INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-27 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE FUENTE DE MEDIA TENSIÓN Carlos Alfonso Benítez Higuita Sebastián Charry Naranjo Ingeniería Electromecánica Director del trabajo de grado Santiago Gómez Arango INSTITUTO TECNOLÓGICO METROPOLITANO 2017 INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 2 RESUMEN En este trabajo se propone el diseño de una fuente de media tensión, con el fin de alimentar un generador de impulsos tipo rayo. La etapa de elevación, se plantea mediante una conversión AC/DC conformada por un transformador-elevador y un arreglo de condensadores, resistencias y diodos. La configuración seleccionada suministra una tensión variable hasta 15kV, incluyendo una etapa de conmutación entre los flancos positivos y negativos. Adicionalmente, la simulación mediante Simulink - Matlab, permite ajustar los valores teóricos de los componentes para los parámetros requeridos. Por último, el prototipo será dispuesto en un acrílico con dimensiones de 35 ancho x 50 largo x 25 alto, con la opción de apertura para el reemplazo de los componentes y borneras en la cara frontal para la conexión de las cargas; todo lo anterior, permite utilizar el equipo con propósitos didácticos y asegurar que los usuarios permanezcan aislados de los bornes energizados. Palabras clave: Fuente, Media Tensión, Corriente alterna, Transformador. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 3 RECONOCIMIENTOS Se agradece al profesor Santiago Gómez Arango por asesorarnos en este proyecto e incluirnos en el semillero de investigación de redes de distribución de energía eléctrica y alta tensión, que nos ayudó en el tema para nuestro trabajo y conocimientos nuevos para este. También se agradece al laboratorio de máquinas eléctricas por brindarnos los implementos necesarios para la construcción de la fuente y permitirnos realizar pruebas en él. Se agradece a todas aquellas personas que en forma directa o indirecta contribuyeron a que este trabajo pudiera llevarse a cabo. Finalmente, un agradecimiento profundo a nuestras familias por su constante paciencia y apoyo que siempre demostraron para culminar la carrera que deseamos. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 4 ACRÓNIMOS DC Corriente directa AC Corriente alterna uF Micro faradios nF Nano faradios kV Kilo voltios V Voltios INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 5 TABLA DE CONTENIDO 1. INTRODUCCIÓN .............................................................................................. 6 2. MARCO TEÓRICO ............................................. ¡Error! Marcador no definido. 3. METODOLOGÍA ............................................................................................. 10 4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ........................................................................... 14 5. CONCLUSIONES ............................................................................................ 18 6. RECOMENDACIONES Y TRABAJO FUTURO ................................................... 19 7. REFERENCIAS ................................................................................................ 20 APÉNDICE ............................................................................................................. 22 INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 6 1. INTRODUCCIÓN Se presenta el diseño y construcción de una fuente de media tensión variable para obtener niveles de tensión hasta los 15 kV, mediante un prototipo que cuenta con componentes de diseño propio, debido que para este nivel de tensión estos elementos demandan un presupuesto elevado. La construcción del prototipo para este trabajo se realizará mediante una fuente constituida por sus etapas de elevación, rectificación y almacenamiento, que tendrá en su etapa de rectificación la opción de tener el flanco positivo o negativo basados en lo observado en el trabajo de [1]. Y esto plantea la idea de realizar un generador de impulsos para trabajos futuros, didáctico y fácil de transportar como lo plantea[2]. El diseño es soportado mediante simulación con el software SIMULINK de MATLAB, para utilizar estos valores como referencia para la construcción del prototipo final. En definitiva, las pruebas de este se realizan por medio de una sonda de media tensión que fue diseñada y construida por [3]. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 7 2. ESTADO DEL ARTE Una fuente de voltaje es un dispositivo que transforma la tensión que entrega una red de suministro que por lo general es una corriente alterna, entregando una o varias tensiones en corriente directa, se puede decir que todo dispositivo que crea una diferencia de potencial se puede llamar fuente de voltaje. Estas fuentes por lo general están constituidas por un transformador, uno o varios diodos rectificadores y un filtro, cada uno de estos elementos tiene una tarea en específico, El transformador debe proporcionar una tensión alterna con su senoidal, aumentando o disminuyendo la amplitud de una tensión alterna, manteniendo su frecuencia. Los diodos rectificadores toman media onda de la señal senoidal, sea la parte positiva o la negativa y entrega una señal pulsante continua que con el pasar del tiempo se ira rectificando. El filtro proporciona una señal que reduce el rizado de la tensión y aísla por completo el componente alterna de la continua y asegura un comportamiento totalmente lineal. Los dispositivos que producen las altas tensiones son los generadores de impulsos, pero una parte fundamental de este son las fuentes de alimentación que por lo general tienen un voltaje unidireccional que se eleva rápidamente hasta un valor pico y luego se demora un poco más para llegar a cero.[4] En [1] se diseñó y construyó un generador de impulsos de alta tensión de una sola etapa para obtener ondas de tipo maniobra y tipo rayo, en este trabajo se implementó una fuente de media tensión que contaba con un trasformador de potencial tipo subestación y entregaba un voltaje con un pico máximo de 11,455 kV, seguido de un diodo rectificador el cual suministraba una tensión inversa de pico mínima de 12 kV y una corriente de 750 mA. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 8 En [5] se presenta el diseño y construcción de un generador de impulsos de 10 kV tipo Marx, donde la fuente de alimentación implementada se encargaba de cargar los condensadores de generador, está la integrada un transformador elevador de 120 V a 600 V AC, de igual manera contaba con un variac monofásico para mantener la tensión regulada y por ultimo un diodo rectificador de onda completa. Las fuentes más usadas tradicionalmente para descargas eléctricas de alta tensión, están constituidas comúnmente por transformadores de gran tamaño y peso[6], Debido a esto la mayoría de fuentes tienden a no ser portátiles y además demandan un especial cuidado y una máxima precaución al momento de la manipulación.[7] En [8] se implementa una fuente de media tensión para un generador de impulsos dispuesto para pruebas de transformadores, en esta se cuenta con el transformador elevador y su diodo rectificador, además de esto también se utiliza una configuración de condensadores ordenados en paralelo, esto con el fin de que la carga se realice más rápidamente y al momento de la descarga, la onda tenga una mayor duración. Las “fuentes de voltaje tanto de media como de alta tensión son dispositivos usados en muchos campos de investigación”[9], en [10] se presenta la construcción de una fuente de alto voltaje, la cual fue utilizada para la fabricación de rejillas de periodo largo de fibra óptica mediante la técnica de arco eléctrico punto por punto, consiguiendo así un costo de fabricación menor al 80% con respecto a la fabricación de estas mismas pero con una empalmadora común de fibra óptica. La necesidad ha llevado a los investigadores a crear nuevas formas de implementar y diseñar nuevos dispositivos para realizar pruebas en todo tipo de campos, en [2] se presenta un generador de impulsos portátil que fue diseñado y construido con un aislamiento de INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 9 hasta 20kV. La fuente utilizada fue un transformador elevador de doble circuito que tenía de entrada 120 V y una salida de 7000 V, entregando así un pico máximo de 15kV. Cuando se presentan picos transitorios en la red de alimentación el voltaje de la fuente se eleva y por ende los capacitores tienen la misma reacción[11], haciendo que se produzcan descargas espontáneas no deseables[12]. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 10 3. METODOLOGÍA Para la etapa de elevación se utilizó un transformador alimentado desde la red monofásica residencial, tomando como como base [5] y [6], en la Figura 1 se observa el equipo utilizado y sus componentes. Figura 1. Transformador elevador utilizado. Fuente. Elaboración propia. 1- Bornes de salida (Alta tensión) 2- Bornes de entrada (Baja tensión) 3- Borne de tierra (Común) El mecanismo utilizado fue un equipo, con una relación de 1 125 𝑉 ya que por su tensión de salida se ajusta a la, tensión de diseño 15Kv. En la Figura 2 se muestra el comportamiento de la etapa de elevación de la fuente, mediante simulación de datos teóricos. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 11 Figura 2. Simulación onda senoidal de la fuente AC. Fuente. Elaboración propia. De la imagen anterior se puede observar A la salida de la fuente una onda senoidal, con una amplitud de 15kV AC según tensión de diseño. Con el fin de obtener la capacitancia requerida para la salida DC y tensión eléctrica soportada, se realizan los cálculos matemáticos para determinar el arreglo de condensadores que permita obtener los valores de diseño, ver Tabla 1. Tabla 2. Valores de los condensadores. Fuente. Elaboración propia. En la tabla anterior se observa la capacitancia y tensión de los datos teóricos y reales tanto de un condensador como del arreglo final que compone la etapa de almacenamiento, ver Figura 3. Número de condensadores utilizados Capacitancia individual DISEÑADA Capacitancia medida Tensión soportada 1 0,047 uF 0,046 uF 630 V 15 3,13 nF 3,12 uF 9,45 kV INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 12 Figura 3. Arreglo de condensadores en serie. Fuente. Elaboración propia. Al momento de realizar el arreglo de condensadores se tiene en cuanta la separacion de las punta inicial con la final, ya que estas estan a mayor tensión. La etapa de rectificación se realizó por medio de diodos de media tensión que soportan máximo 12 kV, destinando uno para los flancos positivos y otro para los flancos negativos como se observa en las Figura 4, con salida de media tensión en DC. Figura 4. Flanco positivo y negativo fuente media tensión DC. Fuente. Elaboración propia. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 13 De la silumación anterior se esperaba que el tiempo de carga de los condensadores fuera de aproximadamente 1s. El prototipo cuenta con un aislamiento diseñado en espuma de poliuretano rígida con arreglos de condensadores dentro de un tubo de PVC de 1-1/2“, El aislamiento propuesto para los condensadores se observa en la Figura 5. Figura 5. Arreglo de condensadores. Fuente. Elaboración propia. Antes de realizar el aislamiento fue importante llevar a cabo pruebas de este componente, para encontrar la medida necesaria que fue 1𝑐𝑚3 de espuma para cada 10 𝑐𝑚 del tubo de 1 ½ “. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 14 4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN La fuente de media tensión AC-DC ensamblada se muestra en la Figura 6. Figura 6. Fuente de media tensión AC/DC. Fuente. Elaboración propia. En la imagen anterior se muestra la fuente ensamblada y aislada completamente, donde solo se tiene acceso a los bornes de medición y conexión, estos se encuentran debidamente marcados. Y se destaca que finalmente la tensión entregada por el mismo fue de 7,8 kV AC Y 9kV DC. Los valores medidos a la fuente de tensión AC se muestran en la Tabla 2. Tabla 2. Datos obtenidos con medición por sonda AC AC con SONDA baja (V) Alta (kV) TENSIÓN FUENTE ALTA X 95,54 1,024 0,609 0,59 2,02 1,26 0,62 3,06 1,900 0,62 4,09 2,621 0,64 5,09 3,298 0,65 6,05 3,99 0,66 7,05 4,68 0,66 8,04 5,36 0,67 INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 15 9,03 6,05 0,67 10,03 6,74 0,67 11,07 7,45 0,67 12,06 8,15 0,68 13,02 8,82 0,68 14,06 9,58 0,68 15,02 10,21 0,68 20 13,91 0,696 30,35 20,64 0,680 40,27 27,38 0,680 50,04 33,95 0,678 60,12 41,09 0,683 70,3 47,9 0,681 80 54,2 0,678 90,1 60,7 0,674 100 67,2 0,672 110,6 73,3 0,663 120 78,7 0,656 Fuente. Elaboración propia. los valores fueron medidos con la sonda de media tensión [7], con tensiones hasta 7,6 kV. En cuanto a la parte DC Se realizaron pruebas tanto en el flanco positivo como en el negativo, los datos tomados se observan en Tabla 3. Tabla 3. Datos de medición DC con la sonda MEDICIÓN DC CON SONDA (V) FLANCO (+) SUBIDA BAJADA BAJA ALTA BAJA ALTA 10,29 193 110 4330 20,2 441 100 3540 30 747 89,9 3070 40,38 1164 80,1 2510 50,02 1589 70 2031 60,35 2005 60,4 1655 70,03 2493 50,14 1304 80,02 2960 40,25 1030 89,89 3382 30,28 733 100 3627 20,18 446 INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 16 110 4330 10,3 214 FLANCO (-) SUBIDA BAJADA BAJA ALTA BAJA ALTA 10,1 -124 110 -3327 20 -348 100 -2990 30,29 -584 90 -2540 40,01 -884 80,4 -2288 50,04 -1105 70,3 -2012 60,29 -1378 60,2 -1701 70,44 -1651 50,23 -1388 80,3 -1960 40 -1074 90 -2248 30,02 -765 100 -2746 20,04 -480 110 -3327 10,15 -295 Fuente. Elaboración propia. Los valores arrojados de la tabla por la sonda no son tomados en cuenta ya que la sonda no cuenta con la configuración adecuada para medir tensión DC, pero se comprueba que cada uno de los flancos de la fuente de tensión DC está trabajando correctamente. De lo anterior se realizan las pruebas a la fuente de media tensión DC con un multímetro calibrado demuestran que la fuente entrega valores e hasta 9,3kV, los datos obtenidos se observan en la Tabla 4. Tabla 4. Medición fuente DC con multímetro DC con multímetro subida Baja (V) Alta (V) relación 4,936 369 74,76 7,05 540 76,60 9,04 700 77,43 10,09 784 77,70 11,99 937 78,15 13,01 1021 78,48 Fuente. Elaboración propia. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 17 de la tabla anterior se hace factor de correción de la relación aproximadamente de 78% , obteniedno una tensión calculada máxima de 9,3 kV DC. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 18 5. CONCLUSIONES  Las medidas de la fuente en DC se realizaron con un multímetro calibrado hasta 1000 V, debido que la sonda de media tensión por ser capacitiva pura no es la adecuada para este tipo de medición.  Los flancos mostrados en la fuente DC permiten observar un aumento de tensión hasta aproximadamente 9,3kV en comparación con la salida de tensión AC donde se alcanzó 7,5 kV.  Los valores de tensión del transformador, no concuerdan con los de placa (15kV) ya que la etapa de elevación finalmente entregó 7,5kV.  Los datos entregados por la medición, son diferentes a los realizados y arrojados por la simulación ya que la etapa de elevación no entregó los valores esperados, de igual manera no se contó con los diodos del valor de diseño de 15kV y se trabajó con elementos de 12kV. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 19 6. RECOMENDACIONES Y TRABAJO FUTURO  La etapa de elevación y rectificación deben ser construidos para el nivel de tensión diseñado.  Realizar las pruebas con el multímetro calibrado para no sobrepasar los 1000 V ya que ese es el nivel de tensión que se recomienda no exceder.  Para comprobar tensión DC se requiere una sonda capacitiva compensada o resistiva pura para obtener datos confiables en media tensión.  El trabajo futuro será la construcción del generador de impulsos de media tensión didáctico. INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 20 7. REFERENCIAS [1] S. G. Arango, “Diseño y construcción Unal,” 2013. [2] S. GOMEZ, M. P. BUITRAGO, and F. A. ROLDAN, “Portable High Voltage Impulse Generator,” Int. Symp. Electr. Power Qual. ; Asunción, Paraguay ; 2011-11-02), vol. 31, no. 2, pp. 159–164, 2011. [3] E. Zapata, Ju. Gutiérrez, S. Gómez, and J. 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INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 22 APÉNDICE INFORME FINAL DE TRABAJO DE GRADO Código FDE 089 Versión 03 Fecha 2015-01-22 23 FIRMA ESTUDIANTES FIRMA ASESOR FECHA ENTREGA: 17 julio de 2017 FIRMA COMITÉ TRABAJO DE GRADO DE LA FACULTAD RECHAZADO ACEPTADO____ ACEPTADO CON MODIFICACIONES_______ ACTA NO._____________ FECHA ENTREGA: _____________ FIRMA CONSEJO DE FACULTAD_____________________________________ ACTA NO._____________ FECHA ENTREGA: _____________