Guía de la medición de aislamiento

 

Manual electrotécnico, Telesquemario

 

Selectividad en baja tensión

 

Cambio de tensión y frecuencia en un motor de corriente alterna

 

DOLIVO-DOBROWOLSKY

 

DOLIVO-DOBROWOLSKY,

Mijail Osipowitsch

• 3 de enero de 1862, San Petersburgo (Rusia).

† 15 de noviembre de 1919, Heidelberg (Alemania).

 

Ingeniero Eléctrico ruso-germánico que trabajó como Director de Ingeniería en la compañía alemana AEG y fue el artífice de la construcción de la primera línea trifásica del mundo entre Lauffen y Frankfurt en 1891.

Mikhail Dolivo-Dobrovolsky nació como hijo del funcionario ruso y terrateniente de ascendencia polaca Josif Florovich Dolivo-Dobrovolsky y Olga Mikhailovna Jewreinova de una antigua familia noble rusa en Gatchina, cerca de San Petersburgo pero por motivos familiares su familia se trasladó a Odessa, siendo en esta ciudad donde cursó los estudios de bachillerato.

A los 16 años ingresó en el Politécnico de Riga, pero en estos años la insuficiencia de las formas políticas rusas llevó a la oposición a los jóvenes intelectuales, lo que provocó una fuerte reacción del zar Alejandro II, iniciándose una época de fuerte represión política que obligó al cierre de las universidades, por lo que Dobrowolsky no tuvo más remedio que trasladarse al extranjero. Se matriculó en 1880 en la Escuela Técnica de Darmstadt (el zar Alejandro II murió el 13 de marzo de 1881, como consecuencia de un atentado perpetrado por la organización secreta rusa Narodnaya Volya, voluntad del pueblo). 

En la Escuela Técnica de Darmstadt se estableció, en 1882, la primera cátedra de electrotecnia del mundo, nombrándose como Catedrático a Erasmus Kittler (1852-1929). Dobrowolsky siguió durante el curso 1883-84 la asignatura de Electrotecnia que impartía Erasmus Kittler (el patriarca de la Electrotecnia alemana) y al acabar la carrera, fue el primer ayudante de Kittler durante los años 1885 hasta 1887. Es en 1887 cuando Emil Rathenau, el Director de la compañía AEG, Allgemeine Electrizitäts-Gesellschaft en alemán, (en sus primeros años AEG fue una subsidiaria de la compañía Edison en Alemania), le ofreció a Dobrowolsky el puesto de director técnico de su empresa, permaneciendo en la misma el resto de su vida. El problema eléctrico de aquella época era poder transportar la energía eléctrica a gran distancia. 

En el año 1885 los ingenieros Deri, Blathy y Zipernowsky, de la empresa Ganz de Budapest, habían desarrollado el transformador, pero no se habían inventado todavía motores de corriente alterna. Es por ello que Dobrowolsky se interesó enseguida por los trabajos del profesor italiano Galileo Ferraris, en los que demostraba la obtención de un campo magnético giratorio con dos corrientes alternas desfasadas 90º y que desarrollaría también, en EE. UU., el ingeniero de origen croata Nikola Tesla, para la compañía Westinghouse. Basándose en estas ideas, Dobrowolsky diseñó un motor con corrientes trifásicas que le pareció más simétrico, y construyó generadores trifásicos con devanados distribuidos y es por lo que se considera a Dobrowolsky el padre de los sistemas trifásicos. 

Entre 1889 y 1890 efectuó un estudio completo de los transformadores y de las redes trifásicas. Dobrowolsky distinguía los montajes en circuito abierto (montaje en estrella), con tres conductores principales y un conductor de retorno común que se podía suprimir si el consumo era equilibrado, y el montaje en circuito cerrado (montaje en triángulo), con tres conductores solamente. 

Fue el artífice, con Oskar Von Miller (fundador del Museo de la Ciencia de Munich), de la primera instalación de transporte de energía por medio de sistemas trifásicos del mundo, y que se efectuó entre Lauffen y Frankfurt con motivo de la Exposición Internacional de Frankfurt de 1891; la central estaba situada en el río Neckar, cerca de Lauffen, y constaba de un alternador de 32 polos que producía una tensión de línea de 86 V y que con ayuda de un transformador Yy se elevaba a 15.000 V, la línea tenía una longitud de 175 km.; al final de la línea se disponía de un transformador reductor para alimentar a continuación el alumbrado de la Exposición y un motor trifásico de 100 CV de rotor devanado, diseñado por Dobrowolsky, que movía una bomba centrífuga para elevar el agua de una cascada artificial de 10 m. de altura situada en los jardines de la exposición.

El rendimiento de esta línea de transporte fue superior al 75 % y fue el inicio del gran desarrollo en la construcción de líneas eléctricas y centrales de corriente alterna en todo el mundo, mediante sistemas polifásicos. 

A Dobrowolsky se le deben también inventos específicos con dinamos trifilares. Dobrowolsky trabajó como Director de Ingeniería en la compañía alemana AEG durante toda su vida y fue el responsable del diseño de todas las máquinas eléctricas que construía la compañía. Inventó el rotor de doble jaula de ardilla para los motores asíncronos o de inducción, el fasímetro y un tipo específico de vatímetro. 

Recibió el título de Doctor Honoris Causa por la Universidad de Darmstadt en 1911.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

VOLTA, Alessandro

 

VOLTA, Alessandro

• 18 de febrero de 1745, Como, Lombardía (Italia).

† 5 de marzo de 1827, Como (Italia). 

Físico italiano inventor de la pila eléctrica que lleva su nombre y que es una fuente de energía de corriente continua con la que comenzó el desarrollo de la electrocinética. Inventó también el electróforo, que era una máquina electrostática. 

Se crio en el seno de una familia acomodada. Su padre Filippo Volta era de noble linaje; su madre Donna Magdalena era de la familia de los Inzaghi.

En contra de los deseos de sus progenitores, que querían que estudiara una carrera jurídica, optó por las ciencias.

Estudió en su ciudad natal, y sobre el año 1765, se sintió atraído por los experimentos eléctricos. En 1774 recibió su primer destino académico como profesor del Instituto de Como. Al año siguiente descubrió el electróforo; este aparato consistía en un disco metálico recubierto de ebonita y otro disco también metálico que disponía de un asa aislada eléctricamente; al frotar el disco de ebonita (por ejemplo, con una gamuza), adquiere una carga eléctrica negativa; si se coloca encima el disco metálico, aparece en la superficie inferior de éste una carga eléctrica positiva y en la superior, una negativa; esta carga negativa de arriba puede llevarse a tierra y perderse; y repitiendo el proceso podemos crear una gran carga en el disco que sostenemos con el asa del superior. Este aparato acumulador de carga sustituyó a la botella de Leyden como dispositivo acumulador de carga eléctrica, y es el fundamento de los condensadores eléctricos. Catedrático de Física Aplicada de la Universidad de Pavía (1779), en 1781 construyó un electrómetro mejorando el aparato de du Fay.

En 1792 comprendió la importancia del descubrimiento de Galvani y aceptó, en principio, su teoría.

Después de muchos experimentos en su laboratorio, en 1793, rechazó completamente la teoría de la electricidad animal de Galvani, demostrando que los músculos de la rana no se contraen si el «arco» que cierra el circuito está formado por un único metal.

En 1794, se casó con una dama de la aristocracia de Como, Teresa Peregrini, con quien tuvo a sus tres hijos: Giovanni, Flaminio, y Zanino.

En 1800, utilizando discos de cobre, cinc y carbón impregnado en una solución salina, inventó su famosa pila, que permitía producir un flujo continuo de corriente eléctrica.

La unidad eléctrica conocida como voltio recibió ese nombre en su honor.

El 1 de mayo de 1806 fue elegido Caballero de la Corona de Hierro del reino de Lombardia. Durante 1809 le designaron senador de la corte y, en 1810, se le otorgó el título nobiliario de conde. Napoleón Bonaparte le otorgó la medalla de oro al mérito científico.

Sus trabajos fueron publicados en cinco volúmenes en el año 1816, en Florencia.

Alessandro Volta pasó sus últimos años de vida en su hacienda en Camnago, cerca de Como, donde falleció el 5 de marzo de 1827.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

OHM, Georg Simon

 

OHM, Georg Simon

• 16 de marzo de 1787, Erlangen, Baviera (Alemania).

† 7 de julio de 1854, Munich (Alemania). 

Físico alemán que descubrió la ley que lleva su nombre, relacionando la resistencia eléctrica de un metal con la tensión y la corriente.

Ohm era hijo de un cerrajero y en su adolescencia ayudaba a su padre a reparar cerraduras y mecanismos, lo que sería de gran importancia para que, años después, el propio Ohm construyera por sí mismo muchos de sus equipos de laboratorio. En 1805 ingresó en la Universidad de Erlangen, graduándose como Doctor en 1811.

Su gran ilusión era quedarse en la universidad como profesor de Matemáticas, pero no tuvo oportunidad para ello, así que después de estar durante unos años dando clases particulares, en 1817 se trasladó a Colonia, para enseñar Matemáticas y Física en un liceo privado. Ohm era un buen profesor y respetado por sus alumnos (uno de ellos fue Dirichlet, que alcanzaría gran fama como Matemático). Al cabo de ocho años de enseñanza en el liceo Ohm, estaba disgustado porque sentía que daba clases a demasiados estudiantes, muchos de los cuales no tenían muchas ganas de aprender. Su ambición era conseguir un nombramiento en la universidad. Para esto tenía que presentar algún trabajo importante de investigación. Escogió el nuevo campo de la corriente eléctrica iniciado por Volta. 

Debido a su pobreza, tuvo que construirse sus propios equipos de laboratorio, descubriendo en 1827 la ley de Ohm, que explica la relación entre la resistencia eléctrica, la tensión y la corriente de un circuito, que desgraciadamente no le sirvió para conseguir el puesto universitario que tanto ansiaba. En el prólogo de su libro, al que dio el título Teoría matemática del circuito galvánico (Die galvanische Kette, mathematisch bearbitet), refleja así su amargura: «Las circunstancias en que he vivido hasta ahora no han sido ciertamente las más favorables para que me animasen a proseguir mis estudios; la indiferencia del público abate mi ánimo y amenaza extinguir mi amor a la ciencia». 

Ohm desarrolló su teoría en base al trabajo de Fourier sobre la teoría analítica del calor publicado en 1822, ya que Ohm creía que el flujo de la electricidad que iba de mayor a menor tensión era análogo al flujo del calor que se dirigía de mayor a menor temperatura, y también consideraba que las corrientes eléctricas y los flujos caloríficos dependían de las conductividades de los metales por los que pasaban.

Sus investigaciones recibieron una buena acogida fuera de su país, la Real Sociedad de Londres lo premió con la medalla Copely en 1841 y tuvo que esperar hasta 1849, año en que fue nombrado Catedrático de Física de la Universidad de Munich, de modo que los últimos años de su vida, los pasó en el apogeo de la ambición realizada.

Georg Ohm falleció el 6 de julio de 1854 en Munich.

En 1881, en la Exposición Internacional de Electricidad de París, veintisiete años después de su fallecimiento, se adoptó el ohmio como unidad de la resistencia eléctrica en honor a su memoria.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Componentes principales de una planta fotovoltaica

 

1 Generador fotovoltaico

El componente elemental de un generador FV es la célula fotovoltaica, donde se lleva a cabo la conversión de la radiación solar a corriente eléctrica. La célula esta compuesta por una delgada capa de material semiconductor, normalmente silicio tratado, con un grosor de alrededor de 0,3 mm y una superficie de 100 a 225 cm².

El silicio, con cuatro electrones de valencia (tetravalente), se "dopa" con átomos trivalentes (p. ej. boro – dopaje Positivo) en una capa y cierto número de átomos pentavalentes (p. ej. fósforo – dopaje Negativo) en la otra.

La región tipo P tiene exceso de huecos, mientras que la de tipo N tiene exceso de electrones (figura 1).

 

 

Figura 1 – La célula fotovoltaica

En el área de contacto entre las dos capas con diferente dopaje (unión P-N), los electrones tienden a desplazarse desde la mitad con exceso de electrones (N) hacia la mitad con déficit de electrones (P), generando así una acumulación de carga negativa en la región P. Para los huecos de electrones ocurre un fenómeno equivalente, con acumulación de carga positiva en la región N. De esta forma se crea un campo eléctrico en la unión que se opone a la difusión de cargas eléctricas. Al aplicar una tensión desde el exterior, la unión permite el flujo de corriente únicamente en una dirección (funcionamiento como un diodo).

Cuando se expone la célula a la luz, a causa del efecto fotovoltaico2 se crean algunos pares electrón-hueco tanto en la región N como en la P. El campo eléctrico interno hace que el exceso de electrones (resultado de la absorción de fotones por parte del material) se separe de los huecos y los impulsa en direcciones opuestas.

Como consecuencia, una vez que los electrones han superado la región de agotamiento no pueden regresar ya que el campo evita el flujo en la dirección inversa. Al conectar la unión a un conductor externo se obtiene un circuito cerrado, en el que la corriente fluye de la capa P, con un potencial mayor, a la capa N, con un potencial menor, siempre que la célula esté iluminada (figura 2).

 

Figura 2 – Funcionamiento de una célula fotovoltaica

* El efecto fotovoltaico tiene lugar cuando un electrón de la banda de valencia de un material (normalmente un semiconductor) es liberado a la banda de conducción al absorber un fotón con la suficiente energía (cuanto de radiación electromagnética) que incide en el material. De hecho, tanto en los materiales semiconductores como en los aislantes los electrones no pueden moverse libremente. Sin embargo, al comparar los materiales semiconductores con los aislantes la banda prohibida de energía entre la banda de valencia y la de conducción (característica de los materiales conductores) es pequeña, de manera que los electrones pueden alcanzar la banda de conducción fácilmente cuando captan energía del exterior. Esta energía puede ser suministrada por la radiación luminosa, de ahí el efecto fotovoltaico.

La región del silicio que interviene en el suministro de corriente es la que rodea la unión P-N; las cargas eléctricas también se forman en las regiones lejanas, pero no está presente el campo eléctrico que provoca su movimiento y por tanto se recombinan. Por ello es importante que la célula FV posea una gran superficie: a mayor superficie, mayor es la intensidad generada.

La figura 3 representa el efecto fotovoltaico y el balance energético que muestra el porcentaje considerable de energía solar incidente no convertida a energía eléctrica.

 

Figura 3 – Efecto fotovoltaico

100% de la energía solar incidente

- 3% pérdidas por reflexión y sombreado sobre los contactos frontales

- 23% fotones con longitudes de onda larga, con una energía insuficiente para liberar electrones; se genera calor

- 32% fotones con longitud de onda corta, con exceso de energía (transmisión)

- 8,5% recombinación de portadores de carga libres - 20% gradiente eléctrico en la célula, sobre todo en las regiones de transición

- 0,5% resistencia en serie que representa las pérdidas por conducción

= 13% energía eléctrica utilizable

En las condiciones de funcionamiento estándar (irradiancia de 1W/m2 a una temperatura de 25 °C) una célula FV genera una intensidad de 3 A con una tensión de 0,5 V y una potencia pico de 1,5 a 1,7 Wp.

En el mercado se comercializan módulos fotovoltaicos compuestos por un conjunto de células. Los más habituales contienen 36 células en 4 hileras paralelas conectadas en serie, con un área comprendida entre 0,5 y 1 m2.

Varios módulos conectados mecánica y eléctricamente componen un panel, entendido como una estructura común que puede fijarse al suelo o a un edificio (figura 4).

 

Figura 4

Varios paneles conectados eléctricamente en serie componen una cadena, y varias cadenas conectadas en paralelo para generar la potencia necesaria constituyen el generador o huerto fotovoltaico (figuras 5 y 6).

 

Figura 5

 

 

Figura 6

Las células fotovoltaicas de los módulos no son exactamente iguales a causa de desviaciones de fabricación inevitables, por lo tanto es posible que dos bloques de células conectados en paralelo no posean la misma tensión.

A consecuencia de esta diferencia, se genera una corriente que fluye desde el bloque de células de mayor tensión hacia el bloque de menor tensión. De este modo, parte de la energía generada por el módulo se pierde dentro del mismo módulo (pérdidas por desequilibrio).

La falta de igualdad de las células también puede deberse a una irradiancia solar diferente, por ejemplo, cuando están parcialmente a la sombra o deterioradas.

Estas células se comportan como diodos, bloqueando la intensidad generada por las otras células.

El diodo depende de la tensión de las otras células y puede provocar la perforación de la unión por sobrecalentamiento local, así como daños al módulo.

Para limitar este tipo de fenómenos, los módulos están equipados con diodos de bypass que cortocircuitan las zonas sombreadas o dañadas del módulo. El fenómeno del desequilibrio también ocurre entre los paneles del campo fotovoltaico a causa de la desigualdad de los módulos, las diferencias en las irradiancias de los paneles, las zonas de sombra y los defectos en algún panel.

Para impedir el flujo de corriente inversa entre los paneles se pueden insertar diodos.

Las células que componen el módulo se encapsulan en un sistema de montaje que:

• aisla eléctricamente las células del exterior;

• protege las células de los agentes atmosféricos y de los esfuerzos mecánicos;

• es resistente a los rayos ultravioleta, a las bajas temperaturas, a los cambios bruscos de temperatura y a la abrasión;

• disipa el calor fácilmente para evitar que el aumento de temperatura reduzca la energía suministrada por el módulo.

Estas propiedades deben mantenerse durante toda la vida útil prevista para el módulo. La figura 7 muestra la sección de un módulo estándar de silicio cristalino compuesto de:

• una lámina protectora en la parte superior expuesta a la luz, caracterizada por una elevada transparencia (el material más común es vidrio templado);

• un material encapsulante que evita el contacto directo entre el vidrio y la célula, elimina los intersticios originados por las imperfecciones superficiales de las células y aísla eléctricamente la célula del resto del panel; en procesos que requieren laminación suele utilizarse etileno vinilo acetato (EVA);

• un sustrato de soporte (vidrio, metal, plástico) en la parte posterior;

• un bastidor metálico, normalmente de aluminio.

 

 

Figura 7

En los módulos de silicio cristalino, una vez construidas las células se utilizan contactos metálicos soldados para conectarlas; en los módulos de capa fina la conexión eléctrica es parte del proceso de fabricación de las células, siendo posible gracias a una capa de óxidos metálicos transparentes, como óxido de zinc u óxido de estaño.

2 Inversor

El sistema de acondicionamiento y control energético está formado por un inversor que transforma la corriente continua en alterna y controla la calidad de la energía destinada a la red mediante un filtro L-C montado en el interior del propio inversor. La figura 8 muestra el esquema de conexión de un inversor. Los transistores, utilizados como conmutadores estáticos, se controlan mediante una señal de apertura-cierre que en su forma más simple proporcionaría una onda de salida cuadrada.

 

 

Figura 8 – Esquema del principio de funcionamiento de un inversor monofásico

Para que la onda sea lo más sinusoidal posible se utiliza una técnica más sofisticada: modulación del ancho del pulso (PWM, pulse Width Modulation). Esta técnica permite regular la frecuencia y el valor rms de la forma de onda de salida (figura 9).

 

Figura 9 – Principio de funcionamiento de la tecnología PWM

La potencia suministrada por un generador FV depende del punto de la instalación en el que está operando. Para optimizar el suministro de energía de la planta, el generador debe adaptarse a la carga, de modo que el punto de funcionamiento corresponda siempre al punto de potencia máxima.

Con este objetivo, dentro del inversor se utiliza un chopper controlado llamado seguidor del punto de potencia máxima (MPPT, Maximum Power Point Tracking). El MPPT calcula el valor instantáneo de la curva I-V ("tensión-intensidad") del generador al cual se produce la máxima potencia disponible.

Tomando la curva I-V del generador FV:

El punto máximo de la transferencia de potencia corresponde al punto tangente entre la curva I-V para un valor dado de la radiación solar y la hipérbola descrita por la ecuación V . I = const. (figura 10)

 

Figura 10: Punto de potencia máxima (MPP) de un generador fotovoltaico

El sistema MPPT de uso comercial identifica el punto de potencia máxima de la curva característica del generador induciendo, a intervalos regulares, pequeñas variaciones de la carga que determinan las desviaciones de los valores tensión-intensidad y evaluando si el producto resultante I-V es mayor o menor que el anterior. En caso de aumento de carga, se mantiene la variación de las condiciones de carga en la dirección elegida. De lo contrario, se modifican las condiciones en el sentido opuesto.

Debido a las características de los rendimientos necesarios, los inversores para plantas aisladas y para plantas conectadas a la red tienen necesidades distintas:

• en las plantas aisladas, los inversores deben ser capaces de proporcionar una tensión en el lado CA lo más constante posible dentro de la variabilidad de la producción del generador y de la demanda de carga;

• en las plantas conectadas a la red, los inversores deben reproducir, lo más fielmente posible, la tensión de red y al mismo tiempo deben intentar optimizar y maximizar la energía de salida de los paneles FV.

 

 

FUENTE:

ABB: Plantas Fotovoltaicas (Cuaderno de aplicaciones técnicas nº 10)

 

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Guía técnica para el instalador electricista

 

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