ME2-2021-II - Clase 2 - Intro - Sistemas de Generación

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Clase 2
Introducción: Sistemas de Generación de Energía Eléctrica
Máquinas Eléctricas II
Ricardo Bolaños
Departamento de Ingeniería Eléctrica
Facultad de Ingeniería
2021-II
19/11/2021
Máquinas II - 2021-II
Funcionamiento de las Máquinas Eléctricas
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Funcionamiento como Generador
Convierten energía mecánica en energía eléctrica.
Los generadores convencionales, suelen trabajar en 
regímenes casi constantes de tensión y frecuencia. 
En un aerogenerador, la fuente de potencia cambia
constantemente por tanto, el par en el rotor de la
turbina eólica también cambia.
Para aerogeneradores, se suelen utilizar máquinas
de corriente alterna y existen dos tipos:
Generadores Síncronos y Asíncronos.
Funcionamiento como Motor
Convierten energía eléctrica en energía mecánica. 
Existen básicamente tres tipos de motores eléctricos:
• Motores de corriente continua.
• Motores de corriente alterna de dos tipos: Motores 
Síncronos y Asíncronos.
• Motores universales.
Frecuencia de Operación Sincrónica
Máquinas II - 2021-II
Video: https://www.youtube.com/watch?v=JikIko0w77g
¿Cuál es la frecuencia de operación de los 
sistemas eléctricos de potencia y por qué?
Video: https://www.youtube.com/watch?v=9q58Mqk5Td0
¿Por qué se impuso la corriente alterna 
sobre la corriente directa?
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Máquinas II - 2021-II
Exclusivo Sector 
Eléctrico
Ambos Sectores Exclusivo Sector Gas
Dirección
Planeación
Regulación
Consejo y Comité
Control y Vigilancia
Operación y 
Administración del 
mercado
Coordinación 
Gas - Electricidad
Unidad de Planeación 
Minero Energética
Comisión de regulación 
de Energía y gas
Superintendencia de 
Servicios Públicos
Ministerio de Minas y 
Energía
MinMinas
MinHacienda
DNP
Presidencia
Como Organismo 
Consultor
Reparto ante 
escasez
Acuerdos 
vinculantes
Superintendencia de 
Industria y Comercio
Presidencia
Fuente: www.xm.com.co
Estructura del Sector Eléctrico Colombiano
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Máquinas II - 2021-IIFuente: www.xm.com.co
Estructura del Sector Eléctrico Colombiano
Ley 142-SPD 
Ley 143-Eléctrica
Monopolio Estatal Mercado eléctrico
1967 1991 1992 1994 1997 1998 1999 2000 2003
Incremento en 
Restricciones 
Decisión CAN 
536
El Niño 1997 - 1998
No racionamiento
Ataques contra 
el SIN
Cargo por 
Confiabilidad
Interconexión 
Nacional
Reforma 
Constitución
El Niño 1991-1992
Racionamiento
Creación y 
consolidación de CND, 
CREG, UPME, CNO y 
CAC
Competencia
Participación privada
Comportamiento de la cartera
Balance hidráulico - térmico
Disponibilidad de generación
Reserva de Potencia
Operaciones de cubrimiento
Pérdidas de energía
Desarrollo 
Institucional
Cubrimiento del servicio
Evolución de las Tarifas
Atención de la Demanda
Subsidios del Servicio
Clientes No Regulados
Clientes Mercado
Subastas 
Energía 
Firme
2008
Fenómeno de El Niño
2009 y 2015-2016
Fenómeno de La Niña
2010
DERIVEXCRCC
2006 20071995
Entrada Bolsa 
de Energía
2011
2021
2023
Redes 
Inteligentes
Smart 
Valve
Subastas 
Energía 
Renovables
Masificación de las 
Fuentes de Energías 
Renovables y BESS
2022
Mercados 
Intradiarios
Energías 
Renovables
Modernización y Desarrollo del
Sector Eléctrico
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Máquinas II - 2021-IIFuente: #FISE OnLine, www.xm.com.co
Transición Energética
6
Máquinas II - 2021-IIFuente: #FISE OnLine, www.xm.com.co
Transición Energética
GG GG GG
GG
GG
GG
GG GG
Operación y Transmisión 
de Potencia 
Operación y Transmisión 
de Potencia 
Empresas Integradas VerticalmenteEmpresas Integradas Verticalmente
Pasado
18??-199?
7
Redes Inteligentes (Smart Grids)
Transición Energética
Fuente: Anak Agung Gde AgungRini Handayani, Blockchain for smart grid, 
ScienceDirect https://doi.org/10.1016/j.jksuci.2020.01.002
Futuro
202?-205?
https://www.minenergia.gov.co/libro-transicion-energetica
Video: https://www.youtube.com/watch?v=bhYIBHzmPX0
Presente
18??-199?
Mapa de Generación
https://www.acolgen.org.co/mapa-generacion/
Máquinas II - 2021-IIFuente: www.xm.com.co
Variables Energéticas en Colombia
Indicadores SIN: http://portalbissrs.xm.com.co/Paginas/Home.aspx
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Máquinas II - 2021-II Fuente: www.xm.com.co
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Antioquia-
San Carlos
Suroccidental
Oriental
Nordeste
Caribe 2
Cerro
Demanda Típica
Operación del SIN
Intercambios 
Típicos
9
https://t-lab.co/fiseonline/home/
Máquinas II - 2021-IIFuente: www.xm.com.co
Interconexiones CAN
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Máquinas II - 2021-II
Variables Energéticas Mundiales
Descarbonización
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Datos Tiempo Real
https://www.worldometers.info/es/
Digitalización de los Sistemas
Máquinas II - 2021-IIFuente: www.xm.com.co
Control de Frecuencia
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Máquinas II - 2021-IIFuente: www.xm.com.co
Regulación de Frecuencia
Evolución de la frecuencia ante la pérdida de 220 MW de Guavio.
59.76
59.79
59.82
59.85
59.88
59.91
59.94
59.97
60
60.03
60.06
1
8:
41
:4
6
1
8:
43
:1
2
1
8:
44
:3
8
1
8:
46
:0
5
1
8:
47
:3
1
1
8:
48
:5
8
1
8:
50
:2
4
1
8:
51
:5
0
Tiempo[Min]
F
re
cu
e
n
ci
a
 [
H
z]
frecuenc/medellin/""/frequ/mvmoment
f = 60.1 Hz y t = 18:44:45
f = 59.8 Hz y t = 18:45:16
Banda muerta
La respuesta de 
frecuencia " Frecuency 
Response F.R" del 
sistema o constante de 
regulación combinada 
para este evento es:
F.R =220MW/0.2Hz
=1100 MW/Hz
El AGC Retorna el sistema a 60 Hz.
Regulación Primaria
Regulación Secundaria
Autoregulación
Evento de Generación AGC
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Máquinas II - 2021-IIFuente: www.xm.com.co
Regulación de Frecuencia
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15Máquinas II - 2021-IIFuente: Tesis “ESTUDIO DE MODOS DE OSCILACIÓN ELECTROMECÁNICOS EN SISTEMAS DE POTENCIA”
Regulación de Frecuencia
Fuente: Tesis “ESTUDIO DE MODOS DE OSCILACIÓN ELECTROMECÁNICOS EN SISTEMAS DE POTENCIA ”
Oscilaciones de Potencia
0,1 y 0,7 Hz
1.0 a 1.7 Hz
1.0 a 2.0 Hz
Máquinas II - 2021-IIFuente: www.xm.com.co
Clasificación de Centrales de Generación
Video: https://www.youtube.com/watch?v=VGlssqYbv3A
No Renovables Renovables
Convencionales
o
No Convencionales
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Máquinas II - 2021-II
Tecnologías de Generación
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 El carbón es pulverizado en un polvo fino y luego
se lleva a una caldera donde es quemado para
crear vapor que mueve una turbina.
 La combustión del carbón produce dióxido de 
carbono, dióxido de sulfuro, óxido nitroso y 
mercurio.
 Algunos residuos pueden ser reutilizados en una 
variedad de productos tales como cemento o 
concreto, mientras que los restantes deben ser 
aislados y almacenados.
Carbón Video: https://www.youtube.com/watch?v=meZkGeqoNTo
Máquinas II - 2021-II
Tecnologías de Generación
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 Algunas plantas utilizan el gas para mover una
turbina de vapor otras usan motores de
combustión interna y turbinas de vapor. Estas
turbinas se pueden utilizar para las demandas pico
debido a que pueden arrancarse rápidamente.
 El gas natural es el más limpio de los combustibles 
fósiles, produce 45% menos dióxido de carbono
que el carbón, menos óxido nitroso y cantidades 
despreciables de dióxido de sulfuro y mercurio.
 No se producen desechos sólidos.
 Sin embargo, el procesamiento, almacenamiento y 
transporte lo hacen más costoso.
Gas Natural
Video: https://www.youtube.com/watch?v=m3VhkwUNwWA
Máquinas II - 2021-II
Tecnologías de Generación
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Video: https://www.youtube.com/watch?v=9q--NQ-3IDw
 Se aprovecha el calor de las turbinas
de gas para generar con turbinas de
vapor cerrando el ciclo.
 Son más eficientes y liberan gases a
menor temperatura que las de ciclos
abiertos.
 Las unidades de vapor solo pueden
operar como seguidoras de las
unidades de gas, es decir, el vapor es
una función de aprovechamiento del
gas.
Ciclo Combinado
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Tecnologías de Generación
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Nuclear
 Las plantas nucleares crean electricidad más o
menos en la misma manera que las plantas de gas
o carbón, excepto que usan la fisión de átomos de
uranio para generar el calor en vez de quemar
carbón o gas.
 Tienen bajos costos operativos y reducen la
dependencia de los combustibles fósiles.
 Producen pocos gases de invernadero y la
cantidadde desechos radiactivos producidos son
una fracción de la ceniza de carbón producida por
las plantas de carbón.
 Los desechos de las plantas nucleares
permanecen tóxicos por miles de años y su
disposición final es un problema.
Video: https://www.youtube.com/watch?v=s22FBkCmCMM
Reactores de Agua a Presión 
o
Reactores de Agua en Ebullición
Tipos
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Tecnologías de Generación
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Geotérmica
 Utilizan el agua caliente existente por debajo de la
superficie del suelo.
 Producen muy bajas emisiones de CO2.
 Las plantas nucleares crean electricidad más o menos
en la misma manera que las plantas de gas o carbón,
excepto que usan la fisión de átomos de uranio para
generar el calor en vez de quemar carbón o gas.
 Tienen bajos costos operativos y reducen la
dependencia de los combustibles fósiles.
 Producen pocos gases de invernadero y la cantidad de
desechos radiactivos producidos son una fracción de la
ceniza de carbón producida por las plantas de carbón.
 Los desechos de las plantas nucleares permanecen
tóxicos por miles de años y su disposición final es un
problema.
Video: https://www.youtube.com/watch?v=SHcj1WqgwtY
Sistema Flash de Vapor
o
Sistema Binario 
Tipos
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Tecnologías de Generación
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Video: https://www.youtube.com/watch?v=v2xA_sRedKIMareomotriz
 Se aprovecha el movimiento de las
olas del mar para girar una turbina y
producir energía eléctrica.
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Tecnologías de Generación
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Video: https://www.youtube.com/watch?v=mJAjIJCwbJw
 Aprovecha la energía del sol para generar energía
eléctrica en corriente directa que es transformada
en corriente alterna para conectarse con la red.
 Reduce la dependencia de combustibles fósiles.
 Baja eficiencia 25% y costos elevados de instalación.
 En la fabricación se producen materiales de
desechos tóxicos y gases de efecto invernadero.
Solar Fotovoltaica
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Video Ventajas y Desventajas
https://www.youtube.com/watch?v=d_CUT9niX5c
Energía Eólica
 Conversión de la fuerza del viento en movimientos
giratorios para la producción de energía eléctrica.
 El viento es una fuente inagotable y no produce
residuos.
 Energía barata.
 El viento es imprevisible por lo que es intermitente y
no se puede almacenar.
 Funcionan con velocidades del viento entre 10 [km/h]
y 40 [km/h].
 Representan un peligro para las aves.
Video: https://www.youtube.com/watch?v=kmN9qD8vXbY
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Tecnologías de Generación
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Las centrales hidráulicas utilizan la fuerza gravitacional
del agua fluyendo hacia abajo para mover las paletas
de una turbina y producir electricidad.
La cantidad de energía producida depende del volumen
de agua que fluye a través de la turbina y la altura entre
la fuente y la salida del agua (Cabeza hidráulica).
Hidráulica
La disponibilidad de la fuente primaria depende de
agentes externos, como el medio ambiente.
BombeoTurbinado
Máquinas II - 2021-I
¡Gracias!