Sistema Eléctrico explicado por el símil de una bicicleta tándem

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El sistema que suministra la electricidad a los usuarios es altamente complejo. Aunque la electricidad es una parte omnipresente y crucial para el día a día de la economía, entender el sistema y todos los fenómenos asociados a éste no es nada fácil, algunas veces incluso para experimentados ingenieros eléctricos. En tal caso, una analogía que pueda hacer entender de forma intuitiva el funcionamiento del sistema a menudo ayuda. Hemos elegido comparar el sistema eléctrico con una bicicleta del tipo tándem para explicar las características principales.

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  • Inductive or capacitive load are also called reactive loads. A load without a delay or lead time is called an active load.
  • Sistema Eléctrico explicado por el símil de una bicicleta tándem

    1. 1. El sistema eléctrico visto como una bicicleta tándem Bruselas Septiembre 2005 Traducción: Eduardo Valsera
    2. 2. El sistema eléctrico visto como una bicicleta tándem <ul><li>Sistema eléctrico= </li></ul><ul><ul><li>Parte crucial de la economía de cada día </li></ul></ul><ul><ul><li>Altamente complejo </li></ul></ul><ul><li>Una buena analogía para crear una idea de cómo funcionan las cosas </li></ul><ul><li>Comparación con una bicicleta tándem </li></ul>
    3. 3. El sistema eléctrico visto como una bicicleta tándem <ul><li>Ninguna analogía encaja al 100% </li></ul><ul><ul><li>No se pueden “traducir” todas las características </li></ul></ul><ul><ul><li>Ciertos aspectos de la analogía no son del todo precisos </li></ul></ul><ul><li>Puntos en común muy similares </li></ul><ul><li>Supone una gran ayuda para entender el abstracto sistema eléctrico </li></ul>
    4. 4. Representación básica del sistema (1) <ul><li>La bicicleta tándem se está moviendo a velocidad constante </li></ul><ul><li>Meta: Mantener a las siluetas azules en movimiento </li></ul><ul><li>Siluetas azules = carga (cargas industriales, viviendas) </li></ul><ul><li>Siluetas rojas = estaciones generadoras (diferentes tamaños) </li></ul>
    5. 5. Representación básica del sistema (2) <ul><li>Cadena = red eléctrica </li></ul><ul><li>La cadena debe mantenerse a velocidad constante (la red eléctrica debe mantenerse a frecuencia constante) </li></ul><ul><li>La parte superior de la cadena debe estar sometida a una tensión mecánica constante </li></ul>
    6. 6. Representación básica del sistema (3) <ul><li>Parte inferior de la cadena sin tensión mecánica = neutro eléctrico </li></ul><ul><li>Engranajes transmiten energía a la cadena = transformador conecta las estaciones generadoras con la red eléctrica </li></ul>
    7. 7. Representación básica del sistema (4) <ul><li>Algunas de las siluetas rojas (estaciones generadoras) no pedalean a plena potencia </li></ul><ul><li>Estas pueden aplicar una fuerza adicional cuando </li></ul><ul><ul><li>Otra silueta azul (carga) salta a la bicicleta </li></ul></ul><ul><ul><li>Una de las siluetas rojas (estación generadora) tiene un calambre (problemas técnicos) </li></ul></ul>
    8. 8. Potencia inductiva y su compensación (1) <ul><li>Silueta azul inclinada hacia un lado = carga inductiva </li></ul><ul><li>La carga inductiva posee una onda sinusoidal desplazada (concretamente: seno retrasado) </li></ul><ul><li>Origen: bobinas de motor eléctrico, luces fluorescentes, ciertos tipos de calefacción eléctrica… </li></ul>
    9. 9. Potencia inductiva y su compensación (2) <ul><li>Silueta azul: </li></ul><ul><ul><li>Peso normal (= carga normal) </li></ul></ul><ul><ul><li>Sin influencia en la tensión de la cadena (=nivel de tensión normal) </li></ul></ul><ul><ul><li>Sin influencia en la velocidad (= frecuencia normal) </li></ul></ul><ul><li>Pero sin compensación la bicicleta caería hacía un lado </li></ul>
    10. 10. Potencia inductiva y su compensación (3) <ul><li>Silueta roja inclinándose hacia el otro lado para compensar </li></ul><ul><li>= estación generadora generando potencia inductiva (potencia con la onda sinusoidal desplazada como la carga) </li></ul>
    11. 11. Potencia inductiva y su compensación (4) <ul><li>Consecuencias: </li></ul><ul><ul><li>La compensación tiene que ser inmediata y exacta, lo que requiere una buena entendimiento </li></ul></ul><ul><ul><li>La silueta roja inclinada no puede pedalear tan cómodamente como lo hacía antes </li></ul></ul><ul><ul><li>La bicicleta coge más viento de cara, lo que conlleva más pérdidas </li></ul></ul>
    12. 12. Potencia inductiva y su compensación (5) <ul><li>Es mejor: compensar cerca de la carga con una carga capacitiva </li></ul><ul><li>= silueta azul sentada al lado de la inductiva pero inclinada hacia el otro lado </li></ul><ul><li>La carga capacitiva tiene una sinusoidal adelantada, de esta manera compensa la onda retrasada de la carga inductiva </li></ul>
    13. 13. Distorsión harmónica (1) <ul><li>Ciclista azul hiperactivo </li></ul><ul><ul><li>Se inclina hacia atrás y hacia adelante </li></ul></ul><ul><ul><li>Tres o cinco veces más rápido que el ritmo de la bicicleta </li></ul></ul><ul><li>= Carga armónica </li></ul><ul><li>Origen: televisiones, ordenadores, lámparas fluorescentes, motores eléctricos con dispositivos inversores… </li></ul>
    14. 14. Distorsión harmónica (2) <ul><li>Debe ser compensada cerca de la fuente, sino </li></ul><ul><ul><li> La bicicleta empezará a sacudirse hacia atrás y hacía adelante </li></ul></ul><ul><ul><li> Pérdidas adicionales </li></ul></ul><ul><li>Compensada por filtro de armónicos </li></ul><ul><ul><li>= sillín con amortiguadores que se mueve hacia atrás y hacia delante que neutraliza al ciclista hiperactivo </li></ul></ul>
    15. 15. Mantenimiento de la tensión y la frecuencia constantes (1) <ul><li>Zapatos resbaladizos (= fallo en la estación generadora ) </li></ul><ul><li>Zapato resbalándose del pedal (= estación generadora se apaga) </li></ul><ul><li>Tensión mecánica en la cadena cae </li></ul><ul><li>= disminución de la tensión en la red </li></ul> Riesgo de lesionarse debido a que el pedal continua en movimiento (= riesgo de dañar partes de la instalación debido a la rápida desconexión)
    16. 16. Mantenimiento de la tensión y la frecuencia constantes (2) <ul><li> Necesidad de que los otros ciclistas lo compensen o de lo contrario caerá la velocidad </li></ul><ul><li>= Las otras estaciones de generación deben incrementar su aportación o sino caerá la frecuencia </li></ul>
    17. 17. Mantenimiento de la tensión y la frecuencia constantes (3) <ul><li>Es arriesgado volver a poner el pie en el pedal </li></ul><ul><li>= es una operación complicada reconectarse a la red ya que las frecuencias deben de ser las mismas </li></ul>
    18. 18. Mantenimiento de la tensión y la frecuencia constantes (4) <ul><li>Es posible una disminución de tensión cuando se conecta repentinamente una carga grande (ciclista azul salta a la bicicleta) </li></ul><ul><li>Carga grande se desconecta repentinamente (ciclista azul salta de la bicicleta)  puede darse un pico de tensión en la red </li></ul>
    19. 19. Tres tipos diferentes de estaciones generadoras (1) <ul><li>Silueta roja, conectada directamente a la cadena por el plato pedaleando a velocidad constante </li></ul><ul><li>= grandes centrales tradicionales, girando a velocidad constante y conectadas a la red mediante un transformador </li></ul>
    20. 20. Tres tipos diferentes de estaciones generadoras (2) <ul><li>Ciclista que pedalea más lento </li></ul><ul><li>Conectado a la cadena mediante un sistema de engranajes </li></ul><ul><li>= Turbina hidráulica; la velocidad depende del flujo que circula por el río </li></ul><ul><ul><li>Turbina conectada al generador mediante un sistema de cambios </li></ul></ul><ul><ul><li>O: generador conectado a la red mediante un convertidor </li></ul></ul>
    21. 21. Tres tipos diferentes de estaciones generadoras (3) <ul><ul><li>= aerogeneradores </li></ul></ul><ul><ul><li>solo funcionan cuando la velocidad del viento no es ni demasiado baja ni demasiado alta </li></ul></ul><ul><ul><li>Son necesarias las otras estaciones generadoras </li></ul></ul><ul><li>Pequeñas siluetas rojas </li></ul><ul><li>Pedalean solo cuando el clima es favorable </li></ul><ul><li>Los otros ciclistas no pueden depender de éstas </li></ul>
    22. 22. Tres tipos diferentes de estaciones generadoras (4) <ul><li>Por qué un ciclista rojo entre ciclistas azules? </li></ul><ul><li>Conectadas mediante correa y sistema de engranajes </li></ul><ul><li>= aerogeneradores están conectados mediante una caja de cambios o/y un convertidor para contrarrestar las variaciones en la velocidad del viento </li></ul>
    23. 23. Tres tipos diferentes de estaciones generadoras (5) <ul><li>2) Los aerogeneradores no están usualmente conectados a redes de alta tensión como las otras centrales, pero si a la red de distribución </li></ul><ul><li> Debido a que la red está diseñada para cargas que siempre están conectadas, el despacho y la protección resultan complejos </li></ul><ul><ul><li>Por qué entre ciclistas azules? </li></ul></ul><ul><ul><li>1) Los aerogeneradores son mucho más pequeños que las centrales tradicionales </li></ul></ul>
    24. 24. Tres tipos diferentes de cargas (1) <ul><li>Frenos transforman la energía cinética en calor </li></ul><ul><li>Misma manera en que una resistencia eléctrica transforma la electricidad en calor </li></ul><ul><ul><li>Ciclista azul sin pedales presionando el freno </li></ul></ul><ul><ul><li>= resistencia eléctrica </li></ul></ul><ul><ul><li>Por ejemplo: bombilla o la gran mayoría de sistemas de calefacción eléctrica </li></ul></ul>
    25. 25. Tres tipos diferentes de cargas (2) <ul><ul><li>Ciclista azul con los pies en los pedales </li></ul></ul><ul><ul><li>En lugar de pedalear, aplica todo su peso en contra del movimiento </li></ul></ul><ul><ul><li>= Motor eléctrico </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Mismo principio de funcionamiento de un generador </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Transforma la energía eléctrica en energía rotatoria </li></ul></ul></ul>
    26. 26. Tres tipos diferentes de cargas (3) <ul><li>Silueta azul inclinándose hacia un lado = carga inductiva </li></ul><ul><li>La carga inductiva posee una onda sinusoidal desplazada (concretamente: seno retrasado) </li></ul><ul><li>Anteriormente expuesta </li></ul>
    27. 27. Conclusión (1) <ul><li>Gestionar el sistema eléctrico = altamente complejo </li></ul><ul><ul><li>La potencia generada en cada momento debe ser exactamente compensada por las cargas </li></ul></ul><ul><ul><li>la velocidad de la cadena (frecuencia de la red) y la tensión mecánica de la cadena (nivel de tensión) deben permanecer estables </li></ul></ul>
    28. 28. Conclusión (2) <ul><li>Pueden darse situaciones que perturben el equilibrio. </li></ul><ul><li>En Europa: cada país tiene un operador independiente que realiza esta difícil tarea </li></ul>
    29. 29. ¡Gracias por su atención! Fuente Explaining Power System Operation to Non-engineers by Lennart Söder, IEEE Power Engineering, April 2002 Traducción : Eduardo Valsera

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