Ingeniería Eléctrica, Sistema Electromecánico

Definición de Sistema Electromecánico

“Los Sistemas Electromecánicos son aquellos sistemas híbridos de variables mecánicas y eléctricas”. Las aplicaciones para componentes electromecánicos cubren un amplio espectro, desde sistemas de control para robots y rastreadores de estrellas, hasta electrodomésticos y controles de posición del disco duro en una computadora, o el control de motores DC en sistemas de aire acondicionado para instalaciones residenciales.

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Motor de Imán Permanente para electrodomésticos, detalle del devanado de cobre y el eje – Detail of copper winding, stack and shaft of a electric permeant magnet motor for home appliances.

La Figura 2.1 muestra un sistema de accionamiento electromecánico. Consiste de una fuente de poder y energía, un circuito de compuerta para el convertidor, convertidores electrónicos (rectificador, inversor, controlador electrónico de poder), sensores de corriente (derivadores, transformador de corriente, sensor Hall), sensor de voltaje (divisor de voltaje, transformador de potencial), sensores de velocidad (tacómetros) y sensores de desplazamiento (codificadores), máquinas rotativas trifásicas, cajas de engranajes y cargas específicas (bomba, ventilador, automovil, etc). En la Figura 2-1 todos los componentes, con excepción de los engranajes, están representados por una Función de Transferencia (variables de salida en función del tiempo), mientras que la caja de engranajes está representada por una Función Característica (variable de salida Xout en función de la variable de entrada Xin)

SIGUIENTE: Dinámica de una Sistema Electromecánico con Motor DC

Fuentes:

  1. Control Systems Engineering, Nise
  2. Sistemas de Control Automatico Benjamin C Kuo
  3. Modern_Control_Engineering, Ogata 4t

Escrito por: Larry Francis Obando – Technical Specialist – Educational Content Writer.

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Una base de conocimiento está conformada por un conjunto de artículos clasificados según temas principales. A continuación, los temas principales y los artículos publicados:

  1. Sistema Masa-Resorte-Amortiguador
  2. Sistema Electromecánico
  3. Sistema de nivel de líquido
  4. Sistemas de Control
  5. Ingeniería Electrónica
    1. Concepto de Realimentación Electrónica
    2. Power Electronic – Introduction 
    3. Definición de Electrónica de Potencia
    4. Driver de Motor DC
  6. Análisis Vectorial
  7. Señales y Sistemas
  8. Teoría Electromagnética
  9. Máquinas Eléctricas
  10. Sistemas de potencia
  11. Edificios Inteligentes
  12. Programación en C++
  13. Dinámica del automóvil
  14. Machine Learning
  15. CyberSecurity
  16. Matemática Financiera
  17. Cálculo
  18. Lyfestyle Science
  19. Otros

Todo el esfuerzo puesto en este material didáctico se lo dedico a mi hermoso hijo Victor Alejandro, el mejor ingeniero que conozco…viernes 3 de agosto de 2018.

 

Electrical Engineer, Flujo de Potencia, Ingeniería Eléctrica, Power Distribution, Teoría Electromagnética

Definición de Sistema Eléctrico de Potencia

Un sistema eléctrico de potencia es una herramienta de conversión y transporte de energía. Está compuesto por todas las máquinas, aparatos, redes, procesos y materiales utilizados para la generación, transmisión y distribución de energía eléctrica. 

El manejo de la energía eléctrica en los sistemas de potencia se hace principalmente en la forma conocida como corriente alterna. En la entrada del sistema, la energía que se encuentra disponible en la naturaleza es transformada de diversas formas (hidráulica, eólica, por combustión de fósiles, nuclear, solar, geotérmica) en energía eléctrica. La última etapa en este proceso de generación lo representa el generador eléctrico. En la siguiente ilustración muestra la representación esquemática de una gran turbina eólica comercial (1) que impulsa un generador de inducción de jaula de ardilla (4) por medio de una caja de velocidades (3). El estator del generador está conectado a la red de energía eléctrica (7) por medio de un transformador (6):

Turbina Eólica

Una vez generada la energía eléctrica, inicia el proceso de transmisión, que consiste en el transporte de grandes bloques de energía desde los centros de generación hasta los centros de utilización. Ya disponible la energía eléctrica en los pueblos y ciudades, los usuarios finales son habilitados mediante el proceso de distribución.

Los sistemas de potencia eléctrica se componen de líneas de transmisión de alto voltaje que alimentan a una red de mediano voltaje (MV) por medio de subestaciones.

power lines over sunset and birds flying.

En América, estas redes de mediano voltaje operan generalmente entre los 2.4 KV (kilovoltios) y 69 KV. A su vez, éstas redes abastecen a millones de sistemas de bajo voltaje independientes que funcionan entre 120V y 600V.

Comenzando con la planta de generación, cada parte de un sistema eléctrico de potencia utiliza subestaciones de mediano voltaje, unidades que contienen los siguientes componentes principales:

  1. Transformadores
  2. Cortacircuitos
  3. Interruptores de conexión
  4. Interruptores de conexión a tierra
  5. Relevadores y dispositivos de protección

Las líneas de transmisión poseen todas las propiedades de los elementos básicos de un circuito (resistencias, capacitores, bobinas y las conexiones entre todos ellos). Para el análisis y estudio de las líneas de transmisión, mediante un proceso de abstracción, todos estos elementos se consideran concentrados, aunque en la realidad estas propiedades están distribuidas a través de toda la red. El estudio de las líneas de transmisión de un sistema eléctrico de potencia es el paso inicial para comprender a profundidad el comportamiento ondulatorio de dicho sistema.

A pesar de que la teoría fundamental de la transmisión de energía describe su propagación en términos de la interacción de campos eléctricos y magnéticos, el ingeniero eléctrico especializado en sistemas de potencia, estará más interesado en analizar la razón de cambio de la energía con respecto al tiempo en términos de diferencia de potencial (voltaje) y de la intensidad (corriente). Esta es la definición de potencia eléctrica cuya unidad de medida es el Watt.

Los sistemas de potencia funcionan con generadores trifásicos, por lo que el estudio de la potencia eléctrica requiere de destrezas para el análisis fasorial. Conviene antes, sin embargo, analizar la Potencia Eléctrica en Circuitos Monofásicos, y luego extrapolar este análisis al caso trifásico. Para poder analizar la Potencia Eléctrica en circuitos monofásicos, debemos dominar los elemental:

  1. Representación Fasorial de voltajes y corrientes – Fasores
  2. Relaciones fasoriales de los elementos de un circuito eléctrico

Fuente:

  1. Libro Analisis_de_sistemas_de_pot
  2. Análisis de Redes – Van Valkenburg
  3. Wildi. Maquinas Electricas y Sistemas de Potencia
  4. Getty Images

Revisión literaria hecha por:

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Análisis de sistemas de control, Power Electronics, Sistema Electromecánico

Sistema de Control de Motor DC en Matlab – PWM (Pulse width Modulation)

Los actuadores en aplicaciones de robótica, en especial los Motores DC, deben ser controlados con precisión con el fin de obtener, por ejemplo, el movimiento deseado en brazos y piernas de un robot. Esto requiere del uso de amplificadores de potencia para suministrar el correcto nivel de voltaje (o corriente) a la armadura del motor. Para lograr esto, el uso de amplificadores proporcionales como el amplificador operacional resulta ser un método muy ineficiente y posiblemente destructivo debido a la gran pérdida de potencia en forma de calor. Una alternativa es el control de voltaje utilizando un conmutador ON-OFF. El PWM (Pulse Width Modulation por sus siglas en Inglés ) es el método más común para variar el voltaje promedio suministrado a un motor DC.

Modelaremos un sistema de control para un motor DC impulsado por una señal de entrada constante y observaremos que la corriente y el movimiento de rotación a la salida del motor cumplan con los valores esperados.

Este modelo muestra cómo utilizar el conmutador de voltaje conocido como PWM (Pulse Width Modulation) y el puente H (H-Bridge) para controlar un motor DC, el cual utiliza los parámetros de la hoja de datos del fabricante, que especifican que el motor entrega 10W de potencia mecánica a 2500 rpm y la velocidad sin carga de 4000 rpm cuando se ejecuta desde una fuente de alimentación de 12V CC. Por lo tanto, si el voltaje de referencia PWM se establece en su valor máximo de + 5V, entonces el motor debe funcionar a 4000 rpm. Si se establece en + 2.5V, entonces debe funcionar a aproximadamente 2000 rpm.

Para una revisión matemática de la dinámica de un motor DC, ver:

¿Qué es PWM?

PWM es una técnica para el control efectivo del voltaje de armadura en un motor DC, utilizando solamente un switch ON-OFF. La Figura 2.3.3 ilustra la señal de salida de un equipo PWM:

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El PWM varía la relación entre la duración del estado ON con respecto a la duración del estado OFF. Un solo ciclo de estados ON y OFF representa el periodo del PWM, mientras que el porcentaje del estado ON con respecto al periodo del PWM es denominado “Duty Rate” (ritmo de trabajo). La primera señal PWM mostrada en la Figura 2.3.3, está a 60% de trabajo, mientras la segunda lo está a 25%. Si la fuente de voltaje que alimenta el sistema es V=10 volts, el voltaje promedio realmente transmitido al motor DC es de 6 volts en el primer caso y de 2.5 volts en el segundo. El periodo del PWM es establecido de tal manera que sea mucho más corto que la constante de tiempo asociada al movimiento mecánico.  La frecuencia del PWM está usualmente entre los 2 y los 20 KHz, mientras que un ancho de banda típico del sistema de control del motor es de 100 Hz. Por lo tanto, la conmutación discreta no influye sustancialmente al movimiento mecánico en la mayoría de los casos.

Si la constante de tiempo Te es mucho mayor que el período del PWM, la corriente real que fluye hacia la armadura del motor es una curva suave, como se ilustra en la Figura 2.3.4:

Modelo en Simulink
  1. Seleccionar Simulink Library del menú principal de Matlab
  2. Una vez en la librería de Simulink, seleccionar New Model
  3. En librería, seleccionar la siguiente lista de componentes y añadirlos al nuevo modelo. Para agregar componentes la modelo hacer clik derecho sobre el bloque que se desea agregar y seleccionar Add block to the model.

  1. Los bloques se van agregando uno sobre otro, así que debemos ir separándoles en el modelo a medida que son añadidos. Según la versión de Matlab, la ubicación puede cambiar. Una manera de ubicarlos rápidamente es utilizar el buscador de la librería. Al finalizar el proceso de selección, nuestro modelo y sus componentes debería verse como sigue:

  1. Ahora, debemos conectar los componentes de acuerdo al siguiente esquema:

  1. Configuración
  1. Configurar el DC Voltage Source block parameters como sigue:
    • Constant voltage:  2.5 V
  2. Configurar el Controlled PWM Voltage block parameters como sigue:
    • PWM frequency: 4000 Hz
    • Simulation modeto Averaged

Este valor le dice al bloque que genere una señal de salida cuyo valor es el valor promedio de la señal PWM. La simulación del motor con una señal promediada calcula el comportamiento del motor en presencia de una señal PWM.

3, Configurar el H-Bridge block parameters como sigue:

  • Simulation modeto Averaged

Configurar el Motor block parameters como sigue, dejando las unidades por defecto:

  • Electrical Torque tab:
    • Model parameterizationto By rated power, rated speed & no-load speed
    • Armature inductance; 0.01
    • No-load speed: 4000
    • Rated speed (at rated load): 2500
    • Rated load (mechanical power): 10
    • Rated DC supply voltage: 12

Mechanical tab:

  • Rotor inertia: 2000
  • Rotor damping: 1e-06

Configure los parámetros de “Solver” para usar un “Solver” de tiempo continuo porque los modelos de Simscape Electrical solo se ejecutan con un “Solver” de tiempo continuo. Aumente el tamaño de paso máximo que el solucionador puede tomar para que la simulación se ejecute más rápido, como sigue:

  1. En el menú principal del modelo, seleccione SimulationModel Configuration Parameters para abrir Configuration Parameters dialog box.
  2. Selecciona 0de15s (Stiff/NDF) del submenú Solver
  3. Click OK.

7. Correr la simulación y observar los resultados

En el menú principal, seleccionar Simulation > Run.

Para ver la corriente y la velocidad hacer doble-click en el Scope windows para cada parámetro, los resultados esperados son los siguientes:

Fuente:

  1. DC Motor Model
  2. PWM-Controlled DC Motor

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Electrical Engineer, Power Electronics, Sin categoría

Definición de Electrónica de Potencia

“La electrónica de potencia implica el estudio de circuitos electrónicos destinados a controlar el flujo de energía eléctrica”. Estos circuitos manejan un flujo de energía a niveles mucho más altos que los niveles manejados por dispositivos de uso común.

Introducción

En términos generales, la tarea de la electrónica de potencia es procesar y controlar el flujo de energía eléctrica mediante el suministro de voltajes y corrientes en una forma que sea ideal para las cargas de los usuarios.

La figura 1-1 muestra un sistema electrónico de potencia en forma de diagrama de bloques. La entrada de energía a este procesador de energía generalmente es (pero no siempre) de la compañía eléctrica a una frecuencia de línea de 60 o 50 Hz, monofásica o trifásica. El ángulo de fase entre la tensión de entrada y la corriente depende de la topología y el control del procesador de potencia. La salida procesada (voltaje, corriente, frecuencia y número de fases) es la requerida por la carga.

Si la salida del procesador de energía puede considerarse como una fuente de voltaje, la corriente de salida y la relación de ángulo de fase entre el voltaje de salida y la corriente dependen de la característica de la carga. Normalmente, un controlador de realimentación compara la salida de la unidad del procesador de potencia con un valor deseado (o una referencia), y luego dicho controlador busca minimizar el error entre los dos valores.

El controlador en el diagrama de bloques de la Fig. 1-1 consiste en circuitos integrados lineales y / o procesadores de señales digitales. Los avances en la tecnología de fabricación de semiconductores han hecho posible mejorar significativamente las capacidades de manejo de voltaje y corriente y las velocidades de conmutación de los dispositivos semiconductores de potencia, que conforman la unidad del procesador de potencia de la figura 1-1.

Marco conceptual de la Electrónica de Potencia

Se ha dicho que las personas no usan electricidad, sino que usan la comunicación, la luz, el trabajo mecánico, el entretenimiento y todos los beneficios tangibles de la energía y la electrónica. En este sentido, la ingeniería eléctrica es una disciplina muy involucrada en la conversión de energía e información. En el mundo general de la ingeniería electrónica, el diseño y el uso de los ingenieros de circuitos están destinados a convertir información, y la energía es simplemente una consideración secundaria en la mayoría de los casos.

¿Qué pasa con la conversión y control de la energía eléctrica? Las fuentes de energía eléctrica son variadas y de muchos tipos. Es natural entonces considerar el cómo los circuitos y sistemas electrónicos pueden aplicarse a los desafíos de la conversión y gestión de la energía. Este es el marco de la electrónica de potencia, una disciplina que se define en términos de conversión de energía eléctrica, aplicaciones y dispositivos electrónicos.

Power Electronics Vs Linear Electronics

En cualquier proceso de conversión de energía, como el que se muestra en el diagrama de bloques de la Figura 1-1, una pequeña pérdida de energía y, por lo tanto, una alta eficiencia energética es importante por dos razones: el costo de la energía desperdiciada y la dificultad para eliminar el calor que se genera debido a la energía disipada.

Otras consideraciones importantes son la reducción de tamaño, peso y costo. Los objetivos anteriores en la mayoría de los sistemas no se pueden cumplir con la electrónica lineal en la que los dispositivos semiconductores funcionan en su región lineal (activa) y se utiliza un transformador de frecuencia de línea para el aislamiento eléctrico. Como ejemplo, considere la fuente de alimentación de corriente continua (dc) de la Figura 1-2a para proporcionar una tensión de salida regulada V, a una carga.

La entrada al sistema o red de suministro (Utility Supply) puede ser típicamente de 120 o 240 V y la tensión de salida puede ser, por ejemplo, de 5 V. La salida debe estar aislada eléctricamente de la entrada de la utilidad. En la fuente de alimentación lineal, se utiliza un transformador de frecuencia de línea para proporcionar aislamiento eléctrico y reducir el voltaje de la línea. El rectificador convierte la salida de corriente alterna (CA) del devanado de baja tensión del transformador en CC. El condensador del filtro reduce la ondulación en la tensión de corriente continua vd. La Figura 1-2b muestra la forma de onda vd, que depende de la magnitud del voltaje de la red de suministro (normalmente en un rango del 10% alrededor de su valor nominal).

La relación de los giros del transformador debe elegirse de modo que el mínimo del voltaje de entrada v sea mayor que el deseado V. Para el rango de las formas de onda del voltaje de entrada que se muestra en la Fig. 1-2b, el transistor se controla para absorber la diferencia de voltaje entre v y V, proporcionando así una salida regulada. El transistor opera en su región activa como una resistencia ajustable, lo que resulta en una baja eficiencia energética. El transformador de frecuencia de línea es relativamente grande y pesado.

En la electrónica de potencia, la regulación de voltaje anterior y el aislamiento eléctrico se logran, por ejemplo, por medio de un circuito que se muestra en la Fig. 1-3a.

En este sistema, la entrada proveniente de la red de suministro se rectifica en un voltaje de corriente continua, sin un transformador de frecuencia de línea. Al operar el transistor como un interruptor (en un modo de conmutación, totalmente activado o totalmente desactivado  – 0n/Off) a alguna frecuencia de conmutación alta f, por ejemplo a 300 kHz, la tensión de corriente continua vd se convierte en una tensión alterna a la frecuencia de conmutación. Esto permite utilizar un transformador de alta frecuencia para reducir el voltaje y proporcionar el aislamiento eléctrico.

Para simplificar este circuito para el análisis, omitiremos el transformador y supondremos como entrada una fuente de voltaje DC de valor vd, lo que dará como resultado un circuito equivalente que se muestra en la Fig. 1-3b.

La combinación de diodo de transistor se puede representar mediante un hipotético interruptor de dos posiciones que se muestra en la Fig. 1-4a.. (provided iL(t) > 0).

El interruptor está en la posición a durante el intervalo t-on cuando el transistor está encendido, y en la posición b cuando el transistor está apagado durante la t-off. Como consecuencia, Voi es igual a Vd y durante t-on y t-off, respectivamente, como se muestra en la Fig. 1-4b.

Definamos:

where Voi is the average (dc) value of Voi-t, and the instantaneous ripple voltage V-ripple, which has a zero average value, is shown in Fig. 1-4c.

donde Voi es el valor promedio (dc) de Voi-t, y el rizado V de voltaje de rizado instantáneo, que tiene un valor promedio de cero, se muestra en la Fig. 1-4c

Los elementos L-C forman un filtro de pasabajo que reduce la ondulación en el voltaje de salida y pasa el promedio del voltaje de entrada, de modo que:

donde Vo, es el voltaje de salida promedio. A partir de las formas de onda repetitivas en la figura 1-4b, es fácil ver que:

A medida que la tensión de entrada Vd cambia con el tiempo, la ec. 1-3 muestra que es posible regular Vo, en su valor deseado mediante el control de la relación t-on / Ts que se denomina la relación de trabajo D (Duty Ratio) del interruptor de transistor. Por lo general, Ts (= l / fs) se mantiene constante y se ajusta t-on.

Hay varias características que vale la pena destacar. Dado que el transistor funciona como un interruptor, completamente encendido o apagado, la pérdida de energía se minimiza. Por supuesto, hay una pérdida de energía cada vez que el transistor cambia de un estado a otro a través de su región activa. Por lo tanto, la pérdida de potencia debida a las conmutaciones es linealmente proporcional a la frecuencia de conmutación. Esta pérdida de potencia de conmutación suele ser mucho menor que la pérdida de potencia en las fuentes de alimentación reguladas lineales.

En altas frecuencias de conmutación, el transformador y los componentes del filtro son muy pequeños en peso y tamaño en comparación con los componentes de frecuencia de línea.

Aplicaciones de la Electrónica de Potencia 

La mayor demanda en el mercado de electrónica de potencia se debe a varios factores que se explican a continuación:

  • Fuentes de alimentación de modo conmutado (dc) y fuentes de alimentación ininterrumpibles. Los avances en la tecnología de fabricación de microelectrónica han llevado al desarrollo de computadoras, equipos de comunicación y productos electrónicos de consumo, todos los cuales requieren fuentes de alimentación de CC reguladas y, a menudo, fuentes de alimentación ininterrumpidas.
  • Conservación de energía. El aumento de los costos de energía y la preocupación por el medio ambiente se han combinado para hacer de la conservación de la energía una prioridad. Una de estas aplicaciones de la electrónica de potencia es el funcionamiento de lámparas fluorescentes a altas frecuencias (por ejemplo, por encima de 20 kHz) para una mayor eficiencia. Otra oportunidad para la gran conservación de energía es en los sistemas de bomba y compresor impulsados ​​por motor. En un sistema de bomba convencional que se muestra en la Fig. 1-5a, la bomba funciona esencialmente a una velocidad constante, y el caudal de la bomba se controla ajustando la posición de la válvula de estrangulamiento. Este procedimiento da como resultado una pérdida de potencia significativa a través de la válvula a velocidades de flujo reducidas, donde la energía extraída de la empresa de servicios públicos permanece esencialmente igual a la tasa de flujo total. Esta pérdida de potencia se elimina en el sistema de la figura 1-56, donde un motor de velocidad ajustable ajusta la velocidad de la bomba a un nivel apropiado para entregar el caudal deseado.

  • Process control and factory automation. Existe una creciente demanda por el rendimiento mejorado que ofrecen las bombas y compresores de velocidad ajustable en el control de procesos. Los robots en fábricas automatizadas son alimentados por servomotores eléctricos (velocidad y posición ajustables). Cabe señalar que la disponibilidad de computadoras de proceso es un factor importante para hacer que el control de procesos y la automatización de fábricas sean factibles.
  • Transporte. En muchos países, los trenes eléctricos han estado en uso generalizado durante mucho tiempo. Ahora, también existe la posibilidad de usar vehículos eléctricos en grandes áreas metropolitanas para reducir el smog y la contaminación. Los vehículos eléctricos también requerirían cargadores de baterías que utilizan electrónica de potencia.
  • Electro-technical applications. Estos incluyen equipos para soldadura, galvanoplastia y calentamiento por inducción.
  • Utility-related applications. Una de estas aplicaciones es la transmisión de energía a través de líneas de CC de alto voltaje (HVDC). En el extremo de envío de la línea de transmisión, los voltajes y corrientes de frecuencia de línea se convierten a dc. Este dc se convierte de nuevo en la CA de frecuencia de línea en el extremo receptor de la línea. La electrónica de potencia también está comenzando a desempeñar un papel importante a medida que las empresas eléctricas intentan utilizar la red de transmisión existente a una capacidad mayor. Potencialmente, una gran aplicación se encuentra en la interconexión de sistemas fotovoltaicos y eólicos a la red eléctrica.
Clasificación de Procesadores de potencia y Convertidores

Para un estudio sistemático de la electrónica de potencia, es útil categorizar los procesadores de potencia, que se muestran en el diagrama de bloques de la Fig. 1-1, en términos de su forma o frecuencia de entrada y salida.

En la mayoría de los sistemas electrónicos de potencia, la entrada proviene de la red eléctrica. Dependiendo de la aplicación, la salida a la carga puede tener cualquiera de los siguientes formularios:

  1. DC
    1. magnitud regulada (constante)
    2. magnitud ajustable
  2. AC
    1. frecuencia constante, magnitud ajustable
    2. frecuencia constante y magnitud ajustable

La red eléctrica y la carga de CA, independientes entre sí, pueden ser monofásicas o trifásicas. El flujo de potencia es generalmente desde la entrada de la red a la carga de salida.

Los procesadores de potencia de la Fig. 1-1 generalmente consisten en más de una etapa de conversión de potencia (como se muestra en la Fig. 1-6), donde el funcionamiento de estas etapas se desacopla de forma instantánea por medio de elementos de almacenamiento de energía tales como condensadores y inductores.

Por lo tanto, la entrada de potencia instantánea no tiene que ser igual a la salida de potencia instantánea. Nos referiremos a cada etapa de conversión de potencia como un convertidor. Por lo tanto, un convertidor es un módulo básico (bloque de construcción) de sistemas electrónicos de potencia. Utiliza dispositivos semiconductores de potencia controlados por electrónica de señal (circuitos integrados) y, posiblemente, elementos de almacenamiento de energía, como inductores y condensadores. Según el formulario (frecuencia) en los dos lados, los convertidores se pueden dividir en la siguiente categoría amplia:

  1. ac to dc
  2. dc to ac
  3. dc to dc
  4. ac to ac

We will use converter as a generic term to refer to a single power conversion stage that may perform any of the functions listed above. To be more specific, in ac-to-dc and dc-to-ac conversion, rectifier refers to a converter when the average power flow is from the ac to the dc side. Inverter refers to the converter when the average power flow is from the dc to the ac side.

Further insight can be gained by classifying converters according to how the devices within the converter are switched. There are three possibilities:

  1. Line frequency (naturally cornmutated) converters, where the utility line voltages present at one side of the converter facilitate the turn-off of the power semiconductor devices. Similarly, the devices are turned on, phase locked to the line voltage waveform. Therefore, the devices switch on and off at the line frequency of 50 or 60 Hz.
  2. Switching (forced-commutated) converters, where the controllable switches in the converter are turned on and off at frequencies that are high compared to the line frequency.
  3. Resonant and quasi-resonant converters, where the controllable switches turn on and/or turn off at zero voltage and/or zero current.

 

Control de Motor DC

Brevemente, un sistema para accionar un motor (drive) tiene un diagrama de bloques semejante al mostrado en la Figura 27.1. Las cargas pueden ser un transportador, un sistema de tracción, los cilindros de una unidad de molino, el compresor de un aire acondicionado, el sistema de propulsión de un barco, la válvula de control de una caldera, un brazo robótico, y así sucesivamente.

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El bloque descrito como “Power Electronic Converter” en el diagrama de la Figura 27.1, en el caso de un control PWM, puede usar diodos,  MOSFETs, GTOs or IGBTs. Los sistemas de servoaccionamiento (Servo drives)  normalmente utilizan el convertidor de cuatro cuadrantes de la Figura 27.7, que permite accionamientos (drives) bidireccionales y capacidades de frenado regenerativo.

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PWM es una técnica para el control efectivo del voltaje de armadura en un motor DC, utilizando solamente un switch ON-OFF. La Figura 2.3.3 ilustra la señal de salida de un equipo PWM:

null

El PWM varía la relación entre la duración del estado ON con respecto a la duración del estado OFF. Un solo ciclo de estados ON y OFF representa el periodo del PWM, mientras que el porcentaje del estado ON con respecto al periodo del PWM es denominado “Duty Rate” (ritmo de trabajo). La primera señal PWM mostrada en la Figura 2.3.3, está a 60% de trabajo, mientras la segunda lo está a 25%. Si la fuente de voltaje que alimenta el sistema es V=10 volts, el voltaje promedio realmente transmitido al motor DC es de 6 volts en el primer caso y de 2.5 volts en el segundo. El periodo del PWM es establecido de tal manera que sea mucho más corto que la constante de tiempo asociada al movimiento mecánico.  La frecuencia del PWM está usualmente entre los 2 y los 20 KHz, mientras que un ancho de banda típico del sistema de control del motor es de 100 Hz. Por lo tanto, la conmutación discreta no influye sustancialmente al movimiento mecánico en la mayoría de los casos.

Si la constante de tiempo Te es mucho mayor que el período de PWM, la corriente real que fluye hacia la armadura del motor es una curva suave, como se ilustra en la Figura 2.3.4:

Fuentes:

  1. Power Electronic – Mohan
  2. Libro Rashid – Power Electronic Handbook

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Lunes 15 de noviembre, 11:08 am – Caracas, Quito, Guayaquil.

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Ingeniería Eléctrica, Teoría Electromagnética

Definición de diferencia de potencial y potencial eléctrico.

Se define la Diferencia de Potencial V como “El trabajo que se realiza (un agente externo) al mover una unidad de carga positiva de un punto a otro en un campo eléctrico

Anteriormente definimos la Intensidad del Campo Eléctrico como “La fuerza por unidad de carga que se ejerce sobre una pequeña carga de prueba unitaria colocada en el punto en donde se desea medir el valor de este campo eléctrico vectorial”. Si intentamos desplazar esta carga de prueba en contra de la dirección del campo eléctrico, se tiene que ejercer una fuerza igual y opuesta  a dicho campo, lo cual implica un gasto de energía debido al trabajo que es preciso realizar. Supongamos que queremos desplazar la carga Q en una distancia dL en un campo eléctrico E. La fuerza FE que ejerce el campo eléctrico sobre la carga Q es:

Es decir, la componente de ala fuerza en la dirección dL  que se debe vencer es:

En donde aL  es un vector unitario en la dirección dL.

Para desplazar la carga Q una distancia dL, se debe aplicar entonces la fuerza siguiente:

En este proceso hay un gasto de energía, que es igual al producto de la fuerza y la distancia desplazada. El trabajo diferencial dW que realiza el agente externo al desplazar Q sobre dL  es:

Dónde dL= aLdL. Es interesante resaltar que, según la ecuación anterior, dW es cero si E y dL  son perpendiculares.

Para determinar el trabajo W necesario para mover la carga Q una distancia infinita es necesario integrar, por lo que obtenemos:

Cómo se definió al principio, la diferencia de potencial V es el trabajo por unidad de carga positiva:

En consecuencia, de la ecuación (2) obtenemos la ecuación (1). La diferencia de potencial se mide entonces en joules por coulomb, de lo cual se define el voltio (V). La diferencia de potencial entre los puntos A y B está dada por:

Dónde VAB es positivo si se realiza trabajo cuando la carga se mueve de B a A.

Extraído de: Teoría Electromagnetica – Hayt 7ed

ANTERIOR: Ley de Gauss y el concepto de Densidad de Flujo Eléctrico

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Edificio Inteligente, Sin categoría

¿Que es un sistema de automatización de edificios (BAS)?

Un sistema de automatización de edificios es la herramienta o plataforma de alta tecnología que expande y mejora las capacidades de los responsables de las operaciones de un edificio.

El sistema de automatización de edificios (Building Intelligent System – BAS) es un término general (que también se conoce como sistema de gestión de edificios, BMS) que se utiliza para referirse a una amplia gama de sistemas computarizados de control de edificios, desde controladores especiales y estaciones remotas independientes, a sistemas más grandes como la computadora central.
Un BAS comprende varios subsistemas que están conectados en varias formas hasta formar un sistema completo. El sistema tiene que ser diseñado y fabricado alrededor del propio edificio para servir a los sistemas de servicios para los cuales está destinado. En consecuencia, aunque los componentes utilizados pueden ser idénticos, no hay dos sistemas iguales aunque se apliquen a edificios idénticos, con servicios idénticos y usos idénticos.

Los servicios que ofrece un BAS incluyen sistemas HVAC, sistemas eléctricos, sistemas de iluminación, sistemas contra incendios, sistemas de seguridad y sistemas de ascensores. En naves industriales, también pueden incluir los sistemas de aire comprimido, vapor y agua caliente utilizados para el proceso de fabricación.

Un BAS puede ser usado para monitorear, controlar y administrar todos o solo algunos de estos servicios, dependiendo del uso del edificio y la forma en que el edificio es gestionado, el costo de operación del edificio o el nivel de sofisticación de los servicios.

Para comprender mejor los posibles impactos y beneficios de un BAS, puede ser útil analizar las necesidades de la operación y la administración del edificio que aborda un BAS. Las funciones típicas proporcionadas por los sistemas de automatización de edificios incluyen:

• instalación, gestión y funciones de control;
• funciones de gestión de la energía (control de supervisión);
• funciones de gestión de riesgos;
• funciones de procesamiento de información;
• funciones de gestión de instalaciones;
• Monitoreo y diagnóstico de desempeño;
• manejo de mantenimiento.

Típica Network Architecture de un BAS

Fuente: Intelligent Buildings and Building Automation, 2010 Edition

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Prof. Larry Francis Obando – Technical Specialist – Educational Content Writer

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Intelligent Building, Sin categoría

Definition of BAS (Building Automation System)

A building automation system is the high- technology tool or platform that
expands and enhances the capabilities of those responsible for operations
of a building.

Building automation system (BAS) is an umbrella term (and is also known
as building management system, BMS). It is used to refer to a wide range
of computerized building control systems, from special- purpose controllers,
to standalone remote stations, to larger systems including central computer
stations and printers. As discussed earlier, BAS is one of the major intelligent
building systems.
A BAS comprises several subsystems which are connected in various
ways to form a complete system. The system has to be designed and engineered
around the building itself to serve the services systems for which it is
intended. Consequently, although the component parts used may be identical,
no two systems are the same, unless they are applied to identical buildings
with identical services and identical uses.
Building services include HVAC systems, electrical systems, lighting systems,
fire systems and security systems and lift systems. In industrial buildings
they may also include the compressed air, steam and hot water systems used
for the manufacturing process. A BAS may be used to monitor, control and
manage all or just some of these services. There are good reasons and ultimate
objectives in investing considerable sums of money in this way. These
will vary, depending on the use of the building and the way the building is
managed as well as the relationship between the value of the end product
and the cost of operating the building. It may also depend on the level of
sophistication of the building services and their capital cost.

To better understand the potential impacts of a BAS, it may be helpful to look at the needs of the building operation and management which a BAS addresses. Typical functions provided by building automation systems include:
• installation- management and control functions;
• energy- management functions (supervisory control);
• risk- management functions;
• information- processing functions;
• facility- management functions;
• performance monitoring and diagnosis;
• maintenance management.

A Typical Network Architecture of a BAS

Source: Intelligent Buildings and Building Automation, 2010 Edition

Literature review by:

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Definición de edificio inteligente desde 3 enfoques.

Los enfoques para definir un Edificio Inteligente (IB – Intelligent Building) se pueden agrupar en tres categorías como se detalla a continuación:

  1. Performance- based definitions;
  2. Services- based definitions;
  3. System- based definitions.
Definición basada en el rendimiento - Performance-based definition

Las definiciones de IB basadas en el rendimiento enfatizan el rendimiento del edificio y las demandas de los usuarios en lugar de las tecnologías o sistemas proporcionados. De acuerdo con esta categoría de definición, los propietarios y desarrolladores de edificios deben entender correctamente qué tipo de edificios quieren y también cómo satisfacer continuamente las crecientes demandas de los usuarios. El rendimiento energético y medioambiental de los edificios es sin duda uno de los temas importantes de un IB. Un edificio inteligente también debe adaptarse rápidamente a las condiciones internas y externas, y para satisfacer las demandas cambiantes de los usuarios.

Una definición típica de IB basada en el rendimiento puede ser la del European Intelligent Building Group (EIBG) ubicado en el Reino Unido. Define un IB como:

“un edificio creado para dar a sus usuarios el entorno más eficiente; al mismo tiempo, el edificio utiliza y administra los recursos de manera eficiente y minimiza los costos de vida del hardware y las instalaciones”;

Otro ejemplo de una definición basada en el rendimiento es la brindada por el Intelligent Building Institute (IBI) en los Estados Unidos, que establece que:

“un IB proporciona un entorno altamente eficiente, cómodo y conveniente al satisfacer cuatro demandas fundamentales: estructura, sistema, servicio y administración, y optimizando su interrelación”.

Definición basada en el servicio – Service-based definition

Las definiciones basadas en servicios describen los IB desde el punto de vista de los servicios y / o la calidad de los servicios proporcionados por los edificios. El Instituto de Construcción Inteligente de Japón (JIBI) proporciona un ejemplo de una definición basada en servicios:

“Un IB es un edificio con las funciones de servicio de comunicación, automatización de oficinas y automatización de edificios, y es conveniente para actividades inteligentes.”.

Los temas clave de los IB en Japón se centran en los siguientes cuatro aspectos de servicios:

  1. Funcionando como un lugar para recibir y transmitir información y apoyar una gestión eficiente;
  2. Asegurar la satisfacción y conveniencia de las personas que trabajan en el interior;
  3. Racionalización de la gestión de edificios para proporcionar servicios administrativos más atractivos a un menor costo;
  4. Respuestas rápidas, flexibles y económicas al cambiante entorno sociológico, las demandas de trabajo diversas y complejas y las estrategias empresariales activas.
Definición basada en los sistemas - System-based definition

Las definiciones de IB basadas en sistemas describen los IB al abordar directamente las tecnologías y los sistemas tecnológicos que los IB deberían incluir. Una definición típica de IB basada en un sistema es la sugerida en el Chinese IB Design Standard (GB/T50314–2000), el cual declara que:

“Los IB proporcionan automatización de edificios, automatización de oficinas y sistemas de redes de comunicación, y una composición óptima integra la estructura, el sistema, el servicio y la administración, proporcionando al edificio una alta eficiencia, comodidad, conveniencia y seguridad para los usuarios”.

Algunos profesionales y desarrolladores en la práctica han utilizado una definición IB más sencilla basada en el sistema. Etiquetan a los IB como “3A”, que representa automatización de edificios (BA), automatización de comunicaciones (CA) y automatización de oficinas (OA).

Fuente: Intelligent Buildings and Building Automation, 2010 Edition

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Three approaches to define Intelligent Building (IB)

The approaches to defining an IB can be grouped into three categories as listed below:

  1. Performance- based definitions;
  2. Services- based definitions;
  3. System- based definitions.
Performance-based definition

Performance- based IB definitions emphasize building performance and the demands of users rather than the technologies or systems provided. According to this category of definition, owners and developers of buildings need to understand correctly what kind of buildings they want and also how to satisfy continuously the increasing demands of users. Energy and environmental performances of buildings are certainly among the important issues of an IB. An intelligent building should also adapt itself quickly in response to internal and external conditions, and to meet the changing demands of users.

A typical performance- based IB definition may be that of the European Intelligent Building Group (EIBG) located in the United Kingdom. It defines an IB as:

“a building created to give its users the most efficient environment; at the same time, the building utilizes and manages resources efficiently and minimizes the life costs of hardware and facilities”;

Another example of a performance- based definition is that given by the Intelligent Building Institute (IBI) in the United States, which states that:

“an IB provides a highly efficient, comfortable and convenient environment by satisfying four fundamental demands: structure, system, service and management, and optimizing their interrelationship”.

Service-based definition

Services- based definitions describe IBs from the viewpoint of services and/or quality of services provided by buildings. The Japanese Intelligent Building Institute (JIBI) provides an example of a services- based definition:

“an IB is a building with the service functions of communication, office automation and building automation, and is convenient for intelligent activities”.

The key issues of IBs in Japan focus on the following four services aspects:

  1. Serving as a locus for receiving and transmitting information and supporting efficient management;
  2. Ensuring satisfaction and convenience of persons working inside;
  3. Rationalization of building management to provide more attractive administrative services at lower cost;
  4. Fast, flexible and economical responses to the changing sociological environment, diverse and complex working demands and active business strategies.
System-based definition

System- based IB definitions describe IBs by directly addressing the technologies and technology systems that IBs should include. A typical system- based IB definition is the one suggested in the Chinese IB Design Standard (GB/T50314–2000), which states that:

“IBs provide building automation, office automation and communication network systems, and an optimal composition integrates the structure, system, service and management, providing the building with high efficiency, comfort, convenience and safety to users”.

A more straightforward system- based IB definition has been used by some professionals and developers in practice. It labels the IBs as ‘3A’, which represents building automation (BA), communication automation (CA) and office automation (OA).

Source: Intelligent Buildings and Building Automation, 2010 Edition

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