informe sistemas energéticos i

8/6/2019 INFORME Sistemas Energticos I

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SISTEMAS ENERGETICOS

TEMA: APROVECHAMIENTO HIDROCINTICO EN CANALES.

Autores: Ing. Marcos LpezIng. Nicols Putignano

- Noviembre de 2.010 -


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MAESTRIA EN ENERGASISTEMAS ENERGTICOS Pg. 3 de 39

1. INTRODUCCINLa energa es una propiedad de la materia que representa la capacidad para realizar un trabajo oproducir transformaciones. Todo cuerpo material que pasa de un estado a otro producefenmenos fsicos que no son otra cosa que manifestaciones de esta propiedad, por lo tanto,puede presentarse en diversas formas y transformarse desde un estado energtico a otro.Las fuentes de energa son los recursos existentes en la naturaleza a partir de las cuales lahumanidad puede obtener energa utilizable en sus actividades. El origen de casi todos los tiposde energa es el sol. Son denominadas fuentes de energas renovables o alternativas aquellas que

se regeneran naturalmente y en su concepcin traen implcita la idea de ser no contaminantes.Estas fuentes de energa se pueden volver fuentes no renovables si la velocidad de explotacinsupera su capacidad de regeneracin. Algunas fuentes de este tipo son:

Bioenergtica. Solar. Elica. Hidrulica.

Geotrmica. Martima.

Por el contrario, se entiende por fuentes de energa no renovables a aquellas que implican elconsumo de recursos agotables y contaminantes. Algunos ejemplos son:

Petrleo. Carbn.

La disponibilidad energtica de fuentes de energa renovable es mayor que las convencionales,

sin embargo su utilizacin es escasa. El desarrollo de la tecnologa, el incremento de la exigenciasocial, costos ms bajos de instalacin y rpida amortizacin estn impulsando un mayor uso delas fuentes de energa de origen renovable en los ltimos aos.La turbina hidrocintica, es una turbina diseada para generar electricidad, utilizando solamente laenerga cintica de la corriente de agua en los ros.El uso de la energa cintica de los ros puede ser considerado una de las principales formasinventadas por el hombre para transformar las fuerzas naturales en trabajo mecnico. Estatecnologa convencional para generar electricidad a partir de la hidroenerga se realiza con el

empleo de turbinas hidrulicas en donde el agua es canalizada a travs de diques y tuberas para


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poder usar la energa potencial. Este uso de la energa cintica es calificado como una alternativao forma no convencional para generar electricidad, que emplea una fuente renovable de energa.

La mayora de los principios de esta clase de turbinas son derivados de las turbinas de vientoporque su operacin es similar.

2. LOS CANALES DE RIEGOLa provincia de Mendoza cuenta con una importante red de canales para riego, y agua paraconsumo humano. El aprovechamiento de estos mismos en sus diferentes bifurcaciones yparticiones para generacin de electricidad en pequea escala con minicentrales hidrocinticas eslo que se ve como una gran ventaja ante la escaces de energa que demanda la sociedad, mas

con fuentes renovables y no contaminantes.Los canales de riego analizados sern los del Departamento de San Rafael, en la Provincia deMendoza. El mismo se encuentra a 260km de la ciudad cabecera de Mendoza y cuenta con unagran superficie cultivada por lo que su red de canales es muy extensa.

3. OBJETIVOSImplementar sistemas de generacin aislada y conectada a la red elctrica local, conaprovechamientos hidrocinticos en diferentes canales de San Rafael empleando generadores de

imn permanente. Identificar las ventajas que cuentan estos generadores para dicho uso y lasdiferentes posibilidades de turbinas que se pueden utilizar.Cuando hablamos de hidrocinticos nos referimos a aprovechar la velocidad del agua, no a si supotencialidad en altura. Lo que implica que las obras a realizar son mas baratas y de fcilrealizacin, siempre dependiendo de los caudales y zonas.Lo que se pretende es demostrar que se puede utilizar la tecnologa de los aerogeneradoresutilizando los canales de riego como la fuente de energa mas propicia sin realizar grandesinversiones y modificaciones a los canales, mas principalmente cuando no disponemos de

grandes alturas para poder aprovechar la energa potencial del agua.Hay diversas formas de turbinas y tecnologias de turbinas para aprovechar cada uno de loscanales matrices y derivaciones de la Provincia. En nuestro caso particular analizamosnicamente un canal de San Rafael.


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Datos de los canales en que se distribuye la Red de riego del rio Diamante.


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4. DESCRIPCINVamos a considerar el canal matriz marginal del diamante, la margen izquierda y una derivacinque es el canal El Cerrito, para ver las diferentes tecnologas que ms se adecuen o sean factiblesdesde lo tcnico y los practico, ya que las dimensiones de los canales por ah no son datos ytampoco podemos variar mucho su construccin en algunos casos por la pendiente y en otroscasos para no alterar las diferentes tomas del canal en sus derivaciones.

4.1 Canal Marginal Izquierdo.

A continuacin se pueden ver los datos de los caudales medios del canal despus de la hojapartidora donde el canal se divide en sus dos brazos ms importantes despus de la Central

hidroelctrica de pasada 25 de Mayo.


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CAUDALES MARGINAL IZQUIERDO

OCT NOV DIC ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEPm3/s m3/s m3/s m3/s m3/s m3/s m3/s m3/s m3/s m3/s m3/s m3/s

1981 - 1982 30,72 37,73 39,85 42,83 38,75 26,79 23,16 18,90 5,92 7,67 28,06 38,201982 - 1983 39,70 40,61 37,09 23,24 28,09 28,90 26,03 21,81 11,08 16,93 23,32 14,101983 - 1984 22,47 36,43 40,58 40,53 41,02 32,62 28,70 30,43 6,80 14,52 31,22 36,881984 - 1985 40,75 39,48 38,24 39,88 41,40 41,25 37,79 34,71 7,70 12,32 23,80 28,941985 - 1986 29,86 29,54 32,85 39,01 40,44 29,30 21,44 20,03 4,34 8,47 21,56 30,871986 - 1987 33,38 38,10 38,50 42,20 45,96 38,03 35,60 35,75 6,82 12,27 25,67 40,281987 - 1988 41,03 41,20 43,48 41,41 43,84 43,95 32,16 32,87 5,55 12,07 24,68 29,341988 - 1989 29,85 32,79 38,11 36,07 32,07 28,74 20,74 19,20 3,70 3,47 17,05 22,401989 - 1990 25,53 29,38 35,50 34,28 33,19 26,15 22,45 16,96 3,62 5,93 16,61 19,20

1990 - 1991 22,16 22,99 27,76 23,93 26,06 21,65 19,59 10,17 6,72 6,07 18,12 22,731991 - 1992 22,89 22,06 27,24 30,42 30,87 30,78 27,24 23,60 4,28 8,59 26,37 31,001992 - 1993 34,04 35,30 33,96 40,98 34,76 32,70 24,84 23,36 4,67 15,77 26,06 26,731993 - 1994 28,72 31,67 38,90 41,49 39,79 35,90 26,88 28,12 3,21 14,01 23,03 27,521994 - 1995 20,57 37,99 37,09 43,20 40,73 37,10 30,26 27,48 4,17 16,73 24,75 28,351995 - 1996 31,69 34,13 38,90 39,63 33,92 25,17 21,79 22,48 3,88 14,55 18,52 19,331996 - 1997 18,42 21,81 19,84 22,31 18,10 18,35 15,41 14,29 6,53 5,20 17,29 21,881997 - 1998 21,31 23,56 37,74 41,41 31,66 30,01 24,66 24,31 3,87 11,58 22,42 23,451998 - 1999 21,99 24,58 27,83 28,47 23,67 19,47 12,88 16,94 2,37 7,15 12,82 18,531999 - 2000 20,35 24,03 32,52 32,42 24,07 19,18 18,64 18,40 2,99 6,97 23,24 25,902000 - 2001 27,48 31,35 39,30 40,13 38,27 32,06 29,25 29,34 0,54 17,97 28,22 33,102001 - 2002 38,87 40,93 42,63 42,21 40,05 38,38 26,07 26,98 8,38 18,20 22,98 28,052002 - 2003 35,10 40,38 41,48 42,31 43,65 43,75 37,24 30,79 13,76 11,78 26,02 26,922003 - 2004 31,04 36,67 42,51 39,76 39,95 28,38 23,25 22,36 3,01 8,79 15,38 21,712004 - 2005 23,75 27,58 36,00 36,42 30,15 24,71 22,02 23,27 3,20 10,11 26,89 38,702005 - 2006 40,50 41,35 42,07 43,31 42,25 41,09 34,26 28,06 4,27 15,91 29,85 34,362006 - 2007 37,73 41,55 42,17 36,42 38,31 33,47 26,12 33,46 0,33 12,25 19,28 23,362007 - 2008 27,98 35,28 36,97 36,23 31,61 27,59 26,18 25,24 0,86 8,73 21,11 26,122008 - 2009 29,68 34,89 39,67 41,54 39,20 31,42 27,24 21,29 9,82 0,68 14,95 23,512009 - 2010 29,70 32,09 28,99 38,97 38,98 29,54 26,85 22,86 0,00 6,34 13,88 17,54

Q medio 30,62 34,48 37,78 38,61 36,82 32,01 26,74 25,12 5,09 11,11 22,97 27,82

CAUDALES (m3/seg)

Caudales 38,61 37,78 36,82 34,48 32,01 30,62 27,82 26,74 25,12 22,97 11,11 5,09das acumul. 31 62 92 123 153 184 215 243 274 304 335 365


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CanalMarginal

delDiamante

Caudal Tirante velocidadm3/s m m/s

5 0,68 3,5210 0,95 4,2715 1,16 4,7720 1,34 5,1425 1,49 5,4430 1,63 5,735 1,76 5,9340 1,88 6,13

El perfil del canal es el siguiente:

Caudales Medios Mensuales Canal CerritoEn boca-toma de canalSuperficie Canal Cerrito:5124.1614 haEficiencia considerada: 0.90


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CICLO OCT NOV DIC SEPHIDROLOG. m3/s m3/s m3/s m3/s m3/s m3/s m3/s m3/s m3/s m3/s m3/s m3/s1981 - 1982 2,95 3,63 3,83 4,12 3,72 2,57 2,23 1,82 0,57 0,74 2,70 3,671982 - 1983 3,82 3,90 3,57 2,23 2,70 2,78 2,50 2,10 1,06 1,63 2,24 1,361983 - 1984 2,16 3,50 3,90 3,90 3,94 3,13 2,76 2,93 0,65 1,40 3,00 3,541984 - 1985 3,92 3,79 3,68 3,83 3,98 3,96 3,63 3,34 0,74 1,18 2,29 2,781985 - 1986 2,87 2,84 3,16 3,75 3,89 2,82 2,06 1,93 0,42 0,81 2,07 2,971986 - 1987 3,21 3,66 3,70 4,06 4,42 3,65 3,42 3,44 0,66 1,18 2,47 3,871987 - 1988 3,94 3,96 4,18 3,98 4,21 4,22 3,09 3,16 0,53 1,16 2,37 2,821988 - 1989 2,87 3,15 3,66 3,47 3,08 2,76 1,99 1,85 0,36 0,33 1,64 2,151989 - 1990 2,45 2,82 3,41 3,29 3,19 2,51 2,16 1,63 0,35 0,57 1,60 1,851990 - 1991 2,13 2,21 2,67 2,30 2,50 2,08 1,88 0,98 0,65 0,58 1,74 2,191991 - 1992 2,20 2,12 2,62 2,92 2,97 2,96 2,62 2,27 0,41 0,83 2,53 2,981992 - 1993 3,27 3,39 3,26 3,94 3,34 3,14 2,39 2,25 0,45 1,52 2,50 2,571993 - 1994 2,76 3,04 3,74 3,99 3,82 3,45 2,58 2,70 0,31 1,35 2,21 2,651994 - 1995 1,98 3,65 3,56 4,15 3,92 3,57 2,91 2,64 0,40 1,61 2,38 2,721995 - 1996 3,05 3,28 3,74 3,81 3,26 2,42 2,09 2,16 0,37 1,40 1,78 1,861996 - 1997 1,77 2,10 1,91 2,14 1,74 1,76 1,48 1,37 0,63 0,50 1,66 2,101997 - 1998 2,05 2,26 3,63 3,98 3,04 2,88 2,37 2,34 0,37 1,11 2,15 2,251998 - 1999 2,11 2,36 2,67 2,74 2,28 1,87 1,24 1,63 0,23 0,69 1,23 1,781999 - 2000 1,96 2,31 3,13 3,12 2,31 1,84 1,79 1,77 0,29 0,67 2,23 2,492000 - 2001 2,64 3,01 3,78 3,86 3,68 3,08 2,81 2,82 0,05 1,73 2,71 3,182001 - 2002 3,74 3,93 4,10 4,06 3,85 3,69 2,51 2,59 0,81 1,75 2,21 2,702002 - 2003 3,37 3,88 3,99 4,07 4,20 4,20 3,58 2,96 1,32 1,13 2,50 2,592003 - 2004 2,98 3,52 4,09 3,82 3,84 2,73 2,23 2,15 0,29 0,84 1,48 2,092004 - 2005 2,28 2,65 3,46 3,50 2,90 2,37 2,12 2,24 0,31 0,97 2,58 3,722005 - 2006 3,89 3,97 4,04 4,16 4,06 3,95 3,29 2,70 0,41 1,53 2,87 3,302006 - 2007 3,63 3,99 4,05 3,50 3,68 3,22 2,51 3,22 0,03 1,18 1,85 2,252007 - 2008 2,69 3,39 3,55 3,48 3,04 2,65 2,52 2,43 0,08 0,84 2,03 2,512008 - 2009 2,89 3,41 3,87 4,05 3,83 3,06 2,65 2,08 0,94 0,07 1,47 2,31

Q medio 2,84 3,21 3,53 3,58 3,41 2,98 2,48 2,34 0,49 1,05 2,16 2,62

CAUDALES (m3/seg)Caudales 3,58 3,53 3,41 3,21 2,98 2,84 2,62 2,48 2,34 2,16 1,05 0,49

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5.2 La turbina Gorlov

Son turbinas hidrulicas capaces de generar hasta 5 kW de potencia, operando independiente dela direccin de la corriente del ro. Esta turbina posee rotacin unidireccional manteniendo unasalida libre, con un rendimiento mximo que puede alcanzar el 35%, es fabricada en aluminio yrevestida con una capa de material antiadherente, reduciendo de esta forma la friccin en el agua

y previniendo la acumulacin de crustceos y de deshechos. Puede ser usada en posicin verticalo horizontal.La turbina Gorlov tambin puede ser denominada de turbina ecolgica en funcin de su aspectoconstructivo, o sea, dimensin, ngulo y distancia entre sus paletas, que permiten el paso depeces, no afectando el medio ambiente.Las turbinas Gorlov han sido probadas para diferentes finalidades, a saber: en plataformasmartimas, donde producen electricidad usada para la electrolisis del agua para abastecerhidrgeno y oxigeno y en la produccin de electricidad para abastecer pequeas propiedades

rurales en las regiones de las riberas de los ros, en EEUU .China y Corea.


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5.3 RHPM El RHPM es un convertidor nuevo de la energa para las cabezas muy bajas debajo de los 5m.

Una teora plausible de la operacin se ha propuesto que sugiere que sea conducida directamentepor la diferencia de la presin entre dos profundidades dismiles del agua cualquier lado de lainstalacin. Esto est desemejante de cualquier waterwheel o turbina convencional. Las pruebasmodelo demostraron que la mquina tiene una eficacia hasta 80, y el escalamiento de los datosmodelo sugiere que las capacidades de flujo hasta 3.6 m3/s y las energas de ~40kW por laanchura del metro de la mquina sean realizables.Combinado con su potencial para el transporte y los pescados de sedimento mejorado pase, elRHPM podra satisfacer la demanda de FP7 para un nuevo la tecnologa econmicamente y

ecolgicamente aceptable conveniente para las cabezas muy bajas menos los de 5m.


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6.2 Generadores sncronos multipolares con imanes permanentes.En aerogeneradores de pequea potencia (hasta 12 kW) se utilizan mayormente generadoressncronos de imanes permanentes. Esto es debido principalmente a su robustez y su bajomantenimiento, evitan el uso de cajas multiplicadoras, aunque su precio es algo mayor. Este tipode generadores se est utilizando cada vez mas en aerogeneradores de gran potencia debido a loreducido de su peso y volumen al utilizar imanes de alto magnetismo. Existen mltiples tipos demateriales para sintetizar los imanes siendo los ms importantes los siguientes: Alnico: Estos imanes estn fabricados por fundicin o sinterizacin. Poseen el mejorcomportamiento a temperaturas elevadas. Tienen una elevada remanencia, pero su coercitividades bastante baja. Ferrita: Este tipo de imanes se obtienen sobretodo por sinterizacin. Son los ms utilizados porsu relacin calidad/precio. Existen muchas calidades diferentes. Presentan buena resistencia a ladesimantacin. Neodimio-Hierro-Boro:Son los imanes con las mejores caractersticas magnticas existentesen la actualidad. Su comportamiento en funcin de la temperatura ha mejorado bastante. Sepueden utilizar para aplicaciones de hasta 150C. Samario-Cobalto: Estos imanes estn fabricados a partir de elementos de la familia de lastierras raras. Sus caractersticas magnticas permiten reducir sus medidas. Su producto deenerga es considerablemente elevado Tienen un comportamiento muy bueno a temperaturaselevadas.


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En ste tipo de generadores la tensin de salida depende nicamente de la velocidad de giro delrotor, al no poder variar la corriente de excitacin del circuito inductor. Para una determinadavelocidad de rotacin el generador se saturar.Existen distintas topologas de generadores de imanes permanentes. La mayor diferencia estriba

en el camino de flujo magntico. Este puede ser radial (normalmente en generadores de pequeapotencia) o axial.Los imanes giraran frente a las bobinas que componen los distintos polos e inducirn una fuerzaelectromotriz de frecuencia variable. El imn tender a alinearse con el polo, evitando cualquiervariacin de posicin.El cambio de alineacin entre el polo y el imn provocara un par senoidal que depender de lageometra y de las propiedades del material. Este par, denominado de reluctancia no es deseado.Es tpico ver generadores de imanes permanentes de dos, de tres y de hasta seis o ms fases.

Sin embargo el nmero de imanes es mucho ms flexible, desde 2 a 30 en generadores depequea potencia, debido a su geometra y de hasta 90 imanes en generadores de gran potencia.Hay que tener en cuenta que un mayor nmero de imanes ofrece un mayor par para el mismonivel de corriente. Por otro lado, un mayor nmero de imanes implica un menor sitio paraimplementarlo. El nmero ideal de imanes depender de la geometra del generador y de laspropiedades de los materiales utilizados.


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circula a travs de las bobinas trifsicas del estator. La ecuacin que rige el comportamiento deeste torque inducido es:

Debido a que el campo producido en el estator depende del valor de la corriente que circula porlas bobinas, un aumento en la carga resistiva conectada al generador con la misma constante deconstruccin de la mquina sBK arroja una disminucin de la corriente y por consiguiente untorque inducido en el rotor menor.Este tipo de generadores disponen de polos compuestos por electroimanes, lo cual hace que seanmuy pesados y voluminosos, pero sean capaces de regular la tensin de salida mediante lavariacin de la corriente continua de excitacin. Para inyectar la corriente de excitacin disponennormalmente de escobillas que son uno de los puntos dbiles desde el punto de vista demantenimiento.Se utilizan en sistemas de velocidad variable ya que la frecuencia de la seal de salida debeacoplarse mediante convertidores electrnicos a la seal de red.

Imagen de un generador de imn permanente instalado en un aerogenardor.

En ste tipo de generadores la tensin de salida depende nicamente de la velocidad degiro del rotor, al no poder variar la corriente de excitacin del circuito inductor. Para unadeterminada velocidad de rotacin el generador se saturar.


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Existen distintas topologas de generadores de imanes permanentes. La mayor diferenciaestriba en el camino de flujo magntico. Este puede ser radial (normalmente en

generadores de pequea potencia) o axial. Los imanes giraran frente a las bobinas que componen los distintos polos e inducirn unafuerza electromotriz de frecuencia variable. El imn tender a alinearse con el polo,evitando cualquier variacin de posicin.

El cambio de alineacin entre el polo y el imn provocara un par senoidal que dependerde la geometra y de las propiedades del material. Este par, denominado de reluctancia noes deseado.


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Meccalte tiene entre su familia de generadores elNjorgen de las siguientes caractersticas:

Otra de las fabricas de generadores de imn permanente esAlixiony muestra las caractersticasde sus generadores respecto a la velocidad de rotacin, esto es de mucha utilidad para poder vercomo varan los parmetros a medida que varan las velocidades de rotacin.


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6.3 Comparacin entre los distintos sistemas de generacin.


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frecuencia por medio de la operacin de un punto no ptimo en el cual se reduce la generacin deforma que exista una reserva en giro, lo que a su vez implica el desaprovechar parte de esta

energa, que es algo indeseado.Otras formas de lograr esto consisten en: En el caso de que la turbina se encuentre bajo accin demayor velocidad que la que hace producir el mximo de energa posible, simplemente se toma esaenerga adicional como reserva de giro. En el caso de que no sea as, el generador puede extraerenerga rotacional de la turbina, lo cual incrementa el torque elctrico y as responder a ladinmica del sistema.

El generador: los que permitieron reducir la velocidad de generacin y, obtener un bajo costo delequipo, que al mismo tiempo pudiera ser adaptado al rotor de la turbina de rio\canales.Se utilizan este tipo de generadores y con la conversin de AC/DC y luego de DC/AC por que lasvelocidades son variables y por ende las tensiones van a fluctuar lo cual se ve solucionadoempleando esta tecnologa, la principal desventaja que cuenta es que puede introducirperturbaciones a la red al emplear elementos no lineales.


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6.5 Convertidor de frecuenciaSin dudas una de las partes ms importantes para el empleo de estos generadores pasa por elconvertidor de frecuencia al tener que trabajar con velocidades de agua variables.El convertidor de frecuencia, bsicamente est compuesto por un mdulo rectificador quetransforma la tensin alterna de entrada en tensin continua.Esta corriente continua es convertida en corriente alterna de la frecuencia y tensin deseada porel mdulo inversor mediante la tcnica de modulacin por ancho de pulso(PWM). Untransformador provee aislacin galvnica.


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6.6 PARTES DE UN VARIADOR DE FRECUENCIA

Todos los variadores de frecuencia modernos cuentan con las siguientes partes principales:

Circuito Rectificador. Recibe la tensin alterna y la convierte en continua por medio de un puenterectificador de diodos de potencia.

Circuito intermedio. Consiste en un circuito LC cuya funcin principal es suavizar el rizado de latensin rectificada y reducir la emisin de armnicos hacia la red.

Inversor . Convierte la corriente continua del circuito intermedio en una alterna con tensin yfrecuencia variables mediante la generacin de pulsos. Se emplea el sistema IGBT (Isolated GateBipolar Transistor) para generar los pulsos de voltaje de manera controlada.

Circuito de control . El circuito de control enciende y apaga los IGBT para generar los pulsos detensin y frecuencia variables. Adems, realiza las funciones de supervisin de funcionamientomonitoreando la corriente, voltaje, temperatura, etc. con interfaces de fcil empleo.

Los variadores de frecuencia ms empleados son los PWM (Modulacin de Ancho de Pulsos) queemplean en el circuito de entrada puente de diodos rectificadores. En el circuito intermedio poseencondensadores y bobinas para linealizar la tensin rectificada, adems las bobinas ayudan a

disminuir el contenido armnico de la corriente generada por el variador de frecuencia y por ende


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funcionamiento en funcin de la velocidad del eje y por lo tanto el aumento de rendimientoenergtico (se evala en el 4%) frente a sistemas de velocidad constante.

La ventaja secundaria es que con la electrnica de potencia se puede controlar la potenciareactiva (es decir, el desfase de la corriente respecto a la tensin en la red de corriente alterna), yas mejorar la calidad de potencia de la red elctrica. Esto puede ser particularmente til enturbinas funcionando en un red elctrica dbil.


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informe sistemas energéticos i

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