Ingeniería Eléctrica

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Automatización de la red de distribución eléctrica en media tensión del campus central de la UIS
(Universidad Industrial de Santander, 2020) Riveros Gil, Cristian Jesús; Salcedo Hernández, Said Felipe; Quiroga Quiroga, Oscar Arnulfo; Alzate Castaño, Ricardo
El presente trabajo de grado aborda el diseño para una alternativa tecnológica que permita automatizar la operación de la red de distribución en media tensión del Campus Central de la Universidad Industrial de Santander. Inicialmente, se aborda una exploración genérica al respecto de esquemas de automatización en redes de distribución, identificando todos aquellos elementos esenciales y configuraciones posibles, dependiendo del tipo de problema que se desee solucionar. A partir de ello, se analiza el caso de estudio propuesto y se define una estrategia de reconfiguración basada en la detección y localización automática de fallas, como una manera de incrementar la confiabilidad del suministro en la red de distribución analizada. A partir de ello, se define una configuración específica para la arquitectura del sistema de automatización basada en diagramas lógicos de operación (GRAFCET) del sistema, siendo este último dividido en sectores o etapas para grupos específicos de subestaciones. Finalmente, se realiza una selección de elementos comerciales para verificar la viabilidad técnica del proyecto, complementándose por un análisis financiero a partir de una metodología de costo-beneficio que permite verificar un retorno de inversión a largo plazo. Trabajo futuro incluye la verificación por simulación para el esquema de reconfiguración en herramientas de análisis avanzado para redes de distribución, al igual que la gestión administrativa ante las instancias correspondientes para ejecutar la implementación de la propuesta tecnológica en campo.
Control droop de un generador de inducción en una microrred simple
(Universidad Industrial de Santander, 2020) Machuca Mayorga, Jaime Andrés; Alzate Castaño, Ricardo; Forero Ordoñez, Fabian Leonardo
El presente trabajo de grado aborda el control del reparto de potencia empleando la técnica de control droop, en una microrred aislada que contiene generadores de inducción autoexcitados. Inicialmente, se realiza la caracterización experimental en laboratorio para los parámetros de una máquina de inducción jaula de ardilla operando como generador autoexcitado. Posteriormente, se replica la operación del sistema de generación experimental a partir de simulaciones realizadas en SimScape deMATLAB. A partir de ello, se diseñan e implementan modelos de simulación para una unidad de generación basada en la máquina de inducción autoexcitada, conteniendo la rectificación de la potencia generada y su inversión monofásica mediante un puente de transistores controlado por un doble lazo de control resonante en cascada. Luego, se combinan dos de tales unidades de generación en paralelo con una fuente de respaldo, para constituir una topología de microrred aislada alimentando la demanda de una carga resistiva. El reparto de potencia entre los generadores se desarrolla a través de una estrategia de tipo droop, fundamentada en la relación lineal que aproxima la variación de la potencia activa generada con respecto al cambio de fase de generación. Los resultados de simulación obtenidos permiten corroborar la apropiada operación de la microrred en cuanto respecta a las proporciones de potencia generada tanto a nivel individual como a través de la superposición resultante, ante perturbaciones en los valores nominales del torque de entrada en los generadores autoexcitados y en la resistencia de carga. Trabajo complementario incluye la construcción de la microrred propuesta y la verificación experimental de la técnica droop, al igual que el estudio de estrategias para generar vía despacho económico las referencias de los lazos que regulan el reparto de potencias.
Despacho economico y su aplicacion en microrredes electricas / diana marcela hernandez vargas ; director ricardo alzate castaño
(Universidad Industrial de Santander, 2019) Hernandez Vargas, Diana Marcela; Alzate Castaño, Ricardo
El presente proyecto de grado presenta el despacho económico de recursos de generación en una microrred aislada. Inicialmente se realiza la definición de los conceptos fundamentales sobre los cuales se constituye el despacho económico de recursos energéticos. Posteriormente, se procede con el dimensionamiento y análisis de simulación (empleando la herramienta RAPSim) para una microrred aislada consistente en un generador fotovoltaico de 1 kW, un generador eólico de 1 kW y dos generadores Diesel de 0.5 kW cada uno, alimentando simultaneamente una carga fija de 1 kW. Los resultados anteriores fueron contrastados posteriormente con los perfiles de generación para las fuentes no renovables, programados a través de la función fmincon(.) de MATLAB, empleando una estrategia de despacho económico basada en la definición de costos para el recurso renovable y tomando una forma cuadrática para la relación entre potencia y consumo de combustible de los generadores Diesel. A partir de lo anterior fue posible obtener una reducción del costo total acumulado para satisfacer la demanda de la carga, a través del método propuesto. Resultados adicionales fueron obtenidos considerando variaciones de carga. Trabajo complementario incluye el análisis de dinámicas de los lazos de control que garantizan los valores nominales de los generadores y la verificación experimental de las predicciones presentadas, sobre una microrred real.
Diseño de un módulo de laboratorio de bajo costo para la asignatura control de sistemas eléctricos
(Universidad Industrial de Santander, 2021) Villamizar Flechas, Frahunter Leonardo; Alzate Castaño, Ricardo
El presente trabajo de grado aborda el diseño de un prototipo de bajo costo para el desarrollo de actividades de laboratorio en la asignatura Control de Sistemas Eléctricos del Programa de Pregrado en Ingeniería Eléctrica de la Universidad Industrial de Santander. Inicialmente, se concibe un servomecanismo constituido por el control de velocidad para un motor de corriente continua, censado analógicamente mediante un dinamo, acoplando una caja reductora de bicicleta en su eje de rotación a manera de mecanismo de perturbación. El procesamiento de las señales del lazo de control se diseña a través de un esquema híbrido que incorpora acciones básicas de control proporcional, integral y combinado (PI) empleando realizaciones circuitales con amplificadores operacionales y también mediante la programación de algoritmos en un microprocesador de bajo costo. La distribución espacial de elementos en el prototipo de laboratorio se realiza atendiendo a criterios de diseño aplicados en el ámbito industrial para la concepción de interfaces de usuario. La apropiada operación de los circuitos diseñados fue verificada a partir de simulaciones en el entorno MultiSim de National Instruments. Trabajo complementario al presente proyecto incluye la implementación física del prototipo de laboratorio y la articulación de su uso en las actividades prácticas de la asignatura para la cual fue concebido.
Diseño e implementación de un sistema de generación hibrido de baja potencia
(Universidad Industrial de Santander, 2021) Avendaño Ortiz, Nataly Andrea; Alzate Castaño, Ricardo; Forero Ordóñez, Fabián Leonardo
El presente trabajo de grado aborda el problema de sincronización entre generadores para realizarsu conexión en red aislada monofásica. Inicialmente, se explora un método de enganche de fasemejorado (EPLL) para determinar los valores de amplitud y fase de una señal senoidal de referencia. Posteriormente, el algoritmo EPLL es empleado para efectuar la sincronización entre un grupoelectrógeno (actuando como fuente de referencia) y un circuito inversor de potencia emulando elrecurso renovable para un esquema de generación híbrido y aislado de la red de distribución. Unode los aspectos importantes del método propuesto está en la necesidad de asegurar una sincronización a pesar de la presencia permanente de componentes armónicas en la señal del voltaje dereferencia. Para verificar el desempeño del esquema híbrido se realizaron simulaciones en SimScape de MATLAB y posteriores análisis experimentales a partir de la implementación de un prototipode laboratorio en el Edificio de Investigaciones del Parque Tecnológico UIS Guatiguará. Dentro delos resultados importantes obtenidos tras la realización del presente trabajo de grado se destaca unaapropiada operación de sincronización de las fuentes del esquema híbrido ante variaciones de demanda. Trabajo complementario incluye la vinculación de más unidades de generación y su gobiernoa través de estrategias de control jerárquico.
Diseño e implementación del sistema de propulsión para un prototipo primitivo de vehículo eléctrico para la e3t-UIS
(Universidad Industrial de Santander, 2021) Lizarazo Rosas, Daniel Eduardo; Angarita Pertuz, José David; Alzate Castaño, Ricardo
El presente trabajo de grado aborda el acondicionamiento mecánico y la electrificación para el tren de potencia de un vehículo de tracción humana, a manera de prototipo funcional de vehículo eléctrico. Inicialmente, se aplicaron conceptos de física fundamental para dimensionar la carga mecánica equivalente del chasis tripulado y a partir de ello se dimensionaron los requerimientos de potencia para vencer las fuerzas inerciales y facilitar su movimiento. Posteriormente, se procedió con la elección y compra de dispositivos comerciales para la electrificación del tren de potencia incluyendo: una batería de plomoacido, un circuito inversor de potencia monofásico, un variador de frecuencia trifásico y un motor de inducción trifásico satisfaciendo los requerimientos de potencia mecánica calculados. La interconexión apropiada de dichos dispositivos eléctricos se complementó por la valoración y ejecución de todas las posibles modificaciones y adecuaciones mecánicas sobre la estructura original para ajustarse a los requerimientos de un vehículo eléctrico. Finalmente, pruebas experimentales en campo incluyendo valoración de dispositivos individuales, operación en vacío y operación tripulada, permitieron verificar el apropiado desempeño de las componentes mecánicas y eléctricas del prototipo acopladas como conjunto en el proyecto denominado: E3carT. Trabajo futuro incluye la optimización energética del prototipo y su evolución hacia una conducción autónoma a través del seguimiento de trayectorias preprogramadas
Modelado y simulación de un sistema de microgeneración basado en un motor de combustión interna
(Universidad Industrial de Santander, 2014) Castilla Balaguera, Isabel Cristina; González Aguas, Darwin Jose; Alzate Castaño, Ricardo; Ordoñez Plata, Gabriel
El presente proyecto de grado aborda el estudio de los motores de combustión interna como fuentes alternativas de energía en sistemas de microgeneración eléctrica. Para el desarrollo del proyecto se utilizaron metodologías teóricas de investigación, así como procedimientos de análisis numérico. Realizando el modelado matemático, la asignación de parámetros y la correspondiente simulación para un grupo electrógeno (motor de combustión interna + generador eléctrico) como alternativa potencial de un sistema de microgeneración eléctrica de baja potencia. Partiendo de un modelo general sugerido en la literatura y de las ecuaciones representativas de los fenómenos que describen los subsistemas, se realiza la conversión de variables y asignación de parámetros correspondientes, buscando ajustar resultados de simulación del modelo del sistema en MATLAB con datos experimentales generados en Laboratorio de Máquinas Térmicas Alternativas para un sistema de características similares, con el fin de analizar el comportamiento dinámico del sistema total. De los resultados conseguidos se obtuvo una tendencia cualitativa aceptable del sistema, validada a partir de consideraciones prácticas con base en los fenómenos físicos modelados. Sin embargo como trabajo complementario, es necesario realizar ajustes de parámetros adicionales en el modelo y estudios que permitan mejorar la consistencia cuantitativa de los datos respecto a las mediciones proporcionadas por el laboratorio.
Simulación de efectos de bifurcación en sistemas eléctricos de potencia
(Universidad Industrial de Santander, 2018) Forero Ordoñez, Fabian Leonardo; Alzate Castaño, Ricardo
El presente proyecto de grado presenta el análisis dinámico para un sistema eléctrico de potencia modelado a partir de una configuración constituida por un generador síncrono, conectado a una barra infinita que representa la red de distribución y para el cual se considera el fenómeno de colapso de tensión ante la variación de un parámetro correspondiente con la potencia mecánica en estado estacionario. Inicialmente se desarrolla el análisis de las ecuaciones del movimiento de la máquina, siendo complementadas por consideraciones eléctricas para determinar el modelo del sistema generador conectado a una barra infinita. Tomando como base parámetros sugeridos en un ejemplo tutorial de la caja de herramientas SimPowerSystems de MATLAB, se realiza simulación tanto de las ecuaciones diferenciales para el modelo teórico del sistema como de los bloques funcionales correspondientes en el entorno Simulink, permitiendo verificar una reproducción satisfactoria de las características para el comportamiento dinámico de las variables principales del sistema. Posteriormente, se introduce el concepto de bifurcación dinámica y se calcula y analiza la estabilidad para los equilibrios dinámicos del modelo matemático del sistema permitiendo predecir analíticamente el valor del parámetro para el cual se experimenta una bifurcación del tipo silla-nodo y, a partir de ello, un colapso de tensión. Lo anterior es validado empleando simulación de los bloques funcionales equivalentes en SimPowerSystems de MATLAB. Finalmente, se introduce un problema de aplicación reportado en la literatura para el cual una microrred que emplea fuentes renovables manifiesta el fenómeno de colapso de tensión a partir de una bifurcación silla-nodo, tras considerar una carga de potencia constante. Trabajo futuro incluye el análisis para otros tipos de bifurcación y la verificación por simulación de fenómenos de bifurcación en microrredes.
Simulación de técnicas de control hibrido conmutado en un sistema de microgeneración fotovoltaica
(Universidad Industrial de Santander, 2014) González Castilla, Laura Viviana; Ortiz Ortega, Javier Humberto; Alzate Castaño, Ricardo; Flórez Vargas, Julio Andelfo
El presente proyecto desarrolla el diseño y la simulación de una técnica de control híbrido conmutado aplicada a un inversor de potencia, como parte de un sistema fotovoltaico de microgeneración energética. Posterior a una revisión del estado del arte sobre los tipos, características y topologías inversoras típicas utilizadas en dichos sistemas, se optó por la selección del inversor tipo elevador Boost para desempeñar esta labor, con base en criterios como la eficiencia, el dimensionamiento, la cantidad de elementos conmutables etc. Sin embargo, en aras de constituir una tensión de salida sinusoidal de forma eficiente, se implementó un control por modos deslizantes mediante simulación numérica en la herramienta computacional MATLAB®, dada su capacidad para generar un patrón de conmutación con frecuencia y ciclo de trabajo variable respecto a los errores de medida, este se realizó de manera independiente para cada uno de las ramas convertidoras que componen el inversor Boost. Adicionalmente para mejorar la forma de onda de salida del inversor, se formalizó un acondicionamiento por cambio en la referencia, donde estas son dependientes entre si y de la salida del sistema mejorando la respuesta del sistema respecto a la anterior estrategia y evidenciando la importancia del control híbrido conmutado en los circuitos convertidores de potencia. 1
Simulación de un método basado en medidas para cálculo del equivalente de thevenin en un sistema eléctrico de potencia
(Universidad Industrial de Santander, 2018) Acosta Basto, Miguel Angel; Alzate Castaño, Ricardo
Se presenta la formulación matemática y la aplicación en el análisis de fallas para sistemas eléctricos de potencia de un método basado en medidas para calcular el equivalente de Thévenin. El método se formula a partir de un resultado conocido como el Teorema bilineal de Bode y permite construir a partir de pocas medidas un modelo equivalente entre estímulos y medidas de un sistema de estructura desconocida operando en régimen permanente ante la variación de parámetros, siendo ideal para tareas de análisis en línea. En el caso particular que el parámetro varía en el punto de medida, se muestra que el modelo equivalente coincide con el equivalente de Thévenin del sistema en ese punto. De esta manera es posible emplear dicho método para realizar cálculos rápidos del equivalente de Thévenin en sistemas eléctricos de potencia sometidos a condiciones de fallo. En particular, se consideran fallas de tipo simétrico y asimétrico. Resultados de simulación en PowerWorld permiten corroborar las predicciones del método propuesto respecto a cálculos convencionales basados en la estructura circuital del sistema. Trabajo complementario incluye la utilización de bases de datos reales para validar predicciones y el análisis de la influencia de ruidos de medida en la precisión de los resultados.

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