APUNTES Curso Electricidad y Electrónica Industrial

ELECTRICIDAD Y ELECTRÓNICA INDUSTRIAL

CAPITULO I Conceptos generales y Mediciones eléctricas. 1.1 Ley de Ohm- Leyes de Kirchhoff. Antes de recordar la ley de Ohm, es conveniente recordar qué es, cómo está estructurado y cómo funciona un circuito eléctrico simple. Fig. 1.1. Un circuito eléctrico, en sentido general, es una combinación de componentes conectados de tal forma que proporcionan una trayectoria cerrada para la circulación de la corriente y permitan aprovechar la energía de los electrones en movimiento para producir otra forma de energía, por ejemplo, luz, calor, sonido, movimiento, etc. Un circuito eléctrico simple se compone de los siguientes elementos: 

F uente de energía nergía el eléctr éctriica, la cual suministra la fuerza necesaria para impulsar una fuente de electrones a través del circuito. Esta fuerza se expresa en voltios (V).



Un conjunto de conductores, los cuales proporcionan un camino

de poca

resistencia para la circulación de la corriente a través del circuito.

Fig. 1.1 Circuito eléctrico simple.



Fig. 1.2 Circuito eléctrico cerrado.

Una carga, la cual convierte la energía de los electrones en movimiento en otra forma de energía. En este caso, la carga está representada por una resistencia (R), La cual convierte energía eléctrica en calor. La resistencia se expresa en ohms (Ω).



Un interruptor , el cual actúa como elemento de control del circuito, abriendo o cerrando el paso de corriente hacia la carga. 1


Examinemos como funciona un circuito eléctrico simple. Supongamos inicialmente que el interruptor está en posición abierta. Bajo esta condición, no circula corriente alguna a través de los conductores ni de la carga porque la trayectoria está interrumpida. Se dice, entonces, que el circuito está abierto. Supongamos que se acciona el interruptor y se pasa a la posición cerrada, Fig. 1.2 Bajo está condición, los electrones tendrán una trayectoria por donde circular y la fuente podrá impulsar una corriente eléctrica (I). Se dice, entonces, que el circuito está cerrado. Considerando el sentido convencional, la corriente sale de la fuente por el borde positivo (+), se desplaza a lo largo del conductor superior, atraviesa la carga

(R), continúa por el conductor superior y regresa a la fuente por el borne negativo. El proceso se repite indefinidamente mientras permanezca permanez ca cerrado el interruptor.

Ley de Ohm. Ohm descubrió que la cantidad de corriente que pasa por un circuito es directamente proporcional al voltaje aplicado e inversamente proporcional a la resistencia del circuito. En notación compacta: I 

V R

……………………………………….. ec. 1.1

Donde:

V = Es el voltaje aplicado, expresado en volts. I = Es la corriente que circula por el circuito, expresado en amperios. R =Es la resistencia u oposición al paso de la corriente, expresada en ohms. Esta relación entre el voltaje, la corriente y la resistencia se conoce como ley de Ohm. Así pues, para un circuito dado de resistencia constante, la corriente y el voltaje son proporcionales. Esto significa que si se duplica el voltaje, se duplica dup lica la corriente. corr iente. Pero si se duplica la resistencia de un circuito, la corriente se reduce a la mitad.

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Examinemos como funciona un circuito eléctrico simple. Supongamos inicialmente que el interruptor está en posición abierta. Bajo esta condición, no circula corriente alguna a través de los conductores ni de la carga porque la trayectoria está interrumpida. Se dice, entonces, que el circuito está abierto. Supongamos que se acciona el interruptor y se pasa a la posición cerrada, Fig. 1.2 Bajo está condición, los electrones tendrán una trayectoria por donde circular y la fuente podrá impulsar una corriente eléctrica (I). Se dice, entonces, que el circuito está cerrado. Considerando el sentido convencional, la corriente sale de la fuente por el borde positivo (+), se desplaza a lo largo del conductor superior, atraviesa la carga

(R), continúa por el conductor superior y regresa a la fuente por el borne negativo. El proceso se repite indefinidamente mientras permanezca permanez ca cerrado el interruptor.

Ley de Ohm. Ohm descubrió que la cantidad de corriente que pasa por un circuito es directamente proporcional al voltaje aplicado e inversamente proporcional a la resistencia del circuito. En notación compacta: I 

V R

……………………………………….. ec. 1.1

Donde:

V = Es el voltaje aplicado, expresado en volts. I = Es la corriente que circula por el circuito, expresado en amperios. R =Es la resistencia u oposición al paso de la corriente, expresada en ohms. Esta relación entre el voltaje, la corriente y la resistencia se conoce como ley de Ohm. Así pues, para un circuito dado de resistencia constante, la corriente y el voltaje son proporcionales. Esto significa que si se duplica el voltaje, se duplica dup lica la corriente. corr iente. Pero si se duplica la resistencia de un circuito, la corriente se reduce a la mitad.

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Ley de Kirchhoff Nodo: Es el punto en el cual dos o mas elementos tienen una conexión común. Malla: Se define como una trayectoria cerrada en una red, compuesta por un elemento simple y por los nodos situados en cada uno de los extremos.

Ley de Kirchhoff sobre las corrientes. Una de las leyes atribuidas a Kirchhoff, dice que: ―todas las corrientes eléctricas que

fluyen a un punto de unión, en el mismo sentido es cero”. Refiriéndonos a la Fig.1.3, si cinco alambres se han soldado juntos y la corriente en cada alambre se mide, y si la corriente hacia el punto de unión se considera positiva (corriente en dirección de la flecha de la figura) y la corriente que sale de este punto negativa (corriente en contra de la flecha de referencia), entonces el punto de unión de las cinco corrientes es cero: a) Ley de las corrientes.

Esta ecuación implica, que algunas de las corrientes sean positivas y otras negativas.

Fig.1.3 (a). Ley de las corrientes corrientes de Kirchhoff Kirchhoff

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Los signos algebraicos de las corrientes deben manejarse con cuidado. Para definir una corriente que circule en un alambre, es necesario conocer: (1) la cantidad de corriente, esto es, el número de amperes y (2) la dirección en que fluye. El símbolo i se usa para representar una corriente, como en la Ec. 1.2 a, e i significa un número como + 10 o -10 o 8 o + 6. Entenderemos que i = + 10 es una corriente de 10 imperes en una dirección, mientras que i = -10 es una corriente de 10 amperes en la dirección opuesta. ¿Pero cuál es cuál? Es positiva o negativa únicamente por comparación con una dirección especificada, por lo tanto, debe especificarse una dirección de referencia en el diagrama del circuito, y entonces las corrientes que entran al nodo son positivas, y las corrientes que salen son negativas. b) Ley de las corrientes en un circuito paralelo.

La sumatoria de corrientes parciales es igual a la corriente total .

 I P  I 1  I 2  I 3  I n  I T ……………………..ec. (1.2 a) I1

I2

I3

Fig. 1.3 (b). Circuito paralelo.

Ley de Kirchhoff sobre los voltajes. En un circuito serie, la suma de las caídas de voltaje alrededor de cualquier trayectoria completa es exactamente igual al a l voltaje aplicado a la trayectoria.

Esto significa que todo el voltaje aplicado a un circuito será usado para que la corriente fluya. ―Nada quedará‖

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a) V T b)

 V |  V 2  V 3  V n  0 …………………ec. (1.3)

V P  V 1  V 2  V 3  V n  V T …………….ec. (1.4)

La sumatoria de voltajes parciales es igual al voltaje total.

V1

V2

V3

120 V

V4 Fig. 1.3 (c). Aplicación de la ley de los voltajes.

V1+ V2 +V3 +V4+ Vn =120 (ver ec. 1.4)

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1.2 Circuitos serie – Circuito paralelo – Circuito serie paralelo.

Circuito Serie. Las resistencias se pueden conectar en serie, esto significa que la corriente fluye en ellas una después de la otra. El circuito en la Figura 1.4 tiene tres resistencias conectadas en serie y la dirección de la corriente indicada por una flecha.

Figura 1.4 Resistencias conectadas en serie

La corriente solo tiene un camino por donde correr, la corriente a través de cada resistencia es la misma. ………………………………………… ec. 1.5

También, la caída de voltaje en cada resistencia debe ser sumada para igualarla al voltaje de la fuente. ……………………………. ec. 1.6

Como V = I R , entonces …………………. ec. 1.7

Pero como la Ley de Ohm debe ser satisfecha para el circuito completo …………………………….. ec. 1.8

Igualando las ecuaciones [1.7] y [1.8], tenemos: 6


…….……...ec. 1.9

Sabemos que la corriente en cada resistencia, entonces I ……………….….ec 1.10

Cancelando las corrientes: ………………….…..ec. 1.11

En general, la resistencia equivalente de resistencias conectadas en serie es la suma de las resistencias. …………………………… .........ec. 1.12

Resistencias en paralelo Las resistencias se pueden conectar de tal manera que salgan de un solo punto y lleguen a otro punto, conocidos como nodos. Este tipo de circuito se llama paralelo. Cada una de las tres resistencias en la Figura 1.5 es otro paso por el cual la corriente viaja de los puntos A al B.

Figura 1.5 Ejemplo de un circuito que contiene tres resistencias conectadas en

Figura 1.5 (a) Circuito que contiene

paralelo

resistencias en paralelo .

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El nodo no tiene que ser físicamente un punto, mientras la corriente tenga diversas formas alternas para seguir, entonces esa parte del circuito es considerada en paralelo. Figuras 1.5 Y 1.5 a son idénticos circuitos pero con apariencias diferentes. En A el potencial debe ser el mismo en cada resistor. Similarmente, en B el potencial también debe ser el mismo en cada resistencia. Entonces, entre los puntos A y B, la diferencia de potencial es la misma. Esto significa que cada una de las tres resistencias en el circuito paralelo debe de tener el mismo voltaje. …………………………………...ec 1.1.a

También, la corriente se divide cuando viaje de A a B. Entonces, la suma de las corrientes de las tres ramas es la misma que la corriente en A y en B.

…………………………………….. ec. 1.2 b

De la Ley de Ohm, la ecuación [1.2b] es equivalente a:

…………………. ec. 1.3 c

Por la ecuación [1.1a] vemos que todos los voltajes son iguales, así que los voltajes se cancelan y se tiene:

…………………..ec. 1.4 d

Este resultado se puede generalizar para cualquier número de resistencias conectadas en paralelo.

……………………………… ec. 1.5 e

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Circuito Serie - Paralelo. Aquí se combinan circuitos en series y circuitos en paralelo. Estos se conocen como circuitos combinados. Se puede imaginar una rama en un circuito en paralelo, pero la cual contiene dos resistencias en serie. Por ejemplo, entre los puntos A y B en la Figura 1.6. En esta situación se puede calcular la resistencia equivalente de la rama AB usando las reglas de circuitos en serie.

Entonces:

………………………. ec. 1.6 f

Figura 1.6 Combinación de Circuito

Figura 1.6(a) Circuito 1 simplificado es un circuito en paralelo.

Ahora se puede reemplazar las dos resistencias con una sola, equivalente, sin ningún tipo de cambios en el circuito. Como se puede ver en la Figura 1.6 (a), el circuito ahora esta en paralelo, con las resistencias R AB y R 3 en paralelo. Este circuito se resuelve usando las mismas reglas que como otro circuito en paralelo. 9


Otra combinación ocurre con circuitos en paralelo conectados en serie. La figura 1.7 muestra un típico ejemplo de dos circuitos en paralelo (AB y CD) conectados en serie con otra resistencia, R 3.

Figura 1.7 Circuitos Combinados

Aquí, las resistencias en paralelo, circuito AB se pueden reemplazar con una resistencia equivalente. De nuevo, se usa la ecuación para circuitos en paralelo. ………………………………. ec. 1.5 e

Esto da:

………………………………….. ec. 1.4 d

Entonces, la resistencia equivalente entre los puntos A y B es R AB. Reemplazando el circuito en paralelo entre estos dos puntos con R AB da el siguiente circuito.

Figura 1.7 (a) Circuito 2, parcialmente simplificado

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Figura 1.7 (b) Circuito 3, simplificado

Similarmente, se puede reemplazar el circuito en paralelo contenido entre R 4 y R 5 (entre los puntos C y D) con su resistencia equivalente, R CD, donde:

……………………………… ec. 1.4 d

Reemplazando el circuito en paralelo entre CD con su equivalente se forma: en la Fig. 1.7 b (arriba). Ahora solo quedan resistencias en serie, R AB, R 3, y R CD. La resistencia equivalente:

…………………………. ec. 1.9



O 

R total = R AB + R 3 + R CD…………………………………………. ec. 1.8

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1.3 Medición de voltaje a través de un voltímetro. El funcionamiento de los instrumentos para medición análogos o de aguja tiene como base dos de los efectos de la corriente eléctrica como son: el efecto magnético y el efecto térmico. Todos los aparatos son de construcción semejante, siendo modificaciones del

sencillo instrumento básico llamado Galvanómetro D´Arsonval, que se basa en el efecto magnético de una pequeña corriente. Figura 1.8. 1.-Imán permanente 2.-Bobina móvil. 3.-Aguja indicadora. 4.-Escala en unidades según tipos de lecturas. 5.-Pivotes. 6.-Cojinetes. 7.-Resortes. 8.-Pernos de retención. 9.-Tornillo de ajuste cero. Fig. 1.8 Estructura interna de un Galvanómetro D’ Arsonval.

Galvanómetro D’Arsonval de bobina móvil

funciona con base en el efecto

electromagnético. En su forma más sencilla, el medidor de bobina móvil consta de una bobina de alambre muy fino

devanado sobre marco de aluminio ligero. Un

imán permanente rodea a la bobina y el marco de aluminio está montado sobre pivotes que posibilitan que gire libremente, junto con la bobina, entre los polos del imán permanente. Cuando hay corriente en la bobina, ésta se magnetiza y su polaridad es tal que el campo del imán permanente la repele. Esto hace que el marco de la bobina gire sobre el pivote y cuánto lo haga depende de la cantidad de corriente que circule por la bobina. Así, al calibrar la aguja sobre el marco de la bobina y referirla a una escala calibrada en unidades de corriente, puede medirse la cantidad de corriente que circula a través del instrumento. 12


Voltímetro. Es un instrumento que sirve para medir la diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito eléctrico. Su funcionamiento está basado en el Galvanómetro de D´arsonval , ya que es necesario que circule una corriente muy pequeña por una bobina móvil, para que ésta mueva la aguja sobre la escala. Por tanto el voltímetro está construido utilizando el mismo sistema, es decir, un conjunto formado principalmente por imanes, una bobina y una aguja. Y en el caso del voltímetro, se añade una resistencia en serie con la bobina móvil con el fin de limitar la corriente que circula por ella y así lograr que la aguja se mueva con un recorrido normal dentro de la escala. Fig. 1.9

Fig. 1.9 Estructura de un voltímetro.

Fig. 1.9 (a) Conexión de un Voltímetro.

Para efectuar la medida de la diferencia de potencial el voltímetro ha de colocarse en paralelo, esto es, en derivación sobre los puntos entre los que tratamos de efectuar la

medida. Fig. 1.9 (a). Esto nos lleva a que el voltímetro debe poseer una resistencia interna lo más alta posible, a fin de que no produzca un consumo apreciable, lo que daría lugar a una medida errónea de la tensión. Para ello, en el caso de instrumentos basados en los efectos electromagnéticos de la corriente eléctrica, estarán dotados de bobinas de hilo muy fino y con muchas espiras, con lo que con poca intensidad de corriente a través del aparato se consigue la fuerza necesaria para el desplazamiento de la aguja indicadora. 13


1.4 Medición de corriente a través de un amperímetro. Amperímetro: Es un aparato o instrumento que permite medir la intensidad de corriente eléctrica que pasa por algún componente de un circuito eléctrico, presentando directamente sobre su escala calibrada las unidades empleadas para ello denominadas amperios o bien fracciones de amperios, o la medida deseada. Para medir la corriente que circula a través de dicho componente, éste debe pasar también por el instrumento de medida; por tanto, el amperímetro debe entrar a formar parte del circuito y estar conectado en serie con el elemento que se prueba. Fig. 1.10

Fig. 1.10 Conexión de un amperímetro.

Su utilización es muy amplia ya que con independencia de su propia aplicación directa de medida, también se emplea como base para la construcción de otros instrumentos, como voltímetros, óhmetros, etc. Su funcionamiento está basado en uno de los principios fundamentales del electromagnetismo que en su forma más simple nos indica que cualquier corriente eléctrica pasa por un hilo conductor produce un campo magnético alrededor del mismo (similar al campo magnético de un imán),cuya fuerza depende de la intensidad de la corriente que circule.

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TIPOS DE AMPERÍMETROS. Amperímetros de bobina móvil Está formado como su nombre indica, por una bobina circular de hilo conductor colocada sobre un pivote colocado sobre el centro de la misma, de forma que pueda girar sobre el. Todo el conjunto está situado dentro del campo magnético de un imán fijo. Al circular una corriente eléctrica por la bobina, en esta se creará una fuerza magnética de manera tal que se producirá un fenómeno de atracción o repulsión con respecto al imán, y la bobina girará sobre el pivote. El movimiento de la bobina está controlado por unos resortes que sirven también para la entrada y salida de la corriente a través de ellos. El amperímetro de bobina móvil puede usarse solamente con corriente continua, ya que la corriente alterna haría mover la bobina rápidamente en ambos sentidos, ver Fig. 2.10 (a).

Fig. 1.10 (a) Amperímetro bobina móvil

Amperímetros de hierro móvil Al igual que el anterior descrito, está formado por una bobina por la que circula la corriente que produce el campo magnético. Pero, en este caso, la bobina es fija y no hay imán fijo que cause su giro. En su lugar, se fija un trozo de hierro a la bobina y otro unido a una aguja móvil sobre un pivote. Cuando circula corriente por la bobina, ambos trozos de hierro se transforman en imanes por el efecto magnético de la corriente y mutuamente se repelen, 15


sin importar el sentido de dicha corriente. En este caso se utiliza un resorte para controlar el movimiento de la aguja. La magnitud de la fuerza de repulsión y por consiguiente la amplitud del movimiento de la aguja dependen de la cantidad de corriente que circula por la bobina. En este modelo de amperímetro no importa el sentido de la corriente que circula, por lo tanto, puede usarse para C.C y C.A indistintamente. Fig. 2.10 (b)

Fig. 1.10 (b) Amperímetro hierro móvil.

1.5 Medición de resistencia con un Óhmetro y megger Es un dispositivo que mide la resistencia de un circuito o de un componente, la continuidad eléctrica en los circuitos y probar el aislamiento o contacto a tierra de un elemento. El óhmetro, básicamente, está constituido por un galvanómetro (aparato medidor con escala graduada en ohmios) y una fuente de alimentación (pila) en serie. La pila es la que permite que circule una pequeña intensidad por el aparato medidor y por el circuito a medir, ya que éste ha de estar desconectado de la red de alimentación. En función de la intensidad que circule, el galvanómetro nos indicará el valor de la resistencia sobre la escala. En los aparatos analógicos, la escala para medir resistencia se gradúa de forma inversa a como se gradúan las demás magnitudes, es decir, el cero se coloca a la derecha de la escala, debido a que cuando la resistencia a medir es nula, el galvanómetro estará recorrido por la 16


máxima intensidad que puede dar la pila, con lo que la desviación del índice (aguja) del aparato será máxima (fondo de escala). Será en ese punto donde habrá que colocar el valor 0 Ω de la escala. Al contrario, si la resistencia es de valor prácticamente infinito (circuito

abierto), el galvanómetro no estará recorrido por ninguna intensidad, con lo que el índice no sufrirá desviación y permanecerá a la izquierda de la escala. En este punto se colocará el valor ∞. Esta distribución de la escala se puede apreciar en la Figura

1.11 a. Los valores

intermedios variarán en función de que la intensidad que circule por el galvanómetro sea mayor o menor.

Fig. 1.11a. Escala de un Ohmetro .

Fig. 1.11b Constitución interna del ohmetro.

En los aparatos analógicos, antes de realizar ninguna medida hay que poner a cero el aparato. Esto es debido a que la pila no suele tener siempre la misma carga y por ello se incorpora al aparato una resistencia variable (potenciómetro) en serie, como se ve en la

Figura 1.11 b, con la pila y el galvanómetro, de manera que al puentear las pinzas del aparato, éste debe indicar el valor cero de la escala; si no es así, manipularemos el potenciómetro hasta llevar el índice al valor cero. Con este procedimiento se compensa también el valor de la resistencia de los conductores de prueba del aparato, de manera que el valor indicado por el aparato se corresponderá con el valor real de la resistencia a medir. Este proceso no es necesario en los aparatos digitales, ya que éstos hacen la compensación de forma interna. 17


Para realizar la medida de resistencia, es necesario observar algunas precauciones previamente, como que el circuito a medir esté desconectado de la red. Si es un elemento que forma parte de un montaje (acoplamiento de receptores, circuito impreso, etc.), hemos de aislarlo del resto antes de realizar la medida, ya que el acoplamiento puede influir para que el valor obtenido no sea el correcto. Para realizar la medida (véase la Figura 1.11 c), se colocan las puntas de las pinzas en los extremos de la resistencia a medir, y el valor leído en la escala se toma directamente.

Fig. 1.11c Medida de resistencia con unohmetro.

Megger Otro dispositivo que se emplea muy comúnmente para medir resistencias es el MEGGER, Este mide resistencias muy altas, como el que hay en el aislamiento de cables, entre devanado de motores o transformadores, etc. Estas resistencias generalmente varían de varios cientos a varios miles de megaohms, y son demasiado altas de modo que no pueden ser medidas por un óhmetro o puente de Wheatstone. Básicamente un megger consiste en una manivela, un generador en una caja de engranes y un medidor. Cuando se gira la manivela, los engranes hacen girar al generador a alta velocidad, de manera que genere una tensión de 100, 500, 1000, 2500, ó 5000 volts, según el tipo de megger que se utilice.

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El megger es similar al medidor de bobina móvil que se han examinado, excepto por que tiene dos devanados. Un devanado (A) está en serie con el resistor R 2 en la salida del generador. Este devanado está hecho de tal manera que hace moverse la aguja hacia el extremo de alta resistencia de la escala cuando el generador está funcionando. El otro devanado (B) está en serie con el resistor R 1 y la resistencia desconocida (R X) por medir. Este devanado esta hecho de tal manera que hace moverse la aguja hacia el extremo de la escala que indica baja resistencia, o resistencia cero, cuando el generador está funcionando. Fig. 1.12

Fig. 1.12 Megger básico.

Cuando se tiene una resistencia muy alta en las terminales de entrada del megger como en un circuito abierto o que está por abrirse, la corriente en la bobina A hace que la aguja registre infinito. Por otra parte, cuando hay una resistencia relativamente baja en las terminales de entrada, la corriente en la bobina B hace que la aguja oscile hacia cero. La aguja se detiene en un punto de la escala, determinado por la corriente en la bobina B, que está regida por R x.

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1.6 Medición de potencia con un Watthorimetro. Está provisto de dos bobinas estacionarias conectadas en serie, y una bobina móvil. Las bobinas estacionarias, devanadas en muchas espiras de alambre delgado, tienen una alta resistencia. La bobina móvil, con unas cuantas espiras de un alambre más grueso, tiene baja resistencia. Para medir potencia, las bobinas estacionarias se conectan a la tensión de la fuente, que determina la corriente en estas bobinas y, por lo tanto, la intensidad de los campos magnéticos que produzcan. La bobina móvil se conecta en serie con la carga y la corriente de la carga origina un campo magnético relacionado con la bobina móvil. La interacción de los dos campos magnéticos hará que la bobina móvil y la aguja conectada a ella oscilen en proporción al voltaje de la carga y a la corriente que pasa por ella. Por lo tanto, el medidor indica V multiplicado por I, que es la disipación de potencia. Cuando se usa un watthorimetro, no debe excederse su capacidad de tensión y corriente. Debe tenerse cuidado al interpretar estas clasificaciones. Por ejemplo, un watthorimetro con un registro total de escala de 500 watts, puede estar clasificado a 150 volts y 5 amperes (150 V x 5 A = 750 w). Si el wathorimetro se conecta a un circuito con 150 volts y 5 amperes y el circuito tiene un factor de potencia de aproximadamente 1.0, entonces la aguja del medidor se saldrá hacia la derecha de la escala y puede doblarse sobre el perno de retención correspondiente. La mayor parte de los watthorimetros están clasificados de esta manera debido a que los circuitos de c-a generalmente tienen un factor de potencia inferior a 1.0 y, por lo tanto, la potencia medida será menor que V x I.

Fig. 1.13 Diagrama de un Watthorímetro.

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1.7 Medición de factor de potencia con varhorimetros. Para la medición de potencia real se puede hacer uso del varhorímetro o varmetro que desde el punto de vista de construcción es igual al watthorímetro, pero se diferencia sólo por un artificio por medio del cual la bobina de voltaje se encuentra en cuadratura con la tensión por lo que la indicación del instrumento resulta proporcional a VI sen d. El empleo de este instrumento está limitado a los circuitos monofásicos ya que en los circuitos trifásicos la medición de potencia reactiva se puede hacer utilizando watthorímetros de construcción normal convenientemente insertados. El procedimiento para medir la potencia reactiva es el siguiente: 1.-Asegúrese de que el voltaje en el circuito no exceda el límite del voltaje del medidor. 2.- Verificar que la corriente en el circuito no exceda el límite de corriente del aparato, para esto debe usarse un amperímetro de gancho. 3.- Ajustar el varmetro en su rango más alto. 4.- Conectar el varmetro al circuito cuando este desenergizado, para verificar que esté desenergizado se puede usar un vóltímetro. 5.- Después de que se ha conectado el varmetro, se energiza el circuito a medir. 6.- Leer el voltaje, corriente, potencia reactiva en el medidor. 7.-Desconectar el circuito después de haber hecho la medición necesaria para retirar el varmetro.

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Los aparatos de medida pueden ser analógicos o digitales; los primeros como ya mencionamos presentan la medida mediante un índice o aguja que se desplaza sobre una escala graduada, y los segundos que son los que hablaremos de ellos son los que presentan el valor en una pantalla o display mediante números. Para representar esquemáticamente e interpretar las inscripciones de funcionamiento se recurre a la simbología normalizada que se muestra en los anexos de la Tabla 1.

Interpretación de las indicaciones inscritas en los aparatos de medidas. Los aparatos de medida llevan, en la parte inferior de la escala, unos símbolos que indican las características tanto constructivas como de funcionamiento de dicho aparato. En la

Figura 1.14 se han resaltado estas indicaciones de las que se aclaran su significado a continuación.

Fig. 1.14. Detalle de las indicaciones inscritas en los aparatos de medidas.

Significado de las inscripciones del aparato de la Figura 1.14:

El Voltímetro Digital (DVM).

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Comparación con el Voltímetro analógico (VOM.) A diferencia del medidor analógico, el medidor digital DVM tiene un display en lugar de la aguja del galvanómetro y un conmutador ON-OFF para alimentar los circuitos electrónicos que producen la medición en lugar del movimiento electromecánico del VOM. Requiere por lo tanto una fuente (batería) interna para alimentar la electrónica del medidor y para cuando se lo usa como ohmetro. Tiene un selector de rango manual o de autorango según los diferentes diseños.

Características del DVM. 1.- Son básicamente voltímetros y cuando se los usa como amperímetros u óhmetros, el arreglo del circuito es tal que el DVM es usado como voltímetro. 2.- El DVM tiene una alta resistencia interna, lo cual es muy deseable para evitar el efecto de carga sobre el circuito bajo prueba. 3.- El display digital evita errores de lectura debidos al paralelaje de la aguja del VOM, o los errores debidos a la interpolación entre las escalas. 4.- Debido al display digital, la conversión de la precisión es dentro de +/- un dígito en cualquier escala usada. La precisión debida al display permanece constante sobre todos los rangos e invariable. Se obtiene un valor de precisión mucho mejor que en los VOMS. 5.- Incorporan funciones especiales como un tono audible para pruebas de continuidad, funciones de prueba de junturas de semiconductores, etc.

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Cómo trabaja un DVM. El diagrama de bloques de un Voltímetro Digital se muestra en la figura 1.15. Se pueden medir valores de voltaje tanto DC como AC. Veremos primeramente la medición del voltaje DC. Las puntas de prueba miden el voltaje DC directamente, lo llevan hasta el DVM a través de un acondicionador de señal, y lo acoplan a un circuito llamado convertidor analógico/digital (A/D). El convertidor A/D acepta un voltaje y lo cambia a una codificación digital que representa la magnitud del voltaje. Este código digital es usado para generar el número de dígitos que muestran el valor medido en el display digital.

Fig. 1.15 Diagrama de bloques de un Voltímetro Digital Básico (DVM)

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Display Digital. Una forma fácil de comprender cómo funcionan los DVMs es empezar por comprender los displays. La figura 1.6.a muestra un display numérico de 7 segmentos. Este arreglo puede ser de LEDs o de cristal líquido LCD que son los más modernos y consumen menos energía y son más legibles en ambientes de alta luminosidad.

Fig. 1.16 a. Display de 7 segmentos.

Como se ve en la figura 1.16.a, se conecta una fuente de poder a cada segmento de LED, de modo que cada segmento se excita con el paso de la corriente a través de él. En el ejemplo de la figura 1.16.b se ha activado el número 2.

Códigos BCD Este sistema representa un número decimal codificado en 4 dígitos binarios (Binary Coded Decimal) y es el código más comúnmente usado en sistemas digitales.

Fig. 1.16. b: Tabla de excitación para los dígitos

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Conversión Análogo-Digital (A/D). Conocido el proceso de codificación para los displays, debemos conocer cómo son generados estos códigos en el convertidor A/D. La tabla y figura 1.17 siguientes muestran el código BCD que se genera cuando un voltaje DC entre 0 y 2 voltios (1,99 Voltios) es aplicado a la entrada. La resolución del DVM es de 1 milivoltio para ese rango, lo cual significa que un nuevo código BCD de 4 dígitos es generado por cada cambio de 1 milivoltio del voltaje de entrada.

La figura 1.17, no muestra cada un milivoltio el código de 4-dígitos, pero lista los códigos que pueden ser generados para los 4-dígitos para cada décimo de voltio. Además muestra algunos valores como ejemplo especial (0.001, 0.578, 1.234, 1.667, y 1.999) para ayudar a entender cómo es la salida del convertidor A/D. Hay un código BCD de 4-dígitos separado para cada valor de 1 milivoltio, pero por simplificar, no se encuentran incluidos en la

figura 1.17.

Fig. 1.17: Convertidor A/D con entrada de 0-2 Voltios y códigos de salida de 4 dígitos

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Si el voltaje de entrada hacia el convertidor A/D es de 1.234 voltios, el código BCD de 4dígitos que sería generado a la salida sería 0001 0010 0011 0100 como se muestra. Cada uno de los 4-bits del código BCD representando un dígito es ingresado a un decodificador, como el indicado en la figura 17.a, y el numeral propio mostrado para el dígito respectivo. Compuertas lógicas individuales en el convertidor A/D controlan el punto decimal. Si un nivel de 1 lógico es la salida, el punto decimal se prenderá. Mientras las escalas cambian, el punto decimal energizado cambia. Las técnicas de display y las salidas del convertidor mostrados en la figura 1.16.a y figura 1.17, no son las únicas maneras que un DVM puede producir una conversión y display. Hay técnicas de rastreo y técnicas de multiplexar para que los códigos de dígitos sean transferidos en secuencia a lo largo de líneas de bus, pero la manera más directa fue escogida para hacerla más fácil de explicar los conceptos básicos.

Proceso de Conversión A/D Existe un número de técnicas usadas para realizar el proceso de conversión actual. Integración en escalera, balance continuo, aproximaciones sucesivas, convertidor dual (dualslope), convertidores de voltaje a frecuencia son los nombres de algunos de ellos.

Convertidor en escalera La figura 1.18 muestra el diagrama de bloques del convertidor en escalera. Consiste de un comparador, una compuerta de reloj G, un generador de reloj, un contador binario y de un convertidor digital-análogo. La salida es llevada a un display digital. El convertidor digitalanálogo hace lo opuesto que un convertidor análogo-digital. Toma las salidas de un código digital de la salida de un contador binario y lo convierte a un voltaje análogo. Cada vez que el contador binario incrementa su cuenta de uno en uno, el voltaje de salida VO incrementa por un milivoltio. VO es una entrada al comparador; el voltaje de entrada VIN es la otra entrada al comparador .

VO diferente a VIN Cuando el voltaje de entrada VIN es aplicado primero a ser medido, VO es cero, y la salida del comparador está a un nivel de 1 lógico por que VO es diferente a VIN. Como la salida 27


del comparador 1 es una entrada a la compuerta AND de reloj G, la señal de reloj que aparece en la otra entrada G aparecerá a la salida de la compuerta y alimenta al contador binario. El contador binario cuenta los pulsos de reloj, y a través del convertidor D/A empieza a incrementar VO por 1 milivoltio por cuenta. De aquí el nombre de convertidor en escalera.

VO igual a VIN Cuando VO es igual a VO diferente a VIN, la salida del comparador cae a un nivel de 0 lógico, apaga con los pulsos de reloj a través de G, el cual para la cuenta y mantiene VO igual a VO diferente a VIN. El código digital en el contador es convertido a un código necesario para el display de los numerales que representa el valor del voltaje VO diferente a VIN. Note que toma un tiempo t1 para alcanzar el punto en donde VO = VIN; entonces, medidas pueden ser realizadas solamente a un límite máximo.

Fig. 1.19: Convertidor A/D en escalera

Convertidor Dual (Dual-Slope Converter) Un diagrama de bloque de un convertidor A/D dual es mostrado en la figura 20. Consiste de un amplificador operacional A, conectado como un integrador, un comparador, una compuerta lógica (G) para activar la señal de reloj, un contador para el conteo de los pulsos de reloj, un voltaje de referencia y la circuitería lógica de control. La salida alimenta a un display digital. 28


CAPÍTULO II. Generación y Distribución de Corriente Eléctrica. 2.1 Generadores de energía eléctrica. Grupo de aparatos que se utilizan para convertir la energía mecánica en eléctrica, se le denomina generador, alternador o dinamo.

Dos principios físicos relacionados entre sí sirven de base al funcionamiento de los generadores y de los motores. El primero es el principio de la inducción descubierto por el científico e inventor británico Michael Faraday en 1831. Si un conductor se mueve a través de un campo magnético, o si está situado en las proximidades de otro conductor por el que circula una corriente de intensidad variable, se establece o se induce una corriente eléctrica en el primer conductor. El principio opuesto a éste fue observado en 1820 por el físico francés André Marie Ampere. Si una corriente pasa a través de un conductor situado en el interior de un campo magnético, éste ejerce una fuerza mecánica sobre el conductor.

La máquina dinamoeléctrica más sencilla es la dinamo de disco desarrollada por Faraday, que consiste en un disco de cobre que se monta de tal forma que la parte del disco que se encuentra entre el centro y el borde quede situada entre los polos de un imán de herradura. Cuando el disco gira, se induce una corriente entre el centro del disco y su borde debido a la acción del campo del imán. El disco puede fabricarse para funcionar como un motor mediante la aplicación de un voltaje entre el borde y el centro del disco, lo que hace que el disco gire gracias a la fuerza producida por el campo magnético. El campo magnético de un imán permanente sólo tiene fuerza suficiente como para hacer funcionar una dinamo pequeña o motor. Por ello, los electroimanes se emplean en máquinas grandes. Tanto los motores como los generadores tienen dos unidades básicas: El inductor, que crea el campo magnético y que suele ser un electroimán, y la armadura o inducido, que es la estructura que sostiene los conductores que cortan el campo magnético y transporta la corriente inducida en un generador, o la corriente de excitación en el caso del motor. La armadura es por lo general un núcleo de hierro dulce laminado, alrededor del cual se enrollan los cables conductores. 29


2.1.1 Tipos y características de generadores. 

Generadores de corriente continua.



Generadores de corriente alterna.

Generadores de Corriente Continua. Si una armadura gira entre dos polos magnéticos fijos, la corriente en la armadura circula en un sentido durante la mitad de cada revolución, y en el otro sentido durante la otra mitad. Para producir un flujo constante de corriente en un sentido, o corriente continua, en un aparato determinado, es necesario disponer de un medio para invertir el flujo de corriente fuera del generador una vez durante cada revolución. En las máquinas antiguas esta inversión se llevaba a cabo mediante un conmutador, un anillo de metal partido montado sobre el eje de una armadura. Las dos mitades del anillo se aislaban entre sí y servían como bornes de la bobina. Las escobillas fijas de metal o de carbón se mantenían en contacto con el conmutador, que al girar conectaba eléctricamente la bobina a los cables externos. Cuando la armadura giraba, cada escobilla estaba en contacto de forma alternativa con las mitades del conmutador, cambiando la posición en el momento en el que la corriente invertía su sentido dentro de la bobina de la armadura. Así se producía un flujo de corriente de un sentido en el circuito exterior al que el generador estaba conectado. Fig. 2.

Fig. 2 Partes de un Generador de C.C.

30


Los generadores de corriente continua funcionan normalmente a voltajes bastante bajos para evitar las chispas que se producen entre las escobillas y el conmutador a voltajes altos. El potencial más alto desarrollado para este tipo de generadores suele ser de 1.500 voltios. En algunas máquinas más modernas esta inversión se realiza usando aparatos de potencia electrónica, como por ejemplo rectificadores de diodo. Los generadores modernos de corriente continua utilizan armaduras de tambor, que suelen estar formadas por un gran número de bobinas agrupadas en hendiduras longitudinales dentro del núcleo de la armadura y conectadas a los segmentos adecuados de un conmutador múltiple. Si una armadura tiene un solo circuito de cable, la corriente que se produce aumentará y disminuirá dependiendo de la parte del campo magnético a través del cual se esté moviendo el circuito. Un conmutador de varios segmentos usado con una armadura de tambor conecta siempre el circuito externo a uno de cable que se mueve a través de un área de alta intensidad del campo, y como resultado la corriente que suministran las bobinas de la armadura es prácticamente constante. Los campos de los generadores modernos se equipan con cuatro o más polos electromagnéticos que aumentan el tamaño y la resistencia del campo magnético. En algunos casos, se añaden interpolos más pequeños para compensar las distorsiones que causa el efecto magnético de la armadura en el flujo eléctrico del campo. El campo inductor de un generador se puede obtener mediante un imán permanente (magneto) o por medio de un electroimán (dinamo). En este último caso, el electroimán se excita por una corriente independiente o por autoexcitación, es decir, la propia corriente producida en la dinamo sirve para crear el campo magnético en las bobinas del inductor. Existen tres tipos de dinamo según sea la forma en que estén acoplados el inductor y el inducido: en serie, en derivación y en combinación.

31


Generadores de Corriente Alterna. Como se decía antes, un generador simple sin conmutador producirá una corriente eléctrica que cambia de sentido a medida que gira la armadura. Este tipo de corriente alterna es ventajosa para la transmisión de potencia eléctrica, por lo que la mayoría de los generadores eléctricos son de este tipo. En su forma más simple, un generador de corriente alterna se diferencia de uno de corriente continua en sólo dos aspectos: los extremos de la bobina de su armadura están sacados a los anillos colectores sólidos sin segmentos del árbol del generador en lugar de los conmutadores, y las bobinas de campo se excitan mediante una fuente externa de corriente continua más que con el generador en sí. 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 por el número de revoluciones por segundo de la armadura. (Ver Fig. 2.1)

Fig. 2.1 Generador de corriente alterna.

32


A veces, es preferible generar un voltaje tan alto como sea posible. Las armaduras rotatorias no son prácticas en este tipo de aplicaciones, debido a que pueden producirse chispas entre las escobillas y los anillos colectores, y a que pueden producirse fallas mecánicas que podrían causar cortocircuitos. Por tanto, los alternadores se construyen con una armadura fija en la que gira un rotor compuesto de un número de imanes de campo. El principio de funcionamiento es el mismo que el del generador de corriente alterna descrito con anterioridad, excepto en que el campo magnético (en lugar de los conductores de la armadura) está en movimiento. 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.

Tipos de generadores:

Generador excitación serie.

Generador de corriente directa.

Generador excitación compuesta. Generador excitación derivación.

Generador corriente alterna

Generador síncrono. Generador de inducción. 33


Generador excitación serie.

Fig. 2.1.2 Variación del voltaje al aumentar Fig. 2.1.1 Diagrama de conexión en serie.

la corriente de carga

El devanado inductor se conecta en serie con el inducido, de tal forma que toda la corriente que el generador suministra a la carga fluye por igual por ambos devanados. La corriente de excitación que atraviesa el devanado de campo de este generador es igual a la que el generador transmite a la carga. Si la carga tiene alta resistencia y, en consecuencia, toma solo una pequeña corriente del generador, la corriente de excitación también es pequeña, lo cual significa que el campo magnético del devanado de campo es débil, de modo que disminuye el voltaje de salida del generador. En forma similar, si la carga toma una corriente elevada, la corriente de excitación también es grande, el campo magnético del devanado de campo es intenso y el voltaje de salida del generador es alto. Nótese que, en un generador en serie, los cambios en la corriente de carga afectan considerablemente al voltaje de salida del generador. Por lo tanto, se dice que un generador en serie tiene mala regulación de voltaje y, como resultado, los generadores en serie no son convenientes para cargas fluctuantes. La Fig 2.1.2 ilustra la manera cómo el voltaje de un generador en serie varia al aumentar la corriente de carga. Nótese que, al aumentar la corriente de carga, el voltaje de salida también aumenta hasta cierto punto. Después de ese punto, los demás aumenta de corriente producen una disminución del voltaje de salida. El punto donde el voltaje deja de aumentar corresponde al de saturación magnética del 34


devanado de campo, esto ocurre cuando el material del núcleo, que en este caso son las piezas polares, está completamente magnetizado. El flujo magnético ya no puede aumentar, no importa cuánto aumente la corriente en el devanado. Así, el voltaje de salida desciende más allá de este punto y no permanece constante en su valor máximo, lo cual se debe a que la caída de voltaje ha aumentado en el devanado de campo y las bobinas de armadura. La caída de voltaje es mayor porque la corriente aumenta, pero el voltaje generado permanece invariable. Además, el voltaje de salida es igual al voltaje generado, menos la caída de voltaje interno; en consecuencia, el voltaje de salida debe disminuir. Otra razón de que el voltaje de salida disminuya es que la reacción de armadura aumenta. Otra desventaja del generador en serie, además de su mala regulación de voltaje, estriba en que el devanado de campo debe estar devanado con alambre que pueda conducir sin peligro toda la corriente de carga y sin sobrecalentarse. Esto requiere un alambre con área transversal relativa mente amplia.

Generador en derivación (shunt). Cuando el devanado de campo de un generador autoexcitado está conectado en paralelo con la salida del generador, a éste se le llama generador con derivación. El valor de la corriente de excitación en un generador con derivación depende del voltaje de salida y la resistencia del devanado de campo. Generalmente, la corriente de excitación se mantiene en algún valor entre 0.5 y 5 por ciento de la corriente total producida por el generador.

Salida del generador.

Fig. 2.1.3 Diagrama de conexión de un generador con derivación.

35


El voltaje de salida de un generador con derivación que funciona a velocidad constante en condiciones variables de carga es mucho más estable que el voltaje de salida de un generador en serie. Sin embargo, sigue ocurriendo cierto cambio en el voltaje de salida. Este cambio ocurre porque, cuando la corriente de carga aumenta, la caída de voltaje (IR) en la bobina de armadura aumenta y esto hace que disminuya el voltaje de salida. Como resultado, la corriente en el devanado de campo disminuye y se reduce el campo magnético, con lo cual el voltaje de salida disminuye aún más. Si la corriente que toma la carga es mucho mayor que aquella para la cual se diseñó el generador con derivación, la caída del voltaje de salida es extrema. Sin embargo, para cambios de corriente de carga dentro del rango planeado, la caída del voltaje de salida con aumentos de carga, no es demasiado grande. El hecho de que su voltaje de salida se reduzca al aumentar la corriente de carga, hace que los generadores derivados tengan la cualidad de auto protegerse. Si la carga se conecta súbitamente ―en corto‖, el voltaje de salida descendería hasta cero. Por lo tanto, no habría

corriente de excitación a través del devanado de campo, de manera que, el generador, en efecto, sería inoperante.

Voltaje de salida Plena carga

Corriente de carga. Fig. 2.1.4 El voltaje de salida se reduce drásticamente si la corriente de carga aumenta por arriba del valor nominal a plena carga

36


Hasta cierto punto, el cambio de la salida de tensión de un generador con derivación con cambios en la corriente de carga, también es causado por un cambio de reacción de armadura, de la misma manera como se vio que sucedía en los generadores en serie. En comparación con los generadores en serie, la corriente de excitación en generadores con derivación es muy pequeña. Por lo tanto, se puede usar alambre delgado para el devanado de campo. En generadores con derivación ordinarios, las bobinas de campo constan de muchas espiras de alambre de pequeño diámetro.

Generadores combinados. Tanto los generadores en serie como los que tienen derivación tienen la desventaja de que, cuando la corriente varía de cero a carga normal, hacen que su voltaje de salida también cambie. En un generador en serie los aumentos en la corriente de carga originan aumentos en el voltaje de salida; pero cuando se trata de un generador con derivación, los aumentos de la corriente de carga originan la disminución del voltaje de salida. Muchas aplicaciones en las cuales se usan generadores, requieren que el voltaje de salida del generador sea más estable que el suministrado por un generador, ya sea en serie o con derivación. Una forma de transmitir este tipo de voltaje estable es usar un generador con derivación que tenga alguna forma de regular el voltaje. Otro medio para suministrar un voltaje estable es mediante un generador combinado.

Salida del generador.

Fig. 2.1.5 Diagrama de un generador combinado

37


Un generador combinado tiene un devanado de campo conectado en paralelo con la salida del generador, en la misma forma que un generador con derivación; también tiene otro devanado de campo conectado en serie con la salida del generador, igual que un generador en serie. A veces, a los generadores combinados se les conoce como generadores en serie con derivación.

Siempre que un generador combinado

Sobrecompensado

esta compensado, sobrecompensado o

Compensado

subcompensado, el voltaje de salida

Subcompensado

desciende en forma pronunciada, cuando la corriente de carga excede hasta la corriente de plena carga nominal.

Corriente de carga Grafica 2.16

Los dos devanados del generador combinado están diseñados de tal manera que sus campos magnéticos se ayudan. Así pues, cuando la corriente de carga aumenta, la corriente que pasa por el devanado de campo en derivación disminuye, reduciendo la intensidad de su campo magnético. Pero el mismo aumento en la corriente de carga ocurre en el devanado de campo en serie, aumentando la intensidad de su campo magnético. Cuando hay el número adecuado de espiras en el devanado en serie, el aumento de intensidad de su campo magnético compensará la disminución de intensidad del campo magnético del devanado en derivación. Por lo tanto, la intensidad total del campo magnético combinado, permanece casi invariable, de manera que el voltaje de salida se conserva constante. En realidad, no es posible que los dos devanados de campo se compensen exactamente. Siempre habrá algún cambio en el voltaje de salida al variar la corriente del generador de su valor sin carga a su valor a carga plena. Sin embargo, según se puede observar en la gráfica 2.16 , en los generadores combinados prácticos, el voltaje 38


de salida tiene el mismo valor sin carga y a carga plena y el cambio que ocurre entre la no carga y carga plena es menor que un 5 por ciento aproximadamente. Se dice que un generador con estas características es combinado normal. Para algunas aplicaciones, el devanado en serie se hace de tal manera que sobrecompense al devanado en derivación. Entonces el voltaje de salida del generador aumenta gradualmente al aumentar la corriente de carga sobre el rango de funcionamiento normal. Este generador está sobrecombinado o sobrecompensado. En forma similar, el devanado en sede puede diseñarse de manera que subcompense al devanado en derivación. El voltaje de salida de este tipo de generador disminuye gradualmente al aumentar la corriente de carga. A este tipo de generador se le llama subcombinado o subcompensado.

Generadores síncronos

2.1.6 Generador síncrono.

Todos los generadores trifásicos utilizan un campo magnético giratorio. En el dibujo hemos instalado tres electroimanes alrededor de un círculo. Cada uno de los tres imanes está conectado a su propia fase en la red eléctrica trifásica. Como se puede ver, cada electroimán produce alternativamente un polo norte y un polo sur hacia el centro. Las letras 39


están en negro cuando el magnetismo es fuerte, y en gris claro cuando es débil. La fluctuación en el magnetismo corresponde exactamente a la fluctuación en la tensión de cada fase. Cuando una de las fases alcanza su máximo, la corriente en las otras dos está circulando en sentido opuesto y a la mitad de tensión. Dado que la duración de la corriente en cada imán es un tercio de la de un ciclo aislado, el campo magnético dará una vuelta completa por ciclo.

Operación de un generador síncrono Si empieza a forzar el imán para que gire (en lugar de dejar que la corriente de red lo mueva) descubrirá que trabaja como generador, devolviendo corriente alterna a la red (debería tener un imán más potente para producir mucha electricidad). Cuanta más fuerza (par torsor) le aplique, mayor electricidad producirá, aunque el generador seguirá girando a la misma velocidad, impuesta por la frecuencia de la red eléctrica. Puede desconectar completamente el generador de la red y construir su propia red eléctrica trifásica, enganchando bombillas a tres bobinas arrolladas a electroimanes. Sin embargo, si desconecta su generador de la red principal tendrá que accionarlo a una velocidad de giro constante para que produzca corriente alterna a una frecuencia constante. Por lo tanto, con este tipo de generador, normalmente querrá usar una conexión indirecta a red del generador. En la práctica, los generadores síncronos de imán permanente no son muy usados. Hay varias razones para que así sea. Una ellas es que los imanes permanentes tienden a desmagnetizarse al trabajar en los potentes campos magnéticos en el interior de un generador. Otra de las razones es que estos potentes imanes (fabricados a partir de tierras raras, como el neodimio) son bastante caros, a pesar de que los precios han disminuido últimamente.

40


2.2 El transformador. Es un aparato eléctrico sin partes en movimiento que sirven para transmitir energía eléctrica de un circuito a otro, elevando o bajando voltaje.

Partes básicas de un transformador. 1. Un núcleo magnético formado

1

por láminas de acero al silicio. 2. Una bobina primaria (por donde recibe la energía.)

2

3

3. Una bobina secundaria ( por donde entrega la energía.) Ver Fig.2.2 Fig. 2.2 Partes básicas de un transformador.

Principio del funcionamiento. La base del funcionamiento de un transformador es también la inducción electromagnética. En la figura 2.2 que se muestra bajo este texto ilustra el transformador fundamental que consiste en un núcleo de hierro y dos bobinados denominados primario y secundario. El núcleo proporciona un camino para el campo magnético y se construye generalmente de un gran número de chapas delgadas de un acero especial. El primario es el que recibe la energía de la línea y el secundario es el que da la energía a la carga.

La teoría del funcionamiento de un transformador es la que sigue: 1. Cuando se conecta el primario a una fuente de fem alterna, por el bobinado comienza a pasar una corriente alterna. 41


2. En cuanto fluye una corriente por un conductor se crea un campo magnético alrededor de él. Si la corriente cambia continuamente en magnitud y la polaridad, el campo magnético que se origina en el núcleo de hierro hará lo mismo. 3. El campo magnético alterno está, por tanto, continuamente expandiéndose y contrayéndose. Como el circuito magnético es cerrado, la variación del campo magnético es la misma en cualquier parte del núcleo. 4. Las líneas magnéticas al expandirse y contraerse cortarán a los conductores situados en cualquier parte del núcleo, y de acuerdo con el experimento de Faraday , en éstos aparecerá una fem inducida. 5. Como a cada conductor sobre el núcleo le corta el mismo flujo, la fem inducida por vuelta será la misma. Por tanto, el voltaje en cada bobinado será proporcional al número de vueltas; expresado matemáticamente, esto es: EP

NP

------ = -----ES

NS

……………………………………….. ec. 2

6. Se puede ver en esta ecuación que el voltaje del secundario se puede aumentar o disminuir eligiendo una relación de vueltas.

Parámetros eléctricos. Al hablar de transformadores, nos encontramos con términos eléctricos que conviene manejar adecuadamente, a continuación mencionamos el concepto de los parámetros eléctricos más empleados en nuestro caso.

a) Voltaje o tensión. Es la fuerza que impulsa el flujo de corriente y se expresa: V = Volts KV = Volts x 1000 kilovolts. 42


b) Corriente. Partículas eléctricas (electrones) libres que se mueven en un cierto sentido dentro del conductor del devanado, se expresa:

I = Amperes.

c) Capacidad (potencia). Energía necesaria para mantener un cierto flujo de corriente demandado por una carga, se expresa:

P = KV x A = KVA = Kilo- Volts Amperes.

d) Flujo magnético. Líneas de fuerza invisibles que viajan por el núcleo proporcionando el campo necesario para realizar la inducción, se expresa:

φ= Gausses.

e) Pérdidas en vacío. Energía consumida por el núcleo del transformador al estar el primario conectado a la fuente y el secundario sin carga (en vacío), se expresa: W FE = Watts.

f) Corriente de excitación. Corriente que circula por el devanado primario al aplicar su voltaje nominal con el secundario sin carga. Es la corriente necesaria para producir flujo magnético y se expresa en porciento de la corriente nominal como:

I ex = %

g) Pérdidas con carga. Energía consumida por los devanados al tener en el secundario una carga demandando la corriente nominal de este devanado, se expresa: W Cu = Watts.

h) Impedancia. Voltaje aplicado al primario, capaz de producir la corriente nominal en el secundario, estando las terminales de éste último en cortocircuito, se expresa en porciento del voltaje nominal del primario y representa la oposición del transformador a la corriente durante un cortocircuito:

% Impedancia = % Z.

43


i) BIL (Basic Impulse Insulation Level). Es el nivel básico de aislamiento al impulso (NBI), y representa la capacidad en un transformado de soportar un sobre voltaje (sobretensión), producido por una descarga atmosférica o por apertura-cierre del circuito de alimentación del transformador. Indica el voltaje máximo de la sobretensión que debe soportar el equipo.

BIL = Kv.

j) Eficiencia. Relación entre la potencia útil de salida y potencia de entrada: η = (Ps / Pe) x 100.

k) Regulación. Variación del voltaje en el secundario, expresada en % del voltaje nominal del mismo, que se produce al conectar una carga y manteniendo constante el voltaje aplicado al primario.

% Reg = (Vo2 – V2/ V2) x 100

Donde: Vo2 = voltaje secundario sin carga V2 = voltaje secundario nominal.

Componentes del transformador. En la figura 2.3, se muestra un corte de un transformador típico, y están indicados los componentes básicos del transformador los cuales se describen a continuación.

I. Devanados. Su función es recibir cierto voltaje y cierta corriente para entregarlos transformados a diferentes valores. Son fabricados con conductores aislados eléctricamente y enrollados sobre moldes para darles la forma requerida, que pueden ser rectangulares o cilíndricos según la capacidad y aplicación de cada transformador.

II. Núcleo. Es el conductor del flujo magnético. Dirige y confina este flujo a una trayectoria dentro del material del núcleo, que es acero al silicio. Las líneas de flujo producen, a su alrededor, pequeñas corrientes que son indeseables ya que consumen parte de la energía del transformador. Para reducir al mínimo estas corrientes, llamadas ―EDDY‖, el núcleo se construye con láminas muy delgadas con espesores de 9 a 11

milésimas de pulgada. 44


Fig. 2.3 Partes principales de un transformador.

45


III. Aislamientos. Son elementos que integran el corazón del transformador, ya que la vida útil de éste depende del estado que guarden sus aislamientos. Su función es la de impedir el contacto eléctrico entre partes conductoras y entre partes tales como núcleo, herrajes o tanque. Pueden ser sólidos o líquidos. Los sólidos además proporcionan soporte a los devanados para darles mayor rigidez mecánica. Se clasifican en dos tipos:

Aislamientos menores Van colocados entre conductores de una misma vuelta; entre conductores de una vuelta a otra, entre grupos (capas) de vueltas de un mismo devanado; en guías de conexión internas. Pueden ser de papel, cartón, barniz.

Aislamientos mayores Van colocados entre grupos de alta tensión y grupos de baja tensión; entre bobinas de diferente fase; entre bobinas y núcleo, herrajes y tanque. Pueden ser de cartón; madera.

IV. Medio refrigerante. La corriente que circula por los devanados produce calor. Este calor debe ser disipado eficientemente a fin de prolongar la vida útil de los aislamientos ya que éstos se degradan con los efectos de la temperatura. La acción de disipación se lleva a cabo a través de un medio refrigerante que puede ser el aire o algún líquido dieléctrico como el aceite mineral o la silicona líquida.

V. Tanque. Es el recipiente que contiene el conjunto núcleo-bobinas y líquido refrigerante. Se construye con lámina de acero estructural para proporcionar soporte mecánico, superficie de disipación de calor y protección contra elementos ambientales que pudieran afectar al transformador en su s u operación.

VI. Accesorios. 46


Como auxiliares para su adecuada operación, el transformador cuenta con un buen número de accesorios. Aquí mencionaremos solo los más importantes y que son comunes a la mayoría de los transformadores.

VII. Boquillas. Conocidas también como ―Bushings‖, permiten la entrada y la salida de los conductores o guías de cada bobina a través del tanque. Están formadas por un cuerpo aislado y un conector o terminal. El aislador puede ser de porcelana o resina epóxica.

VIII. Cambiador de derivaciones. Por diferentes razones, el voltaje que llega al primario del transformador es diferente al esperado y esto nos provoca que al voltaje secundario no sea el adecuado. Para evitar esta situación, se utiliza un dispositivo que permite ajustar el voltaje secundario al voltaje deseado, aumentando o eliminando vueltas en el devanado primario. Este dispositivo es el cambiador de derivaciones y va conectado generalmente a derivaciones o ―taps‖ del devanado de alta tensión. El cambiador de

derivaciones más empleado es el de 5 posiciones y su operación se ilustra en la Fig.

2.4. Normalmente se emplean cambiadores de derivaciones para operar manualmente y con el transformador desenergizado, aunque existen también de operación automática estando el transformador energizado.

Fig. 2.4 Cambiador de derivaciones.

47


IX. Radiador. Existen casos en que se requiere mayor área de disipación de calor en el tanque. Es entonces cuando se utiliza radiadores, que son grupos de tubos o aletas de acero unidas a dos cabezales que se conectan a las paredes del tanque mediante soldadura o mediante válvulas de acoplamiento. La lámina de estos tubos es de espesor mucho menor al que tienen las paredes del tanque, esto es con el fin de acelerar la disipación de calor, la Fig. 2.5 Muestra la trayectoria que sigue el líquido refrigerante en un tanque con radiadores.

Fig. 2.5 Tanque con radiadores.

48


2.2.1 Relación de transformación. La relación existente entre el número de espiras del primario y del secundario de un transformador, determinará el valor de la f.e.m. inducida sobre su circuito secundario. Un transformador que posea en su secundario mayor número de espiras que las del primario, inducirá sobre aquel una tensión mayor que la aplicada. A la inversa, un secundario con menor número de espiras que las del primario generará una tensión menor que la del primario. La relación que existente entre la tensión del primario (Ep) y la tensión del secundario (Es) es igual a la relación entre el número de espiras del primario (Np) y el número de espiras del secundario (Ns). En consecuencia, podemos decir que: ………………………………………..ec. 2.1

Y efectuando transposición de términos, tenemos: …………………………………….

ec. 2.2

Fórmula de la cual deducimos que la tensión inducida en el secundario es proporcional a la relación del número de vueltas del secundario con respecto a las del primario. Por tanto, a la relación entre vueltas o entre tensiones del primario y secundario se la denomina relación de transformación.

La energía absorbida por el primario de un transformador está relacionada directamente con la energía consumida por el circuito secundario. Esto significa que un transformador no es un dispositivo que sea capaz de generar energía, sino meramente un elemento electrostático que transforma los valores de tensión y/o corriente a los valores deseados. La intensidad de corriente circulante por el primario del transformador depende de la carga del secundario. Si suponemos un transformador con un secundario a circuito abierto, la corriente primaria (en el caso de un transformador ideal, sin pérdidas) será igual a cero. Las pérdidas son debidas, generalmente, a la resistencia óhmica de los bobinados, dispersión del flujo magnético, etc. Si consideramos un transformador con un secundario por el cual está circulando corriente, 49


puede decirse que se encuentra actuando bajo condiciones de carga y en esta circunstancia su circuito primario disipará potencia. Esto equivale a expresar que, bajo condiciones de carga del secundario, aumenta la corriente o intensidad sobre el primario. La intensidad de la corriente del secundario, provocará en todo instante un flujo magnético opuesto al que origina el primario, lo cual, de acuerdo con lo expresado por la Ley de Lenz, tenderá

siempre

a

disminuir

el

flujo

magnético

del

primario.

Esto,

a su vez, reducirá la f.e.m. de autoinducción (que ya sabemos, tiene en todo instante, sentido contrario) circunstancia que hará circular mayor intensidad de corriente por el primario. Como se ve, el consumo sobre el circuito primario de un transformador será proporcional a la carga del secundario. Puede decirse que prácticamente, la potencia absorbida por el secundario de un transformador es igual a la potencia consumida por el primario, o sea: ………………………………...ec 2.3

Fórmula en la cual, si pasamos Ip al segundo miembro y Es al primero, puede transformarse en esta otra: ………………………………………

ec. 2.4

De la que deducimos que, las corrientes del primario y del secundario de un transformador son inversamente proporcionales a las respectivas tensiones. Esto significa que, si por ejemplo, un transformador entrega en su secundario una tensión igual a la mitad de la tensión aplicada al primario, la intensidad de corriente máxima que se puede extraer de dicho secundario será igual al doble de la intensidad circulante por el primario. A la inversa, si el transformador es elevador de tensión y suministra en el secundario una tensión, por ejemplo, tres veces mayor que la del primario, solo podrá suministrar una intensidad de corrientes tres veces menor que la del primario.

Tipos de enfriamiento para Transformadores. 50


1. Tipo AA.

Transformadores tipo seco con enfriamiento propio, estos transformadores no contienen aceite ni otros líquidos para enfriamiento, el aire es también el medio aislante que rodea el núcleo y las bobinas, por lo general se fabrican con capacidades inferiores a 2000 kVA y voltajes menores de 15 kV. 2. Tipo AFA.

Transformadores tipo seco con enfriamiento por aire forzado, se emplea para aumentar la potencia disponible de los tipo AA y su capacidad se basa en la posibilidad de disipación de calor por medio de ventiladores o sopladores. 3. Tipo AA/FA.

Transformadores tipo seco con enfriamiento natural y con enfriamiento por aire forzado, es básicamente un transformador tipo AA al que se le adicionan ventiladores para aumentar su capacidad de disipación de calor. 4. Tipo OA

Transformador sumergido en aceite con enfriamiento natural, en estos transformadores el aceite aislante circula por convección natural dentro de una tanque que tiene paredes lisas o corugadas o bien provistos con tubos radiadores. Esta solución se adopta para transformadores de más de 50 kVA con voltajes superiores a 15 kV. 5. Tipo OA/FA

Transformador sumergido en líquido aislante con enfriamiento propio y con enfriamiento por aire forzado, es básicamente un transformador OA con la adición de ventiladores para aumentar la capacidad de disipación de calor en las superficies de enfriamiento. 6. Tipo FOA.

Sumergido en líquido aislante con enfriamiento por aceite forzado y de aire forzado. Estos transformadores pueden absorber cualquier carga de pico a plena capacidad ya que se usa con los ventiladores y las bombas de aceite trabajando al mismo tiempo.

2.2.2 Tipos y Características de Transformadores. 51


Transformador de Potencia Son aquellos cuya potencia es mayor de 500 KVA, y cuyo voltaje de alta tensión es mayor de 69,000 V. Por el lado de alta tensión recibe de la central generadora 2.2 KV, 4.4 KV, 13.8 KV y hasta 15 KV, para entregar por el lado de alta tensión a la línea de transmisión: 69 KV, 110 KV, 380 KV, o hasta 400 KV.

Fig. 2.6 Transformador de potencia.

Transformador de Distribución Reducen el voltaje de alta tensión del circuito primario (A.T) hasta el valor de voltaje de baja tensión (B.T) en el circuito secundario de distribución. Los voltajes normalizados por CFE., aunque también se encuentran en las industrias que tienen un elevado consumo de energía son de 6,600, 13, 200 y 23, 000 volts, teniendo a normalizar un voltaje base de 13,200 volts, ya que con esto se puede entrelazar todas las líneas de alta tensión. Los voltajes normalizados para circuitos secundarios son de 220 V entre fases y 127 V entre fase y neutro, existiendo entre algunas industrias que por razones de trabajo se tiene 440 volts entre fases. En la fábrica, se reduce la tensión hasta niveles utilizables. Para uso residencial, la tensión 52


es reducida varias veces, y la última vez es manejado por el transformador de distribución local de tipo poste o montado en base (montada en el suelo). Fig. 2.7

Fi . 2.7 Transformadores de Distribución.

Autotransformador Es un tipo especial de transformador de potencia. Consiste de un solo devanado continuo el cual es derivado en un lado para proporcionar ya sea una función de elevación o una función de reducción. Fig. 2.8 y 2.9

Existe unaAutotransformador diferencia con Elevador un transformador convencional de dos devanados que tiene un Fig. 2.8. Fig. 2.9. Autotransformador Reductor 53


devanado primario y un devanado secundario totalmente aislados entre ellos, pero magnéticamente unidos por un núcleo común. Los devanados del autotransformador están eléctrica y magnéticamente interconectados. Un autotransformador es inicialmente más económico que un transformador de dos devanados de misma capacidad nominal. Tiene también una mejor regulación (caídas de tensión menores), y una mayor eficiencia. Además, puede utilizarse para obtener el hilo neutro de un servicio de 240/120 volts de tres hilos, de manera similar al devanado secundario de un transformador de dos devanados. Cuando se usa un transformador para elevar la tensión, parte del devanado único actúa primario y todo el devanado como secundario, y cuando se usa para reducir tensión, todo el devanado actúa como primario y parte de él como secundario.

Transformador para Instrumentos de Medición Para medir valores elevados de corriente o tensión, es deseable utilizar instrumentos de medición de bajo rango estándares junto con Transformadores para Instrumentos de Medición construidos especialmente, que se conocen también como Transformadores de Relación Precisa.

Existen dos tipos de transformadores para instrumentos de medición: 

Transformador de Intensidad – Utilizado con un amperímetro para medir la intensidad en tensiones CA.



Transformador de Potencial – Empleado con un voltímetro para medir la tensión (diferencia de potencial) en tensiones CA.

54


Transformador de Corriente Se utilizan para tomar muestras de corriente de la línea y reducirla a un nivel seguro y medible, para las gamas normalizadas de instrumentos, aparatos de medida, u otros dispositivos de medida y control. Los valores nominales de los transformadores de corriente se definen como relaciones de corriente primaria a corriente secundaria. Unas relaciones típicas de un transformador de corriente podrían ser 600 / 5, 800 / 5, 1000 / 5. Los valores nominales de los transformadores de corriente son de 5 A y 1 A. El primario de estos transformadores se conecta en serie con la carga, y la carga de este transformador esta constituida solamente por la impedancia del circuito que se conecta a él. Un Transformador de Corriente tiene un devanado primario de una o varias vueltas de hilo pesado. Está siempre conectado en serie en el circuito en donde se debe medir la corriente. El devanado secundario consiste de muchas vueltas de hilo fino, que debe siempre estar conectado a través de las terminales del amperímetro. El devanado secundario de un transformador de corriente nunca debe estar en circuito abierto. Esto se debe al hecho que el devanado primario no está conectado a una fuente constante. Existe un amplio rango de tensiones primarias posibles puesto que el dispositivo puede estar conectado a muchos tipos de conductores. El devanado secundario debe siempre estar disponible (circuito cerrado) para reaccionar con el devanado primario con el objeto de evitar que el núcleo esté totalmente magnetizado. Si esto ocurre, el instrumento ya no lee con precisión. Para lograr un funcionamiento adecuado, la correcta conexión de las fases es imprescindible: 

En la fase L1 debe instalar el transformador de corriente, tomando en cuenta que la polaridad sea correcta.



En la fase L2 y L3, deberá hacer las conexiones para la alimentación de voltaje del regulador automático. Ver Fig. 2.10 55


Figura 2.10. Conexión de un transformador de corriente.

Transformador de Potencial Es un transformador reductor extremadamente preciso, cuidadosamente diseñado. Se utiliza normalmente con un voltímetro estándar de 120 volts. Mediante la multiplicación de la lectura en el voltímetro ( Deflexión) por la relación de transformación, el usuario puede determinar la tensión en el lado alto. Relaciones de transformación comunes son 10:1, 20:1, 40:1, 80:1, 100:1, 120:1, y hasta más altas. Ver Fig.2.11.

Figura 2.11. Conexión de un transformador de potencial.

56


2.2.3 Conexión de Transformadores Monofásicos. Los transformadores se construyen tanto monofásicos como trifásicos. El término monofásico indica que dos líneas de potencia conforman una fuente de entrada. Esto significa que una transformación de tensión se logra con un devanado primario y un devanado secundario. Los transformadores monofásicos son empleados frecuentemente para suministrar energía eléctrica para alumbrado residencial, toma-corrientes, acondicionamiento de aire, y calefacción. Un transformador con un devanado secundario de 120 volts CA puede asegurar el alumbrado y a las tomas. Pero, un transformador con un devanado secundario de 220 volts CA puede manejar todas las necesidades residenciales mencionadas. Un devanado secundario de 220 volts CA puede manejar los requerimientos de energía eléctrica más elevados de 220 volts relacionados con el aire acondicionado y la calefacción. El mismo secundario de 220 volts CA puede manejar las necesidades de 120 volts CA mediante la derivación del devanado secundario en el centro.

Fig. 2.12. Devanado Secundario de 120 Vs. 240 Volts

Los transformadores monofásicos pueden ser todavía más versátiles si tienen tanto el devanado primario como el devanado secundario fabricados en dos partes iguales. Las dos partes de cualquiera de los devanados pueden entonces ser reconectadas en serie o en paralelo. Fig. 2.12 57


Figura 2.13 Transformador Monofásico con Devanado Secundario dividido en Secciones.

Configuración en Serie Configuración en Paralelo Los transformadores monofásicos tienen habitualmente sus devanados divididos en dos o más secciones. Cuando los dos devanados secundarios están conectados en serie, se agregan sus tensiones. Cuando los devanados secundarios están conectados en paralelo, se agregan sus intensidades. Fig. 2.13 Por ejemplo, consideremos que cada devanado secundario está calibrado a 120 volts y 100 amperes. En el caso de una conexión en serie, sería 220 volts a 100 amperes, o 24KVA. Cuando la conexión es en paralelo, sería 120 volts a 200 amperes, o bien 24KVA. En el caso de conexiones en serie, se debe tomar precauciones para conectar los devanados de tal manera que sus tensiones se agreguen. Si ocurre lo contrario, una corriente de corto circuito fluirá en el devanado secundario, provocando que el devanado primario cause un corto circuito a partir de la fuente. Esto podría dañar el transformador, así como la fuente, y tal vez el conector.

58


Configuración para Corriente Trifásica. La corriente puede ser suministrada a través de un transformador que contiene un circuito trifásico en donde un grupo de tres transformadores monofásicos se emplea, o bien en donde se emplea un transformador trifásico. .

Figura 2.14 Batería de transformadores.

Un sistema trifásico se puede transformar empleando 3 transformadores monofásicos. Los circuitos magnéticos son completamente independientes, sin que se produzca reacción o interferencia alguna entre los flujos respectivos. Fig. 2.14 Otra posibilidad es la de utilizar un solo transformador trifásico compuesto de un único núcleo magnético en el que se han dispuesto tres columnas sobre las que sitúan los arrollamientos primario y secundario de cada una de las fases, constituyendo esto un transformador trifásico. Cuando una cantidad considerable de energía está involucrada en la transformación de energía trifásica, es más económico utilizar un transformador trifásico. La colocación única de los devanados y del núcleo ahorra una gran cantidad de hierro, evita pérdidas, ahorra espacio y dinero. 59


Configuración Delta y Configuración estrella. Delta e Estrella son letras griegas que representan la forma como los conductores en los transformadores están configurados. En una conexión delta, los tres conductores están conectado extremo a extremo en un triángulo o en una forma delta. En el caso de una conexión Estrella, todos los conductores radian desde el centro, lo que significa que están conectados en un punto común. Tanto el devanado primario como el devanado secundario pueden tener cualquiera de estas configuraciones. Las cuatro configuraciones de conexión posibles son las siguientes: Devanado

Devanado

Primario

Secundario

Delta

Delta

Delta

Y

Y

Delta

Y

Y

Pueden utilizarse con tres transformadores monofásicos o bien con un transformador trifásico. La Figura 2.14 muestra tres transformadores monofásicos en una configuración Y - Y. Las Figuras 2.15 (a) y 2.15 (b) muestran transformadores trifásicos, en configuración Y - Delta y en configuración Delta - Delta, respectivamente.

Fig. 2.15 (a) Tipo de Núcleo, Y-Delta

Fig. 2.15 (b) Tipo de Anillo Delta-Delta

60


Muchas instalaciones utilizan una batería de transformadores reductores con conexión Y-Y, como se muestra en la Fig. 2.16. La versatilidad de la potencia es la clave de su popularidad.

Fig.2.16 Batería de Transformadores Reductores con Conexión Y-Y (3 transformadores monofásicos)

El sistema proporciona una energía trifásica de 440 volts para cargas de motores trifásicos, como ejemplo. Ofrece también energía bifásica de 220 volts para cargas pequeñas de motores bifásicos, por ejemplo equipo de laboratorio. Evidentemente puede producir también una corriente monofásica de 120 volts para cargas de alumbrado, que se emplean en la mayoría de los edificios.

61


Características de conexiones delta-delta, delta-estrella, estrella-estrella. a) Conexión delta -delta. Se utiliza esta conexión cuando se desean mínimas interferencias en el sistema. Además, si se tiene cargas desequilibradas, se compensa dicho equilibrio, ya que las corrientes de la carga se distribuyen uniformemente en cada uno de los devanados. La conexión delta-delta de transformadores monofásicos se usa generalmente en sistemas cuyos voltajes no son muy elevados especialmente en aquellos en que se debe mantener la continuidad de unos sistemas. Esta conexión se emplea tanto para elevar la tensión como para reducirla.

b) Conexión estrella-delta. Es contraria a la conexión delta-estrella; por ejemplo en sistema de potencia, la conexión delta-estrella se emplea para elevar voltajes y la conexión estrella-delta para reducirlos. En ambos casos, los devanados conectados en estrella se conectan al circuito de más alto voltaje, fundamentalmente por razones de aislamiento. En sistemas de distribución esta conexión es poco usual, salvo en algunas ocasiones para distribución a tres hilos.

2.17 Conexión estrella-delta

estrella-estrella

delta-estrella.

62


c) Conexión estrella-estrella. Las corrientes en los devanados en estrella son iguales a las corrientes en la línea. Si las tensiones entre línea y neutro están equilibradas y son sinuosidades, el valor eficaz de las tensiones respecto al neutro es igual al producto de 1/3 por el valor eficaz de las tensiones entre línea y línea y existe un desfase de 30º entre las tensiones de línea a línea y de línea a neutro más próxima. Las tensiones entre línea y línea de los primarios y secundarios correspondientes en un banco estrella-estrella, están casi en concordancia de fase. Por tanto, la conexión en estrella será particularmente adecuada para devanados de alta tensión, en los que el aislamiento es el problema principal, ya que para una tensión de línea determinada las tensiones de fase de la estrella sólo serían iguales al producto 1/ 3 por las tensiones en el triángulo.

d) Conexión delta-estrella. La conexión delta-estrella, de las más empleadas, se utiliza en los sistemas de potencia para elevar voltajes de generación o de transmisión, en los sistemas de distribución (a 4 hilos) para alimentación de fuerza y alumbrado.

63


2.2.4 Puesta en servicio y Mantenimiento de Transformadores. Cuando la tensión se aplica por primera vez a un transformador, y siempre que sea posible, dicha tensión deberá elevarse lentamente hasta alcanzar el valor normal, de manera que pueda ser descubierta cualquier conexión incorrecta u otro inconveniente antes de que cause daño al transformador. Una vez aplicada la plena tensión sin inconvenientes, será preferible mantenerlo con esa tensión, pero sin carga, durante un corto período, tiempo en el cual deberá ser cuidadosamente observado, lo mismo que durante las primeras horas en que funcione con carga. Es aconsejable que después de funcionar cuatro o cinco días se compruebe nuevamente el aceite para determinar la presencia de humedad.

Precauciones a observar durante el funcionamiento. La idea de que un transformador en servicio no requiera atención podrá acarrear serios inconvenientes. Es esencial mantener una inspección cuidadosa, a pesar de todas las precauciones, si el transformador es del tipo abierto, podrá absorber humedad y será aconsejable que durante los primeros días de marcha se inspeccione el interior de la tapa de acceso a la cámara, para determinar la presencia de condensaciones. Si éstas aparecen en cantidad suficiente para producir goteo, el transformador deberá ser retirado del servicio y secado si fuera necesario. Lo mismo deberá hacerse con el aceite, el aceite de la parte superior e inferior de la caja de los transformadores de tipo cerrado deberá comprobarse después de unos días de funcionamiento, para asegurarse de que no hay humedad que pase de los devanados al aceite.

Toma de muestra de aceite. Se deberá tomar y verificar muestras del aceite de todos los transformadores por lo menos cada seis meses. Durante el primer mes de servicio, en transformadores de 40,000 Volts o más será necesario tomar y probar muestras de aceite del fondo de la cuba una vez por semana. Si la rigidez dieléctrica con el método de ensayo normal es, en cualquier momento, menor de 17,500 Volts, deberá ser filtrado. 64


Inspección y Mantenimiento. Los transformadores de tipo cerrado, una vez convenientemente secos e instalados, sólo requerirán una inspección completa cuando presenten señales específicas de desperfectos. Todos los demás tipos de transformadores deberán ser retirados periódicamente del servicio e inspeccionados completamente. El interior de la tapa y de la porción de la caja por encima del nivel del aceite deberán observarse regularmente para verificar si se encuentran limpios, secos y libres de humedad y si el depósito del termómetro está limpio también. Si durante esta inspección se encontrase una cantidad apreciable de suciedad y sedimentos, se recomienda sacar el transformador de su caja, así como también el aceite. El transformador y la caja deberán luego limpiarse cuidadosamente, filtrando y verificando el aceite. Para efectuar la limpieza se emplearán solamente trozos de telas limpias y secas. Se comprobará si todas las tuercas están apretadas y si todas las partes ocupan su posición debida. Si el transformador es del tipo refrigerado por agua, las tuberías de enfriamiento deberán limpiarse cuidadosamente. Después de limpio e inspeccionado, el transformador y el aceite deberán volver a la caja, teniendo cuidado, al colocar la tapa, de que todas las aberturas y ranuras queden herméticamente cerradas. En el caso de los transformadores refrigerados por agua, se observará periódicamente el caudal que circula. Cuando se observe una disminución del mismo, habrá que buscar la causa y subsanar el defecto. El origen más frecuente de estrangulamiento dentro de los tubos de refrigeración es la presencia de aire en el agua, que ocasiona la formación de óxido en formas de escama.

65


Las normas que se aplican a la inspección y mantenimiento de los transformadores son las siguientes: ANSI, ICE Ó IEC, NMX, IEEE, NOM-J-123, NOM-J-169 y NOM – J-284.

CLASIFICACIÓN DE PRUEBAS. De acuerdo a las normas establecidas las pruebas a los transformadores se dividen en tres grupos que son los siguientes: a) Pruebas de rutina. b) Pruebas de prototipo c) Pruebas funcionales. a)

Pruebas de rutina: Se deben efectuar en todos los transformadores, de acuerdo a

los métodos establecidos en la Norma para, para verificar si la calidad del producto se mantiene dentro de las tolerancias permitidas. Estas pruebas son las siguientes y de preferencia se deben realizar en el orden establecido. 1. Características físicas del transformador. 2. Rigidez dieléctrica del líquido aislante. 3. Resistencia del aislamiento de los devanados. 4. Factor de Potencia del aislamiento de los devanados. 5. Relación de transformación y polaridad. 6. Potencial aplicado. 7. Potencial inducido. 8. Resistencia ohmica de los devanados. 9. Pérdidas en el núcleo. 10. Pruebas de hermeticidad. 11. Prueba de vacío.

b)

Pruebas de prototipo: Son las que se aplican a transformadores nuevos y que

tienen por finalidad, verificar que un aparato de la producción nominal de un lote, cumple con los valores establecidos en las normas y especificaciones, para lo cual fue fabricado. estas pruebas son las siguientes: 66


1. Prueba de impulso por rayo. 2. Prueba de impulso por maniobra. 3. Prueba de temperatura. 4. Prueba de nivel de ruido. 5. Pruebas de corto circuito. 6. Prueba de hidrostática del tanque del transformador. b)

Pruebas opcionales: Son las establecidas entre el fabricante y el cliente con objeto

de verificar algunas características del aparato que sirven para el desarrollo, operación y mantenimiento del aparato o para establecer criterios para la aplicación del producto. Estas pruebas no se pueden enumerar por que son muy variadas, pero se dan algunos ejemplos: 1. Pérdidas en el núcleo y corriente de excitación a 90% y 110% de tensión nominal. 2. Prueba de temperatura a otra capacidad diferente a la nominal. 3. Descargas parciales al 15% de la tensión nominal. 4. Factor de potencia del líquido aislante. Las pruebas son mucho mas que un tramite de aceptación, ―probar‖ es sinónimo de ―ensayar‖, es una función técnica que permite ―saber más‖, estudiar consecuencias en

condiciones controladas, conocer los efectos cuando se introducen cambios o cuando se varían parámetros.

Pruebas al aceite del transformador. Prueba de resistencia de aislamiento. La prueba de resistencia de aislamiento en transformadores sirve no solo para verificar la calidad del aislamiento en transformadores, también permite verificar el grado de humedad y en ocasiones defectos severos en el aislamiento. La resistencia de aislamiento se define como la resistencia en megaohms que ofrece un aislamiento al aplicarle un voltaje de corriente directa durante un tiempo dado, medido a partir de la aplicación del mismo como referencia de tiempo, se emplea generalmente los valores de 1 a 10 minutos. 67


Para efectuar la prueba se utiliza un megger motorizado y se anotan las lecturas cada 15 segundos, durante el primer minuto y a continuación se toman lecturas cada minuto hasta que se estabilice la lectura del aparato. Obtenidas estas lecturas se traza la curva respectiva en megaohms tiempo, como las condiciones del aislamiento se dan por la pendiente de la curva se consideran dos puntos particulares de la misma que se llaman. 

Índice de absorción.



Índice de polarización. (IP)

I AB  .

Ip

.

(Iab)

Re sistencia a los 60 seg Re sistencia a los 30 seg

Re sistencia

a los 10 min .

Re sistencia

a 1 min .

Ambos valores nos indican las condiciones de los aislamientos del transformador determinándose de acuerdo la tabla 2.2.4 Estado Malo

Índice de absorción

Índice de polarización

Menor de 1 - 0

Menor de 1.0

Dudoso

Menor de 1.10 a 1.25

Menor de 1.5

Regular

De 1.25 a 1.40

De 1.5 a 2.0

Bueno

De 1.40 a 1.60

De 2.0 a 3.0

Muy bueno.

Mayor de 1.60

De 3.0 a 4.0

Tabla 2.2.4 Determinación del estado de los aislamientos de un transformador.

La resistencia de aislamiento de un transformador se mide entre los devanados conectados todos entre sí, contra el tanque conectado a tierra y entre cada devanado y el tanque, con el resto de los devanados conectados a tierra.

68


Es decir las lecturas de resistencia de aislamiento que se toman por: A. T. contra B. T., A. T. contra B. T. + tanque a tierra., A. T. + Tanque a tierra contra B. T.

Fig. 2.17(a) Alta tensión contra baja tensión más tierra.

Fig. 2.17 (b) Baja tensión contra alta tensión más tierra.

Fig. 2.17 (c) Alta tensión contra baja tensión.

69


Prueba de rigidez dieléctrica del aceite. En los transformadores sumergidos en aceite, éste hace las veces de refrigerante y de aislante; la rigidez eléctrica del aceite se determina en un dispositivo construido de material aislante y que se conoce como “copa”. Este contiene dos electrodos en el interior que se calibran desde el exterior con un calibrador. Pasos a seguir: 

Se lava la copa previamente con el mismo aceite que se va a probar; el aceite se toma de la parte inferior del transformador (que es la parte donde posiblemente exista la mayor cantidad de impurezas).



Se calibran los electrodos a una separación de 0.25 cm.



Se toma una muestra de aceite en la copa y se deja reposar unos tres minutos, hasta que esté en completo reposo y sin burbujas; se debe procurar que el aceite cubra los electrodos y se aplica una tensión a razón de 3KV por segundo, aproximadamente, hasta lograr la ruptura y se toma la lectura correspondiente a la cual ocurrió.



Se agita el aceite y se deja nuevamente reposar un minuto, se aplica otra vez el potencial y se repite y se repite la operación tres veces.



Se repite todo el proceso anterior con dos o tres muestras más de aceite.

El valor promedio obtenido no debe ser menor de 25 KV para considerar el aceite en buen estado.

Fig. 2.17 (d). Diagrama ilustrativo para el ensayo de rigidez dieléctrica del aceite.

70


Prueba de polaridad. Para encontrar la polaridad en los transformadores, se conocen por lo general 3 métodos. 

Método del transformador patrón.



Método de la descarga inductiva.



Método de la tensión alterna.

Método del transformador patrón. Cuando se tiene disponible un transformador de polaridad conocida y de la misma relación de transformación del transformador en prueba, se podría verificar la polaridad del transformador en prueba al compararla con la del transformador patrón.

Fig. 2.17 (e). Transformador en prueba.

La prueba consiste en lo siguiente: 1) Si el vólmetro V indica V2 + V2 entonces las marcas de polaridad del transformador de prueba serán diagonales. (Las marcas de polaridad del transformador en prueba estarán en H1 y X2). 2) Si el vólmetro V indica V2 — V2, las marcas de polar del transformador en prueba serán colineales e idénticas a la del transformador patrón. 71


Método de la descarga inductiva. Se conecta una fuente de corriente directa a las terminales de un embobinado y un Vólmetro de corriente directa a las terminales del otro (Fig. 2.17 f). Si al cerrar el interruptor S. El vólmetro marca dentro de la escala, significa que le fue aplicado a su terminal (-) un voltaje cuya polaridad es positiva con respecto a su otra terminal y se tendrá una polaridad sustractiva o colineal (Fig.2.17g). Si el vólmetro marca fuera de la escala, significa que la terminal negativa del vólmetro le fue aplicado un voltaje positivo y se tendrá una polaridad aditiva o diagonal (Fig.

2.17 h).

Fig. 2.17 (f)

Fig. 2.17 (g). Polaridad Sustractiva

Fig. 2.17 (h). Polaridad Aditiva

72


Prueba de relación de transformación. Esta prueba sirve para comprobar que el número de espiras devanadas en las bobinas de un transformador coinciden con las calculadas en el diseño, de tal manera que los voltajes medidos coincidan con los datos de placa del aparato. Un aparato llamado TTR, por sus siglas en ingles (Test Tour Ratio), o probador de relación de espiras, se utiliza para obtener la relación de transformación en un transformador sin carga. El TTR esta formado por un generador de corriente alterna, movido a manivela, que genera 8 volts, a unos 60 Hz. Además esta provisto de un pequeño transformador de referencia o patrón que es ajustable, de tal manera que en el punto en que la relación bajo prueba coincide con la del transformador de referencia, la aguja marca cero. Para efectuar está prueba, el transformador bajo prueba debe hallarse desenergizado y sus terminales de alta y baja tensión deben estar desconectadas. Si el equipo vecino se encuentra energizado, es necesario conectar a tierra un lado de cada devanado y la tierra del propio TTR, como se indica en la siguiente figura 2.17 (i).

Fig. 2.17 (i).Conexión de la prueba de relación de transformación

73


2.3 Subestación Eléctrica. Es el conjunto de elementos encargados de transformar la energía eléctrica entregada en Alta o Media tensión por la compañía suministradora a los valores de tensión necesarios por las cargas de la instalación.

Clasificación delas subestaciones eléctricas industriales. Por su Servicio: Tipo intemperie. Estas subestaciones se construyen en terrenos expuestos a la intemperie y requieren de un diseño y equipo especial capaz de soportar condiciones atmosféricas adversas (lluvias, viento, nieve inclemencias inversas). Tipo interior. En este tipo de subestación el equipo y diseño de la subestación están adaptados para operar en lugares protegidos de los cambios climatológicos.

Por su Construcción. Compactas.

También llamadas unitarias. En estas subestaciones el equipo se encuentra protegido por gabinete y el espacio necesario es muy reducido. Pueden construirse para servicio interior o para servicio exterior. Convencionales.

El equipo que se instala en este tipo de subestación también llamadas abiertas, se coloca en una estructura metálica, se aíslan tan solo por una malla de alambre, es decir, no van en gabinetes. Pueden construirse para servicio interior y exterior. 74


2.3.1 Partes Principales.

Fig. 2.18 Partes principales de una subestación eléctrica.

I.- Apartarrayos y cuchilla fusible. Este equipo es proporcionado por la compañía suministradora en el punto de alimentación, su ubicación depende del voltaje de alimentación de la carga, de la distancia a la red suministradora, etc. El apartarrayos tiene la función de proteger la instalación contra sobretensiones de origen atmosférico principalmente, la cuchilla fusible es un elemento de protección ( se funde el fusible por la sobrecarga a corto circuito) y de desconexión, en algunas ocasiones se remplaza por otro equipo como restauradores, dependiendo de la importancia de la red, nivel de falla, criterios de operación y protección, etc.

1.- Equipo de medición. El equipo de medición lo suministra e instala la compañía suministradora en el lado de alimentación para capacidades en la subestación de 500 KVA o mayores.

2.- Cuchillas de prueba. Generalmente estas cuchillas desconectadoras son de operación en grupo y sin carga, su propósito es permitir la conexión de equipos de medición portátiles que permitan verificar al equipo instalado por la compañía suministradora. 75


3.- El apartarrayo. Sirve para proteger a la subestación y principalmente al transformador contra las sobretensiones de origen atmosférico.

4.- Cuchillas desconectadoras. Normalmente son de operación sin carga, sirven para conectar, desconectar o cambiar conexiones en instalación. Por lo general se accionan después de que se ha operado al interruptor.

5.- Interruptor general. Este equipo es de seccionamiento de la operación, tiene funciones de desconexión con carga o con corrientes de corto circuito, es decir, cumple con requisitos de control y protección del equipo de transformación, alimentación y cargas en general.

6.- Transformador. Es el elemento principal de la subestación, ya que cumple con la función de reducir el voltaje de alimentación de la compañía suministradora a los voltajes de utilización de las cargas, constituyen junto con el interruptor general los elementos centrales de la subestación eléctrica. Desde el punto de vista de su construcción, que normalmente esta relacionado con su potencia (capacidad) los transformadores puedes ser: 

De tipo interior o intemperie.



De montaje en poste o en piso.



Por su enfriamiento: Tipo seco (enfriamiento por aire) A Enfriamiento por aceite y aire

OA

Enfriamiento por aceite y aire con circulación de aire forzado OA /FA Enfriamiento por aceite y aire con circulación de aceite forzado. OA/FOA

76


Las principales características a especificar son las siguientes: 

Potencia o capacidad (KVA).



Voltaje primario y secundario (relación de transformación).

 Número de fases y conexión primaria y secundaria (en caso de ser trifásico). 

Frecuencia de operación (Hertz).



Tipo de enfriamiento.



Altura sobre el nivel del mar.



Tipo de servicio.



Impedancia.



Sobreelevación de temperatura permitida (en °C).



Condiciones especiales de Serv. (ambientes corrosivos, ambientes explosivos, etc.).

7.- Interruptor principal secundario. Se encuentra en el tablero de baja tensión y es el que protege a los alimentadores o circuitos derivados (según sea el caso) de la instalación, puede ser un pequeño volumen de aceite, termomagnético, electromagnético o en vacío según sea el tamaño de la instalación.

8.- Interruptores principales de circuitos derivados y alimentadores. Estos son los interruptores principales de centros de carga, centros de control de motores, circuitos de alumbrado, etc. Por lo general son termomagnéticos o electromagnéticos, según sea su capacidad.

77


2.3.2 Protecciones. Apartarrayos: La función básica del apartarrayos es proteger las instalaciones eléctricas y equipos de subestaciones, principalmente los transformadores eléctricos, cuando en la línea se produce

una sobretensión que puede ser debida a una caída de rayos en puntos cercanos u operación de interruptores también cercanos a las instalaciones; dicha sobre tensión se deriva a tierra en forma de corrientes transitorias muy elevadas que pasan a través de las distancias de arqueo de los cilindros autovalvulares hasta la terminal de tierra, pasando por el indicador de fallas. El apartarrayo debe ser capaz de descargar las sobretensiones y de interrumpir la corriente permanente cuando termine el primer medio ciclo de la frecuencia normal de la línea donde se presenta la sobretensión. Esto significa la extinción completa del fenómeno en I/120 de segundo a 60 cps. Hay otros apartarrayos tipo de expulsión que trabajan por soplo sobre los arcos para extinguirlos una vez una vez concluida la sobretensión. Estos apartarrayos son menos propios para protección de equipo industrial, usándose exclusivamente en este caso el tipo autovalvular. En las subestaciones blindadas tipo intemperie sus gabinetes y apartarrayos deben ponerse a tierra con los sistemas adecuados para cada caso.

Tierras: Es bueno recordar la diferencia que existe entre neutro del sistema eléctrico y la tierra, pues en ocasiones conviene no conectar el neutro a tierra y en otras ocasiones sí, que es la mayoría, sí es ventajoso poner el neutro a tierra. El neutro es un conductor común a dos o más circuitos, a fin de reducir número de conductores y se le supone que tiene un potencial nulo, con relación a otros conductores, en cambio, el conductor de tierra es aquel que se conecta al blindaje de aparatos eléctricos y se lleva a electrodos en contacto con la tierra o al suelo que pisamos para evitar potenciales peligrosas a las personas que toquen esos aparatos eléctricos. En algunas ocasiones puede haber diferencia de potencial entre el neutro y la tierra. 78


Como se ilustra en la Fig. 2.19, supongamos un circuito en cuyo neutro del transformador se puso a tierra. Independientemente, de una, manera defectuosa, se puso a tierra el gabinete de desconexión. Al insistir una falla de aislamiento entre el conductor C y el gabinete se produce una descarga de 139 amperes y una diferencia de potencia entre el gabinete y tierra de 2780 que puede ser mortal a una persona que lo toque. Para evitar estas diferencias de potencial deben unirse entre sí las tierras, reduciendo en lo que sea posible a cero las resistencias. Un sistema a tierra con una resistencia de 1 a 2 Ohms es aceptado.

Fig. 2.19 Conexión del neutro del transformador conectado a tierra.

79


Como práctica, debe utilizarse conductor a tierra, cable de cobre suave no menor del (4 /0 AWG), hasta 15 Kv., debiendo ser mayor para mayores voltajes y capacidades de corriente a tierra grandes. En las subestaciones de 20,000 KVA y más con cable de 4/0 es suficiente. Dentro de los gabinetes de una subestación compacta debe haber una barra de tierra, a la que deben unirse eléctricamente con cables todos los gabinetes y los armazones de los aparatos: apartarrayos, interruptores, transformadores, transformadores de instrumentos, etc. La barra de tierra generalmente se le da el 50% de la sección de las barras principales. Teóricamente la sección de una barra unida con tornillos, se supone que su temperatura con tornillos, en caso de falla a tierra, no debe excederse de 250 °C. En este caso la sección puede calcularse prácticamente con la fórmula: a ( mm 2 ) 

5.36 10

3

 . I . t

……………………………..ec. 2.3

Donde: I = Intensidad de Cortocircuito a tierra en amperes. t = Segundos de duración que puede considerarse no excederá de 5 a 10 segundos con equipo de protección adecuado. Suponiendo t = 10 seg.

a  0.017 * .1 

2 100

.1

Las conexiones a tierra o electrodos actualmente se hacen, por ser más prácticas y efectivas que las placas, con tubos clavados verticalmente. Se usan como electrodos también varillas de cobre-acero de 16mm. (5/8‖) de diámetro. Un electrodo de tubo de 25mm. Clavado verticalmente en el suelo algo húmedo tiene las resistencias siguientes: con 50 cm. de largo 100 Ohms; con 100 cm., 60 Ohms; 200 cm., 30 Ohms; con 300 cm., 25 Ohms, y con mayor longitud la resistencia disminuye muy poco, por lo que la longitud económicamente puede considerarse como de 2 m. El diámetro del tubo influye poco, con un diámetro de tubo de 25mm. (1‖) comparado con uno de 100mm. (4‖) disminuye su resistencia unos 8 Ohms y con uno de 200 mm. (8‖) disminuye 10 Ohms.

En cambio, la resistencia con varios tubos conectados entre sí, disminuye inversamente a su 80


número, es decir si con un tubo la resistencia es de 20 Ohms. Con 2 será aproximadamente de 10 y con 4 de 5 Ohms. En subestaciones pequeñas, basta con 2 electrodos, en cambio, en grandes subestaciones a tensiones mayores de 15KV son de 20 electrodos, unidos entre sí con cables desnudos de cobre de 2/0 AWG, formando una malla. En estas últimas condiciones se obtendrá una resistencia combinada de 1 Ohm aproximadamente. Una regla práctica es colocar un electrodo por cada 15 m2 de superficie ocupada por la subestación.

Fig. 2.20 Electrodo para conexión a tierra.

81


Fusibles. El uso de fusibles para la protección contra el corto circuito y sobrecargas en los sistemas de baja tensión ha sido muy común por la simplicidad y el bajo costo que estos elementos presentan, estas características hacen que también sean usados en mediana tensión. El fusible está reservado para la interrupción automática del circuito que protege cuando se verifican condiciones anormales de funcionamiento que están normalmente asociadas con las sobrecorrietes, esta interrupción se obtiene de la fusión del elemento fusible que en sí representa la parte fundamental y que determinan sus características.

Fig. 2.21 Fusible de potencia

La función del fusible es diferente a la que desempeña un interruptor automático ya que un fusible no está diseñado para desarrollar operaciones de maniobra de apertura y cierre de un circuito ya que cada vez que opera se requiere de la sustitución de su elemento fusible. La principal función del fusible la desarrolla el elemento fusible propiamente dicho al cual se le deja la función de soportar sin calentamiento excesivo la corriente nominal y de fundirse durante un tiempo determinado cuando la corriente supera el límite máximo de fusión previsto, este tiempo depende de la densidad de corriente del elemento fusible, y otras características como resistividad, calor específico, etc. Las características principales que definen a un fusible son: 82


Tensión nominal. Es el valor de la tensión para la cual se designa la operación del fusible y que normalmente corresponde a la tensión máxima de diseño del fusible en correspondencia a la tensión máxima de operación del sistema en el que va a operar.

Corriente nominal. Es el valor de la corriente al cual el fusible no debe presentar calentamiento excesivo y a la que operará por tiempo indefinido.

Capacidad interruptiva. Es el máximo valor de la corriente que el fusible está en posibilidad de interrumpir cuando el fusible está a su tensión nominal y en condiciones determinadas de tensión de restablecimiento y factor de potencia (o constante de tiempo.)

Interruptor de Potencia. Es un artefacto capaz de abrir un circuito eléctrico por el cual está circulando corriente. Se entiende que puede abrir circuitos en condiciones de falla, es decir, corrientes más altas que las nominales. La operación del interruptor es simultánea en las tres fases y la señal de disparo puede surgir de diferentes dispositivos de protección. Las partes constructivas más importantes de un interruptor son: Los contactos-fijos, móviles y auxiliares- la cámara de extinción, el mecanismo de operación, el medio de extinción, las partes aislantes que sirven de soporte, las conexiones terminales y la estructura de montaje .

.

Fig.2.22 Interruptor de potencia

83


Los interruptores se clasifican de acuerdo con: Nivel de voltaje: Alto, medio y bajo. Medio de extinción: Aire, aceite, vacío, haxafloruro de azufre u otros. Condiciones de instalación: Interiores, intemperie o ambientes con peligro de explosión. Número de fases: Monofásico o trifásico. Tipo de accionamiento: Eléctrico, neumático, hidráulico o mecánico.

Tipos de Interruptores. Interruptor en Aceite. Es un equipo voluminoso y costoso que por lo general se utiliza únicamente en sistemas de potencia para protección y maniobras de enlace.

Interruptor en pequeño volumen de aceite. La extinción del arco se logra mediante la inyección de aceite con la presión creada por la descomposición de moléculas de aceite en el mismo arco. Se utiliza como medio de protección y de conexión especialmente en voltajes medios (4160 V a 34 Kv). Se acciona eléctricamente con una fuente de alimentación de bajo voltaje.

Interruptor en aire para bajo voltaje. Este equipo está compuesto por un contactor en aire capaz de interrumpir corrientes de corto circuito, opera a base de energía almacenada en resortes, tres transformadores de corriente, relevadores 50/51 para detección de fallas entre cualquiera de las fases y tierra, y relevadores térmicos. Debido a su costo elevado no es común encontrarlo en instalaciones de tamaño pequeño y mediano.

Interruptor con fusibles. Este equipo aprovecha la alta capacidad interruptiva que tienen los fusibles. Se utiliza como medio de desconexión y protección en el primario de transformadores de instalaciones de media tensión (4160 V hasta 34 Kv). Está compuesto por unas cuchillas desconectadoras operadas en grupo que están en serie con unos fusibles que son los que protegen contra cortocircuito. Las cuchillas tienen un 84


sistema de resortes que puede se accionado manualmente o con un motor eléctrico. La energía almacenada cierra o abre cuchillas en forma segura y rápida. El disparo o cierre puede controlarse a través de una o dos bobinas y puede instalarse un mecanismo que provoca la apertura de las tres fases en caso de que uno de los fusibles opere. También puede disponerse de cuchillas auxiliares de desgaste de los contactos principales en maniobras de conexión y desconexión.

Restauradores. Es un dispositivo autocontrolado capaz de interrumpir la corriente de cortocircuito y volver a cerrar el circuito después de transcurrido cierto tiempo. Si el cortocircuito persiste, el ciclo se repite un número determinado de veces (tres por lo general) hasta quedar definitivamente abierto. Es un dispositivo muy útil en las redes de distribución donde por lo general el 75% de las fallas son momentáneas y las interrupciones pueden ser costosas. Las características más importantes de un restaurador son: La corriente nominal, el voltaje máximo de operación, la corriente máxima de disparo, la capacidad interruptiva y el número de operaciones de recierre.

Cuchillas desconectadoras. Son dispositivos de maniobra capaces de interrumpir en forma visible la continuidad de un circuito, pueden ser maniobrables bajo tensión pero en general sin corriente ya que poseen una capacidad interruptiva casi nula.

Fig. 2.23. Cuchillas desconcectadoras.

85


Su empleo es necesario en los sistemas eléctricos ya que debe existir seguridad en el aislamiento físico de los circuitos antes de realizar cualquier trabajo y para los cuales la presencia de un interruptor no es suficiente para garantizar un aislamiento eléctrico. Las cuchillas en particular deben cumplir los siguientes requisitos: 

Garantizar un aislamiento dieléctrico a tierra y sobre todo en la apertura. Por lo general se requiere entre puntos de apertura de cuchilla un 15 ó 20% de exceso en el nivel de aislamiento con relación al nivel de aislamiento a tierra.



Conducir en forma continua la corriente nominal sin que exista una elevación de temperatura en las diferentes partes de la cuchilla y en particular de los contactos.



Soportar por un tiempo especificado (generalmente 1 Seg.) los efectos térmicos y dinámicos de las corrientes de corto circuito.



Las maniobras de cierre y apertura se deben realizar con toda seguridad , es decir, sin posibilidad de que se presenten falsos contactos o posiciones falsas aún en condiciones atmosféricas desfavorables como puede ser por ejemplo la presencia de hielo.

Relevadores. Es un dispositivo que se puede energizar por una señal de voltaje, una señal de corriente o por ambas. Cuando es energizado, opera para indicar o aislar las condiciones anormales de operación. Básicamente un relevador, consiste de un elemento de operación y de un conjunto de contactos. El elemento de operación, toma la señal de dispositivos sensores en el sistema, tales como los transformadores de potencial o de corriente o de ambos, en algunos casos. Cuando el relevador opera, puede actuar sobre una señal o bien completar un circuito para disparar un interruptor, lo cual a su vez, aísla la sección del sistema que tiene problema. Su función es determinar lo más pronto posible la existencia de corto circuito en el sistema por lo que la mayoría en los relevadores opera en mas o menos un ciclo de la frecuencia del sistema (0.017 seg. a 60 Hz.) por lo que pueden enviar la señal de disparo a los interruptores correspondientes. 86


CAPÍTULO III. Motores y Aplicaciones Industriales. PRINCIPI O DE OPERACIÓN DEL MOTOR DE INDUCCIÓN. Al aplicar una tensión en las terminales del estator se produce una fuerza magnetomotriz uniforme y giratoria. Si suponemos, por ejemplo, que el rotor es del tipo jaula de ardilla, en cada barra se induce una fuerza magnetomotriz de sentido opuesto, ésta hace circular una corriente y se produce un par que hace girar el rotor. Si se estudia el motor de inducción en forma semejante al transformador, se puede considerar devanado del estator como el circuito primario y el del rotor como el secundario. Las máquinas de inducción representan una clase de aparatos rotatorios que incluyen a los motores de inducción, los generadores de inducción, los convertidores de frecuencia de inducción y los convertidores de fase de inducción. Los motores de inducción se fabrican en tamaños que van desde fracciones de HP hasta algunos miles de HP.

Fig. 3. (a) Esquema de principio

Fig. 3. (b) Ondas de flujo trifásico.

87


El motor de inducción fue inventado por Nikola Tesla en 1888 y su principio no requiere conexiones a la parte rotatoria, la transferencia de energía de la parte estacionaria a la parte rotatoria es por medio de inducción electromagnética. Un campo magnético rotatorio producido por el devanado estacionario (llamado estator) induce una fuerza electromotriz y una corriente en el rotor. Aún cuando el flujo generado por cada bobina es únicamente un flujo alterno, las contribuciones de los flujos combinados de las tres bobinas superpuestas llevan las corrientes en los ángulos de fase apropiados y produce un flujo rotatorio de dos polos. Es el flujo rotatorio, no el flujo alterno el que produce la acción de inducción en el motor (a). Al flujo rotatorio (llamado también campo rotatorio), producido por las corrientes trifásicas, se puede eslabonar con el campo rotatorio producido por un imán superpuesto al rotor.

Fig. 3.1(a) Campo rotatorio cubriendo una barra del rotor.

(b) Dirección del flujo generado alrededor de la barra.

(c) Dirección de la corriente en la barra del rotor.

De acuerdo con la ley de Lenz, el voltaje, la corriente y el flujo generado por el movimiento relativo entre un conductor y un campo magnético estará en una dirección que se opone al movimiento relativo (b). De aquí que para satisfacer la ley de Lenz, los conductores deben desarrollar una fuerza mecánica. La dirección de la corriente en la barra del rotor que determina el flujo en sentido opuesto está determinada por la regla de la mano derecha (c). 88


3.1 Motores de inducción. El motor de inducción es similar al motor síncrono en el sentido de que depende del campo magnético para funcionar, no depende de la inducción magnética, sino que funciona a base de inducción electromagnética. El estator y el rotor hacen las veces de los devanados primario y secundario de un transformador. El campo magnético rotatorio del estator induce corrientes elevadas en el rotor y éstas a su vez producen sus propios campos magnéticos, que interactúan con el campo principal para hacer girar el rotor. Como el motor síncrono simple funciona por inducción magnética, el campo del rotor es débil. Pero, debido a que el motor de inducción funciona por inducción electromagnética, el campo del rotor es intenso. Por lo tanto, el motor de inducción puede ponerse en marcha por sí solo y producir suficiente par sin anillo deslizante, conmutador o escobillas. La única potencia alimentada al rotor es producida por la inducción electromagnética procedente del estator.

Fig.3.2 motor de inducción monofásico

89


Estructura En el motor de inducción la parte estacionaria recibe el nombre de estator y la parte rotatoria se llama rotor. El estator de los motores de inducción es la única parte a la cual se aplica potencia. Estos motores suelen recibir su nombre según la forma en que se origina el campo magnético rotatorio del estator. Por lo tanto, se oye hablar de motores de espiras de sombra, fase partida, arranque por capacitor y polifásicos de inducción. Estos motores tienen la peculiaridad de que no precisan de un campo magnético alimentado con corriente continua como en los casos del motor de C.D o del motor síncrono. Una fuente de corriente alterna (trifásica o monofásica) alimenta a un estator. La corriente en las bobinas del estator induce corriente alterna en el circuito eléctrico del rotor (de manera algo similar a un transformador) y el rotor es obligado a girar. De acuerdo a la forma de construcción del rotor, los motores asincrónicos se clasifican en: * Motor Asincrónico de Rotor Bobinado *Motor Asincrónico tipo Jaula de Ardilla

Motor Asincrónico de Rotor Bobinado Se utiliza en aquellos casos en los que la transmisión de potencia es demasiado elevada (a partir de 200 Kw.) y es necesario reducir las corrientes de arranque. También se utiliza en aquellos casos en los que se desea regular la velocidad del eje. Su característica principal es que el rotor se aloja un conjunto de bobinas que además se pueden conectar al exterior a través de anillos rozantes, ver Fig. 3.3 (a). Colocando resistencias variables en serie a los bobinados del rotor se consigue suavizar las corrientes de arranque. De la misma manera, gracias a un conjunto de resistencias conectadas a los bobinados del rotor, se consigue regular la velocidad del eje. Un detalle interesante es que la velocidad del eje nunca podrá ser superior que la velocidad correspondiente si el motor fuera síncrono. 90


Una característica especial, obvia en el motor de rotor devanado, es su capacidad de velocidad variable. Al variar la resistencia del reóstato, también es posible variar el porcentaje de deslizamiento y, en consecuencia, la velocidad del motor. En estos casos, el funcionamiento a velocidad inferior a la normal significa que el motor funciona con eficiencia y capacidad reducidas. Además, debido a la alta resistencia del rotor, es más fácil que varíe la velocidad del motor cuando haya cambios de carga. Fig. 3.3 (b).

Baleros.

Devanados Del rotor

Ventilador

Núcleo del rotor

Anillos rozantes

Baleros

3.3 (a). Partes principales del rotor devanado.

El motor del rotor devanado difiere de otros motores de inducción en que usa resistencia en serie con sus devanados de rotor a través de un dispositivo de anillos rozantes y carbones.

3.3 (b) Rotor devanado conectado con resistencias.

91


Motor Asincrónico tipo Jaula de Ardilla Finalmente aquí llegamos al motor eléctrico por excelencia. Es el motor relativamente más barato, eficiente, compacto y de fácil construcción y mantenimiento. Siempre que sea necesario utilizar un motor eléctrico, se debe procurar seleccionar un motor asincrónico tipo jaula de ardilla y si es trifásico mejor. Por otro lado, la única razón para utilizar un motor monofásico tipo jaula de ardilla en lugar de uno trifásico será porque la fuente de tensión a utilizar sea también monofásica. Esto sucede en aplicaciones de baja potencia. Es poco común encontrar motores monofásicos de más de 3 Kw. (4hp). La diferencia con el motor de rotor bobinado consiste en que el rotor esta formado por un grupo de barras de aluminio o de cobre en formas similar al de una jaula de ardilla. (Ver Fig. 3.4).

Fig. 3.4 Partes de un motor con rotor tipo jaula de ardilla.

Ventajas comparadas con el rotor devanado son las siguientes: 1. No tienen anillos rozantes, ni dispositivos de puesta en cortocircuito, no se requieren reóstato de arranque y terminales especiales. 2. Tienen una eficiencia ligeramente mayor. 3. Tienen una construcción mas barata y compacta. 4. Tienen un mayor factor de espacio para las bobinas y menores pérdidas en el cobre. 5. Permiten mayor espacio para ventilación y por lo tanto tienen mejores condiciones de enfriamiento. 6. Tienen menor flujo disperso, ofrecen un mejor FP. Y proporciona mayor capacidad sobrecarga. 92


Diagramas de conexión Todos los motores trifásicos están construidos internamente con un cierto número de bobinas eléctricas que están devanadas siempre juntas, para que conectadas constituyan las fases que se conectan entre sí, en cualquiera de las formas de conexión trifásicas, que pueden ser: 

Delta



Estrella



Estrella-delta

Delta Los devanados conectados en delta son cerrados y forman una configuración en triángulo. Se pueden diseñar con seis (6) o nueve (9) terminales para ser conectados a la línea de alimentación trifásica. Cada devanado de un motor de inducción trifásico tiene sus terminales marcadas con un número para su fácil conexión. En la figura 3.5, se muestra un motor de 6 terminales con los devanados internos identificados para conectar el motor para operación en delta. Las terminales o puntas de los devanados se conectan de modo que A y B cierren un Extremo de la delta (triángulo), también B y C, así como C y A, para de esta manera formar la delta de los devanados del motor.

Figura 3.5 Conexión delta

Figura 3.5 (a) Conexión delta

93


Los motores de inducción de jaula de ardilla son también devanados con nueve (9) terminales para conectar los devanados internos para operación en delta. Se conectan seis (6) devanados internos para formar una delta cerrada, tres devanados están marcados como 1-4-9, 2-5-7 y 3-6-8, en éstos [Fig. 3.5 (a)].

Estrella Los devanados de la mayoría de los motores de inducción jaula de ardilla están conectados en estrella, y se forma uniendo una terminal de cada devanado, las tres terminales restantes se conectan a las líneas de alimentación L1, L2 Y L3 [Ver Fig. 3.6

(a)]. Los devanados conectados en estrella forman una configuración en Y.

Figura 3.6 (a) Conexión estrella

Figura 3. 6 (b) Conexión estrella

Un motor conectado en estrella con nueve (9) terminales, tiene tres puntas en sus devanados conectadas para formar una estrella (7-8-9). Los tres pares de puntas de los devanados restantes, son los números: 1-4, 2-5 y 3-6 [figura 3.6 (b)]. Los devanados se pueden conectar para operar en bajo o alto voltaje. Para la operación en bajo voltaje, éstos se conectan en paralelo; para la operación en alto voltaje, se conectan en serie.

Conexiones para dos voltajes Algunos motores trifásicos están construidos para operar en dos voltajes. El propósito de hacer posible que operen con dos voltajes distintos de alimentación, y tener la disponibilidad en las líneas para que puedan conectarse indistintamente. Comúnmente, las terminales externas al motor permiten una conexión serie para el voltaje más alto y una conexión doble paralelo para la alimentación al menor voltaje. 94


3.1.1. Arranque de motor de inducción a tensión plena ó tensión reducida. Arranque directo. El control más económico y más empleado para los motores de inducción jaula de ardilla es el arranque directo sobre la línea. Este tipo de control tiene como inconveniente la aplicación súbita de un par mayor que el de plena carga que puede dañar la flecha y la variación de voltaje en la línea del motor debido a la caída producida por la alta corriente de arranque del mismo. Estas depresiones ocasionan parpadeos de las lámparas y pueden hacer que otros motores se paren. Por estas razones las Compañías de luz objetan el uso de arrancadores de línea con motores de tamaños medianos, mientras que en las fábricas que poseen sus propias plantas o subestaciones es el método comúnmente empleado. La sencillez del arranque directo hace posible el arranque con un simple contactor. Los arrancadores automáticos comprenden el contactor trifásico con protección de sobrecarga y un dispositivo de protección de sobrecarga de tiempo inverso. El arranque y la parada se efectúan mediante pulsadores montados sobre la caja, pudiéndose también disponer de control remoto si fuera necesario.

Arranque a tensión reducida. Cuando las perturbaciones en la línea deben evitarse (conexión sobre la línea de la Cía. de luz) o la aplicación súbita de un par de arranque grande sea perjudicial (motores engranados, etc.), el motor debe arrancarse a voltaje reducido para reducir par y corriente de arranque. La corriente podrá reducirse lo más que permita la reducción en par, siendo el valor mínimo de éste el que determina el voltaje que debe aplicarse. Hay varias maneras de reducir el par en el arranque de un motor. Las principales son: 1. Por caída en una resistencia variable en serie con el motor. 2. Por caída en una reactancia variable en serie con el motor. 3. Mediante un autotransformador. 4. Conectando el motor en estrella en el arranque y cambiándolo a delta en la marcha. 95


El arrancador seleccionado deberá satisfacer las condiciones siguientes: 1. Producir mínima perturbación en el sistema. 2. Proporcionar el par de arranque necesario. 3. Ajustar automáticamente corriente y voltaje con la velocidad del motor. 4. Tener bajo costo. 5. Permitir selección del par de arranque. 6. Consumir poca energía. 7. Requerir poco mantenimiento. Condición Método

1

2

3

4

5

6

7

Resistencia

x

x

x

-

x

-

-

Reactancia.

x

x

x

-

x

x

x

Autotransformador.

x

x

-

x

x

x

-

Estrella - Delta

x

-

-

-

-

x

-

La Tabla 3.1.1 muestra los 4 métodos tabulados y las 7 condiciones, marcando con una X las que cumple cada uno

En la infinidad de industrias se encuentra en su mayoría el uso de motores de corriente alterna. Para la completa protección de éstos el Código Nacional Eléctrico recomienda el siguiente diagrama de la Fig. 3.7. El interruptor derivado sirve para desconectar y proteger el arrancador y la línea al motor, contra cortos circuitos. Int. Gral.

Entrada de servicio

Alimentador

Int. derivado.

Arrancador

Motor. Fig. 3.7 Diagrama de conexión y protección de un motor trifásico.

96


Función de un arrancador: 1. Arrancar y parar el motor. 2. Proteger al motor contra sobrecargas. 3. Proteger al motor y operador contra bajo voltaje (con op. magnético). 4. Proteger al motor contra pérdidas de una fase.

Componentes principales de un arrancador: 1. Contactos. 2. Cámara de arqueo. 3. Armadura. 4. Núcleo. 5. Bobina. 6. Relevadores de sobrecarga.

Mantenimiento de un arrancador. Para mantener en buenas condiciones un arrancador es necesario revisar periódicamente (mínimo 2 veces al año) las siguientes partes: 1. Contactos. 2. Pantallas de arqueo 3. Bobinas. 4. Contacto del núcleo magnético. 5. Limpieza general. 6. Apriete de conexiones.

Partes de repuesto de un arrancador: 1. Contactos. 2. Resortes. 3. Bobinas. 4. Elementos térmicos.

97


Arrancadores magnéticos para corriente alterna a tensión plena.

Fig. 3.8 (a), Arrancador de 3 polos, conectado para motor de 1 fase, 1 devanado

Fig. 3.8 (b), Arrancador de 3 polos, 3 fases, con control separado

Fig. 3.8 (c), Arrancador de 3 polos, 3 fases, con transformador de control y fusible secundario.

98


Arrancadores magnéticos para corriente alterna a tensión reducida.

Fig.3.9 Conexión del arranque estrella-delta de un motor trifásico .

Fig. 3.11 conexión de un motor, arranque por autotransformador.

Fig. 3.10 Conexión de un motor con resistencias estatóricas.

99


Técnicas en instalaciones de media y baja tensión. Sistemas de arranque de los motores asíncronos trifásicos de rotor en cortocircuito o jaula de ardilla. Cuando se conecta un motor de estas características directamente a la red, éste absorbe una intensidad muy fuerte de la línea en el momento del arranque, lo que puede afectar no sólo a la duración de los aparatos de conexión, sino a las líneas que suministran energía eléctrica. Estas fuertes corrientes sobrecargan las líneas de distribución, pudiendo producir caídas de tensión y calentamiento en 1os conductores de las mismas. Por esta razón, las compañías de energía prescriben reglamentaciones para reducir dichas corrientes de arranque a unos valores que sean aceptables. El arranque directo está permitido para motores que posean una potencia inferior a 5.5 Kw. (7 HP.) Una forma de reducir la corriente de arranque es reducir la tensión aplicada al motor, con ello también se disminuye el par efectivo de arranque, ya que al disminuir la tensión, el flujo del estator también disminuye y con él la f.e.m inducida en el rotor y la intensidad rotórica. El par de arranque disminuye con el cuadrado de la tensión. Existen diferentes métodos para reducir la corriente de arranque disminuyendo la tensión:

Arranque estrella-delta: Es uno de los métodos más conocidos con el que se pueden arrancar motores de hasta 11 Kw. de potencia (15 Hp). Consiste en conectar primero el motor en estrella para, una vez arrancado, conmutar a la conexión en triángulo. Para que esto se pueda llevar a cabo, se debe utilizar un motor que esté preparado para funcionar a la tensión inferior conectado en triángulo. Así, por ejemplo, un motor de 220/440 podrá ser arrancado en una red de 220 V. Si a un motor de las características indicadas se le conecta primero en estrella, cada una de las bobinas del mismo quedará sometido a una tensión, inferior que si hubiese conectado en triángulo. Con ello se consigue que la intensidad en el arranque quede disminuida a la tercera parte respecto al arranque directo en conexión en triángulo. El par también queda reducido a la tercera parte, lo que conviene tenerlo en cuenta si el motor arranca con toda la carga. Por esta razón, conviene que el motor arranque en vacío o con poca carga. Fig. 3.9 100


Arranque con resistencias estatóricas: Consiste en reducir la tensión que producen unas resistencias conectadas en serie con el estator. Este sistema tiene el inconveniente de que consigue disminuir la corriente en función lineal de la caída de tensión producida. Sin embargo, el par queda disminuido con el cuadrado de la caída de tensión, por lo que su aplicación, se ve 1imitada a motores en 1os que el momento de arranque resistente, sea baja. Fig. 3.10

Arranque por autotransformador. Consiste en conectar un autotransformador en la alimentación del motor, de esta forma se consigue reducir inducida en la tensión y con ella la corriente de arranque. El par de arranque queda reducido en este caso en la misma proporción que la corriente, es decir, al cuadrado de la tensión reducida. Este sistema proporciona una buena característica de arranque, aunque posee el inconveniente de su alto precio. En la figura se muestra el circuito de fuerza de este sistema de arranque. Fig. 3.11

Ventajas de tensión reducida con respecto a tensión plena: Reduce la corriente de arranque a la línea. Producir mínima perturbación en el sistema. Ajustar automáticamente corriente y voltaje con la velocidad del motor. Permitir selección del par de arranque. Consumir poca energía.

Desventajas. Alta inversión inicial. Mayor equipo para mantenimiento.

101


3.2 Motor de Corriente Continua. Está compuesto de un estator y un rotor . En muchos motores c.c., generalmente los más pequeños, el estator está compuesto de imanes para crear un campo magnético. En motores c.c. más grandes este campo magnético se logra con devanados de excitación de campo. El rotor es el dispositivo que gira en el centro del motor y está compuesto de arrollados de

cable conductores de corriente continua. Esta corriente continua es suministrada al rotor por medio de las "escobillas" generalmente fabricadas de carbón.

Principi ri ncipio o básico básico de funcionam funcionamiiento

Fig. 3.12 Campo magnético.

Cuando un conductor por el que fluye una corriente continua es colocado bajo la influencia de un campo magnético, se induce sobre él (el conductor) una fuerza que es perpendicular tanto a las líneas de campo magnético como al sentido del flujo de la corriente. Ver la

figura 3.12. La corriente fluye por la bobina de la armadura, para actuar como magneto. Loa polos de la armadura son atraídos hacia los polos del campo produciendo el giro de la armadura, el conmutador invierte la corriente de la armadura, en el momento en que los polos desiguales de la armadura y campo están frente uno a otro invirtiendo así la polaridad del campo de la armadura. Entonces los polos iguales de la armadura y campo se repelen produciendo una rotación de armadura continua. 102


Partes el eléctricas ctricas de de la máquina. Pieza polar.

Son como los núcleos del transformador, se construyen de múltiples laminaciones de hierro unidas entre sí para que produzcan un campo magnético concentrado y se utilizan para reducir corrientes parásitas. Bobinas de campo.

Van montadas sobre las piezas polares formando electromagnetos. Núcleo polar.

Es la parte en donde se va a generar la fuerza magnetomotriz desarrolla en los campos colocados en el conjunto de las bobinas y las piezas polares crean el campo magnético Conjunto de armadura.

En casi todas las máquinas de C.D. la armadura entre los polos de campo, la armadura se constituye de eje, flecha, núcleo, bobinas y conmutador. Núcleo.

Tiene forma de tambor cilíndrico, es de acero dulce, no es de una pieza, si no se compone de láminas muy delgadas llamadas laminaciones. Devanado de armadura.

Las espiras que constituyen la armadura devanada en el tambor se hayan alrededor del núcleo de la armadura alojando a los lados en la ranura del núcleo a las bobinas. Escobillas.

Transfieren la entrada o salida de la energía eléctrica a través del conmutador. Conmutador.

Convierte el voltaje de C.A a C.D rectificando la onda dándole la polaridad misma, es un medio de conexión entre las escobillas y la armadura de la maquina. 103


3.2.1 Arranque del Motor de Corriente Continua. Se denomina arranque de un motor al régimen transitorio en el que se eleva la velocidad del mismo desde el estado de motor detenido hasta el de motor girando a la velocidad de régimen permanente. El estudio del arranque de los motores tiene una gran importancia práctica, ya que la elección correcta de las características de los motores eléctricos y arrancadores a instalar están basados en el conocimiento de las particularidades de éste régimen transitorio.

Arranque de motores de corriente continua por reóstatos Los reóstatos se conectan en serie con el inducido, de manera de producir una caída que disminuya la tensión efectivamente aplicada sobre el mismo. En el caso del motor derivación, se deduce que conservando constantes el flujo y la tensión total, la pendiente de la característica velocidad / par es proporcional a la resistencia del circuito de inducido. Aumentando esta resistencia, la característica cortará al eje de velocidad cero en un punto de menor par (y corriente) de arranque. Por su parte en el caso del motor serie el efecto de la resistencia adicional es semejante, obteniéndose un determinado par de arranque con una sobrecorriente menor que en el motor derivación, lo que lo hace adecuado para aplicaciones de tracción.

Arranque demotor otores de corri corriente conti continua nua por disposi disposititiv vos el electrónicos ctrónicos En estos arrancadores el equipo electrónico, generalmente de tiristores, recibe un suministro de corriente alterna monofásica o trifásica y lo convierte en un suministro de tensión continua variable, que permiten el arranque con aplicación progresiva de tensión, con la consiguiente limitación de corriente y par de arranque. Finalmente digamos que muchas veces el criterio de selección entre el uso de los distintos sistemas de arranque pasa fundamentalmente por una consideración de tipo técnicoeconómica.

104


Fig. 3.13, Circuito arrancador de motores de cc. que utiliza temporizadores para sacar la resistencia de arranque.

Fig. 3.14, Circuito arrancador de motores de cc. que utiliza relés sensores de contravoltaje para sacar la resistencia resistencia de arranque.

En la figura 3.13 se muestra un circuito común de arranque de motores que utiliza estos componentes. En este circuito, una serie de temporizadores cierran contactos que remueven cada sección de la resistencia de arranque en el momento correcto, después de aplicar la potencia al motor. Cuando en este circuito se oprime el botón de arranque, el circuito de armadura del motor se conecta a su fuente de potencia y la máquina arranca con toda la resistencia en el circuito. Sin embargo, el temporízador lTD se energiza al mismo tiempo que el motor arranca, así, después de un retardo el contacto lTD se cierra y saca del circuito parte de la resistencia de arranque. Simultáneamente, se energiza el temporizador 2TD, así, después de otro retardo de tiempo el contacto 2TD se cierra y remueve del circuito la 105


segunda parte de la resistencia de arranque. Cuando cierra el con tacto 2TD, se energiza el temporizador 3TD y así el proceso se repite nuevamente y final mente el motor gira a velocidad plena sin resistencia de arranque presente en el circuito. Si los tiempos de retardo se escogen apropiadamente, las resistencias de arranque pueden desconectarse justo en el momento exacto para limitar la corriente del motor y su valor de diseño. En la figura 3.14 se muestra otro tipo de arrancador de motor. Aquí, una serie de relés sensan en el motor el valor de EA e interrumpen la resistencia de arranque cuando EA sobrepasa el valor preseleccionado. Este tipo de arrancador es mejor que el anterior, puesto que si el motor tiene una carga pesada y arranca más lento que lo normal, la resistencia de arranque se elimina cuando la corriente de arranque cae al valor apropiado. Observe que ambos circuitos arrancadores tienen un relé en el circuito de campo, mar cado FL. Este es un relé de pérdida de campo. Si por cualquier razón la corriente de campo se pierde, el relé de pérdida de campo se desenergiza, interrumpiendo la potencia hacia el relé M. Cuando se desenergiza el relé M, sus contactos normalmente abiertos abren y desconectan el motor de la fuente de potencia. Este relé evita que el motor se embale cuando pierda su corriente de campo. También observe que hay un relé de sobrecarga en cada circuito arrancador de motores. Si la potencia tomada por el motor llega a ser excesiva, este relé de sobrecarga se calienta y abre el contacto OL normalmente cerrado, desconectando el relé M. Cuando el relé se desenergiza, abre sus contactos normalmente abiertos y desconecta el motor de la fuente de potencia, protegiendo así el motor contra daños causados por prolongadas cargas excesivas.

106


3.3 Instalación Eléctrica. Es el conjunto de tuberías cónduit o tuberías y canalizaciones de otro tipo y forma, caja de conexión, registros, elementos de unión entre tuberías, y entre las tuberías y las cajas de conexión o los registros, conductores eléctricos, accesorios de control, y protección, etc., necesarios para conectar o interconectar una o varias fuentes o tomas de energía eléctrica con los receptores.

Objetivos de una instalación: Los objetivos a considerar en una instalación eléctrica, están de acuerdo al criterio de todas y cada una de las personas que intervienen en el proyecto, cálculo y ejecución de la obra, y de acuerdo además con las necesidades a cubrir, sin embargo, con el fin de dar margen a la iniciativa de todos y cada uno en particular, se enumeran sólo algunos tales como: 

Seguridad (contra accidentes e incendios).



Eficiencia.



economía.



Mantenimiento.



Distribución de elementos, aparatos, equipos, etc.



Accesibilidad.

Tipos de instalaciones eléctricas. Por razones que obedecen principalmente al tipo de construcciones en que se realizan, material utilizado en ellas, condiciones ambientales, trabajo a desarrollar en los locales de que se trate y acabados de las mismas; se tienen deferentes tipos de instalaciones eléctricas, a saber: 1. Totalmente visibles. 2. Visibles entubadas. 3. Temporales. 4. Provisionales. 5. Parcialmente ocultas. 6. Ocultas. 7. A prueba de explosión. 107


Para entender mejor en que radica la diferencia entre uno y otro tipo de instalación eléctrica, se da una breve explicación de las características de todas y cada una de ellas.

Totalmente visibles. Como su nombre lo indica, todas sus partes componentes se encuentran a la vista y sin protección en contra de esfuerzos mecánicos ni en contra del medio ambiente (seco, húmedo, corrosivo, etc.).

Visibles entubadas. Son instalaciones eléctricas realizadas así, debido a que por las estructuras de las construcciones y el material de los muros, es imposible ahogarlas, no así protegerlas contra esfuerzos mecánicos y contra el medio ambiente, con tuberías, cajas de conexión y dispositivos de unión, control y protección.

Temporales. Se construyen para el aprovechamiento de la energía eléctrica por temporadas o periodos cortos de tiempo, tales son los casos de ferias, juegos mecánicos, exposiciones, servicios contratados para obras en proceso, etc.

Provisionales. Estas en realidad quedan incluidas en las temporales, salvo en los casos en que se realizan en instalaciones definitivas en operación, para hacer reparaciones o eliminar fallas principalmente en aquellas, en las cuales no se puede prescindir del servicio aún en un solo equipo, motor o local. Ejemplo, fábricas con proceso continuo, hospitales, salas de espectáculos, hoteles. etc.

Parcialmente ocultas. Se encuentran en accesorios grandes o fábricas, en las que parte del entubado está por pisos y muros y las restantes por armaduras; también es muy común observarlas en edificios comerciales y de oficinas que tienen plafón falso. La parte oculta está en muros y columnas generalmente, y la parte superpuesta pero entubada en su totalidad es la que va entre las losas y el plafón falso. 108


Totalmente ocultas. Son las que se consideran de mejor acabado pues en ellas se busca tanto la mejor solución técnica así como el mejor aspecto eléctrico posible, el que una vez terminada la instalación eléctrica, se complementa con la calidad de los dispositivos de control y protección que quedan sólo con el frente al exterior de los muros.

A prueba de explosión. Se construyen principalmente en fábricas y laboratorios en donde se tiene ambientes corrosivos, polvos o gases explosivos, materias fácilmente inflamables, etc. En estas instalaciones, tanto las canalizaciones, como las partes de unión y las cajas de conexión quedan herméticamente cerradas.

3.3.1 Reglamento de obras e instalaciones eléctricas R. O. I. E. La aplicación, interpretación y vigilancia de este reglamento, es de la competencia de la Secretaria de Comercio a través de la Dirección General de Electricidad quien, además de hacer cumplir todo lo relacionado al mismo, está en absoluta libertad de agregar recomendaciones tales como: dimensiones de planos, escalas, símbolos a emplear, notas, aclaraciones, etc.

Carácter de la Norma. El carácter y aplicación de ésta es sólo para la República Mexicana y para los materiales, accesorios y equipos a instalar en el interior o exterior de edificios urbanos o rústicos. Contiene requisitos mínimos de observancia obligatoria y recomendaciones de conveniencia práctica, los que tienen por objeto prevenir riesgos y construcciones u operaciones defectuosas. No es aplicable esta norma a instalaciones ni aparatos especiales de Barcos, Locomotoras, Carros de ferrocarril, Automóviles, Aviones y en general a equipos de tracción y transporte. La aprobación técnica de materiales, aparatos, accesorios de control y protección, así como los proyectos, la hace la Secretaría de Energía a través de la Dirección General de Electricidad. 109


3.3.2 Partes Principales de una Instalación Eléctrica. 

Conductores eléctricos.

Son aquellos materiales que ofrecen poca oposición o resistencia al paso de la corriente eléctrica por o a través de ellos. Todos los materiales son buenos conductores de la electricidad, sin embargo, unos son mejores que otros, es por ello que aquí se indican solamente algunos de ellos:

Plata: Es el mejor conductor pero, su uso se ve reducido por su alto costo, Cobre: El cobre electrolíticamente puro es el mejor conductor eléctrico, se le emplea en más del 90%, porque reúne las condiciones deseadas para tal fin, tales como: Alta conductividad, resistencia mecánica, flexibilidad y bajo costo.

Aluminio: Es otro buen conductor eléctrico sólo que, por ser menos conductor que el cobre, tiene la desventaja de ser quebradizo, se usa con regularidad en líneas de transmisión reforzado en su parte central interior con una guía de acero. Desde el punto de vista de las normas, los conductores se han identificado por un número, que corresponden a lo que comúnmente se conoce como calibre y que normalmente se sigue el sistema americano de designación AWG (American Wire Gade) siendo el mas grueso el número 4/0, siguiendo en orden descendente del área del conductor los números 3/0, 2/0, 1/0, 1,2,4,6,8,10,12,14,16,18 y 20 que es el más delgado usado en instalaciones eléctricas. Para conductores con un área mayor del designado como 4/0, se hace una designación que está en función de su área en pulgadas, para lo cual se emplea una unidad denominada el: Circular Mil, siendo así como un conductor de 250 corresponderá a aquel cuya sección sea de 250,000 cm. y así sucesivamente. Se denomina Circular Mil a la sección de un círculo que tiene un diámetro de un milésimo de pulgada (0.001plg), Fig.3.15. La relación entre el Circular Mil y el área en mm2 para un conductor se obtiene como sigue: 110


1 PLG. = 25.4 mm 1 1000

 PLG  0.0254 mm

Siendo el Circular Mil un área:

1 cm. 

D 2 4



3.1416 x (0.0254 )

2

4

Fig. 3.15 Circular mil.

=5.064506 x 10-4 mm2 De donde: 2

1mm 

10

4

5.064506

 1974 cm. Aproximada mente  2000 cm.

Fig. 3.16 Designación de conductores según la American Standard Wire Gauge

111


Aislamiento de los conductores. Existe una amplia variedad de aislamientos para conductores para satisfacer los requerimientos de las distintas aplicaciones. Estos tipos de aislamientos están diseñados sobre una forma estándar y todos los cables están marcados con información sobre su tamaño, ya sea expresado en AWG ó KCMIL, su voltaje y su tipo de aislamiento. El aislamiento de los cables se designa, como:

A

= Aislamientos de asbesto

MI

= Aislamiento mineral.

R

= Aislamiento de hule.

SA = Aislamientos de silicio-asbesto T

= Aislamiento termoplástico

V

= Aislamiento de cambray barnizado

X = Aislamiento de polímero sintético barnizado. Los cables también se designan por su medio de operación como:

H

- Resistente al calor hasta 75°C

HH - Resistente al calor hasta 90°C Si no hay designación, significa 60°C.

W - Resistente a la humedad UF - Para uso subterráneo. Muchos cables están diseñados y certificados para ser usados en varias condiciones ambientales, tales cables son de multiuso y están marcados. Por ejemplo, un cable marcado TW indicaría 60°C, con aislamiento termoplástico capaz de ser usado en ambientes húmedos. El tipo THW indica 75°C, con aislamiento termoplástico para uso en ambientes húmedos. El tipo XHHW representa un cable con aislamiento sintético de polímero trenzado para operar hasta 90°C. 112


Ampacidad estándar y degradación por temperatura. La AMPACIDAD de un cable es su capacidad de conducción continua de corriente bajo condiciones específicas. Estos datos sobre ampacidad o capacidad de conducción de corriente se dan más adelante en las Tablas (a) Y (b). Estos datos, se basan en una temperatura ambiente 30°C, por lo que se dan factores de corrección para temperaturas diferentes a 30°C. Para instalaciones eléctricas prácticas, el menor calibre de conductor recomendado es el No. 14 AWG y la máxima protección contra sobrecorriente para los calibres No. 14, No.12, y No.10 AWG, es: 1 5A, 20A y 30A respectivamente.

FACTOR DE CORRECCIÓN POR TEMPERATURA Temperatura del conductor

E T N E I B M A A R U T A R E P M E T

ºC

60º C

75º C

85º C

90º C

110º C

125º C

200º C

250º C

40

0.82

0.88

0.90

0.90

0.94

0.95

45

0.71

0.82

0.85

0.85

0.90

0.92

50

0.58

0.75

0.80

0.80

0.87

0.89

55

0.41

0.67

0.74

0.74

0.83

0.86

60

0.58

0.67

0.67

0.79

0.83

0.91

0.95

70

0.35

0.52

0.52

0.71

0.76

0.87

0.91

75

0.43

0.43

0.66

0.72

0.86

0.89

80

0.30

0.30

0.61

0.69

0.84

0.87

0.50

0.61

0.80

0.83

0.51

0.77

0.80

120

0.69

0.72

140

0.56

0.59

90 100

160

0.54

180

0.50

200

0.43

225

0.30

113


Tabla (a). Factor de corrección por temperatura.

114


Tabla b. Para temperaturas mayores ver tabla A de factores de corrección.

115


Selección del calibre deconductores para instalaciones eléctricas de baja tensión. Los conductores usados en las instalaciones eléctricas deben cumplir con ciertos requisitos para su aplicación, como son:  Límite de tensión de aplicación, en el caso de las instalaciones residenciales, es:

1000 V. 

Capacidad de conducción de corriente (Ampacidad) que representa la máxima

corriente que puede conducir un conductor para un calibre dado y que está afectada principalmente por los siguientes, factores: a).- Temperatura b). Capacidad de disipación del calor producido por las pérdidas en función del medio en que se encuentre el conductor, es decir, aire o en tubo conduit.  Máxima caída de voltaje permisible de acuerdo con el calibre del conductor y la

corriente que conducirá, se debe respetar la máxima caída de voltaje permisible recomendada por el reglamento de obras e instalaciones eléctricas y que es del 3% del punto de alimentación al punto más distante de la instalación.

Numero de conductores en un tubo conduit. Normalmente los conductores en las instalaciones eléctricas, se encuentran alojados ya sea en tubos conduit o en otros tipos de canalizaciones. Como se ha mencionado, los conductores están limitados en su capacidad de conducción de corriente por el calentamiento, debido a las limitaciones que se tienen en la disipación de calor y a que el aislamiento mismo presenta también limitaciones de tipo térmico. Debido a estas restricciones térmicas, el número de conductores dentro de un tubo conduit se limita de manera tal que, permita un arreglo físico de conductores de acuerdo a la sección del tubo conduit o de la canalización, facilitando su alojamiento de aire necesaria 116


para disipar el calor, se debe establecer la relación adecuada entre la sección del tubo y la de los conductores, para esto, se puede proceder en la forma siguiente: Si A es el área interior del tubo en mm2 ó plg2 y Ac el área total de los conductores, el factor de relleno es: F 

Ac A

Este factor de relleno tiene los siguientes valores establecidos para instalaciones en tubos conduit. 53% Para un conductor 31% Para dos conductores F

43% Para tres conductores 40% Para cuatro o más conductores

CALIBRE AWG Ó KCM

VINANEL NYLON RH, RUH ½‖ ¾

1‖

1 ¼‖

1 ½‖

13 19 25 32 38 mm mm mm mm 14

13

24 39

12

10

18 29

49

10

6

11 18

31

43

8

3

6

10

18

25

6

1

4

6

11

4

1

4

2

1

2‖

52 mm

VINANEL 900 TW´T´TWH ½‖ ¾

mm

1‖

1 ¼‖

13 19 25 32 mm mm mm mm 9 17 27

1 ½‖

2‖

38 52 mm

7

13

21 36

5

10

16 27

38

41

2

5

8

14

19

32

15

25

1

2

4

7

10

17

7

9

15

1

3

5

8

13

2

5

6

11

1

1

4

5

9

1

3

4

7

1

2

3

6

2/0

1

3

5

1

3

5

3/0

1

3

4

1

1

4

4/0

1

1

4

1

1

3

250

1

3

1

300

1

2

1

1/0

mm

2 1

400

1

1

500

1

1

Tabla c. Cantidad de conductores admisibles en tubería conduit .

117


NOTAS: 

La tabla d. esta basada en factores de relleno de 40% para 3 conductores o más, 30% para 2 conductores y 55% en el caso de un solo conductor.



Debe tenerse en cuenta que para más de tres conductores en un tubo, la capacidad de corriente permisible en los mismos se ve reducida.(Tabla d).

Número de

Por ciento del valor

conductores

Indicado en la tabla

4a6

80

7 a 24

70

25 a 42

60

arriba de 43

50

Tabla d. Corrección por agrupamiento.



Tuberías y canalizaciones.

Estos dos términos incluyen a todos los tipos de tuberías, ductos, charolas, trincheras, etc., que se utilizan para introducir, colocar o simplemente apoyar los conductores eléctricos, para protegerlos contra esfuerzos mecánicos y medios ambientes desfavorables como son los húmedos, corrosivos, oxidantes, explosivos, etc.

Tipos de canalizaciones Una canalización es un conducto cerrado diseñado para contener alambres, cables o busesducto, pueden ser metálicas o no metálicas.

Tubos conduit metálicos Los tubos conduit metálicos, dependiendo del tipo usado; se pueden instalar en exteriores e interiores; en áreas secas o húmedas, dan una excelente protección a los conductores. Los tubos conduit rígidos constituyen de hecho el sistema de canalización más comúnmente 118


usado, ya que prácticamente se pueden usar en todo tipo de atmósferas y para todas las aplicaciones. En los ambientes corrosivos adicionalmente, se debe tener cuidado de proteger los tubos con pintura anticorrosiva, ya que la presentación normal de estos tubos, es galvanizada. Los tipos más usados son: • De pared gruesa (tipo rígido) • De pared delgada. • Tipo metálico flexible (greenfield).

Tubo conduit metálico rígido (pared gruesa) Este tipo de tubo conduit se suministra en tramos de 3.05 (10 pies) de longitud en acer8o o aluminio y se encuentra disponible en diámetros desde 1/2 pulg. (13 mm), hasta 6 pulg.8 El tubo metálico, de acero normalmente, es galvanizado y además, como se indicó antes, tiene un recubrimiento especial cuando se usa en áreas corrosivas, Fig. 3.17.

Fig. 3.17 Tubo conduit metálico rígido (pared gruesa)

Tubo conduit metálico intermedio o semipesado. Se fabrica en diámetros de hasta 4 pulg. (102 mm) su constitución es similar al tubo conduit rígido de pared gruesa, pero tiene las paredes más delgadas, por lo que tiene mayor espacio interior disponible. Se debe tener mayor cuidado con el doblado de estos tubos, ya que tienden a deformarse. Tienen roscados los extremos igual que el de pared gruesa y de hecho sus aplicaciones son similares. Fig. 3.18 (a). 119


Tubo metálico de pared delgada (rígido ligero). Estos tubos son similares a los de pared gruesa, pero tienen su pared interna mucho más delgada, se fabrican en diámetros hasta de 4 pulg. (102 mm), se puede usar en instalaciones visibles u ocultas, embebido en concreto o embutido en mampostería, pero en lugares secos no expuestos a humedad o ambientes corrosivos. Estos tubos NO TIENEN sus extremos roscados y tampoco usan los mismos conectores que los tubos metálicos rígidos de pared gruesa, de hecho usan sus propios conectores de tipo atornillado, Fig. 3.18 (b). .

Fig. 3.18 Tubo conduit.

Fig. 3.19 Conectores para tubos conduit rígidos en pared gruesa e intermedios.

120


Fig. 3.18 (c).Tubo conduit de pared delgada y conectores.

Tubo conduit metalico flexible Este es un tubo hecho de cinta metálica engargolada (en forma helicoidal), sin ningún recubrimiento. Hay otro tubo metálico que tiene una cubierta exterior de un material no metálico para que sea hermético a los líquidos. Este tipo de tubo conduit es útil cuando se hacen instalaciones en áreas donde se dificultan los dobleces con tubo conduit metálico, o bien, en lugares en donde existen vibraciones mecánicas que puedan afectar las uniones rígidas de las instalaciones. Este tubo se fabrica con un diámetro mínimo de 13 mm. (1/2 pulg.) y un diámetro máximo de 102 mm. (4 pulg.) Fig. 3.18 (d).

Fig. 3.18 (d). Tubo conduit flexible y conectores.

121


Tubo conduit no metálico En la actualidad hay muchos tipos de tubos conduit no metálicos que tienen una gran variedad de aplicaciones y están construidos de distintos materiales, tales como el cloruro de Polivinilo (PVC), la fibra de vidrio, el polietileno y otros. El más usado en instalaciones residenciales es el PVC, que es un material autoextinguible, resistente al colapso, a la humedad y a los agentes químicos específicos. Se puede usar en: • Instalaciones ocultas. • Instalaciones visibles, cuando no se expone el tubo a daño mecánico. • En lugares expuestos a agentes químicos específicos, en donde el material es resistente.

No, se debe usar en: 

Áreas y locales considerados como peligrosos.



Para soportar luminarias o equipos.



Cuando las temperaturas sean mayores de 70°C.

Cajas de conexión. Esta designación incluye además de las cajas de conexión fabricadas exclusivamente para las instalaciones eléctricas, algunas para instalaciones de teléfonos y los conocidas registros construidos en el piso. Entre las cajas de conexión exclusivas para instalaciones eléctricas, podemos mencionar las siguientes: Cajas de conexión negras o de acero esmaltado. Cajas de conexión galvanizadas. Cajas de conexión de PVC.

122


Formas, dimensiones y usos. 1.- Caja de conexión tipo chalupa.

Son rectangulares de aproximadamente 6 x 10 cm. de base por 38mm. de profundidad. Se usa para instalarse en ellas apagadores, contactos, botones de timbre, etc.

2.- Caja de conexión redonda. Son en realidad cajas octagonales, bastante reducidas de dimensiones consecuentemente de área útil interior, de aproximadamente de 7.5 cm. de diámetro y 38mm. de profundidad. Por sus reducidas dimensiones, son utilizadas generalmente cuando el número de tuberías, de conductores y de empalmes son mínimas, como es el caso de arbotantes en baños, en patios de servicio, etc.

3.-Cajas de conexión cuadradas. Se tienen de diferentes medidas y su clasificación es de acuerdo al mayor diámetro del o los tubos que pueden ser sujetos a ellas, es así como se conocen como cajas de conexión cuadradas de 13, 19, 25, 32 y 38 mm, etc. 

Accesorios de control.

a) Apagadores sencillos, de 3 vías o de escalera, apagadores de 4 vías o de paso, etc. b) Caso secundario cuando por alguna circunstancia se tienen contactos controlados por un apagador. c) La estación de botones para el control manual de motores, equipos y unidades completas. d) En oficinas, comercios e industrias, además de los controles antes descritos, se dispone de los interruptores termomagnéticos (pastillas), que se utilizan para controlar el alumbrado de medianas o grandes áreas a partir de los tableros. e) Interruptores de presión de todo tipo.

123




Accesorios decontrol y protección. Dentro los elementos de protección se pueden mencionar los siguientes: a)

Interruptores (Switches), que pueden ser abiertos o cerrados a voluntad de los

interesados, además de proporcionar protección por sí solos a través de los elementos fusibles cuando se presentan sobrecorrientes peligrosas. b)

Interruptores

termomagnéticos.

además de que suelen ser operados

manualmente, proporcionan protección por sobrecargas en forma automática. c)

Fusibles, dispositivos eléctricos de seguridad que se funden e interrumpen la

corriente cuando es excesiva se fabrican con alambres de diverso grosor. d)

Arrancadores a tensión plena y arrancadores a ten sión reducida, para el control

manual o automático de motores, equipos y unidades complejas. e)

Conexión de tierra, disipación de alguna falla eléctrica por alguna sobrecarga

dentro del circuito.

124


3.3.3 Protección del circuito derivado. Se entiende por circuito derivado, a la parte de la instalación que se entiende después del último dispositivo de protección contra sobrecorriente, dicho de otra forma: es la parte final de la instalación eléctrica para alimentar a los aparatos receptores. Cada circuito derivado debe estar protegido contra sobrecorriente, por medio de elementos fusibles o por medio de interruptores termo- magnéticos, los primeros se localizan en los

interruptores sencillos sobre una base de porcelana o en los interruptores de seguridad (protegidos dentro de una caja metálica) y los segundos, se localizan en los tableros conocidos como centros de carga, tableros de alumbrado y distribución, etc. El objeto principal de los circuitos derivados, es dividir la carga total conectada en diferentes partes, para que cuando ocurra un cortocircuito en un derivado, no se interrumpa el servicio en los restantes porque tienen protección individual. Los circuitos derivados para cargas diversas indefinidas se clasifican de acuerdo con su protección contra sobrecorrientes como de 15, 30, 40, y 50 amperes. Cuando la carga por conectarse sea conocida, podrá usarse circuitos de capacidad que corresponda a esa carga. Las cargas mayores de 50 amperes, deben alimentarse por circuitos derivados individuales. Los circuitos derivados se subdividen en:

Circuitos secundarios de alumbrado. Se destinan a suministrar energía a los aparatos de alumbrado solamente.

Circuitos secundarios combinados para alumbrado y aparatos caseros. Como implica su nombre, son una combinación de salida para alumbrado y fuerza.

Circuitos secundarios para aparatos. Suministran energía a aparatos conectados permanentemente o a enchufes para conectarlos.

125


Relevadores. 3.4 Elementos Eléctricos de Control Industrial. Es un dispositivo que se puede energizar por una señal de voltaje, una señal de corriente o por ambas. Cuando es energizado, opera para indicar o aislar las condiciones anormales de operación. Básicamente un relevador, consiste de un elemento de operación y de un conjunto de contactos. El elemento de operación, toma la señal de dispositivos sensores en el sistema, tales como los transformadores de potencial o de corriente o de ambos, en algunos casos. Cuando el relevador opera, puede actuar sobre una señal o bien completar un circuito para disparar un interruptor, lo cual a su vez, aísla la sección del sistema que tiene problema. Su función es determinar lo más pronto posible la existencia de corto circuito en el sistema por lo que la mayoría en los relevadores opera en mas o menos un ciclo de la frecuencia del sistema (0.017 seg. a 60 Hz.) por lo que pueden enviar la señal de disparo a los interruptores correspondientes. Los relevadores no solo deben operar en forma rápida, también deben ser precisos en su operación ya que tienen la posibilidad de distinguir entre corto circuito y algunas otras anomalías como ondas de corriente momentáneas debidas a arranque de motores, picos de carga o corrientes magnetizantes. Los Relevadores se fabrican en cualquiera de los siguientes tipos básicos: 

Electromecánicos.



Estáticos.

Esta clasificación se refiere a su tipo constructivo y principios de operación. Los de tipo electromagnéticos son los mas antiguos, y su uso es cada vez más restringidos en los sistemas eléctricos de potencia. Aún cuando son aplicables en las instalaciones eléctricas industriales con ciertas ventajas. 126


El relevador electromagnético (Fig. 3.19) en su concepto más elemental, consiste de un elemento de operación y un grupo de contactos Fig. 3.19 a. El elemento de operación en sí, determina la forma constructiva que puede ser, en el caso de los relevadores electromagnéticos de cualquiera de los tipos siguientes: 

Atracción del núcleo.



Armadura con bisagra.



Disco inducción.



Copa inducción.

Partes básicas de un relevador Electromecánico Marco. Un marco para servicio pesado que contiene y soporta las partes del relevador. Bobina. Un alambre es enrollado alrededor de un número metálico. La bobina de alambre causa la formación de un campo electromagnético.

Armadura. La parte móvil del relevador que abre y cierra los contactos. Un resorte sujetado devuelve la armadura a su posición original.

Contactos. La parte conductora del interruptor que establece o interrumpe un circuito.

Fig. 3.19 Partes de un relevador electromagnético

Fig. 3.19 (a) Partes de contactos

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Un relevador incluye dos circuitos: el circuito de excitación y el circuito de contacto. La bobina se encuentra en el lado de excitación; y los contactos de relevador están en el lado de contacto. Cuando la bobina de un relevador es excitada, la corriente fluye a través de la bobina creando un campo magnético. Que se trate de una unidad CD en donde la polaridad es fija o bien de una unidad CA en donde la polaridad cambia 120 veces por segundo, la función básica permanece la misma: la bobina magnética atrae una placa ferrosa que forma parte de la armadura. Un extremo de la armadura es sujetada sobre el marco metálico que es formado de tal manera que la armadura pueda pivotar, mientras que el otro extremo abre o cierra los contactos. La formación de arco es un enemigo de la vida de los contactos. Los arcos ocurren cuando

un interruptor eléctrico es abierto y la corriente se descarga a través del espacio entre los contactos. El arqueo puede ser minimizado mediante la utilización del material de contacto apropiado para la aplicación, o bien mediante la utilización de un supresor de arcos, un dispositivo que disipa la energía entre los contactos abiertos. Los contactos están disponibles en plata fina, plata-cadmio, plata revestida con oro y tungsteno. Mientras la plata fina tiene las mejores propiedades eléctricas y térmicas de todos los metales, los contactos de plata fina son sometidos a sulfatación, o bien formación de película en la superficie de los contactos. Esta acumulación provoca una resistencia incrementada de los contactos y una respuesta reducida. Cuando se aplica una corriente excesiva, los transitorios provocan la formación de hoyos que reducen la vida de los contactos. Los relevadores de tipo Atracción y de Armadura con bisagra trabajan bajo el principio de atracción magnética, en estos, la parte móvil llamada armadura, es atraída hacia una bobina o hacia la cara del polo de un electroimán, cerrando así un juego de contactos. Estos relevadores pueden operar o con corriente directa o con corriente alterna. Los relevadores tipo inducción, son de inducción magnética, ya que el par que se desarrolla en el rotor en movimiento lo hace en la misma forma que en un motor eléctrico. Estos relevadores se pueden usar sólo en circuitos de corriente alterna. 128


Los relevadores tipo Armadura con bisagra y atracción de núcleo no se tiene retardo de tiempo, y por lo mismo, se aplican en casos en donde la operación instantánea se requiere. El relevador del tipo disco de inducción se usa cuando se requiere en la operación del relevador un cierto retraso en el tiempo. Este retraso en el tiempo, se produce por la adición de un imán permanente. El disco gira entre este imán causando un frenado en la inducción. Las partes rotatorias del relevador de inducción tipo copa, son de inercia baja, por lo que este relevador es capaz de una operación de alta velocidad, y por lo tanto, se puede usar en funciones en donde se requiere de una respuesta instantánea.

Fig. 3.20 Tipos de Relevadores.

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Cualquiera que sea el tipo de relevador o su principio de funcionamiento, su aplicación en la protección debe cumplir con tres características principales: 

Sensibilidad

Deben ser suficientemente sensibles como para operar cuando la corriente de falla es mínima. Por lo general los relevadores electromagnéticos operan con 5 amperes cuando son alimentados por transformadores de corriente y a 120 V alimentados por transformadores de potencial, estos transformadores son bastantes confiables y han sido usados en forma eficiente durante muchos años. 

Selectividad

Habilidad para reconocer y decidir cuando debe operar un interruptor y minimizar el efecto de falla. Es importante hacer énfasis en que es deseable interrumpir las corrientes de corto circuito tan rápido como sea posible para reducir al mínimo los daños causados por ellas, sin embargo pueden existir circunstancias especiales que requieren de cierto retardo para la realización de esta función. 

Rapidez

En condiciones de falla, mientras menor sea la duración de un disturbio, menor es su efecto, y en consecuencia, el daño en el equipo.

Aplicación de los Relevadores. La aplicación de un relevador en particular se decide por sus características y otros factores como son su precisión, tiempo de operación, carga, método de ajuste, etc. En general se espera que el relevador ejecute una acción y ―sienta‖ la diferencia entre las

condiciones de no falla y de falla, enviando una señal cuando ocurre una falla.

La función de la protección por relevadores. La función de la protección por relevadores es originar el retiro rápido del servicio de cualquier elemento de un sistema de potencia, cuando éste sufre un cortocircuito o cuando empieza a funcionar en cualquier forma anormal que pueda originar daño o interfiera de otra manera con el funcionamiento eficaz del resto del sistema. El equipo de protección está ayudado, en esta tarea, por interruptores que son capaces de desconectar el elemento defectuoso cuando el equipo de protección se los manda. 130


Los interruptores están localizados de tal manera que cada generador, transformador, barra colectora, línea de transmisión, etc., pueda desconectarse por completo del resto del sistema. Estos interruptores deben tener la capacidad suficiente para que puedan conducir momentáneamente la corriente máxima de cortocircuito que puede fluir a través de ellos, e interrumpir entonces esta corriente; deben soportar también el cierre de un corto circuito semejante e interrumpirlo de acuerdo con ciertas normas. Los fusibles se emplean donde los relevadores de protección y los interruptores no son justificables económicamente. Aunque la función principal de la protección por relevadores es reducir los efectos de los cortocircuitos, surgen otras condiciones anormales de funcionamiento que también necesitan esta protección. Esto es más cierto cuando se trata de generadores y de motores. Una función secundaria de la protección por relevadores es indicar el sitio y el tipo de falla. Dichos datos no sólo ayudan en la reparación oportuna sino que también, por comparación con las observaciones humanas y con los registros de oscilógrafos automáticos, proporcionas medios para el análisis de la eficiencia de la prevención de la falla y las características de disminución que incluyen la protección por relevadores.

Principios fundamentales dela protección por relevadores. Consideremos sólo por el momento el equipo de protección contra cortocircuitos. Hay dos grupos de dicho equipo: uno que llamaremos de protección primaria, y otro de protección de respaldo. La protección primaria es la primera línea de defensa, mientras que las funciones de la protección de respaldo sólo se dan cuando falla la protección primaria.

Protección primaria. La Fig. 3.21 muestra la protección primaria. La primera observación es que los interruptores están localizados en las conexiones de cada elemento del sistema de potencia. Esta provisión hace posible desconectar sólo el elemento defectuoso. A veces puede omitirse un interruptor entre dos elementos adyacentes, en cuyo caso ambos elementos deben desconectarse si hay una falla en cualquiera de los dos.

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La segunda observación es que sin saber en este momento cómo se realiza, se establece una zona de protección separada alrededor de cada elemento del sistema. El significado de esto es que cualquier falla que ocurra dentro de una zona dada originará el disparo (esto es la abertura) de todos los interruptores dentro de esa zona, y de sólo esos interruptores. Es evidente que en caso de fallas en la región donde se superponen dos zonas adyacentes de protección, se dispararan más interruptores que el mínimo necesario para desconectar el elemento defectuoso. Pero si no hubiera superposición, una falla en una región entre zonas no estaría situada en ninguna de las dos zonas y, por lo tanto, no se dispararían los interruptores. La superposición es el menor de los dos males. La extensión de ésta es pequeña relativamente, y la probabilidad de falla en dichas región es baja; por lo mismo, el disparo de dos o más interruptores será casi nulo. Finalmente se observará que las zonas adyacentes de protección de la Fig. 3.21 se superponen alrededor de un interruptor. Esta es la práctica preferida, porque en caso de fallas en todas las partes, excepto en la región de superposición, es necesario que se disparen el mínimo de interruptores. Cuando se desea, por razones económicas o de espacio, superponer sobre el lado de un interruptor, como sucede con frecuencia en aparatos blindados, el equipo de protección de la zona que superpone el interruptor debe arreglarse para que dispare no sólo los interruptores de esta zona, sino también uno o más interruptores de la adyacente, para desconectar completamente ciertas fallas. Esto se muestra en la Fig. 3.22, donde puede verse que para un cortocircuito

en X, los

interruptores de la zona B, que incluyen al interruptor C, se dispararán; pero dado que el cortocircuito está fuera de la zona A, el equipo de protección de la zona B debe disparar también ciertos interruptores en la zona A si esto fuera necesario para interrumpir el flujo de la corriente de corto circuito en la zona A a la falla. Esta es una desventaja si hay una falla en X, pero los interruptores se dispararan innecesariamente en la zona A para otras fallas en la zona B a la derecha del interruptor C. Si este disparo innecesario es objetable dependerá de la aplicación particular.

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Protección de respaldo La protección de respaldo, se emplea sólo para protecciones de cortocircuitos. Debido a que estos son el tipo preponderante de falla del sistema de potencia, hay más posibilidades de que falle la protección primaria en caso de cortocircuito. La experiencia ha mostrado que la protección de respaldo no es justificable económicamente para casos distintos de los cortocircuitos. Es necesaria una clara compresión de las causas posibles de fallas de la protección primaria, para una mejor apreciación de las prácticas comprendidas en la protección de respaldo.

Fig. 3.21 Diagrama unifilar de una parte de un sistema eléctrico de potencia que muestra la protección primaria

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Fig. 3.22 Superposición de zonas adyacentes de protección sobre un lado de un interruptor.

Cuando decimos que la protección primaria puede faltar, entendemos cualquiera de las diversas cosas que pueden suceder para impedir a la protección primaria que origine la desconexión de una falla del sistema de potencia. La protección primaria puede fallar debido a una falla en cualquiera de los siguientes puntos: A. Corriente o tensión de alimentación a los relevadores. B. Disparo de la tensión de alimentación de c-d. C. Relevadores de protección. D. Circuito de disparo o mecanismo del interruptor. E. Interruptor. Es muy deseable que la protección de respaldo esté dispuesta de tal manera que cualquier cosa que pueda originar la falla de la protección primaria no origine también la falla de la protección de respaldo. Es evidente que este requisito se satisface completamente si los relevadores de respaldo están localizados de tal manera que no empleen o controlen cualquier cosa en común con los relevadores primarios que vayan a ser respaldados. En la medida de lo posible, la práctica es localizar los relevadores de respaldo en una estación diferente. Considérese, por ejemplo, la protección de respaldo para la sección EF de la línea de transmisión de la Fig. 3.23. Los relevadores de respaldo de esta sección de línea están normalmente dispuestos para disparar los interruptores A, B, I y J. Si el interruptor E fallara al disparar, para una falla en la sección de línea EF, se dispararían los interruptores A y B; los interruptores A y B y su equipo asociado de protección de respaldo, que están físicamente aparte del equipo que ha fallado, no son idóneos para ser afectados al mimo tiempo, como podría suceder si se escogiera los interruptores C y D en su lugar. 134


Los relevadores de respaldo en las localidades A, B y F proporcionan protección si ocurren fallas en las barras colectoras en la estación K. Los relevadores de respaldo en A y F proporcionan también protección para fallas en la línea DB. En otras palabras, la zona de la protección de respaldo se extiende en una dirección desde la localidad de cualquier relevador de respaldo y al menos superpone cada elemento de sistema adyacente. Donde las secciones adyacentes de líneas son de diferente longitud, los relevadores de respaldo deben sobre alcanzar algunas secciones de línea más que otras para proporcionar protección a la línea más larga.

Fig. 3.23. Ejemplo para la protección de respaldo de la sección EF de una línea de transmisión.

Un conjunto dado de relevadores de respaldo proporcionará protección incidental de clases para fallas en el circuito cuyo interruptor controla los relevadores de respaldo. Por ejemplo, los relevadores de respaldo que disparan en interruptor A de la Fig. 3.23 pueden actuar también como respaldo para fallas en la sección de línea AC. Sin embargo, esta duplicación de protección es sólo un beneficio accidental y no va a estar ligada a la de un arreglo convencional de respaldo cuando es posible dicho arreglo; para diferenciar a ambos, este tipo podría llamarse relevadores primarios duplicados. Una segunda función de la protección de respaldo es a menudo proporcionar protección primaria cuando el equipo que debería ocuparse de esto se encuentra fuera de servicio por mantenimiento o reparación. Es evidente, quizá, que cuando funciona la protección de respaldo, se desconecta una parte mayor del sistema que cuando funciona correctamente la protección primaria. Esto es inevitable si la protección de respaldo va a hacerse independientemente de aquellos 135


factores que pueden originar que falle la protección primaria. Sin embargo, esto enfatiza la importancia del segundo requisito de la protección de respaldo, que ésta debe funcionar con suficiente acción retardada como para que se le dé a la protección primaria tiempo suficiente para funcionar si es capaz de hacerlo. En otras palabras, cuando ocurre un cortocircuito, ambas protecciones, primaria y de respaldo, inician normalmente su funcionamiento; pero se espera que la protección primaria dispare los interruptores necesarios para retirar el elemento en cortocircuito del sistema, y la protección de respaldo se repondrá sin haber tenido tiempo de completar su función. Cuando un conjunto de relevadores proporciona protección de respaldo a diversos elementos adyacentes del sistema, la protección primaria más lenta de cualquiera de aquellos elementos adyacentes determinará la acción retardada necesaria para los relevadores de respaldo dados.

Números y Funciones de los dispositivos de protección. En la aplicación de los dispositivos de protección a los sistemas eléctricos, normalmente se emplean números para designar a cada uno de ellos, estos números por lo general corresponden a los adoptados en forma normalizada por el Instituto de Ingenieros en Electricidad y Electrónica de los Estados Unidos de Norte América. En esta parte se indican algunos relevadores que se usan con mayor frecuencia:

1.- Elemento maestro: Es el dispositivo de iniciación tal como un Switch de control, un switch flotador, etc. que sirve ya sea en forma directa o indirecta para poner o quitar de servicio un equipo.

2.- Relevador de retardo para arranque o cierre. Es un dispositivo cuya función es dar una cantidad de tiempo deseada antes o después de un punto de operación en una secuencia de maniobras (switcheo) o un sistema de protección por relevadores.

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3.-Relevador de verificación o bloqueo. Es un dispositivo que opera en respuesta a la posición de un número de otros dispositivos (o número de condiciones predeterminadas) en un equipo para proporcionar una secuencia de operaciones a seguir, para parar o para proveer una verificación de la posición de estos dispositivos o de las condiciones establecidas para propósitos específicos.

6.- Interruptor de arranque. Dispositivo cuya función principal es conectar una máquina a su fuente de alimentación.

12.- Dispositivo de sobrevelocidad. Es por lo general un dispositivo conectado a adaptado directamente a la máquina que actúa cuando la velocidad de ésta excede de la normal.

13.-Dispositivo de velocidad síncrona. Este es algo como un switch de velocidad centrífugo, o un relevador de deslizamiento en la frecuencia, un relevador de voltaje o de baja corriente o bien cualquier tipo de dispositivo que opera en forma aproximada a la velocidad síncrona de la máquina.

14.- Dispositivo de baja velocidad. Funciona cuando la velocidad de la máquina es menor de un valor determinado.

18.- Dispositivo de aceleración o desaceleración. Dispositivo usado para cerrar o para causar el cierre de los circuitos cuando son usados para aumentar o disminuir la velocidad de las máquinas.

23.- Dispositivo de control de temperatura. Dispositivo que aumenta o disminuye la temperatura de una máquina, otros aparatos o algún otro medio cuando la temperatura cae bajo o se eleva sobre un valor predeterminado. 137


25.- Dispositivo de sincronización o verificador de sincronización. Dispositivo que opera cuando dos circuitos de CA están dentro de los límites deseados de frecuencia, ángulo de fase o voltaje para permitir o para causar la operación en paralelo de estos dos circuitos.

26.- Dispositivo térmico de aparatos. Funciona cuando la temperatura del campo en derivación o del devanado amortiguador de una máquina, de una resistencia limitadora o desviadora de corriente o la de un líquido y otro medio excede un valor determinado a si la temperatura del aparato protegido, tal como rectificador, o la de cualquier otro medio, desciende de un valor determinado.

27.- Relevador de bajo voltaje. Dispositivo que funciona para un valor dado de bajo voltaje.

32.- Relevador direccional de potencia. Funciona con un valor deseado de flujo de potencia en una dirección dada o bien con inversiones de potencia resultantes por arcos de retorno en los rectificadores de potencia.

36.- Dispositivo de polaridad o polarización de voltaje. Dispositivo que opera o permite la operación de otros dispositivos solamente cuando existe una polaridad determinada.

37.- Relevador de baja corriente o baja potencia. Funciona cuando la corriente o la potencia descienden de un valor predeterminado.

38.- Dispositivo de protección de rodamientos (chumaceras). Funciona cuando se presenta una temperatura excesiva en las chumaceras de las máquinas rotatorias en condiciones mecánicas anormales. 138


40.- Relevador de campo. Funciona a un valor dado o anormalmente bajo o falla en la corriente del devanado de campo de la máquina, o bien con un valor excesivo de la componente reactiva de la corriente de armadura en una máquina de corriente alterna con indicación de excitación anormal por bajo campo.

41.- Interruptor de campo Funciona para conectar o desconectar la excitación del campo de una máquina.

46.- Relevador de corriente para inversión de fase o equilibrio de fase. Funciona cuando las corrientes polifásicas se encuentran en una secuencia de fases inversas, cuando las corrientes polifásicas estas desbalanceadas o bien cuando contienen corrientes de secuencia negativa arriba de un valor permisible.

47.- Relevador de voltaje de secuencia de fase Funciona a un valor determinado de la tensión de un sistema polifásico con una secuencia de fases deseada.

49.- Relevador térmico para máquina o transformador. Funciona cuando la temperatura de la armadura de una máquina o algún otro devanado que lleve carga, o bien la temperatura de un transformador exceda de un valor predeterminado.

50.- Relevador instantáneo de sobrecorriente o relevador de índice de crecimiento. Funciona instantáneamente con un valor excesivo de índice de crecimiento de la corriente indicando una falla en el aparato o circuito que se está protegiendo.

51.- Relevador de sobrecorriente en corriente alterna. Puede ser de características de tiempo definido o inverso que funciona cuando la corriente en un circuito de CA excede a un valor predeterminado. 139


52.- Interruptor de potencia para CA. Se usa para cerrar e interrumpir un circuito de corriente alterna en condiciones normales o para interrumpir el circuito en condiciones de falla de emergencia.

55.- Relevador de Factor de Potencia. Opera cuando el FP en un circuito de CA. se eleva o baja de un valor predeterminado.

59.- Relevador de sobrevoltaje. Es un relevador que funciona para un valor dado de sobrevoltaje.

81.- Relevador de frecuencia. Funciona con un valor predeterminado de frecuencia ya sea arriba o debajo de la frecuencia del sistema o con un cierto índice de cambio en la frecuencia.

85.- Relevador receptor de portador o hilo piloto. Es un operador que se opera o se retienen por medio de una señal que se usa en conexión con un portador de corriente (carrier) o con un hilo piloto para protección direccional.

87.- Relevador de protección diferencial. Es un relevador de protección que funciona con una diferencia en porcentaje o ángulo de fase o la diferencia cuantitativa de dos corrientes o alguna otra cantidad eléctrica.

89.- Desconectador de línea (cuchilla desconectadora). Es usado como un dispositivo de desconexión con carga o como un desconectador de aislamiento en circuitos de CA. ó CD. en sistemas eléctricos de potencia y que puede ser operado en forma manual o bien en forma automática por medio de mando eléctrico o neumático.

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CAPÍTULO IV. Electrónica Industrial. 4.1 Elementos Electrónicos Básicos de Control Industrial. El diagrama del circuito de un receptor de radio, televisión o de una parte de un equipo electrónico industrial es generalmente muy complejo y cuando se examina en conjunto puede ser muy confuso. Cada circuito electrónico está formado de un cierto número de circuitos individuales y para comprender el primero hay que analizar cada circuito individual separadamente.

Elemento del circuito: Cada circuito eléctrico ha de contener por lo menos un elemento conductor. Este elemento puede ser una resistencia, una bobina o un condensador.

Resistencia, capacitancia e inductancias parásitas: Cada resistencia bobinada tiene, además de su resistencia propia, un efecto de inductancia debido a las espiras del alambre y un efecto de capacitancia debido al espacio (aislamiento) entre cada dos espiras. Cada bobina tiene, además de su inductancia, una resistencia, cuyo valor dependerá del tamaño, longitud y tipo de alambre empleado y un efecto de capacitancia debido al aislamiento y al espacio entre espiras. La corriente en un condensador ha de pasar a través de un camino que consta de sus alambres de unión y placas. Habrá alguna resistencia en este camino. Para obtener la capacitancia máxima en el mismo espacio, las placas de los condensadores están arrolladas en forma de bobina.

Circuitos equivalentes: La inductancia de una resistencia puede considerarse como una bobina conectada en serie con ella. La capacitancia de la resistencia puede considerarse como un condensador conectado en paralelo con la misma. Fig. 4. a. La resistencia de una bobina puede considerarse como una resistencia conectada en serie con ella. La capacitancia distribuida entre espiras adyacentes y no adyacentes y entre espira y tierra puede considerarse como una simple capacitancia concentrada y conectada en paralelo con la bobina. Fig. 4 b. 141


Los condensadores se usan en circuitos de C.D y C.A. Cuando se emplean un condensador en un circuito de C.D., no hay efecto inductivo y la resistencia de las placas y alambres de unión se considera como una resistencia conectada en paralelo con el condensador. Fig. 4

c., Cuando se emplea un condensador en circuitos de C.A., el circuito equivalente puede ser considerado como serie o paralelo. Fig. 4 d.

Fig. 4 Circuitos equivalentes a los tres tipos de componentes: resistencia, bobina, condensador usado en C.A. y condensador usado en C.D.

Circuitos aislados: La resistencias, bobinas o condensadores se pueden conectar individualmente.

Circuito combinado: Los circuitos electrónicos constan de cierto número de circuitos individuales, cada uno diseñado para cumplir un fin determinado.

Acoplamiento: Para transferir energía eléctrica de un elemento del circuito a otro se emplea un conductor. Para transferir energía de un circuito a otro tiene que existir entre estos dos circuitos una impedancia común. La impedancia común se llama elemento de acoplamiento, y los dos circuitos conectados por medio de un elemento de acoplamiento

se dice que están acoplados.

Filtros: Cuando dos o más circuitos electrónicos individuales se combinan forman un circuito complejo a través del cual puede circular los siguientes tipos de corriente: 1) continua, 2) de la frecuencia de la red, 3) audiofrecuencias (20 a 20,000 ciclos) y 4) radiofrecuencias (100 kc a 30,000 mc). El propósito de un filtro es separar estas corrientes en el punto deseado y dirigirlas hacia el conductor o circuito por donde se requiere que pasen. 142


Acción de un filtro. Consta de una combinación de condensadores, bobinas y resistencias conectadas de manera que separe corrientes alternas de corrientes continuas o corrientes alternas dentro de una banda de frecuencias de aquellas otras que están fuera de esta banda, su acción depende de los siguientes principios de los circuitos de C.A. 

La oposición ofrecida al paso de corrientes alternas por un circuito que contiene solamente inductancia aumentada cuando crece la frecuencia. Tal circuito ofrecerá relativamente una pequeña oposición al paso de la corriente continua, pulsatoria o alterna de baja frecuencia. Fig. 4.1.



La oposición presentada al paso de corrientes alternas por un circuito que contiene capacitancia disminuye cuando aumenta la frecuencia. Fig 4.2.



Un circuito resonante serie tiene una impedancia pequeña en resonancia y ofrecerá poca oposición al paso de todas las corrientes cuyas frecuencias estén dentro de una estrecha banda por encima y por debajo de la frecuencia resonante. Tal circuito ofrecerá una oposición relativamente grande al paso de corrientes de todas las otras frecuencias. Fig. 4.3.



Un circuito resonante paralelo tiene una impedancia elevada en resonancia y ofrecerá una oposición relativamente elevada al paso de todas las corrientes cuyas frecuencias estén dentro de una estrecha banda por encima y por debajo de la frecuencia resonante. Tal circuito ofrecerá poca oposición al paso de corrientes de todas las demás frecuencias. Fig. 4.3.



Las resistencias no efectúa ninguna acción filtrante cuando se emplean aisladamente, se oponen por igual ala paso de todas las corrientes independientemente de su frecuencia.

Fig. 4.1 Efectos de la inductancia y de la frecuencia sobre el flujo de corriente.

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Fig. 4.2 Efectos de la capacitancia y de la frecuencia sobre el flujo de corriente

Fig. 4.3 Efectos de los circuitos resonantes sobre la corriente en la resonancia o cerca de la frecuencia resonante.

Tipos de circuitos filtro. Filtro de paso bajo: Un filtro de paso bajo permite el paso a un cierto circuito de todas las corrientes que tienen una frecuencia inferior a cierto valor y desvía las corrientes que tienen una frecuencia por encima de este valor.

Filtro de paso alto: Un filtro de paso alto permite la entrada a un cierto circuito de todas las corrientes que tienen una frecuencia superior a cierto valor y desvía las corrientes que tienen una frecuencia por debajo de ese valor.

Filtro de paso de banda: Un filtro de paso de banda permite la entrada a través de un circuito de las corrientes de una estrecha banda de frecuencias e impide el paso de todas aquellas cuyas frecuencias son superiores o inferiores a los límites extremos de la banda.

Filtro de eliminación de banda: Este se opone al paso de corrientes de una estrecha banda de frecuencias mientras que permite el paso de corrientes de todas las frecuencias superiores e inferiores a esta banda. 144


Atenuador. Se llama atenuador a una red de resistencias que se emplean para reducir el voltaje, corriente o potencia en cantidades controlables y conocidas que son independientes de la frecuencia. Las resistencias en un circuito atenuador pueden conectarse de varias maneras: 1) Que las impedancias de entrada y salida sean iguales. 2) Que las impedancias de entrada y salida sean diferentes. 3) Que den lugar a atenuaciones de diferente magnitud. Algunas formas de las formas en las que se conectan las resistencias para formar un atenuador son los circuitos de tipo L, T, H, π, O, escalera y en T puenteada. Fig 4.4

Fig. 4. 4 Redes de atenuadores.

Atenuador en L: El atenuador en L es una red no compensada que consta de dos resistencias, una colocada en una de las ramas en serie y la otra en la rama en derivación. Se emplea generalmente cuando se conectan varias cargas diferentes a una fuente de potencia común y hay que variar la cantidad de energía consumida en cada carga sin modificar la impedancia ofrecida a la fuente de la señal. 145


Atenuador en T: Es una red no compensada en que están dispuestas tres resistencias formando la letra T. En este tipo, las resistencias en las ramas en serie R 1 y R 2, son generalmente del mismo valor para hacer la impedancia imagen de entrada R i sea igual a la impedancia imagen de salida R 0.

Atenuador en H: Es una red en T compensada en la que se disponen cinco resistencias de manera que forman una letra H.

Atenuador en π: Es una red no compensada que contiene tres resistencias conectadas para formar la letra griega π. En este tipo de atenuador, las resistencias de las ramas en derivación R 1 y R 3, son normalmente del mismo valor para conseguir que la impedancia imagen de entrada sea igual a la impedancia imagen de salida.

Atenuador en O: Es una red compensada que contiene cuatro resistencias conectadas de manera que formen una letra O. Se puede hacer una red compensada en O para producir las mismas características operativas que la red en π no compensada.

Atenuador escalera: Consta de un conjunto de dos o más redes simétricas de sección en π. Se emplea generalmente en equipos electrónicos, tales como generadores de señal, donde se requiere que el voltaje y corriente sean reducidas con arreglo a relaciones conocidas.

Atenuador en T puenteada: Consta de 4 resistencias y para obtener un valor constante de la impedancia imagen que sea independiente de la atenuación, las cuatro resistencias han de tener los siguientes valores: R 3 = R 4 = Ri y R 1R 2 = Ri2

Constitución de los Amplificadores Nosotros ya conocemos, en electrónica general, qué es un transformador, y podríamos decir que su misión es, en el fondo, la de un amplificador ya que, como hace una bobina de encendido, por ejemplo, aumenta considerablemente la tensión del secundario a costa de reducir la intensidad. Resulta algo así como tener un billete de USD100 o bien 100 billetes de USD1: el valor es el mismo. Por lo tanto no hay ganancia que es precisamente lo que distingue al amplificador del transformador.

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Fig. 4.5 Amplificador.

En esta imagen vemos un circuito donde un transistor actúa como amplificador. Aunque circuitos de este tipo pueden hacerse de muchas formas, hay que destacar aquí la presencia y disposición de las resistencias R1, R2, R3, y R4, así como de los condensadores C1 y C2 que tienen por misión permitir el paso de la corriente alterna a través del circuito amplificador y evitar el paso de la continua de una a otra etapa. A este respecto hay que tener en cuenta que el condensador corta el paso de la corriente continua pero deja pasar la corriente alterna y éste es el caso del alternador, productor de la señal, en la imagen. En cuanto a las resistencias, determinan el punto de funcionamiento del transistor y, sobre todo R2, actúa también de elemento protector del transistor frente al exceso de temperatura que se genera durante el funcionamiento del semiconductor. Un amplificador de este tipo puede resultar, para determinadas funciones, con muy poco poder amplificador. Aún cuando un sólo transistor puede muy bien alcanzar un factor de ampliación de 100 (lo que significa hacer cien veces más grande la señal recibida) hay que tener en cuenta que se trabaja habitualmente con señales tan débiles, que esta amplificación puede resultar del todo insuficiente. Por ello se utilizan amplificadores de dos o más etapas que aumentan al cuadrado el valor de la primera amplificación. Así, si colocamos un montaje como el mostrado en la imagen unido a otro semejante podremos obtener 100 x 100 = 10.000 veces la señal de salida superior a la entrada, y podríamos obtener todavía mucho más a base de acudir a una tercera etapa, etc. 147


4.1.1 Diodo. Es el dispositivo semiconductor más sencillo y se puede encontrar, prácticamente en cualquier circuito electrónico. Los diodos se fabrican en versiones de silicio (la más utilizada) y de germanio. Constan de dos partes una llamada N y la otra llamada P, separados por una juntura también llamada barrera o unión. Esta barrera o unión es de 0.3 voltios en el germanio y de 0.6 voltios aproximadamente en el diodo de silicio.

Fig 4.6 Símbolo del diodo

Podemos decir que el diodo es una compuerta de una sola vía, es decir, que solo deja pasar a través de él corriente eléctrica en un solo sentido; ya que si se aplica la corriente en el sentido contrario el diodo no conduce.

Un diodo es esencialmente la unión de un material tipo P con un material tipo N lo cual se ha llamado juntura PN. Conservando la nomenclatura, el material P recibe el nombre de

ánodo el cual se representa con la letra A y el material N recibe el nombre de cátodo. (4.6). En una unión de este tipo, cuando el diodo no esta polarizado o conectado a una fuente de voltaje, hay un exceso de electrones en el lado N y un exceso de huecos en el lado P. Por lo tanto, al unir dos capas de material semiconductor, algunos electrones del lado N son atraídos por algunos huecos del lado P y viceversa, mediante un proceso de difusión. En la juntura PN proceso de intercambio de cargas continúa hasta que se forma entre ellos una barrera eléctrica de voltaje que impide el paso de un gran número de portadores mayoritarios de un lado a otro; dicha barrera es llamada zona de agotamiento Fig. 4.7. En una unión PN o diodo de silicio el potencial de la barrera es de aproximadamente 0.6 V, mientras que uno de germanio es de aproximadamente 0.3 V. Las características de la zona de agotamiento pueden controlarse aplicando una diferencia de potencial o voltaje externo, lo que hace realmente útil esta unión. 148


Fig. 4.7 Formación de la barrera de potencial

(b) Barrera de potencial formada en la juntura PN

Así el limite de juntura, el material tipo N queda cargado positivamente y el material tipo P queda cargado negativamente creando una diferencia de potencial pequeña, pero de gran importancia. Cuando tenemos este componente y se le aplica un voltaje de corriente continua (polarización), hay dos posibilidades: si el voltaje positivo se aplica al ánodo se dice que hay una polarización directa y en el caso contrario, cuando el voltaje positivo se aplica al cátodo, se establece una polarización inversa.

Polarización inversa. Es decir, si se aplica un voltaje externo, tal como se indica en la Fig. 4.8 el efecto de la barrera se intensifica, debido a que el terminal positivo de la fuente atrae los electrones del material tipo N y el polo negativo atrae los huecos del material tipo P, haciendo más ancha la zona de agotamiento y la unión presenta una alta resistencia al paso de la corriente, comportándose como un aislante; solo unos pocos portadores minoritarios logran atravesar la barrera formando la denominada corriente de fuga que es muy pequeña y que en muchos casos prácticos no se tiene en cuenta. Cuando el voltaje aplicado en forma inversa aumenta hasta cierto valor, esta corriente se hace muy grande y destruye el diodo.

Polarización directa. Por el contrario, si la unión PN se polariza directamente, tal como se muestra en la fig. 4.9, la barrera se disminuye ya que el polo positivo de la batería repele los huecos del material tipo P y su polo negativo repele los electrones del material N, haciendo que atraviesen la unión. Bajo estas condiciones la unión PN presenta una resistencia muy baja al paso de la corriente, comportándose como un conductor. 149


Fig. 4. 8 Polarización inversa de un diodo

Fig. 4. 9 Polarización directa de un diodo.

Teóricamente los diodos rectificadores deberían comportarse como interruptores perfectos, es decir, no deberían permitir el paso de ninguna corriente cuando están polarizados inversamente y no deberían ofrecer ninguna resistencia al paso de la misma cuando se encuentran polarizados directamente, Fig. 4.10. Sin embargo, en la realidad se observan algunas características especiales que se ilustran en la Fig. 4.11. La conducción de polarización directa no empieza en 0V, si no cuando se supera el voltaje de umbral o la barrera de potencial. Por esta razón, existe una pequeña caída de voltaje en el diodo cuando éste se encuentra polarizado directamente. Y la corriente a través del diodo cuando está polarizado inversamente no es cero, hay una pequeña corriente de fuga. Un diodo polarizado inversamente conduce cuando el voltaje aplicado alcanza un cierto valor a lo cual se le llama voltaje de ruptura inverso. 150


Fig. 4.10 Funciona como un interruptor

Fig. 4.11 Comportamiento real de un diodo.

Por lo anterior podemos deducir que un diodo se debe conectar en una sola forma, es decir, en un componente polarizado y se debe respetar la conexión del ánodo y el cátodo en una determinada posición, según la tarea del diodo.

Principales características eléctricas del diodo. 

Corriente máxima (IF ).

Es la intensidad de corriente máxima que puede conducir el diodo sin fundirse por el efecto Joule. Dado que es función de la cantidad de calor que puede disipar el diodo, depende sobre todo del diseño del mismo. 

Voltaje de conducción directa (VF)

Es el valor de la caída de voltaje en un diodo semiconductor polarizado directamente, como resultado de la corriente que circula a través de él. Dicho valor es ligeramente superior al potencial de la barrera.

151




Voltaje de ruptura o de avalancha.

Indica el nivel de voltaje, que aplicado a un diodo polarizado inversamente, puede hacerlo conducir llegando incluso a destruir el dispositivo, ya que en el momento de la conducción la corriente inversa de fuga crece bruscamente. Su valor es generalmente alto, del orden de 100 V o más, excepto en los diodos Zener. 

Corriente inversa de fuga (IR)

Es la corriente que circula a través de un diodo polarizado inversamente. Teóricamente es igual a cero, pero en realidad ésta tiene un valor muy pequeño, del orden de los microamperios o nanoamperios. 

Tiempo de recuperación inverso (TRR)

Expresa el tiempo que tarda la unión PN en desalojar la carga eléctrica que acumula, cuando se encuentra polarizado inversamente.

4.1.2 Transistor. La palabra transistor es un acrónimo de los términos transfer y resistor (resistencia de transferencia) y designa, en forma genérica, a un componente electrónico de tres terminales cuya resistencia entre dos de ellos (colector y emisor) depende del nivel de corriente o voltaje aplicado al otro (base). Aprovechando esta propiedad, los transistores se utilizan como amplificadores, interruptores electrónicos, fuentes de corriente controladas, osciladores, mezcladores y en muchas otras aplicaciones prácticas.

152


Los transistores fueron remplazando poco a poco los tubos de vacío en todos sus usos, debiendo principalmente a estas ventajas: 

Larga vida útil.



Bajo consumo de energía.



Bajo costo.



Tamaño pequeño.



Estructura robusta y confiable.

Tipos de transistores. Existen básicamente dos grandes grupos de transistores: los transistores bipolares y los

transistores de efecto de campo o FET. Estos últimos incluyen los FET de unión (JFET) y los FET de compuerta aislada (MOSFET). Fig. 4.12. Transistores

Transistores de efecto

Transistores bipolares

de campo

JFET

MOSFET

Fig. 4. 12 Principales grupos de tiristores

Transistores bipolares. Son dispositivos semiconductores formados por una capa de material tipo P emparedada entre dos capas de material tipo N, o una de tipo N emparedada entre dos tipo P. En el primer caso se tiene un transistor NPN y en el segundo un transistor PNP. Fig. 4.13. La capa central se denomina Base (B) y la de los extremos Emisor (E) y Colector (C), respectivamente.

153


La base es sumamente estrecha y poco dopada en relación con el emisor y colector. En consecuencia, tiene una concentración muy baja de portadores. El emisor, por su parte, está fuertemente dopado y la concentración de portadores mayoritarios disponibles supera ampliamente la de la base. De otro lado, el colector es sumamente amplio y tiene una alta concentración de portadores minoritarios en relación a la base y muy pocos portadores mayoritarios en comparación con el emisor. En el caso de un transistor PNP, esto significa que la base no posee la suficiente cantidad de huecos para combinarse con todos los electrones que puede suministrar el emisor. Como resultado, la mayoría de estos electrones atraviesan la base en dirección del colector.

Fig. 4. 13 Principales tipos de transistores bipolares.

Polarización y funcionamiento. Debido a la forma como se alterna las capas P y N, en un transistor existen dos uniones PN: una entre emisor y base (EB), y otra entre colector y base (CB). Estas uniones deben polarizarse (suministrar voltajes fijos de CC en sus terminales), como se indica en la Fig.

4.14, es decir, la unión EB directamente y la unión CB inversamente. En este caso, la polarización de la unión BE la provee el voltaje VBB y la de la unión BC el voltaje V CC. Por 154


tanto, en un transistor NPN, la base debe ser positiva con respecto al emisor y negativa con respecto al colector. Así mismo, en un transistor PNP, la base debe ser negativa con respecto al emisor y positiva con respecto al colector. Como resultado de la polarización en un transistor se produce tres corrientes: la de la base (IB), la del emisor (IE) y la del colector ( IC). Debido a que la unión BE está polarizada directamente, los portadores mayoritarios de ambas regiones son obligados por el voltaje VBB a cruzar la unión y combinarse mutuamente. En el caso de un transistor NPN, esto significa que una parte de los electrones suministrados por el emisor (del 1% al 5%) se combinan con los pocos huecos disponibles en la base. Esto origina una corriente de base (IB) relativamente pequeña.

Fig. 4.14 Polarización de un transistor bipolar NPN

Los electrones restantes (del 95% al 99%) son atraídos hacia el colector por la fuerte tensión inversa de polarización VCC de la unión BC. Estos electrones cruzan la unión BC, pasan a través de la extensa región de colector y se dirigen hacia el polo positivo de la batería VCC, creando una corriente de colector (IC) muy intensa, Fig. 4.15. Las corrientes del colector (IC) y de base (IB) están relacionadas con la corriente de emisor (IE), mediante la siguiente fórmula:

IC = β x IB

155


Fig. 4.15Combinación de corrientes en un transistor.

Esto quiere decir que, con un transistor se puede lograr amplificación de corriente, el cual es el fenómeno fundamental que se produce en ellos y por medio del que se logró su incorporación en la electrónica moderna, pudiéndose fabricar así los aparatos que antes se elaboraban con tubos de vacío. En otras palabras, con una corriente de base débil o pequeña se pueden controlar una corriente alta de la misma forma que se hace en los tubos de vacío al controlar la corriente de placa o ánodo con la corriente de la rejilla de control. Si la corriente de base aumenta, la corriente de colector también aumenta, y si la primera disminuye, ésta disminuye. Por tener este comportamiento, los transistores se han utilizado ampliamente como interruptores o como amplificadores (reguladores del paso de la corriente) en diferentes tipos de circuitos. La capacidad de amplificación de un transistor se mide observando el efecto de la corriente de base (IB) sobre la corriente de colector (IC), para un determinado valor de VCE. La relación entre ambas cantidades se denomina ganancia de corriente o Beta y se representa mediante el símbolo β o hFE. Esto es:

β (hFE) = IC/ IB

156


Características eléctricas y físicas de los transistores bipolares. Además del tipo (NPN o PNP) y del material con el cual se fabrica (germanio o silicio), los transistores bipolares se diseñan con diferentes características eléctricas dependiendo de su uso. Las principales son: 

Voltaje colector-emisor (VCEO):

Es el máximo voltaje que se puede aplicar entre colector y emisor con la base abierta (desconectada), antes de que el dispositivo se averíe. 

Voltaje colector-base (VCBO):

Es el máximo voltaje que se puede aplicar entre colector y base con el emisor abierto (desconectado). 

Corriente de colector (IC):

Es la máxima corriente en amperios que puede circular por el colector del transistor. 

Potencia disipada (PD):

Es la máxima potencia en vatios que puede manejar el transistor. 

Ganancia de corriente (hFE)

Es las veces que se amplifica la corriente de base. También llamada beta. 

Frecuencia de trabajo o de corte (fr):

Es la máxima frecuencia de la señal con la cual se puede trabajar el transistor como amplificador.

157


Transistores de efecto de campo o fet. (field effect transistors). Los FET se parecen en muchos aspectos a los transistores bipolares, pero tienen otras características que los hacen más eficientes en ciertos tipos de circuitos.

Estructura básica. En general, e independientemente de su tecnología de fabricación. Los FET (JFET y MOSFET) tienen tres terminales que reciben los nombres de fuente, drenador o sumidero y compuerta, derivados de los nombres originales en inglés source (S), drain (D) y gate (G). Por esto, los terminales se marcan en los diagramas como S, D y G.

Transistores tipo J FET Se fabrican con un material semiconductor de base N o P llamado sustrato dentro del cual se forma una región de material con polaridad opuesta en forma de U llamada canal, ligeramente dopada. El sustrato actúa como compuerta ( gate o G), uno de los extremos del canal como fuente ( source o S) y el otro como drenador (drain o D). Por tanto, entre la compuerta y el canal se forma una juntura o unión PN. De acuerdo al material del canal hay JFET de canal N y de canal P. En los de canal P, los portadores mayoritarios que circulan por el canal son huecos y en los de canal N los portados que circulan por el canal son electrones. En la Fig. 4.16 se muestran los símbolos utilizados en los diagramas para los diferentes tipos de JFET y su estructura interna simplificada.

Fig. 4.16 Símbolos de un JFET

158


Polarización y funcionamiento de los J FET Para operar correctamente, los FET necesitan ser polarizados mediante dos tensiones externas, como se indica en la Fig. 4.17. La tensión VDD dirige el paso de los portadores de corriente por el canal y la tensión VGS regula su cantidad. Esta última debe polarizar inversamente la unión PN entre el canal y el sustrato. Por tanto, en un JFET de canal N la fuente debe ser positiva con respecto a la compuerta y negativa con respecto al drenador.

Fig. 4.17 Polarización de un JFET

El efecto neto de la polarización es la creación, entre drenador y fuente, de una corriente

de drenaje (ID), la cual circula a lo largo del canal y depende del voltaje VGS. Por tanto, el canal actúa como una resistencia variable. En el caso de un JFET de canal N, el voltaje VGS crea, en las proximidades de la unión sustrato-canal, una zona de agotamiento libre de electrones. Esta región se forma por completo dentro del canal debido a que existe una fuerte concentración de huecos en el sustrato y una baja concentración de electrones en el canal. El espesor de la zona de agotamiento determina el área útil o efectiva del canal, y por lo tanto, su capacidad de dejar pasar más o menos electrones. La región de agotamiento se extiende a lo largo de las paredes del canal, siendo más amplia en el lado del drenador que en el de la fuente. Esto es así porque, desde el punto de vista de la compuerta, el drenador 159


está sometido a un voltaje de polarización inverso más alto (VDS + VGS) que la fuente (VGS). Al aumentar el voltaje VGS, la región de agotamiento se ensancha, y por lo tanto, se estrecha el canal. En consecuencia, pasan menos electrones entre la fuente y el drenador, disminuyéndose así la ID. Al disminuir el voltaje VGS, la región de agotamiento se estrecha y por lo tanto, se amplía el canal. En consecuencia, pasan más electrones entre la fuente y el drenador, aumentándose así la ID. De este modo, el voltaje VGS varía la resistencia del canal y controla o ―modula‖ la corriente ID. En ambos casos, la corriente de compuerta (IG) es

insignificante, lo cual implica que la resistencia de entrada de un FET es extremadamente alta. La capacidad de amplificación de un FET se mide observando el efecto del voltaje V GS sobre la ID para un determinado valor de VDS. La relación incremental entre ambas cantidades se denomina transcondunctancia y se designa por el símbolo gm o gfs. Esto es: gm 

 I D V GS

La transconductancia se expresa en mhos o siemens (S). Por ejemplo, si gm = 5.000μmhos

(valor típico), un cambio de 200 mV en el voltaje VGS provoca un cambio de 100μA en la ID.

Transistores tipo Mosfet. Los MOSFET (Metal Oxide Semiconductor field Effect Transistor) o MOS, son FET en los cuales la compuerta está eléctricamente aislada del canal mediante una fina capa de dióxido de silicio (SiO2), la cual le confiere unas características muy especiales; por ejemplo, una impedancia de entrada muy alta. También hay MOSFET de canal N y de canal P. Laos circuitos con MOSFET son altamente inmunes al ruido, consumen muy poca potencia y son muy flexibles. Además, representan a la integración en gran escala. Hay dos tipos de MOSFET: los de agotamiento, también llamados de empobrecimiento o depleción y los de enriquecimiento o acumulación. En la Fig. 4.18 se muestran los símbolos utilizados en los diagramas para los diferentes tipos de MOSFET y su estructura interna simplificada. 160


Estructura básica y funcionamiento de los MOSFET. En un MOSFET el canal se forma dentro del sustrato, pero, a diferencia de un JFET, este último está conectado eléctricamente a la fuente y no a la compuerta. Aunque la compuerta y el canal ya no forman una unión PN, la compuerta sigue siendo el terminal que controla la conductividad del canal. El voltaje V GS puede ser positivo o negativo y controla la concentración de portadores de corriente en el canal. Si el drenador es positivo con respecto a la fuente y el voltaje VGS es 0, fluye una corriente de drenaje a través del canal. En el caso de un MOSFET de canal N, cuando el voltaje VGS se hace negativo, los electrones del canal son atraídos por los huecos del sustrato, reduciéndose así la concentración de portadores de corriente dentro del canal. En consecuencia, aumenta la resistencia del canal y se reduce la corriente de drenaje. Se dice, entonces, que el MOSFET está operando en el modo de agotamiento. Cuando el voltaje VGS se hace positivo, los electrones del canal son rechazados por los huecos del sustrato, aumentándose así la concentración de portadores de corriente dentro del canal. En consecuencia disminuye la resistencia del canal y aumenta la corriente de drenaje. Se dice, entonces, que el MOSFET está operando en el modo de enriquecimiento. Este modo de operación no existe en el FET de unión.

Fig. 4.18 Transistores MOSFET

161


SCR Y TRIAC. El SCR (Rectificadores controlados de silicio) como su nombre lo indica, es un diodo rectificador conformado por cuatro capas de material semiconductor y tres uniones PN que, además de un ánodo (A) y un cátodo (C ó K), posee un terminal extra para fines de control llamado compuerta o gate(G). En la Fig. 4.19 se muestra un símbolo, su estructura interna, su circuito equivalente con transistores y algunos de los encapsulados más comunes con los cuales se fabrican.

Fig. 4. 19 Símbolo, estructura interna, circuitos equivalentes y encapsulados más comunes para los SCR

Funcionamiento del SCR. Los SCR son esencialmente diodos rectificadores y se comportan de la misma forma, excepto que, cuando están directamente polarizados, requieren la aplicación de una corriente en la compuerta (IG) para realizar su acción básica. En otras palabras, deben ser

disparados por una señal de control. Una vez disparado, un SCR entra en conducción, comportándose como un interruptor cerrado. Bajo esta condición la compuerta deja de tener control sobre el estado del dispositivo y la única forma de bloquearlo es interrumpiendo la corriente del ánodo (IA) o reduciéndola por debajo de un valor mínimo llamado corriente de sostenimiento (IH). Los SCR pueden también entrar en conducción con una corriente de compuerta cero (IG=0), estando directa o inversamente polarizados, cuando el voltaje entre el ánodo y el cátodo

162


(VAC) es superior a un valor crítico VDRM (directo) o VRRM (inverso), respectivamente, llamado voltaje de ruptura. También puede haber conducción con IG =0 cuando la velocidad de cambio de VAC (dv / dt) es superior a la especificada. Estos métodos de disparo no se utilizan en la práctica y deben evitarse. Su funcionamiento general se puede explicar en términos del circuito equivalente de transistores, mostrado en la Fig. 4.20 llamado un cerrojo o latch ideal. Esta disposición se caracteriza por ser regenerativa, es decir, por proporcionar una retroalimentación positiva que mantiene al dispositivo enganchado (conduciendo), o desenganchando (bloqueado) cuando se produce un aumento o disminución en la corriente en cualquier punto del lazo.

Fig. 4. 20 Circuito básico del cerrojo.

Curvas características de un SCR. El comportamiento general de un SCR se puede representar gráficamente mediante una familia de curvas características, cada una asociada a una corriente de compuerta (IG) en particular, como se muestra en la Fig. 4.21. Sobre el eje vertical se indica la corriente del ánodo (IA) y sobre el eje horizontal el voltaje entre el ánodo y cátodo (vAC). En cada curva característica se puede distinguir las siguientes regiones: 163




Región de bloque directo.

Se refiere a las condiciones de corriente y voltaje sobre el dispositivo en estado de bloqueo directo, es decir, con el ánodo positivo respecto al cátodo y sin corriente de compuerta aplicada. 

Región de encendido.

Se refiere a las condiciones de corriente y voltaje sobre el dispositivo en condiciones de disparo, es decir, después de aplicar una corriente de compuerta (IG > 0). Note que hay una región de resistencia negativa en la cual el VAC disminuye rápidamente hasta estabilizarse en un valor muy bajo VT, ligeramente superior a 0.6 V. 

Región de bloque inverso.

Se refiere a las condiciones de corriente y voltaje sobre el dispositivo en estado de bloqueo inverso, es decir con el ánodo negativo respecto al cátodo y con o sin corriente de compuerta aplicada.

Fig. 4. 21 Curva característica de un SCR.

164


TRIAC. Es un tiristor PNPN de cinco capas que puede conmutar corrientes de carga en ambas direcciones y ser disparado por señales de compuertas tanto positivas como negativas. Se utiliza principalmente para la conmutación de corriente alterna, aunque también puede emplearse para conmutar corriente continua. En la Fig. 4.22 se muestra el símbolo, la estructura, la curva característica, la asignación de terminales y uno de los encapsulados más utilizados para los triac. Note que posee cinco capas, cuatro uniones PN y tres electrodos o terminales. Estos últimos se denominan terminal principal I (MTI), Terminal principal 2 (MT2) y

compuerta (G). Las presentaciones más usuales vienen en cápsulas TO-92 (hasta 0.8 A), TO-39(1.6 A), TO-126 (4A), TO-220 (40 A) y soportes metálicos (55A o más). La gama de voltajes rms de trabajo se extiende desde menos de 5 V hasta más de 1.500 V.

Fig. 4. 22 Símbolo, estructura interna, curva característica, asignación de terminales y uno de los encapsulados más utilizados para los triac (TO-220)

Polarización y Funcionamiento. Desde el punto de vista de su funcionamiento, un triac es equivalente a la asociación de dos SCR en antiparalelo. Sin embargo, al contrario de un SCR, un triac puede ser conmutado al estado

conductivo

mediante

pulsos

de

compuerta

positivos

o

negativos,

independientemente de la polaridad del voltaje entre los terminales principales. Esta situación, que se muestra en la Fig. 4.23, origina cuatro modos o cuadrantes de funcionamientos posibles, cada uno correspondiente a una combinación diferente de polaridades de los voltajes de compuerta y de los terminales principales. 165


Note que, con respecto a MT1, MT2 es positivo en los cuadrantes I y II, y negativo en los cuadrantes III y IV. Así mismo observe que en los cuadrantes I y IV el triac se dispara con pulsos de compuerta positivos, y en los cuadrantes II y III con pulsos de compuerta negativos. La sensibilidad en uno u otro cuadrante depende de la estructura física del triac particular. Sin embargo, por regla general, la sensibilidad es más alta en los cuadrantes I y IV que en los otros dos. Por esta razón. Los triacs deben ser trabajados preferiblemente es estos cuadrantes.

Fig. 4.23 Polaridades de las señales de disparo en los triac.

De todos modos, una vez que un triac pasa al estado conductivo, la compuerta pierde control sobre el circuito de salida y el dispositivo permanecerá en ese estado hasta que la tensión entre sus terminales principales cambie de polaridad, es decir, pase por 0, o hasta que la corriente a través de los mismos sea inferior a su valor mínimo de sostenimiento (IH). La mayoría de los triac de mediana potencia tienen corrientes de sostenimiento por debajo de 100 mA. En la Fig. 4.24 se muestra la forma básica de utilizar un triac para controlar el flujo de corriente promedio a través de una carga de CA. La corriente promedio entregada a la carga puede controlarse desde el circuito de disparo alterando la cantidad de tiempo por ciclo que el triac permanece en estado de conducción. Esta corriente puede ser pequeña o grande, dependiendo de sí el triac permanece la mayor parte del tiempo bloqueado o conduciendo. 166


En la Fig. 4.25 se muestra una forma de onda típica del voltaje a través de la carga y el triac. La porción de cada semiciclo durante el cual el triac no conduce, comportándose como un interruptor abierto e impidiendo el flujo de corriente a través de las carga, se denomina ángulo de retardo, y la porción durante la cual conduce, comportándose como un interruptor cerrado y permitiendo la circulación de corriente, se llama ángulo de

conducción. Entre mayor sea el ángulo de conducción, mayor es la corriente promedio suministrada a la carga, y viceversa.

Fig. 4.24 Circuito con triac para controlar la

Fig. 4.25 Forma de onda en un circuito con triac.

corriente en una carga de C.A.

Especificaciones Eléctricas. Los triac se identifican básicamente por los mismos parámetros de los SCR, excepto que pueden conducir en ambas direcciones. El voltaje de compuerta necesario para disparar un triac se simboliza como VGT y la corriente correspondiente como IGT. Los triac de mediana potencia tienen un VGT entre 0.6 V y 2.0 V, y una IGT entre 0.1 mA y 20 mA. Otras características eléctricas importantes de los triac son la corriente eficaz máxima permisible (IDRM) y el voltaje de ruptura (VDRM). Este último se refiere al voltaje más grande que el triac puede bloquear en cualquier dirección sin pasar al estado de conducción por avalancha. Para los triac de mediana potencia, los valores típicos de VDRM son 100V, 200V, 400V y 600V, y los valores típicos de ITRM son IA, 3A, 6A, 10A, 15A y 25A. 167


4.1.3 Sensores y Transductores. Es un dispositivo diseñado para recibir información de una magnitud del exterior y transformarla en otra magnitud, normalmente eléctrica, que seamos capaces de cuantificar y manipular. Normalmente estos dispositivos se encuentran realizados mediante la utilización de componentes pasivos (resistencias variables, PTC, NTC, LDR, etc. todos aquellos componentes que varían su magnitud en función de alguna variable), y la utilización de componentes activos.

Descripción de algunos Sensores: Sensores de Posición: Su función es medir o detectar la posición de un determinado objeto en el espacio, dentro de este grupo, podemos encontrar los siguientes tipos de captadores;

Captadores fotoeléctricos: La construcción de este tipo de sensores, se encuentra basada en el empleo de una fuente de señal luminosa (lámparas, diodos LED, diodos láser etc...) y una célula receptora de dicha señal, como pueden ser fotodiodos, fototransistores o LDR etc. Este tipo de sensores, se encuentra basado en la emisión de luz, y en la detección de esta emisión realizada por los fotodetectores. Según la forma en que se produzca esta emisión y detección de luz, podemos dividir este tipo de captadores en: captadores por barrera, o captadores por reflexión.

Sensores de Contacto: Estos dispositivos, son los más simples, ya que son interruptores que se activan o desactivan si se encuentran en contacto con un objeto, por lo que de esta manera se reconoce la presencia de un objeto en un determinado lugar. Su simplicidad de construcción añadido a su robustez, los hacen muy empleados en robótica. 168


Sensores por Ultrasonidos: Este tipo de sensores, se basa en el mismo funcionamiento que los de tipo fotoeléctrico, ya que se emite una señal, esta vez de tipo ultrasónica, y esta señal es recibida por un receptor. De la misma manera, dependiendo del camino que realice la señal emitida podremos diferenciarlos entre los que son de barrera o los de reflexión.

Captadores de Esfuerzos: Este tipo de captadores, se encuentran basados en su mayor parte en el empleo de galgas extensométrica, que son unos dispositivos que cuando se les aplica una fuerza, ya puede ser una tracción o una compresión, varia su resistencia eléctrica, de esta forma podemos medir la fuerza que se está aplicando sobre un determinado objeto.

Sensores de Movimientos: Este tipo de sensores es uno de los más importantes en robótica, ya que nos da información sobre las evoluciones de las distintas partes que forman el robot, y de esta manera podemos controlar con un grado de precisión elevada la evolución del robot en su entorno de trabajo. Dentro de este tipo de sensores podemos encontrar los siguientes:

Sensores de Deslizamiento: Este tipo de sensores se utiliza para indicar al robot con que fuerza ha de coger un objeto para que este no se rompa al aplicarle una fuerza excesiva, o por el contrario que no se caiga de las pinzas del robot por no sujetarlo debidamente. Su funcionamiento general es simple, ya que este tipo de sensores se encuentran instalados en el órgano aprehensor (pinzas), cuando el robot decide coger el objeto, las pinzas lo agarran con una determinada fuerza y lo intentan levantar, si se produce un pequeño deslizamiento del objeto entre las pinzas, inmediatamente es incrementada la presión le las pinzas sobre el objeto, y esta operación se repite hasta que el deslizamiento del objeto se ha eliminado gracias a aplicar la fuerza de agarre suficiente. 169


Sensores de Velocidad: Estos sensores pueden detectar la velocidad de un objeto tanto sea lineal como angular, pero la aplicación más conocida de este tipo de sensores es la medición de la velocidad angular de los motores que mueven las distintas partes del robot. La forma más popular de conocer la velocidad del giro de un motor, es utilizar para ello una dinamo tacométrica acoplada al eje del que queremos saber su velocidad angular, ya que este dispositivo nos genera un nivel determinado de tensión continua en función de la velocidad de giro de su eje, pues si conocemos a que valor de tensión corresponde una determinada velocidad, podremos averiguar de forma muy fiable a qué velocidad gira un motor. De todas maneras, este tipo de sensores al ser mecánicos se deterioran, y pueden generar errores en las medidas. Existen también otros tipos de sensores para controlar la velocidad, basados en el corte de un haz luminoso a través de un disco perforado sujetado al eje del motor, dependiendo de la frecuencia con la que el disco corte el haz luminoso indicará la velocidad del motor.

Sensores de Aceleración: Este tipo de sensores es muy importante, ya que la información de la aceleración sufrida por un objeto o parte de un robot es de vital importancia, ya que si se produce una aceleración en un objeto, este experimenta una fuerza que tiende ha hacer poner el objeto en movimiento. Supongamos el caso en que un brazo robot industrial sujeta con una determinada presión un objeto en su órgano terminal, si al producirse un giro del mismo sobre su base a una determinada velocidad, se provoca una aceleración en todo el brazo, y en especial sobre su órgano terminal, si esta aceleración provoca una fuerza en determinado sentido sobre el objeto que sujeta el robot y esta fuerza no se ve contrarrestada por otra, se corre el riesgo de que el objeto salga despedido del órgano aprehensor con una trayectoria determinada, por lo que el control en cada momento de las aceleraciones a que se encuentran sometidas determinadas partes del robot son muy importantes.

170


Transductores. Es un dispositivo o componente que convierte una forma de energía en otra. Los dispositivos que convierten señales eléctricas en luz, sonido, calor, movimiento, etc., o viceversa, se denominan transductores eléctricos y son los que permiten que los sistemas eléctricos o electrónicos puedan comunicarse o interactuar con el mundo externo. Hay muchos tipos de transductores pero sólo hablaremos de dos de los más usados como son: micrófonos y los parlantes.

Los micrófonos. Son dispositivos o transductores de entrada que convierten ondas sonoras en señales eléctricas de voltaje o de corriente equivalente Fig. 4.26. Estas señales son posteriormente procesadas por circuitos electrónicos con el fin de amplificar, grabar o modificar el sonido original. Existen varios tipos de micrófonos dependiendo de su principio de funcionamiento. Los más utilizados en audio son el dinámico, el condensador, el piezoeléctrico y el electret. Otro tipo muy común de micrófono, utilizado principalmente en telefonía, es el de carbón. En la Fig. 4.27 se muestran los símbolos de algunos de ellos.

Fig. 4. 26 Principio básico de funcionamiento de un micrófono.

Fig. 4.27 Símbolos de algunos tipos de micrófonos

171


Los micrófonos vienen en una gran variedad de presentaciones. Sin embargo, todos constan de un cápsula, un cuerpo, un cable y un conector, Fig.4.28. La cápsula comprende el diafragma y el elemento transductor propiamente dicho. Muchos incluyen también filtros acústicos previos ala conversión eléctrica que eliminan sonidos ambientales indeseados, por ejemplo el ruido del viento. El cable utilizado para llevar la señal de salida al circuito de utilización es blindado o apantallado para minimizar la inducción de ruido. El conector final puede ser un plug phono, DIN, XLR. o de otro tipo para audio. Los micrófonos poseen varias características distintivas que determinan su calidad o idoneidad para una tarea determinada. Las más importantes son la sensibilidad, la directividad, la respuesta de frecuencia y la impedancia.

Fig. 4. 28 Estructura general de un micrófono.

Parlantes. Son transductores de salida que convierten señales eléctricas en sonidos equivalentes, Fig.

4.29 En este sentido, un parlante realiza una función exactamente opuesta a la del micrófono. El tipo más común y antiguo de parlante, utilizado en más del 95% de los sistemas de sonido modernos, es el dinámico o de bobina móvil. En la Fig. 4.30 se muestra la estructura interna de un parlante típico. 172


En su forma más simple, un parlante dinámico consta de una bobina móvil, un cono, un imán permanente y un soporte. La bobina esta enrollada sobre un soporte de papel o de cartón y recibe la señal eléctrica de audio procedente del amplificador. El cono es una membrana de cartón de textura especial acoplada mecánicamente a la bobina por su borde más estrecho. El borde más ancho posee un sistema de suspensión que amortigua y absorbe las vibraciones de alta frecuencia que viajaban por el cono. Cuando la señal de audio pasa a través de la bobina, produce un campo magnético variable que interactúa con el campo magnético fijo creado por el imán. Como resultado de esta interacción, la bobina se mueve hacia a delante y hacia atrás, al ritmo impuesto por la señal de audio. Puesto que el cono está unido solidariamente a la bobina, también vibra y provoca cambios de presión en el aire circundante. Esto crea ondas de sonido (voces, música, etc.) que son una réplica física de la señal eléctrica de excitación del parlante. Cuando el cono de un parlante se mueve hacia adelante, produce una mayor presión de aire(compresión) al frente y una menor presión (rarefacción) detrás. Estos dos fenómenos vibratorios tienden a cancelarse y a reducir el sonido producido. Por esta razón, los parlantes se montan en cajas acústicas o bafles, recubiertos internamente de material absorbente, que evita que esto suceda. Los parlantes se clasifican según su potencia en watios, su tamaño (medido generalmente por el diámetro en pulgadas), el tipo de imán y la impedancia de la bobina móvil en ohmios.

Fig. 4. 29 Acción básica de un parlante

Fig. 4.30 Estructura interna de un parlante

173


4.2 Lógica Digital. Circuitos Digitales. Prácticamente todos los circuitos análogos trabajan con señales que varían en forma gradual o continua sobre un amplio rango de valores de voltaje y/o corriente, Fig. 4.31a. También existen situaciones en las cuales es necesario operar con señales de voltajes o de corriente que sólo adoptan un número discreto o finito de valores, Fig. 4.31 b. Este tipo de señales se denomina señales digitales o lógicas y los circuitos que trabajan las mismas,

circuitos digitales o lógicos. El estudio de los circuitos digitales es el marco de acción de electrónica digital.

Fig. 4.31 Señales analógicas y digitales.

La electrónica digital es conceptualmente más sencilla que la electrónica análoga porque trabaja con componentes y señales de naturaleza binaria, es decir, que sólo pueden adoptar uno de dos valores, niveles o estados posibles. En la electrónica digital, estos parámetros se designan, respectivamente como 1 (uno) o alto y 0 (cero) o bajo. En la Fig. 4.32 se comparan estos conceptos. En la Fig. 4.32 a se muestra un ejemplo sencillo de circuito eléctrico de naturaleza digital. En este caso, el interruptor S1 actúa como un componente

digital porque sólo puede estar abierto (0) o cerrado (1). Asimismo, el voltaje aplicado a la lámpara (RL) es una señal digital porque sólo puede ser 0V (0) cuando S1 está abierto, ó +9 V (1) cuando S1 está cerrado. Una asignación similar de valores lógicos puede ser hecha 174


a la corriente I a través del circuito (presente, ausente) o al estado de la lámpara (encendida o apagada). En la Fig. 4.32b se muestra un ejemplo sencillo del circuito análogo. En este caso el interruptor ha sido sustituido por un potenciómetro (P1), el cual actúa como un componente análogo cuya resistencia puede adoptar un número infinito de valores entre un mínimo y un máximo. Del mismo modo, el voltaje, la corriente y el nivel de brillo de las lámparas son cantidades análogas. En electrónica los parámetros usuales de medida son los voltajes y las corrientes, los cuales varían de forma continua en el caso de la electrónica analógica, mientras que en la digital se efectúan por pasos o etapas de un valor bien definido a otro semejante. Dos buenos ejemplos que pueden ser tanto analógicos como digitales son los relojes y los voltímetros. Las agujas de minutos y segundos de un reloj eléctrico común, se mueven continuamente, mientras en un reloj digital los números cambian de repente, al final de cada minuto o cada segundo. Del mismo el voltímetro analógico dispone de una aguja de medida que puede desplazarse gradualmente desde un extremo hasta otro de la escala, mientras que en un voltímetro digital, la tensión se muestra mediante dígitos discretos, cada uno de los cuales cambia de repente.

Fig. 4.32 Circuito digital y análogo.

En la terminología digital, los niveles o estados lógicos 0 y 1 se denominan comúnmente

bits. Un bit o un grupo de bits pueden representar muchos niveles diferentes de información en los circuitos y sistemas digitales, incluyendo números, datos y decisiones. Los números, en particular, se representan y manipulan utilizando el sistema binario o de

base 2; los datos (letras, instrucciones, música, etc.), utilizando diversos tipos de códigos; y las decisiones, utilizando las reglas de la lógica digital, agrupadas bajo lo que se conoce como el álgebra Booleana. 175


4.2.1 Operaciones y Compuertas Lógicas. Operaciones lógicas básicas Los circuitos digitales operan en el sistema numérico binario, que implica que todas las variables de circuito deben ser 1 o 0. El álgebra utilizada para resolver problemas y procesar la información en los sistemas digitales se denomina álgebra de Boole, basada sobre la lógica más que sobre el cálculo de valores numéricos reales. El álgebra booleana considera que las proposiciones lógicas son verdaderas o falsas, según el tipo de operación que describen y si las variables son verdaderas o falsas. Verdadero corresponde al valor digital 1, mientras que falso corresponde a 0. El diagrama muestra diversos interruptores electrónicos, llamados puertas, cada uno de los cuales efectúa una determinada operación booleana. Existen tres operaciones booleanas que pueden utilizarse individualmente o en combinación: multiplicación lógica (puerta AND), suma lógica (puerta OR) e inversión lógica (puerta NOR). Las tablas adjuntas, llamadas tablas booleanas, presentan todas las posibles combinaciones de entrada frente a las salidas resultantes. En dicho conjunto se definen tres operaciones básicas:

Suma lógica: Denominada también operación "O" (OR). Responde a la siguiente tabla: A

B

F = a+b

0

0

0

0

1

1

1

0

1

1 1 1 Producto lógico: Denominada también operación "Y" (AND). Esta operación responde a la siguiente tabla

:

A

B

F= a*b

0

0

0

0

1

0

1

0

0

1

1

1 176


Negación lógica: Denominada también operación "N" (NOT). Esta operación responde a la siguiente tabla:

A 0 1

F=A' 1 0

Otras operaciones lógicas. A partir de las operaciones lógicas básicas se pueden realizar otras operaciones booleanas, las cuales son: NAND, cuya tabla correspondiente es:

A B 0 0 1 1

0 1 0 1

F = (a*b) 1 1 1 0

NOR, cuya tabla correspondiente es:

A B 0 0 0 1 1 0 1 1

F = (a+b) 1 0 0 0

XOR, también llamada función OR-EXCLUSIVA. Responde a la tabla: A 0 0 1 1

B 0 1 0 1

F=A+B 0 1 1 0

177


Compuertas lógicas Los circuitos digitales electrónicos se denominan circuitos lógicos ya que, con la entrada apropiada, establecen trayectorias lógicas de manipulación. Cualquier información que se desee para computación o control puede operarse por el paso de señales binarias a través de diversas combinaciones de circuitos lógicos, cada señal representa una variable y lleva un bit de información. Los circuitos lógicos que realizan las operaciones lógicas vistas hasta el momento poseen una representación normalizada, la cual se muestra en la figura siguiente:

Fig. 4.33 Símbolos de las operaciones lógicas.

Toda puerta lógica consta de 1 o más entradas y 1 o 2 salidas (puede darse el caso de proporcionarse la salida y su negada). En todos los símbolos las entradas se encuentran a la izquierda y las salidas a la derecha.

Funciones lógicas. La aplicación más directa de las puertas lógicas es la combinación entre dos o más de ellas para formar circuitos lógicos que responden a funciones lógicas. Una función lógica hace que una o más salidas tengan un determinado valor para un valor determinado de las entradas. Supongamos que tenemos dos entradas, A y B, y una salida F. Vamos a hacer que la salida sea 1 lógico cuando A y B tengan el mismo valor, siendo 0 la salida si A y B son diferentes. En primer lugar veamos los valores de A y B que hacen 1 la función: 178


A=1yB=1 A=0yB=0 Es decir, podemos suponer dos funciones de respuesta para cada caso: F1 = A*B (A y B a 1 hacen F1 1) F2 = A'*B' (A y B a 0 hacen F2 1) La suma de estas funciones será la función lógica final que buscamos: F = F1 + F2 = (A*B)+(A'*B') A continuación vamos a ver como en muchos casos es posible simplificar la función lógica final en otra más simple sin alterar el funcionamiento del circuito. Simplificación de funciones Supongamos que tenemos un circuito donde "F" es la respuesta (salida) del mismo en función de las señales A, B, y C (entradas): F = A*B*C + A'*B*C + B*C Esta función puede ser simplificable aplicando las propiedades del álgebra de Boole. En primer lugar aplicamos la propiedad distributiva: F = B*C*(A+A') + B*C Ahora aplicamos las leyes de idempotencia: F = B*C + B*C = B*C Como hemos podido ver en este ejemplo en muchas ocasiones se puede simplificar la función (y por tanto el circuito) sin que ello afecte al resultado. Más adelante veremos como simplificar funciones empleando otros métodos más sencillos y fiables.

179


4.2.2 Contadores y temporizadores. En casi todos los tipos de equipo digital se encuentran flip-flops programados o conectados como contadores, usándose no solamente como contadores si no como equipo para dar la secuencia de operación, división de frecuencias, así como para manipulación matemática. En el sentido más elemental, los contadores son sistemas de memoria que ―recuerdan‖

cuántos pulsos de reloj han sido aplicados en la entrada. La secuencia en que esta información se almacena depende de las condiciones de la aplicación y del criterio del diseñador de equipo lógico. Mucho de los contadores más comunes se encuentran disponibles en paquetes de circuitos integrados. Los contadores son sistemas secuénciales con una entrada de impulsos, cuyo estado interno en cada instante representa el número de impulsos que se ha aplicado a aquélla. El número de estados internos ha de ser igual al máximo número de impulsos que se desean contar, más uno que será el estado inicial, el cual indicará la ausencia de impulsos. Los parámetros más importantes de los contadores son los siguientes: a) Frecuencia máxima de los impulsos que pueden contar. Depende de la tecnología utilizada en la realización de los biestables y las puertas lógicas que constituyen el contador. b) Código de contaje. Los más utilizados son el binario natural y el decimal codificado en binario natural . c) Capacidad de contaje. Es el mayor número de impulsos que ha de ser contados por el sistema. Este parámetro fija el número de elementos biestables que se han de utilizar. Si llamamos n al número de impulsos que se han de contar, el número de biestables necesarios m, ha de cumplir la relación: 2m 1 < n + 1 < 2m 180


Por ejemplo, si el número de impulsos a contar es 9, el contador ha de tener 4 biestables, dado que: 24 1 < 9 + 1 < 2 4 d) Modo de operación. Los contadores pueden ser síncronos o asíncronos según su modo de operación y sus diferencias principales son las siguientes: 1) La máxima frecuencia de operación de los contadores síncronos es superior a la de los asíncronos porque, antes de aplicar a la entrada de éstos un nuevo impulso, es necesario que todos los biestables hayan cambiado de estado. 2) Los contadores asíncronos son menos complejos que los síncronos por que el número de puertas que se utilizan para controlar las entradas de los biestables es menor. 3) Los contadores asíncronos presentan el problema de la aparición de impulsos aleatorios en la decodificación de sus estados.

Contadores Asíncronos (Tipo rizado). El contador tipo rizado es un contador básico comúnmente implementado con circuitos integrados. De todos los contadores éste es el más sencillo en lógica y, por lo tanto, el de diseño más fácil, sin embargo este contador está limitado por su velocidad de operación. Puesto que los flip-flops en el contador tipo rizado no están bajo el mando de un solo pulso de reloj, este contador es asíncrono.

Fig. 4. 33 se muestra un contador binario tipo rizado de 4 dígitos.

181


Inicialmente todos los flip-flops están en el estado lógico 0 (QA = QB = QC = QD = 0). Se aplica un pulso de reloj en la entrada de reloj del flip-flop A causando que QA cambie de 0 lógico a 1 lógico, el flip-flop B no cambia de estado, ya que es disparado por la transición negativa del pulso, o sea, cuando la entrada del reloj cambie de 1 lógico a 0 lógico. Con la llegada del pulso del reloj al flip-flop A, QA cambia de 1 a 0; este cambio de estado crea la transición negativa del pulso necesaria para disparar el flip-flop B y, por lo tanto QB cambia de 0 a 1. Antes de la llegada del decimosexto pulso del reloj todos los flip-flops están en estado 1, y el pulso número 16 causa que QA, QB, QC, y QD cambien a 0 lógico. El contador binario de 4 dígitos repite el ciclo cada 2n (n = número de flip-flops) pulsos de reloj.

Fig. 4. 34 Pulsos de reloj

Este contador establece la secuencia en un sistema de base 16 y tiene 16 estados discretos que van desde 0 hasta N-1. Los 16 estados binarios se muestran en la tabla siguiente:

Fig.4.35 Secuencia de base 16

182


La frecuencia máxima del reloj para un contador es dada por:

1/f < = N (Tp) + Ts

N= Número de etapas de flip-flops. Tp = Tiempo de propagación de un flip-flop. Ts = Tiempo de compuerta, ancho del pulso de la salida decodificadora. Suponiendo que cada flip-flop del contador mostrado en la Fig., tiene un pulso de propagación de 50ns, se requiere entonces 200 ns, para que el contador cambie de 1111 a 0000, y si la decodificación de un estado requiere 100 ns, entonces:

1/ f > = 4(50) + 100 = 300 ns f > = 3.67 Mhz El flip-flop A en el contador de la Fig., cambia de estado con cada pulso de reloj, por lo que divide entre 2 la frecuencia del reloj de entrada. El flip-flop B cambia de estado con cada dos pulsos de reloj, dividiendo la frecuencia entre 4. Un contadorde 4 etapas puede usarse para dividir entre 16 (2n, N = número de flip-flops), se pueden agregar más etapas si se requiere dividir entre una potencia de 2 más alta.

Para dividir entre cualquier entero, se puede usar el siguiente método: Encontrar el número n de flip-flops requeridos:

2n-1 < = N < = 2n

N = Longitud del ciclo del contador. Si no es un apotencia de 2, usar la siguiente potencia superior de 2. 

Conectar todos los flip-flops como contador tipo rizado.



Encontrar el número binario N-1.



Conectar todas las salidas de los flip-flops que son 1 en la cuenta N-1 como entradas en el bloque NAND. También conecte el pulso de reloj al bloque NAND.



Conectar la salida del bloque NAND a las entradas de preenergizado (clear) de todos los flip-flops para los cuales Q = 0 en la cuenta N-1.

183


Fig. 4.35 Contadores

El contador se restablece de la siguiente manera: en la transición positiva del pulso N de reloj, todos los flip-flops tienen el valor de 1 lógico y en la parte final del mismo pulso o sea en la parte de transición negativa, todos los flip-flops cuentan para el estado 0, es decir, que el contador se restablece y empieza de nuevo el ciclo. Para N = 10: 

23 < = 10 < 24. Entonces, se requieren 4 flip-flops.

 N = 10; 1010  N -1 = 9 : 1001 

conectar como se muestra en la Fig. anterior.

Cada flip-flops en un contador, como en la Fig., tiene un peso o valor decimal específico asignado. El flip-flop A tiene un peso de 2° (1), cuando su salida está en 1 lógico. El flipflop B tiene un peso de 21 (2), C tiene un peso 22 (4) y D tiene un peso de 23 (8). El número almacenado en el contador en cualquier tiempo específico se puede determinar por la suma de los pesos decimales de los flip-flops que tengan valor de 1 lógico. Un contador que cuenta en forma binaria estándar y recicla cada 10 pulsos, es referido como contador BCD 8-4-2-1 (código binario decimal). En muchos paquetes de contadores en circuitos integrados, las líneas de preenergizado mostrados en la Fig. 4.35, no existen; sólo se dispone de una línea de borrado común. 184


Contadores sincrónicos. El contador sincrónico elimina los retrasos acumulativos de los flip-flops que se vieron en los contadores tipo rizados. Todos los flip-flops en el contador sincrónico están bajo el control del mismo pulso de reloj. La velocidad de repetición está limitada sólo por el retraso de uno de los flip-flops, más el retraso introducido por los bloques de control. El diseño de contadores sincrónicos para cualquier base numérica diferente de alguna potencia de 2 se dificulta más que los contadores tipo rizados, pero el diseño se simplifica mediante el uso de la técnica de mapas Karnaugh. En la Fig. 4.36 se muestra un contador sincrónico de 4 dígitos binarios con cargo en paralelo. El cargo en paralelo, también conocido como ―cargo adelantado‖ es el más rápido de los dos métodos de control de flip-flops. De acuerdo

con la tabla de estados, el flip-flop A se requiere que cambie de estado con la ocurrencia de cada pulso de reloj, el flip-flop B cambia cuando QA = 1; C cambia de estado cuando QA = Qn = 1, y D cambia de estado cuando QA = QB = QC = 1. El control del flip-flop A se puede lograr mediante la conexión de JA y KA a un 1 lógico; el control del flip-flop B se logra con la conexión de JB y KB a QA; el control del flip-flop C se logra mediante la salida invertida de un bloque NAND de 2 entradas, cuyas entradas son QA y QB. El flipflop D se controla en la misma forma que C, excepto que las entradas del bloque NAND son QA, QB y QC.

Fig. 4.36 Contador sincrónico

185


Se puede diseñar contadores sincrónicos para conteo binario con una longitud de ciclo 2n una vez que se ha visto el patrón de la lógica de control; para ciclos de longitud diferente de 2n, la lógica de control algunas veces puede llegar a hacerse un tanto confusa y ésta es la razón por la que las matrices de control (mapas de Karnaugh) tienen que dibujarse para cada uno de los flip flops. En la tabla se muestra las matrices de control para el contador sincrónico de 4 dígitos binarios. Estado Q0

QC Qg

QA

0

0

0

0

0

1

0

0

0

1

2

0

0

1

0

3

0

0

1

1

4

0

1

0

0

5

0

1

0

1

6

0

1

1

0

7

0

1

1

1

8

1

0

0

0

9

1

0

0

1

10

1

0

1

0

11

1

0

1

1

12

1

1

0

0

13

1

1

0

1

14

1

1

1

0

15

1

1

1

1

0

0

0

0

0

Fig. 4.37 Tabla para el contador síncrono de 4 digitos.

186


4.3 Controladores Lógicos Programables (PLC) Es un dispositivo digital utilizado para el control de máquinas y operación de procesos. Se trata de un aparato digital electrónico con una memoria programable para el almacenamiento de instrucciones, permitiendo la implementación de funciones específicas como: lógica, secuencias, temporizado, conteo y aritmética; con el objeto de controlar máquinas y procesos. Estos equipos son utilizados en donde se requieran equipos con capacidad de control lógico y/o secuencial. También pueden utilizarse en donde se debe implementar una aplicación de control regulatorio sencillo. Las aplicaciones típicas son: máquinas envasadoras, hornos automáticos, sistemas de seguridad, transportes de materiales, etc.

Campos de aplicación: El PLC por sus especiales características de diseño tiene un campo de aplicación muy extenso. La constante evolución del hardware y software amplía continuamente este campo para poder satisfacer las necesidades que se detectan en el espectro de sus posibilidades reales. Su utilización se da fundamentalmente en aquellas instalaciones en donde es necesario realizar procesos de maniobra, control, señalización, etc., por tanto, su aplicación abarca desde procesos de fabricación industrial de cualquier tipo al de transformaciones industriales, control de instalaciones, etc. Sus reducidas dimensiones, la extrema facilidad de su montaje, la posibilidad de almacenar los programas para su posterior y rápida utilización, la modificación o alteración de los mismos, etc., hace que su eficacia se aprecie fundamentalmente en procesos en que se producen necesidades tales como:

187




Espacio reducido



Procesos de producción periódicamente cambiantes.



Procesos secuénciales.



Maquinaria de procesos variables.



Instalaciones de procesos complejos y amplios.



Chequeo de programación centralizada de las partes del proceso.

Ejemplos de aplicaciones generales podrían ser los siguientes: a) Maniobra de máquinas.  Maquinaria industrial del mueble y madera.  Maquinaria en procesos de grava, arena y cemento.  Maquinaria en la industria del plástico.  Maquinarias – herramientas complejas.  Maquinaria de ensamble.

b) Maniobra de instalaciones.  Instalaciones de aire acondicionado, calefacción, etc.  Instalaciones de seguridad.  Instalaciones de frío industrial.  Instalaciones de almacenamiento y trasvase de cereales.  Instalaciones de platas embotelladoras.  Instalaciones en la industria de automoción.  Instalaciones de tratamientos térmicos.  Instalaciones de plantas depuradoras de residuos.  Instalaciones de cerámica.

c) Señalización y control.  Chequeo de programas.  Señalización del estado de procesos

188


Ventajas e inconvenientes del PLC. No todos los autómatas ofrecen las mismas ventajas sobre la lógica cableada, ello es debido, principalmente a la variedad de modelos existentes en el mercado y a las innovaciones técnicas que surgen constantemente. Tales consideraciones nos obligan a referirnos a las ventajas que proporciona un Autómata de tipo medio.

Ventajas del PLC Las condiciones favorables que presenta un PLC son las siguientes: 1. Menor tiempo empleado en la elaboración de proyectos debido a que:  No es necesario dibujar el esquema de contactos.  No es necesario simplificar las ecuaciones lógicas, ya que, por lo general, la

capacidad de almacenamiento del módulo de memoria es lo suficientemente grande.  La lista de materiales queda sensiblemente reducida, y al elaborara el presupuesto

correspondiente eliminaremos parte del problema que supone el contar con diferentes proveedores, distintos plazos de entrega, etc. 2. Posibilidad de introducir modificaciones sin cambiar el cableado ni añadir aparatos. 3. Mínimo espacio de ocupación. 4. Menor coste de mano de obra de la instalación. 5. Economía de mantenimiento. Además de aumentar la fiabilidad del sistema. 6. Posibilidad de gobernar varias máquinas con un mismo Autómata. 7. Menor tiempo para la puesta de funcionamiento del proceso al quedar reducido el tiempo de cableado. 8. Si por alguna razón la máquina queda fuera de servicio, el autómata sigue siendo útil para otra máquina o sistema de producción.

189


Inconvenientes. Como inconvenientes podríamos hablar, en primer lugar, de que hace falta un programador, lo que obliga adiestrar a uno de los técnicos en tal sentido, pero hay otro factor importante, como el costo inicial, que puede o no ser inconveniente. Según las características del automatismo en cuestión. Dado que el PLC cubre ventajosamente un amplio espacio entre la lógica cableada y el microprocesador, es preciso que el proyectista lo conozca tanto en su amplitud como en sus limitaciones. Por tanto, aunque el coste inicial debe ser tenido en cuenta a la hora de decirnos por uno u otro sistema, conviene realizar todos los demás factores para asegurarnos una decisión acertada.

Estructura de un PLC: Para interpretar la estructura de un PLC utilizaremos un sencillo diagrama en bloques. en la Fig. 4.38 se muestran las partes fundamentales: CPU, las entradas y las salidas.

FIG. 4. 38 Partes fundamentales de un PLC

_CPU es el cerebro del PLC, responsable de la ejecución del programa desarrollado por el usuario. Estrictamente, la CPU está formada por uno o varios procesadores; en la práctica, puede abarcar también a la memoria, partes de comunicaciones, circuitos de diagnóstico, fuentes de alimentación, etc.

_Las entradas (interfases o adaptadores de entrada) mediante el interfaz adapta y codifica de forma comprensible por la CPU las señales procedentes de los dispositivos de entrada o captadores. A las entradas se conectan sensores, que pueden ser: Pulsadores, Llaves, Termostatos, Presostatos, Límites de carrera, Sensores de proximidad,Otros elementos que generan señales binarias (ON-OFF). 190


La CPU se comunica con las interfases de entrada por medio de un bus paralelo. De esta forma se cuenta con un bus de datos y un bus de direcciones. Adicionalmente, un bus de alimentación provee alimentación eléctrica a las interfases de entrada.

_Salidas, mediante el interfaz, trabaja de forma inversa a la de entradas, es decir, decodifica las señales procedentes de la CPU, las amplifica y manda con ellas los dispositivos de salida o actuadotes, como lámparas, relés, contactores, etc, aquí también existen unos interfaces de adaptación a la salida y de protección de circuitos internos. Las salidas comandan distintos equipos, por ejemplo: Lámparas, Sirenas y bocinas,

Contactores de mando de motores, Válvulas solenoide, y Otros elementos comandados por señales binarias. Con las partes descritas podemos decir que tenemos un Autómata, pero para que sea operativo son necesarios otros elementos tales como:  La unidad de alimentación  La unidad o consola de programación  Los dispositivos periféricos  Interfaces.

Captadores

Sección

Sección

de

de

entradas

salidas

Actua dores

Dispositivos Consola de

periféricos.

Fig. 4.39 Partes internas de un PLC

191


_Unidad de alimentación o fuente de alimentación adapta la tensión de red de 220 V y 50 Hz a la de funcionamiento de los circuitos electrónicos internos del Autómata, así como los dispositivos de entrada de: 24 Vcc.

_Unidad de programación. Hemos dicho que la CPU elabora las salidas en función de los estados de las entradas y de las instrucciones del programa de usuario, pero, ¿cómo accede el usuario al interior de la CPU para cargar en memoria su programa?, la respuesta es mediante la unidad de programación. En los Autómatas más sencillos es un teclado con un display similar a una calculadora que cuando se quiere cargar un programa en la CPU se acopla a ésta mediante un cable y un conector, o bien se enchufa directamente a la CPU.

_Periféricos. Son aquellos elementos auxiliares, físicamente independientes del Autómata, que se unen al mismo para realizar su función específica y que amplían su campo de aplicación o facilitan su uso. Como tales no intervienen directamente ni en la elaboración ni en la ejecución del programa.

_Interfaces. Son aquellos circuitos o dispositivos electrónicos que permiten la conexión a la CPU de los electos periféricos descritos. Ver Fig. 4.39.

Fig. 4. 40 Conexión de un PLC

192


Clasificación • Por su construcción: Integral Modular

• Por

su capacidad:

Nivel 1: Control de variables discretas y pocas analógicas, operaciones aritméticas y capacidad de comunicación elementales. Nivel 2: Control de variables discretas y analógicas. Matemáticas de punto flotante. E/S inteligentes. Conexión en red. Gran capacidad de manejo de datos analógicos y discretos.

• Por cantidad de E/S:

microPLC (hasta 64 E/S) PLC pequeño (65 a 255 E/S) PLC mediano (256 a 1023 E/S) PLC grande (más de 1024 E/S)

Llamaremos PLC integral a aquel que integre todas sus partes una misma caja o gabinete (Figura 4.41). Se suele utilizar también la denominación de compacto, pero la aparición de PLCs modulares de pequeño tamaño hace que éste resulte inadecuado. El PLC integral suele tener muy pocas E/S, clasificándose en general como micro PLC. Tiene como ventajas un bajo costo y un pequeño tamaño. Una desventaja es la imposibilidad de expandir un equipo en forma gradual. En general se parte de un equipo básico que puede ampliarse mediante el agregado de unas pocas unidades de expansión con cantidad y tipo de E/S. Otra desventaja es la escasa variedad disponible de tipos de E/S, ya que, al estar éstas integradas en un gabinete, es imposible cubrir una amplia gama de opciones.

Un PLC modular, como su nombre lo indica, está formado por módulos. El equipo se arma sobre un bastidor o base de montaje (también llamada chasis o rack) sobre el cual se instalan la CPU, los módulos de entrada, los módulos de salida y otros periféricos (Figura 193


4.42). El chasis contiene en su parte posterior los buses de datos, direcciones y alimentación del PLC, con conectores apropiados a los que se conectan los distintos módulos. Por la forma que tienen estos módulos, es usual que se los denomine tarjeta. Es así que es muy frecuente encontrar la frase tarjeta de entrada/salida en referencia a los módulos de entrada/salida. La principal ventaja que un PLC modular frente a uno integral es evidente, el usuario puede componer su equipo con la cantidad y tipo de entradas y salidas que necesite, y luego puede ampliarlo agregando los módulos necesarios.

Fig. 4. 41 PLC integral TP-02 Fig. 4. 42 PLC modular Simatic S7400

Clasificación por capacidad: La clasificación por capacidad distingue dos niveles, en función de la complejidad de las instrucciones que el PLC puede manejar. El nivel 1 identifica a un PLC con construcciones sencillas y no muy potentes, mientras que el nivel 2 identifica a los PLCs con funciones de mayor complejidad. Algunas de las instrucciones que podemos encontrar en un PLC de nivel 2, y que en general no estarán en un PLC de nivel 1 son: raíz cuadrada, logaritmo, antilogaritmo, aritmética de doble precisión y de punto flotante, funciones trigonométricas, diferenciación e integración lazos PID, etc. Es usual que a mayor cantidad de E/S corresponda mayor capacidad del PLC. 194


Clasificación por cantidad de E/S La clasificación por cantidad de E/S es arbitraria. A pesar de ello, este parámetro es el indicador que habitualmente define un PLC. Los fabricantes ofrecen características tales como la capacidad de memoria, operaciones aritméticas, etc., en directa relación a la cantidad de entradas y salidas que el controlador puede manejar. Así, por ejemplo, suele haber una directa relación entre la clasificación de PLCs como integrales, y los clasificados como microPLC por la cantidad de E/S. Más aún, este PLC clasificado como integral por su construcción y como microPLC por su cantidad de E/S, probablemente deba se clasificado como de nivel 1 en cuanto a su capacidad.

Funcionamiento de un Autómata . Memoria

Temporiza

Contadore

Marcas

Imágenes

Imágenes

Datos de

Memoria RAM

Memoria ROM (Sistema operativo)

Módulo Unidad de

ALU

Control

(AKKU 1Y2,

Canal

Módulos

Módulos analógicos.

digitales

_entrada

-

_salida

entrada

Módulos funcionales. _Hardware. Módulos periféricos

195


Funcionamiento de la CPU. Memoria RAM: La CPU dispone de una memoria RAM y sus características son las siguientes: Su contenido puede modificarse rápidamente. Si falla la alimentación y no hay batería tampón se pierde su contenido.

Memoria de programa: El programa de mando se almacena en una zona reservada de la memoria RAM denominada memoria de programa.

Temporizadores/ contadores/ marcas: La CPU tiene implementados temporizadores y contadores, que pueden cargarse, borrarse, arrancarse y pararse desde el programa. Los valores de tiempo (temporización) y de cómputo (valor de contador) se almacenan en zonas reservadas de la memoria RAM. Otra zona de la memoria RAM permite almacenar por ejemplo: resultados intermedios. Estas posiciones de memoria se denominan marcas.

Módulos de memoria: Sirven para salvaguardar el programa cuando está desconectado al Autómata o para transferir programas al autómata. 

Módulo de memoria EPROM.

Para borrar el contenido del módulo es necesario un dispositivo de borrado por luz ultravioleta. 

Módulo de memoria EEPROM. El contenido del módulo puede sobrescribirse.

Memoria ROM (Sistema operativo): El sistema operativo incluye programas de sistema que fijan la ejecución del programa de usuario, la gestión de entradas y salidas, la división de la memoria, la gestión de datos, y similares. El sistema operativo es fijo y no puede modificarse. 196


Datos del sistema: En una zona reservada de la memoria RAM están almacenados, por palabras, parámetros del sistema. La unidad de control utiliza estos parámetros para procesar el programa de mando.

Unidad aritmética lógica (ALU): Se compone de dos acumuladores, AKKU 1 y 2, que procesan las operaciones por bytes y por palabras. También se dispone de un AKKU de bits para procesar operaciones binarias.

Unidad lógica: Esta gobierna y coordina todo el Autómata. Siguiendo el programa, llama sucesivamente las instrucciones contenidas en la memoria de programa, y las ejecuta. Para ello se procesan las informaciones contenidas en las imágenes de proceso de la entrada (PAE).Y se consideran los valores de los temporizadores y contadores internos así como los estados de señal de las marcas internas.

Módulo de memoria: Los programas de mando pueden almacenarse en un módulo de memoria. Los programas contenidos en un módulo de mando pueden copiarse en la memoria de programa.

Canal serie. A través del conector del canal serie es posible conectar: _Un aparato de programación _Un aparato de operación. _La red local SINEC L1.

197


Conclusiones. Los componentes electrónicos han venido evolucionando a través del tiempo que cada día, mas pequeños y complejos son los circuitos eléctricos, esto se debe a que los componentes son elaborados con la finalidad de realizar diversas tareas dentro del circuito en el caso de los circuitos integrados su desarrollo ha revolucionado los campos de las comunicaciones, la gestión de la información y la informática. Los circuitos integrados han permitido reducir el tamaño de los dispositivos con el consiguiente descenso de los costos de fabricación y de mantenimiento de los sistemas. Al mismo tiempo, ofrecen mayor velocidad y fiabilidad. Los relojes digitales, las computadoras portátiles y los juegos electrónicos son sistemas basados en microprocesadores. Otro avance importante es la digitalización de las señales de sonido, proceso en el cual la frecuencia y la amplitud de una señal de sonido se codifica digitalmente mediante técnicas de muestreo adecuadas, es decir, técnicas para medir la amplitud de la señal a intervalos muy cortos. Por lo cual es importante poder conocer la estructura, el funcionamiento, la conexión de los elementos electrónicos para poder darles el mejor uso y sacar provecho de todos los beneficios que nos proporcionan. Debemos de tener muy presente que la electricidad es igual de importante que los elementos electrónicos ya que gracias a ella podemos manipular dichos componentes. Son tan extensas las aplicaciones que le podemos dar a la energía eléctrica, que la mayoría de los otros tipos de energía (térmica, química, nuclear, etc.,) se convierten en energía eléctrica, de aquí que la electricidad y sus múltiples aplicaciones constituyan una sección tan importante de nuestra civilización tecnológica , y si pretendemos que el estudiante tenga éxito en su tarea de atender , conservar y eficientizar las diversas máquinas y dispositivos eléctricos tiene que poseer un buen conocimiento y fundamento de la teoría básica de la electricidad y de sus diversas aplicaciones.

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Una de las cualidades de la energía eléctrica es que se puede transportar económicamente a grandes distancia en fracciones de segundo paras ser utilizada donde sea necesaria como en las ciudades, fábricas, centros industriales, centros comerciales, centros de transporte, en el campo, etc. La electricidad puede ser destructiva si no se manipula o controla adecuadamente, pero bajo control es muy útil, ya que puede desarrollar con seguridad una gran diversidad interminable de funciones por lo cual es importante tener presente los principios básicos de la misma, además de concientizar que el conjunto de equipos, funciones, técnicas y métodos mencionados en este proyecto combinadas adecuadamente con el recurso humano nos permite lograr una ejecución correcta y efectiva sobre la electricidad, además de formar un amplio criterio mejor fundamentado al tener que tomar decisiones correctas.



Es importante valorar que la vida útil de un equipo o partes del sistema eléctrico dependen muchas veces del uso adecuado que le estemos dando, por lo tanto, el conocer estos principios teóricos de la electricidad y electrónica industrial son de gran importancia e indispensables. El conocer estas bases nos ayuda no tan solo a tener un equipo seguro, adecuado y eficiente sino que nos ayuda a evitar fallas constantes que pueden llegar hacer fatales en algunos casos.

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Recomendaciones. El conocimiento de estas bases teóricas es de gran importancia para entender los aparatos y sistemas eléctricos en una forma integral y precisa además de comprender mejor su funcionamiento, pero para poder ampliar nuestro criterio es fundamental conocer no tan solo la teoría sino también la práctica, la cual, con el paso del tiempo nos proporciona experiencia y habilidades. Por lo que mi sugerencia sería: 

Poner interés y empeño en cada una de las prácticas que se desarrollan en el laboratorio.



Trabajar con todo el equipo y material eléctrico con que cuenta el laboratorio para poder conocer físicamente como esta constituido dicho equipo.



Conseguir catátologos de material eléctrico para estar más familiarizados con las actualizaciones recientes que salen al mercado.



Agregar cursos especiales independientemente de las clases o prácticas de laboratorio

como

por

ejemplo:

embobinado

de

motores,

generadores,

transformadores, paro y arranque de motores a tensión reducida, etc, con el fin de que el alumno sea capaz de dominar no tan solo la teoría sino también la práctica de dichos temas. 

Promover visitas mas frecuentes a industrias de la zona, la cual nos ayuda a tener una idea más precisa de la importancia que tiene un sistema eléctrico en nuestra sociedad.

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También es importante que exista alguna materia que hable sobre motivación y superación personal ya que esto le puede dar seguridad al alumno y deseos de superación constante.

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APUNTES Curso Electricidad y Electrónica Industrial

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