viernes, 27 de noviembre de 2015

Fibra Optica y Comunicaciones...Una Breve Introducción





Las  ondas de luz son formas de energía electromagnética que se encuentran gobernadas por las ecuaciones de Maxwell y la idea de utilizarla para transmitir la información no es reciente. En 1790 Claude Chappe, construye un sistema de telescopios para establecer un enlace telegráfico óptico entre París y Estrasburgo.
Para 1870, Tyndal establece la guia de luz por un chorro de agua.  Alexander Graham Bell, experimentó en 1880 con el fotófono donde la voz podía transmitirse a través de un rayo de luz. No tuvo aplicación práctica, pero desde 1910 se estudia la propagación en varillas de vidrio.

Para 1966 K.C. Kao y G. Hockman, dos ingenieros británicos, comprobaron en un análisis espectroscópico, que el cuarzo fundido, o sea un vidrio "puro" presenta una atenuación intrínseca por absorción de sólo 20 dB/Km.  en 1970 que en la compañía Corning Giass Works, un grupo de investigadores dirigidos por R. Maurer, logro procedimientos de fabricación de cristales de gran pureza (16 dB/Km). En la actualidad, la fibra óptica (que es una hebra de vidrio de alta pureza y del grosor de un cabello humano) puede enviar una señal de 565 Mbps/seg. Un equivalente a  7.680 canales telefónicos, hasta una distancia de 80 Kms. sin necesidad de regeneración y con una atenuación de solo 0.22 dB/Km.





TIPOS DE FIBRAS ÓPTICAS  COMERCIALES
Dependiendo del tipo de propagación de la señal luminosa en el interior de la fibra, éstas se clasifican en los siguientes grupos:
- Multimodo
- Monomodo
En una fibra monomodo, la luz puede tomar un único camino a través del núcleo, que mide alrededor de 10 micras de diámetro.
Las fibras multimodo tienen núcleos entre 50 y 1000 micras. Las fibras monomodo son más eficaces a largas distancias, pero el pequeño diámetro del núcleo requiere un alto grado de precisión en la fabricación, empalme y terminación de la fibra.
La fibra óptica también se clasifica
en función del índice de refracción, siendo de dos
tipos:
- Salto de índice
- Índice gradual
En las fibras de índice gradual, el índice de refracción es inferior en las proximidades del revestimiento que en el eje de la fibra. Las ondas luminosas se propagan ligeramente más lentas en las proximidades del eje del núcleo que cerca del revestimiento.
Atendiendo al material de la fibra, éstas pueden clasificarse:
- Fibras de vidrio
- Fibras de material plástico
Estas últimas se utilizan para comunicaciones a muy cortas distancias. Suelen
emplearse para interconexión de equipos situados en un mismo edificio, conexión de equipos digitales de audio y en pequeñas redes de ordenadores.
Dentro de las dos primeras clasificaciones generales (tipo de propagación e índice de refracción), tenemos tres tipos básicos de fibra óptica:
- Fibra multimodo de salto de índice
- Fibra multimodo de índice gradual
- Fibra monomodo
Generalmente se utilizan las fibras multimodo en la primera y segunda ventanas, y monomodo en la segunda y tercera ventanas.

Tipos de fibra OM1, OM2, OM3, OM4, OM5, OS1, OS2

OM, aplica a fibra óptica Multimodo, despues la numeración se refiere al Tipo de nucleo, Distancia máxima del segmento, Ventana de operación y Ancho de banda.
Asi tenemos que:
OM2: seria una fibra multimodo MM 50/125, Distancia máxima: 550 m. Ventana de Operación: 850 nm, Atenuación: 3,5 dB/km, Ancho de Banda: 500 Mhz-Km.
La Fibra utilizada habitualmente en aplicaciones informáticas. Clasificada en varios tipos (OM1, OM2, OM3 y OM4) en función de su ancho de banda, de su aplicación (ver tabla abajo) y de la distancia cubierta por el enlace. La F.O del tipo OM2 permite soluciones económicas al utilizarla para la transmisión analógica de señal banda base en distancias hasta 2 o 3 Km.
OS, aplica a fibra óptica monomodo SM (Single Mode)
OS1: sería una fibra monomodo SM 9/125, Con una ventana de operación de 1310nm y una atenuación de 0.5 dB/Km.
Sus principales ventajas (ancho de banda prácticamente ilimitado, bajo nivel de atenuación) se utiliza en aplicaciones WAN (Wide Area Network)  (larga distancia).
  • Fibra óptica tipo G.652. Utilizadas como fibra estándar en Telecomunicaciones y en transmisión Ethernet Gigabit y 10 Gigabit. Como mencionamos líneas arriba, OS1 es cubierta por las fibras tipo de G.652 a, b c y d. 
  • La fibra tipo OS2 fija características para las longitudes de onda 1310 nm 1550 nm y 1383 nm. Asimismo, la fibra OS2 es de aplicación como   f.o. SM Backbone para aplicaciones de larga distancia.
  • Fibra óptica tipo G655; con modo de dispersión desplazada no nula. Para aplicaciones de larga distancia a 1550 nm. Sus características se fijan a 1550 nm y 1625 nm, por lo que puede ser utilizada para multiplexación DWDM entre estaslongitudes de onda.
  • Fibra óptica G656; con modo de dispersión desplazada no nula. Para aplicaciones de banda ancha. Sus características se fijan entre 1460 nm y 1625 nm, estando especialmente indicada para multiplexación CWDM y DWDM.
  • Fibra óptica G.657;con características especiales para su aplicación en FTTx  (alta resistencia a la humedad y a las macrocurvaturas), permite la transmisión a 1310, 1490 y 1550 nm, pueden ser utilizadas enterradas.
En un próximo post ampliaremos el tema de los equipos que funcionan con fibras ópticas y algo de la ingenería relacionada con los diseños de enlaces de comunicaciones con F.O.

 Grafico.  Modo como viaja la señal (onda de luz) óptica dentro de fibra.

viernes, 13 de noviembre de 2015

Tableros de Distribución Electrica en Baja Tensión

La Envolvente.

Es el tablero o cofre de distribución eléctrica, donde se ubican los diversos componentes eléctricos destinados a un uso determinado.

Es necesario tener en cuenta lo siguiente:

- Los tableros de distribución eléctrica (Tde) deben de poseer equipotencialidad de las masas, esto significa que no deben de existir potenciales peligrosos entre las masas conectadas entre ellas o poseer una línea de tierra general.

- Aislamiento de Fases, significa que las barras de conducción de energía eléctrica deben estar aisladas de la envolvente.

- Facilidad de acceso para mantenimiento, queda claro que no debe de existir zonas ocultas para el operador técnico, sino facilitar la ubicación de componentes y circuitos.

- Compatibilidad electroquímica de los materiales constructivos, significa que no debe de haber materiales diferentes que puedan producir campos eléctricos superiores a 300 mV que puedan producir electrocorrosión e impedancias altas en las uniones de las puertas, ventanas y otras partes del Tde.

Norma Técnica Peruana NTP.IEC.60439-1-3, TABLEROS EQUIPADOS CON DISPOSITIVOS DE PROTECCIÓN, MANIOBRA Y CONTROL DE BAJA TENSIÓN.

IEC 60269-3: 1987 - Fusibles de baja tensión. Parte 3: Reglas suplementarias para los fusibles destinados a ser utilizados por personas no cualificadas (fusibles para utilizar principalmente en instalaciones domesticas y análogas).
IEC 60529: 1989 - Grados de protección proporcionados por las envolventes (código IP).
CEI 60695-2-1: 1980 - Ensayos relativos a los riesgos de incendio. Parte 2: Métodos de ensayo. Ensayo del hilo incandescente
IEC 60947-2 – Protecciones eléctricas contra cortocircuitos y sobrecargas, pruebas y ensayos de materiales.
IEC 601008-1 – Protecciones Diferenciales
IEC 60898 – Protecciones eléctricas para instalaciones domiciliarias y similares
IEC 60529-2 – Grado de Protección de los componentes
IEC 721-2-1.  - Grado de Humedad y Temperatura soportada por componentes eléctricos.












Nota.-  Conferencia de Capacitación dicatada en Lima, para Tableristas y diseñadores eléctricistas de tableros y distribución eléctrica en Baja Tensión.  2013.  Jorge Pareja.

sábado, 7 de noviembre de 2015

Compensación de Potencia Reactiva en Baja Tensión


Las máquinas y circuitos eléctricos necesitan para su funcionamiento de flujo de corriente eléctrica y de Tensión eléctrica en bornes, ambas variables provienen de un generado eléctrico alterno, que produce una onda sinusoidal, esta misma aplicada a una resistencia eléctrica (R) no genera ningún efecto sobre la fuente de generación, por ello se le denomina "lineal", sin embargo cuando el generador con la onda sinusoidal es aplicada a circuitos donde tenemos Capacitores (Condensadores=C) y Bobinas (inductancias=L), ocurre un fenómeno que se denomina desplazamiento de fase.


Las Potencias eléctricas Activa (P), Reactiva (Q) y Aparente (S).
Los diferentes dispositivos eléctricos existentes convierten la energía eléctrica distintas formas de energía, así tenemos: mecánica, lumínica, térmica, química, etc. Esta potencia se denomina Activa porque produce trabajo.


Aquí Z es la impedancia (medida en Ohmios) y "P" es la potencia activa. Cuando existen campos magnéticos (L) y campos eléctricos (C), ocurre un desplazamiento de fase entre la corriente senoidal y la tensión senoidal. Una bobina, necesita de Tensión en bornes para magnetizarse y esta energía se denomina Reactiva Inductiva (QL), aquí  la tensión eléctrica (Voltios) adelanta a la corriente eléctrica (Amperios) en 90º.
Si se aplica a un condensador (C), la figura se invierte, aquí la corriente eléctrica se adelanta en 90º  a la tensión eléctrica.  Ver el gráfico arriba. 
Ambas componentes Potencia Activa y Potencia Reactiva, forman la Potencia Aparente, veamos el triángulo de potencias abajo:

Del triángulo de potencias obtenemos:   $  S^2 = P^2 + Q^2 $

y el Factor de Potencia (PF) es:  $ Cos \phi $  es igual a la división entre la potencia activa (P) y la potencia aparente(S),  P/S.

Compensando la potencia reactiva.
Como vimos en un post anterior (http://electrotecnicaciencia.blogspot.pe/2015/10/la-energia-reactiva.html) el consumo de energía reactiva, genera la necesidad de contar con cables conductores de mayor calibre y que puedan conducir mayor intensidad de corriente, esto por el exceso de consumo que generan las cargas reactivas de un tipo, por ejemplo el inductivo, pero si nos fijamos en el gráfico del triángulo de potencias, la potencia reactiva (QL) tiene un ángulo de fase positivo $ + \theta $, mientras que la potencia reactiva capacitiva (QC) tiene un ángulo de fase  negativo $ - \theta$ , entonces podemos tener  +QL-QC. dependiendo finalmente del arreglo en serie o en paralelo o en ambos combinados.

Métodos de Compensación Reactiva.
Existen varios métodos como son:
a.- Compensación Sincrónica, que se realiza utilizando máquinas sincrónicas en vacío, como generador de potencia reactiva (capacitores sincrónicos), estos pueden funcionar entregando potencia reactiva capacitiva (en estado de sobre-exitación) y potencia reactiva inductiva (en estado de sub-exitación), siendo los mayores problemas la temperatura de operación y la estabilidad de operación.
b.- Compensación estática Fija,  que es la utilización de un conjunto (banco) de capacitores (Condensadores de potencia) para compensar la carga reactiva inductiva de una red eléctrica, esta puede ser: Centralizada como vemos en la figura inferior:


o también puede ser una Compensación reactiva Parcial, que es la ubicación circuital del banco de condensadores en una o más cargas reactivas, como en el gráfico inferior:




c.- Compensación reactiva estática con control conmutado.  es la adición al banco de capacitores de un sistema de control (Contactores + Analizador controlador), también se le denomina Banco de Capacitores a pasos, ver abajo una gráfica:
Cálculo de la compensación reactiva.
Veamos que ocurre cuando juntamos en el mismo cuadrante los valores de potencia reactivos Qc y QL.
 En el gráfico subsiguiente tenemos: (tomado de Legrand: Optimizar la Calidad de Energia -2013)
$ QC = P (tg \theta 1 - tg\theta 2) $  es la manera de calcular la compensanción que necesitamos y ya existen tablas para realizar este cálculo, como vemos a continuación:

El factor "K" es la diferencia de las tangentes de los ángulos.
Por ejemplo, tenemos una instalación industrial que tiene un factor de potencia de 0,6 y con una potencia instalada (transformador) en baja tensión de 630 KVA. Calculemos cuanto de potencia reactiva de un banco de capacitores necesitamos para alcanzar un factor de potencia de 0,95, para una carga activa de 500kW instalados.
Si vemos el cuadro, para un $ cops \phi $ inicial de 0,6 y buscamos el valor deseado final de 0,95 lo que nos da en la intersección el valor :  1,005 entonces multiplicamos:  500kW x 1,005 = 502,5kVAR, un valor tan alto como la potencia activa consumida.
Un diseño de un sistemas de banco de condensadores en una instalación eléctrica analiza muchos otros factores, como los efectos de los armónicos sobre el banco de condensadores, las sobrecorrientes y sobretensiones cuando ingresa el banco a operar, efectos capacitivos en los conductores; etc. que corresponden a un análisis de potencia y de calidad de energía, previos a la selección y posterior instalación del banco de capacitores para compensar la energía reactiva de la instalación eléctrica.

lunes, 2 de noviembre de 2015

Tecnología del BUS BAR


La ingeniería eléctrica moderna, está utilizando un viejo concepto de la distribución eléctrica, que se basa en el uso de conductores sólidos por tramos, a manera de "conductor empaquetado" que permite interconectar tramos de 2,4 metros o de 3 metros, para hacer un conjunto lineal de decenas de metros de linea de transmisión eléctrica en media tensión (desde los 1.000 voltios hasta los 12.000 voltios) o en baja tensión (menores a 1.000 voltios, en corriente alterna). Una de las principales ventajas de los BUS BAR o ELECTRODUCTOS (DUCTO BARRA) es la flexibilidad de la instalación eléctrica y el mínimo riesgo de incendios en las instalaciones, en el primer caso porque podemos armar líneas de transmisión a tramos y que son recuperables (los cables conductores toda vez cortados, no pueden volver a unirse, excepto por empalmes físicos, perdiendo sus propiedades mecánicas) y en el segundo caso, al no contener elementos que puedan causar incendios (plásticos, polímeros de diferentes tipos; etc.) mejoran la seguridad en las instalaciones y con ello mejoran las condiciones de aseguramiento económico de la infraestructura.
La selección de los ductos-barra deben de tomar en cuenta la normativa IEC 60439-1 y IEC60439-2  (Low Voltage Swichtgear and Controlgear assemblies), que son las normas internacionales europeas que estandarizan este tipo de ensambles eléctricos, asi como la normativa contra fuego (retardante al fuego) IEC 332-3.  Estas normas tienen su equivalencia en los fabricantes de origen estadounidense y canadiense, recordemos que el BUS BAR o BUSWAY fue desarrollado en 1940 para las grandes fábricas de autos en EE.UU. La normativa norteamericana son NEMA BU-1, 2, UL 857 y el estandar contra fuego NFPA-70 code article 368 Busway.
- el nivel de cortocircuito de la red eléctrica
- la cantidad de corriente o intensidad de corriente que circulará por la red eléctrica
- el nivel de tensión y la configuración que tiene la instalación eléctrica
- y finalmente la normativa eléctrica vigente en el país.
Los electroductos se construyen en forma de "sandwich", empaquetando cada conductor de forma rectangular (sea esta de cobre o de aluminio), esto disminuye las corrientes de Eddy (técnicamente son corrientes parásitas o de Foucault) que se inducen en el conductor, cuanto mayor es su conductividad (medida en Siemens), y disminuye las corrientes por histéresis (es la capacidad de retornar al estado inicial, toda vez que desaparece la acción que lo provocaba) ,  que se producen en la envolvente de acero.
Cada barra está protegida por una resina epóxica y poliester que se adhiere y que le brinda protección contra el medio ambiente, pero principalmente aisla una barra de otra colateral, se diseñan para soportar temperaturas de hasta 130ºC.


La información técnica que el fabricante brinda sobre estos componentes son:
* Número de conductores. (pueden ser 2, 3, 4 y 5 inclusive)
* Dimensiones físicas (Tamaño de cada ducto de barra) (mm)
* Corriente nominal que conduce cada Barra y el conjunto (A)
* Corriente máxima que conduce cada Barra y el conjunto (A)
* Sección de los conductores (mm2)
* Material de los conductores
* Resistividad de cada conductor (S)
* Tensión de Operación (V)
* Tensión de Aislamiento (V)
* Capacidad de cortocircuito  Ipk (kA)
* Capacidad de corriente de corta duración  (0,1 s) Icw (kA)
* Límite térmico (I2t)
* Resistencia por Fase ( mOhms/metro)
* Reactancia por fase (a 50/60 Hz) (mOhms/metro)
* Impedancia por fase (mOhms/metro)
* Grado de Protección (índice IP)
* Caída de tensión bajo carga (mVoltios/metro)
* Pérdidas por efecto Joule a corriente  nominal (W/metro)
* Variación de la resistencia por efecto de la temperatura (coeficiente de dilatación mecánica)
* Máxima carga mecánica admisible (flexión o deformación mecánica)
* Altitud de Operación.

Hay varias marcas de prestigio en el mercado de fabricantes prestigiosos como son General Electric, Schneider Electric (Square D), Legrand (BTicino), Pogliano IT, Eaton, igualmente hay marcas genéricas de procedencia asiática de menor coste. 
Los Bus Bar se diseñan para:
- Bajas corrientes: Hasta 32 amperios, para usos en distribución de iluminación
- Corrientes medias, Hasta 100 amperios, para usos de distribución 
- Corrientes Medias Alta: hasta 1000 amperios para distribción de fuerza
- Corrientes BackBone: hasta 6000 amperios, para troncales o acometidas de fuerza principal.
Los Bus Bar se instalan de manera adosada a la pared, al techo o colgante del techo, evita el uso de Bandejas portacables y de cables conductores, se pueden conectar directamente a los cuadros de distribución eléctrica (tableros eléctricos).