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• Alberto Díaz

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REPORTE #1.- DESCRIPCIÓN DE LOS ELEMENTOS PRINCIPALES DE UN SEP Objetivo El alumno conocerá y distinguirá entre cada uno de los elementos principales que conforman el Sistema Eléctrico de Potencia.

Introducción La energía eléctrica es una de las formas más sencillas de la energía, de las que a mayores distancias es posible transportarla. Se puede obtener una diversa variedad de fuentes primarias de energía y es la que más usos y aplicaciones ofrece en la vida cotidiana. Sin embargo, para que se cumpla lo anterior es indispensable disponer de un sistema interconectado mediante el cual nos sea posible generar la energía, transportarla y distribuirla a todos los usuarios en forma eficaz y con calidad. A este sistema lo llamamos Sistema Eléctrico de Potencia (SEP). En este sistema la energía eléctrica desde su generación hasta su entrega en los puntos de consumo, pasa por diferentes etapas de adaptación, transformación y maniobra. Para la correcta operación del sistema son necesarios los equipos que sean capaces de transformar, regular, maniobrar y proteger. A continuación se describirán algunos de los equipos más importantes que conforman este Sistema Eléctrico de Potencia (SEP).

Desarrollo Generadores El generador eléctrico es la parte más importante del equipo en una termoeléctrica ya que es el que genera energía eléctrica a partir de energía mecánica, el cual es el objetivo que se quiere conseguir cuando la planta es construida. Existen tres tipos de generadores eléctricos rotatorios : Sincrónicos de corriente alterna (ca), inducción de ca y rotatorios de corriente directa (cd). Los generadores sincrónicos son los de mayor uso debido a su sistema de excitación, en cambio, los generadores de cd han sido reemplazados casi por completo por rectificadores estáticos de silicio. Generadores sincrónicos

El principio fundamental de operación de los generadores sincrónicos, es que el movimiento relativo entre un conductor y un campo magnético induce un voltaje en el conductor. Una fuente externa de energía cd o excitador se aplica a través de unos anillos colectores en el rotor: La fuerza del flujo, y por lo tanto, el voltaje inducido en la armadura se regulan mediante la corriente directa y el voltaje suministrado al campo. La corriente alterna se produce en la armadura debido a la inversión del campo magnético a medida que los polos norte y sur pasan por los conductores individuales. La disposición más común es la de un electroimán cilíndrico que gira dentro de un conjunto de conductores estacionarios. En las siguientes figuras se muestran tanto al electroimán o también llamado campo y los conductores que constituyen la armadura. La corriente que se genera mediante los alternadores descritos más arriba, aumenta hasta un pico, cae hasta cero, desciende hasta un pico negativo y sube otra vez a cero varias veces por segundo, dependiendo de la frecuencia para la que esté diseñada la máquina. Este tipo de corriente se conoce como corriente alterna monofásica. Sin embargo, si la armadura la componen dos bobinas, montadas a 90º una de otra, y con conexiones externas separadas, se producirán dos ondas de corriente, una de las cuales estará en su máximo cuando la otra sea cero. Este tipo de corriente se denomina corriente alterna bifásica. Si se agrupan tres bobinas de armadura en ángulos de 120º, se producirá corriente en forma de onda triple, conocida como corriente alterna trifásica. Se puede obtener un número mayor de fases incrementando el número de bobinas en la armadura, pero en la práctica de la ingeniería eléctrica moderna se usa sobre todo la corriente alterna trifásica, con el alternador trifásico, que es la máquina dinamoeléctrica que se emplea normalmente para generar potencia eléctrica. Los generadores de corriente alterna de baja velocidad se fabrican con hasta 100 polos, para mejorar su eficiencia y para lograr con más facilidad la frecuencia deseada. Los alternadores accionados por turbinas de alta velocidad, sin embargo, son a menudo máquinas de dos polos. La frecuencia de la corriente que suministra un generador de corriente alterna es igual a la mitad del producto del número de polos y el número de revoluciones por segundo de la armadura. Existen dos parámetros que limitan la producción de energía eléctrica de un generador: Saturación de la densidad de flujo. A medida que se incrementa la corriente de excitación del campo, se alcanza un punto donde la densidad del flujo no aumenta más debido a la saturación del hierro en el núcleo. Lo normal es que la capacidad del generador se encuentre cerca de este punto de saturación de flujo. Elevación de la temperatura en el devanado y en el aislamiento debido a las pérdidas. Esto comprende a las pérdidas debidas a la corriente de excitación en el devanado del campo, la corriente alterna en el devanado de la armadura, el circuito magnético y cualesquiera corrientes parásitas o campos magnéticos que se generen. Dichas pérdidas pueden llegar a ser del 1 al 5% o más de la cantidad de energía que se transforme.

Los generadores sincrónicos también tienen su propia clasificación la cual es por el sistema de excitación y por su sistema de enfriamiento. 1. Generadores enfriados por aire: Estos generadores se dividen en dos tipos básicos: abiertos ventilados (OV, open ventilated) y completamente cerrados enfriados por agua a aire (TEWC, totally enclosed water to air cooled). Los generadores de tipo OV fueron los primeros construidos y que en algunas plantas de tamaño pequeño se utilizan. El aire en este tipo de generadores pasa sólo una vez por el sistema y considerable cantidad de materias extrañas que pueden acumularse en las bobinas, interfiriendo la transferencia de calor y afectando adversamente al aislamiento. Se pueden usar filtros que puedan reemplazarse o limpiar, para mantener limpios los embobinados. En la siguiente figura se muestra un corte de un generador OV y el patrón de ventilación. Los generadores tipo TEWC (Figura Nº 78), son un sistema de enfriamiento cerrado, donde el aire recircula constantemente y se enfría pasando a través del tubo del enfriador, dentro de los cuales se hace pasar agua de circulación. La suciedad y materias extrañas no existen en el sistema, y puesto que se tiene agua de enfriamiento disponible, la temperatura del aire puede mantenerse tan baja como se desee. 2. Generadores enfriados por hidrógeno: Los generadores de mayor capacidad, peso, tamaño y los más modernos, usan hidrógeno para enfriamiento en vez de aire en circuito de enfriamiento cerrado. El peso del hidrógeno es aproximadamente 1/16 del aire y con una alta capacidad térmica, esto significa, que las pérdidas de viento, se reducen por su uso y el calor removido y transferido a los enfriadores es satisfactorio. Cuando el hidrógeno se mezcla con el oxígeno en proporciones de 20 a 85% en total, la mezcla es explosiva, y se debe tener ciertas precauciones para evitar una avería. El enfriamiento convencional con hidrógeno puede usarse en generadores con capacidad nominal aproximada de 300 MVA o menos, mucho mayor a los generadores enfriados por agua (cuya construcción es mucho más compleja) que llegan a un máximo de 250 MVA. Generalmente los generadores se construyen con sistema de enfriamiento por hidrógeno cuando son unidades con capacidades de 100 MVA o más (Figura Nº 79). 3. Generadores enfriados por hidrógeno / agua Pueden lograrse diseños de generadores aún más compactos mediante el uso de enfriamiento con agua directo al devanado de la armadura del generador (Figura Nº 80). Estos diseños emplean torones de cobre a través de los cuales fluye agua desionizada. El agua de enfriamiento se suministra vía un circuito cerrado. El voltaje y la corriente de armadura de los generadores enfriados por hidrógeno / agua son bastantes mayores que los enfriados por aire o hidrógeno. Como resultado unidades de mayor capacidad tanto en los voltajes como en las fuerzas que experimentan las unidades generadoras.

Sistema de excitación La función principal del sistema de excitación es suministrar energía en forma de voltaje y corriente directa al campo generador, creando el campo magnético. Así mismo, el sistema de excitación comprende el equipo de control y protección, que regula la producción eléctrica del generador. En el diseño de los sistemas complejos de transmisión de energía, las características de desempeño y protección del sistema de excitación deben evaluarse con tanto cuidado como las características de diseño del equipo. El voltaje de excitación es un factor esencial en el control de la salida del generador. Una característica deseable de un sistema de excitación es que este sea capaz de producir con rapidez altos niveles de voltaje de excitación después de un cambio en el voltaje terminal. Además del voltaje que se requiere en el equipo se necesita que la respuesta sea de manera rápida y a los niveles que se requiere. Existen varios sistemas de excitación el cual se clasifican según la fuente de energía del excitador: · Generador de cd con conmutador. · Generador de ca y rectificadores estacionarios. · Generador de ca y rectificadores rotatorios (sin escobillas). · Transformadores en el generador principal y rectificadores (excitación estática).

Transformadores de Potencia Los transformadores de potencia cumplen con una función muy importante los sistemas eléctricos de potencia; transforman el voltaje del sistema de nivel nominal a otro y deben ser capaces de transportar el flujo de potencia forma continua hacia una parte particular del sistema o hacia la carga (en caso).

en un en su

Tipos de transformadores: Los transformadores de potencia pueden ser autotransformadores o transformadores convencionales de varios devanados. Una instalación trifásica puede consistir de tres unidades monofásicas formando un banco trifásico o de una sola unidad trifásica. La decisión de qué tipo de transformador utilizar depende de factores como: el costo inicial, los costos de operación (influencia de la eficiencia), la confiabilidad, etc. Las unidades trifásicas tienen por lo general mayor eficiencia, menor tamaño y costos iniciales menores, por lo tanto son más económicas. La ventaja de utilizar tres unidades monofásicas es que, se puede compartir una unidad a un costo menor. La selección entre transformadores convencionales de dos o tres devanados o autotransformadores, involucra sus diferencias básicas en las medidas que puedan afectar los factores de costos y aplicación. Entre los elementos principales que constituyen al transformador de potencia son los siguientes:         

Tanque Devanados primario y secundario Boquillas de Alta y Baja Sistema de enfriamiento (Aceite) Radiador de enfriamiento Medidor de nivel de aceite Núcleo Aislamiento en devanados Sistema de protección

Es muy importante mantener controlada la temperatura del transformador, ya que si esta llegara a elevarse exageradamente, podría dañarse el sistema de aislamiento del transformador provocando un corto en los devanados, y, en caso de tratarse de un transformador trifásico (y no de un banco trifásico de transformadores) estaríamos hablando de grandes pérdidas, ya que tendría que sacarse completas las tres fases para poder reparar, lo cual dejaría sin alimentación de energía a las cargas que dependan de él.

Líneas de transmisión Es el conjunto de dispositivos para transportar o guiar la energía eléctrica desde una fuente de generación a los centros de consumo (las cargas). Y estos son utilizados normalmente cuando no es costeable producir la energía eléctrica en los centros de consumo o cuando afecta el medio ambiente (visual,

acústico o físico), buscando siempre maximizar la eficiencia, haciendo las perdidas por calor o por radiaciones las más pequeñas posibles. El sistema de energía eléctrico consta de varios elementos esenciales para que realmente la energía eléctrica tenga una utilidad en residencias, industrias, etc. Todo comienza cuando en las plantas generadoras de energía eléctrica de las cuales existen varias formas de generar la energía (plantas geotérmicas, nucleares, hidroeléctricas, térmicas, etc.). Después de ese proceso la energía creada se tiene que acondicionar de cierta manera para que en su transportación a los centros de consumo se tenga el mínimo de pérdidas de esa energía, y para eso está el proceso de elevación de voltaje. Al transmitir la energía se tiene alta tensión o voltaje y menos corriente para que existan menores perdidas en el conductor, ya que la resistencia varia con respecto a la longitud, y como estas líneas son demasiado largas las pérdidas de electricidad por calentamiento serían muy grandes. Materiales utilizados en líneas de transmisión. Existen varios materiales que son utilizados en las líneas de transmisión, esto de acuerdo a las necesidades de la línea. Por ejemplo el cobre duro es utilizado en las líneas aéreas donde se requiere más propiedades mecánicas de tensión ya que si se pone cobre suave la línea tendera a pandearse debido a la gravedad y a su propio peso. Y en líneas subterráneas se utiliza el cobre suave, debido a que si utilizamos el cobre duro le quitaría la flexibilidad, que estas requieren para su instalación y manejo. A continuación se muestra una tabla con los principales materiales utilizados para la construcción de las líneas de transmisión y sus principales características:

Usos de los materiales en la transmisión y distribución de energía eléctrica.

La construcción de los elementos conductores se muestra a continuación:

Elementos principales en una línea aérea de transmisión. - Aisladores Vidrio-porcelana. Hule sintético. - Postes. De madera, Cemento, Acero - Seccionadores. Cuchillas e interruptores. - Conductores. - Banco de capacitores. - Apartar rayos. Son equipos eléctricos diseñados para drenar a tierra los sobre voltajes producidos por medios climáticos o fallas en el sistema. - PARARRAYOS - HILOS DE GUARDA: Es el elemento que va en la parte superior de los postes y estructuras que sirven para subir al punto de referencia a tierra o arriba de los conductores de transmisión de energía. Elementos principales en una línea subterránea de transmisión. - REGISTROS Y DUCTOS OBRAS CIVILES: Son elementos fundamentales en la construcción de líneas subterráneas, las cuales constan y se

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realizan en la etapa de obra civil. Los registros están formados por completo de acero en caso de los ductos se pueden utilizar 2 tipos: o Tubo de PVC de alta densidad, puede ir directamente enterrado sin necesidad de enterrarlo en concreto. o Ductos de PVC conducir, este tipo de ductos se requiere ser enterrado en concreto por qué mecánicamente es flexible. SOPORTES NO METALICOS TIERRAS: Estas están compuestas por un cable longitudinal y continuo principalmente de cobre desde su inicio en la línea, hasta su terminación y que sirve para igualar las diferencias equipotenciales de los campos eléctricos, así como por el apoyo de la varilla de tierra y sus conductores ayudan a drenar cualquier falla que se llegue a presentar en los cables de potencia. Empalmes. Terminales. Cables.

Selección de conductores. 1.- Que tensión va a llevar una línea. 2.- Clima de la zona. 3.- Nivel del voltaje (altura). 4.- Altura deseada. 5.- Altura del objeto más alto.

Dispositivos de compensación (FACTS) Los sistemas de transmisión y distribución de las empresas eléctricas han comenzado un período de cambio, debido principalmente a la aplicación de la electrónica de potencia, microprocesadores y comunicaciones en general. Esto los ha llevado a una operación más segura, controlable y eficiente. En esta área se han llevado a cabo diversas investigaciones, las que han conducido al desarrollo de los FACTS, dispositivos que abarcan al conjunto de equipos con capacidad de controlar el flujo de potencia o variar características de la red, empleando semiconductores de potencia para controlar el flujo de los sistemas de corriente alterna, cuyo propósito es dar flexibilidad a la transmisión de la energía sobre la base de dos objetivos principales:  Incrementar la capacidad de transferencia de potencia en los sistemas de transmisión.  Mantener el flujo en las trayectorias de la red para que se establezcan de acuerdo a las distintas condiciones operativas. Esto permite mejorar la eficiencia del sistema debido a: o Un mayor control sobre el flujo de potencia, dirigiéndolo a través de las rutas predeterminadas.

o o o o

La operación con niveles de carga seguros (sin sobrecarga), y cercano a los límites térmicos de las líneas de transmisión. Mayor capacidad de transferencia de potencia entre áreas controladas con lo que el margen de reserva en generación puede reducirse considerablemente. Prevención de salidas de servicio en cascada, limitando el efecto de fallas en el sistema y equipos. El amortiguamiento de las oscilaciones del sistema de potencia, que dañan los equipos y limitan la capacidad de transmisión disponible.

Los sistemas de control de los FACTS están basados en la posibilidad de manejar los parámetros interrelacionados que restringen los sistemas (impedancias serie y paralelo, ángulo de fase, oscilaciones a frecuencias subsíncronas), permitiendo además operar las líneas de transmisión cerca de sus límites térmicos, lo que anteriormente no era posible sin violar las restricciones de seguridad del sistema. Cada sistema de las empresas posee redes de potencia eléctrica que integran sus centros de generación y cargas, las que a su vez se interconectan con los sistemas vecinos. Esto permite compartir potencia entre las redes de regiones alejadas, con el propósito de aprovechar la diversidad de las cargas, debido a diferencias de clima y horario, disponibilidad de diversas reservas de generación en zonas geográficas distintas, cambios en precios del combustible y en la regulación, etc. Para facilitar gran parte de las transferencias de potencia, estas redes interconectadas ayudan a minimizar la necesidad de aumentar las plantas de generación y permiten a empresas y regiones vecinas comprar y vender energía entre ellas. Esto lleva a una operación segura y a más bajo costo. En los últimos años, la demanda eléctrica ha crecido y seguirá creciendo considerablemente, unido a un aumento en la competencia en el sector generación. La gran dificultad que ha surgido es la adquisición de nuevos “derechos de vía”. Los FACTS pueden aportar en este caso, permitiendo una mejor utilización de las líneas ya existentes, aumentando su capacidad útil por medio de modificaciones de la impedancia y del ángulo de fase. El flujo de potencia entre dos puntos a través de una línea de transmisión está dado por:

De esta expresión se desprende que la potencia que fluye por una línea no depende de los propietarios, de los contratos ni de los límites térmicos, sino más bien de los parámetros físicos de la red: voltaje en los extremos de la línea (Vi, Vj), impedancia de la línea (xij) y ángulos de fase de voltaje y corriente (θi, θj) que se presenta al comienzo y al final de cada línea por el camino posible. Esto conlleva la dificultad de transmitir flujos de potencia a través de caminos determinados.

La diferencia entre una ruta directa y la determinada por la red se denomina: “flujo de anillo”, y se caracteriza por una circulación de potencia que disminuye la capacidad disponible de la línea. Las principales ventajas de los dispositivos FACTS son:  Permiten bloquear flujos en anillo indeseados. Esto posibilita aumentar la capacidad de las líneas en un 20-40% cuando de otra manera un “cuello de botella” en éstas obligaría a reducir la capacidad de flujo a través de ellas.  Posibilitan la operación de las líneas a valores cercanos a sus límites térmicos, manteniendo o mejorando la seguridad y confiabilidad en el sistema. Esto permite a las empresas ahorrar dinero mediante la mejor utilización de sus activos (cables y quipos en general) acomodándose al aumento de demanda de energía y potencia por parte de los clientes.  Facilitan responder rápidamente a los cambios en las condiciones de la red para proveer un control del flujo de potencia en tiempo real, el cual es necesario cuando se produce un gran número de transacciones en un mercado eléctrico completamente desregulado. En cuanto a sus acciones sobre el sistema se clasifican en: dispositivos de compensación en serie, dispositivos de compensación en paralelo, derivación o "shunt", y dispositivos desfasadores. Compensadores en serie Podemos encontrar dos tipos de controladores. En primer lugar el control se hace por separado pero de modo coordinado en un sistema de múltiples líneas. O, como se muestra en la figura, el centro de control es unificado y permite entregar la compensación reactive serie requerida por cada línea, pero también permite el flujo de potencia activa entre las líneas involucradas mediante el DC Power Link. Esta capacidad de controlar el tránsito de potencia activa se conoce como Controlador de Flujo de Potencia Interlíneas que hace posible balancear el flujo de las potencias reactivas y activas en las líneas de transmisión y mediante esto, maximizar la utilización y capacidad de transporte de las mismas. Como su nombre lo indica, en este grupo se encuentran los controladores que se conectan en serie al elemento específico (una línea de transmisión, por ejemplo) y que pueden ser impedancias variables tales como capacitores o reactores, o una fuente variable construida en base a elementos electrónicos de potencia que entreguen una señal de voltaje a frecuencia primaria, subsíncrona o a las frecuencias armónicas deseadas. Mientras la señal de voltaje esté en cuadratura con la corriente de línea, el controlador consumirá o entregará sólo potencia reactiva. En cualquier otro caso se verá involucrado un manejo de potencia activa.

La compensación en serie inserta energía reactiva en la línea de transmisión. Mediante esto se logra acortar virtualmente las líneas. Como consecuencia, el ángulo de transmisión se reduce, y la transferencia de energía se puede aumentar sin la reducción de la estabilidad del sistema. Dentro de los elementos a que encontramos en este grupo están: • Compensadores Estáticos Síncronos Serie (SSSC). • Controlador de Flujo de Potencia Interlíneas (IPFC). • Capacitor Serie Controlado por Tiristores (TCSC). • Capacitor Serie Encendido por Tiristores (TSSC). • Reactor Serie Controlado por Tiristores (TCSR). • Reactor Serie Encendido por Tiristores (TSSR).

Compensadores en paralelo La compensación en paralelo (shunt) consiste en suministrar potencia reactiva a la línea, para aumentar la transferencia de potencia activa, manteniendo los niveles de tensión dentro de los rangos aceptables de seguridad. Tal como los controladores series, los elementos que se pueden conectar son los mismos, y la diferencia es que inyectan señales de corriente al sistema en el punto de conexión. El manejo de potencia activa mediante estos elementos está condicionado por los ángulos de desfase, del mismo modo que los controladores serie. En este grupo están: • Compensadores Estáticos Síncronos (STATCOM). • Generador Estático Síncrono (SSG). • Sistema de Almacenaje de Energía en Baterías (BESS). • Almacenaje de Energía en Superconductores Magnéticos (SMES). • Compensador Estático de Reactivos (SVC). • Reactor Controlado por Tiristores (TCR). • Reactor Encendido por Tiristores (TSR). • Capacitor Encendido por Tiristores (TSC). • Generador (o Consumidor) Estático de Reactivos (SVG). • Sistema Estático de VARs (SVS). • Resistor de Freno Controlado por Tiristores (TCBR). Ventajas

Las ventajas que ofrecen las familias de controladores descritos anteriormente son muchas y de varios tipos, y cada uno de estos elementos presenta una o más de las siguientes características: • Control del flujo de potencia según se requiera, lo que permite optimizar las capacidades de las líneas y moverse bajo condiciones de emergencia más adecuadamente. • Aumentan la capacidad de carga de las líneas hasta su límite térmico, tanto en horizontes de corto plazo como estacionario. • Aumentan la seguridad del sistema en general a través del aumento del límite de estabilidad transitoria, limitando corrientes de cortocircuitos y sobrecargas, ofreciendo la posibilidad de controlar apagones (blackouts) en cascada y absorbiendo oscilaciones electromecánicas de sistemas de potencia y máquinas eléctricas. • Proveen conexiones seguras a instalaciones y regiones vecinas almismo tiempo que reducen las exigencias generales de reservas de generación. • Entregan mayor flexibilidad en la locación de nuevas unidades generadoras. • Permiten mejorar los niveles de uso de las líneas. • Reducen los flujos de potencia reactiva en las líneas de transmisión, y por lo tanto, una mayor capacidad de transporte depotencia activa. • Reducen los flujos de potencia en anillo (loop flows). • Incrementan la utilización de la generación de menor costo. De cualquier modo, éstos controladores permiten la amplia variedad de capacidades descritas anteriormente debido a que el voltaje, corriente, impedancia, potencia activa y reactiva son variables interrelacionadas, por lo que cada controlador tiene múltiples opciones para el control de flujo de potencia, estabilidad, etc. tanto en lazo abierto como cerrado, por lo que las posibilidades son muchas.

Conclusiones Si hablamos de un SEP, hablamos de generación, transmisión y distribución de Energía Eléctrica, para poder llevar a cabo este proceso es muy importante tomar en cuenta cada una de las características de los equipos mencionados en esta práctica. Los elementos fundamentales en este sistema (SEP) son los Generadores, los Transformadores y las Líneas de transmisión, ya que estos llevan a cabo el trabajo más importante del sistema, el cual es poder convertir una energía mecánica en eléctrica y hacerla llegar con las menores pérdidas posibles (lo cual se logra mediante las diferentes transformaciones de voltajes y corrientes en cada etapa del SEP) hasta el consumidor, de esta manera lograr que la potencia generada sea también la potencia suministrada. Los equipos de control y protección comprenden una parte importante en un SEP, pues nos sirven para permitir que cada uno de los elementos fundamentales (Generador, Transformador, Líneas) lleven a cabo su trabajo de manera segura, evitando o previniendo posibles fallas en alguna de las etapas del sistema, lo cual podría provocar graves pérdidas tanto energéticas como

económicas, resultan ser funcionamiento del sistema.

elementos

indispensables

para

el

correcto

Referencias Folleto de Líneas de Transmisión/Academia de Alta tensión e Iluminación, FIME Folleto de Equipo Eléctrico/Academia de Alta tensión e Iluminación, FIME Máquinas Rotantes/Apuntes del Ing. Narciso Beyrut Ruiz/Universidad Veracruzana Sistemas de transmisión flexible en corriente alterna/Francisco D. Pérez A./Centro de Investigación e Innovación Eléctrica, Mecánica y de la Industria/Universidad Tecnológica de Panamá