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Proyecci�n del laboratorio de sistemas de potencia

 

Projection of the power systems laboratory

 

Proje��o do laborat�rio de sistemas de energia

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: doloresamenc@gmail.com �

 

 

Ciencias T�cnicas y Aplicadas

Art�culo de Investigaci�n

 

* Recibido: 13 de noviembre de 2022 *Aceptado: 28 de diciembre de 2022 * Publicado: 18 de enero de 2023

 

        I.            Maestr�a de Investigaci�n en Electricidad, menci�n Sistemas El�ctricos de Potencia, Instituto de Postgrado de la Universidad T�cnica de Manab�, Ecuador.

      II.            Maestr�a de Investigaci�n en Electricidad, menci�n Sistemas El�ctricos de Potencia, Instituto de Postgrado de la Universidad T�cnica de Manab�, Ecuador.

 

Resumen

El presente art�culo se ha desarrollado con el objetivo de analizar la importancia de un laboratorio de sistemas de potencia, tomando en consideraci�n los componentes de generaci�n y transmisi�n, para lo cual se utiliz� un tipo de investigaci�n descriptiva y explicativa con enfoque cualitativo, utilizando recursos bibliogr�ficos para identificar la importancia que tienen estos laboratorios para conocer el comportamiento del fluido el�ctrico. De este modo de obtuvo como resultado que la implementaci�n de laboratorios de sistemas de potencia, permiten fortalecer los conocimientos impartidos en clases a trav�s de las pr�cticas, con lo cual se prepara a los estudiantes para afrontar futuras situaciones que podr�an encontrar en su vida profesional con respecto al funcionamiento de los componentes de generaci�n y transmisi�n de estos sistemas.

Palabras clave: Sistemas de potencia; Generaci�n; Transmisi�n; Laboratorio; Fluido el�ctrico.

 

Abstract

This article has been developed with the objective of analyzing the importance of a power systems laboratory, taking into consideration the generation and transmission components, for which a type of descriptive and explanatory research with a qualitative approach was used, using bibliographic resources. to identify the importance of these laboratories to know the behavior of the electric fluid. In this way, it was obtained as a result that the implementation of power system laboratories, allows to strengthen the knowledge taught in classes through practices, which prepares students to face future situations that they could encounter in their professional life with regarding the operation of the generation and transmission components of these systems.

Keywords: Power systems; Generation; Transmission; Laboratory; Electric fluid.

 

Resumo

Este artigo foi desenvolvido com o objetivo de analisar a import�ncia de um laborat�rio de sistemas de pot�ncia, considerando os componentes de gera��o e transmiss�o, para o qual foi utilizado um tipo de pesquisa descritiva e explicativa com abordagem qualitativa, utilizando recursos bibliogr�ficos. import�ncia destes laborat�rios para conhecer o comportamento do fluido el�trico. Desta forma, obteve-se como resultado que a implanta��o de laborat�rios do sistema de alimenta��o, permite fortalecer os conhecimentos ministrados nas aulas por meio de pr�ticas, o que prepara os alunos para enfrentar situa��es futuras que poder�o encontrar em sua vida profissional com rela��o ao funcionamento do componentes de gera��o e transmiss�o desses sistemas.

Palavras-chave: Sistemas de pot�ncia; Gera��o; Transmiss�o; Laborat�rio; Fluido el�trico.

 

Introducci�n

De acuerdo con Serrano (2017) un laboratorio es un lugar que se encuentra equipado con los medios necesarios para llevar a cabo experimentos, investigaciones o trabajos de car�cter cient�fico o t�cnico. En estos espacios, las condiciones ambientales se controlan y se normalizan para evitar que se produzcan influencias extra�as a las previstas, con la consecuente alteraci�n de las mediciones, y para permitir que las pruebas sean repetibles.

En relaci�n a los laboratorios de sistemas de potencia, Mendoza (2020) refiere que �estos son espacios controlados que tienen como finalidad brindar las zonas necesarias para el desarrollo de docencia, investigaci�n y asistencia t�cnica en �reas tales como Sistemas el�ctricos de potencia, Protecciones el�ctricas y Distribuci�n el�ctrica� (p. 1).

Por su parte Cardona (2018) distingue que la importancia de un laboratorio de sistemas de potencia consiste en que se brinda a los estudiantes cuya especialidad requiere realizar pr�cticas en uno de estos espacios controlados, en los que se pueden realizar �an�lisis de flujos de potencia, an�lisis de contingencias y cortocircuitos, coordinaci�n de rel�s de sobre corriente, coordinaci�n de rel�s de distancia, estabilidad de peque�a se�al y flujo de potencia �ptimo� (p. 32).

Por tanto, se establece que las clases pr�cticas son un recurso importante para fortalecer los conocimientos te�ricos brindados en las aulas de clase, raz�n por la cual resulta relevante contar con un laboratorio donde los estudiantes puedan simular de forma controlada el comportamiento del fluido el�ctrico en cualquiera de los procesos que se requieran. En este sentido, el presente trabajo de investigaci�n se desarrolla con el objetivo de analizar la importancia de un laboratorio de sistemas de potencia, tomando en consideraci�n los componentes de generaci�n y transmisi�n.

 

Laboratorios

De acuerdo con Barber� (2018) un laboratorio es un lugar f�sico que se encuentra especialmente equipado con diversos instrumentos y elementos de medida o equipo, en orden a satisfacer las demandas y necesidades de experimentos o investigaciones diversas, seg�n el �mbito al cual pertenezca. Tambi�n es muy com�n que las escuelas, universidades o cualquier otro reducto acad�mico cuenten con un laboratorio en el cual se dictar�n clases pr�cticas u otros trabajos relacionados exclusivamente con un fin educativo.

Por su parte G�lvez (2017) menciona que la caracter�stica fundamental que observara cualquier laboratorio es que all� las condiciones ambientales estar�n especialmente controladas y normalizadas con la estricta finalidad que ning�n agente externo pueda provocar alg�n tipo de alteraci�n o desequilibrio en la investigaci�n que se lleva a cabo all�, asegur�ndose as� una exhaustiva fidelidad en t�rminos de resultados.

Dentro de los laboratorios seg�n C�rdoba (2018) los elementos en general a ser considerados son la temperatura, la humedad, la presi�n atmosf�rica, la energ�a, el polvo, la tierra, las vibraciones, el ruido, entre otros, ya que son las cuestiones sobre las cuales m�s hincapi� se har�, para que est�n absolutamente controladas y no contradigan la normalidad necesaria y exigida, para que el experimento se realice y obtener los resultados esperados.

Seg�n Quezada (2019) �el uso de laboratorios es importante, pues permite a los estudiantes aprender mediante la experiencia y poner en pr�ctica el m�todo cient�fico de ensayo y error. Pasar por la experiencia logra un aprendizaje significativo� (p. 1). Bajo este contexto se denota que el proceso de ense�anza aprendizaje se hace m�s activo, interesante y participativo, tanto para el alumno como para el docente.

De acuerdo con los antecedentes expuestos, se determina que los laboratorios permiten que los estudiantes efect�en talleres, desarrollen planificaci�n de pr�cticas de laboratorio, elaboren material did�ctico, informes y documentos que avalen su desempe�o en las unidades acad�micas; logrando que todas las actividades est�n acordes con el desarrollo metodol�gico consistente en el aprendizaje basado en proyectos.

 

Sistemas el�ctricos de potencia

La electricidad es un fen�meno f�sico basado en las propiedades de la materia. Una de ellas es la movilidad de los electrones que forman parte de los �tomos de cierto tipo de materiales (llamados conductores), permite transferir energ�a y convertirla en variadas formas para su utilizaci�n. Por lo tanto, el proceso de transferir y utilizar energ�a en su forma el�ctrica est� basado, esencialmente, en el movimiento de los electrones (Bayod, 2018).

Por otra parte de acuerdo con Enr�quez (2019) �un sistema el�ctrico de potencia es una red de componentes el�ctricos instalados para suministrar, transferir y usar energ�a el�ctrica. Un ejemplo de un sistema de potencia es la red que proporciona energ�a a un �rea extendida� (p. 19).

El sistema de potencia de la red el�ctrica seg�n Egu�luz (2017) puede dividirse en los generadores que suministran la energ�a, el sistema de transmisi�n que transporta la energ�a desde los centros de generaci�n a los centros de carga y el sistema de distribuci�n que alimenta la energ�a a los hogares e industrias. Los sistemas de potencia m�s peque�os se encuentran en la industria, hospitales, edificios comerciales y hogares.

La mayor�a de estos sistemas dependen de la potencia trif�sica, la cual se utiliza para la transmisi�n y distribuci�n de energ�a el�ctrica a gran escala en todo el mundo moderno. Los sistemas de potencia especializados que no siempre dependen de los sistemas trif�sicos se encuentran en aviones, sistemas de rieles el�ctricos, transatl�nticos y autom�viles (Glover, 2018).

Montoya (2021) explica que los sistemas el�ctricos de potencia, por la gran extensi�n geogr�fica que ocupan; por los niveles de tensi�n en que funcionan, y por la gran cantidad de energ�a el�ctrica que transportan, requieren de la supervisi�n y del comando a distancia, lo cual se realiza en los Centros de Operaci�n y Control a trav�s de los Sistemas SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition).

Debido a que el funcionamiento de los sistemas el�ctricos de alternado tiene un comportamiento din�mico, las condiciones de funcionamiento deben ser establecidas aplicando criterios de funcionamiento muy estrictos para evitar los problemas de estabilidad din�mica, que pueden llevar al sistema al estado de colapso.

De acuerdo con Gonz�lez (2017) al producirse un colapso de los sistemas de potencia se producen apagones que dejan a gran cantidad de consumidores sin el suministro de energ�a el�ctrica, necesaria para el normal funcionamiento de la vida moderna, y el sistema requiere la restauraci�n de cargas. Otros estados de emergencia menos cr�ticos pueden llevar al sistema al colapso de tensi�n. En este fen�meno partes del sistema el�ctrico sufren ca�das de tensi�n que afectan el funcionamiento de los artefactos el�ctricos conectados a la red, lo que significa que la calidad del suministro el�ctrico es deficiente.

Los profesionales encargados del funcionamiento de los sistemas el�ctricos de potencia, deben realizar tareas de planificaci�n y operaci�n, en los cuales no s�lo se deben tener en cuenta aspectos t�cnicos y funcionales, sino tambi�n aspectos econ�micos, con la finalidad de� minimizar los costos de operaci�n de estos sistemas, y lograr que el crecimiento de la demanda de energ�a sea satisfecha convenientemente.

Seg�n Matulic (2018) �el proceso que ejecutan los sistemas de potencia con la energ�a el�ctrica es esencialmente instant�neo, ya que esta en forma de corriente alterna no se puede almacenar� (p. 3). Esto significa que, por ejemplo, al encender la iluminaci�n de la casa, la energ�a requerida es generada en alguna central, transmitida a trav�s del sistema de transmisi�n hasta la ciudad donde uno vive y finalmente suministrada al hogar por el sistema de distribuci�n, todo a una velocidad cercana a la de la luz. Adem�s, en todo momento se debe cumplir el balance de potencia, es decir, la generaci�n debe ser igual al consumo m�s las p�rdidas.

El comportamiento de un sistema de potencia es din�mico, ya que el consumo de energ�a var�a en funci�n del tiempo. En cada instante, la potencia generada debe ser exactamente igual a la consumida m�s la perdida en los procesos de generaci�n, transmisi�n y distribuci�n. De no cumplirse esta condici�n, los generadores del sistema se acelerar�an o desacelerar�an dependiendo de si existe un exceso o d�ficit de generaci�n, respectivamente.

En concordancia a lo expuesto Correa (2017) explica que �para mantener el balance y la estabilidad permanentemente, existen mecanismos de control en las centrales que, ante un aumento o disminuci�n en el consumo el�ctrico, autom�ticamente aumentan o disminuyen la potencia mec�nica entregada por las turbinas a los generadores� (p. 45).

Otro aspecto importante para entender la operaci�n de un sistema el�ctrico de potencia es el despacho econ�mico hidrot�rmico. Seg�n Balb�s (2017) es importante que �al planificar la operaci�n del sistema en un lapso de tiempo, se debe planificar el origen de la energ�a a ser generada� (p. 58). Por tanto, el despacho econ�mico hidrot�rmico consiste en calcular la proporci�n de energ�a hidr�ulica y t�rmica, para el per�odo considerado, que resulte en el menor costo de generaci�n.

De acuerdo con Fern�ndez (2019) el despacho econ�mico hidrot�rmico es un proceso estoc�stico por la aleatoriedad de la hidrolog�a; es decir, la cantidad de energ�a hidr�ulica que se puede almacenar en los embalses o turbinar en las centrales de pasada depende del r�gimen de lluvias que s�lo se puede predecir con un cierto nivel de probabilidad. Por lo tanto, la decisi�n de generar m�s o menos energ�a hidr�ulica y consecuentemente t�rmica est� asociada a una probabilidad hidrol�gica.

Seg�n Lovera (2018) �para minimizar el costo total de generaci�n, primeramente se coloca la generaci�n hidr�ulica y luego la generaci�n t�rmica en orden creciente de su costo que se relaciona al precio del combustible y la eficiencia de las diferentes turbinas� (p. 76). En este proceso, se debe considerar la capacidad de los embalses para evitar que rebalsen o se vac�en; en el primer caso, se pierde energ�a que podr�a haber sido utilizada y en el segundo, se incurre en el riesgo de no suministrar la energ�a demandada por los consumidores.

Los sistemas el�ctricos de potencia (SEP) son claves para el bienestar y el progreso de la sociedad moderna. �stos permiten el suministro de energ�a el�ctrica con la calidad adecuada para manejar motores, iluminar hogares y calles, hacer funcionar plantas de manufacturas, negocios, as� como para proporcionar potencia a los sistemas de comunicaciones y de c�mputo.

 

Materiales y m�todos

Para el desarrollo de este art�culo, el tipo de investigaci�n propuesto es descriptivo y explicativo, en virtud de que se realiz� un an�lisis profundo mediante la utilizaci�n de recursos bibliogr�ficos sobre los laboratorios, sus caracter�sticas e importancia pr�ctica para el fortalecimiento de los conocimientos te�ricos de los estudiantes, en espec�fico acerca del funcionamiento de los sistemas de potencia con los componentes de generaci�n y transmisi�n.

Con respecto al enfoque, este se define como cualitativo debido a que se realiz� una reflexi�n profunda con base a los resultados obtenidos a trav�s de los instrumentos as� como de la informaci�n bibliogr�fica extra�da para fundamentar la importancia de los laboratorios de sistemas de potencia con los componentes de generaci�n y transmisi�n.

 

Resultados y discusi�n

J�tiva et al., (2019) en su trabajo de investigaci�n propone el dise�o y construcci�n de un transformador trif�sico para control de voltaje en el laboratorio de sistemas el�ctricos de potencia, haciendo uso de la herramienta MATLAB, desarrollando una interfaz gr�fica que permite al usuario dise�ar transformadores trif�sicos tipo seco a partir de potencia, voltajes, tipo de conexi�n y requerimiento de taps en cada devanado. Una vez dise�ado y construido el transformador, se ejecutan las respectivas pruebas el�ctricas con la finalidad de observar que su funcionamiento sea el adecuado y que se encuentra dentro de las normas establecidas. De los resultados de las pruebas de cortocircuito y circuito abierto se obtiene el circuito equivalente del transformador.

Mediante el trabajo realizado por Cardona (2018) se presenta el dise�o e implementaci�n de seis pr�cticas simuladas para el laboratorio de Sistemas El�ctricos de Potencia del programa de pregrado de Ingenier�a El�ctrica de la Universidad Tecnol�gica de Pereira, mismas que se encuentran orientadas a la aplicaci�n de los conocimiento te�ricos adquiridos durante el proceso formativo acad�mico, de manera que puedan ser aplicados en el laboratorio y as� los estudiantes tengan un mayor fundamento de los aprendido.

Jaramillo & Silva (2020) en su trabajo de investigaci�n desarrollan el dise�o, la construcci�n y la implementaci�n de un generador fotovoltaico para el sistema a escala del laboratorio de Sistemas El�ctricos de Potencia, que consta de dos etapas: la primera es la etapa de control que se encarga de la ejecuci�n de un algoritmo MPPT, un lazo de control de corriente y un PLL que permite sincronizar el generador con la red. La segunda es la etapa de potencia que se compone de un inversor trif�sico, cuyo dise�o se realiza en base a optoacopladores, controladores de compuerta e IGBTs. Con lo cual se dispone de la inyecci�n de energ�a necesaria para el funcionamiento del laboratorio, evidenciando el comportamiento del sistema en condiciones tanto de alta como de baja radiaci�n, .as� como ante la desconexi�n del mismo.

De acuerdo con el estudio desarrollado por Guti�rrez & Spandre (2017) se determinan los pasos a seguir para el uso del laboratorio de sistemas de potencia, desde la preparaci�n del sistema a tratarse hasta la realizaci�n f�sica del mismo en el simulador; se dan reglas a seguir para obtener buenos resultados en la operaci�n del mismo. Dentro de este estudio se ha prestado mayor atenci�n al problema de flujo de carga; motivo principal para el uso del simulador; partiendo en principio de sistemas de potencia sencillos, hasta llegar a un sistema m�s complejo, donde se utilice la m�xima capacidad del simulador. Todo esto con la finalidad de brindar a los estudiantes la informaci�n necesaria sobre el simulador de redes y de esta manera operar los instrumentos del laboratorio para simular sistemas de potencia reales, logrando as� una mayor comprensi�n de lo aprendido en las aulas de clase a trav�s de la pr�ctica.

Por �ltimo L�pez et al., (2018) refieren que los sistemas el�ctricos de potencia operan bajo condiciones controladas producto de una planeaci�n estrat�gica y monitoreo de diversos procesos mediante Sistemas de Supervisi�n, Control y Adquisici�n de Datos (SCADA). Por tanto, el trabajo se enfoc� en implementar un sistema tecnol�gico a escala de laboratorio con la finalidad de brindar a los estudiantes una herramienta que les permita probar futuras aplicaciones para los sistemas de potencia y as� reforzar los conocimientos te�ricos recibidos durante el proceso formativo acad�mico.

 

Conclusiones

Un laboratorio se concibe como un espacio de ambiente controlado en el cual se realizan pr�cticas para el reforzamiento de los conocimientos te�ricos adquiridos en el aula de clases, por tanto en el �mbito acad�mico tiene un alto nivel de importancia, toda vez que promueve la experimentaci�n de la informaci�n que los estudiantes previamente han procesado y conocer el comportamiento de un determinado fen�meno, asumiendo diferentes variables que se pudieran manifestar en la vida real.

Los sistemas el�ctricos de potencia con un conjunto de dispositivos que convierten la energ�a de una fuente primaria a energ�a el�ctrica, la transporta y distribuye a los consumidores, dentro de estos se distingue que el componente de generaci�n es el encargado de convertir la energ�a de una forma primaria a energ�a el�ctrica, siendo posible gracias al principio de conversi�n electromec�nica de energ�a, el cual postula que el movimiento de un conductor que forme un circuito cerrado dentro de un campo magn�tico induce en �l una corriente el�ctrica. De esta manera, la energ�a involucrada en crear ese movimiento mec�nico se convierte en energ�a el�ctrica contenida en el flujo de los electrones. Mientras que el componente de transmisi�n es la parte encargada de transmitir grandes bloques de energ�a de los centros de producci�n (centrales generadoras) a los centros de consumo (ciudades, parques industriales, aeropuertos, etc.) Para ello, se utilizan conductores (llamados com�nmente l�neas) como el medio f�sico por el que fluye la carga el�ctrica.

En este sentido, los laboratorios de sistemas de potencia se configuran como herramientas acad�micas que permiten a los estudiantes de las carreras de electricidad conocer el comportamiento del fluido el�ctrico, haciendo �nfasis en este caso en particular en los componentes de generaci�n y transmisi�n, adem�s de recrear determinadas situaciones en las que deban emplear los conocimientos previamente adquiridos para dar las soluciones que sean requeridas, con lo cual se fortalece el rendimiento de los educandos y por consiguientes mejora la calidad de la oferta acad�mica.

 

Referencias

1.      Balb�s, F. J. (2017). Sistemas de energ�a el�ctrica en alta tensi�n. Santander, Espa�a: Editorial Universidad de Cantabria.

2.      Barber�, E. (2018). El constructivismo en la pr�ctica. Barcelona, Espa�a: Editorial Gra�.

3.      Bayod, �. A. (2018). Fundamentos de sistemas el�ctricos. Zaragoza, Espa�a: Prensas Universitarias de Zaragoza.

4.      Cardona, J. D. (2018). Elaboraci�n de las gu�as para el laboratorio de sistemas el�ctricos de potencia. Recuperado el 18 de julio de 2021, de Repositorio Digital de la Universidad Tecnol�gica de Pereira: https://repositorioslatinoamericanos.uchile.cl/handle/2250/143220

5.      C�rdoba, F. J. (2018). Experiencias de investigaci�n en escenarios controlados. Medell�n, Colombia: Fondo Editorial del Instituto Tecnol�gico Metropolitano.

6.      Correa, R. E. (2017). Sistemas de transmisi�n flexibles. Cali, Colombia: Programa Editorial de la Universidad del Valle.

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9.      Fern�ndez, C. (2019). Problemas de sistemas el�ctricos de potencia. Valladolid, Espa�a: Secretariado de Publicaciones e Intercambio Editorial, Universidad de Valladolid.

10.  G�lvez, M. d. (2017). La innovaci�n educativa como agente de transformaci�n. Madrid, Espa�a: Editorial Dykinson S.L.

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12.  Gonz�lez, F. (2017). Sistemas de energ�a el�ctrica. Madrid, Espa�a: Ediciones Paraninfo S.A.

13.  Guti�rrez, H. A., & Spandre, E. (2017). Uso del simulador de redes del laboratorio de sistemas de potencia, ventajas y limitaciones en comparacion con un programa digital. Recuperado el 18 de julio de 2021, de Repositorio Digital de la Escuela Superior Polit�cnica del Litoral: https://www.dspace.espol.edu.ec/retrieve/98878/D-103999.pdf

14.  Jaramillo, F. B., & Silva, B. J. (2020). Dise�o, construcci�n e implementaci�n de un generador fotovoltaico para el sistema a escala del laboratorio de Sistemas El�ctricos de Potencia. Recuperado el 18 de julio de 2021, de Repositorio Digital de la Escuela Polit�cnica Nacional: https://bibdigital.epn.edu.ec/handle/15000/21325

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20.  Montoya, �. (2021). An�lisis de sistemas el�ctricos de potencia. Un enfoque cl�sico y moderno. Bogot�, Colombia: Servicio Editorial de la UNiversidad de Pereira.

21.  Quezada, G. d. (2019). �Qu� importancia tienen los laboratorios en la educaci�n? Recuperado el 01 de junio de 2021, de Comunidad Educativa Dialoguemos: https://dialoguemos.ec/2019/04/que-importancia-tienen-los-laboratorios-en-la-educacion/

22.  Serrano, J. A. (2017). Laboratorio virtual de electrotecnia: pr�cticas de corriente alterna y de m�quinas el�ctricas. Valladolid, Espa�a: Junta de Castilla y Le�n.

 

 

 

 

 

 

� 2022 por los autores. Este art�culo es de acceso abierto y distribuido seg�n los t�rminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribuci�n-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)

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