Ingeniería eléctrica para niños
Datos para niños Ingeniería Eléctrica |
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 Los ingenieros eléctricos diseñan sistemas eléctricos de potencia y tecnologías que usan energía eléctrica.
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| Áreas del saber | Física, Electricidad, Electrónica, Matemáticas, Electromagnetismo, Mecánica, Teoría de circuitos, Electromecánica, Termodinámica general, Luminotecnia, Telecomunicación, Ciencia de materiales e Informática. |
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| Campo de aplicación | Sistemas eléctricos de potencia, Redes eléctricas, Subestaciones eléctricas, Centrales de generación eléctrica, Sistemas electromecánicos, Sistemas de iluminación, Electrolineras, Sistemas de control industrial, Instrumentación industrial, Diseño de circuitos, Análisis de circuitos, Protecciones de sistemas de potencia, Instalaciones eléctricas, Vehículos eléctricos, Energía renovable, Catenarias, Eficiencia energética y Comercialización de energía eléctrica |
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| Reconocida en | Todo el mundo | |
La ingeniería eléctrica es una rama de la ingeniería que se dedica a estudiar y aplicar la electricidad. También se ocupa del electromagnetismo, la electromecánica y la electrónica en sistemas de energía eléctrica. Utiliza conocimientos de física y matemáticas.
Esta ingeniería se encarga de cómo se produce, se envía, se distribuye y se usa la energía eléctrica. También diseña los aparatos eléctricos que se conectan a estos sistemas. Un sistema eléctrico de potencia es un conjunto de partes que trabajan juntas para llevar y usar la electricidad. Un ejemplo es la red eléctrica que da energía a una ciudad.
Aunque gran parte de esta ingeniería se enfoca en la energía de corriente alterna (CA) trifásica, que es el estándar para grandes redes, también se ocupa de convertir la energía entre CA y corriente continua (CC). Además, diseña y mejora aparatos como máquinas eléctricas, interruptores y relés de protección. También crea sistemas eléctricos especiales para aviones, trenes, barcos y coches.
Con el tiempo, la ingeniería eléctrica ha crecido mucho. Ahora incluye áreas como la electrotecnia, la electrónica, los sistemas de control y las telecomunicaciones.
Contenido
- Historia de la Ingeniería Eléctrica
- Áreas de Conocimiento en Ingeniería Eléctrica
- Campos de Trabajo del Ingeniero Eléctrico
- Mantenimiento Eléctrico y Electromecánico
- Eficiencia Energética
- Sistemas Eléctricos de Potencia Especializados
- Diseño y Desarrollo de Máquinas Eléctricas
- Campos de Acción Adicionales
- Véase también
Historia de la Ingeniería Eléctrica
La electricidad es como un "río" de energía que podemos usar de muchas maneras. Se puede obtener de fuentes mecánicas, térmicas, químicas, luminosas y biológicas. Por ejemplo, los generadores convierten el movimiento en electricidad.
También podemos hacer lo contrario: convertir electricidad en fuerza mecánica (con motores), calor (con calentadores), luz (con lámparas) o procesos químicos. Gracias a esto, la electricidad se usa en casi todo hoy en día.
El interés científico en la electricidad comenzó en el siglo XVII. Se cree que el primer ingeniero eléctrico fue William Gilbert. Él inventó el "versorium", un aparato para detectar objetos con carga estática. También diferenció entre electricidad magnética y estática, y creó el término electricidad.
En 1775, Alessandro Volta inventó el electróforo, que producía carga eléctrica estática. En 1800, Volta creó la pila voltaica, que fue el inicio de las baterías eléctricas.
El Siglo XIX y la Electricidad
La investigación en ingeniería eléctrica se aceleró en el siglo XIX. Algunos avances importantes fueron:
- Georg Ohm (1827) midió la relación entre la corriente y el voltaje en un conductor.
- Michael Faraday (1831) descubrió la inducción electromagnética.
- James Clerk Maxwell (1873) publicó una teoría que unía la electricidad y el magnetismo.
Al principio, el estudio de la electricidad era parte de la física. Pero a finales del siglo XIX, las universidades comenzaron a ofrecer carreras en ingeniería eléctrica. La Universidad Técnica de Darmstadt tuvo la primera cátedra en 1882.
En 1882, Thomas Edison encendió la primera gran red eléctrica. Suministraba 110 voltios de corriente continua a 59 clientes en Nueva York. En 1887, Nikola Tesla patentó un sistema de distribución de energía eléctrica con corriente alterna.
Hubo una competencia entre Edison y Tesla, conocida como "La guerra de las corrientes". Discutían sobre cuál era el mejor método de distribución. Al final, la corriente alterna se impuso por su eficiencia en la transmisión a largas distancias.
Avances Modernos en Electricidad
Durante el desarrollo de la radio, muchos científicos contribuyeron. En 1888, Heinrich Hertz transmitió ondas de radio usando un transmisor de chispa. En 1895, Nikola Tesla detectó señales de radio a 80 kilómetros de distancia.
En 1897, Karl Ferdinand Braun creó el tubo de rayos catódicos, clave para la televisión. John Fleming inventó el diodo en 1904. En 1906, Robert von Lieben y Lee De Forest desarrollaron el triodo, un tubo amplificador.
Guglielmo Marconi mejoró la transmisión inalámbrica. En 1901, envió ondas inalámbricas a través del Atlántico, cubriendo 3400 kilómetros. En 1920, Albert Hull desarrolló el magnetrón, que llevó al horno de microondas en 1946. En 1934, el ejército británico empezó a trabajar en el radar, que también usa el magnetrón.
En 1941, Konrad Zuse presentó el Z3, la primera computadora programable. En 1943, Tommy Flowers construyó el Colossus, la primera computadora electrónica digital. En 1946, el ENIAC de John Presper Eckert y John Mauchly marcó el inicio de la era de la computación. Estas máquinas permitieron a los ingenieros crear nuevas tecnologías, como el programa Apolo que llevó astronautas a la Luna.
El Gran Avance: Transistores
La invención del transistor en 1947 por William B. Shockley, John Bardeen y Walter Brattain revolucionó la electrónica. Permitió crear dispositivos más pequeños. Esto llevó al desarrollo del circuito integrado en 1958 por Jack Kilby y en 1959 por Robert Noyce.
En 1968, Ted Hoff y su equipo en Intel Corporation inventaron el primer microprocesador comercial. Esto dio origen a las computadoras personales. El Intel 4004 (1971) fue un procesador de cuatro bits. El Intel 8080 (1973) hizo posible la primera computadora personal, la Altair 8800.
Áreas de Conocimiento en Ingeniería Eléctrica
La ingeniería eléctrica se basa en la física y las matemáticas. Como es una rama más abstracta, los ingenieros electricistas necesitan una buena base matemática. Esto les ayuda a entender los fenómenos electromagnéticos.
Gracias a estos análisis, se han desarrollado ecuaciones y leyes que explican cómo funcionan la electricidad y el magnetismo. Por ejemplo, las leyes de Maxwell describen los fenómenos electromagnéticos. Para la corriente eléctrica, se usan la ley de Ohm y las leyes de Kirchhoff.
Además, se necesitan conocimientos de mecánica y ciencia de materiales. Esto es para elegir los materiales adecuados en cada aplicación. Un ingeniero electricista también debe conocer otras áreas relacionadas, ya que muchos problemas son complejos y requieren diferentes conocimientos. Es fundamental que dominen los componentes de los sistemas eléctricos de potencia.
Campos de Trabajo del Ingeniero Eléctrico
Generación de Energía Eléctrica
La generación de electricidad es el proceso de crear energía eléctrica a partir de fuentes de energía primaria. Es el primer paso antes de que la energía llegue a los hogares o se almacene.
La electricidad no se encuentra libre en la naturaleza, así que debe "producirse". Esto se hace en centrales eléctricas. Allí, los generadores electromecánicos convierten otras formas de energía en electricidad. Pueden ser impulsados por motores que usan combustibles, energía nuclear, o por la fuerza del agua o el viento. También se usa la energía solar y la energía geotérmica.
Control y Automatización de Centrales Eléctricas
Una central eléctrica es una fábrica que produce electricidad. Estas centrales están conectadas a una red eléctrica.
Una central tiene miles de partes, como motores y válvulas, que deben funcionar en armonía. Los sistemas de instrumentación y control (I&C) se encargan de esta coordinación. Permiten al personal supervisar la central, mejorar su rendimiento y resolver problemas. Su objetivo es asegurar una producción de energía segura y confiable.
Los sistemas I&C son como el "sistema nervioso central" de la central. Detectan parámetros, monitorean el rendimiento, integran información y ajustan las operaciones automáticamente. También responden a fallas para asegurar la eficiencia y seguridad.
Gracias a los avances en computación, los sistemas de automatización son cada vez más sofisticados. Esto permite un mayor control de los procesos, optimizando la eficiencia y flexibilidad de la central.
Control y Automatización de Subestaciones Eléctricas
Una subestación es parte del sistema eléctrico. Transforma el voltaje de alto a bajo, o viceversa, y realiza otras funciones importantes. La electricidad puede pasar por varias subestaciones antes de llegar al consumidor.
Las subestaciones pueden tener transformadores para cambiar los niveles de voltaje. Con la tecnología de microprocesadores, los dispositivos de control y protección son más inteligentes. Estos dispositivos pueden recopilar y registrar mucha información. La procesan rápidamente para tomar decisiones y enviar órdenes a interruptores y disyuntores para corregir fallas.
Los dispositivos modernos también pueden almacenar y enviar información a otros sistemas. Esto da a los operadores más flexibilidad para recuperar rápidamente el servicio en caso de una interrupción.
Los sistemas de control de supervisión y adquisición de datos (SCADA) recogen información de varios dispositivos en la red eléctrica. Permiten controlar y monitorear el sistema desde un centro de control, incluso automatizando tareas.
Una interfaz hombre-máquina (HMI) en cada subestación permite a los operadores controlar y monitorear localmente. Esto es útil durante la configuración o el mantenimiento.
Transmisión de Energía Eléctrica
La transmisión de energía eléctrica es el transporte de grandes cantidades de electricidad desde una central eléctrica hasta una subestación. Las líneas que hacen esto forman la red de transmisión. Es diferente del cableado local que lleva la energía a los clientes, que se llama distribución. La red de transmisión y distribución juntas forman la red eléctrica.
Para una transmisión eficiente, se reduce la corriente aumentando el voltaje antes de enviar la energía. Luego, se baja el voltaje en la subestación de destino. Para la corriente alterna, esto se hace con transformadores.
Una red síncrona conecta muchos generadores que suministran energía de CA con la misma frecuencia a muchos consumidores. Por ejemplo, hay grandes interconexiones en América del Norte y Europa.
Antes, las empresas de transmisión y distribución eran las mismas. Pero desde los años 90, muchos países han separado estos negocios para liberalizar el mercado eléctrico.
Distribución de Energía Eléctrica
La distribución de energía eléctrica es la última etapa para llevar la electricidad a los consumidores. Las subestaciones de distribución se conectan al sistema de transmisión y bajan el voltaje a un nivel medio (entre 2 kV y 35 kV). Las líneas de distribución primarias llevan esta energía a los transformadores de distribución cerca de los clientes.
Estos transformadores bajan el voltaje de nuevo al nivel que usan las luces, equipos industriales y electrodomésticos. A menudo, varios clientes se conectan a un transformador a través de líneas de distribución secundarias. Los clientes grandes pueden conectarse directamente a la distribución primaria.
La transición de transmisión a distribución ocurre en una subestación, que tiene estas funciones:
- Los interruptores permiten desconectar la subestación de la red o las líneas de distribución.
- Los transformadores reducen los voltajes de transmisión (35 kV o más) a voltajes de distribución primaria (600-35 000 V).
- Desde el transformador, la energía va a una barra colectora que la divide en varias direcciones hacia las líneas de distribución.
En las ciudades, la distribución suele ser subterránea. En zonas rurales, es aérea con postes. Cerca del cliente, un transformador reduce la energía a un circuito secundario de bajo voltaje, como 120/240 V.
Instalaciones Eléctricas
Una instalación eléctrica es el conjunto de circuitos que llevan energía eléctrica a edificios, lugares públicos o infraestructuras. Incluye el equipo necesario para que todo funcione bien y se conecte a los aparatos eléctricos.
Su función principal es transformar la energía eléctrica en otros tipos de energía. Son lo contrario de las instalaciones que generan energía.
Para corrientes muy altas, se usan barras colectoras. Son piezas rígidas de cobre o aluminio que conducen la electricidad. No se usan en áreas públicas, pero sí en fábricas y subestaciones.
En la industria, las barras colectoras a menudo vienen ensambladas con aisladores dentro de cubiertas. Esto se llama conducto de bus o vía de bus. Se usa para conectar equipos grandes o para llevar la energía principal a un edificio. Una ventaja es que se pueden añadir o quitar circuitos sin cortar la energía de todo el conducto.
Los paneles eléctricos son cajas de fácil acceso que se usan para desviar y cambiar los servicios eléctricos. A menudo se les llama paneles de interruptores o cajas de fusibles.
Protección del Sistema de Energía
La protección del sistema de energía es una parte de la ingeniería eléctrica que se encarga de proteger los sistemas de fallas. Lo hace desconectando las partes dañadas del resto de la red. El objetivo es mantener el sistema estable, aislando solo lo que falla.
Los sistemas de protección suelen tener cinco partes:
- Transformadores de corriente y voltaje: Reducen los altos voltajes y corrientes para que los relés puedan manejarlos.
- Relés de protección: Detectan la falla y dan la orden de desconectar.
- Disyuntores: Abren o cierran el sistema según las órdenes del relé.
- Baterías: Dan energía si el sistema principal se desconecta.
- Canales de comunicación: Permiten analizar la corriente y el voltaje a distancia y desconectar equipos de forma remota.
En algunas partes de la distribución, los fusibles pueden detectar y desconectar fallas.
Las fallas pueden ocurrir en cualquier parte, como problemas de aislamiento, líneas caídas o cortocircuitos. Los dispositivos de protección se instalan para proteger los equipos y asegurar que la energía siga llegando.
El tablero de distribución es una combinación de interruptores, fusibles o disyuntores. Se usa para controlar, proteger y aislar equipos eléctricos. Los interruptores son seguros para abrirse con corriente normal, mientras que los dispositivos de protección son seguros para abrirse con corriente de falla. Los equipos muy importantes pueden tener sistemas de protección duplicados.
Coordinación de la Protección
La coordinación de dispositivos de protección es el proceso de ajustar cómo se interrumpe la corriente cuando hay problemas eléctricos. El objetivo es minimizar la interrupción lo más posible. Antes se hacía en papel, ahora se usa la computadora.
La protección también se organiza dividiendo el sistema en zonas. Si hay una falla en una zona, se aísla esa zona del resto del sistema. Las zonas incluyen generadores, transformadores y líneas. Las zonas se superponen un poco para asegurar que no haya áreas sin protección.
Mantenimiento Eléctrico y Electromecánico
El mantenimiento eléctrico y electromecánico incluye probar, monitorear, reparar y reemplazar partes de cualquier sistema eléctrico y sus componentes mecánicos.
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Lo realiza un profesional autorizado que conoce las normas eléctricas. Cubre áreas como:
- Motores
- Generadores
- Transformadores
- Sistemas de iluminación
- Protección contra sobretensiones
- Líneas de transmisión
- Instalaciones eléctricas
Hoy en día, el mantenimiento eléctrico es más importante que nunca. Una falla en un solo componente puede causar grandes interrupciones o pérdida de datos.
Mercado de la Electricidad
En economía, la electricidad es un producto que se puede comprar, vender y negociar. Un mercado de electricidad es un sistema donde se hacen ofertas de compra y venta. Las ofertas y demandas fijan el precio. Las transacciones a largo plazo son contratos privados.
Las transacciones grandes de electricidad suelen ser gestionadas por un operador del mercado. Los productos en un mercado eléctrico son la potencia (la cantidad de energía en un momento dado, en megavatios) y la energía (la electricidad que fluye durante un tiempo, en megavatios hora).
También existen mercados para la congestión de la transmisión y derivados de la electricidad, como futuros y opciones. Estos mercados surgieron por la reestructuración de los sistemas eléctricos en el mundo.
Contador de Electricidad La forma de medir la energía usada en casa no ha cambiado mucho. La cantidad de energía que consumes se mide con un contador de luz. Este suele estar cerca de la entrada de tu casa para que sea fácil acceder a él.
A los clientes se les cobra una tarifa mensual fija y cargos adicionales según la energía consumida (en kWh). Los clientes comerciales e industriales tienen precios más complejos. Sus medidores cuantifican el uso de energía en intervalos de tiempo para cobrar según la cantidad y la tasa máxima de consumo (demanda máxima).
Energías Renovables
La energía renovable es energía útil que se obtiene de recursos renovables. Estos recursos se reponen naturalmente, como la luz solar, el viento, la lluvia, las mareas, las olas y el calor geotérmico.
La energía renovable se usa en cuatro áreas principales: generar electricidad, calentar/enfriar aire y agua, transporte y servicios de energía en zonas rurales.
Los recursos de energía renovable están disponibles en muchas partes del mundo, a diferencia de otras fuentes de energía que se concentran en pocos países. Usar rápidamente la energía renovable y ser eficientes con la energía trae grandes beneficios económicos y de seguridad energética.
Al menos 30 países ya obtienen más del 20% de su energía de fuentes renovables. Se espera que este mercado crezca mucho. Islandia y Noruega ya generan toda su electricidad con energía renovable, y muchos otros países quieren lograr el 100%.
El apoyo público a las energías renovables como la solar y la eólica es muy fuerte.
Aunque muchos proyectos renovables son grandes, estas tecnologías también son buenas para zonas rurales y países en desarrollo. Allí, la energía es clave para el progreso humano. Como la mayoría de las tecnologías renovables producen electricidad, su uso va de la mano con una mayor electrificación. Esto tiene beneficios: la electricidad se puede convertir en calor o energía mecánica de forma eficiente, y es limpia en el punto de uso.
Se espera que para 2040, la energía renovable iguale la generación de electricidad de carbón y gas natural. Países como Dinamarca y Alemania han logrado integrar mucha energía renovable variable. Por ejemplo, en 2015, la energía eólica cubrió el 42% de la demanda eléctrica en Dinamarca.
Las principales energías renovables son:
- Energía eólica (del viento)
- Energía hidroeléctrica (del agua)
- Energía solar (del sol)
- Energía geotérmica (del calor de la Tierra)
- Energía nuclear (aunque no es renovable en el mismo sentido, se menciona en el texto original como fuente de energía).
Hidrógeno Verde
Esta tecnología produce hidrógeno, un combustible ligero y reactivo, mediante un proceso llamado electrólisis. Este método usa electricidad para separar el hidrógeno del oxígeno en el agua. Si la electricidad viene de fuentes renovables, no se emite dióxido de carbono.
Ventajas del hidrógeno verde:
- 100% sostenible: No emite gases contaminantes al producirse ni al usarse.
- Almacenable: Es fácil de guardar para usarlo después.
- Versátil: Puede convertirse en electricidad o gas sintético para hogares, industrias o transporte.
- Transportable: Se puede mezclar con gas natural y viajar por las mismas tuberías.
Eficiencia Energética
La eficiencia de un sistema eléctrico se refiere a cuánta energía útil produce en comparación con la energía total que consume. Se representa con la letra griega eta (η).
Si la energía de salida y entrada se miden en las mismas unidades, la eficiencia es un número sin unidades. Por ejemplo, una bombilla puede ser 2% eficiente en emitir luz, pero casi 100% eficiente en calentar una habitación (porque la luz también se convierte en calor). Un amplificador que da 10 vatios de potencia y consume 20 vatios es 50% eficiente.
Eficiencia Electromecánica Se compara el trabajo que hacen los sistemas motor-generador con la energía que reciben para calcular su eficiencia.
En la mayoría de las conversiones de energía, se pierde algo de energía. Por eso, los ingenieros buscan mejorar la eficiencia energética de los sistemas electromecánicos. Esto ayuda a reducir el consumo de combustibles y las emisiones de gases.
Eficacia Luminosa
La eficacia luminosa mide qué tan bien una fuente de luz produce luz visible. Es la relación entre la luz que emite y la energía que consume. Se mide en lúmenes por vatio.
No todas las longitudes de onda de luz son igual de visibles para el ojo humano. La radiación infrarroja y ultravioleta no sirve para iluminar. La eficacia luminosa de una fuente depende de qué tan bien convierte la energía en radiación y qué tan bien el ojo humano detecta esa radiación.
Eficiencia de Iluminación Las fuentes de luz artificial se evalúan por su eficacia luminosa. Es la relación entre la luz total emitida y la energía total consumida. Mide la eficiencia del dispositivo, ajustada a cómo el ojo humano percibe la luz.
Iluminación Artificial
La iluminación artificial es el uso intencional de luz para fines prácticos o estéticos. Incluye el uso de lámparas y accesorios de iluminación.
- Las luces de la calle iluminan carreteras y caminos por la noche. Algunos fabricantes usan luces LED y solares para ahorrar energía.
- Los reflectores iluminan zonas de trabajo o campos de juego al aire libre. Los más comunes son de haluro metálico y sodio de alta presión.
- Las luces de baliza se colocan en cruces para ayudar a la navegación.
- La iluminación de seguridad se usa en carreteras urbanas o detrás de casas para disuadir el crimen. Son luces muy brillantes, a veces activadas por sensores de movimiento.
- Las luces de entrada iluminan y señalan la entrada a una propiedad por seguridad y decoración.
- La iluminación subacuática se usa en estanques, fuentes y piscinas.
- Los letreros de neón se usan más para llamar la atención que para iluminar.
Los sistemas de control de iluminación reducen el uso y el costo de energía. Ayudan a dar luz solo cuando y donde se necesita. Incluyen horarios, control de ocupación y uso de luz natural. Algunos sistemas también se adaptan a la demanda, atenuando o apagando luces automáticamente.
Los vehículos tienen faros y luces traseras. Los faros son luces blancas o amarillas al frente para iluminar la carretera y hacer el vehículo visible. Muchos fabricantes usan faros LED por su eficiencia.
Los ingenieros en esta área pueden trabajar en diseño de interiores, comercio, entretenimiento, construcción y empresas de tecnología lumínica. Su trabajo incluye desarrollar accesorios de iluminación, postes y aplicaciones para la salud, paisajes o carreteras. También diseñan nuevas fuentes de luz como los LED. Los consultores de iluminación ayudan a las empresas a usar la iluminación de forma artística, eficiente y segura. Además, dan mantenimiento al alumbrado público.
Sistemas Eléctricos de Potencia Especializados
Son sistemas eléctricos diferentes a las redes eléctricas de consumo general.
Sistemas Eléctricos en Aviones
Es una red autónoma de componentes que generan, transmiten, distribuyen, usan y almacenan energía eléctrica en un avión.
Todos los sistemas eléctricos de las aeronaves pueden generar electricidad. Se usan generadores o alternadores, impulsados por el motor principal, una unidad de potencia auxiliar (APU), un motor hidráulico o una turbina de aire. La energía generada suele ser de 115-120 V / 400 Hz CA, 28 V CC o 14 V CC. Puede usarse directamente o pasar por transformadores, rectificadores o inversores para cambiar el voltaje o el tipo de corriente.
La energía del generador va a uno o más buses de distribución. Los componentes individuales se alimentan desde el bus, con protección de circuito (disyuntor o fusible).
La energía también se usa para cargar las baterías del avión. Las baterías suelen ser de plomo-ácido o NICAD, pero las de litio son cada vez más comunes. Se usan para arrancar el avión y como fuente de energía de emergencia.
Suelen ser sistemas de múltiples voltajes, con buses de CA y CC. La generación principal es CA, y las unidades rectificadoras de transformador (TRU) la convierten a CC para los buses de CC. La generación de CA secundaria de una APU se usa en tierra y en vuelo si falla un componente. También puede haber generación terciaria (motor hidráulico o RAT) para mayor seguridad. Los componentes esenciales se conectan a buses específicos, y se toman medidas especiales para asegurar su energía en casi todas las situaciones de falla. Si se pierde toda la generación de CA, un inversor estático permite que el bus de CA esencial se alimente de las baterías.
Sistemas Eléctricos en Vehículos Terrestres
Son redes autónomas de componentes que generan, transmiten, distribuyen, usan y almacenan energía eléctrica en vehículos.
Los vehículos eléctricos avanzados, como los híbridos y los eléctricos puros, necesitan electrónica de potencia y máquinas eléctricas para funcionar.
Inversor Principal Los inversores y convertidores de potencia transforman la corriente continua (CC) de la batería de alto voltaje en corriente alterna (CA) para los motores que mueven el vehículo. También convierten CA en CC para cargar la batería. El inversor controla el motor eléctrico y recupera energía al frenar, devolviéndola a la batería. Esto afecta directamente la autonomía del vehículo.
Convertidores CC/CC Los componentes electrónicos de un coche necesitan diferentes voltajes. La necesidad básica es alimentar las cargas tradicionales de 12 V. En un coche de combustión, un alternador carga la batería de 12 V. En vehículos eléctricos, el motor de combustión puede estar apagado, así que un convertidor CC/CC carga la batería de 12 V desde la batería de alto voltaje.
Gestión de la Batería Para alimentar los motores eléctricos, las baterías grandes tienen cientos de celdas que producen unos 400 V. Un sistema de gestión de baterías (BMS) las supervisa. Se cargan con un módulo convertidor CA/CC integrado, con voltajes de 110 V a 380 V.
El BMS es clave para la vida útil y la autonomía de la batería. Monitorea constantemente el estado de salud y carga de la batería. A medida que las celdas envejecen, su capacidad cambia. Los circuitos de supervisión de la celda equilibran la carga y descarga. Aunque el vehículo ve la batería como una sola fuente, el sistema de control debe considerar cada celda. Si una celda tiene menos capacidad, su estado de carga se desviará. Cuantas más celdas en serie, mayor la posible diferencia.
Un sistema de protección y gestión a bordo controla la batería durante la carga y descarga para prolongar su vida. Los dispositivos de monitoreo integran la medición de voltaje y corriente, el aislamiento de señal y la seguridad. En vehículos eléctricos, la sobretensión puede ser muy peligrosa, por lo que la protección es esencial.
Sistemas Eléctricos en Barcos
La energía a bordo de un barco se genera con un motor principal y un alternador. Se usa un generador de corriente alterna. Funciona porque cuando un campo magnético cambia alrededor de un conductor, se produce una corriente.
El generador tiene un conjunto fijo de conductores enrollados (estátor) y un imán giratorio (rotor) dentro. El rotor crea un campo magnético que atraviesa el conductor, generando una fuerza electromotriz cuando gira.
El tablero de interruptores principal es un gabinete metálico que toma la energía del generador diésel y la distribuye a la maquinaria. Las barras colectoras transportan la carga. Los disyuntores actúan como interruptores y se disparan en condiciones inseguras para evitar averías. Los fusibles son dispositivos de seguridad.
Los transformadores suben o bajan el voltaje. Para el sistema de iluminación, se usa un transformador reductor.
En un sistema de distribución de energía en barcos, el voltaje suele ser de 440 voltios. En algunas instalaciones grandes, puede ser de hasta 6600 V. La energía se suministra a maquinaria auxiliar grande a alto voltaje a través de disyuntores. Para suministros más pequeños, se usan fusibles y disyuntores en miniatura.
El sistema de distribución es de tres cables y puede tener aislamiento neutro o conexión a tierra. El sistema aislado es preferido, ya que una falla a tierra en un sistema conectado a tierra podría hacer perder maquinaria esencial.
Estaciones de Carga para Vehículos Eléctricos
Una estación de carga es una máquina que suministra energía eléctrica a vehículos eléctricos enchufables, como coches, camiones y autobuses.
Algunos vehículos eléctricos tienen convertidores a bordo que se conectan a tomas de corriente estándar. Otros usan estaciones de carga especiales.
Las estaciones de carga ofrecen conectores que cumplen varios estándares. Para la carga rápida de corriente continua, hay adaptadores como CCS, CHAdeMO y carga rápida de CA.
Las estaciones de carga públicas suelen estar en la calle, centros comerciales, edificios gubernamentales y estacionamientos.
Corriente Alterna (CA) Las estaciones de carga de CA conectan los circuitos de carga del vehículo directamente al suministro de CA.
- Nivel 1 de CA: Se conecta a una toma de corriente residencial estándar de 120 V en América del Norte. Suministra 1.4-1.92 kW.
- Nivel 2 de CA: Usa energía residencial de 240 V o comercial de 208 V. Suministra entre 1.4 y 19.2 kW. Es mucho más rápida que la carga de Nivel 1.
Corriente Continua (CC) La carga rápida de CC se clasifica aparte. En esta, la energía de la red pasa por un inversor CA/CC antes de llegar a la batería del vehículo, sin usar los circuitos de carga integrados.
- Nivel 1 de CC: Suministra un máximo de 80 kW a 50-1000 V.
- Nivel 2 de CC: Suministra un máximo de 400 kW a 50-1000 V.
Los primeros dispositivos electrónicos de alta potencia eran válvulas de arco de mercurio. En los sistemas modernos, la conversión se hace con dispositivos semiconductores como diodos y transistores. A diferencia de la electrónica de señales, en la electrónica de potencia se manejan grandes cantidades de energía eléctrica. Un convertidor CA/CC (rectificador) es común en muchos aparatos electrónicos de consumo, como televisores o cargadores. En la industria, se usan para controlar motores.
Los sistemas de conversión de potencia se clasifican por el tipo de energía de entrada y salida:
- CA a CC (rectificador)
- CC a CA (inversor)
- CC a CC (convertidor CC a CC)
- CA a CA (convertidor CA a CA)
Diseño y Desarrollo de Máquinas Eléctricas
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Una máquina eléctrica es un término general para máquinas que usan fuerzas electromagnéticas. Incluye motores eléctricos, generadores eléctricos y transformadores.
El flujo magnético es clave en todas las máquinas eléctricas para convertir o transferir energía. El diseño básico de una máquina eléctrica implica dimensionar el circuito magnético, el circuito eléctrico y el sistema de aislamiento. Un diseñador busca la mayor eficiencia, menor peso, menor aumento de temperatura y menor costo. También deben ser fiables y duraderas.
Factores Clave en el Diseño de Máquinas Eléctricas: Los componentes básicos son el campo y los devanados (cables enrollados) soportados por aislamiento, un sistema de refrigeración y piezas mecánicas. Los factores a considerar son: 1. Circuito magnético: Debe crear el flujo magnético necesario y tener pocas pérdidas. 2. Circuito eléctrico o devanados: Debe inducir el voltaje requerido sin ser complicado. Las pérdidas de cobre deben ser bajas. 3. Aislamiento: Debe separar las partes de la máquina que operan a diferentes voltajes y mantener la corriente en su camino. 4. Sistema de refrigeración: Debe asegurar que la máquina funcione a la temperatura adecuada. 5. Partes de la máquina: Deben ser resistentes.
Campos de Acción Adicionales
- Ingeniería electromecánica
- Ingeniería de control
- Ingeniería electrónica
- Ingeniería en automatizacion
- Ingeniería en mantenimiento
- Ingeniería automotriz eléctrica
- Ingeniería energética
- Ingeniería de confiabilidad
- Ingeniería de sistemas
- Ingeniería de seguridad
- Ingeniería de iluminación
- Ingeniería del diseño
- Telecomunicación
Véase también
En inglés: Electrical engineering Facts for Kids
