SISTEMA ELÉCTRICO DE POTENCIA.

PARTES DE UN SISTEMA ELÉCTRICO DE POTENCIA.

Un sistema eléctrico de potencia en términos sencillos es todo el recorrido que realiza la energía eléctrica para que podamos utilizarla diariamente, este comienza desde la generación hasta la utilización pasando por diferentes etapas, estas etapas son: Generación de energía eléctrica, transmisión, distribución y utilización de la energía eléctrica.

Fig. 1  Sistema eléctrico de potencia

Generación: La fase de generación de energía eléctrica consiste en la transformación de energía ya sea mecánica, solar, cinética, en energía eléctrica. Esta energía se puede obtener de diferentes fuentes como agua, vapor, energía cinética de las olas, energía solar, viento entre otros. En el caso de México la mayoría de la generación eléctrica en el país es por medio de Termoeléctricas (Ciclo combinado, termoeléctrica convencional, turbo gas, combustión interna , carboeléctrica) la cual representa un 64.22% y las energías limpias solo ocupan  el 35.76 % que son ; Hidroeléctrica, geotermoelétrica, Eolo eléctrica, fotovoltaica, bioenergía)las cuales son la suma limpia renovable, y la suma limpia no renovable son; Nucleoeléctrica, cogeneración eficiente.

Fig.2 Capacidad Instalada de la CFE y el resto de los permisionarios MW

Fig.3 Capacidad Instalada de la CFE y el resto de los permisionarios MW

Los niveles de tensión de generación regularmente dependen del tipo de tecnológica que se ocupa para general o de la maquina eléctrica que se ocupa dependiendo la zona y dependiendo el lugar.

Transmisión Eléctrica: Una vez que se ha generado la electricidad, está llega a subestaciones elevadoras, a estas subestaciones se les llama subestaciones de potencia , debido a la gran capacidad (MW)  que tienen para suministrar energía al sistema, en México todas las subestaciones elevadores que se encargan de suministrar energía al interconectado nacional, este mismo se compone de diferentes redes de transmisión que permiten proporcionar energía eléctrica al sistema. Actualmente en México la red de transmisión esta a cargo de CFE Al 31 de diciembre de 2021, conforme a datos de CFE Transmisión, en la RNT se tienen 110,549 km de líneas de transmisión, 0.048% más que en 2020; el mayor crecimiento se dio en 115 kV con la adición de 39.8 km[1]

Distribución:Las Redes  Distribución es la infraestructura del Sistema Eléctrico de Potencia  mediante la cual se transporta la energía eléctrica al público en general y se integran por las redes en media tensión, las que operan con niveles mayores a 1 kV y menores e iguales a 35 kV y por las redes de utilización de la energía eléctrica baja tensión que operan a niveles de tensión iguales o menores a 1 kV.

               Fig.3  Lineas de Transmisión que existen en México según CENACE

 Fig.4  Capacidad de Transformación del  CENACE

 Bibliográfica

[1] Programa de desarrollo del sistema eléctrico nacional 2022-2036,Secretaria de Energía, Cap. 5 Pag. 49, Disponible en: https://www.gob.mx/sener/articulos/programa-para-el-desarrollo-del-sistema-electrico-nacional-304042.

1.1Principios Fundamentales del Funcionamiento de las Maquinas de Inducción

 

1.1Principios Fundamentales del Funcionamiento de las Maquinas de Inducción

 

La Ley de Inducción de Faraday

 

En el año 1831 Michael Faraday descubrió que cuando un conductor que forma un circuito cerrado se mueve por algún medio mecánico, en un campo magnético, un voltaje se produce de alguna manera y este produce una circulación de corriente asociado al descubrimiento de Faraday se supo también el echo de que el magnetismo se puede generar por una corriente eléctrica que pasa a través de una bobina y que los polos iguales de un imán se repelen, en tanto los contrarios se atraen, estos fenómenos, asociados a ciertas reglas y leyes eléctricas, constituyen la base para el estudio de los generadores y motores eléctricos.

 

Esta ley se puede enuncias como:

“ El voltaje inducido en una espira o bobina de un conductor, es proporcional al índice de cambio de las líneas de fuerza que pasan a través de la bobina ².

Las Relaciones de Fleming

En electricidad hay algunas reglas de la mano derecha y otras de la mano izquierda, porque hay algunas formas convenientes de recordar, las interrelaciones entre polaridad y direcciones y entre voltaje, campo magnético y movimiento, una de estas reglas fue establecida por Fleming y relaciona la ley de Faraday como:

Si el campo magnético se considera en un espacio estacionario, el conductor se considera moviéndose en forma ortogonal a través del mismo.

 

La mano derecha se extiende con el dedo pulgar y el dedo índice formando un ángulo recto con los otros dos, de manera que se forma un arreglo ortogonal.

Con este arreglo, el campo magnético esta representado por el dedo índice, con el dedo pulgar se indica el movimiento y el dedo medio indica el sentido convencional de la corriente.

La Ley de Lenz

Basándose en el trabajo de Faraday, Heinrich Lenz, estableció en el año 1833 solo dos años después del descubrimiento de Faraday, una relación que resulta básica en la transformación de la energía electromecánica.

“ En todos los casos de inducción electromagnética, un voltaje inducido puede causar que circule una corriente en un circuito cerrado, de manera tal que la dirección del campo magnético producido por la corriente, se opondrá al cambio producido por la corriente ².

La ley de Biot Savart

El campo magnético creado en un punto próximo (p) a un conductor por el que circula una corriente I, es proporcional a la intensidad de la misma, a la permeabilidad (µ) del medio e inversamente proporcional a la distancia al cuadrado a dicho conductor.

La permeabilidad (µ) es equivalente a la permitividad (є) del campo eléctrico pero; se encuentra en el numerador, es decir, a mayor µ mayor campo. Esta variable está tabulada, según el material (medio), y me dirá cuanto aumenta el campo B según donde está el conductor con corriente (la bobina).

 

Realizando algunos cambios de variables se determina que en un punto próximo de un conductor muy largo (o punto cercano al mismo respecto al largo) el campo B es:

 

B= µ0 I / 2π a

 

siendo a la distancia perpendicular del conductor al punto considerado.

µ0 es la permeabilidad del vacío, muy próxima a la del aire 4π 10-7 Tesla metro /Ampere.

 

Recordando que la Tesla es N/A m queda también µ0= 4π 10-7 N /A2.

(Recordar que el campo E producido por una carga q es E= q / 4πє0 r2 donde r es la distancia a la carga q).

Las líneas de campo B son concéntricas con el conductor y su sentido surge de la regla del tirabuzón o:

 

En el centro de una espira de corriente el campo B será:

 

B = µ0 I / 2 r siendo r el radio de la espira.

 

 

La Regla de la Mano Izquierda o de la Acción del Motor

 

La regla de la mano derecha de Fleming, relaciona la dirección del flujo magnético, la dirección del movimiento y la dirección del voltaje inducido resultante. Existe también una relación similar mutuamente ortogonal ( perpendicular entre si ) entre la dirección del campo magnético o flujo, la dirección de voltaje aplicado y la corriente, así como la dirección de la fuerza magnética resultante o acción del motor.

 

La mano izquierda establece esta relación, si se coloca el dedo índice en la dirección del flujo de norte a sur V se fija la posición del dedo medio en la dirección del voltaje aplicado y de la corriente resultante. En estas condiciones el dedo pulgar apunta en la dirección de la fuerza que esta desarrollada por la ley de Biot Savarat.

 

 

MOTOR DE INDUCCION

 

1.2. Construcción del motor trifásico de inducción.

 

 El motor de inducción trifásico, la potencia se transfiere desde el estator al devanado del rotor a través de la inducción. El motor de inducción también se denomina motor síncrono, ya que funciona a una velocidad distinta de la velocidad síncrona.

Como cualquier otro motor eléctrico, el motor de inducción también tiene dos partes principales, el rotor y el estator.

1.     Estator: El estator es una parte estacionaria del motor de inducción. Se coloca un devanado de estator en el estator del motor de inducción y se le entrega el suministro trifásico.

2.     Rotor: El rotor es una parte giratoria del motor de inducción. El rotor está conectado a la carga mecánica a través del eje.

El rotor del motor de inducción trifásico se clasifica además como

1.     Rotor de jaula de ardilla.

2.     Rotor de anillo de deslizamiento o rotor bobinado o rotor bobinado en fase.

Dependiendo del tipo de construcción del rotor utilizado el motor trifásico de inducción se clasifican en:

1.     Motor de inducción jaula de ardilla.

2.     Motor de inducción de anillo colector o motor de inducción de la herida o motor de inducción de la herida de fase.

La construcción del estator para ambos tipos de motores de inducción trifásicos sigue siendo la misma, como se muestra a continuación.

Para completar el motor de inducción se necesitan las siguientes partes:

1.     Eje para transmitir el par a la carga. Este eje está hecho de acero.

2.     Rodamientos para soportar el eje giratorio.

3.     Uno de los problemas con el motor eléctrico es la producción de calor durante su rotación. Para superar este problema, necesitamos un ventilador para enfriar.

4.     Para recibir conexión eléctrica externa se necesita caja de bornes.

5.     Hay una pequeña distancia entre el rotor y el estator que generalmente varía de 0,4 mm a 4 mm. Tal distancia se llama espacio de aire.

 

Estator del Motor de Inducción Trifásico

El estator del motor de inducción trifásico consta de tres partes principales:

1.     Marco del estator.

2.     Núcleo del estator.

3.     Bobinado de estator o bobinado de campo.

4.     Rotor.

Marco del estator

Es la parte exterior del motor trifásico de inducción. Su función principal es soportar el núcleo del estator y el devanado de campo. Actúa como una cubierta, y proporciona protección y resistencia mecánica a todas las partes internas del motor de inducción. El marco está hecho de acero fundido a presión o fabricado. El bastidor del motor de inducción trifásico debe ser fuerte y rígido, ya que la longitud del espacio de aire del motor de inducción trifásico es muy pequeño. De lo contrario, el rotor no permanecerá concéntrico con el estator, lo que dará lugar a un tirón magnético desequilibrado.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Núcleo del estator

 

La función principal del núcleo del estator es llevar el flujo alterno. Para reducir la pérdida de la corriente de Foucault, el núcleo del estator está laminado. Estos tipos de estructura laminada se componen de un estampado que tiene un espesor de aproximadamente 0,4 a 0,5 mm. Todas las estampaciones se estampan juntas para formar el núcleo del estator, que luego se aloja en el marco del estator. La estampación está hecha de acero al silicio, lo que ayuda a reducir la pérdida de histéresis que se produce en el motor.

 

Devanado de estator o devanado de campo

 

Las ranuras en la periferia del núcleo del estator del motor de inducción trifásico lleva bobinados trifásicos. Aplicamos el suministro de CA trifásica a este devanado trifásico. Las tres fases del devanado están conectadas en estrella o en triángulo dependiendo del tipo de método de inicio que usamos. Arrancamos el motor de la jaula de ardilla principalmente con el estado estrella-delta y, por lo tanto, el estator del motor de la jaula de ardilla está conectado al delta. Arrancamos el motor de inducción trifásico del anillo deslizante insertando resistencias, por lo que el devanado del estator del motor de inducción del anillo deslizante se puede conectar en estrella o en triángulo. El devanado enrollado en el estator del motor de inducción trifásico también se denomina devanado de campo, y cuando este devanado es excitado por un suministro de corriente alterna trifásica, produce un campo magnético giratorio.

 

                                                                                                                  

 

Rotor

 

Está formado por conductores magnéticos y eléctricos para generar campos magnéticos de forma que interactúen con los campos generados por el estator, es conocido como el rotor. Lógicamente cuantas más espiras y más imanes tenga nuestro motor, mayor será su fuerza, ya que se sumarían todas las fuerzas de todas las espiras e imanes.

 

Su colocamos las espiras sobre (enganchadas) a un eje, las espiras al girar harán que gire el eje. Esta parte móvil, el eje con las espiras, es lo que se llama el Rotor del motor.

Estas espiras se llaman bobinado del motor, tiene un principio, en la primera espira, y un final en la última espira. En definitiva es un solo cable que lo enrollamos en muchas espiras.

Por el principio de este bobinado será por donde entre (metamos) la corriente eléctrica y saldrá por el final.