Ingenius. Revista de Ciencia y Tecnología

CONSIDERACIONES EN EL DISEÑO DE SUBESTACIONES ELÉCTRICAS, INCLUYENDO EL EFECTO DEL GRADIENTE DE POTENCIAL EN LAS ESTRUCTURAS METÁLICAS CIRCUNDANTES

Resumen Para el diseño y el estudio de un sistema de puesta a tierra de una subestación eléctrica (Grounding Systems, GS, en inglés), se considera una subestación remota simple según los procedimientos de seguridad indicados en la norma IEEE 80. Los materiales metálicos enterrados o las estructuras metálicas cercanas ponen en peligro permanente la vida humana cuando se producen fallas eléctricas. Se presentan escenarios relacionados con el diseño de subestaciones eléctricas que consideran la transferencia de potenciales eléctricos que pueden producirse entre la GS y los materiales metálicos enterrados en sus proximidades. Se evalúa el comportamiento de la transferencia de potencial, se calculan los valores de las tensiones transferidas y se identifican las principales variables que influyen en los niveles de tensión transferidos. Las simulaciones se realizan con el programa CYMGRD específico para el cálculo de GS. Su análisis genera resultados reales en la transferencia de potencial que deben ser considerados por el ingeniero de diseño de GS, lo que permite evitar el diseño de subestaciones aisladas sin tener en cuenta los elementos existentes que pueden afectar al entorno de la subestación.

Abstract For designing and studying an electrical substation grounding system (GS), a simple remote substation is considered according to the safety procedures indicated in the IEEE 80 Standard. Buried metallic materials or nearby metallic structures permanently endanger human life when electrical faults occur. Scenarios related to the design of electrical substations that consider the transfer of electrical potentials that can occur between the GS and buried metallic materials in their vicinity are presented, the behavior of potential transfer is evaluated, values of transferred voltages are calculated, and the main variables that influence the transferred voltage levels are identified. The simulations are performed with the CYMGRD software specific for GS calculations. Its analysis generates real results in the potential transfer that must be considered by the GS design engineer, which enables to avoid designing isolated substations without taking into account existing elements that may affect the substation surroundings.

LOCALIZACIÓN DE RECURSOS DISTRIBUIDOS EN REDES ELÉCTRICAS RURALES-URBANAS MARGINALES CONSIDERANDO EL ÍNDICE DE PREDICCIÓN DE COLAPSO DE TENSIÓN

Resumen Esta investigación se centra en la localización georreferenciada de los recursos distribuidos, concretamente en la inyección de potencia activa a través de la generación distribuida. Se tomó como caso de estudio un alimentador marginal rural-urbano de una empresa distribuidora de Ecuador con información georreferenciada, que cuenta con un enlace primario trifásico a media tensión y varios ramales monofásicos a media tensión de gran longitud, para abastecer a usuarios alejados de la red de la empresa local. En consecuencia, para analizar el comportamiento de la red eléctrica, se utilizó el software Cymdist para realizar simulaciones en estado estacionario con y sin la inserción de generación distribuida. Para la ubicación de la generación distribuida, se empleó el índice de predicción de colapso de voltaje como técnica para cuantificar e identificar problemas en los nodos de la red. Además, a partir de la metodología propuesta, se obtuvo la georreferenciación idónea de los sitios donde es necesario inyectar potencia activa para mejorar losperfiles de tensión y reducir el índice de predicciónde colapso de voltaje.

Abstract This research focuses on the georeferenced location ofdistributed resources, specifically in the injection ofactive power through distributed generation. A ruralurbanmarginal feeder of a distribution company inEcuador with georeferenced information was taken asa case study, which has a medium voltage three-phaseprimary link and several medium voltage one-phasebranches of great length to supply users located farfrom the local company’s network. Consequently, toanalyze the behavior of the electrical network, theCymdist software was used to perform simulationsin steady state without and with the insertion of distributedgeneration. For the location of distributedgeneration, the voltage collapse prediction index wasused as a technique to quantify and identify problemsin the network nodes. Moreover, based on theproposed methodology, it was obtained the suitablegeoreferencing of the sites where it is necessary toinject active power to improve the voltage profilesand reduce the voltage collapse prediction index.

CONTROL PASIVO TOLERANTE A FALLOS DE SENSADO EN DISPOSITIVOS DE COMPENSACIÓN DINÁMICOS - SVC MEDIANTE UNA ESTRATEGIA HÍBRIDA

Resumen En esta investigación se desarrolla un sistema de control tolerante a fallas pasivas, para un compensador reactivo estático acoplado a una microred en modo conectado, orientado a aquellas fallas que resultan de daños comunes en sus sistemas de sensado. El método planteado utiliza un controlador óptimo robusto H∞ y redes neuronales artificiales como método de estimación no lineal. La simulación, validación, identificación de la planta y el diseño del controlador se llevan a cabo por medio de un sistema benchmark de una microred, programado en Matlab/Simulink. La investigación muestra valiosos resultados como el mejoramiento en la confiabilidad y resiliencia de los compensadores estáticos ante fallas de sensado, mejoras en el comportamiento de la señal de salida del controlador del compensador estático expuesto a las fallas de sensado y disminución el error con respecto al controlador clásico.

Abstract In this research, a passive fault tolerant control system is developed for a static reactive compensator coupled to a microgrid in connected mode, oriented to those faults that result from common damages in their sensing systems. The proposed method uses an H∞ robust optimal controller and artificial neural networks as a nonlinear estimation method. The simulation, validation, plant identification and controller design are carried out using a microgrid Benchmark system, programmed in Matlab/Simulink. The research shows valuable results such as: the improvement in the reliability and resilience of static compensators against sensing failures, improvements in the behavior of the output signal of the static compensator controller exposed to sensing failures and the error decrease with respect to the classic controller.

DISEÑO IOT Y VALIDACIÓN DE SISTEMA DE MEDIDA PARA GENERACIÓN FOTOVOLTAICA

Resumen El uso de sistemas fotovoltaicos (FV) para la generación de electricidad está en constante crecimiento en Brasil. Con la reducción del precio de los módulos FV y la implementación del sistema de compensación de energía eléctrica por parte del distribuidor de energía, el consumidor está invirtiendo en microgeneración FV para reducir la factura de energía. El objetivo del presente artículo es desarrollar un sistema embebido en el contexto de Internet de las cosas (IoT). Tener un sistema de monitoreo IoT aplicado a un sistema FV conectado a la red en una institución educativa ayuda a enseñar conceptos tanto de IoT como de generación FV. El sistema se basa en la placa de desarrollo ESP32 para la adquisición de tensión y corriente continua generada por un sistema FV de 1,35 kWp conectado a la red e instalado en el IFCE. Esta propuesta ofrece una solución educativa de bajo costo, con código abierto y hardware programable, que envían los datos a una base de datos en la nube, lo que permite el acceso remoto desde cualquier parte del mundo. Posteriormente, con una metodología de análisis de datos fue posible validar los valores medidos con el inversor instalado con un error inferior al 1 % para la tensión y la corriente adquiridas durante un día. Con este resultado se concluye que el sistema IoT diseñado puede ser utilizado para la medición en sistemas FV.

Abstract The use of photovoltaic (PV) systems for electricity generation is constantly growing in Brazil. With the reduction in the price of PV modules and the implementation of the electric power compensation system by the power distributor, the consumer is investing in PV microgeneration to reduce the electricity bill. This article aims to develop an embedded system in the context of the Internet of Things (IoT). Having an IoT monitoring system applied to a grid-connected PV system in an educational institution helps teach concepts such as IoT and PV generation. The system is based on the ESP32 development board for acquiring DC voltage and current generated by a 1.35 kWp PV system connected to the grid and installed at the IFCE. This proposal offers a low-cost educational solution using open source and programmable hardware, which sends the data to a database in the cloud, enabling remote access worldwide. Then, using the data analysis methodology, it was possible to validate the values measured with the inverter installed with an error below 1

PLATAFORMA DE ENSEÑANZA A DISTANCIA DE MICROCONTROLADORES E INTERNET DE LAS COSAS

Resumen Debido al creciente desarrollo tecnológico de los sistemas embebidos y el internet de las cosas (IoT), los dispositivos basados en microcontroladores se aplican cada vez más en diversas áreas del conocimiento. En este contexto, las plataformas y productos educativos online se consideran laboratorios virtuales remotos, ya que los estudiantes pueden acceder a los dispositivos físicos en cualquier lugar siempre que dispongan de un sistema informático conectado a internet. En este sentido, este trabajo describe el diseño y desarrollo de una plataforma con cuatro productos educativos en línea para la enseñanza de microcontroladores e IoT. Estos productos educativos están basados en software de código abierto, lo que permite su distribución gratuita en línea y el acceso a ellos desde un servidor en la nube. El enfoque de código abierto y multiplataforma (Linux, Windows® y Mac OSX) permite una mayor interacción y accesibilidad del usuario. Los productos educativos en línea hacen posible la programación del firmware del microcontrolador ESP32 de forma remota a través de OTA (Over the Air) y de sistemas embebidos Linux basados en Raspberry Pi (Rpi), permitiendo aplicaciones virtuales de laboratorio de microcontroladores. Además, los productos educativos en línea permiten manipular los pines vía internet a través de la interfaz gráfica de los microcontroladores ESP32 y ESP8266, así como del Rpi. Como resultado, se probó la plataforma en línea propuesta, ejecutándola en un servidor en la nube, y se validaron los cuatro productos educativos de aprendizaje a distancia y la aplicación real de microcontroladores e IoT, que se encuentran operativos, tal como fueron diseñados.

Abstract Due to the increasing technological development in embedded systems and the Internet of Things (IoT), devices based on microcontrollers are being increasingly applied in various areas of knowledge. In this context, online educational platforms and products are considered virtual remote laboratories, because students can access the physical devices anywhere as long as they have a computer system connected to the internet. In this sense, this work describes the design and development of a platform with four online educational products for teaching microcontrollers and IoT. These educational products are based on open-source software, which enables their free online distribution and the access to them from a cloud server. The open-source and multiplatform (Linux, Windows®, and Mac OSX) approach enables a greater user interaction and accessibility. The online educational products make possible the remote programming of the ESP32 microcontroller firmware via OTA (over the air) and Linux embedded systems based on Raspberry Pi (Rpi), enabling virtual microcontroller laboratory applications. In addition, the online educational products enable the manipulation of GPIO pins via the Internet through the graphical interface of the ESP32 and ESP8266 microcontrollers and the Rpi. As a result, the proposed online platform was tested, running it on a cloud server, and the four-distance learning educational products and the actual microcontroller and IoT application have been validated, and are operating as designed.

ANÁLISIS ESTRUCTURAL DE UN BUS DE DOS PISOS DE LARGA DISTANCIA DURANTE COLISIONES.

Resumen Este estudio presenta un análisis de colisiones de impacto frontal y volcamiento lateral de un autobús de dos pisos, conforme al Reglamento 66 y 29 de la Comisión Económica de las Naciones Unidas para Europa (UN/ECE), y el Servicio Ecuatoriano de Normalización (INEN) con su normativa 1323:2009, encargado de regular los autobuses para el transporte de pasajeros en el Ecuador. En la actualidad la mejora constante de la seguridad activa y pasiva de los autobuses con respecto a los accidentes es un tema de gran impacto social. En este contexto se analiza la colisión de un autobús de dos pisos aplicando el método de elementos finitos (MEF), el cual es sometido a diferentes escenarios de colisión como es de un impacto frontal y un volcamiento lateral, con la finalidad de estudiar los efectos de un accidente de este tipo de estructuras donde la normativa no es específica para esta clase de vehículos. Los resultados obtenidos permiten tener en cuenta consideraciones importantes al momento del diseño de estos elementos.

Abstract This study presents an analysis of frontal impact and lateral overturn collisions of a double-decker bus, carried out in accordance with Regulations 66 and 29 of the United Nations Economic Commission of Europe (UN/ECE), and the Ecuadorian Standardization Service Institute (INEN) with its regulation 1323:2009. The INEN is on charge of regulating the buses for transportation of Ecuadorian passengers. The continuous improvement of active and passive safety of buses with respect to accidents, is currently a topic with great social impact. In this context, the present paper applies the finite element method (FEM) to analyze the behavior of a double-decker bus subject to different collision scenarios, such as frontal impact and lateral overturn, with the purpose of studying the effects of an accident of this type of structure, considering that the existing regulations are not specific for this kind of vehicles. The obtained results enable taking into account different considerations when designing these elements.

MEJORA DEL PROCESO DE MOLIENDA DE LACTOSA PARA UNA EMPRESA FABRICANTE DE PRODUCTOS LÁCTEOS

Resumen Esta investigación presenta resultados obtenidos luego de haber implementado una mejora en el proceso de molienda de lactosa de una empresa fabricante de productos lácteos. Se determinó la situación actual del proceso, identificando que, en un tiempo de molido de48 horas continuas, se obtiene un tamaño de partícula de lactosa de 40,23 μm. Posterior a los procesos de investigación teórica y experimental se estableció que con el uso de un molino de tambor con un volumen de elementos molientes del 25 %, una velocidad de operación de 61 rpm y el uso de cylpebs especificados en este trabajo, representan la mejor opción para obtener una molienda fina con un tamaño promedio de partículas de 22 μm en un tiempo de molido de 5 horas continuas, lo que genera principalmente un ahorro por materia prima (lactosa), consumo energético y tiempo de operación del proceso de molido.

Abstract This research presents results obtained after having implemented an improvement in the lactose grinding process of a company which manufactures dairy products, the current situation of the process was determined identifying that in a continuous 48-hourgrinding time, lactose particle size of 40.23 μm. is obtained.After theoretical and experimental developed research process, it was obtained a fine grinding with a particle size of 22 μm average in a grinding time of5 continuous hours as the best option, using a drummills with a volume of 25% grinding elements and61 rpm operating speed, when using cylpebs whichare specified in this research which generates savings in raw material (lactose), energy consumption and operation time of the grinding process.

MODELO MATEMÁTICO DE UN HORNO RESISTIVO PARA TERMOFORMADO DE LÁMINAS DE POLIPROPILENO

Resumen En el presente trabajo se desarrolla un modelo matemático de un horno resistivo para la producción de planchas termoformadas, localizado en una planta de producción de la ciudad de Riobamba. El objetivo de la investigación es conseguir la estabilidad de la temperatura y que, al pasar por el proceso de termoformado, las planchas tengan una dimensión homogénea que garantice la satisfacción del cliente. Para ello se analizan las variables físicas que rigen los fenómenos de transferencia de calor; radiación, convención y conducción, y así obtener un modelo matemático que prediga el perfil de temperatura del horno en el proceso de termoformado, a partir del cual se diseña un controlador utilizando varias técnicas de control que se acoplen al sistema de forma eficiente. En la primera etapa de la investigación se plantea un estudio teórico de los fenómenos físicos y las ecuaciones matemáticas que los representan. Luego son resueltas a través de técnicas computacionales usando Simulink para conseguir el perfil de temperatura. Por último, se valida este modelo comparándolo con aquellos ya obtenidos en trabajos anteriores a través de técnicas estadísticas; finalmente, se propone un nuevo controlador que garantice la variabilidad mínima de la temperatura. Como resultado de la simulación se consigue una variación de ±1 mm del ancho de la plancha.

Abstract In this paper, a mathematical model of a resistive oven for the production of thermoformed sheets, located in a production plant in the city of Riobamba, is developed. The objective of the research is to achieve temperature stability and that when going through the thermoforming process the plates have a homogeneous dimension that guarantees customer satisfaction. For this, the physical variables that govern the phenomena of heat transfer are analyzed; radiation, convention and conduction, and thus obtain a mathematical model that predicts the temperature profile of the oven in the thermoforming process, from which a controller is designed using various control techniques that are efficiently coupled to the system. In the first stage of the investigation, a theoretical study of physical phenomena and the mathematical equations that represent them is proposed. Then they are solved through computational techniques using Simulink and the temperature profile is obtained. Finally, this model is validated by comparing it with those already obtained in previous works through statistical techniques. Finally, a new controller is proposed that guarantees the minimum temperature variability. As a result of the simulation, a variation of ±1 mm in the width of the plate is achieved.

ANÁLISIS ESTRUCTURAL Y MODAL DE LAS PLACAS ADAPTACIÓN PARA MARTILLOS HIDRÁULICOS Y MINICARGADORES EN CONDICIONES REALES DE OPERACIÓN

Resumen En Perú, la necesidad de proyectos de servicios como la instalación de redes de gas para los residentes, ha incrementado la demanda del uso de martillos hidráulicos (HH) con cargadores compactos debido a la baja inversión en comparación con otros equipos de maquinaria y la versatilidad. La facilidad para intercambiar martillos hidráulicos con cucharones para completar las etapas de demolición y limpieza ofrecen para los contratistas una alta productividad en comparación con una operación manual. Por esa razón, el software de diseño virtual Inventor Professional fue usado para diseñar una placa de adaptación con la resistencia y durabilidad adecuadas, lo cual tiene un impacto directo sobre la estructura del martillo hidráulico y el brazo hidráulico del cargador compacto. Simultáneamente, se desarrolló una animación básica para explicar el efecto del estilo de operación sobre los martillos hidráulicos y las placas de adaptación. Finalmente, para este desarrollo, se consideró la construcción de la placa de adaptación como un fusible en el sistema, en caso de que los operadores excedan la capacidad de resistencia de la estructura del martillo hidráulico.

Abstract In Perú the need for utility projects such as gas network installation for residents has increased the demand for the use of Hydraulic Hammers (HH) with mini-loaders, due to the low investment required compared to other machinery equipment and to the versatility. The easiness to interchange hydraulic hammers with buckets to complete the demolition and cleaning stages offers for contractors a higher productivity than manual operations. For that reason, the virtual design software Inventor Professional was used to design a suitable adapter plate with adequate resistance and durability, which has a direct impact on the structure of the hydraulic hammer and the hydraulic arm of the skid steers. Simultaneously, a basic animation was developed to explain the effect of the operation style over the hydraulic hammers and the adapter plates. Finally, for this development, it was considered the construction of an adapter plate as a fuse in the system, in case operators exceed the resistance capacity of the hydraulic hammer structure.

ANÁLISIS COMPARATIVO DE CONFORT TÉRMICO DE VIVIENDA UNIFAMILIAR EN LSF FRENTE A MAMPOSTERÍA

Resumen La construcción residencial en Ecuador ha crecido un35,6 %. El sistema constructivo típico para envolventede viviendas es de bloque de concreto o de ladrillo, laconstrucción en LSF (Light Steel Framing) o marcosde acero galvanizado (LSF) está en surgimiento. Parasolucionar la demanda habitacional se evalúa el confortinterior térmico de una de vivienda unifamiliarde dos plantas en la ciudad de Cuenca con ambossistemas constructivos para conocer los estándares deconfort que ofrecen las viviendas en concordancia conla Norma Ecuatoriana de la Construcción (NEC). Lainvestigación se realizó con Design Builder y Thermdonde se analizan los parámetros que influyen enel desempeño energético de las viviendas. Con lascondiciones locales, el sistema predominante alcanzavalores de confort térmico horario anual del 51 %,pero el sistema LSF alcanza un 62 %. Sin embargo,con estrategias de mejoramiento en la globalidad dela envolvente, el LSF alcanza el 86 %. Las variablesen orden de mayor a menor influencia térmica resultaron:infiltraciones de aire, sistema constructivo de laenvolvente e implantación de la vivienda. En Cuencaes posible el uso del LSF con aislamiento mínimopara alcanzar niveles aceptables de confort, siendouna alternativa adecuada a promover para edificarviviendas unifamiliares.

Abstract Residential construction in Ecuador has recentlygrown by 35.6%. The typical construction systemfor housing envelopes is concrete block or brick, constructionin LSF, Light Steel Framing or galvanizedsteel frames (LSF,) is emerging. To solve the housingdemand, the thermal interior comfort of a two-storysingle-family home in the city of Cuenca is evaluatedwith both construction systems to know thecomfort standards offered by homes in accordancewith the Ecuadorian Construction Standard. (NEC).The research was carried out with Design Builderand Therm where the parameters that influence theenergy performance of homes are analyzed. Underlocal conditions, the predominant system reaches annualhourly thermal comfort values of 51%, but theLSF system reaches 62%. However, with improvementstrategies in the overall envelope, the LSF reaches86%. The variables in order from greater to lesser thermalinfluence resulted: Air infiltrations, constructionsystem of the envelope and implantation of the house.In Cuenca it is feasible to use the LSF with minimuminsulation to reach acceptable levels of comfort,being an adequate alternative to promote to buildsingle-family homes.