Apunte EL 6000 - Generación de energía eléctrica con fuentes renovables

8/19/2019 Apunte EL 6000 - Generación de energía eléctrica con fuentes renovables

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Generación

con Fuentes Renovablesde Energía Eléctrica

AUTORESLuis VargasJannik Haas

Fabián Barría

Lorenzo Reyes

PRIMAVERA 2010

Apunte EL6000


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Universidad de Chile | FCFM | Minor en Energías Renovables EL6000

ÍNDICE

PREFACIO

CAPÍTULO 1 Introducción1.1 Las fuentes de energía renovable

1.2 Energía y potencia1.3 Conversión de la energía1.4 Potencial bruto, técnico, sub económico y económico1.5 Potencial ERNC en Chile1.6 Costos según fuente energética1.7 Tiempo de amortización según fuente energética1.8 Situación actual de Chile1.9 Bibliografía

CAPÍTULO 2 Conceptos básicos de máquinas eléctricas2.1 Introducción

2.2 Circuitos Magnéticos2.2.1 Campos Magnéticos2.2.2 Ley de Ampere

2.3 Transformador Monofásico2.3.1 Aspectos Constructivos2.3.2 Principio de Funcionamiento2.3.3 Transformador Monofásico Ideal2.3.4 Transformador Monofásico Real – Circuito Equivalente2.3.5 Contenido Armónico

2.4 Sistema Trifásico2.5 Transformador Trifásico

2.5.1 Introducción2.5.2 Conexiones de un Transformador Trifásico2.5.3 Conexión Típica de Transformadores Trifásicos en Sistemas Eléctricosde Potencia

2.6 Dispositivos de Conversión Electromecánica2.6.1 Principio Básico de Funcionamiento del Motor Eléctrico2.6.2 Principio Básico de Funcionamiento del Generador Eléctrico

2.7 Máquina de Corriente Continua2.7.1 Introducción2.7.2 Características Constructivas2.7.3 Principio de Funcionamiento del Generador de Corriente Continua

2.7.4 Generador de Corriente Continua y ERNC

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4.3.1 Potencia de entrada4.3.1 Potencia salida

4.4 Aerodinámica de un generador4.4.1 Fuerza de arrastre

4.4.2 Fuerza de sustentación4.4.3 Ángulo de ataque, velocidad relativa y ángulo relativo4.4.4 Fuerza a lo largo del aspa y torque sobre rotor

4.5 Control de una central eólica4.5.1 Control sobre la operación de los aerogeneradores4.5.2 Control sobre la potencia inyectada a la red

4.6 Generación Eólica y Calidad de Suministro4.6.1 Impacto en el voltaje en régimen permanente4.6.2 Variaciones dinámicas de voltaje4.6.3 Inyección de reactivos4.6.4 Distorsión armónica

4.7 Calidad de Suministro para diferentes tipos de generadores4.7.1 Calidad de suministro en aerogeneradores de velocidad fija4.7.2 Calidad de suministro en aerogeneradores de velocidad variable

4.8 Bibliografía4.9 Actividades

4.9.1 Proyecto Eólico4.9.2 Experiencia de Laboratorio

4.10 Anexo al capítulo 44.10.1 Detalle de la experiencia de Laboratorio Eólico para las instalacionesdel Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Chile4.10.2 Preguntas para evaluar la comprensión del capítulo

4.10.3 Preguntas con respuesta

CAPÍTULO 5 Energía solar5.1 Introducción5.2 Conceptos básicos5.3Recurso solar5.4 El recurso solar y la geometría solar5.5 Conversión termosolar

5.5.1 Tecnologías: Energía solar pasiva5.5.2 Tecnologías: energía solar activa

5.6 Concentración solar

5.6.1Cilindros parabólicos5.6.2 Fresnel lineal5.6.3 Torre solar5.6.4 Disco Stirling o concentradores paraboloides

5.7 Otras tecnologías5.7.1 Conversión de Energía Térmica Oceánica (OTEC)5.7.2 Estanques solares

5.8 Actividades5.8.1 Experiencia de Laboratorio5.9 Anexo al Capítulo 5

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Generación de Energía Eléctrica con Fuentes Renovables

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192

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5.9.1 Detalle de la experiencia de Laboratorio Solar Térmico para las instala-ciones del Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Chile.5.9.2 Preguntas para evaluar la comprensión al capítulo5.9.3 Preguntas con respuesta

5.10 Bibliografía

CAPÍTULO 6 Energía Fotovoltaica6.1 Introducción6.2 Desarrollo Histórico6.3 Fundamento de la energía fotovoltaica

6.3.1Semiconductores6.3.2 Dopaje6.3.3Junta p-n6.3.4 El efecto fotovoltaico

6.4 Las celdas fotovoltaicas

6.4.1 Celdas cristalinas o primera generación6.4.1 Celdas de película delgada o segunda generación6.4.2 Otras tecnologías FV

6.5 Características eléctricas de celdas fotovoltaicas6.5.1 Circuito equivalente6.5.2 Curva característica6.5.3 Descripción analítica de la curva característica

6.6 Sistemas FV6.6.1 Elementos de un sistema fotovoltaico6.6.2 Sistemas autónomos6.6.3 Conectados a la red

6.6.4 Híbridos6.7 Nociones de dimensionamiento de un sistema FV6.8 Potenciales aplicaciones en Chile6.9 Situación actual en Chile6.10 Bibliografía6.11 Actividades

6.11.1 Proyecto Solar6.11.2Experiencia de Laboratorio

6.12 Anexo al Capítulo 66.12.1 Detalle de la experiencia de Laboratorio Solar para las instalacionesdel Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Chile.

6.12.2 Preguntas para evaluar la comprensión al capítulo6.12.3 Preguntas con respuesta

CAPÍTULO 7 Energía Hidráulica7.1 Introducción7.2 Historia7.3 Centrales hidroeléctricas7.4 Tipos de centrales hidroeléctricas

7.4.1Central Hidroeléctrica de Pasada7.4.2 Central Hidroeléctrica con Embalse de Reserva7.4.3 Centrales Hidroeléctricas de Bombeo

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7.5 Componentes de una central minihidráulica7.5.1Bocatoma7.5.2 Conducto7.5.3Cámara de carga

7.5.4 Tubería de presión7.5.5 Turbinas Hidráulicas• Turbina Pelton• Turbina Francis• Turbina Kaplan

7.6 Golpe de ariete y cavitación7.7 Dimensionamiento del recurso hídrico7.8 Actividades

7.8.1Proyecto Minihidráulico7.8.2 Experiencia de Laboratorio

7.9 Anexo al Capítulo 7

7.9.1 Detalle de la experiencia de Laboratorio Minihidráulico para lasinstalaciones del Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universi-dad de Chile.7.9.2 Preguntas para evaluar la comprensión del capítulo7.9.3 Preguntas con solución

7.10 Bibliografía

CAPÍTULO 8 Biomasa8.1 Introducción8.2 Antecedentes generales8.3 Fuentes de biomasa

8.3.1 Desechos8.3.2 Cultivos energéticos

8.4 Procesos de conversión de la biomasa y productos de ellos8.4.1 Conversiones termoquímicas8.4.2 Conversiones bioquímicas8.4.3 Conversiones fisicoquímica

8.5 Conceptos sobre Biomasa8.5.1 Biogás8.5.2 Digestor8.5.3 Combustibles Alcohólicos8.5.4 Compostaje

8.6 Aplicaciones8.6.1 Producción de Energía Térmica8.6.2 Producción de Energía Eléctrica8.6.3 Producción de Biocombustibles8.6.4 Producción de gases combustibles

8.7 Ventajas y Desventajas8.8 Bibliografía

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El minor “Energías Renovables” de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas dela Universidad de Chile, enseña los principios básicos de la utilización de energía en

base a recursos renovables. Asimismo, transmite las herramientas para poder identificarel potencial de generación de emplazamientos específicos y realizar una estimaciónpreliminar de la energía generable apartir de yacimientos geotérmicos, recursos eólicos,hidráulicos, radiación solar, entre otros.

El presente texto tratará los conceptos más importantes de las máquinas de conversiónelectromecánica, para luego abordar la energía eólica, solar, celdas de combustible,energía geotérmica, las energías procedentes del mar y finalmente, de la biomasa.

Esperamos que este texto sirva de apoyo a la cátedra del curso EL6000 “Generación deEnergía Eléctrica con Fuentes Renovables”.

Se agradece además a Camila Caro y los alumnos del EL6000 del semestre primavera2010 y 2011 que han colaborado en la creación de este texto.

Los autores

PREFACIO


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Desde tiempos muy remotos la especiehumana ha utilizado las fuentes de energía

a su alcance en una constante búsquedade mayor confort y desarrollo. Desde uncomienzo, el hombre ha hecho uso de laluz y el calor provenientes de la entoncesinexplicable masa luminosa, hoy llamadaSol.

El control del fuego marca un notorioavance, ya que no se trata sólo deaprovechar pasivamente las fuentes deenergía, sino que de disponer de estas en

cualquier momento. Este paso consisteen el uso de la energía acumulada en labiomasa, que fue captada a través de lafotosíntesis.

Avanzando en el tiempo, se retomael uso del Sol como fuente de energía,pero está vez de manera dirigida através de construcciones orientadas alaprovechamiento de la energía solarpara calefaccionar e iluminar. Otra de

estas expresiones del uso de recursos

naturales y aprovechamiento controladode estas fuentes, recae en la invención

y uso de los molinos. A través delmovimiento producido por el viento o elagua en las aspas, se genera movimientomecánico que es capaz de moler grandescantidades de cereal con poco desgastehumano. Hoy en día estos sistemas sehan ido perfeccionando y variando ensus aplicaciones, pero la idea inicial semantiene.

Más tarde llegaría, con la revolución

industrial, la explotación de loscombustibles fósiles, lo cual fue, no sólouno de los momentos y quiebres másimportantes de la historia del uso delas energías, sino de toda la historia dela humanidad, en busca de mejoras yprogreso. Hoy se viven las consecuenciasdel uso indiscriminado de estoscombustibles y lo lejano que están delprogreso y mejora de la calidad de vida delas personas.

CAPÍTULO 1Introducción


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Ilustración 1: Desarrollo de consumo energético primario entre 1800-2000

Actualmente, el gas, carbón y petróleoabastecen tres cuartos de la demandaenergética mundial (Boyle, 2004), locual deja en evidencia la filiación cuasi-exclusiva, por parte de la humanidad, hacialos combustibles fósilesy así mismo, unagran dependencia económica hacia lospaíses petroleros. Recién los altos preciospor la crisis de petróleo en 1970 originan elcuestionamiento sobre el agotamiento y ladependencia de los combustibles fósiles.

A esto se suma una sobre-explotaciónde los recursos naturales de la tierra,que desemboca en una, muchas veces

irreversible, contaminación local –por material particulado, compuestosorgánicos volátiles o monóxido de carbono– y global –por efecto invernadero, lluviaácida, contaminación de suelo y agua –.Movimientos ambientalistas difundensu preocupación por los efectos queoriginarían en el largo plazo el consumoconstante de combustibles fósiles(contaminación del aire, accidentesmineros, efecto invernadero a pequeña

escala, entre otros), pues si bien estos

efectos han existido hace siglos,no sehabían presentado con la intensidad yfrecuencia actuales.

Por su parte, tras dos décadasdespués del inicio de la era nuclear, afines de la segunda guerra mundial, secrean las centrales nucleares y con ellasuna esperanza de obtener energías deforma económica y abundante. Pero eldesarrollo nuclear ha sido ralentizado engran magnitud durante los últimos años,debido a preocupaciones de seguridad,proliferación de armas nucleares y elproblema de sus desechos, que tras más

de 40 años de existencia de reactoresnucleares, no se ha resuelto.

El escenario anterior y el inevitableagotamiento del petróleo y el uranio,motiva a la búsqueda, investigación eimplementación de sistemas en base aenergías renovables no convencionales(ERNC), proceso en el cual se apuestaademás por una mayor generación deempleo y así una reducción del drenaje

del capital local. Entre las distintas fuentes


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de energía, las renovables son aquellasque se producen de forma continua yson inagotables a escala humana, comola energía solar térmica, eólica, biomasa,

geotérmica o mareomotriz.

Por su parte, en Chile, el año 2008entra en vigencia la Ley de ERNC, la cualestablece que para el año 2014, el 5% dela generación eléctrica deberá provenirde sistemas en base a energías renovablesno convencionales, aumentandogradualmente hasta llegar a un 10% el año2024.

Como la historia lo demuestra, son lasenergías renovables, al mismo tiempo, laforma más antigua y más moderna de usode energías de la humanidad. La historiadefinirá si la Revolución Industrial y el iniciode la explotación fósil, fue efectivamenteun avance o el período de mayor miopíaen términos energéticos.

En el futuro, es probable que puedanaparecer nuevas fuentes pero, sea como

fuere, la disponibilidad de energía ha sidosiempre esencial para la humanidad. Tanesencial como puede serlo, por ejemplo, lanecesidad de agua potable.

Antes de entrar por completo al mundode las energías renovables, se aclararánalgunos conceptos básicos para un mejorentendimiento.

1.1 LAS FUENTES DE ENERGÍARENOVABLE

Las energías renovables pueden serdefinidas como “flujos de energía queson regenerados a la misma tasa a la cualson usadas” (Sorensen citado en Boyle,2004). La principal de estas fuentes deenergía es la radiación solar, ya que el Solse encuentra en el origen, ya sea de mododirecto o indirecto, de la gran mayoría de

las energías renovables.

El primero de estos modos refiere porun lado, al uso pasivo de la radiación solar,en donde las construcciones son diseñadasde manera de aprovechar en estos

espacios, el calor y la luz emitidos por elSol. Por otro lado, se refiere a un uso activoa través de diversos instrumentos comolos colectores solares, que absorben laradiación para abastecer de agua calienteo calor. La radiación solar también puedeser concentrada por medio de espejos, conel fin de alcanzar grandes temperaturaspara generar energía eléctrica luegode una conversión electromecánica.Alternativamente, puede ser convertida

directamente en electricidad a través depaneles fotovoltaicos.La energía solar seráprofundizada en el Capítulo 5 y su usoespecífico de manera fotovoltaica en elCapítulo 6.

Los derivados de la radiación solartienen mayor alcance aún, comenzandocon una de las más importantes a nivelnacional, la energía hidráulica. Granparte de la radiación solar que alcanza la

superficie de la Tierra, es absorbida porlos océanos y mediante la evaporación delagua, se transportan las gotas desde éstea la cordillera, convirtiéndose finalmenteen nieve o condensándose en forma delluvia. De ambas maneras, se alimentanlos ríos desde los cuales se extraeenergía. El Capítulo 7 profundiza teórica yprácticamente sobre el uso de la energíahidráulica.

Por otra parte, el Sol calienta lasmasas de aire provocando en la Tierra lasdiferencias de presión que dan origen alos vientos, fuente de la energía eólica– tratada en el Capítulo 4 –. De manerasimilar, actúa el Sol sobre los océanos,produciendo las corrientes marinas quepueden ser explotadas fluidodinámica ytérmicamente.


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Otra manifestación indirecta de laenergía solar es la biomasa, descrita en elCapítulo 8, ya que las plantas se sirven delsol para realizar la fotosíntesis, acumulando

esa energía en forma de glucosa (ATP)para vivir y crecer. Toda la materia vegetalconforma la biomasa, con infinidad deproductos y usos. La biomasa, en forma demadera u otro biocombustible, es una delas mayores fuentes de energía usada en elmundo y puede considerarse renovables,siempre y cuando la tasa a la que sonconsumidas no sea mayor a la tasa a la cualtarda una nueva planta en crecer.

También existen otras dos fuentesde energía renovable que no dependende la radiación solar: energía de mareasy geotérmica. La primera de estas esusualmente confundida con la energíade las olas, pero sus orígenes son muydistintos. El poder de las mareas puede seraprovechado mediante la construcción debajas presas o “barreras”, donde el aumentode las aguas es capturada y su retracciónsólo permitida a través de turbinas de

generación de electricidad. El calor delcentro de la Tierra es la fuente de la energíageotérmica. Las altas temperaturas delinterior de la Tierra fueron originalmentecausadas por la contracción gravitacionaldel planeta al conformarse, pero han sidoincrementadas por la descomposiciónde material radioactivo en el centro de laTierra. En algunos lugares donde las rocascalientes están muy cerca de la superficie,calientan las aguas subterráneas; estos

lugares por siglos han sido aprovechadospara proveer agua caliente y vapor. Hayque tener presente, que esta fuente deenergía puede considerarse renovablesólo cuando en su modo de operaciónse mantiene su tasa de extracción bajosu tasa de reposición, ya que un usoindiscriminado de estas fuentes lograextraer suficiente calor para que se enfríeel agua restante.

Finalmente, en el marco legal chileno,es importante tener presente queson consideradas fuentes de energíasrenovables no convencionales (ERNC),

aquellas que, de acuerdo a la Ley de ERNC(Ley 20.257), su fuente de energía primariaes la energía de la biomasa, la hidráulica –mientras su potencia máxima sea inferiora 20[MW] –, la geotérmica, la solar, laeólica o la de los mares, y otros medios degeneración determinados fundadamentepor la Comisión Nacional de Energía (CNE),que utilicen energías renovables para lageneración de electricidad, contribuyan adiversificar las fuentes de abastecimiento

de energía en los sistemas eléctricosy causen un bajo impacto ambiental,conforme a los procedimientos queestablezca el reglamento.(Palma, Jiménez& Alarcón, 2009). Frente a lo expuesto, esimportante destacar que también unacentral hidráulica de embalse puede serERNC, mientras su potencia sea inferior a20[MW].

1.2 ENERGÍA Y POTENCIA

A continuación se introducirán losconceptos de energía y potencia, lasequivalencias de las unidades y unacomparación de consumos, con objeto deentregar al lector nociones de magnitudde consumo y potencia.

El término energía proviene delgriego y significa actividad (energeia) ofuerza trabajando (energos). En la físicatradicionalmente se define como lacapacidad para realizar un trabajo. Semanifiesta usualmente como un cambio enla magnitud de trabajo o calor (∆W,∆Q). Así,una persona caminando, agua corriendopor un río, la luz emitida por una ampolletay el calor de una fogata son ejemplos deenergía.

Según Lavoisier, la energía no puedeser creada, consumida, ni destruida. Sin


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embargo,está sometida a un continuoproceso de transformación, por ejemplo:laenergía radiante de los rayos solares escaptada por las plantas y acumulada

químicamente en sus enlaces (ATP). Si éstasse queman, se transforman en energíalumínica, calórica. Así cuando se habla de“consumir energía” en realidad se hacereferencia al proceso de transformaciónde un portador de energía a la energía quese quiere usar. Es importante notar que encada proceso de conversión se obtienendistintas formas de energía y no todas sonútiles para el consumo o siguiente eslabónde transformación. En términos cotidianos

“pérdidas de energía” (lo cual contradicelo expuesto con anterioridad) se refierea la fracción que no es aprovechable. Así,en la práctica, ningún sistema tiene unaeficiencia del 100%, pues siempre hayalguna disipación en forma de calor yfricción, ruido, luz, etc.

Por su parte, cada vez que se quemancombustibles fósiles, se tiene la nociónlógica que el potencial para una futura

conversión de esta energía se reduce. Enrigorlo que ocurre es que la cantidad deentropía del universo ha aumentado. Estosignifica que la capacidad de producirtrabajo, disminuye cada vez que laenergía se disipa como calor. Este trabajoútil es llamado exergía. El complementoes la anergía: energía que no se puedetransformar en exergía.

Informalmente, los términos energía ypotencia se suelen usar como sinónimos.En el mundo científico sin embargo, sehace necesario reconocer claramente la

diferencia. Potenciaes la tasa a la cual seconvierte la energía o en otras palabras,una medida de trabajo instantáneo.Mientras la potencia indica la conversiónmomentánea, la energía debe ser medidadurante un cierto periodo, p.ej. unsegundo, una hora o un año.

La potencia de los vehículos se sueleindicar frecuentemente en caballos defuerza (HP) en lugar de kiloWatts (kW,

¡ojo! k minúscula y W mayúscula), pues eltérmino caballo de fuerza puede proveeruna noción intuitivita sobre la potenciaque define la cantidad de músculo quetiene un generador o motor.

En el sistema internacional la potenciase mide en Watts (W) y la energía en Joules(J). Así por ejemplo una ampolleta de20[W] consumirá 20[J] cada segundo.Entérminos prácticos, muchas veces es más

conveniente medir la energía en funciónde la potencia durante un periodo detiempo, por ejemplo una computadoraportátil de 100[W] de potencia en una horaconsumirá 100[Wh]. Esto equivale a 100[J⁄s]•3600[s]=360.000[J]

Para seguir aclarando la diferencia entrepotencia y energía se exhibe el siguiente


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gráfico, en el cual se muestra la potenciaeléctrica – a lo largo de un día – consumidapor un país. Los puntos que forman lacurva, indican la cantidad de Joules que

son entregados instantáneamente (cadasegundo). Así por ejemplo, a las 18:00horas la potencia bordea los 45.000[MW], oequivalentemente, se entregan 45.000[MJ]cada segundo (cercano a las 18:00 horas).

La energía en cambio, equivale al área,y como se ha explicado con anterioridad,se refiere a la potencia entregada enun intervalo de tiempo. Así entre las

10:00 y 14:00 horas se han consumidoaproximadamente 80.000[MW]•2[h] =160.000[MWh] o bien 576.000[GJ].

Para formar alguna idea acerca delos órdenes de magnitud de la potenciase exhibe la siguiente tabla. Los valoresmostradospueden variar según modelode carga, tipo de uso y fecha. La energíaconsumida al mes fue estimada con lashoras de uso (al mes) y la potencia de la

carga.

Ilustración 1.2: Consumo eléctrico de un día deenero en España.

Tabla 1.1: Consumo y potencia aproximada según carga.(fte. Stephen F., Román R., Cuevas, F. & Sánchez, P. (2009).

Se necesitan represas en la Patagonia. Santiago: Ocho libros editores)


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1.3 CONVERSIÓN DE LA ENERGÍA

La energía que se consume pasa pormuchos procesos de transformación. Por

ejemplo, la energía cinética incide sobre lasaspas de un aerogenerador, se transformaen energía mecánica y después delacoplamiento del generador es transmitidapor las líneas de alta tensión hasta la red dedistribución para luego llegar a las casasy ser usada para accionar los insumos delhogar, como el refrigerador, la juguera, elhorno o el computador.

Para que lo anterior sea posible a lolargo del tiempo, es necesario hacer unbalance energético a nivel de región opaís y así predecir los consumos y definir

la matriz que permite cubrirlos. Lasdecisiones tras el balance, son por ejemplola cantidad de combustible a importar ylas centrales a construir para abastecer lademanda futura.

En este contexto se distinguen lassiguientes componentes: energía primaria,centros de transformación, energíasecundaria, consumo final y energía útil.

Ilustración 1.3: Diagrama de flujo de energía

La energía primaria corresponde atodas las formas de energía disponibles enel ambiente antes de ser transformadas. Asíel carbón, el crudo, la biomasa, el viento,el sol, el gas natural y la energía potencialdel agua embalsada son ejemplos deportadores primarios.

Si estas energías no son directamenteutilizables por el consumo final, deben sertransformadas a otra forma de energía.Las energías secundarias son entonces lasformas de energía que se obtienen trasla transformación de una primaria u otrasecundaria. Los derivados del petróleo,el coque, la electricidad –a partir de lasdistintas fuentes–, y el biogás son ejemplode esta categoría.

Los lugares como refinerías o centraleseléctricas, donde ocurre esta conversión sellaman centros de transformación.Cuandose convierte la energía, la energía útilde salida es siempre menor a la energíade entrada necesaria en este proceso.El cociente, usualmente expresado en

porcentaje, se conoce como la eficiencia.Ésta puede ser superior al 90%, como lo esel caso de la generación hidroeléctrica, esdecir más del 90% de la energía potencialdel agua se logra transformar a energíaeléctrica, bordear el 40% en el caso decentrales a carbón o incluso ser inferioral 20% como lo es típicamente el casode los motores de combustión interna.Dependiendo de la matriz energéticadel país, estas pérdidas pueden alcanzar

un tercio de todo el consumo de energía


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primaria. La mayoría de ésta se disipa enforma de calor.

Después del transporte del energético

secundario al lugar del consumo finalsufre otra conversión más. La energíaaprovechable del consumo final se conocecomo consumo energético útil, es decir,sólo la energía que finalmente produce eltrabajo útil (descontando las pérdidas deenergía en el equipo del consumidor final).

Es entonces que, para alimentarlos consumos de un hogar, primero setransforman los portadores primarios

(carbón, agua, gas, etc.) en electricidad-energético secundario-. Se debe notar queaquí ya hay una primera pérdida. Luego setransmite hasta el punto de consumo final;en este proceso hay otra pérdida asociada.Finalmente se obtiene la energía útil,que puede ser el frío del refrigerador, elmovimiento de la cuchilla de la juguera, elcalor del horno o el accionar de los circuitosdel computador. En esta última instanciatambién hay una pérdida asociada, ya

que ningún electrodoméstico logra

transformar toda la electricidad en energíaútil. Se observa que la eficiencia generaldel sistema disminuye tras cada proceso

de transformación y que para poderconsumir en el hogar, probablemente sehan requerido del portador primario.

1.4 POTENCIAL BRUTO, TÉCNICO,SUB ECONÓMICO Y ECONÓMICO

El potencial de un energético indicala disponibilidad de éste en el mundo (oel territorio en cuestión). Existen distintospotenciales de recursos energéticos,

SABÍA USTED? Las centrales nucleares aprovechanmenos del 14% del combustible nuclear

y si se considera también la energíanecesaria para manejar los residuosradioactivos y desmantelar las centrales es

probablemente inferior al 8% (Tyler Miller,2002).

Ilustración 1.4: Flujo de energía en el país. El uso “no-energético” se refiere a la disminución de energíadisponible, debido a la producción de plásticos y otros químicos derivados de algún portador primario.


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Ilustración 1.5: Potenciales energéticos

Tabla 1.2: Recursos económicos y geológicos (McKelvey-Box)(fte. Pears A and Versluis P (1993) Scenarios for Alternative Energy in Western Australia Report for

Renewable Energy Advisory Council, Government of Western Australia, Perth)

dependiendo de su certeza de ocurrenciay rentabilidad de extracción. Estaclasificación es importante, pues rara vezes viable extraer todo el recurso existente.

Se distinguen las siguientes clasificacionesde los potenciales: el potencial bruto, eltécnico, el sub-económico y el económico.

El potencial bruto abarca a toda la ofertageológica o física -conocida, pronosticadaehipotética- máxima de un energéticopara un lugar y tiempo determinado. Estepotencial es así el límite superior de lasdemás clasificaciones.La fracción de estepotencial teórico que es explotable con

las condiciones tecnológicas actuales, es elpotencial técnico.

Tanto el potencial sub-económicocomo el económico son subconjuntosdel potencial técnico. Mientras que eleconómico corresponde a la parte que,al precio de hoy, puede explotarse conrentabilidad, el sub-económico lo es sólobajo la evolución de ciertas circunstanciasen el mediano plazo. Así por ejemplo, el

precio del petróleo y el avance tecnológicode las ERNC, inciden en la transición delpotencial sub-económico al económico.

A modo de ejemplo, al analizar elpotencial solar en Chile, se puede calcularla insolación que incide en todo el territorio

nacional; esto sería el potencial bruto. Sinembargo, existen muchos lugares que noson accesibles y zonas de climas extremosen donde la tecnología actual no permite

captar la radiación. Los lugares dondeesto sí es posible sería el potencial técnico.Finalmente, sólo la fracción donde laextracción es económicamente rentableforma el potencial económico.

La caja de McKelvey ilustra los conceptosanteriores con bastante claridad. Se observaque al moverse hacia la izquierda en lascolumnas aumenta la certeza de ocurrenciadel recurso y al desplazarse hacia arriba

aumenta la rentabilidad económica.


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Causa cierta curiosidad que laestimación de la reserva restante delpetróleo se ha mantenido relativamenteconstante en los últimos 40 años,

considerando que cada día se consumengrandes cantidades de este recurso y auna tasa cada vez más rápida. Causal deesto es el continuo descubrimiento de

recursos antes no identificados. Además elavance de la tecnología permite ampliar elpotencial técnico. Finalmente la crecientedemanda, hace crecer el precio del crudo

y aumenta así el potencial económico(reservas que antes no eran rentables,ahora sí lo son debido al elevado precio).

Para las energías renovables, loanterior es de gran importancia, pues porun lado la disponibilidad del petróleoincide directamente sobre las estrategiasde planificación de la matriz energética(asegurar poder cubrir la demanda), y porotro, el precio del crudo y sus derivadosrige el precio del mercado eléctrico, quefinalmente repercute sobre la rentabilidadde proyectos ERNC (cómo esto opera semostrará en el Capítulo 3).

El primer argumento, guarda estrecharelación con el desarrollo de políticasenergéticas para garantizar la seguridad dela red y la cobertura del consumo futuro.Así, por ejemplo, la diversificación de la

matriz energética puede ser una medidapara asegurar la independencia energéticanacional ya sea de los portadoresenergéticos fósiles o de ciertos paísesproveedores claves.

Mientras que el segundo argumentoincide sobre las decisiones a tomar de losinversionistas. A medida que más alto sea elprecio del crudo, más rentables se vuelvenlas energías renovables que usualmentetienen como obstáculo primario laelevada inversión inicial. Así, mientras másrápidamente se logre recuperar el capital,más atractivo se hace la inversión en elsector de las alternativas limpias.

Ilustración1.6: Evolución del precio del petróleo crudo -Brent (www.CNE.cl)


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1.6 COSTOS SEGÚN FUENTEENERGÉTICA

Los costos asociados a cada tecnologíade generación energética actualmentetienen amplios rangos de variación,

dependiendo mayormente de la ubicacióny el acceso al recurso. Además existeuna gran diferencia entre las distintastecnologías disponibles en el mercado. Sedistingue entre costo de inversión y costo

de generación. El primero guarda estrecharelación con la infraestructura y la madurezde la tecnología, y se mide en unidadesmonetarias necesarias para generar unaunidad de potencia. El segundo se relacionaen el corto plazo con el precio del recurso

y gastos de mantención y operación; peroal analizar el proyecto en toda su vida útil,también se debe incluir la inversión inicial.Las tablas a continuación despliegan estoscostos para el año 2008 y una proyecciónpara el año 2030.

Tabla 1.3: Potenciales ERNC en Chile

Fte: Stephen F., Román R., Cuevas, F. & Sánchez, P. (2009). ¿Se necesitan represas en la Patagonia?

Santiago: Ocho libros editores.

1.5 POTENCIAL ERNC EN CHILE

Chile es el país más largo del mundo; decosta dotan al país de un enorme potencial

maremotriz. La radiación incidente entrelas latitudes de Temuco y Arica superaa la mayoría de los países europeos; sinconsiderar el desierto de Atacama. Estoofrece una extraordinaria oferta solar.La subsidencia de la placa tectónica de

Nazca por debajo de la Sudamericana, esresponsable del afloramiento superficialdel calor terrestre, explotable por laenergía geotérmicas y los ricos suelos

del sur, generan grandes cantidades debiomasa.

A continuación se muestran losdistintos potenciales de los portadoresERNC en Chile.


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Hay que notar que las fuentes fósiles yla nuclear tienen emisiones contaminantesen su operación. Estas externalidadesnegativas no ocurren en tal magnitud con

las fuentes renovables, cosa que no seencuentra internalizada en los costos quese muestran anteriormente.

La siguiente gráfica muestra loscostos de generación según energéticoincluyendo las externalidades (Lazard,2008, citado en Stephen et al. 2009). Sedestaca que incluso antes de incluirlas,

algunas fuentes renovables ya soncompetitivas en el mercado. Sin embargo,falta aún que se realice un estudio a nivelnacional sobre los costos reales en estepaís.

Tabla 1.4: Costos según tecnología 2008 (fuente IEA 2010)

Tabla 1.5: Costos esperados según tecnología 2030 (fuente IEA 2010)


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1.7 TIEMPO DE AMORTIZACIÓNSEGÚN FUENTE ENERGÉTICA

El tiempo de amortización energéticoindica el tiempo que requiere unainstalación generadora de energíaenrecuperar la energía que fue usada para

su fabricación. Para calcular este gasto, seconsidera una estimación energética parala extracción y conversión de la materiaprima, fabricación de componentes,instalación de la central, la mantención ytodos los procesos de transporte asociados.

En la siguiente ilustración se puedeobservar dos series: el gasto de energíay la generación de energía. El tiempoindica los años desde la puesta en marcha

del sistema. Se observa que ya existe ungran gasto de energía al momento deiniciar la operación; esto corresponde ala energía necesaria para la producción einstalación del sistema. Además existengastos energéticos relacionados a lamantención de las instalaciones, por

ejemplo, el consumo de combustiblede la camioneta del técnico o la energíanecesaria para la fabricación de repuestos,y para la operación misma. Esto serepresenta mediante la pendiente de laserie “Gasto”. Por otro lado,se encuentrala línea de la generación energética, queindica la energía convertida por la central.Por desgaste de materiales, colmatación uotras razones que afectan negativamenteel rendimiento de ésta, es esperable que

esta serie no sea una recta perfecta.

Ilustración 1.7: Costos de generación según fuente energéticafte. Stephen F., Román R., Cuevas, F. & Sánchez, P. (2009). Se necesitan represas en la Patagonia.

Santiago: Ocho libros editores.

Notas: Los costos reflejan ventajas tributarias, depreciación acelerada (cuando es aplicable).]

Se supone: dólar de 2008, deuda del 60% a tasa de 7%, saldo del 40% a 20 años a un costo del 12% anual.Vida de los proyectos de 5 a 20 años, tasa a las ganancias del 40%. Precio del carbón de US$ 2,50/ MBTU y gasnatural US$ 8,00/ MBTU.


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Las distintas tecnologías, tienendistintos tiempos de recuperación. Lasiguiente tabla resume los resultados.

Dependiendo de la definiciónde tiempo de amortización, podríaconsiderarse que las centrales térmicas(marcadas con asterisco) tienen un tiempode recuperación energético infinito,

debido a que usan combustible, el cual

requirió más energía en su formación quela energía que es capaz de liberar.

Entre cada proceso existe una pérdidade eficiencia económica, debido a unmercado de competencia imperfecta,por lo cual la recuperación de la inversiónes siempre mayor a la energética, salvo acasos excepcionales como podría ser elcaso de los subsidios.

1.8 SITUACIÓN ACTUAL DE CHILE

En Chile la matriz energética primariaes gobernada por los recursos fósiles.Existe también un alto porcentaje debiomasa (leña), debido principalmente a lacombustión para calefacción en el sur deChile.

La siguiente figura muestra el consumo

para el año 2008, en Teracalorías.

El punto en el cual se intersectan ambasrectas, corresponde justamente al tiempoen el cual se recupera toda la energíaque fue necesaria para la producción,

mantención y operación del sistemahasta ese momento. Es decir, el tiempo deamortización.

Ilustración1.8: Esquema de la amortización energética

Tabla 1.6:Tiempo de amortización según fuente de energía


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Tabla 1.7: Consumo sectorial en Teracalorías anuales en 2008 (www.CNE.cl)

Ilustración 1.10:“Producción eléctrica nacional según portadores energéticos” (www.CNE.cl)

Ilustración 1.9:Consumo energía primaria en Tera-calorías anuales en 2008” (www.CNE.cl)

Si se realiza un análisis sectorial delconsumo, se observa que una grancantidad de los derivados del petróleo seusan en el transporte. Además se destaca,que más del 50% de la generación eléctrica

es consumida por la industria, lo cualexplica el fuerte acoplamiento entre el PIBy el consumo eléctrico. A continuación semuestra el consumo sectorial actual deChile.


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Este texto tratará, en sus próximoscapítulos, sobre la generación de unportador energético particular: laelectricidad. Hay que notar que ésta

representa un 14% del consumo primarionacional. Este 14% se compone de un 40%de Hidroelectricidad, 25% carbón, 25%Diesel Fuel Oil aproximadamente.

Ilustración 1.11: Energía eléctrica generada en Chile según año(www.CNE.cl)

Tabla 1.8: Potencia instalada 2009 (CNE)

En los últimos 10 años se ha observadoun crecimiento continuo tanto en lacapacidad instalada como también en laenergía generada. Ha habido una fuertedisminución del uso de gas natural, sobretodo tras la crisis del gas con Argentina.

La carencia energética que esto produjo

se ha suplido prácticamente sólo concentrales térmicas tipo Diesel Fuel Oil. Estose muestra el siguiente gráfico.

En particular la potencia instalada en2009 se muestra en la tabla siguiente.

Desde que se aprobó la ley ERNC, ha habido un fuerte crecimiento en los sectoresminihidro y eólico. El efecto de esto se verá pronto en las estadísticas más recientes.


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1.9 BIBLIOGRAFÍA1. Boyle, G. (2004). Renewable energy. Reino Unido: Oxford University Press.

2. Comisión nacional de energía. (2010). CNE. Visitada el 23 de Junio de 2004 desdewww.cne.cl3. Danish Wind Industry Associaton. (12 de Agosto de 2003). Manual de referencia.

Extraído el 14 de Mayo de 2010 desde: http://guidedtour.windpower.org/es/stat/unitsene.htm

4. Palma, R., Jiménez, G. & Alarcón, I. (2009). Las energías renovables no convencionalesen el mercado eléctrico chileno. Santiago: ByB impresiones.

5. Pears, A. Versluis, P. (1993). Scenarios for Alternative Energy in Western Australia. Perth:Government of Western Australia.

6. Román, R. (n.d). Termotecnia. Extraído el 24 de Mayo de 2010 desde: http://www.cec.uchile.cl/~roroman/cap_01/

7. Stephen F., Román R., Cuevas, F. & Sánchez, P. (2009). Se necesitan represas en laPatagonia. Santiago: Ocho libros editores.8. Tyler Miller, G. (2002). Introducción a la ciencia ambiental. España: Ediciones Paraninfo.9. Universidad Augsburg. Der Elektrizitätsmarkt. Visitado el 12 de Junio de 2010

desde: http://www.wiwi.uni-augsburg.de/vwl/welzel/WS_0607/Wb_Pol_Reg/Wettbewerbspolitik_WS0607_Handout2.pdf


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CAPÍTULO 2 Conceptos básicos demáquinas eléctricas

INVERSORESDispositivo que convierte las variableseléctricas en corriente continua (DC) en

alternas (AC). Su utilidad radica en que elvoltaje en los paneles fotovoltaicos y en lasbaterías es continuo, mientras que muchasveces es necesario suministrar cargasalternas.

Las principales características de uninversor son su tensión y potencia nominal,su capacidad de suministrar picos de

potencia transitorios, su eficiencia, y laestabilidad de su tensión de salida.

La distorsión armónica de una idea de loque se asemeja una onda a una sinusoide.Los inversores cuya salida es una ondacuadrada tienen una elevada distorsiónarmónica y son válidos únicamente

para cargas resistivas. Los inversores deonda sinusoidal escalonada (escalonessimulando una onda sinusoidal) puedenalimentar a algunos aparatos electrónicos,aunque para cargas electrónicas sensibles

y motores se deben utilizar inversores deonda sinusoidal pura.

Además, en sistemas eléctricos aisladosde la red el inversor debe ser capazde funcionar en paralelo con otrosgeneradores y sincronizar su onda detensión con ellos. Estos inversores debenser capaces también de generar la ondade tensión cuando ningún otro generadoropera.

2.1 INTRODUCCIÓN

Una máquina eléctrica es un dispositivoque transforma energía eléctrica en otro

tipo de energía, o viceversa. Los tipos deenergía en que se puede transformar laenergía eléctrica son la energía cinética(máquinas rotatorias) o la energía potencialde los campos magnéticos (máquinasestáticas).

Las máquinas eléctricas estáticas son

aquéllas que no tienen partes móviles,tales como los transformadores, queson dispositivos que cambian el nivel de

tensión (voltaje) de la energía eléctrica encorriente alterna, es decir, estos equiposconservan el tipo de energía (eléctrica)entre su entrada y su salida pero modificasus propiedades. También se consideranmáquinas eléctricas estáticas los inversoresy los rectificadores, que son dispositivosencargados de transformar la energíaeléctrica en corriente continua (DC) acorriente alterna (AC) y viceversa.

Las máquinas eléctricas rotatorias son

aquéllas que transforman energía eléctricaen energía mecánica, en cuyo caso se diceque la máquina corresponde a un motor, ola energía mecánica en energía eléctrica,en cuyo caso se dice que la máquinacorresponde a un generador. Todas lasmáquinas rotatorias tienen una partemóvil que se denomina rotor y una partefija que se denomina estator. Al espacio deaire que existe entre la parte fija y móvil


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RECTIFICADORESDispositivo que sirve para convertir latensión alterna en continua. Existen

rectificadores controlados que empleantiristores y transistores, y no controlados,que emplean diodos. También existenconvertidores bidireccionales AC/DC(inversor y rectificador integrados),algunos con regulación de carga debaterías. Las principales características deun rectificador son: la tensión y potencianominal, y su eficiencia.

de la máquina eléctrica se le denominaentrehierro, por estar las otras dos partesconstituidas de este material.

2.2 CIRCUITOS MAGNÉTICOS

2.2.1 CAMPOS MAGNÉTICOS

Para entender el funcionamientode una máquina eléctrica es necesarioconsiderar la presencia de un campomagnético, imprescindible para realizar laconversión de la energía.

Existen materiales, como la magnetita,que naturalmente constituyen imanespermanentes naturales (atraen trozosde hierro). Estos materiales producen uncampo de fuerzas (campo magnético) ensu entorno. La variable que describe estecampo es la densidad de flujo magnético

, que es una variable vectorial cuyadirección es tangente a las líneas de campomagnético y cuya magnitud aumentamientras mayor es la cantidad de líneas por

unidad de área.

La Ilustración 2.1 muestra el campomagnético de un imán permanente,notándose una mayor densidad de líneas

Ilustración 2.1:Campo magnético de un imán permanente.

Una variable vectorial es aquella que sedefine por su magnitud, dirección y sentido.Suelen representarse como flechas en el

plano cartesiano, cuyo largo correspondea la magnitud y la ubicación de la puntade flecha indica el sentido. La variablerepresenta una variable vectorial en el

plano cartesiano.

de campo magnético al interior delmaterial. Además se puede observar laforma típica en que se cierran las líneas de

campo magnético.

Se define el flujo magnético a través deuna superficie como:

La unidad de medida de la densidad

de flujo magnético en el sistema MKS

es el . Para el


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Ilustración 2.2: Campos magnéticos creados por corriente eléctrica.

flujo magnético la unidad de medida es el

.

Otra forma de producir un campo

magnético es a través de una corrienteeléctrica circulando por un conductor

tal como se muestra en la Ilustración 2.2(a). En la Ilustración 2.2 (b) se observa laforma que toma el campo magnético alformar una bobina con el conductor. Esta

configuración, llamada electroimán, es lamás usada en máquinas eléctricas paraproducir campos magnéticos.

2.2.2 LEY DE AMPERE

La ley de Ampere relaciona la densidad

de corriente eléctrica y la densidad de

flujo magnético creado por ésta , talcomo se muestra a continuación:

La integral de la densidad de flujo serealiza sobre una trayectoria cerraday plana, y la segunda integral sobre lasuperficie encerrada por la trayectoriarecién mencionada. La constante se

denomina permeabilidad magnéticadel medio, que para materialesferromagnéticos tiene un valor de

. Si la corrienteeléctrica se encuentra concentrada enun conductor unidimensional se puedeescribir la ecuación anterior como:

Donde es la corriente eléctrica total que

atraviesa la trayectoria encerrada por .

2.3 TRANSFORMADORMONOFÁSICO

El transformador es una máquinaeléctrica estática que opera en corriente

alterna, recibiendo energía a un ciertonivel de tensión y corriente y entregándolaa otro nivel de tensión y corriente. Todoslos transformadores son fundamentalesen los sistemas eléctricos de transmisión ydistribución, donde es importante elevar elvoltaje para transportar la energía eléctricagrandes distancias con pocas pérdidas.

2.3.1 ASPECTOS CONSTRUCTIVOS

Las partes principales de untransformador son el núcleoferromagnético y los enrollados. A medidaque aumenta su potencia nominal, cuentancon una gran cantidad de accesoriosque permiten su operación, instalacióny mantenimiento seguros a través deltiempo.

El núcleo está formado, generalmente

por láminas de acero silicoso. Este núcleo


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laminado tiene por objetivo reducir laspérdidas por corrientes de Foucault. Porotro lado, los enrollados son conductoresde cobre recubierto con aislación adecuada

al nivel de tensión.

2.3.2 PRINCIPIO DEFUNCIONAMIENTO

El transformador monofásico, es undispositivo que consta, en su versión mássimple, de dos o más enrollados enlazadospor un flujo magnético mutuo a través deun núcleo de material ferromagnético,siendo capaz de generar tensionesinducidas a partir de la variación de losflujos que enlazan sus enrollados.

Uno de estos enrollados (primario)se conecta a una fuente de alimentación

alterna , circulando por él una

corriente alterna que genera un flujo

variable en el tiempo cuya magnituddependerá del voltaje aplicado y delnúmero de espiras del primario (vueltas del

conductor). Una parte de este flujoenlaza al otro enrollado (secundario),induciendo en él una tensión también

alterna cuya magnitud dependerádel número de espiras del mismo. Alinducirse esta tensión alterna, el enrolladosecundario también genera un flujo

magnético variable , siendo una parte

del mismo enlazada por el primariopor lo que el resultado global del procesoes un flujo magnético alterno común queenlaza a ambos enrollados:

Se utilizan núcleos de materialferromagnético, pues así el flujo quedaconfinado a un circuito bien definidoy de alta permeabilidad que enlazaambos enrollados, obteniéndose unmejor resultado que con un núcleo de

aire. Por otro lado, una parte de los flujos

alternos inducidos en las bobinas salendel núcleo ferromagnético y por tanto,no enlazan sino al mismo enrollado quelas produce. Estos flujos se conocen como

flujos de fuga y afectan elfuncionamiento del transformador, el cualse presenta en la Ilustración 2.3.

Ley de Inducción Electromagnética(Faraday-Lenz)Establece que el voltaje inducido en uncircuito eléctrico cerrado es directamente

proporcional a la variación temporal delflujo magnético que atraviesa la superficiedefinida por dicho circuito. (Esta ley se

presente en detalle en la sección queexplica el Principio de Funcionamientobásico del generador eléctrico).

PERMEABILIDAD MAGNÉTICAEs la capacidad que tiene un material

para hacer pasar a través de sí un campomagnético, la que se define por la relaciónentre la densidad de flujo magnético yla intensidad de campo magnético queaparece en el interior del material . Losmateriales ferromagnéticos poseenvalores de permeabilidad magnética muy

grandes, y por ello se usan para confinarcircuitos magnéticos, evitando al máximolos flujos de fuga. Se suele representar la

permeabilidad como:


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2.3.3 TRANSFORMADORMONOFÁSICO IDEAL

Un transformador monofásico ideales aquel en el cual no hay pérdidas depotencia ni fugas de flujo magnético (esdecir, donde la permeabilidad del núcleoes infinita comparada con la del aire). Sesupone, en lo que sigue, que el númerode vueltas del enrollado primario esmientras que el número de vueltas del

enrollado secundario es . En este caso elflujo es enlazado totalmentepor las vueltas del primario y lasvueltas del secundario, cumpliéndose (deacuerdo a la Ley de Faraday-Lenz) que:

y

Es decir, se cumple que:

A la razón se le denominausualmente “razón de transformación”y se designa con la letra . Se observa,que cambiando el número de vueltas de

uno y otro enrollado se puede conseguirprácticamente cualquier relación entre lastensiones primaria y secundaria.

Por otro lado, de la conservación de lapotencia se cumple que:

Con lo que, la relación para lascorrientes será igual a:

Para la relación de corrientes anteriordebe considerarse, que ésta es válidasiempre que se cumpla que los flujosgenerados por las corrientes en losenrollados primario y secundario se resten,es decir, tienen sentidos opuestos, encuyo caso se dice que el transformadortiene polaridad sustractiva (tal comose muestra en la Ilustración 2.4). En elcaso en que las corrientes del primario ysecundario generan flujos solidarios quese suman aparecerá un signo negativo enla relación para las corrientes y se dice queel transformador tiene polaridad aditiva(Ilustración 2.5).

Ilustración 2.3: Principio de funcionamiento del transformador monofásico.


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Ilustración 2.4:Transformador de polaridad sustractiva.

Ilustración 2.6: Marcas de polaridad en transformadores monofásicos.

Ambas polaridades se representan con dos puntos ubicados en posiciones diferentesen el secundario de acuerdo a si el transformador es de polaridad sustractiva o aditiva, talcomo se muestra en la Ilustración 2.6:

REGLA DE LA MANO DERECHAPara entender el concepto de polaridades necesario entender en qué dirección

y sentido se producen las líneas de flujomagnético al circular una corrienteeléctrica por una bobina. La dirección y elsentido de estas líneas vienen dados porel lugar hacia el cual apunta el pulgarde la mano derecha al hacer girar dicha

mano en el sentido que lo hace la corrienteeléctrica en el enrollado, tal como semuestra a continuación:

Además de lo anterior, debeconsiderarse que en la realidad lossupuestos que se han planteado no secumplen, por lo que es necesario cambiarlas ecuaciones anteriores, ajustándolas alas pérdidas presentes en un transformadorreal.

2.3.4 TRANSFORMADORMONOFÁSICO REAL – CIRCUITOEQUIVALENTE

El circuito equivalente (Ilustración2.7) representa el comportamientoelectromagnético del transformadorconsiderando las pérdidas de potencia yflujos de fuga.

Ilustración 2.5:Transformador de polaridad aditiva.


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Ilustración 2.7: Circuito equivalente exacto del transformador monofásico.

CORRIENTE DE FOUCAULT Los efectos electromagnéticos en las

máquinas eléctricas producen tensionesinducidas en los núcleos ferromagnéticosde las mismas, los cuales redundan enla circulación de corrientes parásitasindeseadas por ellos, las cuales reciben elnombre de corrientes de Foucault.

HISTÉRESISEs el fenómeno que se produce al someterel núcleo ferromagnético a un campomagnético creciente, en ese caso los

dipolos magnéticos que los constituyen seorientan según el sentido del campo (demanera solidaria). Al disminuir el campo, lamayoría de los dipolos recobran su posicióninicial, sin embargo, otros conservan en

parte su orientación forzada por el campomagnético. Esto produce que quede unainducción magnética remanente inclusocuando desaparece el campo magnéticoexterno al material, lo cual se traduce en

pérdidas en el transformador.

Cada parámetro dentro del circuitoequivalente representa un fenómeno deltransformador real que lo aleja del modelo

ideal.

• Pérdidas en el Cobre:Estas pérdidas son proporcionales al

cuadrado de la corriente que circula porlos enrollados del transformador. Se debena la resistencia en el enrollado primario (R1)y secundario (R2), las que se agregan almodelo del transformador.

• Flujos de Fuga:

Existen flujos de fuga que escapan delmaterial ferromagnético, pues éste notiene permeabilidad magnética infinita.Estos flujos sólo son enlazados por elenrollado que los produce y producen unaautoinductancia en ellos. Este efecto seagrega al modelo mediante las reactanciasde fuga X1 y X2, para el primario ysecundario respectivamente.

• Pérdidas en el Núcleo de Fierro:

Existen pérdidas por corrientes parásitaso de Foucault y pérdidas por histéresisen el núcleo ferromagnético. Todas estaspérdidas son proporcionales al cuadradodel voltaje aplicado al transformador,razón por la cual se incluyen en la rama enparalelo bajo la forma de la resistencia R0.

• Reactancia de Magnetización:Representa la componente de

armónicas en la corriente de excitación y

la componente en cuadratura. La primera

se debe a la curva característica del núcleocon presencia de saturación. La segundase debe al efecto propio de la corriente demagnetización, la cual es la encargada degenerar la fuerza magnetomotriz para quecircule el flujo magnético mutuo enlazadopor ambos enrollados. Ambos fenómenosse presentan mediante la reactancia demagnetización X0, en paralelo con la

resistencia R0.


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Ilustración 2.8: Formas de onda del flujo magnético y la corriente de excitación.

2.3.5 CONTENIDO ARMÓNICO

La saturación magnética del núcleode los transformadores se refiere a que

aunque se aumente indefinidamente elflujo magnético, el aumento de la corrientede magnetización es cada vez menor.Esto tiene efectos sobre la forma de onda

de la corriente de excitación en vacío, yaque, aunque el flujo magnético φ varíesinusoidalmente, debido a la saturación(y también al ciclo de histéresis), la

corriente de excitación no será puramentesinusoidal. La forma de onda del flujo y dela corriente de excitación se muestran en laIlustración 2.8.

En la Ilustración 2.8 se puede observarque la forma de onda de la corriente no essinusoidal debido a la variación no linealde la corriente con el flujo magnético ytampoco es simétrica (debido al ciclo dehistéresis). Es por ello que se dice que laforma de onda de la corriente es una sumade distintas formas de onda de frecuenciadistinta, donde la frecuencia menor sedenomina frecuencia fundamental y sedenomina armónicas a todas las formas de

onda con frecuencias múltiplos de dichafrecuencia fundamental.

Cuando el transformador no estáen vacío, la corriente de excitación sesuperpone a las corrientes de línea hacialas cargas, por lo que el efecto de distorsiónen la forma de onda de la corriente total

puede ser mayor o menor dependiendode la magnitud de la corriente de cargay de la distorsión que las propias cargasintroducen en la forma de onda. Muchasveces, los efectos de las armónicas puedendespreciarse, puesto que la corriente deexcitación de un transformador de podertípico es del orden del 5% de la corrientede plena carga. En consecuencia, losefectos de las armónicas normalmentedesaparecen frente a la presencia de

las corrientes sinusoidales que circulana través de los elementos lineales delcircuito. Cobra relevancia entonces, ladeterminación del contenido armónicode una forma de onda. Uno de los muchosíndices de calidad es el THD (total harmonicdistorsion):


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Donde P0 es la potencia de lacomponente fundamental y Pi con i> 0es la potencia de la armónica i-ésima quecontiene la señal. Este valor debe ser muy

pequeño para formas de onda que sesuponen deben ser sinusoidales.

La aparición de corrientes nosinusoidales origina, consecuentemente,la existencia de tensiones no sinusoidalesen distintos puntos del sistema eléctrico,los cuales finalmente pueden ocasionarla disminución de la vida útil de losequipos de potencia, y la disminuciónde su eficiencia y desempeño, como

por ejemplo, distorsión en la operaciónde controles electrónicos, vibracionesy ruido en equipos electromagnéticos,torques mecánicos pulsantes en máquinasrotatorias, operación incorrecta de sistemasde protección, calentamiento y pérdidasadicionales en máquinas, transformadoresy condensadores, calentamiento deconductores, entre otras.

2.4 SISTEMA TRIFÁSICO

Un sistema trifásico de corrienteses el conjunto de tres conductoresque transportan corrientes alternasmonofásicas de igual frecuencia yamplitud, presentando un desfase entreellas de unos 120° en el tiempo. Cada unade las corrientes monofásicas que formanel sistema se designa con el nombre defase. En los sistemas eléctricos, típicamentelas líneas de media y baja tensión de lasredes de distribución urbanas son trifásicas,mientras que el empalme domiciliario y lasredes al interior del hogar son monofásicas.

Un sistema trifásico de tensionesse dice que es equilibrado cuando suscorrientes son iguales y están desfasadossimétricamente. Cuando alguna de lascondiciones anteriores no se cumple,el sistema se dice desequilibrado odesbalanceado. En un sistema trifásico

equilibrado se cumple que la potenciatrifásica total entregada a la carga trifásica,es igual a tres veces la potencia entregadaa cada fase y carga monofásica (idénticas)

vistas como un sistema monofásico, esdecir:

Y también se cumple que:

Donde es la potencia aparente

trifásica total consumida por la cargamonofásica, es el voltaje entre fases

en la carga, su voltaje fase-neutro,la corriente por la delta de la carga (encaso de estar conectada en delta) e es lacorriente de línea entre el transformador yla carga trifásica, valores todos iguales paracada fase.

Un sistema trifásico presenta una serie

de ventajas sobre los sistemas monofásicosalternos y sobre la corriente continua,como son la economía de sus líneas detransporte de energía, pues para alimentaruna carga de igual potencia eléctrica,las corrientes por los conductores sonmenores que las que se presentan en unsistema monofásico. Además existe unelevado rendimiento en transformadores ymotores trifásicos.

Debido a lo anterior, prácticamentetoda la energía eléctrica en el mundo esgenerada y transmitida por intermedio delíneas de transmisión trifásicas, y demás,suele ocurrir que sea necesario subir obajar varias veces la tensión entre losgeneradores y las cargas.


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2.5 TRANSFORMADOR TRIFÁSICO

2.5.1 INTRODUCCIÓN

La función básica de los transformadoresen circuitos trifásicos es cambiar el nivelde las tensiones (y corrientes) del sistematrifásico. Reciben energía a un cierto nivelde tensión y corriente, y la entregan a otronivel de tensión y corriente, con pocaspérdidas, y con posible introducción dedesfases entre las variables eléctricas.

El principio de funcionamiento de

un transformador trifásico es idénticoal de un transformador monofásico. Enel caso del transformador trifásico sepuede considerar que existen tres paresde enrollados, dos por cada fase, dondecada par actúa como un transformadormonofásico, considerando, luego de verel tipo de conexión y la polaridad, losdesfases angulares introducidos por eltransformador trifásico.

Los transformadores trifásicos secaracterizan mediante su potencia trifásica

( ) y su voltaje entre fases ( ), másparticularmente por la razón entre sus

voltajes entre fase del primario y secundario,es decir, por la razón .

2.5.2 CONEXIONES DE UNTRANSFORMADOR TRIFÁSICO

Los transformadores en conexióntrifásica pueden estar constituidos porbancos trifásicos de unidades monofásicas,sin uniones magnéticas entre ellos, o

bien por transformadores monofásicospropiamente tal, con un núcleo en elcual las tres fases están interconectadasmagnéticamente. En cualquiera de losdos casos anteriores, se conecta cadaprimario a cada una de las fases del sistemade alimentación de modo que en losecundarios se obtenga el sistema trifásicoa otro nivel de voltaje.

Ilustración 2.9: Tipos de conexión de un transformador trifásico: (a) Conexión Y-Y. (b) Conexión Y-∆. (c)

Conexión ∆-Y. (d) Conexión ∆-∆.


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Los tres bornes primarios se puedenconectar entre cada fase y el neutro delsistema en la llamada conexión estrella(Y), o entre fases en la llamada conexión

delta (∆). Del mismo modo los secundariospueden entregar la potencia a la cargaconectados ya sea en estrella o en delta.Así, es posible tener cuatro tipos deconexión básicos: YY, Y∆, ∆Y y ∆∆, dondeel primer símbolo corresponde al tipo deconexión en el primario y el segundo altipo de conexión en el secundario.

Estos cuatro tipos básicos de conexiónse muestran en la Ilustración 2.9.

a) CONEXIÓN YY (ESTRELLA-ESTRELLA):

En esta conexión cada enrolladoprimario se conecta entre una de las fasesy el neutro de la red dealimentación. Delmismo modo, lossecundarios se conectanen Y dando origen a las tres fases y unneutro en común. Lo anterior se muestraen la Ilustración 2.9 (a). Para altas tensiones(mayores a 30 [kV]), la conexión YY es

usualmente preferible desde el punto devista económico, sobre todo si la capacidaddel transformador no es muy elevada.La tensión aplicada a cada enrollado esmenor que la tensión entre fases de lalínea, mientras que la corriente por cadaenrollado es igual a la corriente de línea.Para las tensiones se cumple la ecuaciónsiguiente (para secuencia positiva):

Donde es el voltaje sobre cada

enrollado, y es el voltaje entre fases dela red. La preferencia de esta conexión sedebe a que los enrollados deben soportar

sólo veces la tensión fase-fase,mientras que los niveles de corrientes delínea (a tensiones altas) son relativamente

bajos.

En comparación con la conexión ∆para igual servicio, a la conexión Y lecorresponde una tensión más baja pordevanado y por consiguiente una corriente

más elevada. Esto involucra menoraislamiento y el empleo de secciones deconductor mayores, que dan rigidez a lasbobinas y las protege mejor contra losesfuerzos mecánicos que se producendurante cortocircuitos.

El montaje en estrella permiteademás tener el neutro accesible para laalimentación de las redes de baja tensión,en servicios mixtos de luz y fuerza y, para la

protección, por medio de la puesta a tierraen el lado de alta tensión.

b) CONEXIÓN ∆∆ (DELTA-DELTA):

Cada enrollado se conecta entre dosfases de la red de alimentación en elprimario. Mientras que en el secundariolos secundarios también se conectan en ∆formando tres fases sin neutro, tal como semuestra en la Ilustración 2.9 (d).

Bajo esta conexión los voltajesaplicados a los enrollados son los voltajesfase-fase directamente, mientras que lascorrientes por los enrollados son menoresa las corrientes de línea, cumpliéndose que:

Donde corresponde a la corrientepor los enrollados e a la corriente delínea. Como los enrollados debensoportar tensiones entre fases, estaconexión se emplea con tensiones bajasen primario y secundario (típicamentemenores a los 30 kV). En esas condiciones,las altas corrientes de línea se ven reducidas

en un factor igual a por lo que estasituación resulta ser menos crítica para elcalibre de los conductores.


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c) CONEXIÓN Y∆ (ESTRELLA-DELTA):

Esta conexión corresponde a unacombinación de las conexiones anteriores,

como se muestra en la Ilustración 2.9(b). Junto con cambiar las razones detransformación entre primario y secundario,esta conexión introduce un desfase de 30°entre los voltajes fase-fase de primario ysecundario, y también un desfase similarentre las respectivas corrientes de línea.La conexión Y∆ se utiliza generalmentecon la Y en alta tensión y la ∆ en bajatensión por las razones ya señaladas enlas dos conexiones anteriores, es decir, es

la configuración usual de transformadoresreductores de tensión.

d) CONEXIÓN ∆Y (DELTA- ESTRELLA):

Esta conexión, que se muestra en laIlustración 2.9 (c) es análoga a la anterior,intercambiando primario y secundario. Seutiliza normalmente para elevar voltajes, esdecir, ∆ en baja tensión e Y en alta tensión,sin embargo, una excepción la constituyen

los transformadores de distribución (13kV/380 V), los cuales utilizan conexión ∆Yen lugar de ∆∆ ya que se requiere neutrosecundario accesible en los consumos.

2.5.3 CONEXIÓN TÍPICA DETRANSFORMADORES TRIFÁSICOSEN SISTEMAS ELÉCTRICOS DE

POTENCIALa Ilustración 2.10 muestra la conexión

típica de los transformadores trifásicosen un sistema eléctrico de potencia deacuerdo al nivel de tensión o la necesidado no de neutro. Los generadoreseléctricos, en general entregan voltajesinferiores a 30 kV, por lo que se requierentransformadores elevadores ∆Y para latransmisión a larga distancia. La elevación

de tensión se hace por tramos por lo queexisten transformadores intermediosentre líneas de transmisión en conexiónYY. Al llegar estas líneas a los centros deconsumo, los voltajes deben reducirse aniveles propios de las líneas de distribuciónen media tensión, por lo que se usantransformadores reductores Y∆ formandola red de distribución trifilar que se observaen los postes de media tensión. Finalmente,los ya mencionados transformadores de

distribución (∆Y, pues necesitan de neutroen el consumo) entregan la tensión que sedistribuye en 4 líneas a los consumidoresen 220V (fase-neutro).

Ilustración 2.10: Conexión típica de tra

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