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ACTIVIDADES DE I+D EN ELECTRÓNICA DE POTENCIA
APLICADA AL MANEJO DE ENERGÍAS RENOVABLES
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Departamento de Ingeniería Electrónica
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1er. Taller de Electrónica de Potencia Aplicado al Manejo de Energías Renovables Junio 19 de 2015
DEPARTAMENTO DE
INGENIERÍA ELECTRÓNICA
GRUPO DE ELECTRÓNICA
DE POTENCIA
CONTENIDO
• El TecNM y el CENIDET
• El posgrado en Ingeniería Electrónica
• Actividad relacionada con Energías Renovables
Cosecha de Energía Sistemas Fotovoltaicos Sistemas Eólicos Sistemas de Iluminación y Otras Aplicaciones
1er. Taller de Electrónica de Potencia Aplicado al Manejo de Energías Renovables Junio 19 de 2015
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IT´s Descentralizados 125
IT´s Federales 108
CRODEs 4
CIIDET 1
CENIDET 1
TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO
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Reseña Histórica
El CENIDET se creó en enero de 1987, en el marco de una alianza estratégica con el Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE), con el fin de ser un centro de excelencia del Sistema Nacional de Institutos Tecnológicos.
En mayo de 1987 inició cursos la primera generación del programa de Maestría en Ciencias en Ingeniería Electrónica. A inicios de 1988 arrancó la Maestría en Ciencias de la Computación, y al final del mismo, la Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica. En 1995 inicia el Doctorado en Ciencias en Ingeniería Electrónica.
Maestría: 28 Años Doctorado: 20 Años
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Nuestros egresados se incorporan en:
• Industrias de base tecnológica
• Instituciones de investigación o desarrollo tecnológico
• Escuelas para la formación de ingenieros
El CENIDET realiza: investigación aplicada, desarrollo tecnológico y formación de profesionales.
Graduados de Maestría: 309 (121*) Graduados de Doctorado: 36 (24*) * Graduados de Electrónica de Potencia
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CONTENIDO
• El TecNM y el CENIDET
• El posgrado en Ingeniería Electrónica
• Actividad relacionada con Energías Renovables
Cosecha de Energía Sistemas Fotovoltaicos Sistemas Eólicos Sistemas de Iluminación y Otras Aplicaciones
1er. Taller de Electrónica de Potencia Aplicado al Manejo de Energías Renovables Junio 19 de 2015
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Maestría y Doctorado en Ciencias en Ingeniería Electrónica
• Control Automático
• Electrónica de Potencia
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Dr. Abraham Claudio INPG, Francia SEI, SNI (I)
Dr. Mario Ponce CENIDET, México
SEI, SNI (I)
Dr. Hugo Calleja CENIDET, México
SEI, SNI (II)
Dr. Jesús Mina DEPFI-UNAM, México
SEI
Dr. Carlos Aguilar CENIDET, México
SEI
Dr. Jesús Aguayo CENIDET, México
SEI, SNI (I)
Dr. Jaime Arau Universidad Politécnica de
Madrid, España SEI, SNI (I)
Dr. Victor Olivares CENIDET, México
SEI, SNI (I)
Dr. Marco Oliver Univ. of Sheffield, UK
SEI, SNI (I)
SNI: Sistema Nacional de Investigadores
SEI: Sistema Estatal de Investigadores - Morelos
Personal Académico del grupo de Electrónica de Potencia
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BÁSICA No.1 Matemáticas Avanzadas
TESIS
BÁSICA No.2 Teoría de Sistemas
Lineales
BÁSICA No.3 Elementos
de Ingeniería Electrónica
BÁSICA No.4 Electrónica
Analógica Avanzada
Seminario de Investigación I
(Propuesta de Tesis)
Seminario de Investigación II (Seguimiento
de Tesis)
Seminario de Investigación III (Seguimiento
de tesis)
OPTATIVA No.1 Electrónica de
Potencia
1er semestre 2do semestre 3er semestre 4o semestre
TESIS OPTATIVA No.3
OPTATIVA No.4
OPTATIVA No.2 Dispositivos
Semiconductores de Potencia
Asignaturas optativas:
• Sistemas de alimentación conmutados
• Troceadores e inversión • Electrónica industrial avanzada • Diagnóstico de fallas • Fuentes de luz y sus sistemas
de alimentación • Control tolerante a fallas • Técnicas de control en
convertidores de potencia • Acondicionadores para fuentes
renovables de energía • Armónicos y factor de potencia
en sistemas conmutados • Confiabilidad de convertidores
de potencia
Retícula de la Maestría en Electrónica de Potencia (el doctorado es por investigación)
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REVISTAS: IEEE Transactions on Industrial Electronics IEEE Transactions on Power Electronics IEEE Transactions on Industry Applications Desalination and Water Treatment Control Engineering Practice Journal of Power Electronics Journal of Circuits, Systems and Computers Solid State Electronics International Journal Computer Standards & Interfaces Engineering Applications of Artificial Intelligence International Journal of Systems Science ISA Transactions Rev. Iberoam. de Automática e Informática Industrial Revista DYNA Revista Mexicana de Ingeniería Química Rev. Facultad de Ingeniería, Universidad de Antioquia
CONGRESOS: IEEE Power Electronics Specialists Conference – PESC IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition IEEE Energy Conversion Conference and Exposition – ECCE IEEE Industrial Electronics Conference – IECON IEEE International Symposium on Industrial Electronics IEEE International Conference on Power Electronics – CIEP Congreso Anual de la AMCA
Publicaciones
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Convenios de Colaboración
INTEL Corporation - Guadalajara Instituto Politécnico Nacional Universidad de Siegen, Alemania Universidad de Oviedo, España Univ. Autónoma de San Luis Potosí Electromag S.A. de C.V. Instituto Tecnológico de Celaya Universidad Autónoma de Colima Instituto Tecnológico de Minatitlán IPICyT, San Luis Potosi Texas A&M University, USA Univ. Henri Poincaré, Francia Univ. Aut. de Quintana Roo ABB, Suiza Instituto Tecnológico de Hermosillo Instituto de Investigaciones Eléctricas Arts et Métiers, ParisTech, Francia Sistema de Transporte Coletivo del D.F.
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Sistemas de Alimentación Conmutados
Desarrollo de fuentes de alimentación para aplicaciones como: Cargadores de Baterías, Sistemas de Alimentación Ininterrumpible, Cosechadores de Energía, Alimentación de Motores, etc. Se busca mejorar la eficiencia, la densidad de potencia, la confiabilidad, el desempeño, etc.
Línea de Investigación:
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Fuentes No Convencionales de Energía
Desarrollo de sistemas electrónicos de potencia y control, asociados a sistemas de generación fotovoltaica, eoloeléctrica y celdas de combustible. Se busca diseñar convertidores con alta confiabilidad y baja reducción de armónicos; así como controles de MPPT, de potencia activa/reactiva, de sincronización/interconexión a red, etc.
Línea de Investigación:
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Sistemas de Iluminación Electrónica
Desarrollo de sistemas de alimentación (balastros electrónicos) para lamparas fluorescentes, de alta intensidad de descarga (HID) y de LEDs de potencia, con énfasis en la optimización de la eficiencia, la densidad de potencia y el costo.
Línea de Investigación:
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Diagnóstico de Fallas y Confiabilidad de SEPs
Se lleva a cabo estudios de confiabilidad y diseño de esquemas de detección, aislamiento y tolerancia a fallas en sistemas eléctricos de potencia. El objetivo de estos desarrollos es proveer SEPs con alta disponibilidad y seguridad.
Línea de Investigación:
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DE POTENCIA
CONTENIDO
• El TecNM y el CENIDET
• El posgrado en Ingeniería Electrónica
• Actividad relacionada con Energías Renovables
Cosecha de Energía Sistemas Fotovoltaicos Sistemas Eólicos Sistemas de Iluminación y Otras Aplicaciones
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COSECHA DE ENERGÍA
Contenido:
Áreas de Interés
Grupo de Trabajo
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Eficiencia
Anual Área
necesaria Consumo de agua
Costo
Disco Parabólico
25-30% 8-12
(m2/MWh/year) Nulo Bajo
Área de Interés: Concentrador Solar Parabólico/Motor Stirling
Alto Rendimiento Térmico Rendimiento Óptimo a
Bajas Velocidades Bajas Potencias
Reto: Mejorar la Eficiencia de los
Subsistemas Eléctricos/Electrónicos
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Generador Axial de Imanes Permanentes
Área de Interés: Concentrador Solar Parabólico/Motor Stirling
Operan a Baja Velocidad Poseen Alta Eficiencia Patente en trámite:
Generador Esférico, MX/a/2014/001583
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Convertidores Electrónicos de Alta Eficiencia
Área de Interés: Concentrador Solar Parabólico/Motor Stirling GENERATOR
GENERATOR
GENERATOR
L1
L2
L3
D1 D2 D3
S1 S2 S3
C R
L1
L2
L3
L1
L2
L3
S1 S3 S5
S2 S6 S2
D1 D3 D5
LB DB
SB
C R
C R
D4 D6 D2
GENERATOR
GENERATOR
GENERATOR
L1
L2
L3
D1 D2 D3
S1 S2 S3
C R
L1
L2
L3
L1
L2
L3
S1 S3 S5
S2 S6 S2
D1 D3 D5
LB DB
SB
C R
C R
D4 D6 D2
GENERATOR
GENERATOR
GENERATOR
L1
L2
L3
D1 D2 D3
S1 S2 S3
C R
L1
L2
L3
L1
L2
L3
S1 S3 S5
S2 S6 S2
D1 D3 D5
LB DB
SB
C R
C R
D4 D6 D2
Rectificador – Elevador PWM trifásico Rectificador – Elevador PWM Trifásico
Medio puente
Rectificador – Elevador Trifásico
con Interruptor Único
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Área de Interés: Cosechador en Recintos con Flujo de Personas
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Área de Interés: Recuperación de Energía/Volantes de Inercia
BATERIA
VOLANTEDE INERCIA
cd-ca-cd
ALMACENAMIENTO
G
Bus de CD
y catenaria
ca-cd
Generador
del Tren
• Perfiles de manejo obtenidos en el STC Cd. México. • Modelo del convoy. • Modelo eléctrico del sistema de alimentación. • Sistema de almacenamiento de energía (15kW-h). • Control del Sistema de almacenamiento de energía. • Dos temas de tesis: maestría y doctorado. • Proyecto Fomix-D.F.
Compensación del Bus de CD en el sistema de transporte colectivo del metro a partir de energía recuperada
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Área de Interés: Recuperación de Energía/Frenado Regenerativo
• Alta eficiencia de recarga de ultracapacitores • Bus de CD variable • Control indirecto de la potencia de ultracapacitores • Energía de ultracapacitores limitada (40W-h aprox.) • 6 temas de tesis dos de doctorado y 4 de maestría • Proyecto SENER-CONACYT
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Área de Interés: Recuperación de Energía/Frenado Regenerativo
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Área de Interés: Cosecha en Prueba de Velocidad de Autos
• Análisis energético del sistema de pruebas
• Dimensionamiento del cosechador de energía
• La energía cosechada es de 39,97kJ
(11.1kW-h)
• Proyecto empresa industria (FESE)
• Estudiantes de licenciatura
Rodillos
Nissan Convertidor
Electromecánico
Sistema de
Almacenado y
Conversión Carga
w, t
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Facilidades: Recarga de batería para celulares /laptops Internet gratuito (MÉXICO CONECTADO) Iluminación con LEDs Ventilación
Posibles ubicaciones: En nodos MÉXICO CONECTADO Instalaciones del CENIDET
“Se buscan PATROCINADORES”
Your logo
HERE
Área de Interés: Cosechador Multi-puerto para Cargas Portátiles
1er. Taller de Electrónica de Potencia Aplicado al Manejo de Energías Renovables Junio 19 de 2015
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DE POTENCIA
OBJETIVOS ESPECÍFICOS:
• Modelar el comportamiento de la energía electromagnética del medio ambiente y su posibilidad de recolección.
• Modelar el comportamiento de la energía térmica en el medio ambiente y derivada de actividades específicas.
• Analizar/diseñar etapas de recolección, procesamiento y almacenamiento.
• Construir prototipos para validar las propuestas realizadas.
Área de Interés: Fuentes Alternas de muy Baja Potencia
Auto-alimentación de varias aplicaciones a partir de energía potencial disponible en el ser humano o en su
entorno medioambiental
1er. Taller de Electrónica de Potencia Aplicado al Manejo de Energías Renovables Junio 19 de 2015
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Investigadores:
Dr. Abraham Claudio Sánchez Dr. Jaime E. Arau Roffiel
Dr. Carlos Aguilar Castillo Dr. Víctor Hugo Olivares Peregrino
Dr. Mario Ponce Silva
Estudiantes de Doctorado:
Alejandro Tapia Hernández Jesús Elías Valdez Aldo Noé Higuera
Estudiantes de Maestría:
B. Alexei Nieto Arias Jorge E. Mastache Mastache Héctor Sánchez Madlonado
Alex I. Villarreal Castillo
Cosecha de Energía– Grupo de Trabajo:
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SISTEMAS FOTOVOLTAICOS
Contenido:
Áreas de Interés
Grupo de Trabajo
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DE POTENCIA
Área de Interés: Seguimiento de Máxima Potencia en SFVs
Panel
FV
Controlador
MPPT
Convertidor
DC-DC
Convertidor
DC-AC
Sensado de
V y I
RED
* Perturbar y Observar * Conductancia Incremental * Voltaje Fraccional de Circuito Abierto * Corriente Fraccional de Corto Circuito * Capacitancia Parásita
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DE POTENCIA
Área de Interés: Seguimiento de Máxima Potencia en SFVs
Sensado de
V y I
Sensado de
V y I
Emulador de SFV
Convertidor
Push-Pull
Controlador
MPPT en FPGA
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Área de Interés: Seguimiento de Máxima Potencia en SFVs
Perfil de energía de Emulador Fotovoltaico
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Área de Interés: SFV con Funciones de Filtro Activo
Circuito de Detección de
Corrientes Reactivas y Armónicas
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Área de Interés: SFV con Funciones de Filtro Activo
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DE POTENCIA
Área de Interés: Comparación SFV Fijo vs SFV Móvil
Diseño de seguidor en SOLIDWORKS
Diseño de seguidor en ADAMS
Objetivo: Mejorar el MPPT
cubriendo una amplia trayectoria del sol con un
seguidor de bajo consumo de energía
1er. Taller de Electrónica de Potencia Aplicado al Manejo de Energías Renovables Junio 19 de 2015
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Área de Interés: Comparación SFV Fijo vs SFV Móvil
Análisis Dinámico en ADAMS
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Área de Interés: Comparación SFV Fijo vs SFV Móvil
Análisis Dinámico en ADAMS
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Área de Interés. Optimización de Sistemas Fotovoltaicos
4%
67%
29% Generador FV
Inversor
Otros componentes
Distribución de Fallas en Componentes de un SFV
45%
15%
40%
Módulos FV
Inversor
Instalación y Balance del Sistema (BOS)
Costo de Instalación de un SFV
¡ Diseños Confiables son Útiles para un Rápido Retorno de
Inversión !
* El IFV se remplaza en promedio c/ 5 Años
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Área de Interés. Optimización de SFVs (Confiabilidad)
Confiabilidad. Grado de seguridad de que un dispositivo o sistema opere exitosamente en un ambiente específico durante un cierto período. Generalmente se mide por el MTBF.
En CENIDET, entre otros, se ha usado el estándar militar MIL-HDBK 217F para evaluar el MTBF de algunos SFV; de lo cual se dedujo que:
Los MOSFETs y Capacitores son los elementos con menor confiabilidad.
Algunos factores de ajuste son: la temperatura y el nivel de estrés/dimensionamiento de los dispositivos de conmutación.
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Secuencia de condiciones de operación a las que se somete el sistema fotovoltaico.
Humedad Temperatura Irradiancia
¡ Impactan en la estimación de la confiabilidad !
Condiciones de Operación en Localidades de Prueba
Área de Interés. Optimización de SFVs (Perfil de Misión)
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Variación Estacional de la Irradiancia por Latitud
Puerto Ángel
Mexicali
Área de Interés. Optimización de SFVs (Perfil de Misión)
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Fail
ure
Rate
(F
IT)
Tasa de Falla en Componentes Tasa de Falla por Fase del Día
Área de Interés. Optimización de SFVs (Perfil de Misión)
Tasa de Falla en Localidades de Prueba
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Análisis en un Convertidor CD/CD para Aplicaciones Fotovoltaicas
Aislamiento
galvánico Red de conmutación
suave
Área de Interés. Optimización de SFVs (Perfil de Misión)
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Resultados del Análisis del Convertidor CD/CD
Área de Interés. Optimización de SFVs (Perfil de Misión)
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Área de Interés. Optimización de SFVs
Técnicas de Optimización Multi-objetivo
Multiplicadores de Lagrange Algoritmos Genéticos
Optimización de Enjambre de Partículas (PSO) Optimización DIRECT (DIviding RECTangle)
Factores a considerar en la Optimización
Manejo Térmico Volumen y Empaquetamiento Frecuencia de Conmutación
Masa y Peso Elementos Magnéticos
Confiabilidad Otros
0 20 40 60 80 100 1200
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1TOPTI MAL = 60ºC TOPTI MAL = 80ºC
Temperature (ºC)
TD
R (
pu
)
TMAX = 125ºC
T1 T2
0 20 40 60 80 100 1200
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1TOPTI MAL = 60ºC TOPTI MAL = 80ºC
Temperature (ºC)
TD
R (
pu
)
TMAX = 125ºC
T1 T2
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Investigadores:
Dr. Jorge Hugo Calleja Gjumlich Dr. Marco Antonio Oliver Salazar
Estudiantes de Doctorado:
Humberto Raúl Jiménez Grajales Susana de León Aldaco
Alejandro Lizárraga Lizárraga
Estudiantes de Maestría:
Daniel Pérez Uc Rita Ávila Medina
Ernesto Josué Neri Rodríguez Sandra Ortiz López
Sistemas Fotovoltaicos – Grupo de Trabajo:
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DE POTENCIA
SISTEMAS EÓLICOS
Contenido:
Áreas de Interés
Grupo de Trabajo
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DE POTENCIA
Área de Interés: Seguimiento del Punto de Máxima Potencia
Potencia con
MPPT
(Pt_opt)
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DE POTENCIA
Área de Interés: Seguimiento del Punto de Máxima Potencia
Paux
Pe_max = PL + Paux
Carga
Auxiliar
PL
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DE POTENCIA
Área de Interés: Seguimiento del Punto de Máxima Potencia
MRAS Observer
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DE POTENCIA
Área de Interés: Sincronización – Interconexión a Red
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GRUPO DE ELECTRÓNICA
DE POTENCIA
Área de Interés: Sincronización – Interconexión a Red
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DE POTENCIA
Área de Interés: Sincronización – Interconexión a Red
Modo 1. Interconexión Modo 2. Generación
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DE POTENCIA
* Elevación de corrientes de estator * Elevación de corrientes de rotor * Oscilaciones del bus de cd * Pulsaciones de torque
SAG
Área de Interés: Calidad de la Energía – SAGs
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DE POTENCIA
Área de Interés: Calidad de la Energía – SAGs
SAG
Q * gsc V * dc
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DE POTENCIA
Área de Interés: Calidad de la Energía – Armónicos
* Armónicos de corriente * Pulsaciones de torque
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INGENIERÍA ELECTRÓNICA
GRUPO DE ELECTRÓNICA
DE POTENCIA
Área de Interés: Calidad de la Energía – Armónicos
* Inyección de Armónicos
1er. Taller de Electrónica de Potencia Aplicado al Manejo de Energías Renovables Junio 19 de 2015
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Sistemas Eólicos: Prototipo de Pruebas
Emulador de Turbina Encoder
Convertidor B2B
Controlador DSP
Generador/DFIG
Interruptor Estático
Sensores de
Corriente
Sensores de
Corriente
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Área de Interés: Micro-redes
* Baja eficiencia (se pierde cerca de 10% solo en el transporte de energía
ALTA TENSIÓN De 69 – 400 kV
MEDIA TENSIÓN Mayor a 1 kV y
menor a 69 kV
BAJA TENSIÓN Menor a 1 kV
Área de oportunidad de los Sistemas de Generación Distribuida
/ Microrredes
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Área de Interés: Micro-redes
Micro-red en CA Micro-red en CD
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Área de Interés: Micro-redes – Administración de Energía
* Controlar fluctuaciones y otras perturbaciones eléctricas
* Sincronizar generadores (Modo Aislado)
* Administrar energía entre generadores, almacenadores, cargas y red
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Sistemas Eólicos y Micro-redes – Grupo de Trabajo:
Investigadores:
Dr. Jesús Darío Mina Antonio Dr. Jorge Hugo Calleja Gjumlich Dr. Jesús Aguayo Alquicira Estudiantes de Doctorado:
Gabriel Calderón Zavala Adolfo Rafael López Núñez Alejandro Carlos Pérez Flores
Estudiantes de Maestría:
Miriam Carolina Calderón Sánchez Fabiola Cruz Gutiérrez Román Pérez Saldaña Néstor Rosendo Fuentes Oscar Hernández Martínez Erik A. López de León Residentes:
Francisco Juárez Carrera Leodán Robisel Martínez Flores Diana Rubí Flores Guevara Lidia Mercedes Chávez Ayala Samuel Giovanni Hernández Orbe
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SISTEMAS DE ILUMINACIÓN Y OTRAS APLICACIONES
Contenido:
Áreas de Interés
Grupo de Trabajo
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Experiencia en el desarrollo de:
• Balastros electrónicos para lámparas fluorescentes (lineales, circulares y compactas); lámparas de HID y de inducción
• Drivers para LEDs de potencia
Área de Interés: Sistemas de Iluminación
Retos:
• Reducción de etapas de conversión • Operaciones a Altas Frecuencias • Eliminación de Capacitores Electrolíticos
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Generador fotovoltaico
Puerto de entrada 2
Puerto de entrada 1
Red eléctrica de C.A.
Aislamiento galvánico
Puerto de salida común
Batería+ -
Driver
Driver
Driver
Arreglo de LEDs de
potencia rojo
Arreglo de LEDs de
potencia ámbar
Arreglo de LEDs de
potencia verde
Puente de diodos
Convertidor multipuerto Cuk-CukLuminarias de LEDs de potencia
Time
350ms 352ms 354ms 356ms 358ms 360ms 362ms 364ms 366ms
1 V(V1:+,V1:-) 2 -I(V1)
-200V
-100V
0V
100V
200V1
-400mA
-200mA
0A
200mA
400mA2
>>
Vin
Iin
Características: Factor de potencia:
0.996 Eficiencia:
85% (modo CD/CD)
+
-
Vca
Vcd
D1
D2
D3
D4
L1 C’1 C”1 Lo
L2C’1a
DoCoS1
S2
Vo
+
-
Área de Interés: Fuente Híbrida para Semaforización con LEDs
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Área de Interés: Generación de Ozono
Aplicaciones:
• Purificación de Agua • Esterilización de Equipo Médico
Principio de Operación:
• Flujo de oxígeno a través de una descarga de barrera dieléctrica
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Logros: Sistemas de Iluminación y Otras Aplicaciones
Patentes en Trámite:
• Dispositivo generador de ozono de placas paralelas, MX/a/2015/003680
Modelos de Utilidad en Trámite:
• Balastro electrónico para lámparas de descarga alimentadas con formas de onda de voltaje y corriente cuasi-cuadradas, MX/u/2014/000054
• Impulsor auto-oscilante para convertidores resonantes, MX/u/2015/000161
Colaboración con Empresas :
• ELECTROMAG, LUXTRONIC, Sistema de Transporte Colectivo Metro, DF
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Iluminación y Otras Aplicaciones – Grupo de Trabajo:
Investigadores:
Dr. Jaime E. Arau Roffiel Dr. Mario Ponce Silva Dr. Carlos Aguilar Castillo
Estudiantes de Doctorado:
Juan Antonio Aquí Tapia Julio A. Cortés Rodríguez
Estudiantes de Maestría:
Oscar Miguel Rodríguez Benitez Benito Rodríguez Nava