Maestría en Ingeniería Eléctrica

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Estudio de capacidades de una microrred de laboratorio
(Universidad Industrial de Santander, 2024-05-14) García García, Jersson Ferney; Osma Pinto, German Alfonso; Rey López, Juan Manuel; Mantilla Villalobos, María Alejandra; Ordoñez Plata, Gabriel
Inicialmente, se identifican y clasifican atributos de microrredes de laboratorio; asimismo, se presentan las características físicas y eléctricas correspondientes a la microrred del Laboratorio de Integración Energética (LIE). Posteriormente, se identifican escenarios, indicadores y criterios usados en la literatura para el estudio de la operación y desempeño de microrredes, especialmente a nivel de laboratorio. Con base en esta información, se propone un procedimiento para evaluar las capacidades de microrredes de laboratorio relacionadas con generación, control, operación, mantenimiento, comunicación, monitorización, reconfiguración, emulación, resiliencia y protecciones. El procedimiento incluye el uso de métricas de desempeño, la aplicación de la técnica DEMATEL para considerar la relevancia de cada indicador, el uso de estrategias de normalización para facilitar la operación matemática entre los indicadores, y suministra una valoración para cada capacidad en un rango entre cero y uno. La aplicación del procedimiento valora la operación esperada de la microrred del LIE (simulaciones). Para lograr esto, se realiza el modelado y simulación de la operación de la microrred objeto de estudio según escenarios definidos. Este trabajo permite identificar fortalezas, oportunidades, debilidades y amenazas para la microrred del LIE, información que ayudará en la planificación de proyectos de investigación y a la gestión tecnológica de este activo en el mediano y largo plazo.
Análisis de estabilidad de gran perturbación en un sistema de potencia sometido a cualquier tipo de falla paralelo utilizando procesamiento paralelo
(Universidad Industrial de Santander, 2021) Gómez Gómez, Paola Andrea; Vargas Torres, Hermann Raúl
Las fallas en los sistemas de transmisión pueden producir inestabilidad en la operación de los generadores interconectados en el sistema de potencia, y causar pérdida parcial o total del suministro de energía eléctrica en un área. De ahí que sea relevante el análisis del fenómeno de estabilidad en las actividades de planeación, operación y coordinación de los sistemas eléctricos de potencia. Por tanto, en este trabajo de investigación se desarrolló una herramienta en MATLAB basada en HAGP denominada GTSA, que permite realizar análisis de estabilidad de ángulo de rotor de gran perturbación a un sistema de potencia sometido a fallas paralelotípicas. Como complemento, en GTSA se implementó la opción de procesamiento paralelo de MATLAB por medio de la técnica de cómputo mediante GPUs. En GTSA se consideró el modelado del sistema de potencia aplicable al análisis de estabilidad transitoria, y tres modelos del generador síncrono teniendo en cuenta diferentes sistemas de control de excitación. El sistema de ecuaciones del modelado se solucionó mediante el método de integración implícita con solución simultánea de la regla trapezoidal y el método iterativo de NewtonRaphson. El análisis de fallas se realizó aplicando los métodos de componentes simétricas, y del equivalente de Thévenin para sistemas desbalanceados. Finalmente, los resultados de GTSA se compararon y validaron con los obtenidos en PowerFactory mediante la simulación de tres sistemas de potencia: i) barra infinita, ii) dos áreas, y iii) 118 barras del IEEE. De allí se concluyó que: i) los modelos matemáticos y los métodos de solución de cada programa influyeron en las diferencias de los parámetros estudiados, ii) la falla trifásica conllevó a mayores problemas de estabilidad, seguida de la bifásica a tierra, la bifásica aislada y la monofásica a tierra, y iii) la técnica de procesamiento paralelo utilizada en GTSA no logró mejorar los tiempos de simulación
Propuesta de solución, basada en algoritmos de optimización global, de un modelo de arreglos fotovoltaicos operando en condiciones de sombreados parciales
(Universidad Industrial de Santander, 2021) Peréz Archila, Luis Miguel; Bastidas Rodríguez, Juan David; Correa Cely, Carlos Rodrigo
El uso de la generación fotovoltaica ha tenido un notable incremento en los últimos años, razón porla cual la investigación en el modelado de estos generadores, y los métodos para resolver estos modelos de maneraprecisa y computacionalmente eficiente, ha sido un tema relevante en el ámbito de la investigación internacional.Considerando lo anterior, en el presente trabajo se profundiza en la solución de tres diferentes modelos de un generadorfotovoltaico en configuración Serie-Paralelo basados en los modelos de Single Diode Model (SDM) y Double DiodeModel (DDM), operando en condiciones homogéneas y de sombreados parciales. Los tres modelos del generador sondescritos en detalle y se plantea la solución de los sistemas de ecuaciones no lineales asociados a los modelos comoun problema de optimización no lineal con restricciones. Adicionalmente, se analiza la solución de estos modelosempleando algoritmos de optimización, dos algoritmos analíticos y tres algoritmos metaheurísticos. El desempeñode los algoritmos en este tipo de problemas de optimización es evaluado mediante simulación y contraste con datosexperimentales, con el objetivo de determinar la eficiencia de los algoritmos y las ventajas y desventajas de cada modelo implementado.
Energy management of a hybrid locomotive equipped with fuel cell, batteries, supercapacitors, and intermittent access to the electrical network
(Universidad Industrial de Santander, 2021) Mendoza Contreras, Diana Sofía; Solano Martínez, Javier Enrique; Boulon, Loic
Este trabajo de investigación de maestría propone una estrategia de gestión de energía (EMS por sussiglas en inglés) para una locomotora híbrida de modo dual equipada con pila de combustible, supercondensadores ybaterías, y acceso intermitente a una catenaria aérea electrificada. La EMS modular define la distribución de energíaentre las fuentes de energía respetando las restricciones en las variables eléctricas del sistema. La estrategia estáinspirada en el diagrama de Ragone, el cual relaciona las características de potencia y energía de cada una de lasfuentes. La EMS no considera información o predicciones del consumo de carga futuro. La EMS en tiempo realpropuesta tiene como objetivo reducir una función de costo que considera el costo del hidrógeno, la electricidadconsumida de la red y la degradación de las fuentes de energía. Esta estrategia propuesta se centra en maximizar laenergía recuperada durante el frenado. El trabajo de investigación también introduce una metodología original paraajustar los valores del conjunto de parámetros de la EMS, la cual se basa en el método experimental. Se emplean doscasos de estudio para evaluar la EMS propuesta. Los resultados muestran que existe una oportunidad real de aumentar la energía recuperada durante el frenado si se realiza una EMS apropiada.
Control centralizado para una microrred aislada basado en el aprovechamiento de recursos renovables
(Universidad Industrial de Santander, 2021) Forero Ordoñez, Fabian Leonardo; Alzate Castaño, Ricardo; Mantilla Villalobos, María Alejandra
El presente trabajo de investigación presenta el diseño e implementación de un prototipo experimental a nivel de laboratorio de una estrategia para la gestión de recursos energéticos en una microrredAC aislada de baja potencia, que hace uso de fuentes renovables compuestas por un sistema solarfotovoltaico, un generador de inducción auto excitado inspirando en el aprovechamiento del recursohidráulico a baja escala y una planta a gasolina que corresponderá con la fuente de tensión de referencia. Inicialmente, el trabajo aborda una revisión conceptual acerca del control de las unidades degeneración renovables en donde se realizará una propuesta para el control del punto de potencia delas unidades renovables y se abordará el problema de reparto de potencias en un nivel conceptual através de esquemas de control centralizado. Posteriormente, se establece una estrategia de sincronización para la implementación de una estructura jerárquica de control para gobernar la asignaciónde proporciones de generación, considerando una carga de alrededor de 1.5 kW correspondientecon el consumo promedio de viviendas rurales. Finalmente, se presenta la caracterización experimental individual y la operación bajo las estrategias de gestión diseñadas y propuestas validar unaestrategia de gestión para la operación sobre el prototipo experimental.
Dimensionamiento de un generador fotovoltaico aislado operando en condiciones de sombreados parciales para alimentar una estación de carga de bicicletas eléctricas
(Universidad Industrial de Santander, 2020) Arenas Flórez, Michael; Bastidas Rodríguez, Juan David; Solano Martínez, Javier Enrique
Los generadores fotovoltaicos que suministran energía a estaciones de carga de bicicletas eléctricas suelen instalarse en ambientes urbanos y debido a la infraestructura circundante pueden estar sometidos a condiciones de sombreados parciales (SP), lo cual genera reducción en la eficiencia del sistema y en deterioro de los paneles a largo plazo. Las sombras que se proyectan en los módulos fotovoltaicos (FV) son variables a lo largo del día y el año debido al movimiento de rotación y translación de la tierra respectivamente. En esta investigación se presenta un procedimiento para el cálculo del perfil de potencia anual y la energía generada por un generador fotovoltaico (GFV) de baja potencia en conexión serie paralelo incluyendo el impacto de la variación de los SP debidas a objetos circundantes. En el procedimiento propuesto se consideran las esquinas de los submódulos del GFV y puntos clave de los objetos circundantes para determinar las horas en las cuales ocurre sombreado; además, se propone un cálculo de factores de sombreado horario y por submódulo, los cuales son una de las entradas para el modelo del GFV. Finalmente se presenta un procedimiento para el dimensionamiento de un GFV de baja potencia utilizando un modelo detallado del GFV, el cual considera el efecto de la variación de los sombreados parciales a lo largo del año. El procedimiento a su vez permite evaluar la viabilidad de instalar un GFV en una ubicación particular.
Propuesta de un esquema de evaluación de la resiliencia eléctrica de redes de baja tensión con integración de generación fotovoltaica - condición de operación en estado estable
(Universidad Industrial de Santander, 2020) Parrado Duque, Alejandro; Osma Pinto, German Alfonso; Rodriguez Velasquez, Rusber Octavio
La resiliencia en los sistemas eléctricos es propuesta como un concepto que evalúa cambios operacionales inherentes a las variaciones de la carga y de los sistemas fotovoltaicos. Tales variaciones pueden evaluarse al hacer un tratamiento de datos de diez parámetros e indicadores eléctricos de una red eléctrica de interés. De allí que se propone un esquema de evaluación de la resiliencia. Este contiene características que debe cumplir un sistema de monitorización, el uso de tres estrategias de normalización de los parámetros e indicadores, la asignación de pesos subjetivos empleando las técnicas DEMATEL e IF-DEMATEL, una formulación matemática para la cuantificación de la resiliencia y una escala de evaluación de la resiliencia normalizada entre cero y uno. Como caso de aplicación se tuvo el EIE-UIS, donde los indicadores de calidad de potencia tuvieron una variación promedio de 0.5, mientras que los parámetros de tensión, frecuencia, corriente, y la potencia activa y potencia reactiva tuvieron un desempeño promedio cercano al valor normalizado unitario en el 99% del total de datos. El trabajo concluyó un mejor desempeño del índice de resiliencia en el punto de acoplamiento común (PCC), y mayor influencia de la carga en el índice de resiliencia en nodos diferentes al PCC. Además, entre el índice de resiliencia y la potencia FV se observó una correlación lineal superior a 0.77 y un coeficiente de determinación superior a 0.59. Finalmente, el índice de resiliencia tuvo mejor desempeño en la red eléctrica durante el día, cuando el SFV operaba y existía mayor carga eléctrica.
Clasificación de eventos para monitorización no intrusiva de carga utilizando razonamiento basado en casos
(Universidad Industrial de Santander, 2018) Cortes Torres, Jose David; Duarte Gualdrón, César Antonio
El consumo eléctrico en hogares y sitios de trabajo se ha incrementado. Esto puede ser eviden-ciado en el crecimiento de ciudades inteligentes, el uso de energías renovables y dispositivos tec-nológicos de última generación. Panorama que se torna necesario para el diseño de estrategias referentes a la gestión de la demanda. La monitorización intrusiva de cargas (NILM), permite me-dir el consumo eléctrico de forma centralizada para estimar la potencia individual de cada aparato conectado en un sistema eléctrico usando algoritmos matemáticos. En la actualidad, la metodolo-gía de razonamiento basado en casos (RBC) ha mostrado una solución apropiada para tareas de clasificación. Como el RBC fracciona el conocimiento de acuerdo al contexto, representa una ven-taja respecto con los métodos tradicionales. El presente trabajo de investigación describe el modelo para clasificación de cargas de tipo residencial en eventos de conexión y desconexión usando la metodología de RBC dividida en en tres etapas. La etapa de extracción de descriptores fue imple-mentada usando transformadas tiempo-frecuencia y de las definiciones de la norma IEEE1459 de 22 aparatos eléctricos de uso residencial. La etapa de clasificación está compuesta por 4 fases que dispone de 2 algoritmos por fase. La etapa de evaluación fue implementada usando la métrica de casos clasificados correctamente sobre total de casos. Los resultados fueron comparados con el método de clasificación basado en máquinas de soporte vectorial (SVM). Los hallazgos más im-portantes muestran que los 24 modelos implementados con RBC presentaron un 39.66% en pro-medio. Estos datos revelan que los modelos de RBC cuentan con un desempeño comparable con algunos métodos considerados en NILM, lo que se constituye en una metodología para la clasifi-cación de aparatos en un sistema residencial.
Evaluación del comportamiento de sistemas fotovoltáicos conectados a la red ante la conexión y operación de cargas altamente inductivas
(Universidad Industrial de Santander, 2018) Mantilla Macias, Paulina Esther; Ordoñez Plata, Gabriel
Actualmente se evidencia un creciente interés por incluir nuevas funcionalidades en los sistemas de generación fotovoltaicos conectados a la red, las cuales buscan mejorar la confiabilidad, estabilidad, disponibilidad y/o calidad de la energía eléctrica de la red de distribución. Una de las posibles capacidades que pueden ser incorporadas a los sistemas fotovoltaicos es la acción de compensación de potencia reactiva ante el uso de cargas con bajo factor de potencia, con el fin de compensar el balance de potencia reactiva en la red y/o regular la tensión en el PCC. Un tipo de carga ampliamente utilizada en la industria son los motores de inducción, cargas con bajo factor de potencia y comportamientos dinámicos importantes principalmente en el momento de su arranque. La dinámica de este tipo de cargas altamente inductivas puede influir en el comportamiento de los sistemas fotovoltaicos conectados a la red, principalmente en el intervalo de tiempo del arranque de los motores. Partiendo de lo anterior, este trabajo de investigación realiza un estudio mediante simulación en Matlab/Simulink, del comportamiento de un sistema fotovoltaico conectado a la red eléctrica ante la inclusión de diferentes acciones de compensación de potencia reactiva, bajo la operación de motores de inducción trifásicos con factor de potencia entre 0,7 y 1. El comportamiento del sistema se analiza tanto en régimen transitorio como permanente con el fin de determinar los efectos que estas cargas pueden generar en el sistema fotovoltaico y la red, según las acciones de compensación consideradas.
Control de un transformador de estado sólido de tres etapas considerando la integración de generación distribuida
(Universidad Industrial de Santander, 2018) Sanabria Calderon, Karol Francisco; Mantilla Villalobos, Maria Alejandra; Petit Suarez, Johann Farith
Esta investigaci´on parte de la necesidad de introducir el concepto del transformador de estado s´olido como punto de partida para futuros trabajos en este tema. Debido a un ascendente inter´es en energ´ıas renovables y generaci´on distribuida, se requiere que los dispositivos que hacen parte de la red el´ectrica como en este caso el transformador de distribuci´on, participen en el control de esta energ´ıa. El transformador de estado s´olido compuesto por convertidores multinivel es una respuesta a los requerimientos de conversi´on de energ´ıa, reducci´on de tama˜no con respecto a los transformadores de baja frecuencia tradicionales y el mejoramiento de la calidad de la energ´ıa. Se plantea en este trabajo de investigaci´on un dise˜no modular de un transformador de estado s´olido, basado en un convertidor multinivel de puentes H en cascada, convertidores DC-DC de doble puente activo y finalmente un convertidor trif´asico de cuatro ramas, con el fin de obtener las mismas caracter´ısticas de un transformador de distribuci´on convencional. Las salidas en DC de baja tensi´on de los convertidores DC-DC se conectan en paralelo para alimentar el convertidor de cuatro ramas. En este trabajo se establecen estrategias de control y modos de operaci´on para un transformador de estado s´olido ante la integraci´on de fuentes de generaci´on distribuida. Se contemplan tanto estrategias de control lineales, como predictivas con el fin de comparar su desempe˜no. El estudio del funcionamiento de las estrategias de control y del transformador de estado s´olido se realiza por medio de simulaciones en el software MATLAB. Adicionalmente, se presentan resultados experimentales para los convertidores DC-DC de un puente activo y de doble puente activo, controlados mediante un FPGA reconfigurable
Caracterización de inversores multinivel tipo puente-H en cascada
(Universidad Industrial de Santander, 2018) Almeida Arguello, Daniel Felipe; Mantilla Villalobos, Maria Alejandra; Petit Suarez, Johann Farith
Los inversores de potencia basados en electronica de potencia hacen parte fundamental de la conversión´ de energ´ıa y el control de sistemas de energ´ıa electrica renovables y accionamientos eléctricos. Actualmente,éstos sistemas necesitan operar bajo tensiones y potencias mas altas de salida con el fin de incrementar la ´ produccion y eficiencia en sus procesos. A su vez, es necesario que estos sistemas cumplan requerimientos ´ de calidad de potencia electrica. En este sentido, el inversor multinivel surge como una alternativa interesan- ´ te con el objetivo de cumplir las demandas establecidas. En particular, la calidad de las senales de salida del ˜ inversor multinivel dependen directamente de las estrategias de modulacion implementadas para controlar ´ la conmutacion de los dispositivos semiconductores. ´ Partiendo de lo anterior, el proposito de esta tesis consiste en comparar cuatro estrategias de modulación´ del inversor multinivel de puentes H en cascada (CHB) en terminos de la distorsión armónica proporcionada ´ por la forma de onda de la tension de salida. Espec ´ ´ıficamente, se estudian y comparan las estrategias de modulacion por desplazamiento de fase PWM (PS-PWM), modulación por desplazamiento de fase con in- ´ yeccion de tercer armónico (thPS-PWM), modulación h ´ ´ıbrida PWM (H-PWM) y modulacion por vector es- ´ pacial PWM (SVM-PWM) en terminos del análisis del espectro de la tensión de salida, Distorsión Armónica ´ Total (THD), Distorsion Armónica Total Ponderada (WTHD), Factor de Distorsión (DF) y Armónico de Or- ´ den mas Bajo (LOH). Las topolog ´ ´ıas del inversor multinivel CHB analizadas fueron el inversor monofasico ´ de cinco niveles, inversor trifasico de tres niveles e inversor trifásico de cinco niveles. ´ Los resultados fueron obtenidos a traves de simulaciones y pruebas experimentales con el soporte de ´ las herramientas MATLAB/Simulink y dSPACE, obteniendo un desempeno superior en la estrategia de ˜ modulacion h ´ ´ıbrida (H-PWM) en la calidad de forma de onda de la tension de salida con respecto a las ´ demas técnicas evaluadas.
Dimensionado de una fuente híbrida compuesta de pilas a combustible tipo PEM y supercondensadores con conexión directa
(Universidad Industrial de Santander, 2018) Jacome Garcia, Andres Mauricio; Solano Martinez, Javier Enrique
El objetivo principal de este trabajo es proponer una metodología de dimensionado para una fuente híbrida compuesta por una pila a combustible (FC) tipo membrana de intercambio protónico (PEM) y supercondensadores (SCs) con conexión directa. La metodología utiliza como insumos un perfil de potencia de referencia y hojas de datos de FC y SCs disponibles comercialmente. Se simulan todas las posibles combinaciones FC-SC suministrando la potencia de referencia. Las combinaciones son evaluadas teniendo en cuenta tres criterios: la FC no es reversible y tiene límites en la magnitud de la potencia, la dinámica de potencia suministrada por la FC no puede ser mayor a la definida y la tensión del SC nunca debe exceder la nominal por razones de seguridad. Las soluciones que no cumplan los tres criterios son descartadas. Las soluciones admisibles son comparadas mediante una función objetivo que considera el costo del hidrógeno consumido, el costo de degradación y el costo de recarga adicional de los SCs al finalizar el ciclo. La solución con el menor costo es la seleccionada. Como caso de estudio, se utiliza la metodología para dimensionar un banco de supercondensadores a ser conectado directamente con una PEMFC de 500W marca Horizon existente en el laboratorio de tracción eléctrica de la Universidad de Quebec en Trois-Rivières (UQTR), Canadá. Como perfil de referencia se utiliza un perfil a escala medido en un vehículo eléctrico híbrido real. Se considera el catálogo de supercondensadores Maxwell. Como resultado de la metodología se selecciona un banco de supercondensadores compuesto por dos módulos conectados en serie de 16V y 58F.
Planificación energética de micro-redes en zonas no interconectadas con condiciones de demanda dispersa
(Universidad Industrial de Santander, 2018) Rodriguez Velasquez, Rusber Octavio; Osma Pinto, German Alfonso; Villamizar Mejia, Rodolfo; Ordoñez Plata, Gabriel
Las soluciones de energización eléctrica para regiones rurales remotas se basan principalmente en grupos electrógenos y sistemas fotovoltaicos individualizados por vivienda. Estas soluciones tienden a tener baja confiabilidad y un alto costo financiero y ambiental, especialmente las soluciones que involucran combustibles fósiles. No obstante, las soluciones actuales incorporan fuentes de energía renovables a partir de sistemas híbridos, con el fin de disminuir las emisiones de gases contaminantes, los costos de implementación y operación, y aumentar la confiabilidad y robustez del sistema eléctrico. Estos sistemas híbridos pueden llegar a ser considerados como una micro-red (MG) si incluyen una correcta integración de almacenamiento de energía, monitorización y control. Sin embargo, la implementación de MG en regiones remotas enfrenta retos como la energización de viviendas dispersas, la dispersión de las fuentes de energía y la gestión de energía, entre otros. A fin de explorar los retos que tienen las MG frente a la energización de regiones rurales remotas, este documento expone aspectos técnicos sobre la planificación de MG en este tipo de regiones y propone una estrategia de planificación energética que integra el dimensionamiento de los recursos energéticos distribuidos, la ubicación de las fuentes de energía y la arquitectura del sistema de distribución de energía eléctrica. La estrategia propuesta se aborda como un problema de optimización de programación no lineal entera mixta y se aplica a una región rural no interconectada del municipio de Cimitarra, Colombia.
Herramienta metodológica para el análisis eficiente de simulaciones energéticas de edificaciones en El Trópico
(Universidad Industrial de Santander, 2017) Cardenas Rangel, Jorge Luis; Ordoñez Plata, Gabriel; Osma Pinto, German Alfonso
El diseño de edificaciones energéticamente eficientes requiere del uso de herramientas de simulación energética. Estas no están siendo utilizadas frecuentemente por los equipos de diseño debido a los niveles elevados de conocimiento y experiencia que requieren los usuarios de las mismas en aspectos como la obtención y análisis de resultados. Este documento propone una metodología que tiene por objeto reducir la experticia de los usuarios de las herramientas de simulación energética para el análisis y evaluación del desempeño energético de edificaciones tropicales. Dicha metodología se fundamenta en la evaluación comparativa por indicadores, y tiene en cuenta valores de referencia como la línea base de la Resolución 0549 del Ministerio de Vivienda, Ciudad y Territorio de Colombia, así como el edificio de referencia recomendado en el Apéndice G de la ASHRAE 90.1. Para su obtención varias actividades fueron desarrolladas. Inicialmente, el escenario de uso de la metodología fue establecido a partir de la identificación de las principales características de un proceso de diseño con enfoque energético. Posteriormente, teniendo en cuenta una muestra de 100 artículos científicos y un grupo de criterios de selección se escogió la herramienta de simulación energética más pertinente para el análisis y evaluación del desempeño energético de edificaciones tropicales. La cual fue usada para el modelado virtual, ajuste, simulación y análisis energético de tres edificaciones (dos de tipo universitario y una vivienda de interés social), lo anterior, con el objetivo de identificar resultados de simulación útiles, y procedimientos para el análisis y evaluación del desempeño energético de edificaciones tropicales. En cuanto a su ámbito de aplicación, esta herramienta metodología puede ser usada para la evaluación del desempeño energético de edificaciones tropicales de varios tipos que estén en etapa de diseño o en operación.
Modelado y simulación de campo eléctrico a frecuencia industrial con aplicación al diseño de un prototipo de medidor
(Universidad Industrial de Santander, 2017) Rincon Adarme, David Javier; Chacon Velasco, Julio Cesar
A través de los últimos años se ha considerado cada vez más el efecto de los campos magnéticos y eléctricos como factores medio ambientales que influyen en la salud humana. En Colombia el Ministerio de Minas y Energía expide el Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas (RETIE), el cual dicta en el ARTÍCULO 14°. CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS: “El presente reglamento establece valores de máxima intensidad de campo eléctrico y densidad de flujo magnético en baja frecuencia, para las zonas donde puedan permanecer personas, independientemente del tiempo de permanencia” (2013). Para determinar si una instalación cumple con lo establecido en el RETIE, es necesario medir los valores de campo eléctrico y campo magnético (60 Hz), y verificar si estos están dentro de los límites predeterminados. Con la intensión de desarrollar esta práctica, se propone medir el campo eléctrico dentro de un modelo coaxial de una línea de transmisión (modelo coaxial) que se encuentra en el laboratorio de alta tensión de la Universidad Industrial de Santander UIS. En este sentido, se modeló el fenómeno electromagnético dentro del modelo coaxial y se realizó la caracterización teórica del campo eléctrico dentro de este mediante un código que implementa el método de elementos finitos FEM con simetría axial en Matlab. Además, dada su ausencia se diseñó un prototipo de medidor de campo eléctrico que se adecua a las características del modelo coaxial. Para esto fue necesario definir el principio de funcionamiento y las especificaciones del medidor. Finalmente, se realizó una revisión bibliográfica relacionada con la medición de campo eléctrico (normas IEEE, IEC, etc.). Teniendo en cuenta los resultados de las simulaciones, las especificaciones dadas para el medidor y la normativa consultada, se propuso un protocolo para la medición del campo el eléctrico dentro del modelo coaxial.
Propuestas para el diseño de instalaciones eléctricas de uso final mediante la incorporación de criterios legales reglamentarios normativos y técnicos
(Universidad Industrial de Santander, 2013) Malagon Carvajal, Gabriel Alexis; Ordoñez Plata, Gabriel; Giraldo Picon, Wilson
El aumento de cargas electrónicas en instalaciones eléctricas industriales, comerciales y residenciales y su susceptibilidad a las interferencias electromagnéticas, ha incrementado en gran medida el interés en la naturaleza de estas cargas y las perturbaciones eléctricas en la instalación, con el fin de establecer prácticas de diseño que puedan configurar una instalación eléctrica segura y eficiente. Este documento presenta en el capítulo uno los criterios legales, normativos y técnicos relacionados con compatibilidad electromagnética y el diseño de instalaciones eléctricas, a nivel nacional e internacional. En el capítulo dos, se estudian los parámetros y problemas relacionados con la compatibilidad electromagnética de equipos e instalaciones de uso final. Por otra parte, en el capítulo tres se presentan una serie de buenas prácticas orientadas a la mitigación de los fenómenos producidos por el impulso electromagnético del rayo dentro del sistema de protección contrarayos. Así mismo, el capítulo cuatro, se orienta a la mitigación de los fenómenos de principal afectación sobre las protecciones eléctricas, en este caso particular, los fenómenos relacionados con armónicos en instalaciones de uso final. De igual forma, el capítulo cinco se ha orientado a establecer una serie de buenas prácticas para el dimensionamiento de transformadores. Del mismo modo, en el capítulo seis, se aborda la temática relacionada con motores, en un ambiente con problemas de compatibilidad electromagnética. Por otro lado, en el capítulo siete se presentan algunas prácticas para el dimensionamiento de conductores en instalaciones con alto contenido armónico y las estrategias para la mitigación de los fenómenos asociados. De igual forma, en capítulo ocho presenta el tema de dimensionamiento de canalizaciones en ambientes electromagnéticos no favorables. En el capítulo nueve se aborda la problemática y las estrategias de solución desde el diseño de sistemas de puesta a tierra. Finalmente en los capítulos diez y once se da paso a las conclusiones y recomendaciones del presente trabajo de investigación. 1
Diseño y construcción de un prototipo de una herramienta magnética para inhibir las precipitaciones de parafina de campo escuela colorado
(Universidad Industrial de Santander, 2013) Jiménez Leiva, Cristian Camilo; Vargas Torres, Hermann Raúl; Ariza León, Emiliano; Meneses Flórez, Jorge Enrique
Este trabajo de investigación, está motivado por la necesidad de inhibir las precipitaciones de ceras tipo parafina de los pozos del Campo Escuela Colorado (CEC), las cuáles reducen considerablemente el diámetro efectivo de la tubería de producción, disminuyendo de esta manera la extracción y en casos críticos el taponamiento de la tubería. Entre las soluciones alternativas propuestas para evitar este problema, se plantea la aplicación de campos magnéticos con la intensidad suficiente para producir cambios en las características reológicas de las muestras de crudo tratadas. Para este fin, se realizaron pruebas preliminares en laboratorio, en donde se pudo observar los requerimientos básicos tales como la geometría de la herramienta, la disposición de líneas de campo, la magnitud de la densidad de flujo magnético, entre otros, para la aplicación del tratamiento. Teniendo en cuenta lo anterior, se construyó el prototipo de una herramienta magnética en base con los modelos matemáticos que describen el comportamiento de los circuitos magnéticos y el software numérico Finite Element Method Magnetics 4.2 (FEMM 4.2). Finalmente se realizaron mediciones en laboratorios a la herramienta en operación, obteniendo datos que validaron los resultados previamente arrojados por el modelo y el simulador. Por otro lado, se desarrollaron los experimentos necesarios para establecer las bases de diseño (intensidad de campo eléctrico, dirección de las líneas de campo, porcentaje de agua en emulsión, entre otros), en la construcción del prototipo de una herramienta de generación de campos eléctricos, para el tratamiento de muestras seleccionadas de crudo del CEC. En base con los resultados obtenidos en la investigación, se pudo observar que un campo magnético tiene la capacidad de reducir en un 32% la temperatura de cristalización de las ceras tipo parafina, así como también, con un campo eléctrico se obtuvo una reducción de 7,46% en la viscosidad de las muestras tratadas.
Sistema de gestión para el diseño de subestaciones eléctricas basado en el reglamento técnico de instalaciones eléctricas retie marco de soporte
(Universidad Industrial de Santander, 2013) Gómez Tapias, Jairo; Vargas Torres, Hermann Raúl
En este proyecto se diseñan herramientas que permiten minimizar el riesgo eléctrico desde el diseño de las subestaciones eléctricas acorde a lo establecido por el reglamento técnico de instalaciones eléctricas RETIE en Colombia, realizando el cálculo del apantallamiento de las subestación tomando como variables de entrada, el dimensionamiento de la subestación, además se realiza el respectivo cálculo del sistema de puesta a tierra, a partir elementos importantes en todo diseño y que sirven como elemento de confrontación por los entes reguladores, en Colombia. A su vez se busca maximizar el rendimiento económico en el diseño a través, de una herramienta que sirve como base para evaluar financiera y económicamente la inversión y operación de subestaciones eléctricas tipo, para inversionistas interesados en prestar este servicio en Colombia. Las variables de entrada de la evaluación financiera como lo son los ingresos, el presupuesto de inversión, los costos de operación y los gastos de administración permiten realizar el análisis que suministrará toda la información necesaria para elaborar los reportes y conocer los estados financieros, la tasa de descuento criterios financieros, criterios de decisión y análisis de sensibilidad de la subestación respectiva; los datos de los ingresos, los costos de operación y el presupuesto de inversión son tomados de la información suministrada por la Comisión de Regulación de Energía y Gas (CREG) a los operadores de red en Colombia según la resolución 097 de 2008, esta resolución se actualizará a partir del año 2014. El resultado final es independiente para cada subestación, ya que los datos varían de acuerdo con las características propias y con los diferentes escenarios planteados en el análisis de sensibilidad, además estas herramientas, se constituye también un instrumento útil para estudiantes de la asignatura de subestaciones eléctricas de la escuela de Ingeniería eléctrica, electrónica y de Telecomunicaciones en la Universidad Industrial de Santander.
Sistema de gestión para el diseño de subestaciones eléctricas a partir de los requerimientos técnicos establecidos por el reglamento técnico de instalaciones eléctricas - retie
(Universidad Industrial de Santander, 2013) Gómez Tapias, Fernando; Vargas Torres, Hermann Raúl
El presente trabajo de investigación establece una metodología que permite realizar el diseño de subestaciones eléctricas a partir de los requerimientos técnicos establecidos por el Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas — RETIE y de la normatividad internacional vigente, la cual pretende satisfacer la necesidad que actualmente presentan las Empresas Operadoras y Certificadoras del sector eléctrico de tener una herramienta que involucre en lo posible todos los conceptos técnicos que permitan adelantar en forma rápida y confiable adelantar la etapa de diseño, en un proyecto de montaje y puesta en servicio de una subestación eléctrica. Los expertos en el tema han establecido modelos matemáticos que describen cada uno de los aspectos técnicos y de seguridad a tener en cuenta en el diseño de subestaciones eléctricas, cuando se tiene la subestación en condiciones de estado de operación normal o en estado de corto circuito. Como resultado se plantea una metodología que mediante la utilización de modelos matemáticos sintetizados a partir del análisis de los diferentes aspectos técnicos a analizar en una subestación eléctrica, que se resume en un diagrama de flujo de requerimientos técnicos exigidos por el Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas - RETIE; lo que permite la implementación de una herramienta software en AutoCAD que cubre el adelanto del dimensionamiento de una subestación como el desarrolló de los planos de planta y perfil de una Subestación Eléctrica, junto con su diagrama unifilar. Esta aplicación, incluye los cálculos de las distancias de seguridad necesarias para el diseño de los planos y el diseño de su malla de puesta a tierra mediante una herramienta informática desarrollada en el entorno Visual Basic para AutoCAD.
Minimización del costo de la energía eléctrica en zonas francas de Colombia
(Universidad Industrial de Santander, 2012) Castillo Sauza, Alexis; Cruz Rodríguez, Rubén Darío
El costo de la energía eléctrica para las Zonas Francas en Colombia, áreas establecidas para estimular y atraer inversión al país, se ha incrementado sustancialmente en los últimos años, disminuyendo la competitividad de las empresas instaladas en estos polos estratégicos de desarrollo. Por consiguiente, en este trabajo de investigación se han planteado y revisado alternativas para minimizar los costos de la energía, tales como la eliminación de la contribución, una contratación óptima, la posibilidad de conexión de la frontera comercial a un nivel de tensión superior, la creación de una zona franca permanente de generación y una comercializadora de energía propia, gestión de la demanda, instalación de una segunda frontera comercial, autogeneración o cogeneración, participación en el mercado de derivados de commodities energéticos y una combinación de estas posibilidades dentro del contexto de los regímenes eléctrico y franco. Con base en lo anterior, se ha seleccionado una condición hipotética genérica de operación que considera el abastecimiento de energía para una Zona Franca de dos fuentes: una planta de autogeneración y la conexión existente al Sistema Interconectado Nacional. Bajo estas condiciones generales se ha formulado un problema de minimización de costos que modeló matemáticamente esta situación para su solución. Como herramientas computacionales se han usado el Sistema General de Modelamiento Algebraico - GAMS -y MATLAB. Con la herramienta matemática desarrollada se han ejecutado varios escenarios en un periodo de 10 años, considerando proyecciones de la demanda de una Zona Franca, de los precios de mercado y el combustible requerido por la planta de autogeneración. Los resultados muestran que es posible para una Zona Franca configurar y gestionar una condición de operación de su sistema que le permita obtener menores costos de energía eléctrica para abastecer las empresas instaladas en el parque industrial y de esta forma aumentar su competitividad.

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