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Tres jóvenes ingenieros paraguayos fueron distinguidos con una mención de honor y otra especial al presentar el mejor proyecto en el reciente Foro Internacional de las TIC de las Américas cumplido en Cali, Colombia, con un prototipo que permite control y optimización del uso de electricidad.En el afán de incorporar savia joven a este espacio que dedicamos cada domingo a la energía, hemos convocado a tres flamantes ingenieros que recientemente presentaron como trabajo final de grado un prototipo para el control y la optimización del uso de la energía eléctrica. Se trata de José María Villalba Rolón (26), José Antonio Rodríguez Giménez (27) e Iván Ulpiano Pérez Fernández (27), egresados de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional de Asunción (UNA), de la carrera de Ingeniería Electrónica. Fuimos invitados a participar del acto de defensa de tesis en cuya ocasión recibieron todo tipo de felicitaciones. Se presentaron además en Colombia donde recibieron distinciones por mostrar el mejor proyecto entre Argentina, Brasil, Uruguay y Paraguay en el Foro Internacional de las TIC de las Américas. Ahora tienen una invitación pendiente de Hamburgo, Alemania, para un encuentro similar que concentra a jóvenes de diferentes latitudes del mundo.
El sistema
El trabajo fue abordado por los autores dada la necesidad del control del consumo de la energía eléctrica en el Paraguay utilizando la tecnología para dicho propósito. El sistema para control y optimización del uso de la energía eléctrica presenta una propuesta de diseño e implementación de un prototipo para el control del consumo y correcta distribución de cargas eléctricas en un sistema trifásico de forma automática mediante sensores. Palabras clave: Sistema, prototipo, energía eléctrica, cargas eléctricas, sensores.
Introducción
Explicaron que el campo de la electricidad ha evolucionado muy lentamente en comparación a otras áreas de la ingeniería. Esta situación dificulta enormemente llevar un control y estadística del consumo y uso eficiente de la misma.
Se evidencia, por lo tanto, una falta de control del consumo, lo que conlleva al derroche de la energía con los consecuentes impactos en todas las esferas, además de ser costoso para el usuario final.
Esta situación va en aumento ya que día a día el rápido crecimiento de la demanda de energía eléctrica conlleva a una crisis energética mundial.
Para ello realizaron el diseño del prototipo del sistema, donde se pueda llevar un control y uso eficiente de le energía eléctrica y a su vez disminuir la diferencia en la evolución que se tiene con otras áreas de la ingeniería.
Conceptos básicos
Un switch eléctrico o interruptor eléctrico es un dispositivo utilizado para desviar o interrumpir el curso de una corriente eléctrica. En el mundo moderno las aplicaciones son innumerables, van desde un simple interruptor que apaga o enciende un bombillo, hasta un complicado selector de transferencia automático de múltiples capas controlado por procesador o por computadora. El concepto de switch o conmutador contemplado en este proyecto es el mismo presentado en el párrafo anterior, pero en forma automática. Un sistema de corrientes trifásicas consta de tres corrientes alternas monofásicas de igual frecuencia y amplitud (y por consiguiente, valor eficaz) que presentan una cierta diferencia de fase entre ellas, en torno a 120º, y están dadas en un orden determinado.
Un sistema trifásico de tensiones se dice que es equilibrado cuando sus corrientes son iguales y están desfasados simétricamente.
Cuando alguna de las condiciones anteriores no se cumple (tensiones diferentes o distintos desfases entre ellas), el sistema de tensiones es un sistema desequilibrado o un sistema desbalanceado.
Análisis de la situación actual
Al analizar la situación actual, encontraron que el consumo de la energía en el Paraguay y gran parte del mundo ha aumentado notablemente por diversos motivos como, el incremento poblacional, necesidad, comodidad, industrias, etc.
La tecnología con que se cuenta, en su mayoría es analógica en Paraguay y en gran parte del mundo, lo cual dificulta enormemente llevar un control, estadística y uso eficiente de la energía eléctrica. El proyecto es aplicable tanto para empresas, industrias pero va enfocado más a residencias. El sistema de control de la energía eléctrica con que se cuenta en el mercado, en su mayoría, es analógico.
Justificación
El diseño del control y la optimización del uso de la energía eléctrica será una manera completamente nueva de controlar el consumo, llevar una estadística y usar con mayor eficiencia la energía eléctrica. Este diseño va enfocado para residencias, pero puede ser interesante tanto en industrias, empresas como negocios ya que el sistema será flexible para los distintos tipos de necesidades. El sistema tendrá un software de fácil utilización para distintos tipos de usuarios.
Objetivos
Son varios. Específicos: Diseñar un sistema automatizado que realice el control del consumo de la energía eléctrica en hogares. De negocio: 1. Permitir a los usuarios conocer su consumo y poder llevar una estadística. 2. Usar eficientemente la energía eléctrica y de esta manera disminuir las pérdidas. 3. Aumentar el ahorro en la energía eléctrica.
Técnicos: 1. Implementar un prototipo del sistema para el control y optimización del uso de la energía eléctrica. 2 Diseñar los subsistemas de automatización. 3. Estructurar un programa que permita conocer la estadística y consumo tanto de potencia como de corriente de las distintas fases.
La propuesta
Para cumplir con los objetivos mencionados y viendo la tecnología con que se cuenta, se presenta una plataforma que los creadores del sistema llaman "Switch eléctrico" para la conmutación de las cargas a las fases eléctricas de manera a mantener lo más balanceado posible.
Diseño
El modelo presentado tiene como parámetros de entrada la fuente primaria (ANDE), los valores de los sensores (medición en cada sub red y, como parámetros de salida, la información general (consumo, estadística y valores de las corrientes) y la energía controlada. En uno de los cuadros se puede observar la estructura general de los elementos que conforman el diseño global de Sistema del Switch Eléctrico.
Diseño global
El diseño global contempla el conexionado de cada uno de los subsistemas que conforma el proyecto. Donde se encuentran el controlador que es el encargado de la recepción de los datos del sensor, con esta información y por medio de un algoritmo balancea las cargas. Las informaciones procesadas se despliegan en el display LCD y se monitorea por medio de una computadora.
El sistema conmutador es el encargado de conmutar las tres fases de la ANDE con las sub redes mediante las directivas provenientes del controlador en base a un minucioso algoritmo de selección de fase. Las sub redes son el conjunto de cargas eléctricas que se encuentran en la residencia.
Contexto de sistema internos
El sistema conmutador cuenta con tres esquemas conectados entre sí como se muestra en uno de los gráficos. Cada esquema se conecta a una fase correspondiente (R, S, T).
Cada esquema cuenta con un opto acoplador, que se encarga de separar la parte digital con la de potencia. Un triac que es la encargada de dar el paso de la corriente y una red Snubber para protección del circuito y del triac de disparos indeseados debido a la presencia de cargas reactivas.
El opto acoplador posee un detector de cruce por cero, el cual envía pulsos a la puerta del triac para que este conduzca la corriente de la fase en forma continua.
El controlador en base al algoritmo de selección de fase envía las directivas al esquema para que en ese momento este energice la sub red apagando así la anterior.
Prototipo
El prototipo busca representar la Plataforma Switch Eléctrico, en la construcción de un modelo, para verificar que el diseño teórico realmente funciona y proveer una plataforma física lógica que sea escalable. En el mismo se han implementado los switches mencionados, el sistema de medición, el sistema de procesamiento y la visualización de los datos procesados. El prototipo consta de dos interfaces, una el display LCD y otra la PC, según se pueden ver en las figuras.
En el display LCD se contemplan las diferentes informaciones ya procesadas. Dichas informaciones son: Potencia en las diferentes subredes, corrientes, las correspondencias de los switches con las fases en que se encuentran, las corrientes en casa fase y la versión del software.
En la pantalla principal del sistema, se despliega una descripción del sistema, grafica la corriente total consumida por todas las cargas conectadas y contempla las distintas funciones del programa.
Pico y nominal
En la pantalla principal del software PC se puede observar la corriente pico y la corriente nominal de la sub red, así también un gráfico de la corriente consumida. Esto se repite para cada subred del sistema. Además, se puede visualizar las corrientes de las sub redes y de las diferentes fases.
Alcance y limitaciones
El sistema de control y optimización de energía eléctrica presentado por estos ingenieros es capaz de realizar, entre otras, las siguientes tareas: Switch eléctrico: por medio de sensores conectados en las cargas informar al software el consumo de estos. Mantener en equilibrio los consumos en las fases (R,S,T) mediante las directivas del controlador en base a un minucioso algoritmo de selección de fase. En el software: obtener una estadística detallada del consumo en tiempo real. Lograr el consumo independiente de cada carga (sub red). Informar de la distribución de carga en cada fase.
Costo/beneficio
El prototipo desarrollado permite el control del consumo de la energía eléctrica en el hogar brindando de esta manera la información necesaria para el uso eficiente de la energía a una relación costo/beneficio adecuada al mercado local. Con este sistema se logra el balance constante de las cargas y por consiguiente la optimización del uso de la energía eléctrica. Garantiza el mejor desempeño de la red eléctrica evitando sobrecargas. Debido a la información sobre la energía eléctrica provista al cliente, éste podrá administrar de manera eficiente su consumo.
El diseño está hecho de tal manera que su uso sea sencillo y sobre todo escalable. La posibilidad de ampliar a distintos escenarios de utilización de energía eléctrica.
El sistema
El trabajo fue abordado por los autores dada la necesidad del control del consumo de la energía eléctrica en el Paraguay utilizando la tecnología para dicho propósito. El sistema para control y optimización del uso de la energía eléctrica presenta una propuesta de diseño e implementación de un prototipo para el control del consumo y correcta distribución de cargas eléctricas en un sistema trifásico de forma automática mediante sensores. Palabras clave: Sistema, prototipo, energía eléctrica, cargas eléctricas, sensores.
Introducción
Explicaron que el campo de la electricidad ha evolucionado muy lentamente en comparación a otras áreas de la ingeniería. Esta situación dificulta enormemente llevar un control y estadística del consumo y uso eficiente de la misma.
Se evidencia, por lo tanto, una falta de control del consumo, lo que conlleva al derroche de la energía con los consecuentes impactos en todas las esferas, además de ser costoso para el usuario final.
Esta situación va en aumento ya que día a día el rápido crecimiento de la demanda de energía eléctrica conlleva a una crisis energética mundial.
Para ello realizaron el diseño del prototipo del sistema, donde se pueda llevar un control y uso eficiente de le energía eléctrica y a su vez disminuir la diferencia en la evolución que se tiene con otras áreas de la ingeniería.
Conceptos básicos
Un switch eléctrico o interruptor eléctrico es un dispositivo utilizado para desviar o interrumpir el curso de una corriente eléctrica. En el mundo moderno las aplicaciones son innumerables, van desde un simple interruptor que apaga o enciende un bombillo, hasta un complicado selector de transferencia automático de múltiples capas controlado por procesador o por computadora. El concepto de switch o conmutador contemplado en este proyecto es el mismo presentado en el párrafo anterior, pero en forma automática. Un sistema de corrientes trifásicas consta de tres corrientes alternas monofásicas de igual frecuencia y amplitud (y por consiguiente, valor eficaz) que presentan una cierta diferencia de fase entre ellas, en torno a 120º, y están dadas en un orden determinado.
Un sistema trifásico de tensiones se dice que es equilibrado cuando sus corrientes son iguales y están desfasados simétricamente.
Cuando alguna de las condiciones anteriores no se cumple (tensiones diferentes o distintos desfases entre ellas), el sistema de tensiones es un sistema desequilibrado o un sistema desbalanceado.
Análisis de la situación actual
Al analizar la situación actual, encontraron que el consumo de la energía en el Paraguay y gran parte del mundo ha aumentado notablemente por diversos motivos como, el incremento poblacional, necesidad, comodidad, industrias, etc.
La tecnología con que se cuenta, en su mayoría es analógica en Paraguay y en gran parte del mundo, lo cual dificulta enormemente llevar un control, estadística y uso eficiente de la energía eléctrica. El proyecto es aplicable tanto para empresas, industrias pero va enfocado más a residencias. El sistema de control de la energía eléctrica con que se cuenta en el mercado, en su mayoría, es analógico.
Justificación
El diseño del control y la optimización del uso de la energía eléctrica será una manera completamente nueva de controlar el consumo, llevar una estadística y usar con mayor eficiencia la energía eléctrica. Este diseño va enfocado para residencias, pero puede ser interesante tanto en industrias, empresas como negocios ya que el sistema será flexible para los distintos tipos de necesidades. El sistema tendrá un software de fácil utilización para distintos tipos de usuarios.
Objetivos
Son varios. Específicos: Diseñar un sistema automatizado que realice el control del consumo de la energía eléctrica en hogares. De negocio: 1. Permitir a los usuarios conocer su consumo y poder llevar una estadística. 2. Usar eficientemente la energía eléctrica y de esta manera disminuir las pérdidas. 3. Aumentar el ahorro en la energía eléctrica.
Técnicos: 1. Implementar un prototipo del sistema para el control y optimización del uso de la energía eléctrica. 2 Diseñar los subsistemas de automatización. 3. Estructurar un programa que permita conocer la estadística y consumo tanto de potencia como de corriente de las distintas fases.
La propuesta
Para cumplir con los objetivos mencionados y viendo la tecnología con que se cuenta, se presenta una plataforma que los creadores del sistema llaman "Switch eléctrico" para la conmutación de las cargas a las fases eléctricas de manera a mantener lo más balanceado posible.
Diseño
El modelo presentado tiene como parámetros de entrada la fuente primaria (ANDE), los valores de los sensores (medición en cada sub red y, como parámetros de salida, la información general (consumo, estadística y valores de las corrientes) y la energía controlada. En uno de los cuadros se puede observar la estructura general de los elementos que conforman el diseño global de Sistema del Switch Eléctrico.
Diseño global
El diseño global contempla el conexionado de cada uno de los subsistemas que conforma el proyecto. Donde se encuentran el controlador que es el encargado de la recepción de los datos del sensor, con esta información y por medio de un algoritmo balancea las cargas. Las informaciones procesadas se despliegan en el display LCD y se monitorea por medio de una computadora.
El sistema conmutador es el encargado de conmutar las tres fases de la ANDE con las sub redes mediante las directivas provenientes del controlador en base a un minucioso algoritmo de selección de fase. Las sub redes son el conjunto de cargas eléctricas que se encuentran en la residencia.
Contexto de sistema internos
El sistema conmutador cuenta con tres esquemas conectados entre sí como se muestra en uno de los gráficos. Cada esquema se conecta a una fase correspondiente (R, S, T).
Cada esquema cuenta con un opto acoplador, que se encarga de separar la parte digital con la de potencia. Un triac que es la encargada de dar el paso de la corriente y una red Snubber para protección del circuito y del triac de disparos indeseados debido a la presencia de cargas reactivas.
El opto acoplador posee un detector de cruce por cero, el cual envía pulsos a la puerta del triac para que este conduzca la corriente de la fase en forma continua.
El controlador en base al algoritmo de selección de fase envía las directivas al esquema para que en ese momento este energice la sub red apagando así la anterior.
Prototipo
El prototipo busca representar la Plataforma Switch Eléctrico, en la construcción de un modelo, para verificar que el diseño teórico realmente funciona y proveer una plataforma física lógica que sea escalable. En el mismo se han implementado los switches mencionados, el sistema de medición, el sistema de procesamiento y la visualización de los datos procesados. El prototipo consta de dos interfaces, una el display LCD y otra la PC, según se pueden ver en las figuras.
En el display LCD se contemplan las diferentes informaciones ya procesadas. Dichas informaciones son: Potencia en las diferentes subredes, corrientes, las correspondencias de los switches con las fases en que se encuentran, las corrientes en casa fase y la versión del software.
En la pantalla principal del sistema, se despliega una descripción del sistema, grafica la corriente total consumida por todas las cargas conectadas y contempla las distintas funciones del programa.
Pico y nominal
En la pantalla principal del software PC se puede observar la corriente pico y la corriente nominal de la sub red, así también un gráfico de la corriente consumida. Esto se repite para cada subred del sistema. Además, se puede visualizar las corrientes de las sub redes y de las diferentes fases.
Alcance y limitaciones
El sistema de control y optimización de energía eléctrica presentado por estos ingenieros es capaz de realizar, entre otras, las siguientes tareas: Switch eléctrico: por medio de sensores conectados en las cargas informar al software el consumo de estos. Mantener en equilibrio los consumos en las fases (R,S,T) mediante las directivas del controlador en base a un minucioso algoritmo de selección de fase. En el software: obtener una estadística detallada del consumo en tiempo real. Lograr el consumo independiente de cada carga (sub red). Informar de la distribución de carga en cada fase.
Costo/beneficio
El prototipo desarrollado permite el control del consumo de la energía eléctrica en el hogar brindando de esta manera la información necesaria para el uso eficiente de la energía a una relación costo/beneficio adecuada al mercado local. Con este sistema se logra el balance constante de las cargas y por consiguiente la optimización del uso de la energía eléctrica. Garantiza el mejor desempeño de la red eléctrica evitando sobrecargas. Debido a la información sobre la energía eléctrica provista al cliente, éste podrá administrar de manera eficiente su consumo.
El diseño está hecho de tal manera que su uso sea sencillo y sobre todo escalable. La posibilidad de ampliar a distintos escenarios de utilización de energía eléctrica.