Programación de Ingeniería Mecánica UPB:Grupo 1320 10

Integrantes

Juan Jose Gomez Navarro, Estudiante de Ingeniería Mecánica

Daniel Cardona Mercado, Estudiante de Ingeniería Mecánica

Sebastian Paz, Estudiante de Ingeniería Mecánica

Resumen

En este trabajo se proporcionara una herramienta para la corrección de un factor de potencia de un sistema eléctrico de corriente alterna, ya sea en un circuito en paralelo o un circuito en serie donde el usuario de los parámetros básicos como resistencia, impedancia y capacitancia. Los factores de potencia son una forma de aprovechamiento de energía eléctrica muy eficaz en la actualidad. Todo esto se especificara mas a fondo en la introducción.

Introducción

Las empresas proveedoras de servicio de electricidad suelen centrar su atención en el factor de potencia demandado por sus clientes, pues esta es una de las razones por las que en ocasiones es necesario sobredimensionar la capacidad en potencia eléctrica de transformadores de distribución, esto ocasiona un mayor esfuerzo y costo para el transporte de la electricidad, así mismo el incremento de tarifas para el usuario.

En una instalación eléctrica, los elementos que la componen pueden actuar como consumidores, que utilizan la potencia activa de la red como fuente de energía de alimentación (ordenadores, impresoras,etc.), o como conversor en otra forma de energía (lámparas o estufas eléctricas). Para que esto ocurra, generalmente es necesario que el elemento de la instalación intercambie con la red energía reactiva principalmente de tipo inductivo. Esta energía, incluso si no se convierte inmediatamente en otras formas, contribuye a incrementar la potencia total que transita la red eléctrica, desde los generadores, a lo largo de todas las líneas eléctricas, hasta los elementos que la utilizan. Para disminuir este efecto negativo es necesaria la corrección del factor de potencia en las instalaciones eléctricas.

La corrección de factores de potencia en la industria es un elemento fundamental en el funcionamiento de todos los elementos que generen un consumo de energía sea iluminación motores, maquinaria etc. Cuando se desea realizar un análisis de los sistemas eléctricos se deben tener en cuenta las tensiones de alimentación o voltajes de alimentación o distribución, los elementos inductivos y resistivos presentes. Con esta información se plantea un análisis de circuitos equivalentes donde se puede encontrar las condiciones bajo las cuales operan los equipos y con esta información se pueden realizar correcciones.

Marco teórico

Todos los elementos eléctricos que intervienen directamente en los procesos de generación, transformación, transmisión y distribución de la energía eléctrica forman un conjunto de donde se deriva que casi toda la electricidad que consumimos en las casas, empresas, todos son elementos muy consumidores de energía eléctrica.La potencia se puede definir como la capacidad para efectuar un trabajo, en otras palabras, como la razón de transformación, variación o transferencia de energía por unidad de tiempo.

La Potencia Real es la potencia que representa la capacidad de un circuito para realizar un proceso de transformación de la energía eléctrica en trabajo.. Se designa con la letra P y se mide en vatios -watt- (W) o kilovatios -kilowatt- (kW). De acuerdo con su expresión, la ley de Ohm y el triángulo de impedancias.

Existen tres tipos de potencia:

Potencia Activa: Los diferentes dispositivos eléctricos convierten energía eléctrica en otras formas de energía como: mecánica, lumínica, térmica, química, entre otras. Esta energía corresponde a la energía útil o potencia activa o simplemente potencia, similar a la consumida por una resistencia. Expresada en watts.

$P=V*I*Cos({\varphi })$

Potencia Reactiva: Los motores, transformadores y en general todos los dispositivos eléctricos que hacen uso del efecto de un campo electromagnético, requieren potencia activa para efectuar un trabajo útil, mientras que la potencia reactiva es utilizada para la generación del campo magnético, almacenaje de campo eléctrico que en sí, no produce ningún trabajo. Esta potencia es expresada en volts-amperes reactivos(VAR).

$Q=V*I*Sen({\varphi })$

Donde $I$ es la corriente conjugada y $V$ es el voltaje.

La compañía eléctrica mide la energía reactiva con el contador (kVArh) y si se superan ciertos valores, incluye un término de penalización por reactiva en la factura eléctrica.

Potencia Aparente: Es la que resulta de considerar la tensión aplicada al consumo de la corriente que éste demanda. Es también la resultante de la suma de los vectores de la potencia activa y la potencia reactiva. Esta potencia es expresada en volts-amperes(VA).

$S=V*I={\sqrt {(}}P^{2}+Q^{2})$

La relación entre todas las potencias aludidas $S$ , $P$ y $Q$ es: $S^{2}=P^{2}+Q^{2}$

Ademas de las potencias se debe tener en cuenta otros parámetro como:

Resistencia(R): Se le llama resistencia eléctrica a la igualdad de oposición que tienen los electrones para desplazarse a través de un conductor.

$R=\rho {\ell \over S}$

En donde $\rho$ es el coeficiente de proporcionalidad o la resistividad del material.

Además, de acuerdo con la ley de Ohm la resistencia de un material puede definirse como la razón entre la diferencia de potencial eléctrico y la corriente en que atraviesa dicha resistencia, así donde V es voltaje e I es corriente:

$R={V \over I}$

Donde $R$ es la resistencia en ohmios, $V$ es la diferencia de potencial en voltios y $I$ es la intensidad de corriente en amperios.

Impedancia: Puede representarse como la suma de una parte real y una parte imaginaria:

$Z=R+jX\,$

$R$ es la parte resistiva o real de la impedancia y $X$ es la parte reactiva o imaginaria de la impedancia.

Admitancia: es el inverso de la impedancia:

$Y={1 \over Z}=y_{c}+jy_{s}$

La conductancia $y_{c}$ es la parte real de la admitancia y la susceptancia $y_{s}$ la parte imaginaria de la admitancia.

Capacitancia: Es la propiedad que tienen los cuerpos para mantener una carga eléctrica, también es una medida de la cantidad de energía eléctrica almacenada para una diferencia de potencial eléctrico dada. El dispositivo más común que almacena energía de esta forma es el condensador. La relación entre la diferencia de potencial existente entre las placas del condensador y la carga eléctrica almacenada en éste:

$C={Q \over V}$

Donde $C$ es la capacidad medida en faradios, $Q$ es la carga eléctrica medida en culombios y $V$ es la diferencia potencial medida en voltios.+

Factor de Potencia

Un factor de potencia es un indicador del correcto aprovechamiento de la energía eléctrica, también se define como la relación entre la potencia activa y la potencia aparente, en un circuito de corriente alterna. Puede tomar valores entre 0 y 1, donde 0 a 0.95 es muy malo y de 0.95 a 1 es excelente.La corrección de factores de potencia en la industria es un elemento fundamental en el funcionamiento de todos los elementos que generen un consumo de energía sea iluminación, motores, maquinaria etc. Cuando se desea realizar un análisis de los sistemas eléctricos se deben tener encuentra las tensiones de alimentación o voltajes de alimentación o distribución, los elementos inductivos y resistivos presentes. Con esta información se plantea un análisis de circuitos equivalentes donde se puede encontrar las condiciones bajo las cuales operan los equipos y con esta información se pueden realizar correcciones.

$f.d.p={P \over |S|}=Cos({\varphi })$

Donde ${\varphi }$ es el ángulo entre la potencia activa $P$ y el valor absoluto de la aparente $S$ .

El factor de potencia (fp) es la relación entre las potencias activa (P) y aparente (S) si las corrientes y tensiones son señales sinusoidales. Si estas son señales perfectamente sinusoidales el factor de potencia será igual al cos f, o bien el coseno del ángulo que forman los fasores de la corriente y la tensión, designándose en este caso como cos f el valor de dicho ángulo.

Diseño de la solución

Para el diseño se trabajaron muchas ecuaciones pero principalmente utilizamos estas:

$S=V*I^{*}$

$I={V \over Z}$

$f.d.p={P \over |S|}$

$Ccorregidos={(P*Tan(cos-1(f.d.p)-Tan(Cos-1(0.96)))) \over V^{2}*W}$

$C={Q \over V}$

$Y={1 \over Z}=y_{c}+jy_{s}$

La variables están explicadas detalladamente con sus respectivos significados en el Marco teórico.

Descripción del software

El programa comprende una interfaz con una visualización de dos tipos de circuitos, un botón que trabaja en paralelo y otro que trabaja en serie donde se deben ingresar los valores de voltaje, frecuencia, resistencia, inductancia y capacitancia que estén presentes en el sistema eléctrico, posterior a esto el programa realiza el calculo entregando un valor de factor de potencia actual y un valor de micro faradios que se necesita para la correccion del mismo.

Calculo y Simulación de Circuito en Paralelo

Manual de Uso

Calculo y Simulación de Circuito en Serie

1. Ingresar los valores de voltaje y frecuencia.

Calculo y Simulación de Circuito en Paralelo, sin corrección

2. Seleccionar el tipo de circuito.

3. Explicación de cada circuito

Calculo y Simulación de un Circuito en Serie, Sin corrección

Circuito en serie: Se deben ingresar los valores de las resistencias, de las capacitancias y inductancias, en sus respectivos valores, omnios(Ω), micro-faradios(µF) y henrios(H).

Circuito en paralelo: Se debe realizar el mismo procedimiento que en el circuito en serie, ingresar los diferentes valores, pero cada columna representa un paralelo diferente donde cada uno de los valores se encuentra en serie.

4. Hacemos clic en el botón calcular, nos entrega un valor de factor de potencia actual del sistema, si es menor al 0.96 el programa entregara el valor en micro-faradios necesarios para la corrección de este. En ambos si el valor esta por encima de 0.96 no se realizara corrección.

5. Se presenta la opción de graficar, la cual muestra el triangulo de potencias actual.

6. Hay un botón salir que guarda los resultados anteriores.

Resultados

Dentro de los resultados obtenidos por el programa se encuentra la cantidad de micro faradios requeridos para realizar la corrección del Factor de potencia, ademas de el método de instalación necesario para que se cumpla el cambio, y se plantea un análisis de curvas dado el crecimiento y decrecimiento de la potencia reactiva.

Conclusiones y trabajo futuro

El objetivo de nuestro programa es realizar una optimizacion en al instalaciones eléctricas y con esto producir una reducción en el consumo de la energía; en un sistema RLC se debe buscar un equilibrio en la potencia reactiva dado que sus incrementos pueden dar como consecuencia un mayor consumo de energía ademas puede generar sanciones en los sistemas de pago.