EFECTOS DEL NEUTRO FLOTANTE EN INSTALACIONES ELÉCTRICAS DE BAJA TENSIÓN
RESUMEN
La energía eléctrica se distribuye por medio de líneastrifásicasdecuatroconductores:lasfases R, S y T y el conductor neutro N. Habitualmente los receptores monofásicos se conectan entre las fases y el neutro. Sin embargo, en ciertas circunstancias, como en sistemas eléctricos de ciertas instalaciones industriales o en sistemas eléctricos temporales, puede ocurrir lo que se conoce como un "neutro flotante". Esto significa que el punto de conexión a tierra del neutro no está conectado a tierra o está mal conectado. Esto puede ser peligroso porque puede causar tensiones peligrosas en el equipo y representar un riesgo de descarga eléctrica para las personas.
Es importante corregir un neutro flotante tan pronto como se detecte para garantizar la seguridad del sistema eléctrico y de las personas que trabajan cerca de él. Esto generalmente implica localizar el punto de conexióna tierraadecuadoyasegurarsedeque esté conectado correctamente.
PALABRAS CLAVE: Neutroflotante,equilibrio de fases, sobretensión, subtensión, líneas trifásicas.
ABSTRACT
Electrical power is distributed over three-phase lines with four conductors: the phases R, S and T andtheneutralconductorN.Usuallysingle-phase receivers areconnected between thephases and the neutral. However, in certain circumstances, such as in electrical systems in certain industrial installations or in temporary electrical systems, what is known as a "floating neutral" may occur. Thismeansthatthegroundingpointoftheneutral is not connected to ground or is improperly connected.Thiscanbedangerousbecauseitcan causedangerousvoltagesinequipmentandpose an electrical shock hazard to people.
It is important to correct a floatingneutralas soon as it is detected to ensure the safety of the electrical system and the people working near it. This usually involves locating the proper grounding point and making sure it is connected correctly.
KEYWORDS: Floating neutral, phase balancing, overvoltage, undervoltage, threephase lines.
History of the article: Received 23/03/2024 Stylereview 15/04/2023.Accepted 20/04/2023
INTRODUCCIÓN
En algunas circunstancias en las instalaciones eléctricas industriales, ocurre un fenómeno que provoca la inestabilidad del sistema eléctrico de la planta, la rotura del conductor neutro, al cual se la denomina “neutro flotante”, lo que provoca la aparición de subtensiones y sobretensiones permanentes que pueden provocar daños en los equipos eléctricos.
Cuando se pierde la referencia de la tierra, aparece una tensión denominada tensión de desplazamiento del neutro, el cual depende principalmente del grado de desequilibrio de la carga. La tensión entre el neutro y tierra debería ser 0V en teoría, sin embargo, no es así, en la práctica aparece una tensión que debería ser menor a 2V.
César Mendoza Carvajal*
RESUMO
A energia elétrica é distribuída por meio de linhas trifásicas com quatro condutores: as fases R, S e T e o condutor neutro N. Normalmente, os receptores monofásicos são conectados entre as fases e o neutro. Entretanto, em determinadas circunstâncias, como em sistemas elétricos de certas instalações industriais ou em sistemas elétricos temporários, pode ocorrer o que é conhecido como "neutro flutuante". Isso significa que opontodeaterramentodoneutro nãoestáconectadoaoterraouestáconectado incorretamente.Issopodeserperigosoporque pode causar tensões perigosas no equipamento e representar um risco de choque elétrico para as pessoas.
Éimportantecorrigirumneutroflutuanteassim que ele for detectado para garantir a segurança do sistema elétrico e das pessoas que trabalham perto dele. Isso geralmente envolvealocalizaçãodopontodeaterramento adequado e a garantia de que ele esteja conectado corretamente.
PALAVRAS-CHAVE: Neutro flutuante, balanceamento de fase, sobretensão, subtensão, linhas trifásicas.
El conductor de tierra: conductor o conjunto de conductores que enlazan la puesta a tierra a la barra colectora de la tierra.
Conductor neutro: Conductor conectado al punto neutro y destinado a la conducción de la energía eléctrica. En ciertos casos y condiciones específicas, las funciones del conductor neutro y el conductor de protección a tierra, pueden ser combinadas en un solo conductor. (IBNORCA, 2015, p. 6).
También puede haber redes utilizadas en niveles inferiores en la arquitectura del sistema de control, para comunicaciones entre diferentes PLC1 en el mismo subsistema o instalación industrial, así como para comunicaciones entre dispositivos de campo y PLC individuales.
DESARROLLO
Tensiones y cargas equilibradas
En este caso la tensión de fase del secundario del transformador es de 230V, cuyos fasores se encuentran desfasados en 120 grados eléctricos, las cargas son equilibradas, como se puede ver en la figura 2.
1 PLC: Controlador Lógico Programable, es un dispositivo electrónico utilizado en automatización industrial para controlar procesos y maquinaria.
Crédito: C. Mendoza C. 2024
Figura 1: Tensión medida entre neutro y tierra
2: Sistema de cargas equilibradas. Fuente Elaboración propia
Es decir:
La corriente que recorre cada una de las fases tiene igual magnitud, pero desfasada en 120 grados eléctricos, la suma vectorial de las tres intensidades resulta cero. En los sistemas equilibrados:
• Todas las fases tienen la misma corriente
• La corriente del neutro es cero, por lo que la tensión es nula.
• Si se corta el neutro no afectará en nada al sistema.
Se denomina desplazamiento del neutro nNV , es decir, al fasor entre el punto neutro de la carga y el neutro de transformador, se puede deducir que los fasores de las tensiones de los receptores de las fases: nN T Tn
S Sn
Para determinar el desequilibrio de las tensiones, se debe hallar la tensión del desplazamiento del neutro. Una vez conocidas las admitancias complejas de las cargas, el desplazamiento del neutro se determina con el teorema de Millman con referencia al punto N.
En la figura 3, se puede apreciar cargas equilibradas, por lo tanto, las tensiones también son iguales.
3: Simulación de cargas equilibradas. Fuente Elaboración propia
Tensiones equilibradas y cargas desequilibradas
En la figura 4., se puede apreciar un desequilibrio de cargas y las tensiones permanecen equilibradas, también se tiene conectado en neutro con la tierra del transformador.
Figura 4: Sistema eléctrico con neutro. Fuente Elaboración propia
Aunque las cargas sean desequilibradas, se siguen manteniendo las siguientes igualdades: Tn T Sn S Rn R V V V V V V = = =
En este caso, las cargas son equilibradas y las admitancias complejas son iguales, entonces la ecuación anterior queda:
( ) R T S R R nN 3Y V V V Y V + + =
Como las tensiones en eltransformadorestán equilibradas, la suma fasorial de las tensiones es cero.
0 = + + T S R V V V
Esto implica que la tensión de desplazamiento es cero.
0 = nNV
Las intensidades de cada fase: 1 R R Z V I = 2 S S Z V I = 3 T T Z V I =
La suma vectorial de las tres intensidades no será nula, debido al desequilibrio de cargas: 3 T 2 S 1 R N Z V Z V Z V I + + =
Figura
Figura
5: Simulación de cargas desequilibradas. Fuente Elaboración propia
En la figura 5, se tiene cargas desequilibradas, pero el neutro del transformador y el neutro de las cargas están conectados, esto implica que las tensiones en las cargas son casi iguales a las de fase, también existe la circulación de corriente en el conductor neutro.
Carga equilibrada, desequilibrada y neutro flotante
La corriente fluye hacia o desde los usuarios, entrando vía la fase y saliendo vía neutro. Sí hay una ruptura del neutro las trayectorias de retorno de corriente pueden tomar otros rumbos. El flujo de corriente entrando en una fase retorna a través de las otras dos fases. El punto neutro no está a nivel de tierra y flotaría hacia el voltaje de línea. Esta situación puede ser muy peligrosa y el usuario puede sufrir daños eléctricos si llegara a tocar algo que esté bajo tensión, igualmente los equipos podrían sufrir daños
Debido a la imposibilidad de retorno de la corrientea través del neutro, apararece entre el neutro del transformador “N” y el neutro de las cargas “n” (tensión de desplazamiento del neutro).
Finalmente, el desplazamiento del neutro es:
Si Y es la admitancia compleja del conjunto de cargas, y los números de las conectadas entre las fases y el neutro son nR, nS y nT respectivamente, como las que están conectadas entre cada fase y el neutro están en paralelo, las admitancias conectadas en paralelo, las admitancias totales conectadas a cada fase son:
Figura 7: Simulación de cargas desequilibradas. Fuente Elaboración propia
Para la figura 7, se tiene:
• La tensión de desplazamiento del neutro nNV :
• La tensión RnV
• La tensión SnV
• La tensión TnV
Se puede notar que las tensiones se mantienen casi iguales a la tensión nominal de 230V, aunque con el neutro flotante.
Figura
Figura 6: Sistema con rotura del neutro. Fuente Elaboración propia
Figura 8: Simulación carga desequilibrada y rotura del neutro Fuente Elaboración propia
Para la figura 8, tenemos:
• La tensión de desplazamiento del neutro nNV :
Figura 10: Tablero de prueba del neutro flotante
Las pruebas se hicieron con un analizador de redes de la marca FLUKE 434.
Inicialmente se hizo la prueba con cargas equilibradas y con neutro sólido, donde las corrientes y tensiones se mantienen constantes en cada fase.
• La tensión RnV
•
Se puede deducir que los valores calculados se aproximan con los valores del simulador.
En la figura 9, tenemos una bobina del contactor dañado por una sobretensión debido al corte de neutro.
También se hizo la prueba en un tablero eléctrico, donde se dispone de tres cargas por cada fase, como se muestra en la figura 10.
Crédito: C. Mendoza C. 2024
Figura 11: Medidas con FLUKE 434 cargas equilibradas con neutro sólido
A continuación, tenemos como prueba cargas equilibradas con corte de neutro.
Crédito: C. Mendoza C. 2024
Figura 12: Medidas con FLUKE 434 cargas equilibradas y rotura del neutro
Crédito: C. Mendoza C. 2024
Figura 9: Bobina del contactor dañado por sobretensión rotura de neutro
Crédito: C. Mendoza C. 2024
Cesar Mendoza Carvajal
Se puede apreciar que las corrientes en cada fase son desiguales, pero las tensiones son casi iguales a la tensión nominal de 230V.
Posteriormente tenemos la prueba para cargas desequilibradas y corte de neutro.
CONCLUSIONES
El corte del conductor neutro origina siempre sobretensión en los receptores de lafasemenoscargada y subtensión en los de la más cargada. En los receptores conectados en las fases pueden sufrir sobretensión, subtensión o mantenerse la tensión en su valor nominal, dependiendo del reparto efectivo de la carga. Estos valores de la tensión se mantienen mientras el neutro esté interrumpido y las fases conectadas.
En líneas con un reparto real equilibrado de la carga las tensiones permanecen equilibradas, aunque se interrumpa el neutro. El conductor neutro es un elemento esencial de equilibrio de las tensiones de la carga. Aunque esta esté muy desequilibrada, el conductor neutro aseguramuy aproximadamente elequilibriode las tensiones.
BIBLIOGRAFÍA
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SuarezTejadaL.F.CalidaddeEnergíaEléctrica.LaPaz,Bolivia, Trashorras Montecelos, J. Sobretensiones eléctricas en baja tensión. España,2012.
(*), Ph.D. en Ciencias y Tecnología, Licenciado en Electromecánica, Docente Carrera de Electricidad Industrial y Electromecánica, Facultad de Tecnología – UMSA.
Crédito: C. Mendoza C. 2024
Figura 13: Medidas con FLUKE 434 cargas desequilibradas y rotura del neutro
IMPLEMENTACIÓN DE UNA INFRAESTRUCTURA DE SERVIDORES DE BASE DE DATOS MYSQL Y PÁGINAS WEB CON APACHE PARA UNA RED LOCAL EN EL LABORATORIO DE INFORMÁTICA DE LA CARRERA DE ELECTRICIDAD INDUSTRIAL
RESUMEN
Para la implementación de la infraestructura necesaria para el laboratorio de Internet de las cosas (IoT), se tiene que realizar las operaciones de almacenamiento, control y monitoreo remoto de componentes físicos mediante una red. En la arquitectura de la tecnología IoT, este requiere; Interconectividad, cualquier objeto puede ser interconectado en una estructura global de información y comunicación, Heterogeneidad, los objetos pueden interactuar con otros dispositivos o plataformas de servicio a través de la red, Cambio dinámico, los objetos cambian dinámicamente como sus valores de sensores, estados de posición y otros, Gran escala, soporte para el número de dispositivos conectados para su control, y el número de clientes conectados. En este sentido, es fundamental contar con una infraestructura de servidores (base de datos y páginas web) y de esta manera lograr las operaciones de almacenamiento, control y monitoreo remoto dentrodeunlaboratoriodepruebas.Serequiere de la instalación y configuración de software libreLinuxensu versiónDebian9comosistema operativo principal, instalación y configuración del servidor Apache, instalación y configuración del servidor de base de datos MySQL y la creación yconfiguracióndepáginas webparael control remoto de dispositivos.
PALABRAS CLAVE: Internet de las cosas (IoT), Servidor de base de datos, Servidor Web, Implementación, Configuración
ABSTRACT
For the implementation of the necessary infrastructure for the Internet of Things (IoT) laboratory, the operations of storage, control and remote monitoringofphysical components must be performed through a network. In IoT technology architecture, this requires; Interconnectivity, any objectcanbeinterconnectedinaglobalinformation and communication structure, Heterogeneity, objects can interact with other devices or service platforms through the network, Dynamic change, objects change dynamically as their sensor values, position states and others, Large scale, support for the number of connected devices for control, and thenumber ofconnected clients. In thissense, it is essential to have a server infrastructure (database and webpages)and thus achievethe operationsof storage, controlandremotemonitoringwithinatest laboratory. It requires the installation and configuration of free Linux software in its Debian 9 version as the main operating system, installation and configuration of the Apache server, installation and configuration of the MySQL database server and thecreationandconfiguration of webpagesfor the remote control of devices.
RESUMO
Para a implementação da infraestrutura necessária para o laboratório da Internet das Coisas (IoT), as operações de armazenamento, controle e monitoramento remoto de componentes físicos devem ser realizadas por meio de uma rede. Na arquitetura da tecnologia de IoT, isso requer: Interconectividade, qualquer objeto pode ser interconectado em uma estrutura global de informação e comunicação; Heterogeneidade, os objetos podem interagir com outros dispositivos ou plataformas de serviço por meio da rede; Mudança dinâmica, os objetos mudamdinamicamenteconformeseusvalores de sensor, estados posicionais e outros; Grande escala, suporte para o número de dispositivos conectados para controle e o número de clientes conectados. Nesse sentido, é essencial ter uma infraestrutura de servidor (banco de dados e páginas da Web) e, assim, realizar operações de armazenamento, controle e monitoramento remoto em um laboratório de testes. Isso requer a instalação e a configuração do software livre Linux em sua versão Debian 9 como sistema operacional principal, a instalação e a configuração do servidor Apache, a instalação e a configuração do servidor de banco de dados MySQL e a criação e a configuração de páginas da Web para o controle remoto de dispositivos.
KEYWORDS: Internet of Things (IoT), Database server, Web server, Implementation, Configuration
History of the article: Received 29/03/2024 Stylereview 15/04/2023.Accepted 20/04/2023
INTRODUCCIÓN
El Internet de las Cosas (IoT) es una tecnología que permite la supervisióny el control remotos de componentes físicos a través de una red. Para implementar esta tecnología en un entorno de laboratorio, se requiere una infraestructura de servidor robusta, que incluya un servidor de base de datos como MySQL1 y un servidor web como Apache. Estos servidores permitirán el almacenamiento, control y monitorización remota de dispositivos IoT dentro de una red local.
La implementación de esta infraestructura requiere la instalación y configuración de software en un sistema operativo basado en Linux2, como Debian 9. Es necesario instalar y configurar el servidor web Apache3, así como el servidor de bases de datos MySQL. Además, deben crearse y configurarse páginas web para el control remoto de los dispositivos IoT.
La implementación de esta infraestructura es necesaria para la implementación exitosa de un laboratorio de IoT en la carrera de Electricidad Industrialde laUniversidad Mayor de San Andrés. Este laboratorio permitirá el monitoreo y control remoto de diversos dispositivos, como robots y otras maquinarias, dentro de una arquitectura de red IoT
1 MySQL es un sistema de gestión de bases de datos relacional
2 Linux: Sistema operativo de código abierto basado en UNIX.
3 Apache: Servidor web de código abierto y altamente flexible.
PALAVRAS-CHAVE: Internet das coisas (IoT),servidordebancodedados,servidorda Web, implementação, configuração.
(Keyur K Patel, 2016) que soporte interconectividad, heterogeneidad, cambios dinámicos, gran escalay gestión de datos.
DESARROLLO
Software Libre
El software libre se refiere a un concepto legal que concede a los usuarios permisos específicos para utilizar, modificar y distribuir software, porque su autor da permiso para ello. Antes de entrar en más detalles, es conveniente recordar que los derechos de autor en el caso del software funcionan, de cara a los usuarios finales, de forma similar a comofuncionan con las obras literarias o musicales. Si no tienes permiso explícito del dueño del programa, no puedes hacer casi nada con él. Desde luego no puedes repartir copias de él. Pero tampoco puedes, por ejemplo, modificarlo, ni siquiera para corregir un errorque hayas encontrado. Todos los que utilizan software no libre (privativo) suelen conocer esta situación: si quieres un programa, tienes que “comprarlo” (en realidad, comprar una licencia de uso). Y cuando lo has hecho, puedes usarlo como te permita la licencia, y poco más.
Estas libertades se plasman en la licencia que acompaña al programa. En ella, el autor garantiza a quien reciba el programa que puede ejercerlas. Por eso, en el fondo, lo que define si un programa es libre o no es este detalle legal: que la licencia garantice estas libertades [González-Barahona, 2011].
Edwin Añaguaya Capcha*
Internet de las cosas
Existen una serie de características fundamentales que identifican al Internet of Things y se describen a continuación [Domínguez, 2016].
• Interconectividad: esta es la característica que dota al IoT de todo su potencial, ya que permite la compatibilidad y el acceso a la infraestructura mundial de la información y la comunicación.
• Servicios relacionados con objetos: IoT proporciona servicios relacionados con objetos dentro de las restricciones de esos objetos.
• Heterogeneidad: dispositivos basados en diferentes plataformas hardware y redes pueden interactuar entre sí.
• Cambios dinámicos: tanto el estado de los dispositivos (reposo, activo, conectado, desconectado, otros) como el contexto (ubicación, velocidad, otros) o el número de dispositivos pueden variar de forma dinámica.
Servidor DNS
El Sistema de Nombres de Dominio (DNS) es un servicio fundamental para Internet que traduce los nombres de host en direcciones IP y viceversa, lo que permite el enrutamiento y los servicios de correo electrónico. El DNS permite utilizar nombres amenos (nombres de dominio) en lugar de direcciones IP para las máquinas, lo que facilita su recuerdo y gestión.
Los nombres de dominio van separados por puntos. Como cada elemento se puede componer de 63 caracteres, sólo puede haber un máximo de 127 elementos y el nombre completo no debe superar los 255 caracteres. El nombre completo no abreviado se llama FQDN (Fully Qualified Domain Name). En un FQDN, el elemento más a la derecha se llama TLD (Top Level Domain), el más a la izquierda representa al anfitrión y, por tanto, la dirección IP (Rohuat, 2019).
La configuración DNS incluye ajustes especiales para los enrutadores de correo electrónico, como las definiciones MX, que permiten la resolución inversa, los factores de prioridad y la tolerancia a errores. Para la configuración de servidores maestros se suele utilizar el servicio BIND, que es el servidor de nombres de dominio más popular de Internet, funciona en las principales plataformas informáticas y es conocido por su flexibilidad y seguridad.
Servidor Web
Para el funcionamiento correcto de un servidor web necesitamos un cliente web que realice una petición http o https a través de un navegador como Chrome, Firefox o Safari y un servidor donde esté almacenada la información.
Existen diferentes tipos de servidores:
Servidor HTTP Apache: El servidor HTTP Apache es un software de código abierto y gratuito, que durante años ha sido el software más utilizado por los servidores web, rivalizando actualmente con Nginx. Además, destaca por ser multiplataforma, siendo compatible con sistemas operativos como Linux, Window, IOS, Unix, etc.
Servidor Nginx: Al igual que con Apache estaríamos ante un software de código abierto y multiplataforma compatible con Window, IOS, Linux, etc. Tiene una versión de pago además de la gratuita. Este tipo de servidor web es conocido por su buen funcionamiento cuando tiene que gestionar un número alto de visitas simultáneas, ya que los
usuarios no perciben retraso en lacarga de la página, aunque se esté produciendo ese acceso concurrente. Actualmentees el software más utilizado.
Servidor de base de datos
Un servidor de base de datos, también conocido como RDBMS (Relational DataBase Management Systems) en caso de bases de datos relacionales, es un tipo de software de servidor que permiten la organización de la información mediante el uso de tablas, índices y registros.
Las bases de datos que existen dentro, sirven para gestionar y administrar inmensas cantidades de información, como sucede en casos de empresas, instituciones, universidades o bancos, que almacenan datos de usuarios/clientes tales como direcciones, teléfonos, emails, ingresos, egresos, calificaciones, etc.
Existen muchos usos populares que se les ha dado a los servidores de base de datos desde su invención, por ejemplo:
• PHP: Es un lenguaje de código abierto muy popular especialmente adecuado para el desarrollo web y que puede ser incrustado en HTML. En lugar de usar muchos comandos para mostrar HTML (como en C o en Perl), las páginas de PHP contienen HTML con código incrustado que hace "algo".
Lo que distingue a PHP de algo del lado del cliente como Javascript es que el código es ejecutado en el servidor, generando HTML y enviándolo al cliente. El cliente recibirá el resultado de ejecutar el script, aunque no se sabrá el código subyacente que era. El servidor web puede ser configurado incluso para que procese todos los ficheros HTML con PHP, por lo que no hay manera de que los usuarios puedan saber qué se tiene debajo de la manga.
• MySQL: Es un sistema de administración de bases de datos (DatabaseManagementSystem,DBMS) para bases de datos relacionales. Así, MySQL no es más que una aplicación que permite gestionar archivos llamados de bases de datos.
Existen muchos tiposdebases de datos, desdeunsimplearchivo hasta sistemas relacionales orientados a objetos. MySQL, como base de datos relacional, utiliza múltiples tablas para almacenar y organizar la información. MySQL fue escrito en C y C++ y destaca por su gran adaptación a diferentes entornos de desarrollo, permitiendo su interactuación con los lenguajes de programación más utilizados como PHP, Perl y Java y su integración en distintos sistemas operativos.
Protocolo de comunicación IoT:
WiFi es una de las opciones más populares para IoT. La mayoría de los laboratorios disponen de una red WiFi capaz de soportar una docena de dispositivos IoT sin cambiar nada. No obstante, muchos routers pueden fallar o no conectar muchos dispositivos. Los dispositivos IoT WiFi consumen mucha más energía que los dispositivos con otros protocolos más eficientes. Para conectar dispositivos que funcionen con batería existe el WiFi HaLow, una versión de bajo consumo y largo alcance del estándar IEEE 802.11. Una de las ventajas importantes de WiFi es que permite la transferencia de grandes cantidades de datos de manera muy rápida.
Topología de Red propuesta
La topología de red que se plantea es con un servidor principal y un secundario, a estos servidores tienen acceso los dispositivos (maquinas equipos). Estos dispositivos realizan un intercambio información con el servidor. Por otro lado, se tiene los clientes (usuarios) que realizan el monitoreo y control de los dispositivos de forma indirecta a través de los servidores. Esta topología se presenta en la gráfica siguiente:
Figura 1: Topología de red para la implementación (Fuente: Elaboración Propia)
Identificación de servicios a implementar
Para garantizar la funcionalidad del laboratorio y poder alcanzar los objetivos trazados se requiere de los siguientes servicios, estos que están dentro de una distribución Debían en su versión 10.
Se requiere dos servidores el principal y uno secundario que servirá como respaldo o replicación para la base de datos, ambos servidores con las configuraciones necesarias (IP, red, entre otros).
• Instalación y configuración del servicio BIND9 en el servidor principal y secundario(esclavo).
• Instalación y configuración de los servicios web: Apache2 y PHP en el servidor principal.
• Instalación y configuración del servicio de base de datos MySQL.
• Configuración de la replicación de base de datos MySQL en el servidor secundario.
Estrategias de Implementación
Para la implementación de esta investigación, es necesario una estrategia que ayude a cumplir con las metas planteadas. Su plantea utilizar la herramienta de calidad PDCA [Costas, 2010]. Bajo ese esquema se utilizará una Planeación, ejecución del plan, verificación y finalmente la estandarización.
Planeación: Presentar la propuesta a la carrera de Electricidad Industrial, para la implementación del laboratorio, socializar con los investigadores y encargados de laboratorios la propuesta de implementación mediante prototipos demostrativos.
• Ejecución: Realizar la implementación de la investigación, en los laboratorios de robótica. Esto requiere la instalación de sistema operativo, instalación y configuración de los servicios.
• Verificación: Verificar el correcto funcionamiento de los servidores para el control remoto de los dispositivos que se conectan al servidor. Realizar las comparaciones de monitoreo y control local (actual tecnología) y la forma remota (propuesta).
• Estandarización: Estandarizar la nueva tecnología y repetir el proceso para las mejoras continuas.
Procedimiento de implementación
Configuración de la servidora DNS: La configuración de servidoresDNStanto para elmaestro como para elesclavo conlleva una serie de pasos:
1. Instalación de bind9 en el maestro mediante apt-get install bind9
2. Instalación de dnsutils en el maestro mediante apt-get
install dnsutils.
3. Configuración de la zona en el maestro se ejecuta usando nano /etc/bind/named.conf.local,
4. Comprobación de la configuración con named-checkconf.
5. Configuración de la zona en /var/cache/bind/laboratory.zone, recomendándose una verificación de la configuración del servidor.
6. Configuración del DNS secundario en el servidor maestro, la configuración se edita mediante nano /var/cache/bind/laboratory.zone
7. Reinicio de los servicios y la verificación de la funcionalidad de las modificaciones realizadas (Figura 2)
Figura 2: Reinicio de servicios y verificación de funcionalidad del Servidor DNS lado maestro. Fuente: Elaboración Propia
8. Instalación de servicios bind9 y dnsutils en el esclavo, seguido de la configuración en el servidor esclavo mediante nano /etc/bind/named.conf.local.
9. A continuación, se realizan las pruebas de configuración, asegurando el correcto funcionamiento de los servidores DNS tanto para el maestro como para el esclavo (Figura 3)
Figura 3: Pruebas de Configuración del Servidor DNS lado esclavo. Fuente: Elaboración Propia
Configuración del servidor web: Se requiere varios pasos,
1. Instalación del servicio apache2 (Figura 4)
2. Edición del archivo de zona para incluir la dirección de la página web.
3. Es necesario verificar la configuración y reiniciar el servicio para garantizar la eficacia de los cambios realizados.
4. Configuración del host virtual se ejecuta creando un directorio para almacenar toda la información de la página web (Figura 5), con la posterior comprobación, reinicio del servicio y activación de las configuraciones necesarias.
Figura 4: Instalación del servicio apache2. Fuente: Elaboración Propia
Figura 5: Configuración del host virtual. Fuente: Elaboración Propia
Configuración y replicación base de datos:
1. Instalación el servicio de base de datos: apt install mariadbserver
Figura 6: Instalación el servicio de base de datos. Fuente: Elaboración Propia
2. Habilitación del registro de consultas en el archivo 50server.cnf y reinicie el servicio
3. Creación de usuarios para la administración de la base de datos
4. Instalación de adminer para una interfaz gráfica para gestionar las bases de datos
Figura 7: Instalación de adminer. Fuente: Elaboración Propia
5. Configuración del archivo 50-server.cnf para la replicación de bases de datos y reinicie el servicio
6. Extracción de copia de seguridad y envío al servidor esclavo
7. Creación un usuario para la replicación
8. Configuración del archivo 50-server.conf en el esclavo, de forma similar a la configuración del maestro
9. Reinicio del servicio para que los cambios surtan efecto
10. Restauración dela copia de seguridad en el servidor esclavo
11. Configuración de los datos del servidor
Figura 7: Configuraciónde losdatosdel servidor Fuente: Elaboración Propia
12. Configuración de la replicación esclava
Figura 8: Configuraciónde laréplica esclava Fuente: Elaboración Propia
13. Creación de un usuario para el esclavo
Figura 9: Configuracióndel usuarioenelesclavo Fuente: Elaboración Propia
14. Configuración de la replicación en el maestro para que sea efectiva.
Pruebas Finales
1. Se verifica el correcto funcionamiento del servidor de base de datos en el esclavo.
Figura 10: Verificacióndel servidor ladoesclavo Fuente: Elaboración Propia
2. Se verifica el correcto funcionamiento del servidor de base de datos en el maestro.
11: Verificacióndel servidor lado maestro Fuente:
Elaboración Propia
3. Prueba de funcionamiento del servidor de páginas web, donde se puede evidenciar un correcto funcionamiento.
12: Verificacióndel servidordepáginaweb. Fuente:
Elaboración Propia
CONCLUSIONES
Un laboratorio de IoT para el monitoreo y control remoto de dispositivos puede funcionar sin complicaciones implementando servidores de páginas web y servidores de base dedatos con los queunclientepuede interactuar con un dispositivo de forma remota.
Además, se puede concluir que:
• Es muy necesario contar con información necesaria antes de implementar servidores, ya que existe un alto riesgo si se tiene problemas en dichos servidores.
• Se puede evidenciar la importancia de implementar servidores con su respaldo para garantizar la continuidad del servicio.
• El servidor depáginasweb tieneque tener unaalta disponibilidad ya que es el intermediario entre los dispositivos y los clientes, por tanto, es necesario realizar una configuración adecuada para efectivizar la interacción entre los clientes y los dispositivos.
• Para garantizar una adecuada toma de datos en tiempo real de los dispositivos, el servidor de base de datos necesita una replicación, con las configuraciones adecuadas. Y así reducir los niveles de riesgo de un mal funcionamiento por datos inadecuados.
• Finalmente se concluye que es necesario realizar las pruebas correspondientes de funcionamiento, donde se puede realizar las verificaciones, correcciones para su posterior uso de la red y la mitigación de la atenuación de la señal.
BIBLIOGRAFÍA
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(*), MagisterenAdministracióndelaTecnología,Licenciado en Electromecánica. Docente: Electromecánica y Electricidad Industrial, Facultad de Tecnología – UMSA.
Figura
Figura
MODELO PARA PREDICCIÓN DE PÉRDIDAS DE PROPAGACIÓN EN REDES WLAN
Javier Marcelo Flores Monrroy*
RESUMEN
Este trabajo propone un nuevo modelo de pérdidas de potencia en la propagación para señales bajo el estándar IEEE 802.11b/g1. El modelo se validará mediante campañas de medidas utilizando un Access Point RUCKUS, un analizador de espectro y el software GNetTrack Lite, y se comparará con otros modelos empíricos. La inclusión de una variable aleatoria log-normal en la ecuación de propagaciónreflejaelefectodelmedioambiente y la presencia de obstáculos en el análisis del modelo. Se desarrollará una interfaz gráfica para visualizar las pérdidas de potencia para el modelopropuestoyrealizarajustesderegresión lineal de cada una de las tendencias, El modelo de propagación se basará en mediciones del nivel de señal recibido en la frecuencia de operación 2.4GHz en ambientes interiores en locaciones de la Facultad de Tecnología en la ciudad de La Paz, lo que redundará en un modelo más preciso para la planificación y dimensionamiento de sistemas inalámbricos de telecomunicaciones en ambientes similares.
PALABRAS CLAVE: Modelo de pérdidas de potencia, WLAN, Validación Empírica, IEEE 802.11b/g, Access Point.
ABSTRACT
The objective of this research is to design a This paper proposes a new propagation power loss model for signals under the IEEE 802.11b/g standard. The model will be validated through measurement campaigns using a RUCKUS Access Point, a spectrum analyzer and GNetTrack Lite software, and compared with other empirical models. The inclusion of a log-normal random variable in the propagation equation reflects the effect of the environment and the presence of obstacles in the model analysis. A graphical interface will be developed to visualize the power losses for the proposed model and perform linear regression fitting of each of the trends. The propagation model will be based on measurements of the received signal level at the 2.4GHz operating frequency in indoor environments at locations of the Faculty of Technology in the city of La Paz, which will result in a more accurate model for the planning and sizing of wireless telecommunication systems in similar environments.
KEYWORDS: Power Loss Model, WLAN, EmpiricalValidation,Empírica,IEEE802.11b/g, Access Point.
History of the article: Received 29/03/2024 Stylereview 15/04/2023.Accepted 20/04/2023
INTRODUCCIÓN
En las redes de comunicación inalámbrica, la capacidad de predecir las pérdidas de potencia de la señal en función de la distancia de propagación, en diversos entornos y condiciones, resulta fundamental para el diseño de equipos, el cálculo de la posición de repetidores o antenas, la ubicación de nodos, entre otros. Las pérdidas de potencia normalmente se modelan matemáticamente por medio de una ecuación de propagación, donde se calculan las pérdidas en función de la distancia, la frecuencia, y otras variables que dependen de los obstáculos y los fenómenos asociados, como la difracción o la reflexión de señales (Alfonso, 2009).
Generalmente los modelos de predicción2 se pueden clasificar en empíricos o estadísticos, teóricos o determinísticos o una combinación de estos dos (semiempíricos)
Los modelos empíricos se basan en mediciones, mientras que los teóricos se apoyan en los principios fundamentales de la propagación de ondas de radio. Estos modelos pueden predecir la pérdida de señal entre una estación base y un receptor, ya sea fijo o móvil. Es fundamental modelar los canales de radio utilizando las características de trayectoria entre el Transmisor (Tx) y el Receptor (Rx) para evaluar la viabilidad de proyectos de cobertura inalámbrica en áreas específicas. Esto proporciona estimaciones precisas sobre las necesidades, los gastos y los requisitos técnicos necesarios para que dichos proyectos se lleven a cabo con éxito.
1 IEEE 802.11b/g1 es un estándar de tecnología de redes inalámbricas Wi-Fi que opera en la banda de frecuencia de 2.4 GHz
2 Modelo de Predicción: Herramienta que utiliza datos históricos y variables relevantes para predecir posibles pérdidas futuras en un contexto específico, como en finanzas, seguros o telecomunicaciones
RESUMO
Este artigo propõe um novo modelo de perda de potência de propagação para sinais sob o padrão IEEE 802.11b/g1. O modelo será validado por meio de campanhas de medição usando um ponto de acesso RUCKUS, um analisador de espectro e o software GNetTrack Lite, e comparado com outros modelosempíricos.Ainclusãodeumavariável aleatória log-normal na equação de propagação reflete o efeito do ambiente e a presença de obstáculos na análise do modelo. Será desenvolvida uma interface gráfica para visualizar as perdas de potência do modelo propostoerealizaroajustederegressãolinear de cada uma das tendências. O modelo de propagação será baseado em medições do nível de sinal recebido na frequência de operação de 2,4 GHz em ambientes internos em locais da Faculdade de Tecnologia na cidade de La Paz, o que resultará em um modelo mais preciso para o planejamento e o dimensionamento de sistemas de telecomunicações sem fio em ambientes semelhantes.
PALAVRAS-CHAVE: Modelo de perda de energia, WLAN, validação empírica, IEEE 802.11b/g, Access Point,
DESARROLLO
Predicción de propagación de radio
La propagación de las ondas electromagnéticas a través de un medio puede predecirse matemáticamente gracias a las ecuaciones de Maxwell. Estas ecuaciones explican la dinámica entrelazada de los campos eléctricos y magnéticos a través de dimensiones temporales y espaciales.
Este trabajo determinó que las ondas electromagnéticas cumplen las leyes fundamentales de la óptica, que abarcan fenómenos como la reflexión, la dispersión, la refracción y la difracción. Tras las aportaciones de Maxwell, Hertz validó empíricamente esta teoría, sentando las bases para el desarrollo pionero por Marconi del primer sistema de comunicación inalámbrica, que propició la evolución de las tecnologías modernas de la comunicación. Como resultado de estos avances, el espectro electromagnético se dividió en distintas bandas de frecuencias apropiadas a las características únicas de propagación de cada banda. Entre las distintas bandas de este espectro se encuentran las de UHF y VHF, designadas específicamente para el avance de los sistemas de comunicaciones móviles.
Modelos de propagación en ambientes interiores.
Se presentan las principales características de algunos de los modelos de propagación para ambientes interiores encontrados en literatura, que han sido desarrollados de forma similar a cómo se desarrollará el modelo objeto del presente trabajo.
a) Modelo Log-Distance
La atenuación de la potencia media de la señal recibida disminuye logarítmicamente con la distancia entre el transmisor y el receptor, independientemente del entorno. En interiores, la atenuación media de la potencia a lo largo de
una distancia determinada entre el transmisor y el receptor se cuantifica en función de la distancia incorporando un exponente de pérdida denominado L(d0) que depende del valor del exponente pérdidas “n”, como se indica en la siguiente expresión.
Donde:
L(d0): Pérdidas de propagación a una distancia do, en dB (calculadas utilizando el modelo de pérdidas en el espacio libre, o a través de mediciones de campo realizadas a dicha distancia)
d0: Distancia de referencia, en km (para ambientes interiores, generalmente igual a 0,01 km o 0,001 km).
d: Distancia entre transmisor y receptor.
Xσ : Variable aleatoria (normal o gaussiana), en dB, con media igual a cero y desviación estándar σ, también en dB. Este parámetro refleja la atenuación causada por el desvanecimiento plano (en elcaso de que no haya desvanecimiento, Xσ esiguala cero).
En (Rappaport, 2001), se reportan valores medidos de n y σ para diferentes tipos de ambientes interiores.
Por su parte, las pérdidas de propagación en el modelo de espacio libre, Lel vienen dadas por Parsons (2000):
Donde "f" es la frecuencia de operación.
b) Modelo de Propagación de ITU-R para Ambientes Interiores
El modelo para predecir la atenuación de la señal dentro del espectro de frecuencias entre 900 MHz a 100 GHz para entornos interiores fue formulado por la UIT-R (Unión Internacional de Telecomunicaciones, 2021), teniendo en cuenta factores de propagación, tal como articulan Joshi y Pérez (2006):
• Reflexión y difracción que se producen en objetos fijos.
• Refracción que atraviesan paredes, suelos y otros obstáculos fijos.
• Confinamiento de la energía dentro de los pasillos.
• Influencia de la presencia humana y objetos móviles en el entorno.
La pérdida de propagación es determinada por:
Donde: "f" está dada en MHz, Lf es el coeficiente de atenuación por pisos atravesados (en dB) y Nf es el número de pisos atravesados. La expresión (3) es válida para d > 1 m y Nf ~ 1 Los valores de γ y Lf son dados por la ITU-R para ambientes residenciales, de oficina y comerciales, y hasta para siete (7) bandas de frecuencia diferentes (Unión Internacional de Telecomunicaciones, 2021)
c) Modelo COST 231 Keenan y Motley
Diseñado específicamente para la propagación de señales en interiores, es un modelo empírico que tiene en cuenta la pérdida en el espacio libre junto con la pérdida adicional que se produce cuando la señal directa atraviesa varias paredes y suelos. Su aplicación requiere un conocimiento exhaustivo de un amplio conjunto de datos, y la atenuación de la señal se determina mediante:
Donde:
Lo: Pérdidas de propagación a un (1) metro de la antena transmisora, en dB
Lf ,¡: Pérdidas de propagación de la señal a través de los pisos, en dB
Nr,¡: Número de pisos con las mismas características
Lw,j: Pérdidas de propagación de la señal a través de paredes, en dB
Nw,j ( Número de paredes con las mismas características.
I: Número de tipos de pisos atravesados por la señal
J: Número de tipos de paredes atravesadas por la señal
Cuando no se dispone de datos completos sobre los tipos estructurales de paredes y suelos, se recurre a una variante simplificada del modelo, con un único tipo de piso y dos (2) tipos de paredes:
Donde:
Nf: Número de pisos atravesados
Lf: Pérdidas a través de los pisos, en dB
LW,1: Pérdidas en paredes ligeras de madera, puertas, etc, en dB
LW,2: Pérdidas en paredes gruesas, tabiques de ladrillo, cemento, etc, en dB
En la Tabla 1 aparecen los valores típicos de las mencionadas pérdidas:
Tabla 1
Factores de pérdida de acuerdo al tipo de paredes
Fuente: Elaboración propia
Este modelo constituye una valiosa herramienta para predecir y atenuar la pérdida de señal en los sistemas de comunicación en interiores, mejorando así el rendimiento y la fiabilidad de las redes inalámbricas.
d) Modelo COST 231 Multi-Wall:
El modelo COST 231 Multi-wal/ (MWM = Multi-wal/ model) una evolución del modelo de propagación COST 231 Keenan y Motley, introduce un factor de atenuación lineal proporcional a la cantidad de paredes atravesadas, mejorando así la capacidad del modelo para dar cuenta del impacto acumulativo de múltiples barreras. Además, este modelo avanzado incorpora un término más complejo que capta la intrincada relación entre la degradación de la señal y el número de plantas atravesadas, dando lugar a una tasa de pérdida progresivamente decreciente por cada piso adicional a partir de la segunda. La atenuación total viene dada por (Saunders & Aragón, 2007):
Donde Nf es el número de pisos atravesados y "b" es un factor de atenuación asociado a los pisos que la señal debe atravesar.
Procedimiento de Medición
Con el objetivo de construir un modelo matemático empírico, la recolección de datos y su posterior análisis requieren la ejecución de Pruebas de Cobertura, un riguroso protocolo de evaluación de la calidad de las redes inalámbricas WLAN. Este procedimiento implica el despliegue de un software especializado instalado en un Smartphone (Network Signal Info Pro), dedicado a recopilar y evaluar los datos recibidos del GPS del Smartphone funcionando en modo ingeniería. Este modo permite recoger los datos más pertinentes de los canales y eventos generados por la red
Es fundamental destacar que estas pruebas se realizan a pie, lo que garantiza una evaluación meticulosa y exhaustiva de la zona de cobertura
Nivel de Señal Recibida en Función de la Distancia
La figura 1 muestra el plano a escala de la segunda planta del edificio de la Facultad de Tecnología de la UMSA. El transmisor designado (AP2) está situado dentro de la biblioteca de la facultad, a una altura de 2,6 metros. La selección de trayectorias de medición abarca tres rutas distintas, como se representa en la figura anterior:
Fuente: Elaboración Propia
Figura 1: Mapa de Calor Biblioteca Facultativa
Trayecto 1: Representa el pasillo central y sirve de referencia para la evaluación de la propagación de la señal en una configuración rectilínea. Trayectos 2 y 3: Atraviesan los bancos de la biblioteca y permiten comprender la dinámica de atenuación de la señal en un entorno interior complejo, caracterizado por la presencia de numerosos obstáculos y superficies reflectantes.
Tabla 2
Datos del router seleccionado
Fuente: Elaboración propia
La Tabla 2 muestra los datos de ubicación del Router medido. Se hicieron mediciones en las siete plantas adicionales del edificio de la Facultad. Dado el volumen considerable de mediciones realizadas, se presentarán solo algunas imágenes representativas de dichas mediciones (Figura 2) incorporando rutas que se extienden desde el AP, estratégicamente situado en varias ubicaciones, hasta puntos situados en la última planta. Este enfoque global permite incluir y analizar el impacto ejercido por cada planta en el nivel de señal recibida, facilitando así una comprensión matizada de las características de propagación de la señal en un entorno interior de varias plantas.
Protocolo de Recolección de datos
La ejecución de las mediciones se ajustó a un protocolo sistemático, con una separación uniforme de tres (3) metros entre puntos consecutivos de recolección de datos, a partir de la ubicación del transmisor.
Fuente: Elaboración Propia
Figura 2: Mapa de Calor Decanato y Áreas administrativas.
El proceso de medición se repitió tres (3) veces en cada trayecto, a intervalos variables y en días diferentes, teniendo así en cuenta la posible influencia de diversos factores, como la presencia de personas, las condiciones ambientales y las fluctuaciones temporales.
Tabla 3
Medición de Densidad de Potencia Piso 1. Biblioteca Facultativa
2 AP: Access Point es un dispositivo de red que permite la conexión inalámbrica de dispositivos a una red cableada
Fuente: Elaboración propia
Para cada punto de medición (Tabla 3), el valor final representa el promedio de las tres (3) mediciones independientes, aumentando así la fiabilidad y solidez de los datos y proporcionando una representación más precisa de las características de propagación de la señal en el entorno interior. Este enfoque riguroso de recolección y análisis de datos sirve de base para el desarrollo de un modelo matemático completo y predictivo, capaz de comprobar la compleja interacción de los factores que influyen en la atenuación de la señal en interiores.
Desarrollo del Modelo
Para el desarrollo de un modelo predictivo de pérdidas por propagación en redes WLAN, objeto de este trabajo de investigación, los resultados obtenidos con las medidas empíricas, vinculados con los principios de modelado matemático expuestos por Alfonso (2009), establecen la aplicación de una expresión matemática logarítmica. Esta expresión sirve para describir la atenuación general de la potencia de la señal en el espacio libre, incorporando una variable aleatoria Xσ. Esta variable da cuenta de la atenuación de la señal en ambientes abiertos, atribuible a
obstáculos menores.
Donde:
L(d): Potencia en función a la distancia.
Lf(d0): Representa la potencia de referencia del enlace en dB cuando el receptortransmisor está a una distancia de 1 metro (d0=1).
d/do: Establece la distancia entre receptor y transmisor en metros.
n: Representa las pérdidas en el enlace por el medio ambiente.
Xσ: es un proceso aleatorio siguiendo una ley log-normal y de desviación σ dependiente del entorno, que representa el grado de desvanecimiento de nivel de potencia (shadow fanding) presente en el medio ambiente en dB y donde se incluye el factor de densidad poblacional.
Al examinar la ecuación, se distingue la presencia de una potencia de referencia Lf(d0), que corresponde a la potencia medida a un metro de distancia del AP. Esta potencia sirve como punto de referencia crítico, facilitando el cálculo de la atenuación relativa a esta línea de base, permitiendo predecir la atenuación de la señal en diversos entornos interiores, caracterizados por diversos grados de obstrucción y complejidad.
En la fase inicial del análisis, no se tuvo en cuenta el factor aleatorio Xσ en la ecuación 7, simplificando así el modelo y facilitando el examen de la dinámica fundamental de la atenuación. La presencia de una potencia de referencia Lf y un factor n en la ecuación obvia la necesidad de incorporar variables adicionales, tales como la ganancia de la antena o la frecuencia, ya que estos factores se tienen en cuenta indirectamente a través de Lf y n.
La ecuación 7 se aplica ampliamente en casos empíricos, en los que el factor n se obtiene a partir de una serie de mediciones, con lo que implícitamente se tiene en cuenta la influencia de variables que influyen en la propagación de la señal. El análisis subsiguiente confirmó que los valores de n en entornos específicos coinciden estrechamente con los presentados en la Tabla 4, validando así la aplicabilidad y precisión del modelo en diversos entornos interiores.
Tabla 4
Valores de n para diferentes ambientes
ÁreaUrbanaenTelefoníamóvilsombreada
Enlíneadevistaalobjetivodeconstrucción
Fuente: Rappaport T. 2002
La campaña de medidas en espacio libre se realizó con el AP Ruckus R510 como transmisor, y como receptor el teléfono móvil con la aplicación: Network Signal Info Pro, con una antena log-periódica direccional con una ganancia de aproximadamente 6dB. Se configuró el AP a un canal en la banda de los 2400 MHz y se obtuvieron los datos mostrados en el siguiente subíndice.
Modelado Matemático
Como se ha señalado anteriormente, la variación del nivel de la señal recibida en función de la distancia sigue la tendencia esperada de disminución de la intensidad de la señal con el aumento de la distancia entre el transmisor y el receptor. En este contexto, las pérdidas de señal (l) representadas mediante la expresión (Rappaport T., 2002):
��(����)=��+��log�� (8)
Donde "A" engloba las pérdidas de potencia atribuidas a factores comola altura deltransmisor, paredes, suelos y otros obstáculos, mientras que "B"denota un exponentede pérdida igual a 10.
Dado que las mediciones se refieren al nivel de potencia y no a las pérdidas de señal, la expresión (8) se transforma para representar la potencia, con los signos de sus dos términos invertidos, ya que pasan de una configuración de suma en una ecuación de pérdida de potencia a una configuración de resta en la correspondiente ecuación de potencia recibida. En consecuencia, el nivel de señal recibida (PR) se expresa como:
����(������)= �� ��log�� (9)
Donde "d" viene dado en metros, y los parámetros "A" y "B" se determinan mediante regresión lineal, utilizando la herramienta computacional Microsoft Excel.
Por otro lado, dado que la expresión (9) no tiene en cuenta las constantes de pérdida asociadas a suelos y paredes, se procede aseleccionaruntrayecto demedición desprovistode interferencias de la señal procedentes de suelos o paredes. Entre los trayectos que cumplen este criterio, el camino elegido corresponde al escenario no afectado por la propagación de la señal a través de suelos o paredes, seleccionado específicamente debido a su amplia cobertura de puntos de medición.
A continuación, se generan gráficos de dispersión que representan el nivel de señal recibida en función de la distanciapara las alturas designadasconsideradas. Tras esta visualización, se lleva a cabo un minucioso ajuste de regresión lineal para cada una de las diez tendencias distintas, lo que permite calibrar con precisión los parámetros del modelo y derivar relaciones predictivas precisas entre la intensidad de la señal y la distancia.
Fuente: Elaboración Propia
Figura 3: Curva de Regresión lineal Implementada
Sabiendo que una ecuación diferencial es un modelo matemático que describe el comportamiento de las variables de un sistema y de acuerdo a la ecuación descrita en la Figura 3, es posible obtener la ecuación diferencial que describa su comportamiento.
La ecuación PR en función de la distancia se puede expresar como:
�� = 7,3ln[��] 21,402
���� ���� = 7,3 ��
7,3���� ������=0
7,3 �� ���� ������ �� = 0 ��
7,3 ∫���� �� �� =��
7,3����|��| �� =��
7,3����|��| �� =����……SOLUCIÓN GENERAL
Donde 1≤ ��≤ 100�� 0 ≤ ���� ≤ 100������
La solución general está sometida a las posibles variaciones de distancia (x) y potencia (PR) para obtener un añadido en términos de potencia (C).
CONCLUSIONES
Se ha desarrollado un nuevo modelo de propagación para estimar las pérdidas de propagación inherentes a una red WLAN que opera en un entorno interior de 2,4 GHz. Este desarrollo se basa en medidas de nivel de señal recibida realizadas en la red especificada operando a la frecuencia indicada dentro de los entornos cerrados de la Facultad de Tecnología, situada en la ciudad de Nuestra Señora de La Paz.
La formulación del modelo abarca la distancia entre el transmisor y el receptor, la altura del transmisor y la atenuación adicional inducida por paredes y suelos. Además, el modelo tiene en cuenta implícitamente la influencia de pequeñas variaciones en el índice de refracción y la presencia de personas en el entorno operativo de la red, dado que las mediciones a lo largo del mismo trayecto se ejecutaron por triplicado en días y horas diferentes.
Los parámetros de ajuste de las expresiones matemáticas que constituyen el modelo desarrollado se derivan mediante regresión lineal, culminando en su adaptación a una ecuación diferencial de primer grado. Este enfoque integral garantiza la representación precisa de la dinámica de pérdidas por propagaciónen el entorno de redes WLAN de interior, facilitando así la optimización del rendimiento de la red y la mitigación de la atenuación de la señal.
BIBLIOGRAFÍA
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Rappaport,1.S.(2004)"WirelessCommunications:PrincipiesandPractice". 2ndEdition,PrenticeHall.
Saunders,S.,&Aragón,A.Z.(2007).AntennasandPropagationforWireless CommunicationSystems.Chichester:Wiley.
UniónInternacionaldeTelecomunicaciones.(2021).Datosdepropagacióny métodos de predicción para la planificación de sistemas de radiocomunicacioneseninterioresyredesradioeléctricasdeárealocalenla gama de frecuencias de 300 MHz a 450 GHz. Unión Internacional de Telecomunicaciones.Ginebra:RecomendaciónUIT-RP.1238-11.
(*), Magister en Administración de Negocios, Especialista Técnico en Construcción, Mantenimiento y Operación de Redes de Distribución Eléctrica. Docente investigador: Electricidad Industrial, Electromecánica y Mecánica Automotriz, Facultad de Tecnología –UMSA.
COMPENSACIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA CON ARMÓNICOS PARA CARGA CONSTANTE
Néstor Saturnino Mamani Villca*
RESUMEN
Enlasredeseléctricas,laintroduccióndecargas no lineales da lugar a armónicos de corriente, que a su vez distorsionan la onda sinusoidal de tensión y afectan a la fuente. Para contrarrestarlos, se utilizan filtros pasivos o activos. En órdenes superiores, los armónicos se comportan como ondas electromagnéticas, provocando interferencias electromagnéticas (FMI) e interferencias de radiofrecuencia (RFI) en los dispositivos de radiofrecuencia (RF). En las redes de distribución de Bolivia, se requieren continuas muestras de control a nivel de usuario, utilizando factores técnicos como la Distorsión Armónica Total (THD) u otras consideraciones técnico-económicas para asegurar el cumplimiento de los valores tolerables establecidos por normas como IEC 61000-2-2/4, CENELEC 50160, IEEE 11591995 y el DS Nº 26607 de Bolivia. En la ciudad de La Paz, la distribuidora DELAPAZ mide la calidad de la energía. En redes con armónicos y cargas inductivas, el factor de potencia equivalente es bajo. Este artículo propone una solución para mitigar y filtrarlosarmónicos,deacuerdoconlasnormas, y compensar el bajo factor de potencia. Sin embargo,puedensurgirresonanciasyaumentar losarmónicos, lo queexige un equilibrioentre el funcionamiento óptimo de los equipos y el sacrificio de estos factores.
PALABRAS CLAVE: Armónicos, factor de potencia, distorsión armónica total, filtros pasivos, y compensación.
ABSTRACT
In electrical networks, the introduction of nonlinear loads results in current harmonics, which in turn distort the voltage sine wave and impact the source.Tocounteractthis,passiveoractivefilters are utilized. At higher orders, harmonics behave as electromagnetic waves, leading to electromagnetic interference (EMI) and radio frequency interference (RFI) in radio frequency (RF) devices.
In Bolivia's distribution networks, continuous control samples are required at the user level, with technical factors such as Total Harmonic Distortion (THD) or other technical-economic considerations used to ensure compliance with tolerable values set by standards like IEC 610002-2/4, CENELEC 50160, IEEE 1159-1995, and Bolivia's DS Nº 26607. DELAPAZ, a distributor, measures energy quality.
In networks with harmonics and inductive loads, the equivalent power factor is low. This article proposes a solution to mitigate and filter harmonics, in line with standards, and compensate for low power factor. However, resonance and increased harmonics may arise, necessitating a balance between optimal equipment operation and the sacrifice of these factors.
RESUMO
Nas redes elétricas, a introdução de cargas não lineares resulta em harmônicos de corrente, que, por sua vez, distorcem a onda senoidal da tensão e afetam a fonte. Para neutralizar isso, são utilizados filtros passivos ou ativos. Em ordens mais altas, os harmônicos se comportam como ondas eletromagnéticas, levando à interferência eletromagnética (FMI) e à interferência de radiofrequência (RFI) em dispositivos de radiofrequência (RF).
Nas redes de distribuição da Bolívia, são necessárias amostras de controle contínuo no nível do usuário, com fatores técnicos como a Distorção Harmônica Total (THD) ou outras considerações técnico-econômicas usadas para garantir a conformidade com os valores toleráveis definidos por normas como IEC 61000-2-2/4, CENELEC 50160, IEEE 11591995 e DS Nº 26607 da Bolívia. A DELAPAZ, uma distribuidora, mede a qualidade da energia.
Em redes com harmônicos e cargas indutivas, o fator de potência equivalente é baixo. Este artigopropõeumasoluçãoparamitigar efiltrar harmônicos, de acordo com as normas, e compensar o baixo fator de potência. No entanto, pode haver ressonância e aumento deharmônicos,oqueexigeumequilíbrioentre a operaçãoidealdoequipamentoeosacrifício desses fatores.
KEYWORDS: Harmonics, power factor, total harmonic distortion, passive filters, and compensation.
History of the article: Received 29/03/2024 Stylereview 15/04/2023.Accepted 20/04/2023
INTRODUCCIÓN
A medida que se conectan a la red eléctrica cargas no lineales (convertidores estáticos), la onda senoidal de tensión de la red eléctrica se distorsiona; se asumen soluciones desde las más sencillas como los filtros pasa bajos pasivos, hasta complejos sistemas electrónicos como los filtros activos en base a la inyección de armónicas desfasadas en 180º respecto de las armónicas de la red.
Por otro lado, los armónicos de orden superior en una red eléctrica alcanzan a propagarse como onda electromagnética y causan interferencia en aparatos como televisores, equipos de radio, teléfonos, ordenadores y otros. En las redes de distribución de Bolivia se deben tomar muestras de control a nivel de usuario continuamente y mediante factores técnicos como la Distorsión Armónica Total (THD), se deben verificar que sean menores a los valores tolerables o establecidos por la norma.
Los componentes no lineales (núcleos saturados, IGBT’s1 , MOSFET’s2, diodos, etc), son las causas de la distorsión armónica, que son de dos tipos, el primero causado desde la fuente (generadores y transformadores que trabajan en
1 IGBT: Transistor Bipolar de Puerta Aislada, es un dispositivo semiconductor que combina las características de los transistores bipolares y los MOSFETs Se utiliza en aplicaciones de potencia para controlar grandes corrientes y voltajes.
2 MOSFET: Transistor de Efecto de Campo de Metal-Óxido-Semiconductor, es un tipo de transistor que utiliza un campo eléctrico para controlar la conductividad de un canal semiconductor.
PALAVRAS-CHAVE: Harmônicos, fator de potência, distorção harmônica total, filtros passivos e compensação.
la región saturable) y el segundo, causado por la carga (convertidores estáticos). Los equipos de alimentación de informática u otras cargas críticas suelen exigir que la distorsión armónica total sea menor al 5%. La magnitud y por tanto el precio de los filtros no solo depende de la distorsión total, sino también de la distribución de los armónicos, ya que cuanto más alta es la frecuencia del armónico, con respecto a la fundamental, más fácil es de eliminar con filtros pasivos.
La magnitud y por tanto el precio de los filtros no solo depende de la distorsión total, sino también de la distribución de los armónicos, ya que cuanto más alta es la frecuencia del armónico, con respecto a la fundamental, más fácil es de eliminar con filtros pasivos.
DESARROLLO
Series Trigonométricas
Sea la función periódica: (1)
Jean Baptiste Joseph Fourier sostenía que cualquier función periódica podía ser representada por la serie trigonométricas dada por: = + + = 1 n n n 0 t) n sen b t n cos (a a f(t) (2)
Los coeficientes se calculan mediante:
= T 0 0 dt f(t) T 1 a
= T 0 n dt t n f(t)cos T 2 a
La serie trigonométrica también se puede expresar, por:
= + + = 1 n n n 0 ) t sen(n c a f(t) (3)
Donde: n n n b a tan = , 2 n 2 n n b a c + =
Conocidos los coeficientes de la serie se define la distorsión armónica total (THD)
(4)
Se puede expresar (3) en forma compleja:
jn ne A f(t) (5)
De la serie continua a la FFT
Una función continua periódica se discretiza, mediante el circuito mostrado en la figura 1.
Las figuras 2 y 3 muestran, la señal periódica continua de 50 Hz, contaminada de armónicos de tercer y quinto orden, y la señal muestreada a una frecuencia de 2 kHz, y con retención de orden cero
f(t) To Muestro R s(t) 1 2 0 f(kTo) C
3. Señal muestreada con retención de orden cero, f(kT0)
Una señal muestreada y con retención (sampler and hold, s&h) está dada por 0kT f , representado en forma matemática con , para ser más objetivo, está dada por:
s T 1 0 =
3,... 2,f 1,f 0,f f k f = (6)
En un periodo T de la señal continua se tiene NT0, donde: N, representa el número de muestras contenidas en un periodo y T0, es el periodo de muestreo que debe cumplir con el teorema del muestreo, (5) se expresa de la forma:
(7)
El objetivo es resolver la expresión (7) en la forma más eficiente, ya que en su forma original demanda realizar N2 multiplicaciones complejas. El procedimiento es separar las muestras en pares e impares, como se ve:
donde: f[2k] son las muestras pares y f[2k+1] son las muestras impares. Bajo estas consideraciones el tiempo de cálculo se reduce bastante. Los equipos modernos de medición de Calidad de la Energía, osciloscopios digitales, simuladores, módulos de medición y otros. tienen implementado el algoritmo de la transformada rápida de Fourier (FFT)
Filtro pasa-bajos LC
En la figura 4, semuestra elcircuito de un filtro LC pasa-bajos de segundo orden, utilizado parafiltrarcorrientes rectificadas, deja pasar señales de baja frecuencia y mitiga las señales de alta frecuencia.
Al igualar el denominador a cero, las raíces, son: de periodo
Figura 4 Filtro LC pasa-bajos. Fuente (Elaboración Propia)
La función de transferencia se obtiene, utilizando divisores de tensión: sC 1 L sC 1 o SL R V(s) (s) V + + = (9)
Al simplificar:
1 L RL 2 o s s 1 LC 1 V(s) (s) V G(s) + + = = (10)
Figura 1. Muestreo y retención de orden cero
Figura 2. Señal continua f(t)
Figura
0 s s LC 1 L RL 2 = + + (11) LC 1 2 2L RL 2L RL 1,2s
= (12)
Para determinar la frecuencia de corte, se iguala el discriminante de la raíz a cero, resultando en la condición:
C L L 2 R = (13)
Entonces la frecuencia de corte, es:
LC 1 2L RL c = = (14)
A continuación, se muestran los gráficos de Bode de respuesta en frecuencia, que se ve en la figura 5, se aprecia que la pendiente de la caída de ganancia es de -40 dB/década, corresponde al orden del polinomio del denominador, en este caso, como es 2.
5. Magnitud y Fase versus frecuencia del filtro LC Fuente (Elaboración Propia)
Aplicación
Compensación con inversor de onda cuadrada
La forma de onda mostrada en la figura 8, para f = 50 Hz, V = 245V y ω = 2π50 rad/s.cos
Figura 6. Forma de onda de inversor v(t). Fuente (Elaboración Propia)
El análisis por FFT del voltaje proporciona el espectro de frecuencias de la figura 7.
Figura 7 Espectro frecuencias de v(t). Fuente (Elaboración Propia)
Aplicando las ecuaciones (2), se obtiene:
La distorsión armónica total es:
Como se ve en la figura 8, esta fuente de onda cuadrada se conecta a una carga RL y en la figura 9 se ve el espectro de frecuencias de la corriente donde el simulador entrega una THDi=14.45%.
-245V 245V 10ms 20ms
Figura 8 Inversor conectado a carga RL Fuente (Elaboración Propia)
Figura 9. Corriente por la carga RL, i(t) Fuente (Elaboración Propia)
Se calcula la impedancia para la armónica fundamental. ( ) =
Por tanto, la corriente de la primera armónica, que coincide con el gráfico de la figura 7, que es: A 8.45 2 95 11 I
La potencia absorbida por la primera armónica es: 7W 1067 9 cos54 45 8 220 cos I
De la misma forma se procede con los armónicos impares superiores, de corriente y tensión, además del cálculo de las potencias activa y reactiva, como se muestra en la tabla 1.
Tabla 1
Armónicos de corriente y tensión
Figura
Fuente: Elaboración propia
La potencia activa total, 6W 1105 P P P P 5 3 1 = + + + =
La potencia reactiva total, 1741.4VAr ... Q Q Q Q 5 3 1 = + + + =
La potencia aparente, por la ley de Pitágoras, 2062.7VA Q P S 2 2 = + =
El factor de potencia de la carga es, 53 0 S P cos c = =
Al introducir el filtro LC entre la fuente y la carga, este contiene una bobina de inductancia L, que también consume potencia activa, lo cual conlleva a reducir aún más el factor de potencia, por tanto se aplicará un factor de reducción fr = 25%, como es: 4 0 25) 0 (1 53 0 fr) (1 cos cos c = = = 6617 4 0 cos = = , hasta el valor de 79 31 ' 85 0 ' cos = = ; la fórmula para la compensación del factor de potencia, es: ') tan P(tan Qc = (15) 1818.20VAr ) tan31.79 (tan66.17 1105.6 Qc = =
La capacidad, dada por: 120uF 220 50 2 1818.2 V 50 2 Qc C
=
Insertando entre la fuente y la carga el filtro LC de la figura 4, donde la frecuencia angular de corte es:
1 c =
Para diseño, se toma 50 2 c = , despejando la inductancia se tiene: ( ) = = x120 50 2 1 C 1 L 2 2 c mH 85 L =
La implementación del circuito completo se muestra en la figura 10.
-245V 245V 10ms 20ms
Figura 10 Inversor de onda cuadrada con filtro LC y carga inductiva Fuente (Elaboración Propia)
La corriente por la carga, se muestra en la figura 11, donde se puede apreciar que tiene forma senoidal, la distorsión armónica total, resulta: 206% THDcarga =
Figura 11. Forma de onda de la corriente en la carga inductiva Fuente (Elaboración Propia)
Tabla 2
Armónicos de la corriente de la fuente Analisis de Fourier para la corriente de la fuente
THD %: 23.9
Fuente: Elaboración propia
La potencia aparente, es:
1 1082 7 995 cos f = =
Finalmente, la forma de onda del voltaje de salida es:
Figura 12 Forma de onda del voltaje de salida en la carga Fuente (Elaboración Propia)
Figura 13 Espectro de frecuencias de la figura 12 Fuente (Elaboración Propia)
Que presenta una THD de: 5.25%
CONCLUSIONES
Los filtros pasa-bajos son una alternativa para requerimientos no muy exigentes de distorsión.
Es evidente que el filtro activo es mucho más eficiente, pero hay que salvar varios obstáculos, como son:
a) No siempre se conocen los coeficientes de Fourier, mediante la FFT es posible determinar estos coeficientes en tiempo real a través de una tarjeta de adquisición de datos.
b) Se deben construir las fuentes a través de la información del espectro proporcionado por la FFT, se logra a través de inversores modulados por ancho de pulso a partir de la fuente primaria.
Es necesario estar conscientes del problema de la calidad de energía, debe ser adecuadamente normado con bases científicas y ser evaluado constantemente tanto por las empresas distribuidoras y los consumidores.
La solución que se ha propuesto es limitada, porque al usar filtro LC, la instalación puede entrar en resonancia, es por eso que tradicionalmente el factor de potencia no debe alcanzar el valor unitario.
BIBLIOGRAFÍA
BildsteinP.(1980)FiltrosActivos,Marcombo.
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Edminister J A, Navhi M. (1997). Circuitos Eléctricos. Tercera Edición. Mc GrawHill.
GuadalupeJ.B,IslaR,MorenoV.M.(1980)Adquisicióndedatosycontrol conPC
Lucero B. J. (1990), Métodos Matemáticos para el análisis de sistemas lineales,UniversidadMayordeSanandrés.
Oppenheim A. V, Willsky A. S, Nawab H. (1985) Señales y Sistemas. 2da Edición.
(*), PhD.enCienciasyTecnología,Ingeniero Eléctrico,Docente Electricidad Industrial y Electromecánica, Facultad de Tecnología –UMSA.
CONSTRUCCIÓN CARGADOR DE BATERÍA AUTOMOTRIZ, PARA CARGAS BAJA, NORMAL Y RÁPIDA
Oswaldo Tiñini Apaza*
RESUMEN
El artículo presenta el diseño y la construcción de un cargador de baterías de automóvil capaz de suministrar velocidades de carga baja, normalyrápida. Loinnovadoreslautilizaciónde un transformador de bajo voltaje con múltiples derivaciones del devanado primario, lo que permite al cargador proporcionar diferentes salidas de voltaje y corriente sin necesidad de un circuito conmutador del devanado secundario. Esta posición prolonga la vida útil y la fiabilidad del cargador al reducir el desgaste de los componentes de conmutación. El trabajo ofrece cálculos detallados para seleccionar el núcleo del transformador, determinar el número de devanados primario y secundario y dimensionar los conductores. También se especifican los dispositivos de protección, los mecanismos de control y los instrumentos de medición. Se muestra el esquema completo del circuito, junto con una lista de los materiales y accesorios necesarios para construir el transformador de carga.
PALABRAS CLAVE: Cargador de batería, transformador eléctrico, carga baja, carga rápida, circuito conmutador.
ABSTRACT
The article presents the design and construction of an automotive battery charger capable of delivering low, normal, and rapid charging rates. The key innovation is the use of a low-voltage transformer with multiple primary winding taps, allowing the charger to provide different voltage and current outputs without the need for a secondary winding commutator circuit. This approach extends the lifespan and reliability of the charger by reducing wear on the switching components. The article provides detailed calculations for selecting the transformer core, determiningthenumberofprimaryandsecondary windings, and sizing the conductors. Protective devices, control mechanisms, and measurement instruments are also specified. The complete circuit diagram is presented, along with a list of materials and accessories required for constructing the charge
RESUMO
O artigoapresenta oprojetoe aconstrução de um carregadordebateriaautomotivacapazde fornecer taxasdecarga lenta,normale rápida. A principal inovação é o uso de um transformadordebaixatensãocomváriostaps de enrolamento primário, o que permite que o carregador forneça diferentes saídas de tensão e corrente sem a necessidade de um circuito de chaveamento do enrolamento secundário. Essa posição aumenta a vida útil e a confiabilidade do carregador, reduzindo o desgaste dos componentes de comutação. O documento fornece cálculos detalhados para selecionar o núcleo do transformador, determinar o número de enrolamentos primários e secundários e dimensionar os condutores. Dispositivos de proteção, mecanismos de controle e instrumentos de medição também são especificados. O diagrama completo do circuito é mostrado, juntamente com uma lista dos materiais e acessórios necessários para construir o transformador de carga.
KEYWORDS: Battery charger, electrical transformer, low charge, fast charge, switch circuit.
History of the article: Received 29/03/2024 Stylereview 15/04/2023.Accepted 20/04/2023
INTRODUCCIÓN
El uso amplio de automóviles en nuestro país, permite trabajar en diferentes rubros o especialidades, uno de ellos es el referido a las baterías. La batería es el centro de energía eléctrica, tanto en el automóvil convencional que funciona con motor de combustión interna, como para el automóvil eléctrico que funciona con motor eléctrico.
Al ser la batería automotriz de mucha importancia, merece las atenciones necesarias y oportunas. Uno de los aspectos importantes para que la batería automotriz esté en buenas condiciones de funcionamiento es el proceso de carga
El automóvil convencional tiene instalado en su interior un “sistema de carga” de batería. Sin embargo, este hecho no impide el uso de los cargadores de batería, un equipo eléctrico muy importante que permite establecer o determinar las condiciones en que se encuentra una batería. Esto implica realizar estudios permanentes para mejorar los diseños de los cargadores de batería automotriz, mucho más cuando se tiene previsto el uso masivo de automóviles eléctricos, mismos que requieren de estaciones de recarga de sus baterías.
Una de las características más importantes de los cargadores de batería automotrices, es que sean capaces de entregar la energía eléctrica suficiente (voltaje y corriente) para recargar las baterías en diferentes condiciones de carga. Es decir, en carga Baja, carga Normal y carga Rápida. Este aspecto es muy importante porque de ello depende el periodo de tiempo de recarga de la batería y su capacidad de proporcionar corriente eléctrica.
PALAVRAS-CHAVE: Carregador de bateria, transformador elétrico, carga baixa, carga rápida, circuito de chaveamento.
Los cargadores de batería están construidos con componente importante como el transformador eléctrico, dispositivos de protección, dispositivos de mando o control, instrumentos de medición, accesorios de ajuste, conexión y acabado.
Fuente: https://n9.cl/pvcbb
DESARROLLO
Problemática
En los transformadores eléctricos de baja tensión tradicionales, se tiene varias terminales de salida en el bobinado secundario, esto permite obtener diferentes valores de voltaje. Estos voltajes deben ser controlados con el uso de dispositivos de mando o control del tipo conmutador, con el cual se realiza el intercambio de las conexiones según requerimiento.
Juan
Figura 1: Cargador de Batería Automotriz
Cuando se realiza la conmutación en el circuito secundario del transformador de baja tensión, donde circula intensidades de corrientes elevadas en comparación al circuito primario, se tiene problemas de desgaste prematuro del circuito de conmutación, hecho que provoca constantes fallas de funcionamiento en los equipos eléctricos, como en los cargadores de batería.
Tener un equipo con constantes fallas perjudica en la producción de bienes y servicio, este hecho obliga a realizar cambios y ajustes de diseño.
Diseño Optimizado del Sistema de Conmutación.
Para evitar el deterioro prematuro y fallas de funcionamiento en el cargador de batería automotriz con el uso del transformador eléctrico de baja tensión, en el que se conecta un circuito de conmutación en la bobina secundaria. Una alternativa de solución es cambiar la conexión del circuito de conmutación a la bobina primaria del transformador.
El presente artículo tecnológico, realiza los cálculos en el bobinado primario del transformador de baja tensión, haciendo los ajustes necesarios, esta modificación permite obtener varias terminales de conexión en el circuito primario. Estas terminales de conexión se conectarán a un circuito de conmutación, para que ésta realice el intercambio de conexiones y así tener distintos valores de voltaje y corriente en el bobinado secundario del transformador, sin necesidad de conectar otro circuito de conmutación en la bobina secundaria del transformador. Esta modificación permite utilizar solo dos terminales necesarias y suficientes del bobinado secundario, de esta forma prescindir de otras terminales en esta bobina de salida.
La variación del número de espiras en el bobinado primario del transformador, permite obtener los resultados esperados en el circuito de salida, es decir se obtiene las intensidades de corriente necesarias para realizar las cargas: baja, normal y rápida.
Las corrientes bajas en el bobinado primario en comparación a las corrientes elevadas del bobinado secundario de los transformadores para cargadores de batería, se consigue porque el voltaje del primario (230V) es mayor, 18 veces que el voltaje secundario (13V).
El dispositivo del circuito de conmutación que se use para realizar la interconexión en el bobinado primario del transformador y que permita obtener distintos valores de voltaje y corriente en su salida, tendrá mayor durabilidad y menor riesgo de falla en el funcionamiento del cargador de batería. Esto sucede porque en el circuito primario del transformador circulará una intensidad de corriente mucho menor que en el circuito secundario.
e) Requisitos para construir un cargador de batería automotriz
• Selección del Transformador Eléctrico de baja tensión
• Elección núcleo del transformador eléctrico.
• Determinación de la sección del núcleo.
• Cálculo de la Potencia del transformador Eléctrico.
• Calcular el número de espiras para los bobinados primario y secundario.
• Calcular la capacidad de conducción de corriente en amperios.
• Calcular la sección del conductor de la bobina primaria y secundaria.
• Determinar el número de conductor AWG.
• Determinar los dispositivos de protección.
• Determinar el elemento de control, para intercambiar la conexión de los tipos de carga.
• Seleccionar los Instrumentos de medición.
• Seleccionar los materiales y accesorios de ajuste para el terminado del cargador de batería automotriz
f) Transformador eléctrico para cargadores de batería automotriz.
Por definición el transformador eléctrico es una máquina eléctrica estática no rotativa, que transforma la energía eléctrica primaria en energía eléctrica secundaria modificando sus condiciones iniciales tanto en voltaje como en corriente.
El transformador eléctrico en un cargador de batería automotriz se considera el componente más importante, porque es el que se encarga de suministrar la energía eléctrica suficiente y necesaria para recargar las baterías de uso automotriz.
El Transformador Eléctrico para cargadores de baterías automotrices es similar, al transformador convencional utilizados en diferentes aplicaciones. Esta situación permite determinar las características técnicas del transformador, utilizando los métodos de cálculo tradicional.
g) Elección del núcleo de material ferromagnético
El material ferromagnético para construir el transformador para cargadores de batería automotriz está compuesto de hierro-silicio, con núcleo laminado y chapas aislados entre sí.
h) Determinación de la sección del núcleo.
Para el caso de estudio el núcleo del transformador tiene una sección(S) que se determina del producto de los lados que conforman dicha sección:
S = 24,75 cm2 = (4,5cm x 5,5cm).
Figura 2: Transformador Eléctrico de baja tensión para cargadorde batería automotriz. Fuente: Transformador de potencia SUNECO #6.513401-33
Figura 3: Núcleo del transformador para construir cargador de batería automotriz Fuente: https://pr.ebay.com
i) Cálculo de la potencia (P) del transformador eléctrico.
Considerando la ecuación:
�� =1,1√��
��= ��2 1,21 �� =506,25��
j) Cálculo del número de espiras para los bobinados principales, primario y secundario.
En un transformador con bobinados primario y secundario, aplica las siguientes ecuaciones deducidas de la Leyes de Faraday y Lenz.
salida, según tipo de CARGA:
13V: (Carga Baja)
14,5V: (Carga Normal)
16V: (Carga Rápida)
Aplicando la ecuación de la Relación de Transformación (K)
�� = ���� ���� = ���� ����
Solución:
• Número de espiras primario (carga baja) = 418 espiras (para 13V, salida)
• Número de espiras primario (carga normal) = 380 espiras (para 14,5V, salida)
• Numero de espiras primario (carga rápida) = 345 espiras (para 16 V, salida)
El esquema final de conexión del transformador se muestra en la siguiente figura.
Donde:
Φ: Flujo magnético en el núcleo que interactúa en ambas bobinas. Vp; Vs: Voltaje en los terminales primario y secundario. Np; Ns: Número de espiras en las bobinas primario y secundario. B: Densidad de campo magnético. S: Sección núcleo del transformador.
Número de espiras de la bobina primaria (Np)
Aplicando la ecuación de la inducción electromagnética:
�� = 4,44∗����∗��∗��∗��∗10 8
����= V∗108 4,44∗F∗B∗S
Datos: - Vp = 230v - F (frecuencia)= 50Hz - B= 10,000 (diez mil gauss) - S= 24,75 cm2
Calcular: Np
Solución: Np=418 espiras
Número de espiras del bobinado secundario (Ns)
Datos: - Vs = 13v - F= 50Hz
- B= 10,000 (diez mil gauss)
- S= 24,75 cm2
Calcular: Ns
Solución: Ns = 24 espiras
k) Cálculo del número de espiras para los tres tipos de carga: baja, normal y rapida.
Con los datos principales calculados, del número de espiras (Np) y (Ns), se procede a calcular el número de espiras para los tipos de CARGAS: BAJA, NORMAL Y RÁPIDA. Para ello se considera los siguientes voltajes de
Figura 4: Circuito del transformador para suministrar los 3 tipos de Cargas: Baja, Normal y Rápida, con rectificador AC/DC conectado a la Batería automotriz Fuente: Elaboración propia
l) Cálculo de la capacidad de conducción de corriente en amperios.
Aplicando la siguiente ecuación:
Datos: P=506,25 W, (P: potencia del transformador) Vp=230V Vs=13V
Solución: Ip = 2,2 Amp (corriente primario (Ip)) Is = 38,94 Amp. (corriente secundario (Is))
m) Cálculo de la sección del conductor de la bobina primaria y secundaria.
Aplicando la ecuación de sección de conductor (Sc):
Considerando una densidad decorriente (��) de 8 (Amp/mm2).
Se obtiene los siguientes resultados de las secciones de conductor en mm2:
Solución:
Sección del conductor bobina primario (Scp) = 0,275 mm2
Sección del conductor bobina secundario (Scs) = 4,87 mm2
n) Número de conductor AWG
Con las secciones de conductores calculados para las bobinas primaria y secundaria. Recurrimos a la Tabla de conductores AWG.
Solución:
Número del conductor bobina primario: Nº 23 AWG
Número del conductor bobina secundario: Nº 10 AWG):
o) Dispositivos de protección (l.prot).
Con las intensidades de corriente calculados, tanto para el circuito primario y secundario del transformador, se calcula la corriente de protección.
Aplicando la fórmula matemática para determinar la corriente de protección ( I x 1,25). Se tiene:
• Corriente de protección circuito primario.
I.prot. = 2,2 x 1,25 = 2,75 ≈3 Amp.
• Corriente de protección circuito secundario.
I.prot. =42,19 x 1,25 = 52,74 ≈ 55 Amp.
Se utilizará fusibles del Tipo gF: Fusible de fusión rápida, encapsulado de vidrio.
p) Dispositivo demando o control para el intercambio de tipos de cargas.
El dispositivo de mando o control, para realizar el intercambio de las conexiones de los tipos de carga (lenta, normal y rápida), tendrá las siguientes características técnicas de uso.
• 250 voltios.
• 10 Amp.
Se utilizará un conmutador múltiple de 4 terminales, tal como se muestra en el circuito de conexión del transformador para recarga de baterías automotrices, Fig. 4 y 5.
Instrumentos de medición.
El cargador de batería automotriz utilizará un amperímetro DC, con una escala máxima 60Amp. Este instrumento permitirá medir la corriente de recarga hacia la batería.
Circuito completo del cargador de batería automotriz
Tomando en cuenta los dispositivos de protección, control e instrumento de medición, se procede a graficar el circuito completo del cargador de Batería automotriz.
El circuito muestra los dispositivos eléctricos adicionales, determinados en los párrafos anteriores.
Materiales y accesorios de ajuste para el terminado del cargador
Para terminar la construcción del cargador de batería de uso automotriz, es necesario del uso de materiales y accesorios complementarios. Los mismos son:
• Base para soportar el transformador y dispositivos del circuito.
• Tapa o carcasa para resguardar o cubrir los componentes del cargador de bateria.
• Tornillos de ajuste.
• Cables o chicotillos de conexión.
• Cable de extensión con terminal tipo clavija.
• Probador de la densidad del electrolito
• Otros.
CONCLUSIONES
Las baterías de uso automotriz pueden ser recargados en tres tipos de carga. Estos tres tipos de recarga es determinada en función a los voltajes de salida
• Carga Baja (13V)
• Carga Normal (14,5V)
• Carga Rápida (16V)
La diferencia entre los tres tipos de recarga de baterías, es que a menor voltaje de salida se obtiene menor intensidad de corriente alimentada hacia la batería, a esta etapa se conoce como carga BAJA. A mayor voltaje de salida se obtiene mayor intensidad de corriente, a esto se conoce como carga RÁPIDA. Estas conclusiones se demuestran aplicando la Ley de Ohm (I=V/R), donde se determina que a mayor voltaje se obtiene mayor corriente, considerando la resistencia (R) constante.
Para realizar el cambio de conexión de los tres tipos de carga (baja, normal y rápida), ésta se realiza en el circuito primario del transformador, utilizando un conmutador por el cual circulará menor intensidad de corriente 2,2 Amp. bobina primaria en comparación de 38,94 Amp en la bobina secundaria. De esta forma se logra mayor durabilidad y menor riesgo de falla en el cargador de batería.
Los cálculos realizados del transformador eléctrico, para construir el cargador de batería automotriz, son similares a los cálculos utilizados en los transformadores eléctricos convencionales de baja tensión, pero haciendo ajustes y complementaciones de cálculo en el bobinado primario del transformador.
El transformador para construir el cargador de batería, funciona con corriente alterna (CA), esta corriente (CA) debe ser rectificado o convertida en corriente continua o directa (DC), para ello se conecta a un rectificador puente de diodos (AC/DC), dicho circuito de rectificación se ubica en el circuito secundario o salida del transformador (Fig.4 y 5).
BIBLIOGRAFÍA
Transformador Monofásico, Universidad tecnológica Nacional (https://frrq.cvg.utn.edu.ar).
Capítulo I Fundamentos Teóricos del transformador, Repositorio UTC (http://repositorio.utc.edu.ec). Transformadores.FranciscoL.Singer. ElABCdelasMáquinasEléctricasI.Transformadores,EnriquezHarper.
(*), Magister en Gestión del Mantenimiento. Licenciado en ElectricidadIndustrial, Director de la Carrera de Electricidad Industrial, Facultad de Tecnología – UMSA.
Figura 5: Circuito completo del cargador de Batería Automotriz Fuente: Elaboración propia
UTILIZACIÓN DE LA
SOBRE EL USO DE LOS RECURSOS RENOVABLES EN LA GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA EN BOLIVIA
Gabriel Santander Mamani *
RESUMEN
La búsqueda de una disminución de la dependencia de los combustibles fósiles para la generación de electricidad ha provocado la búsqueda de fuentes alternativas que aprovechen los recursos naturales, reduciendo así la emisión de dióxido de carbono, un gas notoriopor susefectos nocivossobre la capade ozono debido a sus propiedades de gas de efecto invernadero. En este contexto, Bolivia presenta un caso convincente para la implementación de la generación de energía renovable, dada su abundante irradiación solar y eólica, que puede aprovecharse mediante el empleo de centrales solares y eólicas. Además, Bolivia cuenta con una geografía diversa quese presta a la generación de energía renovable a partir de diversas fuentes, como la biomasa, la energía solar, la energía eólica, la microhidráulica y la geotérmica. Por lo tanto, el potencial de generación de energía renovable del país es significativo, en particular en las regiones que son propicias para el aprovechamiento de cada fuente de energía
PALABRAS CLAVE: Reduccióndedióxidode carbono, uso de energías renovables, energía limpia.
ABSTRACT
The search for a decrease in dependence on fossil fuels for electricity generation has led to the search for alternative sources that take advantageofnaturalresources,thusreducingthe emissionofcarbondioxide, agasnotoriousfor its harmful effects on the ozone layer due to its greenhousegasproperties.Inthiscontext,Bolivia presents a compelling case for the implementation of renewable energy generation, given its abundant solar and wind irradiation, which can be harnessed through the use of solar and wind power plants. In addition, Bolivia has a diverse geography that lends itself to renewable energy generation from a variety of sources, including biomass, solar, wind, micro-hydro and geothermal. Therefore, the country's renewable energy generation potential is significant, particularly in regions that are conducive to harnessingeach energy source.
RESUMO
A busca pela diminuição da dependência de combustíveis fósseis para a geração de eletricidade levou à procura de fontes alternativas que aproveitem os recursos naturais, reduzindo assim a emissão de dióxido de carbono, um gás notório por seus efeitos nocivos sobre a camada de ozônio devido às suas propriedades de gás de efeito estufa. Nesse contexto, a Bolívia apresenta um caso convincente para a implementação dageraçãodeenergiarenovável,devidoàsua abundante irradiação solar e eólica, que pode ser aproveitada por meio do uso de usinas de energia solar e eólica. Além disso, a Bolívia tem uma geografia diversificada que se presta à geração de energia renovável de várias fontes, incluindo biomassa, solar, eólica, micro-hidroelétrica e geotérmica. O potencial de geração de energia renovável do país é, portanto, significativo, principalmente em regiões propícias ao aproveitamento de cada fonte de energia.
KEYWORDS: Reductionof carbondioxide,use of renewable energy, clean energy.
History of the article: Received 29/03/2024 Stylereview 15/04/2023.Accepted 20/04/2023
INTRODUCCIÓN
Si los países tienen como objetivo utilizar fuentes de Energía Renovable (ER) y aumentar el uso de estos recursos, entonces necesitan determinar estrategias para crear más conocimiento, actitudes, conciencia, percepciones y comportamiento con respecto a estos recursos. Es posible que el conocimiento, las percepciones, la conciencia y las actitudes de los individuos (Genc & Akilli, 2019).
En Bolivia viendo el crecimiento poblacional y la escasez de contar con suministro eléctrico en áreas rurales dentro del país se ve en la necesidad de generar más energía eléctrica así para poder cubrir el área rural con dicho servicio el cual es considerado como servicio básico.
En este contexto, es fundamental que el sector eléctrico tenga una planificación con visión de largo plazo, que promueva el desarrollo del servicio eléctrico en función de los preceptos establecidos en la Constitución Política del Estado (CPE) y en armonía con los requerimientos de la sociedad en su conjunto, donde el Estado, a través de su participación mayoritaria en el sector, promueva la ejecución de los proyectos y la expansión de la industria eléctrica, con criterios de integración, inclusión social, universalidad y equidad, para el beneficio de todas y todos los bolivianos, asegurando de esta manera el suministro eléctrico y el cumplimiento de las metas planteadas en la Agenda 2025, constituyéndose en la principal directriz para el diseño y aplicación de las políticas públicas, permitiendo concretar la visión de desarrollo del país (Viceministerio de Electricidad y Energías Alternativas, 2014).
DESARROLLO
PALAVRAS-CHAVE: Reduçãododióxidode carbono, uso de energia renovável, energia limpa.
La CPE de Bolivia del 2009, en el art. 379 establece que “el Estado desarrollará y promoverá la investigación y el uso de nuevas formas de producción de energías alternativas, compatibles con la conservación del medio ambiente”. Parafraseando a (Mirete, 2022) Bolivia se encuentra entre los países que más radiación solar recibe del mundo, ya que se considera que en el 97 % del territorio boliviano es rentable esta fuente de energía debido en gran parte a la baja nubosidad en el país.
Por lo cual el Ministerio de Hidrocarburos y Energía, a través del Viceministerio de Electricidad y Energías Alternativas, cumpliendo con su rol de planificador del sector, trabajó en la elaboración del “Plan Eléctrico del Estado Plurinacional de Bolivia 2025”, cuyo objetivo principal es establecer los lineamientos generales parael desarrollode la infraestructura eléctrica que permitan satisfacer la demanda interna, impulsar el aparato productivo, lograr la integración eléctrica nacional y el acceso universal al servicio eléctrico con miras a la exportación de excedentes (Viceministerio de Electricidad y Energías Alternativas, 2014).
En la figura 1 podemos apreciar el potencial de las energías alternativas que tiene Bolivia.
1: Potencial de energías renovables de Bolivia
Fuente: https://n9.cl/l2fni
Sistemas Interconectado Nacional.
Según la (AETN 2022) la generación bruta de las centrales del Sistema Interconectado Nacional (SIN) en el año 2022 fue de 10.592,5 GWh, lo que representó el 93% de la energía total producida en Bolivia. Las centrales de los Sistemas Aislados produjeron 815,8 GWh, lo que representó el 7% del total de la energía generada.
La potencia efectiva total a diciembre de 2022 fue de 3,830,5 MW, incluye el Sistema Interconectado Nacional (SIN), los Sistemas Aislados (S.A.) y Auto productores. La potencia instalada total en el SIN en la gestión 2022 fue de 3.828,3 (MW).
Fuente: https://n9.cl/kbfiv
Sistemas Aislados (SA)
El SIN no suministra red eléctrica en las poblaciones del norte y oeste del país, por lo que son los SA los que proveen energía en estas áreas, generada en el mismo lugar o cerca. De acuerdo al Anuario Estadístico de la (AETN 2022), en este sistema existen varios operadores integrados verticalmente que generan y distribuyen la electricidad. En cuanto a la generación bruta de energía de los principales sistemas aislados, la generación bruta en los Sistemas Aislados en la gestión 2021 alcanzó a un valor de 414,1 GWh[10]. y estuvo conformada por 67,54 % de generación termoeléctrica, 32,17 % de generación con energías alternativas (solar y biomasa) y 0,29 % de generación hidroeléctrica, quecubrió lademanda de energía de 193.077usuarios.
Figura
Figura 2: Potencia instalada según el tipo de tecnología (2021). Fuente: https://n9.cl/kz3wa
Figura 3: Potencia instalada según el tipo de tecnología (2022). Fuente: https://n9.cl/kbfiv
Figura 4: Potencia instalada según el tipo de tecnología (2022) Fuente: https://n9.cl/kbfiv
Figura 5: Potencia instalada según el tipo de tecnología (2022)
La radiografía del sectoreléctricoboliviano es aún diferente al escenario que podría alcanzar. La (AETN 2021) indica que la matriz de generación eléctrica del SIN está compuesta, en 2021, por un 61,05 % de termoeléctrica (60,6 % gas natural y 0,46 % diésel), hidroeléctrica 32,44 %, energías alternativas (eólica y solar) un 4,67 %, biomasa 1,84 %.
Figura 6: Potencia instalada según el tipo energía alternativa (2022)
Fuente: https://n9.cl/kbfiv
Generación Distribuida
De acuerdo a (Mirete 2022) mediante el Decreto Supremo 4477, promulgado el 24 de marzo de 2021, el gobierno boliviano ha instaurado la actividad de Generación Distribuida en los sistemas de distribución de energía eléctrica. La Generación Distribuida es la producción de energía eléctrica de tamaño pequeño y mediano instalada cerca del lugar de consumo.
El objetivo de este decreto es fomentar la participación de los usuarios en el cambio hacia una matriz energética más sostenible, a través de la producción de electricidad mediante fuentes renovables, en consonancia con los objetivos del desarrollo sostenible y el cuidado y protección del medio ambiente y la Madre Tierra. Además, este decreto establece la retribución por la energía eléctrica inyectada a la Red de Distribución, lo que permite a los usuarios inyectar sus excedentes. La generación fotovoltaica es la más accesible y eficiente para lograr este objetivo.
Para analizar mejor la generación eléctrica con recursos renovables, se utilizarán los datos del anuario de la AETN correspondientes a las gestiones 2021 y 2022. Esto permitirá evaluar el crecimiento de la generación eléctrica por energías renovables y determinar si se ha alcanzado el objetivo de cambiar hacia una matriz energética más sostenible.
Metodología
En este estudio, se llevará a cabo un análisis comparativo de los datos publicados por la AETN correspondientes a las gestiones 2021 y 2022. Para ello, seclasificará la información por tipo de generación y se elaborarán gráficas comparativas, aplicando el ajuste lineal de mínimos cuadrados para obtener las ecuaciones lineales de cada gestión.
Tabla 1: Generación Hidroeléctrica 2021. Fuente: https://n9.cl/kz3wa
Tabla 2: Generación Hidroeléctrica 2022. Fuente: https://n9.cl/kbfiv
Tabla 3: Comparación generación Hidroeléctrica 2021-2022. Fuente: Elaboración Propia
Figura 7: Curva de Regresión lineal Implementada (2021-2022).
Fuente: Elaboración Propia
Se puede apreciar que en la generación hidroeléctrica hubo variación significativa entre la gestión 2021 y 2022 donde incremento
9: Curva de Regresión lineal Implementada (2021-2022).
Fuente: Elaboración Propia
No se observa variación en la generación de energía en sistemas fotovoltaicos entre las gestiones 2021 y 2022.
Tabla 4: Comparación generación Eólica 2021-2022
Fuente: Elaboración Propia
Figura 8: Curva de Regresión lineal Implementada (2021-2022).
Fuente: Elaboración Propia
Se observa una variación significativa en la generación de energía en sistemas eólicos entre las gestiones 2021 y 2022, evidenciando un notable incremento en la producción.
Tabla 6: Comparación generación Biomasa 2021-2022
Fuente: Elaboración Propia
Figura 10: Curva de Regresión lineal Implementada (2021-2022).
Fuente: Elaboración Propia
No se observa una variación significativa en la generación de energía a partir de sistemas de biomasa entre las gestiones 2021 y 2022.
Tabla 7: Comparación generación Termoeléctrica 2021-2022 Fuente: Elaboración Propia
Tabla 5: Comparación generación Fotovoltaica 2021-2022
Fuente: Elaboración Propia
Figura
Figura 11: Curva de Regresión lineal Implementada (2021-2022).
Fuente: Elaboración Propia
Se observa que en la generación en sistemas termoeléctricos no se evidenció una variación significativa entre la gestión 2021 y 2022.
Tabla 8: Comparación generación por tecnología (GWH) 2021-2022
Fuente: Elaboración Propia
Figura 12: Comparación de Tecnologías GWH (2021-2022).
Fuente: Elaboración Propia
Se puede observar que la principal fuente de generación eléctrica sigue siendo a través de las plantas termoeléctricas.
La generación de energía de los distintos sistemas varía según las temporadas, lo que resulta en fluctuaciones en la producción en lugar de ser constante. Bolivia cuenta con una generación eléctrica excesiva, la cual debería ajustarse de acuerdo al crecimiento poblacional para garantizar un equilibrio adecuado entre la oferta y la demanda de energía.
CONCLUSIONES
Si bien Bolivia va aumentando su generación de energía eléctrica en base a las energías renovables se puede notar que la mayor producción de la misma se da por la generación termoeléctricaya sean de ciclo abiertoo ciclo combinado quemando gas y diésel.
Pero también se realizó estudios para la generación geotérmica en la laguna colorada la cual generaría 5MW de energía, también existen en camino los proyectos hidroeléctricos del Bala y Chepete que generara 3300MW.
Bolivia firmó un contrato de venta de energía eléctrica con Argentina elcualsesuscribió entre ENDEYCAMMESA por un plazo de 15 años con la posibilidad de ampliación, La cantidad máxima de energía que puede exportar Bolivia es de 120 MW, pero actualmente está transportando 60 MW. Bolivia tiene alta capacidad de generación eléctrica, pero esta no puede ser vendida a los países vecinos como ser Brasil y Perú porque su frecuencia de trabajo es 60 Hz, Chile está comprometido fuertemente con la generación eléctrica mediante recursos renovables contando así con generación eólica en el mar y sistemas fotovoltaicos, además Brasil y Paraguay tienen el mega proyecto hidroeléctrico del ITAIPU Binacional es líder mundial en la producción de energía limpia y renovable, habiendo producido más de 66.369 GWH el 2022.
BIBLIOGRAFÍA
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AETN (2021) Autoridad de Fiscalización de Electricidad y Tecnología Nuclear.AnuarioEstadístico2021.https://n9.cl/kz3wa
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Mirete C. (noviembre 2022). El mercado de las energías renovables en Bolivia.LaPaz,Bolivia.https://n9.cl/l2fni
(*), Especialista Técnico en Construcción, Mantenimiento y Operación de Redes de Distribución Eléctrica. Licenciado en Electricidad Industrial, Docente Carrera de Electricidad Industrial, Facultad de Tecnología – UMSA.
MODELO DEL CICLO DE BRAYTON EN LA TURBINA DE GAS LM6000, EN LA LOCALIDAD DE ENTRE RÍOS MEDIANTE ECUACIONES DE ESTADO
RESUMEN
En el presente trabajo se realiza un análisis térmico de la turbina de gas1 LM6000 Aero derivada de la marca General Electric. El análisis termodinámico esta realizado a través de un modelo matemático, desde la entrada de gas usado durante la operación y la relación de compresión y determinarlos parámetros de operación de la turbina como la potencia efectiva, eficiencia térmica y heat rate además de las temperaturas según el ciclo de Brayton. Los valores fueron validadoscondatosmedidos en la turbina en el sitio de su instalación (región de Entre Ríos)
PALABRAS CLAVE: Modelo Turbina de gas, Ciclo de Brayton, Eficiencia
ABSTRACT
In this work, a thermal analysis of the LM6000 Aero gas turbine derived from the General Electric brand is performed. The thermodynamic analysis is performed through a mathematical model, from the gas inlet used during operation and the compression ratio and determine the operating parameters of the turbine as the effective power, thermal efficiency and heat rate in addition to the temperatures according to the Brayton cycle. The values were validated with data measured at the turbine installation site (Entre Ríos region).
KEYWORDS: Model Gas Turbine, Brayton Cycle, Efficiency
History of the article: Received 29/03/2024 Stylereview 29/04/2023.Accepted 29/04/2023
INTRODUCCIÓN
La turbina de gas Aero derivada LM6000 de G.E. (General Electric) es una turbina de gas estacionaria (Figura 1) que se deriva de la familia de los motores de reacción CF6. La versión del motor del avión se denomina motor de turbo ventilador CF6 – 80C2 y se utiliza para impulsar diversas clases de aviones comerciales de gran tamaño incluyendo el Boeing 747 – 400, esta turbina LM6000 es la encargada de transformar la energía del Gas Natural en energía mecánica rotacional que es transmitida al eje del generador.
1: Representación del esquema básico del ciclo abierto de la turbina de gas. Fuente: Turbo máquinas (Huertos, 2011)
El proceso de transformación de energía se puede entender através delmodeloteóricoconocidocomo elciclo de Brayton (Figura 2), puesto que es el ciclo básico de funcionamiento ideal de las turbinas de gas, representados en los diagramas termodinámicos simples como: Presión –Volumen y Temperatura – Entropía.
Alex Quispe Colque*
RESUMO
No presente trabalho, é realizada uma análise térmica da turbina a gás LM6000 Aero derivada da General Electric. A análise termodinâmica é realizada por meio de um modelomatemático,apartir daentradade gás utilizada durante a operação e da taxa de compressão, determinando os parâmetros operacionais da turbina, como potência efetiva, eficiência térmica e taxa de calor, bem como as temperaturas de acordo com o ciclo Brayton. Os valores foram validados com dados medidos na turbina no local da instalação (região de Entre Rios).
PALAVRAS-CHAVE: Modelo de turbina a gás, ciclo Brayton, eficiência
Características de la Turbina.
• Turbina: General Electric LM6000 (Figura 3)
• Año: 2009
• Potencia Base con gas natural: 52.2 kW
• Velocidad Turbina: LP 39930 rpm, HP 10580 rpm
• Velocidad Generador: 3000 rpm
• Etapas de compresor: 5 LP, 14 HP
• Etapas de turbina: 2 HP, 5 LP
A continuación, se muestra las características de desempeño de la turbina LM6000, usando gas natural.
Tabla 1
Factores de pérdida de acuerdo al tipo de paredes
Fuente: General Electric LM6000
El proceso de transformación de energía se puede entender a través del modelo teórico conocido como el ciclo de Brayton, puesto que es el ciclo básico de funcionamiento ideal de las turbinas de gas, representados en los diagramas termodinámicos simples como: Presión – Volumen y Temperatura – Entropía.
1 Turbina de Gas: tipo de motor de combustión interna que convierte la energía química del combustible en energía mecánica rotativa. Funciona mediante la expansión de gases calientes a través de una serie de etapas de turbina que hacen girar un eje conectado a un generador eléctrico, produciendo así electricidad.
Figura
Figura 2: Diagrama P-V y T-S, del ciclo Básico Joule Brayton Fuente: Turbo máquinas (Huertos, 2011)
Figura 3: Turbina Aero derivada LM6000. Fuente: Turbo máquinas (LM6000 General Electric, 2009)
Cromatografía de gases
Tabla 2
Cromatografía de gases
Fuente: Energi flow
Condiciones atmosféricas en sitio (SENAMHI)
Tabla 3
Condiciones atmosféricas en sitio
Datos Atmosféricos
Altitud
Valor
260 m.s.n.m.
Presión atmosférica 14,7 PSIa /1,013 Bar
Temperatura ambiente promedio 77°F/25°C
Humedad relativa promedio 65%
Fuente: SENAMHI
DESARROLLO
Determinación del ciclo simple de Brayton teórico en sitio
Se la realiza con el fin de observar la variación de la eficiencia de la turbina con respecto a las pruebas de ensayo a realizar se utiliza las ecuaciones descritas anteriormente.
Se considera los parámetros de entrada:
• Temperatura de salida de la turbina ��4 = 880 °��
• Relación de compresión ��=10
• Temperatura de sitio 25.9 °C (SENAMHI) ��1 =298,9 °��
• Flujo Másico del aire de ingreso al compresor m = 140,0 ������
• Coeficiente adiabático del aire Clemens Defor ��=1,4
• Calor especifico del Aire ����=1,007
La relación de compresión del ciclo de Brayton se tiene: [��2 ��1] �� 1 ��
Si sabemos que ��=10, entonces podemos remplazar en la ecuación y despejar ��2, que es la temperatura a la salida del compresor. ��2 =��1[��2 ��1] �� 1 �� ��2 =298.9(10) 04 14 ���� =������ ������
Para obtener la temperatura de salida a la combustión de la turbina remplazamos los datos en la ecuación, y despejamos ��3.
La potencia del compresor
�� =������(��1 ��2)
=140×1007(2989 57708)
El calor en la cámara de combustión
2 3
880=��3 (10) 04 14 ���� =�������� ����
57708)
Para la potencia de la turbina, remplazando datos.
=������(��3 ��4)
�� = 140.0×1.007(1697.7 880)
La potencia de la planta está dada por:
=1152793 392450
El calor perdido en el trabajo de la turbina
(��1 ��4)
������ = 1400×1007(2989 880)
Finalmente, la eficiencia del ciclo de Brayton
�� = 760343 1579850×100=481%
�� =���� ��%
Factor de corrección por “T” ensayo (��������)
El primer valor de temperatura obtenido en el ensayo, como se muestra en la Tabla 3, es igual a 71.42 °F, se verifica esta temperatura en la curva de corrección mostrada y se realiza interpolación lineal.
��(��/��1;��2)=��(��1)+��(��2)+��(��1) (��2 ��1) ∗(�� ��1)
�������� =09322+ 093227+08973 (70 80) ×(70 7142)
�������� =�� ��������
Factor de corrección por “T” en sitio (��������)
Para calcular (Kxgp), se considera el valor de temperatura promedio del sitio (Tx), el cual se obtiene con el promedio proporcionado por el Comité Nacional de Despacho de Carga2 (CNDC). Siendo igual a 71.52 °F.
�������� =093227+ 093227+0906 (71 80) ×(71 7152) �������� =�� ��������
Factor de corrección por “Hr” ensayo (��������)
Para el cálculo de la (��������), Donde se tiene (Ty1), es
2 CNDC: creado en 1996, opera el Sistema Interconectado Nacional de Bolivia y administra el Mercado Eléctrico Mayorista, siguiendo normativas gubernamentales. Sus funciones incluyen planificación de expansión, operación segura y eficiente, supervisión en tiempo real, despacho de carga y administración del mercado eléctrico.
71.42 °F y la ������ igual a 68.5 %, se remplaza esos valores en la ecuación, para 25°C se obtiene.
KHry = 2.04100×10 4 ×X(°C)+1.01532
�� = 204100×10 4 ×685+101532
�� =��.��������
De forma similar se efectúa el cálculo para todos los datos, considerando esta misma ecuación para todos los datos debido a que la variación de temperatura fluctúa entre 21.9 °C y 24,2 °C.
Factor de corrección por Hr sitio (��������)
Elcálculo de (��������), está en función del (����) y ������ , este último se obtiene proporcionado por el equipo de medición de humedad modulo DAVIS del CNDC. Siendo igual a 80.8 %, para 30°C.
KHrx = 30223×10 4 ×X(°C)+102274
Remplazando 80.8 en X:
�� = 30223×10 4 ×808+102274
Factor de corrección por potencia (kfp)
El valor Fp igual a 0,984 para calcular el KFp. ������ =232465×10 2 ×����2 61842×10 2 ×���� +103577 ������ =2.32465×10 2 ×0.9922 6.1842×10 2 ×0.992 +103577
De igual manera se realiza el cálculo para los puntos restantes
Potencia iso (����)
Para calcular (����) se utiliza los valores obtenidos
Figura 4: Esquema completo y puntos de medición Fuente: General Electric 2010.
Índices del gas natural a condiciones de ensayo
A continuación, se determina los índices a condiciones de ensayo, a partir de las mediciones de consumo de combustible y potencia de ensayo. El valor considerado de PCI es dado por la empresa Energi Flow, encargada en realizar un estudio de laboratorio al Gas Natural, donde el dato es el siguiente 920725.77 Btu/Mpc. El primer índice de medición a calcular es ���� , el valor del caudal de consumo de combustible obtenido en la prueba de ensayo es como se muestra en la tabla 2, es 12083.87 m3/h, al convertir MPC/h, además que esta empresa nos proporciona el error del instrumento de medida que esta entre ±3 MPC/h.
Convirtiendo el consumo de combustible de metros cúbicos a pies cúbicos.
Pies3 = metros3 ×3531,721( Pies3 metros3 )
Remplazando valores:
���� =1208387( ��3 ℎ ) ×3531,721(���� ��3)
�� = 42673784,17(����ℎ)
1000 ���� =������ ������(������ �� )
Se remplaza los valores y se obtiene el rendimiento.
= 4511985(����)×09973 0,9273×10013
Potencia efectiva calculada (����)
Reemplazando los valores de ���� , y los factores de corrección, �������� , ��������,
���� =4846053(����)×09259×09983
���� =���������� ��������
�� = ���� ���� ���� = 45119.85(����) 426737(������ ℎ )
���� = ������ ������������/������
Utilizando el valor de ���� obtenemos el consumo especifico de calor o Heat Rate.
�� = 920725.77(������������) 105732(����ℎ������)
�� =�������� ���� ( ������ ������)
A continuación, calculamos la eficiencia, reemplazando ������, con la ecuación, proporcionada por la norma operativa #33 del CNDC.
���� = 341214(����������ℎ) ���� (����������ℎ) ×100
���� = 3412.14(����������ℎ) 870811 (����������ℎ) ×100
���� =���� ����%
El calor generado por la turbina se calcula con la ecuación, reemplazando ������ y ����
�� =���� ������
�� =4511985(����)×870811( ������ ����ℎ)
��=������������������ ���� ( ������ �� )
�� =872170 ( ������ ����ℎ)
Para calcular el consumo horario de combustible ������ , utilizamos la ecuación:
872170(����������ℎ)×4511985(����) 92072577(������������)
�� )
Seguido calculamos el rendimiento ����.
Tabla 3
Valores medidos y calculados en sitio
6
7
8
9
36
38
Fuente: Elaboración Propia Índices a condiciones de potencia efectiva
Se considera la corrección de la eficiencia por la variación de la temperatura ambiente �������� �������� por medio de la ���� y ���� ,
A continuación, con estos valores se calcula el factor (Fcet) de corrección de eficiencia por temperatura, de la siguiente relación:
Kgxe
Kgye =Fcet
=Fcet= 0,9105 0,9024
Para el cálculo de la ������ reemplazara los valores en la ecuación:
�� =870811( ������ ����ℎ)×10089
�� = 4511985(����) 427404(������ ℎ )
�� =������ ������ ( ������ ������)
Por último calcular la eficiencia ����, se reemplaza en la ecuación.
�� = 3412.14(����������ℎ) ���� (����������ℎ) ×100
�� = 341214(����������ℎ) 872170 (����������ℎ) ×100
�� =���� ����%
Quispe Colque
Resultados del rendimiento y eficiencia a diferentes cargas de una muestra Tabla 1
Rendimiento y eficiencia a diferentes cargas
Fuente: Elaboración Propia
Figura 5. Consumo Horario de Combustible promedio VS Potencia Efectiva Neta promedio Fuente: Elaboración propia.
Figura 6. Heat Rate VS Potencia Efectiva Neta Fuente: Elaboración propia.
Figura 7. Rendimiento VS Potencia Efectiva Neta Fuente: Elaboración propia.
Figura 8. Rendimiento VS Carga Fuente: Elaboración propia
CONCLUSIONES
En el presente trabajo se resalta aspectos básicos del ciclo de Brayton mediante el modelo térmico, que nos permite realizar investigaciones técnico operativas y teóricas permitiendo el análisis térmico de la transformación de energía hasta energía eléctrica con bases investigativas durante la operación de la turbina.
Con este modelo es posible comprender de mejor forma el proceso de transformación de la energía que al finaltambién permite una mejor toma de decisiones en operación e introducir ventajas en la gestión del mantenimiento predictivo.
En el cálculo teórico del ciclo de Joule – Brayton, se concluye que más de la mitad del calor que entra en el ciclo ideal es disipada en el exterior y solo un 48.2% es aprovechado como trabajo. Pero en realidad la eficiencia real en la turbina es aún más baja, como se mostró en el ensayo para conocer la eficiencia la cual está en un 39%
Realizando una comparación de los resultados calculados y los valores promedios podemos decir que el modelo teórico se ajusta de forma adecuada a las mediciones, por tanto, se consideran confiables. Algunos parámetros físicos que son variables nos permitirán realizar un análisis de sensibilidad durante el ciclo operativo
BIBLIOGRAFÍA
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(*), Licenciado en Electricidad Industrial. Docente Carrera: Electricidad Industrial, Facultad de Tecnología – UMSA.
Alex Quispe Colque
