadores zig zag para disminuir el conteni-

do 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

sistema equivalente es 8,2%.

Fig. 7. Reducción del contenido armónico del sistema.

IMPLEMENTACIÓN Y SIMULACIÓN DE UN SISTEMA DE FILTRADO DE ARMÓ-NICOS PARA 5TH Y 7TH UTILIZANDO ARREGLO DE TRANSFORMADORES

A. Descripcióndelsistema

La fig. 8 muestra el esquema de conexión 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

internas de datos.

• 2 recticadores de potencia de 6 pulsos.

• 3 PC.

• Resistencias, capacitancias e inductancias.

• Cables de conexión.

Fig.8. Esquema de conexión del sistema

La fig. 9 muestra la implementación del sistema en el laborato-

rio. Lo que incluye instrumentos de medición y varias PC para

observar los espectros armónicos y el equipamiento necesario.

Fig.9. Imágenes de la implementación del sistema

B. Resultados

La fig. 10 muestra los espectros armónicos obtenidos de la me-

dición de los equipos, en cada rectificador y en la entrada de la

fuente.


160



Fig. 10. Resultados de las mediciones

a) Trafo-Rectificador YY

b) Trafo- Rectificador YD5

c) Equivalente del Sistema

C. Simulación del sistema

La fig. 11 muestra la configuración del sistema.

Fig. 11. Configuración del sistema, con dos rectificadores de 6 pulsos.

Fig. 12. Reducción del contenido armónico del sistema y formas de onda.

Los resultados son mostrados en las fig. 12 donde se puede

observar que el THDi en el lado de alta del transformador es

27,45%, y el THDi en la fuente es 10,25%. Se verifica la reduc-

ción del contenido armónico del sistema.

La fig. 13 muestra la configuración del sistema. Se han mode-

lado los variadores de velocidad de acuerdo a [7], aquí se ha

considerado que los variadores no cuentan con reactancia de

choque o mecanismos que reduzcan el grado de contamina-

ción del sistema, para poder apreciar la efectividad del sistema.

Fig. 13. Configuración del sistema, con dos variadores de velocidad

161



La fig. 14 muestra que el THDi en el lado de alta del transfor-

mador es 111,48%, y el THDi en la fuente es 41,15%. Se verifi-

ca la reducción del contenido armónico del sistema.

Fig. 14. Resultados de la simulación: corriente en la entrada de los

variadores.

• El transformador es un dispositivo capaz de cambiar el

ángulo de la fase de una señal eléctrica y permite mini-

mizar el contenido armónico de un sistema, cuando se

conectan en paralelo dos cargas iguales mediante trans-

formadores de potencia con conexiones distintas. Estos

arreglos de transformadores hacen posible que las co-

rrientes armónicas producidas por un convertidor sean

compensados por otro convertidor.

• Las armónicas de tercer orden y sus múltiplos pueden ser

filtradas eficientemente con la utilización de un transfor-

mador D − Y, estas armónicas aparecen cuando utiliza-

mos cargas que cuentan con rectificación monofásica de

entrada, los cuales podrían ser los equipos de TV, compu-

tadoras o sistemas de iluminación.

Adicionalmente a ello también puede utilizarse esta con-

figuración en sistemas con alumbrado dimable para edi-

ficios.

• 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

cuidado de que las cargas tengan potencias similares, ya

que la diferencia de la amplitud de corriente no permiti-

ría que se logren filtrar adecuadamente las armónicas en

este sistema. Esta configuración puede ser utilizada con

cargas de potencia que poseen rectificación de entrada,

como los mostrados en este articulo (rectificadores y varia-

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.

Deseo expresar mi agradecimiento al Laboratorio de Electro-

tecnia del Instituto Superior Tecnológico TECSUP, por el apoyo

brindado en la implementación de este proyecto.

[1] Acevedo, S. (s. f.). Conexión de transformadores para eli-

minar armónicas. Departamento de Ingeniería Eléctrica.

ITESM, Campus Monterrey.

[2] Task Force on Harmonics Modeling and Simulation. Mo-

deling and Simulation of the Propagation of Harmonics in

Electric Power Networks. Part I: Concepts, Models, and Si-

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Electric Power Networks. Part II: Sample Systems and Exam-

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[7] Peña, O. & Montes, F. (2007). Análisis de la influencia armónica

de los Variadores de velocidad en los sistemas eléctricos y pro-

puesta para mitigar armónicos. Sicel.

162



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-MI-

NEM CARELEC.

Ha trabajado en CAM PERU – ENDESA en el Área de Gestión

Energética y Automatización (2007-2009). En el área de pla-

neamiento de MT/BT en la empresa de distribución eléctrica

LUZ DEL SUR (2009-2011). Actualmente trabaja en SCHNEI-

DER ELECTRIC en la línea de negocio de Energy. Sus temas de

interés son: Estudios y Aplicaciones de Electrónica de Poten-

cia y Calidad de Energía, Energías Renovables y gestión de la

energía.

Original recibido: 15 de setiembre de 2011



163


Marco Polo, Tecsup

Método Alternativo para la ProducciónDirecta de Azúcar Blanco

Alternative Method for the DirectProduction of White Sugar

Resumen

La caña de azúcar presenta una gama de sustancias que son

extraídas con el jugo y que pueden modificar el color del azú-

car.

La producción directa de azúcar blanca se lleva a cabo por el

método convencional empleando gases de dióxido de azufre

(SO2) como decolorante. El método tiene problemas con las

especificaciones actuales por su contenido de SO2 que conta-

minar y deteriorar las industrias que lo utilizan.

El objetivo del presente trabajo es evaluar un método alterna-

tivo para la producción directa de azúcar blanca empleando

arcillas activadas con ácido fosfórico, aprovechando además

que tienen ya un empleo comprobado en la decoloración

de alimentos como los aceites vegetales y animales. Para de-

mostrar su viabilidad se realizaron pruebas en laboratorio y

se programaron dos corridas de producción de azúcar blanca

sin azufre en la planta industrial.

Los resultados demuestran que el nuevo proceso es un méto-

do alternativo para la producción directa de azúcar blanca en

forma ecológica, saludable y a un menor costo. Optimizar el

color del azúcar blanco requiere pequeños ajustes en el pro-

ceso, como es el empleo de agentes tensoactivos para reducir

la viscosidad de los materiales en proceso; así como la conti-

nuidad del proceso para estandarizar los colores.

Abstract

Sugar cane has a range of substances that are extracted from

the juice and can change the color of sugar.

Direct production of white sugar is carried out by the conven-

tional method using gases such as SO2 as bleacher. The method

has problems with the current specifications due to its content

of SO2 which pollutes and deteriorates the industries that use it.

The purpose of this study is to evaluate an alternative method

for the direct production of white sugar using activated clays

with phosphoric acid, taking advantage of the fact that they are

used in food bleaching such as vegetable oils and animals. To

demonstrate its feasibility, it was tested in the laboratory and

two rows of white sugar production without sulfur in the plant.

The results show that the new process is an alternative me-

thod for the direct production of white sugar in an ecological,

healthy way and at a lower cost. Optimizing the color of white

sugar requires small adjustments in the process such as the use

of surfactants to reduce the viscosity of the materials in pro-

cess, and the continuity of the process to standardize colors.

Palabras clave

Azúcar blanca, azufre, arcilla, color, turbidez.

08_Metodo alternativo produccion azucar_polo.indd 163 2/13/12 6:01 PM

164


POLO, Marco. “Método Alternativo para la Producción Directa de Azúcar Blanco”

Key words

White sugar, sulfur, clay, color, turbidity.

INTRODUCCIÓN

El azúcar blanca ha sido producida directamente en las fá-

bricas de azúcar crudo por muchos años sin refinación o re-

cristalización. Este proceso generalmente ha involucrado el

uso de la sulfitación del jugo y/o del jarabe, produciendo un

azúcar con 150 a 200 de color en unidades ICUMSA (Interna-

tional Commission for Uniform Methods of Sugar Analysis).

En la producción de azúcar sin “refinar” se incluye el proce-

so denominado “blanco directo” (Bennet and Ross 1988) y el

azúcar blanca de “plantación”.

La sulfitación del jugo tiene un importante efecto decolori-

zante en algunas industrias, particularmente en la India y Bra-

sil, donde este proceso es ampliamente practicado. En nues-

tro país también se emplea la sulfitación en algunas fábricas.

La desventaja de este proceso es el hecho de que el azúcar

tiene SO2 en su contenido, tal como se muestra en la Tabla 1.

Descripción RefinadoBlanco directo

Blanco de plantación

Polarización 99,9 99,8 99,6

Color de unidades

ICUMSA10 - 80 100 - 200 200 - 250

Turbidez (ICUMSA) 10 - 30 20 - 50 100 - 500

SO2 en mg/kg 0 1 - 5 20 - 50

Tabla 1. Comparación del blanco directo y azúcar de plantacióncon

azúcar refinada.

La técnica de sulfitar consiste en la solubilización del dióxido

de azufre en el jugo de la caña de azúcar. Esta es una ope-

ración de transferencia de masa denominada absorción y

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

influenciada por las características, a veces rudimentarias, de

los equipos empleados y que resultan en la liberación de can-

tidades considerables y no controladas de dióxido de azufre.

Como consecuencia se constatan problemas relacionados a

la higiene ocupacional, la corrosión de equipos industriales, y

la emisión de contaminantes hacia la atmósfera.

El SO2 es un gas irritante y sus efectos sobre la salud son

debido a su solubilización en la secreción húmeda del apa-

rato respiratorio humano, que provoca espasmos de los

bronquiolos, aún en pequeñas concentraciones. En cantidades

mayores, provoca irritación en todo el sistema respiratorio, cau-

sando daños en los tejidos pulmonares. La exposición prolon-

gada a bajas concentraciones de SO2 han sido asociadas con el

aumento de la morbilidad cardiovascular en personas mayores.

Además de los efectos sobre la salud, los óxidos de azufre pre-

sentan agresividad prácticamente sobre todos los materiales,

inclusive sobre la vegetación, siendo asociados a los procesos

de formación de lluvias ácidas.

Las consideraciones señaladas obligan a buscar métodos al-

ternativos para el tratamiento del jugo de caña y posibilitar la

producción del azúcar blanca de consumo directo en forma

ecológica y sustentable, habiendo sido considerable el esfuerzo

realizado por un gran número de investigadores.

El objetivo de este trabajo es evaluar la alternativa tecnológi-

ca de reemplazar el azufre en la producción directa de azúcar

blanca, empleando arcillas activadas con ácido fosfórico. Las

Arcillas naturales son probados adsorbentes de colorantes tipo

azoico, las cuales ven incrementada su capacidad de adsorción

de colorantes por activación en solución ácida, y muy utilizadas

en la industrias del aceite, textil y otras.

FUNDAMENTOS

El azúcar blanca puede ser obtenida directamente desde el

jugo concentrado de la caña de azúcar, sin que intervenga la

etapa de elaborar primero azúcar crudo para ser redisuelta o

“refundida” y sometido a purificaciones adicionales o refinada.

Para la producción directa de azúcar blanco es necesario recu-

rrir a procesos más elaborados que una simple defecación. Los

procedimientos que emplean SO2,en conjunto con cal, son los

mejores y más conocidos métodos usados.

Materiales que determinan el color de los azúcares

El color del azúcar es originado de los colorantes de la caña o

de los precursores de color contenidos en el jugo extraído, que

se manifiestan durante el proceso. Los colorantes existentes en

el jugo incluyen a la clorofila, carotenos, xantofila, antocianina,

polifenoles y los iones de fierro.

Durante el proceso se forman polímeros altamente coloridos

como consecuencia de reacciones entre los componentes del

jugo extraído. Los productos coloridos formados durante el

procesamiento son derivados, en su mayoría, de la descomposi-

ción térmica de la sacarosa y de los azúcares reductores o de la


165



reacción de los carbohidratos con compuestos amino-nitro-

genados presentes en la planta, produciendo polímeros co-

loreados, denominados melanoidinas (reacción de Maillard).

La inhibición de la formación de color ha sido conseguida,

en parte, mediante el empleo de algunos tratamientos, como

la aplicación de dióxido de azufre. La acción del SO2 sobre

el jugo es eliminar parte de la materia colorante (propiedad

común de todos los ácidos) y reducir a compuestos incoloros

las sales férricas que se forman por contacto con los molinos,

tanques y tuberías.

Sulfitación

El proceso de sulfitación ha sido empleado durante muchos

años en el tratamiento de los jugos de caña, particularmente

en la producción de azúcar blanca de consumo directo, pero

su consumo deberá ser eliminado de forma gradual debido

a las especificaciones actuales exigidas por el mercado con-

sumidor.

El efecto de la sulfitación sobre los jugos de caña puede ser

resumido en los siguientes ítems:

a. Formación en el jugo de un precipitado de pequeños

cristales de CaSO3 (sulfito de calcio) que posee gran ac-

tividad superficial y, por lo tanto, es un fuerte absorbente

y, además de eso, en razón de su alta densidad, son pode-

rosos auxiliares de la decantación: mejoran la capacidad

de los clarificadores.

b. Por su acción fuertemente bactericida, la sulfitación des-

truye los microorganismos en los jugos de caña, evitando

la acción dañina de estos.

c. Por ser un enérgico reductor, el SO2 actúa sobre las sus-

tancias colorantes del jugo, reduciendo el color. El SO2

también reacciona con los azúcares reductores inhibien-

do la formación de melaninas y caramelos que son alta-

mente melasinógenos y colorantes.

d. El jarabe, producto de la evaporación del agua del jugo

clarificado, y por consiguiente las masas cocidas son me-

nos viscosas y los cocimientos para la producción de los

cristales de azúcar son mucho más rápidos y eficientes.

e. Además, el dióxido de azufre tiene un efecto inhibidor en

el amarillamiento del azúcar por bloqueo de los grupos

carbonilos, esenciales para la formación de melanoidinas.

Como desventajas de este proceso se consideran que se de-

posita muchos incrustantes en los intercambiadores de calor,

como son los calentadores de jugo y evaporadores; la gran in-

versión que representan las columnas de sulfitación, horno de

combustión del azufre, tanques de jugo sulfitado, bombas de

circulación, corrosión de tanques y tuberías, costo del azufre,

etc. Adicionalmente, el proceso de sulfitación requiere mayor

cantidad de cal para elevar el pH del jugo y el azufre residual en

el azúcar blanca puede exceder las especificaciones demanda-

das por algunos clientes.

El tema de los sulfitos como aditivo de los alimentos está deste-

rrado en países como Estados Unidos y en la Comunidad Euro-

pea. Los sulfitos traen una serie de problemas de salud, entre los

cuales, flatulencia, alergias, urticarias y destrucción de la vitami-

na B1. La FDA (Food and Drug Administration: Agencia de Ali-

mentos y Medicamentos), agencia del gobierno de los Estados

Unidos responsable de la regulación de alimentos para seres

humanos y animales, obliga que cualquier producto alimenti-

cio que contiene más de 10 ppm de sulfito debe indicarlo en

un rótulo como tal.

Arcillas decolorantes: industria alimenticia

Las arcillas decolorantes han sido usadas por más de 100 años

en la refinación de aceites vegetales y animales, así como en

grasas y algunos aceites minerales.

Estas arcillas, conocidas como bentonita, tienen como principal

componente a la montmorillonita y su activación es usualmen-

te hecha con ácidos minerales, a elevada temperatura y por va-

rias horas. Este tratamiento incrementa la superficie específica

de un 40-60 m2/g hasta 250-350 m2/g. Sus principales caracte-

rísticas son su fuerza de adsorción de impurezas, su naturaleza

acídica y catalítica, y su capacidad de intercambio iónico.

La fórmula es SiO2Al

2O

3.H

2O y la montmorillonita varía desde

50 – 98%. Su capacidad de intercambio iónico se origina por un

desequilibrio por sustitución de iones de la unidad estructural

que se compensa con otros iones.

La arcilla empleada en esta investigación es activada con áci-

do fosfórico y su alta capacidad de adsorción la hace específi-

ca para la remoción de impurezas tanto físicas como químicas.

Su distribución de tamaño de partícula asegura una excelente

velocidad de sedimentación, arrastrando partículas en suspen-

sión, como bagacillo y otros. Esta propiedad la hace ideal para

incrementar la capacidad del clarificador.


166



Empleo de las arcillas activadas en la decoloración del jugo de la caña de azúcar

El método alternativo para la producción directa de azúcar

blanca se basa en las propiedades descritas de las arcillas ac-

tivadas, las cuales deben eliminar las materias colorantes en

el jugo extraído por los molinos de caña de azúcar e inhibir

la coloración en el proceso. Por su activación con ácido fos-

fórico, su adición al jugo de caña reduce ligeramente el pH,

ya ácido, del jugo. El empleo de sacarato de calcio en forma

inmediata para elevar el pH hasta un nivel ligeramente bási-

co, inhibe la acción de microorganismos capaces de degradar

la sacarosa contenida en el jugo. El calentamiento del jugo

permite la rápida floculación de las impurezas.

Las impurezas floculadas del jugo (se emplea como un auxi-

liar de la clarificación un floculante en pequeñas dosis), son

eliminadas principalmente en el clarificadores de jugo al no

contar en este caso, en la planta industrial, con un clarificador

de jarabe.

La medición del color y la turbidez del jugo clarificado y de

los materiales en proceso permiten una evaluación consis-

tente sobre la eliminación del color y turbidez, de la calidad

del producto final, eficiencia del proceso y costo de produc-

ción.

METODOLOGÍA

Pruebas en laboratorio

Las pruebas realizadas en el laboratorio fueron diseñadas

para determinar el color y turbidez del jugo de la caña usan-

do dosificaciones variadas de la arcilla activada, empleando

los métodos de análisis señalados por ICUMSA.

El procedimiento empleado es el siguiente:

a. Se pesó una cantidad determinada de jugo de caña de

azúcar del día en un vaso de precipitación, considerándo-

se como la muestra.

b. Se varió la temperatura de la muestra de acuerdo con las

condiciones del proceso de la planta industrial.

c. Se emplearon dosis desde 0,025 hasta 0,20% de arcilla

activada en la muestra.

d. Se homogenizó la muestra mediante agitación.

e. Después de un tiempo de reacción de 3 a 5 minutos, se adi-

cionó sacarato de calcio hasta alcanzar un pH ligeramente

básico.

f. Enseguida se calentó la mezcla hasta 100 °C y se adicionó

2 ppm de una solución con floculante, transfiriéndose la

mezcla a una probeta para observar la precipitación de las

impurezas de la muestra, entre ellos, las sustancias colo-

rantes.

El procedimiento general para las pruebas se adaptó a las con-

diciones específicas del proceso en la planta industrial, por lo

que se tomó en cuenta el contenido de P2O

5 del jugo, pH antes

y después del encalado y temperatura de calentamiento.

Prueba a nivel de planta industrial

Con los resultados obtenidos en el laboratorio se planificó el

empleo de la arcilla activada para la producción directa de azú-

car blanca en la planta industrial. El experimento se corrió en

dos periodos de ocho y diez días de operación siguiéndose el

siguiente proceso:

La molienda de la caña de azúcar separa el jugo de la fibra de-

nominada bagazo. El jugo sale de los molinos con una tempe-

ratura de 30 °C y debe ser encalado (con sacarato de calcio) y

calentado inmediatamente para evitar las pérdidas por inver-

sión de la sacarosa. La arcilla activada para decolorar el jugo

fue adicionada en el tanque que recolecta todo el jugo de los

diferentes molinos denominado jugo mezclado. La dosificación

empleada fue de 0,15 a 0,20%. El jugo con arcilla fue encala-

do y calentado hasta 105 °C, tal como se procede en la opera-

ción normal. Como en todo proceso de elaboración de azúcar

blanco directa, el jugo se pasa a un clarificador continuo para

eliminar las impurezas que lo acompañan. El lodo es retirado

de la parte inferior de las cuatro bandejas que componen el

clarificador Rapidoor 4-4-4. El jugo es extraído de la parte supe-

rior y luego pasa al área de evaporación para eliminar la mayor

cantidad del agua que ingresa con la caña de azúcar. Se obtiene

un jarabe de 60° Bx (sólidos solubles) y con este jarabe en la

sección de cocimientos se elabora el azúcar, que luego es se-

parada de las mieles madres en máquinas centrífugas y secado

para su envasado y venta (Ver fig. 2).

La diferencia saltante entre los dos periodos de las pruebas rea-

lizadas en la planta industrial es la mejora realizada en la sec-

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:


167



Fig. 1. Adición de arcilla activada al jugo mezclado en la planta industrial.

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.

Tabla 2. Resultados en laboratorio. Pruebas de clarificación de jugo de caña de azúcar con arcilla activada.

Nota: Las muestras del jugo de caña tratado con sulfitación fueron del proceso en la etapa industrial.

Ph Jugo de caña mezclado 5,28

Descripción Tratamiento con arcilla activada Tratamiento con sulfitación

Dosis % arcilla activada 0,025 0,05 0,075 0,10 0,125 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


168



Fig. 3. Tratamiento del jugo de caña en laboratorio

Jugo clarificado

Fig. 4. Jugo clarificado obtenido en el laboratorio con el empleo de

arcilla activada.

Durante la corrida industrial se realizaron mediciones del co-

lor del jugo mezclado que se obtiene en el área de molinos

y del jugo después del tratamiento: adición de arcilla activa-

da, encalado, calentamiento y clarificación. Los resultados se

muestran en la fig. 5. En la fig. 6 se ha graficado la reducción

del color obtenido en el jugo clarificado empleando la arcilla

activada.

Fig. 5. Color jugo mezclado vs. 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.

Fig. 8. Reducción de turbidez jugo clarificado, %.

Durante todo el proceso de la elaboración directa del azúcar

blanca se monitorearon los colores de los productos en proce-

so. 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 lava-

do 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 cla-

rificador de jugo, el producto final no alcanzó el color trazado

como objetivo. El promedio del color del azúcar blanco fue de

250 unidades Icumsa y el objetivo fue 150.

169



Entre otros resultados de las operaciones de los 10 días se

encontró un detalle importante que tiene influencia directa

en el resultado del producto final obtenido. El empleo del

proceso de sulfitación tiene un efecto sobre la viscosidad del

jugo y por supuesto de los productos en proceso posterio-

res como son el jarabe, masas cocidas, mieles, etc. Al reducir

la viscosidad se logra mayor facilidad en las operaciones de

evaporación, cristalización, centrifugado y secado; sin embar-

go el empleo de la arcilla activada no tuvo mayor efecto en

las viscosidades de los materiales.

Fig. 9. Perfil de colores del proceso

Fig. 10. Color del azúcar blanca (proceso con arcilla).

Otro resultado importante es que el % de sacarosa en el azú-

car final fue tan alto como en el que se logra con el proceso

de sulfitación. En ambos casos la polarización (aproximada-

mente porcentaje en peso) del azúcar fue mayor a 99,5.

Un resultado digno de resaltar fue que se logró producir azú-

car blanco con 0 mg/kg de SO2 en el azúcar, frente al prome-

dio de 5 a 10 mg/kg (ppm) empleando azufre.

El costo de producción comparado con el costo del proceso

de sulfitación se redujo en 50%. Se han tenido en cuenta los

costos del azufre y de la arcilla activada, de los aditivos anti-

corrosivos empleados en el proceso de sulfitación para evi-

tar el deterioro de los equipos del proceso por la formación

indeseable de ácido sulfúrico y de los reactivos añadidos al

agua de alimentación de los calderos (generación de vapor),

proveniente del agua evaporada y condensada del jugo de la

caña. No se incluye la depreciación de los equipos y auxiliares

del proceso, los cuales en el proceso de sulfitación son mucho

mayores que para el empleo de arcillas activadas.

Con el proceso alternativo de producción directa de azúcar

blanca empleando arcillas activadas en reemplazo del azufre se

consiguieron demostrar ventajas importantes:

a. Es un proceso ecológico, sin contaminación del medio am-

biente 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

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.

Como desventaja del proceso podemos señalar que no logra

reducir las incrustaciones por su fuente mineral y no logra re-

ducir las viscosidades para lograr una mejor cristalización de la

sacarosa y acabado.

La conclusión final es que el proceso alternativo para producir

directamente azúcar blanco con arcillas activadas es viable. El

color del azúcar producida se mejorará con el empleo de ten-

soactivos en el proceso para la reducción de las viscosidades.

Bennett, M. C.; Ross, B. G. (1988). Blanco-Directo production at

the Hawaiian-Philippines Company, Silay, Negros Occidental,

Philippines. En: Clarke M.A. Raw Sugar Quality and White Sugar

Quality (pp. 89-92). Berlin: Verlag Dr. A. Bartens.

Chen, J.; & Chou, Ch. (1993). Cane Sugar Handbook. New York:

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Medeiros de Albuquerque, F. (2009). Processo de fabricação do

Azúcar. Recife: Editora Universitária.

170



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 Subpro-

dutos, 27 (1), 14-15.

ACERCA DEL AUTOR

Ingeniero Químico. Se ha desempeñado en la Gerencia de Fá-

brica y Proyectos de industrias del sector sucroenergético del

Perú y Venezuela. Actualmente se desempeña como consul-

tor internacional y docente del departamento de Tecnología

de la Producción de Tecsup-Trujillo.

Original recibido: 11 de noviembre de 2011



171


Henry Gómez, Tecsup

¿Cómo Evaluar el Logro de los Resultados del Estudiante? Caso: Tecsup - Perú

How to Assess the Student’s Outcomes? Case Study: Tecsup - Peru

Abstract

The assessment of Students Outcomes is one of the main ac-

tivities in the continuous improvement process for enginee-

ring or technology engineering programs. But before asses-

sing the Students Outcomes, these activities must be defined

and aligned to institutional mission and Educational Program

Objectives. Using the learning capabilities proposed by ABET

as a reference for the Students Outcomes definition, these

must be divided in attributes to assess the performance of

students in activities. The use of attributes in a rubric help

faculty to identify learning categories of Bloom taxonomy

and grade the Students Outcomes achievement. All data pro-

duced in this process has to be processed and evaluated to

identify improvement actions. The use of concepts and me-

thodology of Balance Scorecard in simple Excel spreadsheets

can help to summarize and identify key indicators in the im-

provements process. This paper describes the methodology

and tools used in a successfull accreditation process with

ABET Criteria for an Engineering Technology Program in Tec-

sup - Arequipa, Peru.

Keywords

Students Outcomes, performance criteria, rubrics, outcomes

assessment, bloom taxonomy

INTRODUCCION

La medición y evaluación del logro de los Resultados del

Estudiante (RE) es una de las actividades del Plan de Mejora

Continua (PMC) que demanda gran esfuerzo en Programas

de Ingeniería o Tecnologías de Ingeniería. La definición de los

RE, su alineamiento con los Objetivos Educacionales del Pro-

grama (OEP) y la misión de la Institución Educativa (IE); asi la

evaluación de las competencias del estudiante, el análisis de la

información y la implementación de oportunidades de mejora,

constituyen tareas que exigen tiempo y arduo trabajo de parte

del docente. Estas labores adicionales a la carga académica, si

no se atienden apropiadamente, pueden conducir al fracaso

del PMC.

En este artículo se describe la metodología utilizada en la de-

finición, medición y evaluación de los RE para Programas de

Tecnologías de Ingeniería Eléctrica y de Información en el Ins-

tituto de Educación Superior Tecnológico Privado Tecsup de

Arequipa - Perú. Esta metodología ha permitido culminar exi-

tosamente procesos de evaluación con agencias de acredita-

ción nacionales y extranjeras como ICACIT, ABET, ASIIN y ENAE.

Los criterios de evaluación que estas agencias aplican están en

concordancia con los lineamientos del Acuerdo de Washington

,por el lado americano [1], y de la Declaración de Bolonia, en

el marco del Espacio Europeo de Educación Superior [2]. Estos

reconocimientos internacionales otorgan a los egresados de

Tecsup una ventaja competitiva frente a sus pares de otras IE

y les abre nuevas puertas para enfrentarse a los retos de la glo-

balización.

DESARROLLO

a. Definición de los Resultados del Es-tudiante

Los RE describen lo que los estudiantes esperan saber y son

09_Logro de Resultados del estudiante_gomez.indd 171 2/13/12 6:02 PM

172


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

de la declaración de cada uno de los RE debe describir el con-

junto de conocimientos, habilidades, destrezas y actitudes o

comportamientos que los grupos de interés o stakeholders

esperan se logre en el estudiante a través del proceso edu-

cativo. Los grupos de interés son las empresas, quienes ven a

los egresados de un Programa como potenciales colaborado-

res; son sus egresados, quienes están deseosos de insertarse

exitosamente al mercado laboral; son sus docentes, quienes

quieren ver el fruto de su trabajo reflejado en profesionales

de éxito, y son los mismos estudiantes porque quieren ase-

gurarse de lograr una profesión en las mejores condiciones.

Además de cubrir las expectativas de los grupos de interés,

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 Indus-

trial (PEI) de Tecsup. Esta IE que forma profesionales de In-

geniería 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 pla-

neamiento 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-

butos relevantes que debieran incluirse en la definición de

la misión del DE. En este caso, el “desarrollo de personas me-

diante la formación” constituye la traza que se hereda para la

misión del DE; así, el “desarrollo de profesionales en los cam-

pos de la electrotecnia” define el campo ocupacional del PEI,

mientras que la “aplicación de conocimientos y habilidades

para contribuir al éxito de las empresas y desarrollo del país”

constituye uno de los objetivos estratégicos del DE y de la IE.

MIS

ION

INST

ITU

-C

ION

AL

Desarrollarpersonasyempresasmediante-formación, capacitación y asesoría

DEP

AR

TA-

MEN

TO

Desarrollarprofesionalesenloscamposde-laElectrotecniaqueaplicansusconocimien-tosyhabilidadesparacontribuiraléitodela-sempresas y al desarrollo del país.

Tabla 1. Misión institucional y del departamento

Ahora, para definir los RE, previamente se deben definir los

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 declaracio-

nes describen el perfil profesional de la carrera y se basan en

las necesidades de los grupos de interés o constituyentes del

Programa.

Para ejemplificar mejor esta parte, se analiza el caso de los OEP

del PEI. En un estudio estadístico realizado en 2006 sobre un

universo de 1022 egresados [5], se relacionó la actividad en que

se desenvuelven con la remuneración mensual que perciben

y el tiempo transcurrido desde que terminaron su carrera. Con

estos datos se calcula el Periodo de Recupero de la Inversión

(PRI) en educación. En la Fig. 1 se muestra la dispersión de la

población de egresados por actividad y las curvas de tenden-

cia central. Con ayuda de estas curvas, se puede inferir que el

PRI para actividades relacionadas a Sistemas de Potencia era la

menor (4 años), la media de la remuneración era la más alta y

el número de egresados en esta actividad era creciente pero

menor que en otras tres actividades.

Fig. 1. Población de egresados del PEI por actividad

A partir de esta información se concluyó que en su mayoría los

egresados del PEI estaban bien posicionados y reconocidos

en actividades relacionadas con el Mantenimiento Eléctrico,

las Instalaciones Eléctricas y en Electrónica e Instrumentación,

aunque para ésta última actividad no habían sido formados, las

competencias logradas les permitían atender la demanda de

las empresas. También se identificó que las actividades en “Sis-

temas de Potencia” se vislumbraban como un posible “nicho”

del mercado laboral de alta rentabilidad.

Con este hallazgo y considerando otros aspectos como el cre-

cimiento económico del país y los proyectos mineros y ener-

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 reque-

ridas para esta área demandaban nuevos conocimientos, otras

habilidades y ciertas actitudes relacionadas con la seguridad,

que en ese momento no se trabajaban con los estudiantes.

También, el currículo de estudios de esa época no permitía im-

plementar experiencias de aprendizaje de mayor profundidad

relacionadas con esta área.

Habiendo identificado una oportunidad de mejora para el PEI

y en concordancia con los criterios de evaluación de ABET (Ac-

creditation Board for Engineering and Technology) de EE.UU, se

replantearon los OEP del PEI según se muestra en la tabla 2.


173



OB

JETI

VO

S ED

UC

AC

ION

ALE

S D

EL P

RO

GR

AM

A

OEP “A”

Nuestros egresados desarrollan, implemen-tan y mantienen sistemas eléctricos basa-dos en sólidos conocimientos en instalacio-nes eléctricas y sistemas de potencia.

OEP “B”Nuestros egresados identifican y analizan problemas para implementar soluciones efectivas.

OEP “C”Nuestros egresados se desempeñan con iniciativa, creatividad, manejo eficiente de recursos y trabajo en equipo.

OEP “D”Nuestros egresados son profesionales com-prometidos con su desarrollo, la calidad y la seguridad en el trabajo.

OEP “E”Nuestros egresados practican principios éticos que contribuyen al desarrollo de la sociedad

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”.

Ahora, respecto al alineamiento de los OEP con la misión del

DE y de la IE un análisis de cada declaración permite concluir

que los OEP abarcan aspectos relacionados con conocimien-

tos y habilidades vinculadas a su perfil profesional (OEP “A” y

“B”), mientras que las otras tres (OEP “C”, “D” y “E”) están rela-

cionados 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 pue-

den definir los RE del PEI. Un Programa que pretende acre-

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

de cada uno de los RE de ABET es, a propósito, amplia e ines-

pecífica, de manera que para usarlas hay que adecuarlas a la

naturaleza del Programa y a su perspectiva educacional. Por

otro lado, el término RE es similar en su significado a otros

términos frecuentemente utilizados como “objetivos educa-

cionales” [7], “competencias” [8], “habilidades” [9] o “logros”

[10], etc. Sino se definen previamente estos términos, pue-

den provocar confusiones. Por esta razón es recomendable

seguir una metodología y tener presente las definiciones de

los términos utilizados. La metodología propuesta por [11],

por ejemplo, considera dos aspectos para este constructo: 1)

La amplitud del constructo y 2) El nivel de especificidad.

Justamente, definir los límites del constructo es una de las ma-

yores preocupaciones de los docentes, al momento de formular

los RE. Estos son una descripción desde la perspectiva de los do-

centes de lo que los estudiantes deben saber (cognitivo), pen-

sar (actitudinal) y hacer (conducta) al momento de graduarse.

Estos tres elementos: cognitivo, actitudinal y conductual son,

por tanto, valiosos a la hora de delimitar los RE. El otro aspecto,

el nivel de especificidad, es el alcance o profundidad con que

un programa se enfoca en un área específica. Para un programa

en Tecnologías de Ingeniería, por ejemplo, los RE son manifesta-

ciones observables y medibles de la aplicación del conocimien-

to. 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 ob-

servables y verificables.

RES

ULT

AD

OS

DEL

EST

UD

IAN

TE (R

E)RE “a”

Los estudiantes diseñan, implementan y opti-mizan sistemas eléctricos utilizando sus cono-cimientos 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 medicio-nes, analizan e interpretan sus resultados para evaluar y mejorar sistemas.

RE “d”Los estudiantes aplican la creatividad en el dise-ño de sistemas.

RE “e” Los estudiantes trabajan eficazmente en equipo.

RE “f”Los estudiantes identifican, analizan y solucio-nan problemas de equipos y sistemas.

RE “g” Los estudiantes se comunican eficazmente.

RE “h”

Los estudiantes reconocen los aspectos con-temporáneos de la profesión, la sociedad, practi-can 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 re-cursos materiales y humanos a su cargo.

Tabla 3. RE del PEI.

Entonces, volviendo al caso de ejemplo del PEI y tomando

como referencia las recomendaciones anteriores y las de ABET,

se definieron los RE de la tabla 3. Estos incluyen los nuevos retos

para fortalecer las competencias de los estudiantes en Sistemas

Eléctricos de Potencia. De igual forma como se hizo con la mi-

sión institucional y del DE, los atributos relevantes de cada OEP

deben relacionarse con los RE, lo cual se ve reflejado en la tabla

4. En la matriz mostrada se evidencia la relación de RE y OEP

del PEI.


174


GÓMEZ, Henry. “¿Cómo Evaluar el Logro de los Resultados del Estudiante? Caso: Tecsup - Perú”

Tabla 4. Matriz OEP-RP del PEI.

Un buen proceso de mejora continua tiene tres componen-

tes [12]: 1) Una declaración de las metas educacionales, 2) Un

conjunto validado de instrumentos de medición del logro de

estas metas y 3) Un plan para utilizar los resultados de la eva-

luación y políticas para mejorar el proceso educativo.

Para el caso del PEI, los RE ya están definidos: la meta es man-

tener una medición del logro de RE por encima del 70%; enton-

ces, ya se tiene el primer componente. Ahora se deben selec-

cionar los instrumentos de evaluación del logro de las metas.

Al respecto existen dos opciones: instrumentos de medición

directa e indirecta. La medición directa tiene que ver con la me-

dición y evaluación del desempeño del estudiante por parte

del docente, durante actividades de aplicación de lo aprendido.

En cambio, la medición indirecta es una referencia cualitativa

o cuantitativa del desempeño del estudiante ante situaciones

específicas observadas por terceros. El resto de este artículo

abarca la medición directa del desempeño del estudiante en

actividades de aprendizaje desarrolladas por los docentes a lo

largo del currículo de estudios.

Fig. 2. Cartilla de la taxonomía de Bloom.

175



conductas que van desde lo simple a lo complejo (1 a 6) y sus

definiciones. También se tiene un listado con los verbos que se

utilizan para identificar la actitud del estudiante, lo cual permite

valorar su nivel de aprendizaje. Con estas ayudas se construyó

el marco de atributos o CD para cada RE. En la tabla 5 se mues-

tra una parte de este marco para el RE “a”. Para demostrar, por

ejemplo, la capacidad de “Seleccionar materiales y equipos de

acuerdo a los requerimientos de un sistema eléctrico” se debe

evidenciar poseer competencias en las categorías de conoci-

miento, comprensión, aplicación y análisis. De manera que para

“conectar y revisar los componentes de una instalación eléctri-

ca” se ha debido de “identificar componentes y distinguir sus

características funcionales”; así como “calcular y determinar los

componentes necesarios para una instalación eléctrica”.

Para poder medir y evaluar el logro de RE es necesario cons-

truir el “Marco de Atributos” como lo propone [12]. Aquí se

recomienda dividir cada RE en atributos que representen dos

importantes dimensiones: el componente individual del RE o

Criterio de Desempeño (CD) y el nivel de aprendizaje del es-

tudiante o categorías para cada componente. Un ejemplo del

“Marco de Atributos” para Programas de Ingeniería se puede

observar en [13].

Para representar el nivel de aprendizaje de cada componen-

te en el PEI, se adoptaron las categorías de aprendizaje de la

taxonomía de Bloom [14]. Para ayudar a los docentes en la

tarea de identificación de los niveles de aprendizaje se con-

feccionó la cartilla de la fig. 2. Aquí se pueden observar las seis

mayores categorías del dominio cognitivo que representan

Tabla 5. Marco de atributos o CD del RE “a”.

Tabla 6. CD, cursos y actividades para el RE “a”.

176



Hecho esto, lo siguiente es identificar en el currículo de estu-

dios los Cursos del Programa (CP) cuyos Objetivos Específicos

(OE) y contenidos se alinean con los RE. Así, se obtiene la ma-

triz CP–RE, que es semejante a la matriz OEP–RP. Luego, en

estos cursos se seleccionan o diseñan actividades, donde se

pueda medir y evaluar el desempeño de los estudiantes. Para

esto, es necesario tener en cuenta los CD establecidos para

cada RE, el nivel de aprendizaje de acuerdo a las categorías

de la taxonomía de Bloom y el semestre en donde los estu-

diantes demuestran la competencia. Por ejemplo, una lista de

CD, cursos y actividades para el RE “a” del PEI se muestra en la

tabla 6. En la actividad “a1.1” del cuarto ciclo, los estudiantes

evidencian competencias a nivel básico; en la actividad “a1.2”

del quinto ciclo, competencias intermedias y en la actividad

“a1.3” del sexto ciclo, competencias avanzadas. Para garanti-

zar una medición objetiva del desempeño de los estudiantes,

con ayuda del marco de atributos se construye la rúbrica que

se aplica en la evaluación de las actividades seleccionadas.

Una sección de esta rúbrica se aprecia en la tabla 7, también

se observa la valoración cualitativa y cuantitativa del desem-

peño del estudiante.

Para evaluar el logro de los RE es necesario haber aplicado

todos los instrumentos de medición, haber procesado y con-

solidado toda la información y tener un sistema que permita

visualizar rápidamente y en forma eficiente los resultados de

todo el trabajo desarrollado. En esta parte son de mucha ayu-

da los conceptos y metodología del Balanced ScoreCard. En el

caso del DE, se elaboró el Tablero de Mando Integral (TMI) para

los RE de los programas a su cargo. La representación de los

parámetros de interés mediante símbolos y nemónicos ayuda

mucho a sintetizar la información. Por otro lado, el uso de una

escala porcentual y la semaforización de los valores obtenidos,

habiendo establecido una referencia, permiten rápidamente

concentrarse en los indicadores cuya medición está por debajo

de lo esperado. El uso de vínculos o de un sistema de navega-

ción eficaz permite también determinar instantáneamente las

causas que provocan mediciones por debajo de la referencia.

La fig. 3 muestra una parte del TMI utilizado para el Programa

de Redes y Comunicaciones de Datos (PRCD).

Luego de identificados los indicadores con alarma, se convoca

a los miembros del Comité Evaluador (CE) para analizar las cau-

sas y encontrar oportunidades de mejora que permitan supe-

rar las dificultades halladas.

A continuación, el CE evacúa un informe con los hallazgos y

las acciones de mejora correspondiente. Estas acciones se eje-

cutan de manera inmediata o son analizadas en un Comité

Central (CC) para su aprobación, si la acción es trascendente y

demanda aprobación o financiamiento. Luego de aplicada la

medida correctiva, se monitorea el tiempo que sea necesario

para garantizar su eficacia. Todo este proceso queda registrado

en copia dura y en formato digital en el Portafolio de cada RE

como evidencia del PMC.

Tabla 7. Modelo de rúbrica para actividad “a1.1”.

177



Fig. 3. Tablero de Mando Integral para el PRCD.

[2] Center for Higher Education Policy Studies. (2010). The

Bologna Process Independent Assessment. The first de-

cade of working on the European Higher Education Area.

[Online]. FTP disponible en: http://www.ond.vlaanderen.

be/hogeronderwijs/bologna/2010_conference/docu-

ments/IndependentAssessment_executive_summary_

overview_conclusions.pdf

[3] ABET Technology Accreditation Commission. (2011). Cri-

teria for Accrediting Engineering Technology Programs

[Online]. FTP disponible: http://www.abet.org/Linked%20

Documents-UPDATE/Program%20Docs/abet-tac-crite-

ria-2011-2012.pdf

[4] Programa de Electrotecnia Industrial (2011). [Online] dis-

ponible: www.tecsup.edu.pe

[5] Maza, L. “Revision curricular 2008”. Tecsup. Lima, Abril.

[6] Skvarenina, Timothy. (2004). “Incorporating ABET Soft

Skills into Energy Conversion Courses” in Proc. of the 2004

American Society for Engineering Education Annual Con-

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIO-NES

La medición directa de los CD es un instrumento muy útil en

la medición del logro de los RE. Sin embargo, su aplicación

demanda un gran esfuerzo de los docentes, tanto en la parte

operativa como en el conocimiento de los conceptos y me-

todologías. Esto amerita un proceso de inducción a los do-

centes y un sistema de monitoreo permanente en cada parte

del proceso.

Por otro lado, la sistematización de cada uno de los procesos

involucrados es muy importante por la cantidad de informa-

ción que se genera, la asistencia del personal administrativo

igualmente es valiosa, porque permite aligerar al docente de

sus tareas rutinarias.

REFERENCIAS

[1] International Engineering Alliance. (2009). Graduates

Attributes and Professional Competencies [Online]. FTP

disponible: http//www.ieagreements.org.


178



ference & Exposition, American Society for Engineering

Education, School of Technology Purdue University.

[7] Wolf, R. M. “Evaluation in Education: Foundations of

Competency Assessment and Program Review”. New

York: Praeger.

[8] “The Bases of Competence: Skills for Lifelong Learning

and Employability”. San Francisco, CA: Jossey- Bass.

[9] “Developing intellectual skills,” in Handbook of the Un-

dergraduate Curriculum: A Comprehensive Guide to

Purposes, Structures, Practices and Change, J. Gaff and

J. Ratcliff, Eds. San Francisco, CA:Jossey-Bass.

[10] Gronlund, N. E. (1998). “Assessment of Student Achieve-

ment”, 6th ed. Boston, MA: Allyn and Bacon.

[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 Fra-

mework for Course Planning and Learning Assessment”.

IEEE Transaction on Education, Vol 43, N° 2. May 2000.

[13] Bloom and Krathwohl (2000) “Definition of Levels and

McBeath Action Verbs”. The University of Pittsburgh.

[14] Taxonomy of Educational Objectives: Handbook 1: Cog-

nitive Domain (1956) Longman, New York.

AUTOR

Henry Gómez Urquizo es Ingeniero electrónico de profesión,

con estudios de Maestría en Automatización e Instrumenta-

ción, es candidato a doctor en Ingeniería de la Producción en

la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. Se espe-

cializó en Electrónica de Potencia en el SENA de Barranquilla

- Colombia, en Redes y Protocolos de Comunicación Industrial

en Pepperl+Fuchs de Mannheim-Alemania. Posee diez años de

experiencia industrial en la industria cervecera y más de quin-

ce años en la docencia en educación superior. Actualmente se

desempeña como Jefe de Departamento en Tecsup - Arequi-

pa, ha logrado la acreditación internacional con ABET, ASIIN y

ENAE de las carreras de Redes y Comunicaciones de Datos y

de Electrotecnia Industrial. Es miembro activo de la IEEE y de la

ISA, también es evaluador experto de Programas de Ingeniería

de ICACIT.


179


Fathi Habashi,Department of Mining, Metallurgical,

and Materials Engineering, Laval University

Metalurgia Extractiva de Tierras Raras

Extractive Metallurgy of Rare Earths

Resumen

Debido a su estructura electrónica los elementos de las tierras

raras tienen un comportamiento químico similar. Por lo tan-

to antiguamente ningún método de separación química era

adecuado y se utilizaron solamente métodos físicos para se-

parar sus sales. Inicialmente la cristalización fraccionada fue el

único método utilizado por los primeros investigadores. Más

tarde, se aplicaron el intercambio iónico y la extracción con

solventes. Las tierras raras no son ni raras ni tierras. La indus-

tria comenzó en Viena (Austria) por Carl Auer von Welsbach a

finales del siglo XIX, con la producción de capas de gas para

el alumbrado. Fue el inicio de su uso, luego se ha desarrollado

en nuevas direcciones para convertirse en materia prima para

la actual alta tecnología.

Abstract

Due to their electronic structure the rare earth elements have

similar chemical behavior. As a result no chemical method

of separation was available and only physical methods were

used for separating their salts. Initially fractional crystalliza-

tion was the only method used by the pioneer researchers.

Later, ion exchange and solvent extraction were successfully

applied. The rare earths are neither rare nor they are earths.

The industry started in Vienna, Austria by Carl Auer von Wels-

bach at the end of the 19th century to produce gas mantles

for lighting streets. It then prospered in new directions to be-

come essential for today’s high technology.

INTRODUCTION

Originally, the term rare earths was only used for the oxides,

R2O

3, which are similar to one other in their chemical and physi-

cal properties and are therefore difficult to separate. Within the

rare earth group, the elements scandium, yttrium, and lantha-

num differ in their atomic structure from the elements cerium

to lutetium (the lanthanides, Ln). Scandium occupies a special

position with respect to this classification and its other proper-

ties, and therefore does not belong to either of these groups.

The rare earth elements always occur in nature in association

with each other. The isolation of groups of rare earth elements

or of individual elements requires costly separation and fractio-

nation processes owing to the great similarity of the chemical

and physical properties of their compounds, which explains

why the history of their discovery has extended for about two

hundred years.

The word “rare”, when used to describe this group of elements,

originates from the fact it was thought that these elements

could only be isolated from very rare minerals. Considering

their abundance in the Earth’s crust, the term rare is now

inappropriate. These elements are lithophilic and are therefore

concentrated in oxidic compounds such as carbonates, silica-

tes, titano-tantalo-niobates, and phosphates.

The abundance of the rare earth elements taken together is

quite considerable. Cerium, the most common rare earth, is

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.

10. Metalurgia extractiva de tierras raras_Habashi.indd 179 2/13/12 6:08 PM

180


HAbAsHI, Fathi. “Metalurgia Extractiva de Tierras Raras”

The electronic structure of the rare earths reveals that the

two outermost shells have the same number of electrons

(Table 1). As a result their chemical properties are very si-

milar and it was not possible to separate them by chemical

methods - - only physical methods could be applied.

Ce

2

8

18

19

9

2

Pr

2

8

18

20

9

2

Nd

2

8

18

21

9

2

Pm

2

8

18

22

9

2

Sm

2

8

18

23

9

2

Eu

2

8

18

24

9

2

Gd

2

8

18

25

9

2

Tb

2

8

18

26

9

2

Dy

2

8

18

27

9

2

Ho

2

8

18

28

9

2

Er

2

8

18

29

9

2

Tm

2

8

18

30

9

2

Yb

2

8

18

31

9

2

Lu

2

8

18

32

9

2

Table 1. The electronic structure of the rare earths

RAW MATERIAL

The major raw material for rare earths is monazite sand, xeno-

time, bastnasite, and phosphate rock

Monazite and xenotime

Monazite derives its name from Greek meaning to be alone.

The mineral monazite is a lanthanide phosphate containing

some thorium and small amounts of uranium. It is widely dis-

tributed in the Earth’s crust. It occurs in small proportions in

granites. When such rocks are weathered, grains of monazite

are carried by waters, then deposited at the mouths of rivers,

together with the heavier constituents of the parent rock, to

form black sands known as monazite sand. The monazite in

these sands is usually present in rounded grains, showing

that the grains have previously been rolled to and fro in

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 as-

sociated with alluvial tin deposits.

Monazite sand and xenotime can be easily concentrated

from the sands by physical methods. For example, a mona-

zite 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 concen-

trates are given in Table 2. A chemical analysis of the concen-

trates is given in Table 3. The composition of the lanthanide

fraction in monazite, in xenotime, and bastnasite is given in

Table 4. Scandium, although in the same group with yttrium,

lanthanum, and the lanthanides, is not present in any of these

minerals.

Figure 1. Separation of monazite and other valuable minerals from mo-

nazite 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 Xenotime

Color

Specific gravity

Hardness (Mohs)

Crystal structure

Yellow to red

brown

4.9–5.5

5

Monoclinic

Pale yellow to

browish green

4.45–4.59

4.5

Tetragonal

Table 2. Physical properties of lanthanide phosphate minerals

Monaziteconcentrate, %

Xenotimeconcentrate, %

P2O

5

Ln2O

3*

ThO2

U3O

8

SiO2

CaO

Fe2O

3

Al2O

3

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

—

52–63

1–3

0.5–3.5

2–3

0–9

*Ln = Lanthanide.

Table 3. Chemical analysis of lanthanide phosphate concentrates


181



Monazite and xenotime are the main source of thorium and

the lanthanides; uranium is recovered as a by-product.

Bastnasite

The most important mined rare earth deposit is at the Moun-

tain Pass Mine in California, where up to 40 000 t/a bastnasite

ore concentrate (70 % REO) is produced by ore beneficiation.

Other important bastnæsite deposits are in Burundi, Mada-

gascar, and in Bayan Obo, near the town of Baotou in Inner

Mongolia in China. The bastnasite, with monazite, is associa-

ted with magnetite–hematite–fluorspar. Bastnasite is a fluo-

rocarbonate, Ln2(CO

3)

3, LnF

3, or LnFCO

3.

Lanthani-de oxide

MonaziteXenotime

%Bastna-

site%

Light

La2O

3

CeO2

Pr6O

11

Nd2O

3

23.0

46.5

5.1

18.4

0.5

5.0

0.7

2.2

32.0

49.0

4.4

13.5

Heavy

Sm2O

3

Eu2O

3

Gd2O

3

Tb4O

7

Dy2O

3

Ho2O

3

Er2O

3

Tm2O

3

Yb2O

3

Lu2O

3

Y2O

3

2.3

0.07

1.7

0.16

0.52

0.09

0.13

0.013

0.061

0.006

2

1.9

0.2

4.0

1.0

8.7

2.1

5.4

0.9

6.2

0.4

60.8

0.5

0.1

0.3

0.01

0.03

0.01

0.01

0.2

0.01

0.1

0.1

Table 4. Typical composition of lanthanides in monazite, xenotime,

and bastnasite

Other complex minerals

Minerals of this type are oxidic ores containing titanium, nio-

bium, tantalum, uranium, and thorium; for example:

Euxenite (Y,Ce)(Nb,Ta,Ti)2O

6

Samarskite (Y,Ce)4(Nb,Ta,Ti)

2O

6

Fergusonite (Y)(Nb,Ti,Ta)O4

Betafite (U,Ca,Y,Ce2(Nb,Ta,Ti)

2O

6(OH)

Useful concentrations (up to 5 %) of rare earth ele-

ments occur in apatite and up to 10 % in pyrochlo-

re (Na,Ca,Ce)2(NbTa,Ti)

2(O,OH,F)

7, and loparite (Na,Ca,

Ce)2(Nb,Ta,Ti)

2O

6 in the Kola Peninsula and also in most uranium

minerals as trace substituents.

Scandium occurs in trace amounts in most rare earth minerals.

In many minerals, scandium is present in a dispersed state. Wol-

framite and cassiterite can contain up to 1 % scandium, so that

scandium is a by-product of the production of tungsten and tin.

Uranium minerals contain much smaller amounts of scandium,

but, since uranium is produced in relatively large quantities,

scandium is produced in appreciable quantities also.

Phosphate rock

Tonnage wise, phosphate rock is the most important as com-

pared with the other material; about 120 millions tons of rock

are treated annually while only 30 000 tons of monazite and

xenotime. However, no production of rare earths from this sour-

ce 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 fre-

quently confused with other mineral species, including beryl

and tourmaline, prior to the latter part of the eighteenth cen-

tury. Phosphate rock is the main raw material for the production

of phosphatic fertilizers. Phosphate rock is composed mainly

of:

• Fluorapatite, Ca10

(PO4)6F

2

• Hydroxyapatite, Ca10

(PO4)

6(OH)

2

• Carbonato-apatite, Ca10

(PO4)

6CO

3

Depending on the proportion of each component, the rock

may be frankolite, kunskite, or colophanite (Table 5). Low-grade

phosphate rock, may contain appreciable amounts of alumi-

num phosphate wavellite, AlPO4, and/or calcium–aluminum

phosphate, crandallite.

Type Composition

Frankolite

Isomorphous mixture of fluo-

roapatite and carbonate apa-

tite in the ratio 3:1.

Kunskite

Isomorphous mixture of fluo-

roapatite and carbonate apa-

tite in the ratio 2:1.

ColophaniteAn ultra microcrystalline va-

riety of frankolite.

Table 5. Main types of phosphate rock


182



Phosphate rock occurs either as a sedimentary deposit, e.g.,

in Florida and North Africa, or as igneous rock, e.g., in Kola pe-

ninsula, Russia. Sedimentary phosphates supply about 85%

of the phosphate rock for the industry. Typical analyses of

phosphate rocks are given in Table 6. Phosphate rock is used

for the manufacture of fertilizers and elemental phosphorus.

Pure phosphoric acid for other uses than fertilizers is pre-

pared from the latter product although attempts are being

made to prepare a moderate-grade phosphoric acid by lea-

ching the rock.

% %

P2O

5

CaO

MgO

Fe2O

3

Al2O

3

Na2O

K2O

F

29–38

48–52

0.2–0.8

0.2–1

0.1–1

1–2

0.1–0.4

3.3–4.3

Cl

CO2

SO3

SiO2

Organic carbon

Uranium

Ln2O3

0.01–0.7

2–6

1–3

0.2–5

0–0.4

0.01–0.02

0.1–1

Table 6. Analysis of typical phosphate rock

RECOVERY METHODS

Monazite /xenotime

There are two methods used for treating these concentrates:

the sulfuric acid and the sodium hydroxide methods (Figure

2). The decision between one or the other is an economic one;

for example in Brazil, the NaOH process is used because of a

shortage in sulfuric acid. However, the general tendency to-

day is to use the NaOH process.

Figure 2. Leaching methods for monazite sand [left: acid leaching, right:

NaOH leaching]

Sulfuric acid method

This method involves two steps:

• Digestion. The concentrate is digested in a closed reactor

or baked in a rotary kiln with 93 % H2SO

4 at about 200°C

for 2–4 hours at an acid to concentrate ratio of 2:1. An acid-

to-concentrate ratio lower than this, results in incomplete

reaction while higher ratio interferes with subsequent ope-

rations. Also, with temperatures lower than the above, the

reaction will be too slow, and if higher than 300°C, insolu-

ble thorium pyrophosphate is liable to be formed. The reac-

tion is exothermic and can be represented by the equation:

2LnPO4 + 3H

2SO

4 ➜ Ln

2(SO

4)

3 + 2H

3PO

4

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-

nium, and the lanthanides. The residue contains most of

the radioactive decay products of uranium and thorium.

g/L g/L

Th 5.3 Nd2O

37.0

U 0.2 Sm2O

31.3

Ce2O

316.0 SO

42– 128.0

La2O

38.5 PO

43– 26.0

Pr2O

31.7

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 lanthani-

des, thorium, and uranium form insoluble hydroxides:

LnPO4 + 3NaOH ➜ Ln(OH)

3 + Na

3PO

4

Th3(PO

4)

4 + 12NaOH ➜ 3Th(OH)

4 + 4Na

3PO

4

UO2HPO

4 + 2NaOH ➜ UO

2(OH)

2 + Na

2HPO

4

Optimum conditions of digestion are 40–50 % NaOH, 160°C,

NaOH to concentrate 2:1, time of reaction about 3 hours. So-

dium hydroxide should be free from carbonate otherwise ura-

nium will be lost in solution, since it forms soluble carbonates.


183



The product is a thick paste; it is slurried in water then filte-

red, washed, and dried. The cake obtained is composed of

hydroxides of uranium, thorium, and lanthanides, containing

small amounts of phosphate; it is dissolved in acid for further

separation. The leach solution contains the unreacted NaOH

as well as the phosphorus originally present in the concentra-

te. When allowed to cool to about 60°C, trisodium phosphate

hydrate hydrate (Na3PO

4·10H

2O) crystallizes out. After sepa-

ration, the solution typically analyse 47.4 % NaOH, 0.5 % Na-

3PO

4, 1.5 % Na

2SiO

3, and can be recycled.

Bastnasite

In the Molycorp process, the mineral is concentrated to 60

% by flotation and then calcined, converting the cerium to

the tetravalent state. It is then treated with hydrochloric acid,

which causes only the trivalent rare earth elements to go into

solution, leaving behind 65–80 % CeO2 (Figure 3). The indi-

vidual earths are then separated by solvent extraction (see

later).

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 lat-

ter is neutralized with ammonia to produce an ammonium

phosphate fertilizer. The acids used for treating the rock are

the following.

Sulfuric acid

Leaching with sulfuric acid is the most common method for

treating phosphate rock. Depending on the amount of acid

used, normal superphosphate or phosphoric acid is produced:

• When a small amount of acid is used the product is known

as normal superphosphate:

Ca10

(PO4)

6F

2 + 2H

2SO

4 + 2H

2O ➜ [3Ca(H

2PO

4)

2.2H

2O +

7CaSO4.2H2O] + 2HF

• When a large amount of sulfuric acid is used, phosphoric

acid is produced. The reaction is largely complete in few mi-

nutes. Three processes are used (Table 8):

– Hemihydrate Process. Conducted above 80 °C and pro-

duces 30 % acid:

Ca10

(PO4)6F

2 + 10H

2SO

4 + 5H

2O ➜ 6H

3PO

4 + 10CaSO

4 ·

1/2H2O + 2HF

– Dihydrate Process. Conducted below 80°C and produ-

ces 60 % acid:

Ca10

(PO4)

6F

2 + 10H

2SO

4 + 20H

2O ➜ 6H

3PO

4 + 10CaSO

4 ·

2H2O + 2HF

More time is needed, about 8 hours, to allow for the proper

formation of crystals that can be removed easily by filtra-

tion.

– Hemihydrate–dihydrate Process. Conducted above

80°C to produce the hemihydrate crystals, then slurry is

agitated for few hours to allow the crystallization of the

dihydrate.

Hemihydrate Process

Dihydrate Process

Hemihydrate dihydrate

Process

Crystal form CaSO4 ·1/2H

2O CaSO

4·2H

2O

Initially CaSO4

·1/2H2O, then

CaSO4 ·2H

2O

Crystal size

(mm)

15–30 (without

modifier)

40–60 (with

modifier)40–60

P2O

5 losses in

crystal (%)3–6 lower

Temperature

(°C)> 80 < 80 > 80

Phosphoric

acid

concentration

% P2O

5 – %

H3PO

4

45–54 28–30


184



Washing

system

Vacuum belt

filter (Lurgi)

Counter-

current in

thickeners

(Dorr)

Phosphoric

acid yield (%)91 93 99

Energy requi-

rement

Low because

less water to

be evaporated

later

High because

more water to

be evaporated

later

Table 8. Production of phosphoric acid by the H2SO4 route

There are two types of wet process phosphoric acid: the

“black acid” and the “green acid”. The black acid is the one

usually produced and its black color is due to the organic

matter originally present in the rock. If the organic matter

is above certain limits it is usually eliminated by calcining in

an oxidizing atmosphere. The acid derived from such treated

rock is the green acid because it has a green tint. Both acids

are a commercial product, and is shipped to fertilizer produ-

cers. It is usually neutralized by ammonia to form ammonium

phosphates:

• Monoammonium phosphate (46 % P2O

5, 11 % N):

H3PO

4 + NH

4OH NH

4·H

2PO

4 + H

2O

• Diammonium phosphate (46 % P2O

5, 18 % N):

H3PO

4 + 2NH

4OH (NH

4)

2·HPO

4 + 2H

2O

Or, reacted with a fresh batch of phosphate rock in a

rotary kiln to produce triple superphosphate (40–48 %

P2O

5):

Ca10

(PO4)

6F

2 + 14H

3PO

4 + H

2O ➜ 10Ca(H

2PO

4)

2·H

2O + 2HF

This in turn is usually treated by ammonia to form ammo-

niated triple superphosphates:

Ca(H2PO

4)

2·H

2O + NH

3 ➜ CaHPO

4 + H

4.H

2PO

4 + H

2O

Ca(H2PO

4)

2 · H

2O + 2NH

3 ➜ CaHPO

4 + (NH

4)

2HPO

4 + H

2O

Hydrochloric acid

Hydrochloric acid is used sometimes to leach phosphate rock

to produce either monocalcium phosphate fertilizer:

Ca10

(PO4)

6F

2 + 14HCl ➜ 3Ca(H

2PO

4)

2 + 7CaCl

2 + 2HF

or phosphoric acid:

Ca10

(PO4)

6F

2 + 20HCl ➜ 6H

3PO

4 + 10CaCl

2 + 2HF

Calcium chloride is then removed as CaCO3 by precipitation

with (NH4)2CO3:

CaCl2 + (NH

4)

2CO

3 ➜ CaCO

3 + 2NH

4Cl

Nitric acid

Nitric acid is also used to produce a fertilizer known as nitro-

phosphate:

Ca10

(PO4)

6F

2 + 14HNO

3 ➜ [ 3Ca(H

2PO

4)

2 + 7Ca(NO

3)

2] + 2HF

or phosphoric acid:

Ca10

(PO4)

6F

2 + 20HNO

3 ➜ 6H

3PO

4 +10Ca(NO

3)

2 + 2HF

Calcium nitrate is separated by cooling to –10°C then centrifu-

ging the crystals of Ca(NO3)

2·4H

2O. It is usually transformed to

ammonium nitrate by reaction with ammonium carbonate.

Present tendency

The first fertilizer produced in industry was normal super-

phosphate. Because of its low concentration in P2O5, its pro-

duction has declined gradually in the past years and its place

was taken over by triple superphosphate, and more recently

by mono- and diammonium phosphates. Over 70 % of the

phosphate rock is used in making phosphoric acid by the wet

process. Phosphoric acid provduced by leaching phosphate

rock is impure and cannot be used for manufacturing phospha-

tes needed for the food or detergent industries unless it under-

goes extensive purification, e.g., extraction by organic solvents

Phosphate rock of sedimentary origin contains about 0.5 % lan-

thanide oxides while igneous phosphate, e.g., in Kola Peninsula,

contains about 1 % lanthanide oxides. During the manufacture

of phosphoric acid about 70 % is lost in the gypsum. However,

if acidulation is conducted by nitric acid all will go into solu-

tion and can be recovered by organic solvents. In Finland, the

lanthanides were recovered commercially by Kemira Oy from

phosphate rock during 1965–1972 using organic solvents. It is

believed that a similar operation is in existence in Russia.

RECOVERY FROM LEACH SOLUTION

Separation of thorium and the lanthanides from sulfuric acid

leach solution of monazite and xenotime concentrates is based

on oxalate precipitation:


185



Th4+ + 2(C

2O

4)

2– ➜ Th(C

2O

4)

Ln3+ + 3(C

2O

4)

2– ➜ Ln

2(C

2O

4)

3

Uranium is not precipitated. The oxalate filter cake is then

digested with NaOH solution to convert the oxalates into

hydroxides and recover sodium oxalate for recycle:

Th(C2O

4)

2 + 4OH– ➜ Th(OH)

4 + 2(C

2O

4)

2–

Ln2(C

2O

4)

3 + 6OH– ➜ 2Ln(OH)

3 + 3(C

2O

4)

2–

The hydroxides are then calcined, and the resulting oxides

dissolved in nitric acid for later separation of thorium by sol-

vent extraction.

Fractional crystallization

This is one of the oldest methods for the separation of rare

earths and is now obsolete. It depends on small differences

which are magnified by repeated operations (Figure 4). It has

been replaced by ion exchange and solvent extraction which

are faster and less tedious.

Figure 4. Separation of rare earths by fractional crystallization

Ion exchange

When the acid leach solution containing the lanthanides

is allowed to flow through a cation exchange resin bed in

hydrogen or ammonium form, they will be sorbed by the re-

sin. However, the resin has no selectivity for one of the lantha-

nides as compared with the other, and therefore practically no

separation can be achieved. In order to separate the different

metals, use is made of their different affinities toward com-

plexing agents in solution. When a buffered solution of some

negative ion species, which forms a stable complex with the

lanthanides, is passed through the column, a competition for

the lanthanide ions between the aqueous phase and resin pha-

se will be set up. When equilibrium conditions are maintained,

an individual lanthanide ion continuously exchanges between

the complexing ion and the resin. The positive ion in the com-

plexing solution replaces the lanthanide ions at the rear edge

of the band, so that the lanthanide band is driven down the re-

sin bed. Because the stability constants of the lanthanide com-

plexes differ appreciably from one lanthanide to another, the

most stable complex moves faster down the column.

Different complexing agents were used as eluents for example,

5 % citric acid adjusted at pH 3 by ammonium hydroxide, 0.1

% citric acid adjusted at pH 5–8 by ammonium hydroxide, 1 M

lactate at pH 3, and 0.26 M ethylene diamine tetraacetic acid

(EDTA) at pH 3.6. Uniform rate of elution has been obtained by

continuously varying the pH of the eluant. The eluant at pH 3.19

was neutralized at a predetermined rate with 1 M lactic acid bu-

ffered with ammonia to pH 7 to give a rate of change of pH of

+0.1 unit/hour.

In the separation of the lanthanides, the concentrate is dissol-

ved 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 chlo-

rides 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 co-

lumns, 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 elu-

tion through a series of eight smaller columns (1.5 m long x 10

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-

tely eluted in a container. The pure lanthanide is recovered from

the solution by precipitation with oxalic acid. Individual lantha-

nides up to 99.99 % purity from monazite are produced on a

commercial scale based on elution with EDTA (Figure 5).


Figure 5. Ion exchange columns for the separation of the lanthanides

at Michigan Chemical Corporation, St. Louis, Michigan

Solvent extraction

The solvent used for the separation of the lanthanides from

leach solution of bastnasite concentrates is di (2-ethylhexyl)

phosphoric acid known as D2EHPA:

where R is

Cerium is already separated in the leaching step since it is

transformed into soluble cerium(IV) compound and is reco-

vered from the residue. Each extraction step includes nume-

rous stages of contact with the extractant and the stripping

agent under certain conditions of organic/aqueous ratio, and

extractant and stripping agent concentrations. The plant is

computerized and is fully automated (Figure 6).

Figure 6. Inside of Molycorp’s rare earths extraction plant

at Mountain Pass, California

Cerium salts are produced by liquid–liquid extraction from ra-

re-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-ear-

th 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 pro-

portions. Monazite-derived Mischmetal typically is about 48%

cerium, 25% lanthanum, 17% neodymium, and 5% praseody-

mium, with the balance being the other lanthanides. Bastna-

site-derived Mischmetall is higher in lanthanum and lower in

neodymium. Mischmetal is the lowest priced rare-earth metal

because no expensive chemical separation is needed to produ-

ce it. It is produced predominantly by fused-salt electrolysis of

rare-earth chlorides. Mischmetal was first produced industrially

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.

Oxide Process

A process developed by the US Bureau of Mines and further

improved by Santoku Metal Industries in Japan, produces mis-

chmetal from rare-earth oxides. The process is similar to Hall–

Héroult process for aluminum electrolysis. It avoids emission of

chlorine and the consequent expensive purification of off-gas.

Rare-earth oxides are dissolved in an electrolyte consisting of

alkali fluorides (to improve conductivity), alkaline-earth fluori-

des (to reduce melting point), and rare-earth fluorides (to im-

prove the solubility of rare-earth oxides) and are reduced elec-

trolytically to the rare-earth metals. The electrolysis cell (Figure

7) consists of a graphite crucible with graphite anode and mo-

lybdenum cathode, working under an inert-gas atmosphere to

prevent oxidation of the construction materials. The electrolyte

is initially melted by resistance heating. Electrolyte and electro-

deposited 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

industrial scale, by molten salt electrolysis and metallothermic

reduction


187



Figure 7. Electrolysis cell for the production of misch-metal from oxides:

a) Graphite anodes, b) Molybdenum cathode, c) Graphite crucible, d)

Liquid electrolyte, e) Molybdenum crucible, f) Tapping pipe, g) Molten

misch-metal [Handbook of Extractive Metallurgy].

Fused-Salt Electrolysis

La, Ce, Pr, Nd can be produced by molten salt electrolysis of a

mixture of anhydrous rare earth chlorides and fluorides with

alkali and alkaline earth chlorides and fluorides. This process

is made possible by the lower melting points of the cerium

earth metals, whereas the yttrium earth metals have higher

melting points and therefore do not melt during the electro-

lysis process. A lower melting point can be achieved by using

a cathode (e.g., Cd, Zn) that forms a low-melting alloy with

the rare earth metal. This alloy can also have a lower density

than the fused salt (e.g., Mg), so that it rises to the surface and

can be removed from the fused salt. The alloying element

can then be removed by distillation. By using molten Cd or Zn

as cathode, Sm, Eu, and Yb can also be produced.

The reactivity of the rare earth metals causes problems in the

choice of construction materials of the electrolysis furnace.

High-purity metals can be produced by using molybdenum,

tungsten, or tantalum as the crucible and cathode materials.

For industrial manufacture, iron crucibles with ceramic or

graphite linings are used. If halogens are liberated during the

electrolysis, carbon is used as the anode material.

Metallothermic Reduction

Metallothermic reduction of the rare earth oxides and an-

hydrous rare earth chlorides and fluorides can be used to

produce high-purity rare earth metals, especially Gd to Lu,

including Y. Alloys can also be produced by this process. Alka-

li metals, alkaline earth metals, and aluminum are suitable re-

ducing 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 re-

duction of the anhydrous rare earth chlorides is preferred. The

reaction is carried out in crucibles lined with MgO at tempera-

tures 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 produc-

tion of Sm, Eu and Yb, which are merely reduced to the divalent

state.

Gd to Lu and Sc, which have higher melting points, are obtained

by reduction of the fluorides with Ca at 1500–1600°C. The re-

duction is carried out in tantalum crucibles under a protective

gas or in vacuum. The reaction temperature can be reduced by

adding a booster such as iodine, which gives a slag with good

flow properties that separates cleanly from the metal. Praseo-

dymium is produced by reduction of the fluoride with lithium.

The Carlson–Schmidt apparatus is shown in Figure 8. This was

used between 1957 and 1959 to produce high-purity yttrium

metal in 50 kg batches.

Sm, Eu, and Yb can be produced by reduction of the oxides with

La or the cheaper cerium mischmetal at 1000–1300°C. The rare

earth oxides and the reducing metal are used in the form of

pellets, prepared from chippings or thin disks. Sm, Eu, and Yb are

volatile at the reaction temperature under vacuum (< 10–4 bar),

and can be distilled from the reaction space during the reaction

and condensed on coolers. Thus, these metals can be separated

from rare earth metals that are not volatile under these condi-

tions and obtained in a pure state. Hence, the starting materials

can consist of rare earth oxides in which Sm, Eu, and Yb have

merely been concentrated. The principle of the reduction disti-

llation apparatus is illustrated in Figure 9. Further purification

can be carried out by a second distillation.

Purification

Production of the pure rare earth metals necessitates the remo-

val of products of the reaction of the metals with the atmos-

phere, crucible materials, and co-reactants. Suitable methods

include melting under a protective gas or in a vacuum. The

high-boiling rare earth metals can also be purified by distilla-

tion. Alloying elements and impurities such as Mg, Cd, Zn, and


188


HABASHI, Fathi. “Metalurgia Extractiva de Tierras Raras”

Ca are distilled off under vacuum. The remaining rare earth

metal is then in the form of a sponge, which can be consoli-

dated by fusion in an electric arc furnace. Zone melting, melt

extraction, and melt filtration, e.g., through tungsten powder,

degassing in a high vacuum, etc., are other recommended pu-

rification methods.

Figure 8 - Reduction apparatus for the production of yttrium: a) Sight

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 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 me-

tal. h) Molybdenum condenser, i) Heat shield, j) Molybdenum crucible, k)

Pelletized reactants [Handbook of Extractive Metallurgy].

R2O

3 + nCo

3O

4 + (10–3n)Co + (4n+3)Ca 2RCo

5 + (4n – 3)CaO

The early uses of rare earth metals was to prepare the gas

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, hydro-

gen, 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 com-

ponent in glass. The rare earth metals and their compounds are

used in numerous areas of industry for a wide range of purpo-

ses. The most important of these include metallurgy, catalysts

in the chemical industry, coloring of glass and ceramics, the

production of magnets, and phosphors.

Gas mantle Street lit with gas mantle

Flint for generating a spark A cigarette lighter

Figure 10 - Early uses of rare earths

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 Ear-

ths, CRC Press, Boca Raton, Florida 2005

189



F. Habashi, Principles of Extractive Metallurgy, Volume 4. Amal-

gam & Electrometallurgy, Métallurgie Extractive Québec,

Sainte-Foy, Québec 1998. Distributed by Laval University

Bookstore

F. Habashi, A Textbook of Hydrometallurgy, Métallurgie Extrac-

tive 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 Uni-

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F. Habashi, Researches on Rare Earths. History and Technology,

Métallurgie Extractive Québec, Québec City 2008. Distributed

by Laval University Bookstore

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Extractive Metallurgy, edited by F. Habashi, WILEY-VCH, Wein-

heim, 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-

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 Monta-

na School of Mines then worked at the Extractive Metallurgi-

cal 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 univer-

sities, authored a number of textbooks on extractive meta-

llurgy 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.


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Invest Apl Innov 3(2), 2009

VERA, Rafael. “Modelo de gestión del conocimiento”

Investigaciónaplicada einnovación

Volumen 5, N.o 2Segundo semestre, 2011 Lima, Perú

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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