Tesina cocinas de inducción
62
UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS ESPE SEDE LATACUNGA CARRERA DE INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA TITULO: “ESTUDIO DE LA CALIDAD DE ENERGÍA ELÉCTRICA POR INGRESO DE COCINAS DE INDUCCIÓN EN LA RED DE DISTRIBUCIÓN EN LA PARROQUIA DE SAN BUENAVENTURA BARRIO CENTRO” PANCHI GUAMANGALLO ALEX DANILO LATACUNGA, DICIEMBRE 2013 1
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Un estudio introductorio sobre el comportamiento de las cocinas de inducción.
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UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS ESPE
SEDE LATACUNGA
CARRERA DE INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA
TITULO:
“ESTUDIO DE LA CALIDAD DE ENERGÍA ELÉCTRICA POR INGRESO DE
COCINAS DE INDUCCIÓN EN LA RED DE DISTRIBUCIÓN EN LA
PARROQUIA DE SAN BUENAVENTURA BARRIO CENTRO”
PANCHI GUAMANGALLO ALEX DANILO
LATACUNGA, DICIEMBRE 2013
1
DECLARACION
Yo, Alex Danilo Panchi Guamangallo, declaro bajo juramento que el trabajo
aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para
ningún grado o calificación personal; y, que he consultado las referencias
bibliográficas que se incluyen en este documento.
A través de la presente declaración cedo mi derecho de propiedad intelectual
correspondiente a este trabajo, a la Universidad de las Fuerzas Armadas
ESPE, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su
Reglamento y por la normatividad institucional vigente.
Alex Danilo Panchi Guamangallo
2
CERTIFICACIÓN
Se certifica que el presente trabajo fue desarrollado en su totalidad por el señor
Panchi Guamangallo Alex Danilo con número de cedula: 0503238842 bajo mi
supervisión.
_________________________
Ing. Pablo Mena
Docent
e Proyecto Integrador III
3
UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS ESPE
CARRERA DE INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA
DECLARACIÓN DE RESPONSABILIDAD
Yo, Panchi Guamangallo Alex Danilo.
DECLARO QUE:
El proyecto integrador denominado “Calidad de energía eléctrica por ingreso
de Cocinas de Inducción en la red de distribución en la parroquia de San
Buenaventura barrio centro” ha sido desarrollado con base a una investigación
exhaustiva, respetando derechos intelectuales de terceros, conforme las citas
que constan el pie de las páginas correspondiente, cuyas fuentes se incorporan
en la bibliografía.
Consecuentemente este trabajo es de mi propia autoría.
En virtud de esta declaración, me responsabilizo del contenido, veracidad y
alcance científico del proyecto integrador en mención.
Latacunga, Diciembre del 2013.
…..…………………………
Panchi Guamangallo Alex Danilo.
4
TABLA DE CONTENIDO
DECLARACION.........................................................................................2
CERTIFICACIÓN........................................................................................3
DECLARACIÓN DE RESPONSABILIDAD................................................4
TABLA DE ILUSTRACIONES...................................................................8
CONTENIDO DE TABLAS.........................................................................9
RESUMEN.....................................................................................................10
SUMMARY...............................................................................................11
CAPÍTULO I................................................................................................1
GENERALIDADES.....................................................................................1
1.1 OBJETIVOS GENERALES Y ESPECÍFICOS.......................................1
1.1.1 OBJETIVO GENERAL.....................................................................1
1.1.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS...........................................................1
1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA....................................................1
1.3 IMPORTANCIA Y JUSTIFICACIÓN.......................................................2
1.4 ALCANCE..............................................................................................2
1.5 HIPOTESIS............................................................................................2
CAPITULO II...............................................................................................3
2 FUNDAMENTO TEÓRICO...............................................................3
2.1.1 PROPIEDADES DE LA FUERZA MAGNÉTICA....................................3
2.2 LEY DE AMPERE..................................................................................4
2.3 FLUJO MAGNÉTICO.............................................................................4
2.4 INDUCCION MAGNETICA.....................................................................5
2.4.1 LEY DE FARADAY..........................................................................5
2.4.2 LEY DE LENZ..................................................................................6
2.4.3 CORRIENTES DE EDDY................................................................6
2.4.4 ECUACIONES DE MAXWELL1.......................................................6
2.5 COMPOMENTES ELECTRICOS Y ELECTRONICOS..........................7
2.5.1 COMPONENTES PASIVOS............................................................7
2.5.1.1 RESISTENCIAS..............................................................................8
5
2.5.1.2 CONDENSADORES........................................................................8
2.5.1.3 BOBINAS.........................................................................................8
2.5.2 COMPONENTES ACTIVOS............................................................9
2.5.2.1 DIODOS..........................................................................................9
2.5.2.2 TRANSISTOR................................................................................10
2.5.2.3 CIRCUITOS INTEGRADOS..........................................................10
2.6 CALENTAMIENTO POR INDUCCION ELECTROMAGNETICA1........11
2.7 APLICACIONES DEL CALENTAMIENTO POR INDUCCION.............12
2.8 CARACTERISTICAS DEL CALENTAMIENTO POR INDUCCION 7........12
2.9 PARTES DE LA COCINA DE INDUCCION.........................................13
2.9.1 CIRCUITO DE POTENCIA............................................................13
2.9.2 CIRCUITO DE CONTROL.............................................................13
2.9.3 BOBINA.........................................................................................14
2.9.4 PLACA VITROCERAMICA............................................................14
2.9.5 DISIPADOR DE CALOR................................................................14
2.9.6 VENTILADOR................................................................................15
2.10 FUNCIONAMIENTO DE LA COCINA A INDUCCIÓN..........................15
2.11 GENERACIÓN ELÉCTRICA................................................................16
2.12 DEMANDA ELÉCTRICA7.....................................................................17
2.13 PROYECTOS DE EFICIENCIA ENERGÉTICA...................................18
2.14 EQUIVALENTE ENERGÉTICO ELECTRICIDAD - GAS LICUADO DE
PETRÓLEO (GLP).........................................................................................19
2.15 RENDIMIENTO DE LA CADENA ENERGÉTICA PARA EL USO DE
LAS COCINAS DE INDUCCIÓN Y DE GLP..................................................19
2.16 CAMBIO DE ELECTRICIDAD POR GLP COMO ENERGÉTICO DE
COCCIÓN9.....................................................................................................20
2.17 AHORROS PARA EL ESTADO ECUATORIANO9...............................21
2.18 PROGRAMA NACIONAL PARA LA IMPLEMENTACIÓN DEL
SISTEMA DE COCCIÓN EFICIENTE..........................................................22
2.19 PROYECTO PILOTO DE COCINAS DE INDUCCIÓN10......................22
CAPITULO III............................................................................................24
METODOLOGIA DE LA INVESTIGACION..............................................24
3. METODOLOGÍA.....................................................................................24
6
3.1 MÉTODO DEDUCTIVO.......................................................................24
3.2 MÉTODO DE ANÁLISIS......................................................................24
3.3 MÉTODO DE SÍNTESIS......................................................................24
3.4 MÉTODO DIALÉCTICO.......................................................................24
3.5 SISTEMÁTICO ESTRUCTURAL.........................................................25
3.6 HISTÓRICO LÓGICO..........................................................................25
3.7 MÉTODO ESTADÍSTICO.....................................................................25
3.8 MÉTODO DE LA MEDICIÓN...............................................................25
CAPITULO IV...........................................................................................26
4. RESULTADOS............................................................................26
4.1 CONCLUSIONES........................................................................26
4.2 RECOMENDACIONES................................................................26
BIBLIOGRAFÍA........................................................................................27
ANEXO A..................................................................................................30
ANEXO B..................................................................................................32
ANEXO C..................................................................................................36
7
TABLA DE ILUSTRACIONES
Ilustración 2.1 Fuerza de campo magnético........................................................4
Ilustración2.2 Flujo magnético.............................................................................5
Ilustración 2.3 Voltaje generado por inducción....................................................5
Ilustración 2.4 Tipos de inductancias..................................................................9
Ilustración 2.5 Polarización Inversa de un diodo...............................................10
Ilustración 2.6 Junta PNP y NPN de un transistor bipolar.................................10
Ilustración 2.7 Fenómeno del calentamiento por inducción..............................11
Ilustración 2.8 Circuito de potencia...................................................................13
Ilustración 2.9 Circuito de control......................................................................13
Ilustración2.10 Bobinas planas..........................................................................14
Ilustración 2.11 Placa vitroceramicas................................................................14
Ilustración 2.12 Disipadores de calor vista inferior y superior...........................15
lustración2.13 Ventilador...................................................................................15
Ilustración 2.14 Bobinas y su campo magnético..............................................15
Ilustración 2.15 Efecto del campo electromagnético en la olla.........................16
Ilustración 2.16 Elementos activos y su efecto inductivo en la olla..................16
Ilustración 2.17 Potencia efectiva nivel nacional por tipo de central.................16
Ilustración 2.18 Producción de energía eléctrica a nivel nacional para servicio
público por tipo de fuente energética 1999 y 2011............................................17
Ilustración 2.19 Energía eléctrica anual entregada a clientes finales según el
tipo de consumidor 1999 y 2011.10....................................................................18
Ilustración 2.20 Proyectos de eficiencia energética..........................................19
Ilustración 2.21 Equivalente energético electricidad y GLP..............................19
Ilustración 2.22 Rendimiento de una central hidráulica para el uso de cocinas
de inducción......................................................................................................20
Ilustración 2.23 Rendimiento de una central térmica para el uso de cocinas de
inducción...........................................................................................................20
Ilustración B.24 Área de estudio del proyecto...................................................32
Ilustración B.25 Líneas de Distribución del área de estudio..............................33
Ilustración B.26 Transformador de distribución.................................................34
8
Ilustración B.27 Líneas de Distribución en acometidas domiciliarias................35
CONTENIDO DE TABLAS
Tabla 2.1 Tipo de energía potencia nominal y efectiva.....................................17
Tabla 2.2 Principales indicadores eléctricos a nivel nacional 1.........................17
Tabla A.3 Cronograma de actividades del desarrollo del proyecto...................31
Tabla C.4 Principales indicadores eléctricos a nivel nacional 1........................36
9
RESUMEN
El presente proyecto se concentra en el estudio de la calidad energética por el
ingreso masivo de cocinas de inducción y cuáles serán sus efectos a nivel de
distribución.
Uno de los problemas principales en el nuestro país el Ecuador es la demanda
eléctrica por la cual hemos sufrido de muchos apagones a nivel nacional una
de las soluciones de este gobierno es la creación de nuevas centrales a base
de recursos renovables (agua, aire y sol) como son las centrales hidráulicas,
eólicas y solares las que garantizaran que el nivel de energía eléctrica en
nuestro país no será más un problema.
La implementación de proyectos de eficiencia energética tales como la
sustitución de cocinas artesanales por cocinas de inducción brindara una
nueva alternativa para evitar el consumo de GLP en mismo que ocasiona
emisiones de C02 y contaminación ambiental.
El objetivo fundamental es identificar la calidad energética a nivel de
distribución en mismo que será analizado en cuanto a la evolución y situación
actual de la oferta y demanda de la energía eléctrica en el país y asi conocer
los posibles efectos que conllevara en los transformadores y líneas de
distribución y cuáles serán sus posibles soluciones.
10
SUMMARY
This project focuses on the study of power quality by the massive influx of
induction cookers and what its effects at the distribution level.
One of the main problems in our country Ecuador electricity demand is why
many have suffered nationwide outages of the solutions of this government is
the creation of new power plants based on renewable resources (water, air and
sun) such as hydraulic , wind and solar plants that would ensure that the level of
power in our country is no longer a problem ..
The implementation of energy efficiency projects such as the replacement of
handmade kitchens for induction cooking uan would provide new alternative to
avoid the consumption of LPG in ocaciona same C02 emissions and pollution.
The main objective is to identify power quality level distribution which will be
analyzed in terms of the evolution and current situation of supply and demand
of electricity in the country and also know the possible effects that entailed in
transformers and lines distribution and what are possible solutions.
11
CAPÍTULO I
GENERALIDADES
1.1OBJETIVOS GENERALES Y ESPECÍFICOS
1.1.1 OBJETIVO GENERAL
Realizar un estudio acerca del efecto del ingreso masivo de cocinas de
inducción en cuanto a alteraciones en la calidad de energía eléctrica en las
redes eléctricas de distribución ya que no fueron consideradas con cargas
en el diseño de las mismas.
1.1.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS
Recopilar información histórica de la demanda eléctrica en el Ecuador y
sobre la calidad de energía eléctrica.
Realizar un análisis de la calidad de energía eléctrica con la ayuda de
un programa informático (Etap) con cocinas de inducción como carga.
Investigar y proponer un modelo con el cual se realizarán las respectivas
proyecciones en cuando a diseño de redes de distribución considerando
como cargas a cocinas de inducción.
1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El Ingreso masivo de cocinas de inducción, podría ocasionar posibles fallas en
la calidad de energía eléctrica en las redes de distribución debido a que no
consideran las cocinas de inducción como carga.
1
1.3 IMPORTANCIA Y JUSTIFICACIÓN.
Al no tener un buen estudio sobre la implementación del proyecto de eficiencia
energética en cuanto a cocinas de inducción no se conoce los efectos que se
producirán, lo que se quiere lograr es prevenir daños en las redes de
distribución de tal manera garantizar las calidad de energía eléctrica al usuario
final.
Mediante este estudio se garantizara una pauta para la toma de decisiones
para las diferentes empresas distribuidoras de energía siendo los principales
beneficiarios tanto como los usuarios.
1.4ALCANCE
Realizar un estudio para determinar la factibilidad del desarrollo de la misma y
así poder establecer las condiciones para un óptimo funcionamiento de las
redes de distribución con cocinas de inducción como carga.
Tomar pautas para mejorar el diseño de las redes de distribución y determinar
si la capacidad de los transformadores de distribución no sufrirán sobrecargas
en horas pico de consumo eléctrico.
1.5 HIPOTESIS
Debido al ingreso de cocinas de inducción se darán cambios en la
calidad de energía eléctrica en las redes de distribución del sector de
San Buenaventura Barrio-Centro
2
CAPITULO II
2 FUNDAMENTO TEÓRICO
2.1 DEFINICION DEL CAMPO MAGNETICO1
Un campo magnético es una descripción matemática de la influencia magnética
de las corrientes eléctricas y de los materiales magnéticos. El campo
magnético en cualquier punto está especificado por dos valores, la dirección y
la magnitud; de tal forma que es un campo vectorial. Específicamente, el
campo magnético es un vector axial, como lo son los momentos mecánicos y
los campos rotacionales.
2.1.1 Propiedades de la fuerza magnética
a) La fuerza magnética es proporcional a la carga q y ña velocidad v de la
partícula.
b) La magnitud y la dirección de la fuerza magnética depende de la
velocidad de la partícula y de la magnitud y dirección del campo
magnético.
c) Cuando una partícula se mueve en dirección paralela al vector campo
magnético, la fuerza magnética F sobre la carga es cero.
d) Cuando la velocidad hace un ángulo Ɵ con el campo magnético, al fuerza
magnética actúa en una dirección perpendicular tanto a v como a B, es
decir, F es perpendicular al plano formado por v y B.
e) La fuerza magnética sobre una carga positiva tiene sentido opuesto a la
misma fuerza que actúa sobre una carga negativa que se mueve en la
misma dirección.
Si el vector velocidad hace un ángulo Ɵ con el campo magnético, la magnitud
de la fuerza magnética es proporcional al sen Ɵ.
De las propiedades descritas se puede escribir la siguiente fórmula para la
fuerza magnética
3
F=qv x B (1)
La dirección de B es congruente con la regla de la mano derecha
Ilustración 2.1 Fuerza de campo magnético.
La unidad del campo magnético en el SI es el Webber por metro
cuadrado(Wb/m^2), también llamado Tesla (T). Se puede interpretar y
relacionar con las unidades fundamentales a la unidad del campo magnetico de
la siguiente forma.
|B|=T=Wbm2
= Ncm /s
= NA .m (2)
2.2Ley de ampere
La ley de ampere establece que la integral de línea de B.ds alrededor de
cualquier trayectoria cerrada es igual a U0* I donde I es la corriente estable total
que pasa a través de cualquier superficie ilimitada por la trayectoria cerrada.1
∮B .ds=u0 I (3)
Generalizando la ley de ampere tenemos:
∮B .ds=u0 ( I+ I d )=uo I+uo∈0dφedt
(4)
2.3Flujo magnético
1 Salazar Fernando, 2010, Estudio técnico- comparativo del ingreso de cocinas de inducción, Tesis de grado Ing. Mecánica, EPN.
4
Para describir el flujo magnético se considera un elemento de área Da sobre
una superficie de forma arbitraria como se muestra en la figura si el campo
magnético de este elemento es B, entonces el flujo magnético a través del
mismo es B Da, donde Da es el vector perpendicular a la superficie cuya
magnitud es igual a dA.
Ilustración2.2 Flujo magnético
Por lo tanto, el flujo magnético total ∅ m a través de toda la superficie esta dado por:
∅ m=∫BdA (5)
2.4INDUCCION MAGNETICA2
2.4.1 Ley de Faraday
Alejado o cercano a un imán permanente hacia una espira conectada a un
galvanómetro, como se muestra en la figura se tiene que cuando se mueve en
una dirección al imán, la aguja del galvanómetro también lo hace, si se lo
invierte el movimiento del imán la aguja se mueve en la otra dirección.
2 SERWAY, Raymond, Electricidad y magnetismo, Mc Graw Hill, Tercera Edición USA, 1995, pág. 205-260
5
Ilustración 2.3 Voltaje generado por inducción
La fem inducida en un circuito es directamente proporcional a la rapidez de
cambio magnético a través del circuito.3
ϵ=−dφmdt
(6)
Si el circuito consta de una bobina de N espiras, todas de la misma área y si el
flujo pasa a través de todas las espiras, la fem inducida está dada por:
ϵ=−N dφmdt
(7)
2.4.2 Ley de Lenz
La dirección de la fem inducida y la corriente inducida se determina mediante
la ley de Lenz, la cual dice que la polaridad de la fem inducida produce una
corriente eléctrica que genera un flujo magnético que se opone al cambio en el
flujo magnético a través de un circuito.
2.4.3 Corrientes de Eddy
Cuando se tiene un campo magnético variable, se induce una fem y una
corriente en un circuito, en la misma forma corrientes circundantes, llamadas
corrientes parasitas, se originan en el metal que es sometido a campo
magnético variable.
2.4.4 Ecuaciones de Maxwell1
3 INCROPERA,FRANK; DEWITT, David; Fundamentos de Transferencia de Calor, Prentice Hall; Cuarta edición; México 2006
6
La contribución de James Clerk Maxwell fue reunir en estas ecuaciones los
resultados experimentales de varios años, debidos a: Coulomb, Gauss,
Ampere, Faraday y otros; introduciendo los conceptos de campo y corriente de
desplazamiento, y unificando los campos eléctricos y magnéticos en un solo
concepto: el campo electromagnético. Las ecuaciones son:
Conocida como la ley de Gauss, establece que el flujo eléctrico total a través
de cualquier superficie cerrada es igual a la carga neta (Q) dentro de esta
superficie dividida entre la constante ϵ 0, esta ley relaciona el campo eléctrico
con la distribución de carga, donde las líneas de campo eléctrico se origina en
la cargas positivas y terminan en las cargas negativas.
∮EdA=Qϵ 0
(8)
Conocida como la ley de Gauss del magnetismo, establece que el flujo
magnético total a través de una superficie cerrada es cero, es decir las líneas
de campo magnético no puede empezar o terminar en ningún punto.
∮EdA=0 (9)
La ley de inducción de Faraday, la cual describe la relación entre un campo
eléctrico y un flujo magnético variable. La ley que la integral de línea de campo
eléctrico alrededor de cualquier trayectoria cerrada es igual a la razón de
variación de flujo magnético a través de cualquier área superficial limitada por
su trayectoria.
ϵ=−d∅m
dt (10)
La ley dé ampere, la cual describe la relación entre los campos eléctricos y
magnéticos y las corrientes eléctricas. La ley enuncia que la integral de línea
del campo magnético alrededor de cualquier trayectoria cerrada se determina
mediante la suma de la corriente de conducción total a través de la razón de la
trayectoria y la razón de la variación del flujo eléctrico a través de cualquier
superficie limitada por esa trayectoria.
∮Bds=u0 I+u0 ϵ0 dφedt (11)
7
2.5COMPOMENTES ELECTRICOS Y ELECTRONICOS4
Se clasifican en dos grandes grupos en componentes pasivos y activos.
2.5.1 Componentes pasivos
Son aquellos que no intervienen en la contribución de energía o en
amplificación para un circuito o sistema eléctrico, estos componentes no
realizan acciones de control, y necesariamente una señal eléctrica para realizar
su función.
Resistencias
Condensadores
Bobinas
Conductores
Interruptores
Conectores, etc.
2.5.1.1 Resistencias
Se le llama resistencia eléctrica a la igualdad de oposición que tienen los
electrones para desplazarse a través de un conductor. La unidad de resistencia
en el Sistema Internacional es el ohmio, que se representa con la letra griega
omega (Ω), en honor al físico alemán George Ohm, quien descubrió el principio
que ahora lleva su nombre
La potencia, las resistencias vienen normalizadas de acuerdo a la potencia que
esta la disipa en forma de calor.
2.5.1.2 Condensadores
Es un dispositivo pasivo, utilizado en electricidad y electrónica, capaz de
almacenar energía sustentando un campo eléctrico.
El valor de un condensador expresa la habilidad que tiene este para almacenar
cargas eléctricas que se denomina capacidad y sus unidades son los faradios.
4 Hernández Jorge, Duque Edison, CEKIT S.A Curso fácil de electrónica moderna, Componentes y teoría de circuitos, 1999.
8
2.5.1.3 Bobinas
Un inductor está constituido normalmente por una bobina de conductor,
típicamente alambre o hilo de cobre esmaltado. Existen inductores con núcleo
de aire o con núcleo hecho de material ferroso (por ejemplo, acero magnético),
para incrementar su capacidad de magnetismo.
Auto inductancia: Cuando se somete a un campo magnético a un conductor
(en este caso la bobina) se induce un voltaje en los extremos, que a su vez
produce una corriente; esta corriente de acuerdo a la ley de Lenz es la que se
opone a los cambios de corriente que produce el campo magnético.
Criterios para selección de una bobina
Numero de vueltas de bobina
Área(diámetro) de cada vuelta
Permeabilidad del núcleo
Longitud
Ilustración 2.4 Tipos de inductancias
2.5.2 Componentes activos
Son aquellos que sirven para controlar el voltaje, corrientes y que puedan crear
una acción de amplificación o de conmutación.
Diodos
Transistores
Circuitos integrados
Tiristores
Transductores, etc.
2.5.2.1 Diodos
9
El diodo es el elemento semiconductor más importante, se puede decir que es
diodo es como una compuerta de la corriente eléctrica que deja pasar el flujo
de electrones en un solo sentido, es decir dependiendo de la dirección de la
corriente, el diodo se puede comparar como aislante o como conductor.
Ilustración 2.5 Polarización Inversa de un diodo
2.5.2.2 Transistor
El transistor es un dispositivo electrónico semiconductor utilizado para producir
una señal de salida en respuesta a otra señal de entrada. 1 Cumple funciones
de amplificador, oscilador, conmutador o rectificador.
Ilustración 2.6 Junta PNP y NPN de un transistor bipolar
2.5.2.3 Circuitos integrados
Un circuito integrado (CI), también conocido como chip o microchip, es una
pastilla pequeña de material semiconductor, de algunos milímetros cuadrados
de área, sobre la que se fabrican circuitos electrónicos generalmente mediante
10
fotolitografía y que está protegida dentro de un encapsulado de plástico o
cerámica.
El encapsulado posee conductores metálicos apropiados para hacer conexión
entre la pastilla y un circuito impreso.
2.6 CALENTAMIENTO POR INDUCCION ELECTROMAGNETICA1
El calentamiento se basa en las leyes de la inducción magnética (ley de
Faraday y ley de Ampere) en combinación del efecto Joule.5
¿=∮H dI=HI (12)
Dónde:
N es el número de espiras del inductor
I es la corriente que lo atraviesa
H es el campo magnético
L es la longitud del círculo.
El calentamiento se produce por la corrientes inducidas de Foucault o de Eddy,
las cuales disipan energía en forma de calor como se establece en la ley de
Faraday.
Ilustración 2.7 Fenómeno del calentamiento por inducción
5 GOMEZ, Esteve; Tesis doctoral1999. “Influencia de los componentes parásitos en el análisis y diseño de inversiones resonantes paralelo para aplicaciones de calentamiento por inducción”, universidad de valencia.
11
Mediante la siguiente formula
P=I 2∗Req (13)
Dónde:
P potencia disipada
I, corriente de Eddy
Req, resistencia equivalente de la pieza a calentar.
2.7APLICACIONES DEL CALENTAMIENTO POR INDUCCION
La aplicación del calentamiento por inducción es muy amplia principalmente en
la industria de transformación metálica, aunque actualmente mediante el
desarrollo de circuitos electrónicos de control
Más eficiente el calentamiento por inducción se aplica también para la cocción
de alimentos se aplica en:
Tratamientos térmicos
Forja
Fusión
Soldadura
Cocinas de inducción
2.8 CARACTERISTICAS DEL CALENTAMIENTO POR INDUCCION 7
La eficiencia energética y termina del proceso de calentamiento por inducción
dependen principalmente de dos características.
El efecto piel que caracteriza la distribución de las corrientes inducidas
en la pieza. Al aumentar la penetración del campo magnético, disminuye
su intensidad y por ende las corrientes inducidas.
La potencia disipada en la pieza caracteriza el rendimiento del fenómeno
eléctrico.
Los parámetros más importantes que intervienen en el proceso de
calentamiento por inducción son:
12
La frecuencia de la corriente
La naturaleza del material a calentar y su estado
La intensidad del campo magnético inductor
El acoplamiento entre inductor y pieza a calentar
El tipo de inductor y sus características geométricas
La naturaleza del material conductor del inductor.
2.9PARTES DE LA COCINA DE INDUCCION
2.9.1 Circuito de potencia
El circuito de potencia es el encargado de convertit la corriente de entrada de
60 Hz en corriente de frecuencia de 24 kHz, lo hace por medio de un circuito
resonante paralelo, un rectificador y un transisror IGBT como se muestra en el
figura.
Ilustración 2.8 Circuito de potencia
2.9.2 Circuito de control
Es el circuito en cual mediante en usuario controla las opciones del artefacto,
como son el encendido y apagado, el nivel de temperatura alcanzada y otras
opciones como el tiempo.
13
Ilustración 2.9 Circuito de control
2.9.3 Bobina
Es una bobina plana, multifilar, conformada por 28 alambres de cobre
electrolítico aislado, entorchados helicoidalmente de calibre de 0.5mm.
Formada por 22 espiras diámetro exterior de 16 cm y diámetro interior de 4.2
cm, posee 6 núcleos de ferrita.
Ilustración2.10 Bobinas planas
2.9.4 Placa vitroceramica
No permite la transferencia de calor desde la olla hacia la cocina, con lo que se
minimizan las perdidas por conducción hacia el bastidor, también protege la
bobina como los circuitos.
Coeficiente de dilatación térmica entre -100ºC a 700ºC.
14
Ilustración 2.11 Placa vitroceramicas
2.9.5 Disipador de calor
Transfiere de calor desde os componentes electrónicos de potencia (IGBT y
RECTIFICADOR) hacia el medio ambiente, consta de 15 aletas en la parte
superior y en inferior de 6 aletas.
Ilustración 2.12 Disipadores de calor vista inferior y superior
2.9.6 Ventilador
Aumenta el coeficiente de trasferencia de calor del disipador para mantener los
elementos en condiciones estables de trabajo.
lustración2.13 Ventilador
2.10 FUNCIONAMIENTO DE LA COCINA A INDUCCIÓN6
6 Alberto Tama Franco,2013, Asesor de Gerencia General de la Corporación Eléctrica del Ecuador, cocinas de inducción versus cocinas a gas(GLP). Pág. 1.Obtenidad 16-12-2012 desde: http://www.slideshare.net/albertama/cocina-de-induccin-versus-cocina-a-gas-glp
15
Una corriente (I) de frecuencia variable (60-24KHz), la misma que genera una
densidad de flujo magnético alterno, con la misma frecuencia varia la corriente
en la bobina.
La bandeja (cacerola, olla, sartén, etc.)se asienta en la zona de cocción es muy
parecida a la bobina en espiral. El campo magnético generado será casi el
mismo en el recipiente.
La corriente que circula por el recipiente disipa energía en forma de calor por
efecto joule de manera elevada y rápida. Donde las moléculas de hierro de
mueven a 20000 a 50000 veces por segundo, produciendo calor.
Ilustración 2.16 Elementos activos y su efecto inductivo en la olla
2.11 GENERACIÓN ELÉCTRICA7
7 Generación eléctrica, demanda eléctrica, 2012, CONELEC-Ecuador, obtenida: 15-12.2013 desde la
dirección: www.conelec.gob.ec
16
Ilustración 2.14 Bobinas y su campo magnético
Ilustración 2.15 Efecto del campo electromagnético en la olla
A través de los años el crecimiento de la generación eléctrica no ha sido acorde
al crecimiento de la demanda eléctrica. Pese al crecimiento de la generación
hidráulica, térmica e introducción de nuevas tecnologías, ha sido necesaria la
importación de energía. De esta forma lo representado gráficamente
corresponde a la potencia que estuvo disponible en el Ecuador durante el año
2011 en cada uno de los sistemas indicados.
Ilustración 2.17 Potencia efectiva nivel nacional por tipo de central
Tabla 2.1 Tipo de energía potencia nominal y efectiva
Hidráulica58%
So-lar0.0003
%
Eólica0.02%
Turbo-va-por
*0.7%MCI
11%
Turbo-gas10%
Turbo-va-por13%
Importación7%
Producción de energía (GWh)2011
Ilustración 2.18 Producción de energía eléctrica a nivel nacional para servicio público por tipo de fuente energética 1999 y 2011
2.12 DEMANDA ELÉCTRICA7
17
El CONELEC por medio de consultas a las empresas distribuidoras recoge
continuamente datos importantes en cuanto a energía entregada, facturación,
número de clientes y sus respectivos precios medios, estos datos son
importantes para distinguir la evolución de demanda eléctrica y por tanto
pronosticar su futuro.
Tabla 2.2 Principales indicadores eléctricos a nivel nacional 1
1999 20110
100020003000400050006000
2960
5351
1264
29562073
4798
593 883841 1261
Energía eléctrica anual entregada a clientes finales (GWh)
Residencial Comercial Industrial Al. Público Otros
Ilustración 2.19 Energía eléctrica anual entregada a clientes finales según el tipo de consumidor 1999 y 2011.10
En el período 1999 - 2011, la tasa de crecimiento acumulativa anual de la
energía eléctrica entregada alcanzó el 5,8%, siendo los sectores comercial e
industrial con mayor crecimiento. En cuanto al número de clientes su tasa de
crecimiento acumulativa anual alcanzó el 4,8%, lo que muestra mayor
cobertura y desarrollo del país. Mientras que el precio medio subió de 4,3 a 7,8
¢USD/kWh, actualmente las tarifas más altas son para los sectores de
alumbrado público y residencial. Debido al crecimiento de los indicadores antes
mencionados, la facturación registra una tasa de crecimiento de 11,2% lo que
representa una variación de 333 a 1 190 millones de dólares.
18
2.13 PROYECTOS DE EFICIENCIA ENERGÉTICA8
La Eficiencia Energética es realizar un aprovechamiento óptimo de la energía, y
ello no implica renunciar a la calidad de vida sino obtener los mismos bienes,
servicios y realizar las mismas actividades sin desperdiciarla. En Ecuador, la
Eficiencia Energética se ha venido desarrollando a través de diferentes
programas y proyectos promovidos por el actual Gobierno a nivel de sustitución
tecnológica (tales como el proyecto de Focos Ahorradores, Plan Renova, etc.)
de gestión y con la trasformación de los hábitos culturales de la población.
Ilustración 2.20 Proyectos de eficiencia energética
2.14 EQUIVALENTE ENERGÉTICO ELECTRICIDAD - GAS LICUADO DE
PETRÓLEO (GLP)
La equivalencia entre combustibles comienza con la consideración de los
contenidos caloríficos de la electricidad y del gas licuado de petróleo (GLP).
Por ejemplo, si la electricidad y el GLP fueran utilizados al 100% de eficiencia,
1 kilogramo de GLP equivale a 13.66 kWh de electricidad.
8 Proyectos de eficiencia energética, 2013, MEER, pág. 3 obtenida: 15-12.2013 desde la dirección: http://www.energia.gob.ec/eficiencia-energetica-sector-residencial/
19
Ilustración 2.21 Equivalente energético electricidad y GLP
2.15 RENDIMIENTO DE LA CADENA ENERGÉTICA PARA EL USO DE LAS
COCINAS DE INDUCCIÓN Y DE GLP9
La generación hidroeléctrica hasta el uso final de la cocina de inducción se
determina que el rendimiento del conjunto, para usar 0.806 kWh en el uso final
debe tenerse un potencial hidroeléctrico de 1.424 kWh. Esto representan un
rendimiento total del 56.6%.
Ilustración 2.22 Rendimiento de una central hidráulica para el uso de cocinas de inducción
De la generación termoeléctrica en el Ecuador, de la información estadística se
obtuvo la energía eléctrica generada por centrales que utilizan combustibles
fósiles y biomasa llegando a 9.407 GWh durante el 2011 (ver Tabla 5), esto
representó el 43.1% de la producción total.
Ilustración 2.23 Rendimiento de una central térmica para el uso de cocinas de inducción
2.16 CAMBIO DE ELECTRICIDAD POR GLP COMO ENERGÉTICO DE
COCCIÓN9
El consumo medio de los hogares ecuatorianos es de 1.47 cilindros de 15 kg al
mes. El consumo de electricidad se incrementaría en 7,800.45 GWh al año,la
9 Jorge Patricio Muñoz; 2013. Análisis de la incidencia del uso de cocinas eléctricas de inducción; rendimiento de calidad energética; pág. 6, obtenido: 16-12-2013 desde la dirección: http://www.monografias.com/trabajos96/analisis-incidencia-del-uso-cocinas-electricas-induccion/analisis-.
20
demanda 2012 fue de 16,090.02 GWh al año, representa un crecimiento del
48.5%.
Los costos de la energía eléctrica es de 8.265 cUSD/kWh. Cada hogar insertos
en el programa de uso eficiente de energía pagará mensualmente USD 15.50
adicionales por el consumo de electricidad (valor equivalente a 1.47 cilindros de
15 kg).
Escenario 1
Se da el subsidio del gas (GLP) y no se contempla un subsidio a la electricidad
(8.265 cUSD/kWh), el usuario con una cocina de inducción pagaría el 11.9%
más bajo que con una cocina de GLP (relación de pago mensual entre USD
15.50 y USD 17.60).
Escenario 2
Baja el precio de la electricidad el pago adicional a realizar será de USD 9.87
por mes (sin tasas e impuestos 7.746 cUSD/kWh), lo que representa el 43.9%
más bajo que el uso del GLP (USD 17.60 sin subsidio).
2.17 AHORROS PARA EL ESTADO ECUATORIANO9
El subsidio del Estado al uso del GLP en el 2012 fue de USD 522.3 millones y
el subsidio por déficit tarifario de USD 81.63 millones lo que suma USD 603.9
millones.
En caso de eliminarse el subsidio al GLP, implementarse el programa de uso
eficiente en el sector urbano, el Estado deberá reconocer por concepto de
déficit tarifario el valor de USD 109.2 millones, es decir se habrá ahorrado el
valor de USD 494.7 millones al año.
21
En caso que se otorgue el subsidio total a los 100 kWh de los hogares insertos
en el programa, el Estado deberá reconocer por este concepto el valor de USD
234.0 millones que sumado al déficit tarifario de USD 109.2 millones resulta el
valor total de USD 343.2 millones. Existiendo un ahorro para el Estado de
260.7 millones al año.
2.18 PROGRAMA NACIONAL PARA LA IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA
DE COCCIÓN EFICIENTE10
Actualmente el 91% de los hogares ecuatorianos utilizan el “Gas” (GLP) para la
cocción de alimentos, lo que significó que el Gobierno Nacional gaste USD
710.949.570 en el año 2012 como subsidio, a fin de mantener congelado el
precio del energético.
Gracias al cambio de la matriz energética prevista para el año 2016, el Ecuador
dispondrá de energía eléctrica producida en su mayor parte por centrales de
energía renovable (proyectos hidroeléctricos, parques eólicos y solares) con
costos de operación bajos respecto a sus similares que usan combustibles
fósiles
Una de las decisiones a implementar tomando en cuenta la disponibilidad de
electricidad futura, es el incremento de la participación de la energía eléctrica
en otros usos, como por ejemplo la cocción de alimentos, es así que se ha
planteado el Programa el cual busca la incorporación de 3.675.992 cocinas de
inducción en un período de 3 años, lo que permitirá contribuir al cambio de la
matriz energética del país a través de la reducción de la demanda de GLP en el
sector residencial; disminuir el gasto en subsidio al GLP, disminuir las
importaciones de GLP, apoyar favorablemente a la Balanza Comercial,
estimular la producción nacional de equipos y electrodomésticos de alta
eficiencia; y disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero que
potencian el calentamiento global.
10 Proyectos de eficiencia energética, 2013, MEER, pág. 5 obtenida: 15-12.2013 desde la dirección: http://www.energia.gob.ec/eficiencia-energetica-sector-residencial/
22
2.19 PROYECTO PILOTO DE COCINAS DE INDUCCIÓN10
El proyecto se implementó originalmente en las parroquias de Urbina, Tufiño,
Julio Andrade, El Carmelo, Maldonado y Chical, llegando a cerca de 3.200
beneficiarios; sin embargo, durante el 2012, Emelnorte realizó el diagnóstico de
la red de distribución en los cantones Huaca y Tulcán, así como la socialización
del proyecto en dichas comunidades, a fin de proceder a la entrega de 2.200
kits de cocción a las familias, hasta junio de 2013.
Adicionalmente en el año 2012 se desarrolló un estudio sobre el impacto por el
uso de cocinas de inducción en la red de distribución eléctrica, en el cual se
concluye que los parámetros para determinar la calidad de la energía se
encuentran dentro del límite permitido por la regulación CONELEC 004/01
“Calidad del Servicio Eléctrico de Distribución”. El consumo de energía eléctrica
promedio medido para el caso de los centros poblados corresponde a 60
kWh/mes; y en el caso de las zonas rurales se midieron consumos promedio de
39 kWh/mes. El total del consumo mensual de energía eléctrica
correspondiente a las 3.200 familias, equivale a una reducción estimada del
30% del consumo de GLP; es decir, 1440 cilindros por mes, para el caso en el
que se hubiese restringido el consumo del GLP en el porcentaje indicado.
Adicionalmente se elaboraron los pliegos para la contratación de la consultoría
que evaluará los impactos socio-económicos a nivel de las familias que se
beneficiaron con el proyecto.
23
CAPITULO III
METODOLOGIA DE LA INVESTIGACION
3. METODOLOGÍA
3.1Método deductivo
En el avance de la presente investigación se trabajará en base a los resultados
obtenidos de fuentes como MEER CONELEC, CENACE, etc. A través de la
inducción desenvolveremos las diferentes técnicas y métodos sobre una
planificación específica que nos permita ejecutar debidamente el estudio de
calidad energética con implementación de cocinas de inducción.
3.2Método de análisis
A través de la aplicación del presente método; se podrá obtener un
esclarecimiento de los aspectos específicos que producen problemas en el
área eléctrico de tal manera identificar la causa y efectos que producirá las
cocinas de inducción, además ayudará a resumir los aspectos más importantes
y las consecuencias que trascienden en estas áreas.
3.3Método de síntesis
Con la ayuda de este método partiremos de lo más simple a lo más complejo,
de la causa del implementar las cocinas de inducción a los efectos que puede
ocasionar en sobrecargas y calidad de energía eléctrica.
3.4Método dialéctico.
El método dialéctico se considera como fenómenos históricos y sociales en
continuo cambio de tal manera que se aplicará concibiendo y mirando el
desarrollo de la eficiencia y eficacia de las actividades relacionadas al estudio
sobre la sociedad y las cocinas de inducción.
24
3.5Sistemático Estructural.
Este método se utilizará para categorizar los contenido, el fundamento teórico
así como también los datos acerca de los efectos de las cocinas de inducción.
3.6Histórico lógico.
Mediante este método se obtendrá datos que respalden la información
preliminar del objeto de estudio conociendo acerca de calidad de energía
eléctrica.
3.7Método estadístico
Para la investigación hacer desarrollada nos valdremos de la estadística
descriptiva ya que organiza, resume los datos; en donde nos permitirá a través
de cuadros, tablas de frecuencia, porcentajes, media aritmética, interpretar los
resultados obtenidos.
3.8Método de la medición.
La medición es el método que se desarrolla con el objetivo de obtener
información numérica acerca de los efectos de las cocinas de inducción, para
comparar magnitudes medibles y conocidas en la calidad de energía eléctrica.
25
CAPITULO IV
4. RESULTADOS
4.1CONCLUSIONES
Mediante datos de CENACE, CONELECy mediante los proyectos de
eficiencia energética se conoció datos acerca de generación eléctrica
en Ecuador de tal manera que se abastece la demanda Nacional,
manteniendo los niveles de calidad de energía eléctrica en los rangos
permitidos por la CONELEC.
Mediante los análisis de carga realizados en Etap y datos obtenidos en
el plan piloto en Tulcán se obtuvieron datos acerca de la variación de la
calidad de energía eléctrica con y sin cocinas de inducción como carga,
en cierto caso se estableció mejoras en el sistema de distribución.
Para las proyecciones en tanto a cocinas de inducción como proyecto de
eficiencia energética y en base a datos obtenidos al plan piloto en
Tulcán y simulaciones en Etap se debe incrementar la eficiencia de las
empresas de distribución en cuanto a calidad del servicio de energía
eléctrica, nivel de voltaje, perturbaciones, Factor de Potencia, Servicio
Técnico, para mantenerse en los rangos permitidos por el CONELEC.
4.2RECOMENDACIONES
Realizar capacitaciones técnicas acerca de cómo es el funcionamiento
de las cocinas de inducción a los beneficiarios.
Contemplar planes de mejoramiento en las líneas de distribución ya sea
en cables y transformadores.
Incrementar la cobertura del servicio eléctrico en el país y aumentar y
acceso de servicio de electricidad de la población rural y urbano-
26
marginado.
BIBLIOGRAFÍA
[1] Salazar Fernando, 2010, Estudio técnico- comparativo del ingreso de
cocinas de inducción, Tesis de grado Ing. Mecánica, EPN.
[2]SERWAY, Raymond, Electricidad y magnetismo, Mc Graw Hill, Tercera
Edición USA, 1995, pág. 205-260
[3]INCROPERA, FRANK; DEWITT, David; Fundamentos de Transferencia de
Calor, Prentice Hall; Cuarta edición; México 2006
[4]Hernández Jorge, Duque Edison, CEKIT S.A Curso fácil de electrónica
moderna, Componentes y teoría de circuitos, 1999.
[5]GOMEZ, Esteve; Tesis doctoral1999. “Influencia de los componentes
parásitos en el análisis y diseño de inversiones resonantes paralelo para
aplicaciones de calentamiento por inducción”, universidad de valencia.
[6]Alberto Tama Franco,2013, Asesor de Gerencia General de la Corporación
Eléctrica del Ecuador, cocinas de inducción versus cocinas a gas(GLP). Pág.
1.Obtenidad 16-12-2012 desde: http://www.slideshare.net/albertama/cocina-de-
induccin-versus-cocina-a-gas-glp
[7] Generación eléctrica, demanda eléctrica, 2012, CONELEC-Ecuador,
obtenida: 15-12.2013 desde la dirección: www.conelec.gob.ec
[8] Proyectos de eficiencia energética, 2013, MEER, pág. 3 obtenida: 15-
12.2013 desde la dirección: http://www.energia.gob.ec/eficiencia-energetica-
sector-residencial/
[9]Jorge Patricio Muñoz; 2013. Análisis de la incidencia del uso de cocinas
eléctricas de inducción; rendimiento de calidad energética; pág. 6, obtenido:
16-12-2013 desde la dirección:
27
http://www.monografias.com/trabajos96/analisis-incidencia-del-uso-cocinas-
electricas-induccion/analisis-
[10] Proyectos de eficiencia energética, 2013, MEER, pág. 5 obtenida: 15-
12.2013 desde la dirección: http://www.energia.gob.ec/eficiencia-energetica-
sector-residencial/
28
ANEXOS
29
ANEXO A
Bitácora del Proyecto BITÁCORA PARA LOS PROYECTOS
DATOS INFORMATIVOSDEPARTAMENTO: Eléctrica y Electrónica CARRERA: ElectromecánicaNIVEL: Séptimo PERIODO ACADÉMICO: Sep-Dic 2013
TITULO DEL PROYECTO: “Estudio del ingreso masivo de cocinas de inducción y su incidencia en sobrecargas y alteraciones en la calidad de energía eléctrica en las redes de distribución de la Empresa Eléctrica Cotopaxi”COORDINADOR DEL PROYECTO: Ing. Pablo MenaTUTOR DEL PROYECTO INTEGRADOR: Ing. Washington FreireDOCENTES Y ASIGNATURAS QUE APORTAN AL P.I.:NOMBRE DOCENTE ASIGNATURA 1. Washington Freire Electromagnetismo y Maquinas eléctricas II 2. Jiménez Mario Maquinas I,Circuitos II, Accionamiento de maquinas 3. Héctor Terán Procesos de manufactura y SoldaduraGRUPO DE PROYECTO: 1. Panchi Guamangallo Alex Danilo
No. TAREAS FECHAOBSERVACIÓ
NEVALUACIÓN
FIRMA
TUTOR/
COODINADOR
1 Revisar el repositorio virtual de tesis de ing. Electromecánica
27-09-2013
2 Buscar un problema de actualidad
04-10-2013
3 Obtener información acerca de proyectos de eficiencia y de cocinas de inducción
18-10-2013
4 Descargar el archivo de PHD Abril, y formular causa, problema y efecto
25-10-2013
30
5 Exposición de tema, problema y justificación del problema
08-11-2013
6 Exposición acerca el ingreso de cocinas de inducción en el mundo
15-11-2013
7 Exposición acerca de proyectos acerca ingreso de cocinas de inducción en Ecuador
22-11-2013
8 Determinar los efectos del ingreso de cocinas de inducción en programas informaticos.
06-12-2013
9 Entrega del protocolo de tesis
20-12-2013
Tabla A.3 Cronograma de actividades del desarrollo del proyecto.
31
ANEXO B
Ilustración B.24 Área de estudio del proyecto
32
Ilustración B.25 Líneas de Distribución del área de estudio
33
Ilustración B.26 Transformador de distribución.
34
Ilustración B.27 Líneas de Distribución en acometidas domiciliarias
35
ANEXO C
Tabla C.4 Principales indicadores eléctricos a nivel nacional 1
36
RECURSOS MATERIALES
Lápices Valor
Resma de papel bond 12
Libros 10
Copias 100
Impresiones 200
Carpetas 20
RECURSOS TECNICOS
Flash memory 20
Internet 200
Transporte 100
TALENTO HUMANO
Director de tesis 400
Asesor de tesis 400
Gerente de empresa 100
Usuarios 80
Personal operativo 100
TOTAL 1742
1
