Ingenius. Revista de Ciencia y Tecnología

Estabilidad de tensión y compensación electrónica en sistemas eléctricos de potencia usando herramientas de simulación

Resumen El aumento de la demanda en los distintos sistemas eléctricos de potencia (SEP) tiene un impacto negativo en la estabilidad de la tensión, la confiabilidad y la calidad del suministro eléctrico. El perfil de tensión disminuye cuando las unidades de generación no son capaces de suministrar potencia reactiva al sistema eléctrico en los momentos que se requiere. Con el desarrollo de la electrónica de potencia y los complejos sistemas de control, se han podido introducir dispositivos de sistemas flexibles de transmisión de corriente alterna (FACTS, del inglés Flexible Alternating Current Transmission System). En este artículo se analiza en detalle el impacto que genera la introducción de un tipo de FACTS que permite la compensación de potencia reactiva en el SEP. Además, se analizará una metodología para decidir la capacidad del compensador síncrono estático (STATCOM, del inglés Static Synchronous Compensator) y su ubicación óptima con la ejecución de flujos de potencia continuos (FPC). Finalmente, se estudiará el impacto positivo de la instalación de un control estabilizador de potencia (PSS, del inglés Power System Stabilizer) para asegurar la estabilidad de tensión en el SEP. Este artículo se desarrolla utilizando el sistema base IEEE de 14 barras bajo dos modelos matemáticos para el cálculo del flujo de potencia desarrollados en el software Matlab, que son: i) utilizando las ecuaciones de balance de potencia y ii) Newton Raphson con el toolbox de MATLAB (PSAT, del inglés Power System Analysis Toolbox).

Abstract Increased demand in the different electrical power systems (EPS) has a negative impact in voltage stability, reliability and quality of the power supply. Voltage profile is reduced when generation units are not capable of supplying reactive power to the EPS at the times it is required. With the development of power electronics and complex control systems, flexible alternating current transmission system (FACTS) devices have been introduced. In this article, the impact of the introduction of a type of FACTS that allows reactive power compensation in the EPS is analyzed in detail. Furthermore, a methodology to decide the capacity of the Static Synchronous Compensator (STATCOM) and its optimal location with the execution of continuous power flows (CPF) will be analyzed. Finally, the positive impact of installing a Power System Stabilizer (PSS) control to ensure voltage stability in the EPS will be studied. This article is developed using the IEEE 14- bus base system under two mathematical models for power flow calculation developed in MATLAB software, which are: i) through the power balance equations and ii) Newton Raphson with the toolbox PSAT.

Análisis de la eficiencia del freno regenerativo en un vehículo eléctrico mediante pruebas experimentales

Resumen Este artículo presenta un análisis de la eficiencia del frenado regenerativo en condiciones reales de conducción y en diferentes geografías de carretera. Se identificaron los factores que afectan o benefician a la recuperación de energía, estos son: el peso del vehículo, el par, la velocidad, la inclinación de la calzada y el tiempo de frenado; no obstante, no se consideraron los modos de conducción deportivo y Eco debido a que se optó por un mismo ritmo de conducción en las diferentes rutas. Estos resultados pretenden colaborar con datos reales de regeneración de energía y ayudar a los investigadores, académicos e ingenieros de automoción, a mejorar la eficiencia de este sistema. En el proceso de conducción, estado de carga (SOC), la velocidad, torques y la geografía de la carretera afectan a la eficiencia del frenado regenerativo, ya que conducir un vehículo por una carretera con una geografía irregular lo expone a factores físicos agresivos, lo que reduce considerablemente su autonomía energética. Se determinaron los principales aspectos de la recuperación y la eficiencia del frenado regenerativo mediante análisis de datos cuantitativos, dando como resultado superficies y curvas experimentales, que presentan el rendimiento de la corriente y la desaceleración durante el frenado del vehículo. Así, se demuestra que la eficiencia de recuperación de energía durante el frenado es de un 78% considerando la baja autonomía del vehículo eléctrico.

Abstract This paper presents a regenerative braking analysis of efficiency in real driving conditions and different road geographies. Factors affecting or benefiting energy recovery were indentified, these are: the weight of the vehicle, torque, speed, inclination or road, and braking time; however, the sport and Eco driving modes were not considered because the same driving pace was chosen for the different routes. These results are intended to collaborate with real energy regeneration data and help investigators, academics, and automotive engineering, improving this system´s efficiency. In the driving process, the state of charge (SOC), speed, torques, and road geography effect the efficiency of regenerative breaking, as driving a vehicle on a road with irregular geography exposes it to aggressive physical factors, which considerably reduces its energy autonomy. The main aspects of recovery and regenerative braking efficiency were determined through quantitative data analysis resulting in experimental surfaces and curves, which present the performance of current and deceleration during vehicle braking. Thus, it is shown that the energy recovery during braking is 78% considering the low autonomy of the electric vehicle.

Cálculo de la velocidad de desgaste abrasivo en engranajes de dientes rectos y helicoidales con perfil evolvente, utilizando una GUI de Matlab

Resumen La presente investigación se originó con el objetivo de diseñar un software con Matlab que permita calcular la velocidad de desgaste abrasivo de engranajes rectos y helicoidales de perfil evolvente. Donde, las generalidades no estudiadas sobre el diseño de engranajes han generado consecuencias negativas en la funcionalidad y fallas catastróficas que han producido paras improvistas de procesos mecánicos, por lo cual entender las causas de los mismos se vuelve fundamental. El cálculo del desgaste abrasivo de los pares tribológicos en maquinaria pesada dependerá del grado de trituración o tamaño de las partículas abrasivas, la dureza, el material del engranaje base, el régimen de lubricación y las condiciones geométricas que determinen la naturaleza del contacto tribológico, así como el tiempo y velocidad de uso de la maquinaria pesada. Inicialmente, se establece el entorno teórico que compone el estudio basado en los principales componentes como engranajes, lubricación, el acero, los tratamientos térmicos y finalmente Matlab. Seguidamente, se establecieron los modelos matemáticos de Archard y Kraglesky que fueron adaptadas a las circunstancias del problema y en función de esta información formular un software capaz de calcular la velocidad de desgaste abrasivo mediante una herramienta gráfica de usuario de Matlab. Se procede a ejecutar el cálculo manual con las variables determinadas, tomando datos experimentales obtenidos de investigaciones previas y que cumplan con las variables determinadas para la ejecución del proceso matemático, dado que los resultados generados a través del software puedan ser tabulados, graficados en Excel y comprobados con el desarrollo matemático manual. Buscando la comparación, diferenciación y tendencia del comportamiento de la velocidad de desgaste, variando los parámetros involucrados en el proceso utilizando los dos modelos matemáticos planteados.

Abstract The present investigation originates under the objective of designing a software with Matlab that allows calculating the abrasive wear rate of spur and helocal gears with involute profile. Where, the unstudied generalities about the design of gears have generated negative consequences in functionality and have generated catastrophic failures that have produced unexpected stoppages of mechanical processes, for which understanding their causes become essential. Considering, for the calculation of the abrasive wear of the tribological pairs in heavy machinery, it will depend on the degree of grinding or size of the base gear, the lubrication regime and the geometric conditions that determine the nature of tribological contact, as well as the time and speed of use of heavy machinery. Initially, the theoretical environment that makes up the study based on the main components such as: gears, lubrication, steel, heat treatments and finally Matlab is established. Next, the mathematical models of Archard and Kraglesky were established, which were adapted to the circumstances of the problem and based on this information, a software capable of calculating the rate of abrasive wear was formulated using a graphical Matlab user tool; We proceed to execute the manual calculation with the determined variables taking experimental data obtained from previous investigations and that comply with the variables determined for the execution of the mathematical process, given that the results generated through the software can be tabulated, graphed in Excel and verified. With manual mathematical development. Looking for the comparison, differentiation and trend of the behavior of the wear rate, varying the parameters involved in the process using the two mathematical models proposed.

Estudio de eficiencia energética de una bicicleta eléctrica urbana cargada con una estación de carga solar fotovoltáica autónoma y su cumplimiento con la regulación ecuatoriana No. ARCERNNR – 002/20

Resumen Las bicicletas eléctricas (e- bikes) son un medio de transporte sostenible emergente. Si se adoptan masivamente, ayudarían a enfrentar los desafíos de movilidad humana en las ciudades del mundo. En Cuenca, Ecuador, el Gobierno local construyó ciclovías (13,46 km) que conectan puntos estratégicos, para facilitar y fomentar la movilidad sostenible. Sin embargo, la implementación efectiva de las estrategias de electromovilidad a gran escala conlleva impactos en la red eléctrica, como el aumento de la demanda de energía y la posible disminución de su calidad debido a la distorsión armónica de la corriente de carga de la batería. El propósito de esta investigación es hacer una evaluación preliminar de dichos impactos, mediante el estudio de eficiencia energética de una e-bike urbana cargada con una estación solar fotovoltaica aislada, implementada en el Laboratorio de Micro- Red de la Universidad de Cuenca. La metodología incluye la caracterización experimental del régimen de carga de la batería, el cálculo de la eficiencia energética del vehículo y la evaluación del cumplimiento de la normativa ecuatoriana ARCERNNR – 002/20, los resultados muestran que el cargador de la batería implementa un régimen de carga estandarizado por normas alemanas, entregando 92% de carga en 4,82 horas. La eficiencia energética promedio de la e-bike es 2,18 kWh/100 millas o 73,77 m/Wh, y una economía de combustible de 1545,1 MPGe. Finalmente, la magnitud de las primeras cuatro componentes armónicas impares y la distorsión armónica total de la corriente de carga supera los límites establecidos por la normativa.

Abstract E-bikes are an emerging sustainable means of transportation, if adopted massively, they can help face the challenger of human mobility in urban centers world-wide. In Cuenca, Ecuador, the local government built cycle routes (13.47km) connecting strategic points to facilitate and encourage sustainable mobility. However, the effective implementation of the electromobility strategies at a large scale entails impacts on the power grid, like the increase in the energy demand and the possible decrease of the energy quality due to the harmonic distortion that characterizes the battery´s charging current. This research aims to obtain a primary input to evaluate such impacts through an energy efficiency study of an urban e-bike charged by a standalone solar photovoltaic charging station implemented in the Microgrid Laboratory of Universidad de Cuenca. The methodology includes the experimental characterization of the battery’s charging regime, the vehicle’s energy efficiency calculation, and the evaluation of its compliance with Ecuadorian grid code No. ARCERNNR – 002/20. Results show that the battery’s charger performs a charging regime standardized by German regulations, delivering 92% of charge in 4.82 hours. The e-bike’s calculated average energy efficiency is 2.18 kWh/100 miles or 73.77 m/Wh, and a fuel economy of 1545.1 MPGe. Finally, the magnitude of the first four odd harmonic components and the total harmonic distortion of the charging current exceeds the limits established by the grid code in force.

Caracterización del potencial térmico RSU, para la generación de energía eléctrica, utilizando carbonización hidrotérmica

Resumen El cenit del petróleo y el efecto invernadero son las razones que justifican la necesidad de utilizar energías renovables no convencionales (ERNC). Los residuos sólidos urbanos constituyen una de esas fuentes, por lo que la determinación de las principales características, incluido el poder calorífico, fue el primer objetivo de la presente investigación, así como la utilización de los modernos procedimientos de carbonización hidrotermal (CHT) y licuefacción hidrotermal (LHT), para la generación de energía y potencia eléctrica. Se trabajó con los datos de muestreo de los residuos sólidos urbanos del área de Chiclayo metropolitano. Se empleó una bomba calorimétrica para la medición del poder calorífico y la simulación numérica del potencial de generación eléctrica. Además, se obtuvo como resultado el cumplimiento del objetivo principal, y el hecho de que es posible obtener energía y potencia firme, que ayude a evitar las emisiones de gases efecto invernadero, contribuyendo a los compromisos firmados con tal efecto y a seguir el camino a una nueva matriz energética sostenible; a la vez se da una posible solución al problema del manejo de residuos sólidos urbanos, principal problema ambiental de la ciudad de Chiclayo, Perú.

Abstract The zenith of oil and the greenhouse effect are the main reasons why it is necessary to use nonconventional renewable energy (NCRE) sources. Solid urban waste is one of these sources, and the main objective of this research is to determine its main features, including calorific value, as well as the use of modern hydrothermal carbonization (HTC) and hydrothermal liquefaction (HTL) procedures for the generation of energy and electrical power. For this purpose, it was used the sampling data of urban solid waste from the metropolitan Chiclayo area. A calorimetric bomb was employed for measuring its calorific value and the electrical generation potential was simulated. In addition, the main objective was fulfilled, and it was also possible to steadily generate energy and power. This will help to avoid greenhouse gas emissions, and thus contribute to meet the commitments signed by Peru to reduce greenhouse gases, and follow the path to a new sustainable energy matrix, while simultaneously providing a potential solution to the problem of managing solid urban waste, which is the main environmental problem of the city of Chiclayo Peru.

Control por ganancias programadas aplicado a un convertidor DC-DC para la regulación de la intensidad luminosa de una lámpara LED

Resumen En la actualidad existen diversas aplicaciones de la iluminación LED, sin embargo, algunas de estas requieren regular la iluminación con precisión y en un amplio rango de operación, principalmente en tareas de seguimiento. Es en estos casos en donde es necesario considerar la no linealidad del LED para el diseño de esquemas de control, además, se necesita de una fuente de alimentación eficiente ante los cambios de tensión y corriente requeridos por la lámpara. En este trabajo se presenta el diseño de un convertidor DC-DC capaz de realizar y soportar estas variaciones, así como el diseño, simulación y comparación de esquemas de control PI clásico, PI difuso y ganancias programadas para estas aplicaciones. Con el fin de validar los esquemas de control descritos, y con el propósito de cumplir las recomendaciones de la Organización Mundial de la Salud, se toma el control de la iluminancia producida por una lámpara de protección ocular como caso de estudio, en donde el controlador varía el ciclo de trabajo del convertidor, ajustando de esta manera la tensión de la lámpara, y en consecuencia regulando la intensidad luminosa. Comparando los esquemas de control, el desempeño del sistema con el control por ganancias programadas tiene mejores características para el caso de estudio descrito con anterioridad, presentándose un error en estado estable de 0 % y menor sobretiro en comparación con los otros esquemas de control desarrollados.

Abstract Nowadays there are several applications of LED lighting, however, some of them require to regulate the lighting with precision and in a wide range of operation, mainly in tracking tasks. It is in these cases where it is necessary to consider the nonlinearity of the LED for the design of control schemes, moreover an efficient power source is needed to the changes in voltage and current required by the lamp. This paper presents the design of a DC-DC converter capable of performing and supporting these variations, as well as the design, simulation and comparison of classical PI, fuzzy PI and scheduled gains control schemes for these applications. In order to validate the described control schemes, and with the purpose of complying with the recommendations of the World Health Organization, the control of the illuminance produced by an eye protection lamp is taken as a case study, where the controller varies the duty cycle of the converter, thus adjusting the voltage of the lamp, and consequently regulating the luminous intensity. Comparing the control schemes, the performance of the system with scheduled gains control has better characteristics for the case study described above, presenting a steady state error of 0% and lower overshoot compared to the other control schemes developed.

Predicción de arritmias e infartos agudos de miocardio usando aprendizaje automático

Resumen Las enfermedades cardiovasculares, como el infarto agudo de miocardio, son una de las tres principales causas de muerte en el mundo según datos de la OMS. De forma similar, las arritmias cardíacas¸ como la fibrilación auricular, son enfermedades muy comunes en la actualidad. El electrocardiograma (ECG) es el medio de diagnóstico cardíaco que se utiliza de forma estandarizada en todo el mundo. Los modelos de aprendizaje automático son muy útiles en problemas de clasificación y predicción. Aplicadas al campo de la salud, las redes neuronales artificiales (ANN) y las redes neuronales convolucionales (CNN) en conjunto con modelos basados en árboles como XGBoost, son de vital ayuda en la prevención y control de enfermedades del corazón. El presente estudio tiene como objetivo comparar y evaluar el aprendizaje basado en los algoritmos ANN, CNN y XGBoost mediante el uso de las bases de datos de ECG Physionet MITBIH y PTB, que proporcionan ECG clasificados con arritmias e infartos agudos de miocardio, respectivamente. Se comparan por separado los tiempos de aprendizaje y el porcentaje de exactitud de los tres algoritmos en las dos bases de datos, y finalmente se cruzan los datos para comparar la validez y seguridad de la predicción.

Abstract Cardiovascular diseases such as Acute Myocardial Infarction are one of the 3 leading causes of death worldwide, according to WHO data. Similarly, cardiac arrhythmias, such as atrial fibrillation, are very common diseases at present. The electrocardiogram (ECG) is the means of cardiac diagnosis that is used in a standardized way worldwide. Machine learning models are very helpful in classification and prediction problems. Applied to the field of health, artificial neural networks (ANN) and convolutional neural networks (CNN) together with tree-based models such as XGBoost, are of vital help in the prevention and control of heart diseases. The objective of the present study is to compare and evaluate the learning based on the ANN, CNN and XGBoost algorithms using the Physionet MIT-BIH and PTB ECG databases, which provide ECGs classified with Arrhythmias and Acute Myocardial Infarctions, respectively. The learning times and the percentage of Accuracy of the 3 algorithms on the 2 databases are compared separately, and finally the data are crossed to compare the validity and safety of the prediction.

Rendimiento para la interoperabilidad entre Raspberry pi, ESP8266 y PLC con Node-RED para el IIoT

Resumen Este trabajo evalúa la viabilidad de integrar en una red descentralizada las placas de bajo costo Raspberry pi, microcontroladores ESP8266 con equipos industriales de Controladores Lógicos Programables (PLC). Estos dispositivos serán los nodos que participan en el intercambio de datos entre el piso de manufactura y los servicios empresariales de manera simple, fiable y económica. Los nodos de la red producen y consumen datos que son intercambiados por un nodo gestor de protocolos open source llamado Node-RED. El gestor de protocolos es un servidor con núcleo de Linux sobre un microprocesador RISC (Reduced instruction set computing). Los sensores en los nodos de manufactura utilizan microcontroladores SoC (System On Chip) y mediante el concepto de Edge computing adquieren, procesan y envían sus datos al gestor de protocolos. Así, mediante la herramienta Iperf3, Wireshark y MTR, mediremos el rendimiento del enlace de comunicaciones y el estado que guardan los nodos participantes en sus procesos producción/consumo de datos.

Abstract This work evaluates the feasibility of integrating lowcost Raspberry pi boards and ESP8266 microcontrollers with industrial equipment of Programmable Logic Controllers (PLC) in a decentralized network. These devices will be the nodes that participate in the exchange of data between the manufacturing floor and business services in a simple, reliable and economical way. The network nodes produce and consume data that is exchanged by an open-source protocol manager node called Node-RED. The protocol manager is a server with a Linux kernel on a RISC (Reduced instruction set computing) microprocessor. The sensors in the manufacturing nodes use SoC (System On Chip) microcontrollers and through the concept of Edge computing they acquire, process and send their data to the protocol manager. Thus, using the Iperf3, Wireshark and MTR tools, we will measure the performance of the communications link and the status of the participating nodes in their data production/consumption processes.

Diseño de un sistema de generación microhidráulica basado en un tornillo de Arquímedes

Resumen En este trabajo se aplica el principio de generación hidroeléctrica, utilizado a gran escala en nuestro país. El sistema construido representa una herramienta didáctica de laboratorio en los cursos de docencia sobre energías renovables. El objetivo de este artículo es la construcción de un microgenerador hidráulico de carácter didáctico que permita aprovechar la energía cinética del agua para la producción de energía eléctrica. Además, disponer dicho sistema en una institución educativa ayuda a enseñar conceptos de energías renovables como la microhidráulica y potenciar sus aplicaciones en zonas rurales a través de proyectos de vinculación con la sociedad. Se han considerado aspectos de diseño importantes como potencia de generación, uso del modelo tornillo de Arquímedes, suministro del recurso hídrico, costo de materiales para la elaboración, instalación del generador, entre otros. Esta propuesta ofrece una solución didáctica de bajo costo fácil de reproducir, que genera una potencia máxima de 8 (W) con un caudal de 10 (l/s), lo que permite abastecer una determinada demanda eléctrica, principalmente de iluminación. A través de un modelo validado en laboratorio gracias al sistema desmontable que posee para ser utilizado en un entorno real, se realizaron pruebas, utilizando un tanque de almacenamiento de agua y una bomba. Con estos resultados se concluye que el sistema construido aprovecha un caudal de agua reducido para producir energía limpia y renovable.

Abstract In this work, the principle of hydroelectric generation, used on a large scale in our country, is applied. The built system represents a didactic laboratory tool in teaching courses on renewable energies. The objective of this article is the construction of a didactic hydraulic micro generator that allows to take advantage of the kinetic energy of water to produce electrical energy. In addition, having said system in an educational institution helps to teach concepts of renewable energies such as micro-hydraulics and promote its applications in rural areas through projects related to society. Important design aspects such as power generation, use of the Archimedes screw model, supply of water resources, cost of materials for processing, installation of the generator, among others, have been considered. This proposal offers a low-cost educational solution that is easy to reproduce, which generates a maximum power of 8(W) with a flow rate of 10(l/s), which allows supplying a certain electrical demand, mainly for lighting. Through a model validated in the laboratory thanks to the removable system that must be used in a real environment, tests were carried out using a water storage tank and a pump. With these results it is concluded that the built system takes advantage of a reduced water flow to produce clean and renewable energy.

Análisis de sentimiento de los datos de twitter de COVID-19 utilizando modelos de aprendizaje profundo y aprendizaje máquina

Resumen En este artículo, aplicamos técnicas de aprendizaje automático para predecir el sentimiento de las personas que usan las redes sociales como Twitter durante el pico de COVID-19 en abril de 2021. Los datos contienen tweets recopilados en las fechas entre el 16 de abril de 2021 y el 26 de abril de 2021, donde el texto de los tweets se ha etiquetado mediante la formación de los modelos con un conjunto de datos ya etiquetado de tweets de virus de corona como positivo, negativo y neutro. El análisis del sentimiento se llevó a cabo mediante un modelo de aprendizaje profundo conocido como Representaciones de Codificadores Bidireccionales de Transformers (BERT) y varios modelos de aprendizaje automático para el análisis de texto y el rendimiento, que luego se compararon entre sí. Los modelos ML utilizados son Bayes ingenuas, regresión logística, bosque aleatorio, máquinas vectoriales de soporte, descenso de gradiente estocástico y aumento de gradiente extremo. La precisión de cada sentimiento se calculó por separado. La precisión de clasificación de todos los modelos de ML producidos fue de 66.4 %, 77.7 %, 74.5 %, 74.7 %, 78.6 % y 75.5 %, respectivamente y el modelo BERT produjo 84.2%. Cada modelo clasificado de sentimiento tiene una precisión de alrededor o superior al 75 %, que es un valor bastante significativo en los algoritmos de minería de texto. Vemos que la mayoría de las personas que tuitean están adoptando un enfoque positivo y neutral.

Abstract The novel coronavirus disease (COVID-19) is an ongoing pandemic with large global attention. However, spreading fake news on social media sites like Twitter is creating unnecessary anxiety and panic among people towards this disease. In this paper, we applied machine learning (ML) techniques to predict the sentiment of the people using social media such as Twitter during the COVID-19 peak in April 2021. The data contains tweets collected on the dates between 16 April 2021 and 26 April 2021 where the text of the tweets has been labelled by training the models with an already labelled dataset of corona virus tweets as positive, negative, and neutral. Sentiment analysis was conducted by a deep learning model known as Bidirectional Encoder Representations from Transformers (BERT) and various ML models for text analysis and performance which were then compared among each other. ML models used were Naïve Bayes, Logistic Regression, Random Forest, Support Vector Machines, Stochastic Gradient Descent and Extreme Gradient Boosting. Accuracy for every sentiment was separately calculated. The classification accuracies of all the ML models produced were 66.4%, 77.7%, 74.5%, 74.7%, 78.6%, and 75.5%, respectively and BERT model produced 84.2%. Each sentiment-classified model has accuracy around or above 75%, which is a quite significant value in text mining algorithms. We could infer that most people tweeting are taking positive and neutral approaches.