Convertidor Fase Rotativo

Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Eléctrica

IE – 0502 Proyecto Eléctrico

DEFINICIÓN DE UNA ESTRATEGIA DE CONSTRUCCIÓN Y ESTIMACIÓN DE LOS COSTOS DE LA PRODUCCIÓN DE CONVERTIDORES ROTATORIOS DE FASE DE 5 a 25Hp

Por: Jose Pablo Barquero Ávila

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DEFINICIÓN DE UNA ESTRATEGIA DE CONSTRUCCIÓN Y ESTIMACIÓN DE LOS COSTOS DE LA PRODUCCIÓN DE CONVERTIDORES ROTATORIOS DE FASE DE 5 a 25Hp Por: JOSE PABLO BARQUERO ÁVILA Sometido a la Escuela de d e Ingeniería Eléctrica de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Costa Rica como requisito parcial para optar por el grado de: BACHILLER EN INGENIERÍA ELÉCTRICA Aprobado por el Tribunal:

_________________________________ Ing. JAIME ALLEN FLORES Profesor Guía

____________ ________ ________ _______ _______ ________ ________ ______ __ Ing. OSCAR NÚÑEZ MATA Profesor lector

___________ ________ _______ ________ ________ ________ _______ ______ ___ Ing. MAURICIO CESPEDES Profesor lector

DEDICATORIA A todas las personas que de una u otra forma contribuyeron en mi formación, a los(as) que siempre estuvieron ahí y especialme especialmente nte a mi familia.

RECONOCIMIENTOS A los Profesores Jaime Allen y Oscar Núñez, por su guía en la elaboración de este proyecto.

ÍNDICE GENERAL ÍNDICE DE FIGURAS............. FIGURAS.............................. ................................. ....................................................vii ....................................vii ÍNDICE DE TABLAS..................................................................................viii NOMENCLATURA..................... NOMENCLATURA.... .................................. ....................................................................x ...................................................x Resumen...........................................................................................................xi Capítulo 1: Introducción.................................................................................1 1.1 Objetivos 1.1.1Objetivo general.............................................................................................................2 1.1.2 Objetivos específicos.............................................................................................2 1.2 Metodología .....................................................................................................................3

CAPÍTULO 2: Desarrollo teórico...................................... teórico...................................................................5 .............................5

2.1Convertidores de fase........................................................................................................5 2.2Convertidores estáticos......................................................................................................5 2.2.1Ventajas y desventajas de Los convertidores estáticos de fase...............................6 2.3Convertidores Rotatorios...................................................................................................7 2.3.1Características de salida .........................................................................................8 2.3.2Angulo de Fase......................................................................................................10 2.3.3 Capacidad de un convertidor rotatorio de fase. ...................................................10 2.3.5 Principales aplicaciones de los convertidores Rotatorios de Fase.......................14 2.3.6 Componentes de un convertidor Rotatorio de Fase.............................................15 2.3.6.1 Motor de inducción ..........................................................................................15 2.3.6.1.1 Jaula de ardilla ................................................... ............................................................................................. ..........................................15 15 2.3.6.1.1 Rotor Bobinado ............................................... ................................................................... ............................... ...................... ............17 .17 2.3.7 Propiedades de los motores Asíncronos de inducción ................................................18 2.3.5.2 Temporizador ...................................................................................................19 2.3.5.3 Capacitores ......................................................................................................19 2.3.5.4 Contactores .......................................................................................................20 2.4Comportamiento del motor de inducción Trifásico Alimentado con energía monofásica. 22 2.4.1 Sin Capacitor de arranque ...................................................................................22 2.4.2 Con capacitor de arranque ...................................................................................25 2.4.3 Comportamiento del motor trifásico trabajando con solo dos fases....................27 2.5Factores que afectan afectan la eficiencia del convertidor rotatorio...................... rotatorio................................. ...................... ...........28 28

CAPÍTU CAPÍ TULO LO 3: Di Dise seño ño y Re Reco come menda ndaci cion ones es pa para ra la co cons nstru trucc cció iónn de convertidores Rotatorios de Fase..................................................................29 Fase..................................................................29

3.1 Consideraciones para el diseño de un convertidor. ........................................................30 3.1.1 Recomendaciones de diseño:.......................................................................................30 3.1.1.1Motor a utilizar:..................................................................................................30 3.1.1.2Capacitores: ....................................................................................................30 3.1.1.3 Valores de capacitancias requeridos:................................................................31 Temporización del capacitor de arranque......................................... arranque................................................... ..................... .................34 ......34 Calibre de los cables:....................................................................................................35 3.2 Diseño del convertidor a implementar............................................................... implementar.......................................................................... ............38 .38 3.2.1 Motor del convertidor:.................................................................................................38 3.2.2 Calibre del cable:.........................................................................................................40 Tamaño del cable trifásico:...........................................................................................40 Tamaño del cable monofásico:......................................................................................41 ......................................................................................................................................41 3.2.3 Fusibles a utilizar:........................................................................................................42 3.2.4 Capacitores a utilizar:..................................................................................................42 3.2.5 Circuito de control ......................................................................................................43 Contactor del motor ......................................................................................................44 Contactor de arranque ............................................................ ......... .............................................................. ...................... ..................... ...............44 .....44 Temporizador................................................................................................................45 Botones a utilizar ................................................................................................. ....................................................... ..........................................46 46 3.3 Variación en los elementos para convertidores de distintas potencias ..........................46 3.4 Estimación de costos de construcción del convertidor...................................................47 3.5.1 Costos de producción convertidor implementado................................................51 3.5.2 Costos de producción de convertidores utilizando diferentes componentes........52 3.6 Recomendaciones para la construcción y operación de convertidores rotatorios de fase................................................................................................................................54

Capitulo 4 Pruebas Realizadas al Convertidor Implementado ................57

4.1 Característica de salida...................................................................................................57 4.1.1 Valores de Capacitancias Utilizados............................................................................58 4.1.1.1 Capacitancia de Arranque ........................................ .................................................. ..................... ...................... ..............58 ...58 4.1.1.2 Capacitancias de Trabajo .................................................................................59 4.1.1.3 Zona de operación del convertidor implementado............................................62 4.2Eficiencia del convertidor ..................................................... .............................................................................. .................................... ................63 .....63

Capitulo 5 Conclusiones y Recomendaciones ..........................................66

Recomendaciones para montar y operar Convertidores Convertidores rotatorios de fase. .........................66 ......................... 66 Recomendaciones acerca del equipo necesario....................................................................68 Conclusiones obtenidas de la teoría .....................................................................................69 Conclusiones obtenidas del trabajo en el laboratorio ..........................................................70

BIBLIOGRAFÍA............................................................................................72 Anexos ......................................................................................... ............................................................................................................74 ...................74

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 2.1 Implementación de un convertidor rotatorio utilizando ...................................6 un convertidor estático[13]..................................................................................................6 Figura 2.2 Característica de salida de un Convertidor rotatorio[2].....................................9 Figura 2.3 Diagrama de conexión de un Convertidor rotatorio [2]...................................12 Figura 2.4 Conexión en paralelo de dos Convertidores rotatorios [2]..............................13 Figura 2.5 Diagrama Diagrama de conexión para para un Convertidor rotatorio rotatorio [2]. .............................13 Figura 2.6 Rotor Jaula de ardilla[7] ...................................... ................................................. ...................... ...................... ....................16 .........16 Figura 2.7 Motor de inducción inducción Jaula de ardilla[14]......................................... ardilla[14].................................................... ................16 .....16 Figura 2.8 Motor de inducción rotor devanado[11]..........................................................17 Figura 2.9 Esquema de las bobinas del estator del motor trifásico .................................22 Figura 2.10 Esquema de las bobinas del estator del motor trifásico trifásico .......................... ............... .................25 ......25 Figura 3.1 Característica de salida de un Convertidor rotatorio Tensión de línea Vs Carga [2]...........................................................................................33 Figura 3.2 Esquema básico del convertidor rotatorio de fase fase a implementar................ implementar.......... .........38 ...38 Figura 3.3 Esquema básico del circuito de control de convertidor rotatorio....................43 Figura 4.1 Comportamiento de la tensión entre T1 y T3 para distintos............................60 distintos......................... ...60 valores de capacitancia......................................................................................................60 Figura 4.2 Característica de Salida del convertidor implementado..................................61 Figura 4.3 Comportamiento del factor de potencia de la carga alimentada................ alimentada..................63 ..63 Figura 4.4 Comportamiento de la eficiencia del sistema..................................................64

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 3.1 Tamaños recomendados para cables y fusibles [1]...........................................36 Tabla 3.2 Valores y capacidades de los elementos para convertidores de mayor potencia. ...........................................................................................................................................47 Tabla 3.3 Precio de Contactores aptos para el motor del convertidor...............................48 Tabla 3.4 Precio de temporizadores..................................................................................48 Tabla 3.5 Precio de Capacitores para el convertidor.........................................................49 Tabla 3.6 Precio de botonera y gabinete...........................................................................49 Tabla 3.7 Precio de posible mano de obra........................................................................50 Tabla 3.8 Elección #1 Precio de componentes para el convertidor implementado...........51 Tabla 3.9 Elección #2 Precio de componentes para un convertidor de 7.5 Hp.................52 Tabla 3.10 Elección #3 Precio de componentes para un convertidor de 7.5 Hp...............53 Tabla 3.11 Resumen de costos de producción para las diferentes elecciones de componentes......................................................................................................................54 Tabla A.1 Datos utilizados para obtener el grafico mostrado en la figura 4.1 (Característica de salida para diferentes valores de capacitancia) ...................................74 Tabla A.2 Se presentan los datos obtenidos con el Analizador para graficar el comportamiento del voltaje en terminales terminales ante el aumento en la carga. (Caracterí (Característica stica de salida final del convertidor)...............................................................................................74 ..........................................................................................................................................76 Tabla A.3 Datos utilizados para obtener el grafico grafico mostrado en la figura 4.3..................76 4.3............. .....76 Tabla A.4 Datos utilizados para obtener el grafico mostrado en la figura 4.4 (Eficiencia del convertidor).................................................................................................................76

NOMENCLATURA (Debe de incluir aquí la simbología utilizada en todo el proyecto, por ejemplo:)  L1

Línea de alimentación monofásica 1.

 L2

Línea de alimentación monofásica 2.

T1

Línea trifásica # 1.

T2

Línea trifásica #2.

T3

Línea trifásica #3 esta es la fase generada en el convertidor.

C.T 1

Capacitor de trabajo colocado entre L1 y T3.

C.T 2

Capacitor de trabajo colocado entre L2 y T3.

C.A

Capacitor de arranque.

 NEC 

National Electric Code

 B.CP

Bobina Contactor de potencia (Motor)

 B.CA

Bobina Contactor de arranque (Capacitor de Arranque)

Resumen El principal objetivo del proyecto fue definir una estrategia de construcción de convertidores rotatorios de fase, estimar los costos de producción de los mismos y realizar pruebas con el fin de obtener datos acerca de su eficiencia. Primero se consulto bibliografía la cual en su mayoría corresponde a diferentes artículos, publicados en Internet donde se trata el tema, esto con el fin de comprender el func fu ncio iona nami mien ento to de es este te ti tipo po de co conve nvert rtid idor or as asíí co como mo co conoc nocer er de qu quee mo modo do es está tánn construidos estos convertidores. Una vez que se cubrió el asunto de los conceptos y conocer las partes que conforman un convertidor se se procedió con la implementación implementación de un convertidor rotatorio de fase el mismo se implemento utilizando utilizando un motor de 3Hp y se coloco coloco el laboratorio de maquinas eléctricas de la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Costa Rica, en este mismo laboratorio se realizaron las pruebas que tuvieron como fin obtener valores para la eficiencia del convertidor, para cargar el convertidor se utilizo un motor de inducción de 4Hp, esto no esta del todo bien ya que para estos convertidores las cargas deben de ser de una potencia menor o igual a la potencia del motor del convertidor, pero se hizo de esta manera pues no se contaba con otro tipo de cargas que se pudieran aplicar. Luego de implementar el convertidor procedió a realizar una estimación de costos de producción del convertidor que se implemento. , esto por que era necesario conocer el

tiempo promedio que se tardaba en montar y realizar las pruebas necesarias para dejar operando el convertidor rotatorio de fase. Se realizaron las pruebas necesarias para obtener datos de los cuales se pudiera encontrar un valor para la eficiencia del convertidor. Se llego a la conclusión que este tipo de convertidor se comporta de mejor manera para cargas mayores. Cuando se opera a un bajo nivel de carga la eficiencia es menor y esta aumenta, conforme se aumenta el nivel de carga.

Capítulo 1: Introducción Una características del sistema de distribución eléctrica con el que se cuenta en el país es que el servicio trifásico solo se encuentra en cercanías de grandes sectores comerciales e industriales así como en áreas de gran densidad de carga, pero brindar este servicio en áreas residenciales o áreas donde se encuentren pequeños negocios no resulta rentable, por lo cual es imposible obtener el servicio trifásico de la compañía en estos sectores. Gran numero de pequeñas empresas empresas se encuentran encuentran situadas en estas zonas, esto esto es un problema ya que deben oper operar ar con maqui maquinas nas monofásicas monofásicas y como es bien conocido estas presentan presentan baja eficiencia y un mal factor de potencia, esto representa un problema para las empresas, también los motores monofásicos normalmente normalmente se encuentran para potencias potencias por debajo de los 10 hp, esto aunado a que hay diversas maquinas que operan forzosamente con motores trifásicos, de aquí que se ha buscado soluciones para obtener energía trifásica a partir de la energí ene rgíaa mon monofá ofásic sicaa que bri brinda nda la com compañ pañía ía de dis distri tribuc bución ión el eléc éctri trica ca,, una de es estas tas soluciones han sido los convertidotes rotatorios de fase, estos pueden encontrarse en diferentes potencias y se escogen según sea la carga trifásica que deba alimentar, pueden encontrarse los que algunas compañías compañías venden para una carga especifica especifica o algunos que han sido construidos casi de modo artesanal, de aquí la inquietud de definir una estrategia de constru cons trucc cción ión de con conver vertid tidore oress rot rotato atorio rioss de fase, así como es estim timar ar los cos costos tos de la producción de los mismos, además se fija un rango de potencias entre 5 y 25 Hp ya que se considera que este es el ámbito de mayor uso de estos convertidores.

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1.1 Objetivos 1.1. 1. 1.11 Ob Obje jeti tivo vo ge gene nera rall •

Definir una estrategia de construcción de convertidores rotatorios de fase de 5 hp a 25 hp.

1.1.2 Objetivos específicos •

Diseñar 3 sistemas de control para los convertidores de 5 a 25 hp.

•

Especificar materiales y mano mano de obra necesaria para para construir los convertidores. convertidores. Cálculo de costos. Se analizaran componentes componentes de distintas calidades calidades

•

Establ Est ablec ecer er pro proce cedim dimien ientos tos,, as asíí com comoo dar re recom comend endac acione iones, s, par paraa la cor correc recta ta instalación, operación y mantenimiento del convertidor.

•

Construir un convertidor y realizar pruebas de laboratorio con el fin de determinar potencias mínimas y máximas y la eficiencia.

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1.2 Metodología La primera etapa de este proyecto consiste en la definición de una base teórica donde se expliquen diversos conceptos relacionados con el proyecto, se explicaran características de los convertidores rotatorios de fase, así como las implicaciones de trabajar con energía monofásica y trifásica, se explicara como se puede hacer funcionar un motor trifásico a partir de energía monofásica también se dedicara una parte de este marco teórico para hablar de capacitores, especialmente los utilizados en este tipo de aplicaciones. Luego de tener claros los conceptos que se encuentran en la parte teórica donde se explican conce con ceptos ptos importa importante ntess se proceder procederáá a rea realiz lizar ar la par parte te del dis diseño eño de un sis sistem temaa de conver con vertid tidor or rot rotato atorio rio de fas fase, e, se pre prete tende nde re reali aliza zarr est estee dis diseño eño par paraa tre tress dif difere erente ntess convertidores la diferencia diferencia en los diseños será básicamente básicamente la potencia ya que se planea hacerlo para tres diferentes potencias. Una vez realizado los tres diseños se procederá a realizar una estimación de los costos para el montaje de un convertidor rotatorio de fase, se harán cotizaciones de los materiales necesarios y se planea cotizar diferentes calidades de los componentes esto con el fin de analizar la diferencia en precio que representa el usar unos u otros componentes. Establecer un procedimiento para la correcta instalación operación y mantenimiento del convertidor tomando en cuenta las características de los diferentes componentes que lo conforman, las cargas que se encuentran conectadas a este convertidor y el lugar donde esta operando el mismo, lo que se pretende es dar recomendaciones para prolongar la vida útil así como un aprovechamiento aprovechamiento optimo del convertidor.

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Después de haber cumplido con lo planteado anteriormente se procederá al montaje de un convertidor rotatorio de fase, este montaje se realizara en el laboratorio de maquinas eléc el éctr tric icas as de la es escu cuel elaa de in inge geni nier ería ía el eléc éctr tric ica, a, la pot poten enci ciaa de es este te co conve nvert rtid idor or a implementar se definirá mas adelante. La idea de realizar el montaje de este convertidor con el fin de realizar pruebas pruebas experimentales donde se obtenga el comportamiento de este al aplicarle carga además de realizar pruebas con el fin de obtener la eficiencia de este convertidor implementado.

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CAPÍTULO 2: Desarrollo teórico 2.1Convertidores de fase. Se puede encontrar dos tipos de convertidores de fase, A SABER: Estáticos y Rotatorios, como su nombre lo indica la diferencia más notoria entre ambos tipos es que uno funciona mediante conexión y desconexión de capacitores de modo que no tiene partes móviles, mientras el segundo funciona mediante el efecto de inducción que se da en el motor.

2.2Convertidores estáticos Estos convertidores usualmente son mas baratos que los convertidores rotatorios, pero presentan la desventaja que son funcionales para trabajar con motores de bajo nivel de carga, de modo que dependiendo de la aplicación resulta mejor utilizar convertidores rotatorios. Los convertidores de fase estáticos son equipos muy económicos, diseñados solo para poner en operación motores trifásicos, no generan la tercer fase, estos unen la tercera línea a alguna de las dos líneas de alimentación monofásica mediante una capacitancia. Estos equipos solo deben emplearse en motores eléctricos trifásicos donde su carga no sea mayor del 70% de la potencia de este. Para motores con cargas mayores al 70% y para cargas distintas a motores, debe usar un convertidor rotatorio. En ocasiones los mismos fabricantes recomiendan utilizar convertidores rotatorios cuando se necesita operar motores a un 100% de su potencia. La recomendación recomendación de estos fabricantes fabricantes es utilizar un convertidor estático para realizar el proceso de arranque del motor que conforma convertidor rotatorio, esto se puede observar en la siguiente figura.

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Figura 2.1 Implementación de un convertidor rotatorio utilizando un convertidor estático[13]. 2.2.1Ventajas y desventajas de Los convertidores estáticos de fase El presente trabajo pretende abarcar el tema de convertidor rotatorio de fase, sin embargo es importante también mencionar, algunas características de los convertidores estáticos, pues dependiendo de la aplicación este tipo de convertidor podría ser utilizado en lugar de un convertidor rotatorio, representando una opción mas económica. Ventajas: •

Instalación sencilla pues para instalar este tipo de convertidor solo se necesita fijar el lugar donde se ubicara y conectar los cables en su respectivo lugar.

•

Resulta ser un equipo relativamente económico para poner en operación motores trifásicos.

•

Larga vida.

•

Funcionales para ciclos de arranques largos y pesados.

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•

Funcionan para implementar convertidores rotatorios ya que funcionan como circ ci rcui uito to de ar arra ranqu nquee so solo lo es ne nece cesa sari rioo ad adic icio iona narr el mo moto torr pa para ra te tene nerr el convertidor rotativo.

Desventajas: •

Aplicaciones limitadas únicamente se puede alimentar motores con este tipo de convertidor.]

•

Los motores que operen con este tipo de convertidor deben operar a un 60% de su potencia nominal. (tomando en cuenta el punto anterior).

•

Los convertidores estáticos deben escogerse para un rango de operación es decir tienen potencia mínima y potencia máxima de operación.

•

Solo se consiguen para rangos potencias bajas o medianas los mas grandes son para potencias de entre 40 y 50 Hp.

2.3Convertidores Rotatorios.

Un error de concepto concepto muy común es pensa pensarr que un conve convertido rtidorr rotatorio rotatorio de fase es algo similar a un conjunto de motor-generador Cuando en realidad un convertidor rotatorio se puede construir a partir de un motor trifásico, añadiendo un par de bancos de capacitores de trabajo y un banco de capacitores de arranque. Un convertidor rotatorio tiene en si mismo un pequeño convertidor estático este es el capacitor de arranque, cuando la corriente circula por las bobinas crea un campo giratorio,

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este campo atraviesa cada grupo de bobinas que se encuentran separadas por 120 grados mecánicos, producto de este flujo giratorio se obtiene a la salida ondas sinusoidales desfasadas 120 grados entre si. Las magnitudes de estas fases pueden ser diferentes, debido al los capacitores o al efecto efecto de inducción que puede presentarse con con mayor efecto en unas bobinas que en otras, sin embargo es indiscutible que se produce voltaje trifásico en las terminales del motor, además una ventaja de este tipo de convertidores es que usualmente el voltaje trifásic trifásicoo generado tiende tiende a ser balancead balanceadoo o fáci fácill de bala balancea ncearr y además las ondas están desfasadas exactamente 120 grados. Este proceso de inducción es similar al que se da en un transformador, donde el secundario es el rotor, este transformador transformador rotativo tiene una relación de transformación transformación 1:1, esto quiere decir dec ir que lo que hac hacee es converti convertirr el voltaje voltaje monofási monofásico co a tri trifá fásic sicoo man manten tenie iendo ndo la magnitud del voltaje de la fuente monofásica. Bajo condiciones normales de carga los convertidores rotatorios pueden trabajar de manera continua 24 horas al día, cada día, pueden trabajar sin carga carga o en condición de plena carga, no necesitan ser desconectados excepto para las debidas inspecciones periódicas o para darle mantenimiento

2.3.1Características de salida Como se menciono anteriormente la calidad de la energía trifásica obtenida con este convertidor conver tidor depende depende de varios factores factores como como lo son, la capacidad capacidad del convertidor, convertidor, la demanda de la carga que se este alimentando, esta se afecta especialmente cuando se dan arranques de motores (pueden ser compresores o bombas por ejemplo), el factor de

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potencia de la carga que se este alimentando y la técnica que se haya utilizado para balancear al voltaje entre las fases. También es importante mencionar que el comportamiento de la salida en un convertidor rotatorio de fase varia con la carga y al igual que la mayoría de las maquinas eléctricas se comporta de mejor manera cuando se encuentra a plena carga, ya que en condición de vació lass pe la perd rdid idas as so sonn ma mayor yores es y di dism smin inuy uyen en co conf nfor orme me se au aume ment ntaa la ca carg rga. a. Cu Cuan ando do el convertidor se encuentra en vació el voltaje en la línea manufacturada tiende a presentar un voltaje bastante alto y este disminuye y se estabiliza conforme se aumenta la carga, pero una ves sobrepasado el 100% de la carga este voltaje tiende a caer rápidamente, este comportamiento se describe en la siguiente figura.

Figura 2.2 Característica de salida de un Convertidor rotatorio[2].

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Cuando se da el arranque de un convertidor rotatorio es importante esperar que este alcance su ve velo loci cida dadd no nomi mina nall y lu lueg egoo de al alca canz nzad adoo es este te pu punt ntoo se pue puede de co colo loca carr ca carg rgaa al convertidor.

2.3.2Angulo de Fase Como en un motor trifásico los arreglos de los devanados des estator están colocados de modo que aya una separación de 120 grados mecánicos entre cada bobinado, entonces al tener un campo magnético girando en el interior del motor y siempre y cuando este campo gire a velocidad constante se obtendrán ondas desfasadas 120 grados eléctricos en las terminales del motor, este efecto es similar al que ocurre en un generador donde las ondas generadas están desfasadas 120 grados eléctricos y la frecuencia de estas ondas generadas depende de la velocidad de giro del rotor, de modo que sin importar el nivel de carga del convertidor la separación entre los bobinados en el estator no varia de modo que las ondas que se encuentren en las terminales del convertidor siempre presentaran un desfase cercano a 120 grados eléctricos entre si.

2.3.3 Capacidad de un convertidor rotatorio de fase. Un convertidor rotatorio puede manejar cargas de alrededor de 3 veces la potencia indicada en la placa del motor que lo conforma, siempre y cuando la carga este conformada por motores y que se respete que el motor de mayor potencia conectado sea de una potencia

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igual a la potencia nominal del motor del convertidor, el resto de las cargas puede estar conformada por motores de menor potencia, por ejemplo un convertidor implementado con un motor de 25hp puede manejar fácilmente 75 hp siempre y cuando el motor mas grande conectado sea de 25hp, esto por que así podrá soportar sin ningún problema la corriente de arranque de este motor que posiblemente será muy parecida a la corriente de arranque del motor del convertidor y los restantes 50 hp pueden ser conformados por motores de menor potencia. Un convertidor rotatorio puede operarse sin capacitores de trabajo siempre y cuando la carga no sobrepase 2/3 de la potencia nominal del motor que conforma el convertidor, este tipo de operación no es muy recomendable debido a que se presenta mala regulación de tensión y el voltaje inducido en la línea T3 será muy poco estable, por lo que no se puede contar con esta línea de modo que se puede suponer que el motor esta trabajando con solo dos fases.

2.3.4 Estructura del convertidor. Paraa ent Par entend ender er com comoo fun funcio ciona na un con conver vertid tidor or rot rotato atorio rio de fas fase, e, pr prime imero ro es nec neces esari arioo comprender como esta conformado y como se realiza la conexión entre sus diferentes partes. Un convertidor rotatorio de fase requiere dos líneas con fases simples (energía monofásica), estas serán llamadas L1 y L2 el diagrama básico de conexión se muestra en la siguiente figura :

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Figura 2.3 Diagrama de conexión de un Convertidor rotatorio [2]. Como se observa en la figura se podría decir que la carga y el convertidor están conectados en paralelo respecto a las líneas de fase simple (L1 y L2) la tercera línea (T3) es la única que sale directamente del convertidor, esta es llamada fase creada o manufacturada. El trabajo del convertidor es producir voltaje en esta tercera línea y además regular el voltaje y la corriente entre las tres líneas. El desempeño del convertidor depende de varias variables como el tipo de convertidor, la magnitud de la carga, el factor de potencia y la estabilidad de la alimentación monofásica. También se puede dar la opción de colocar varios convertidores rotatorios trabajando en paralelo, esto en casos donde se hayan dado ampliaciones en la carga o que simplemente se desee utilizar dos convertidores, previendo que en el momento que uno salga de operación el otro convertidor pueda llevar parte de la carga.

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Figura 2.4 Conexión en paralelo de dos Convertidores rotatorios [2].

A continuación se muestra el circuito equivalente simplificado de un convertidor rotatorio de fase n este caso solo se cuenta con una capacitancia de trabajo:

Figura 2.5 Diagrama de conexión para un Convertidor rotatorio [2].

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En este caso el diagrama se muestra con un solo capacitor de trabajo, usualmente se colocan dos capacitores de trabajo uno entre las líneas L2 y T3 y otro entre las líneas L1 y T3. Además el capacitor de arranque se coloca entre las líneas L2y T3 o L1 y T3.

2.3.5 Principales aplicaciones de los convertidores Rotatorios de Fase. Como se ha mencionado anteriormente la función principal de un convertidor de fase en obtener energía trifásica a partir de energía monofásica, en sitios donde la compañía de distribución eléctrica no brinda el servicio, pero hasta el momento no se ha mencionado aplicaciones especificas, especificas, aunque es conocido que los convertidores rotatorios d fase, presentan gran versatilidad para trabajar en diferentes tareas, a continuación se mencionan algunas áreas donde se pueden utilizar y su posible aplicación. 

En la indust industria: ria:

para maqui maquinas nas de solda soldar, r, aca acabar, bar, cort cortar ar y dar forma a meta metales, les, en

sistemas sist emas de ventil ventilació ación, n, banda bandass trans transporta portadoras doras,, manejo manejo de compresore compresores, s, sistemas sistemas de de bombeo, etc. 

En los neg negoci ocios: os: par paraa la im impre presió sión, n, sis sistem temas as de te telev levisi isión, ón, es estac tacion iones es de rad radio, io,

restaurantes, marinas, lavado de autos, lavandería; 

En la agricultura: barrenas, elevadores, empaquetadoras, granjas y lecherías, Sistemas de

irrigación(bombeo). 

En la industria maderera: para trabajo trabajo en aserrader aserraderos, os, el equipo de transporte transporte de materia

prima (Troncos de los árboles).

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2.3.6 Componentes de un convertidor Rotatorio de Fase Un convertidor rotatorio esta compuesto por varias partes y componentes, cada una de las piezas tiene una función especifica dentro del funcionamiento del convertidor. La pieza mas importante consiste en el motor que se utilice generalmente este motor consiste un motor de inducción jaula de ardilla, también se deben utilizar tres diferentes capacitancias, una de arranque y dos de trabajo, además de estos elementos se debe utilizar contactores para activar y desactivar el convertidor, también un temporizador para desconectar la capacitancia de arranque.

2.3.6.1 Motor de inducción

2.3.6.1.1 Jaula de ardilla El motor de jaula de ardilla es el mas común y utilizado en loa industria, son pequeños de bajo precio y de fácil mantenimiento. La característica principal de este tipo de motor esta en la construcción del rotor, este esta constituido por barras longitudinales generalmente de cobre que se encuentran unidas en sus extremos a un anillo conductor que se encarga de cortocircuitar todas las barras, se puede decir que cada conductor forma una espira con el conductor que se encuentra en el lado opuesto. Usualmente las barras del rotor están inclinadas ya que esto mejora las propiedades del motor en el arranque.

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Figura 2.6 Rotor Jaula de ardilla[7] Por otra parte el estator de un motor de inducción de jaula de ardilla es igual al Estator de un motor de rotor devanado y al del motor sincrónico.

Figura 2.7 Motor de inducción Jaula de ardilla[14]

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2.3.6.1.1 Rotor Bobinado El motor de inducción de Rotor bobinado (o devanado) surge, por la necesidad de solucionar algunos problemas que presenta el motor de rotor de jaula de ardilla, como lo son el control de velocidad a frecuencia constante y la elevada corriente de arranque. La estructura del estator de este motor, así como su devanado no varia respecto al motor de  jaula de ardilla, las las diferencias están están en la construcción construcción del rotor. El motor de rotor bobinado cuenta un con un rotor en el cual se encu encuentra entrann aloja alojados, dos, tres devanados de fase conectados en estrella. Los extremos de los devanados se unen a tres anillos rozantes de cobre fijados al eje eje del rotor y aislados entre si si y del núcleo del rotor, estos anillos se encuentran unidos mediante escobillas a un reóstato con el fin de tener la opción de variar la resistencia rotórica y de este modo reducir la corriente de arranque y aumentar el par de arranque.

Figura 2.8 Motor de inducción rotor devanado[11]

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2.3.7 Propiedades de los motores Asíncronos de inducción Ventajas de los motores con rotor de jaula Velocidad aproximadamente constante, para diferentes cargas. • •

Posibilidad de soportar grandes sobrecargas.

•

Sencillez en la construcción

•

Ausencia de contactos móviles

•

Rendimiento mas alto que el motor de rotor bobinado.

Desventajas Dificultad para regular la velocidad. • •

Alta corriente de Arranque.

•

Bajo factor de potencia p otencia para cargas pequeñas.

•

Sensibilidad a las oscilaciones de la tensión. [11]

Ventajas de los motores con rotor Bobinado •

Gran par de arranque inicial.

•

Posibilidad de grandes sobrecargas.

•

Menor corriente de arranque en comparación con los motores de jaula de ardilla.

•

Posibilidad de usar dispositivos de arranque automáticos.

Desventajas •

Sensibilidad a las oscilaciones de tensión

•

Factor de potencia y rendimiento menor que el motor de rotor de jaula.

•

Necesidad de mantenimiento periódico. [11]

19

2.3.5.2 Temporizador Un te temp mpor oriz izad ador or es un ap apar arat atoo me medi dian ante te el cu cual al,, pod podem emos os re regu gula larr la co cone nexi xión ón ó desconexió desc onexiónn de un circuito circuito eléctrico, eléctrico, esta conexión conexión o desc desconexi onexión ón se realiza pasa pasado do un tiempo desde que se da un evento X, el cual representa el evento que tomamos como referencia para realizar luego las demás acciones. Hay gran variedad de temporizadores y se pueden clasificar según su modo de operación, ya sea para conectar o desconectar un circuito o por su forma de operar ya que estos pueden ser térmicos neumáticos o electrónicos.

2.3.5.3 Capacitores Los capacitores utilizados en un convertidor de fase son similares a los que se utilizan en un motor monofásico, Generalmente se utilizan capacitores electrolíticos. Para el capacitor de arranque, según diferentes recomendaciones, recomendaciones, este debe de tener un valor entre 50 y 100 F

por H.P y para los capacitores de trabajo también por recomendaciones se determina

deben tener valores entre 12 y 16 F por H.P. Loss ca Lo capa paci cito tore ress el elec ectr trol olít ític icos os se ha hann de desa sarr rrol olla lado do pa para ra lo logr grar ar gr gran ande dess va valo lore ress de capacitancia en dimensiones físicas reducidas. De manera simple se puede ilustrar un capacitor como dos placas conductoras que se colocan una frente a la otra, separadas por una mínimas distancia por medio de un material dieléctrico dieléctrico (no conductor) su capacidad capacidad es proporcional al área de sus placas e inversamente proporcional a la distancia de separación

20

entre estas. Los capacitores electrolíticos son los de mayor capacidad ya que con ellos se tiende a aumentar el área y a disminuir la distancia de separación entre las placas, estos deben su nombre a que el material material dieléctrico dieléctrico contiene contiene un asid asidoo llamado electrolit electrolito. o. La fabricación de un capacitor electrolítico comienza enrollando dos láminas de aluminio separadas por un papel absorbente humedecido con ácido electrolítico. Luego se hace circular una corriente eléctrica entre las placas para provocar una reacción química que producirá una capa de óxido sobre el aluminio, siendo este óxido de electrolito el verdadero dieléctrico del capacitor. [5]

2.3.5.4 Contactores Un contactor es un dispositivo con capacidad de controlar el paso de la corriente eléctrica que va hacia un receptor o instalación, estos dispositivos ofrecen la posibilidad de ser accionados a distancia, normalmente tienen dos posiciones de funcionamiento, una estable o de reposo, cuando no recibe acción alguna por parte del circuito que lo controla, y otra inestable, cuando así se le indica por el circuito de control. Este tipo de funcionamiento es conocido como de "todo o nada". Los contactores se pueden clasificar según el tipo de accionamiento de la siguiente manera: Contactores electromagnéticos. Su accionamiento se

realiza a través de un electroimá electroimán. n.

Contactores electromecánicos. Se accionan con ayuda de medios mecánicos. Contactores neumáticos. Se accionan mediante la presión de un gas. Contactores hidráulicos. Se accionan por la presión de un líquido.

21

Constitución de un contactor electromagnético. - Contactos principales. Son los destinados a abrir y cerrar el circuito de potencia. Están abiertos en reposo. - Contactos auxiliares. Son los encargados de abrir y cerrar el circuito de mando. Están acoplados mecánicamente a los contactos principales y pueden ser abiertos o cerrados. - Bobina. Elemento que produce p roduce una fuerza de atracción (FA) al ser atravesado por una corriente eléctrica. eléctrica. Su tensión de alimentación puede ser de 12, 24 y 220V de corriente alterna, siendo la de 220V la más usual. - Armadura. Parte móvil del contactor. Desplaza los contactos principales y auxiliares por la acción (FA) de la bobina. - Núcleo. Parte fija por la que se cierra el flujo magnético producido por la bobina. bob ina. - Resorte. Es un muelle encargado de devolver los contactos a su posición de reposo una vez que desaparece la fuerza de atracción.

22

2.4Comportamiento del motor de inducción Trifásico Alimentado con energía monofásica. 2.4.1 Sin Capacitor de arranque Para comprender como se hace funcionar un motor trifásico a partir de energía monofásica es importante mostrar como se comporta el mismo cuando es alimentado con energía monofásica, especialmente como se comporta el campo magnético generado en el interior del motor. El campo magnético generado dentro del motor cuando se conecta a energía monofásica se puede describir mediante las siguientes expresiones. Tenemos que el campo magnético producido por una sola bobina se describe mediante la siguiente ecuación: F (α ) = F m sen(ω t )

(2.4.1-1)

Si se alimenta un motor trifásico con energía monofásica monofásica tal y como se muestra en la siguiente figura:

Figura 2.9 Esquema de las bobinas del estator del motor trifásico

23

Entonces Entonc es para el camp campoo magné magnético tico que se produc producee en el interior interior del motor se obten obtendrá drá el siguiente resultado: Considerando que las tres bobinas son idénticas y además están desfasadas 120 grados mecánicos entre sí, además de aplicar una simple maya se encuentra puede encontrar que:  I 2

=

 I 3

=

1  I  2 1

y como el campo magnético producido por una bobina es proporcional a la

corriente que circula por esta se puede afirmar que: F m 2

=

F m3

=

1 F  2 m1

Las fuerzas magnetomotrices producidas por las bobinas bo binas 1,2,3 respectivamente se describen en las siguientes ecuaciones, donde el coseno indica la separación de 120 grados mecánicos que hay entre los devanados del d el estator: F 1 (α ) = F m1 sen(ω t ) cos(α )

(2.4.1-2)

F 2 (α ) = F m 2 sen(ω t ) cos(α  − 120)

(2.4.1-3)

F 2 (α ) = F m3 sen(ω t ) cos(α  − 240)

(2.4.1-4)

Como se puede observar en este caso los grados eléctricos son iguales para todos ya que están alimentados con energía monofásica, lo que varía son los grados mecánicos que hay entre los devanados. Además se tiene que el campo total producido dentro del motor es la suma de los campos producidos por las tres bobinas F() total = F1()+ F2()+ F3()

(2.4.1-5)

24

Desarrollo de la expresión : F  (α ) = F 1 (α ) + F 1 (α ) + F 1 (α ) F  (α ) = F m sen(ω t ) cos(α ) +

1 1 F m sen(ω t ) cos(α  − 120) + F m sen(ω t ) cos(α  − 240) 2 2

F  (α ) = F m sen(ω t )[cos(α ) +

1 1 cos(α  − 120) + cos(α  − 240)] 2 2

(2.4.1-6)

Utilizando la propiedad : cos(a + −b) = cos( a) cos(b) − + sen(a) sen(b)

(2.4.1-7)

se puede rescribir rescribir la ecuación ecuación ( 2.4-6 ) como: F  (α ) = F m sen(ω t )[cos(α ) +

1 1 1 1 cos(α ) cos(120) + sen(α ) sen(120) + cos(α ) cos(240) + sen(α ) sen(240)] 2 2 2 2

F  (α ) = F m sen(ω t )[cos(α ) +

1 3 3 −1 cos(α ) + cos(α ) − sen(α ) + sen(α )] 4 4 4 4

−

F  (α ) = F m sen(ω t )[cos(α ) +

F 

(α )

=

1 2

1 cos(α )] 2

−

F m sen(ω t ) cos(α )

(2.4.1-8)

Rescribiendo esta ecuación con ayuda de la propiedad sen(a + −b) = sen( a) cos(b) + − sen(b) cos(a )

(2.4.1-9)

se obtiene : F  (α ) =

1 4

F m [ sen(ω t  − α ) + sen(ω t  + α ) ]

(2.4.1-10)

25

Se puede observar que esta expresión representa a una fuerza magnetomotriz pulsante, y como es de esperarse con esta Fem es imposible que el motor arranque, (sucede lo mismo que ocurre con el motor monofásico).

2.4.2 Con capacitor de arranque Para solucionar el problema anterior y trabajar este motor trifásico con energía monofásica la solución es colocar un capacitor entre los terminales 2 y 3, como se muestra en la figura (2.4.2), con este capacitor se logra un desfase y de este modo se logra que el motor arranque, esto se demostrara a continuación.

Figura 2.10 Esquema de las bobinas del estator del motor trifásico

Considerando el desfase provocado por este capacitor añadido entre las terminales 2 y 3 se busca de nuevo las ecuaciones para los campos magnéticos producidos por cada bobina y obtiene las siguientes ecuaciones:

F 1 (α ) = F m1 sen(ω t ) cos(α )

(2.4.2-1)

26

F 2 (α ) = F m 2 sen(ω t +

π 

2

) cos(α  + 120)

F 3 (α ) = F m3 sen(ω t ) cos(α  − 120)

Este desfase de

π 

2

(2.4.2-2) (2.4.2-3)

es producto de la adición del d el capacitor al circuito, además con ayuda de

las propiedades y (2.4.1- 7) y (2.4.1- 9) se puede rescribir rescribir las ecuaciones del del campo magnético producido por las bobinas de la siguiente manera: F 1 (α ) = F m1 sen(ω t ) cos(α ) F 2 (α ) = F m 2 cos(ω t )[−

F 3 (α ) = F m 2 sen(ω t )[

Consideramos de nuevo que:

F m 2

=

F m3

=

Luego obtenemos el flujo total utilizando F  (α ) = F m1 sen(ω t ) cos(α ) +

F  (α ) = F m1 sen(ω t ) cos(α ) −

F  (α ) =

1 1 3sen(α ) − cos(α )] 2 2

1 1 3sen(α ) − cos(α )] 2 2

(2.4.2-4) (2.4.2-5) (2.4.2-6)

1 F  2 m1

F  (α ) = F 1 (α ) + F 1 (α ) + F 1 (α )

1 1 F m1 cos(ω t )[− cos(α ) − 3sen(α )] + F m1 sen(ω t )[− cos(α ) + 3sen(α )) 4 4

1 3 1 3 F m1 cos(ω t ) cos(α ) − F m1 cos(ω t ) sen(α ) − F m1 sen(ω t ) cos(α ) + F  sen(α ) sen(ω t ) 4 4 4 4 m1

3 3 1 3 cos(ω t ) sen(ω t ) F m1 sen(ω t ) cos(α ) + F m1 sen(α ) sen(ω t ) − F m1 cos(ω t ) cos(α ) − 4 4 4 4

La cual puede rescribirse rescribirse con ayuda de las propiedades propiedades (2.4.1- 7) y (2.4.1- 9) como: 1 [3( sen(ω t − α ) + sen(ω t + α )) + 3 (cos(ω t − α ) − cos(ω t + α )) 8 − (cos(ω t ) + cos(ω t + (α )) − 3 ( − sen(ω t − α ) + sen(ω t + α ))] F  (α ) =

(2.4.2-6)

27

De modo que se obtiene: F (α )

=

1 8

[(3 + 3 ) sen (ω t  − α ) + (3 + 3 ) sen(ω t  + α ) + ( 3 − 1) cos(ω t  − α ) − ( 3 + 1) cos(ω t  − α )]

(2.4.2-6) De aquí se puede observar que esta ecuación corresponde a un campo magnético giratorio, y este describe el campo magnético que se produce en el interior del motor, producto de este campo magnético se da el giro en el rotor.

2.4.3 Comportamiento del motor trifásico trabajando con solo dos fases. Es pos posibl iblee arr arranc ancar ar un mot motor or tri trifá fásic sicoo a par parti tirr de ene energí rgíaa mon monofá ofásic sica, a, uti utiliz lizand andoo un capacitor de arranque, tal y como se demostró anteriormente, una vez que se tiene el motor girando se puede desconectar el capacitor de arranque y de este modo dejar el motor trabajando con energía monofásica. En esta configuración solo se tiene energía en dos de las tres bobinas del estator de modo que el campo magnético que se que se genera dentro del motor disminuye su magnitud en comparación a cuando se encuentra trabajando con energía trifásica, debido a esta disminución en la magnitud del campo también disminuye la capacidad de entregar potencia del motor ya que pierde el aporte de un arreglo de bobinas, es decir si antes el campo magnético dentro del motor se describía por la ecuación: F  (α ) = F 1 (α ) + F 2 (α ) + F 3 (α )

donde F1(), F2() y F3() representan los aportes de los

arreglos de las bobinas, al estar alimentadas solo dos de las tres fases el campo magnético

28

dentro del motor se puede describir por en la siguiente expresión, como los bobinados del motor son iguales (carga balanceada) inicialmente cada una aportaría lo mismo al campo giratorio de modo que al perder una fase se pierde una tercera parte del campo giratorio y por ende la potencia que puede entregar el motor disminuye aproximadamente una tercera parte. De aquí el echo que cuando se usa un convertidor estático debe usarse en motores que trabajen alrededor de un 60% de su carga nominal.

2.5Factores que afectan la eficiencia del convertidor rotatorio La eficiencia de un convertidor rotatorio esta vinculada a varios factores, como lo son el factor de potencia de la carga, el nivel de carga, el motor utilizado, estabilidad del sistema de alimentación monofásico. También como se menciona en el articulo ¨ Application and performance of rotary phase converters as an alternative to utility supplied three-phase power ¨, el convertidor se comporta de mejor manera cuando este se encuentra trabajando a plena carga. Para entender este tema es importante identificar los puntos donde se dan perdidas. En un convertidor rotatorio de fase la pieza fundamental esta constituida por en motor trifásic trif ásicoo de inducción, inducción, el motor presenta presenta dos tipos de perdi perdidas das las perdidas perdidas fijas (No dependen del nivel de carga) carga) y las perdidas variables variables (Dependen del nivel de carga). carga). Las perdidas fijas se verán reflejadas directamente en la eficiencia del convertidor, estas perdidas fijas son básicamente las perdidas en el núcleo y las perdidas por fricción y

29

ventil ven tilaci ación, ón, tam tambié biénn se deb debee con consid sider erar ar la lass per perdid didas as var variab iables les aun aunque que el mot motor or que conforma el convertidor rotatorio trabaja sin carga, siempre se van a presentar ya que representan la energía que se necesita para mantener girando el convertidor y para producir el voltaje inducido en la fase manufacturada. Básicamente es en el motor donde se dan las perdidas en el convertidor los otros elementos donde se podría dar perdidas seria en contactores, capacitores capacitores y cables utilizados pero con un buen diseño serán mínimas. También es importante el factor de potencia y la eficiencia de la carga, si la carga presenta un bajo factor de potencia esto implica que va consumir gran cantidad de potencia reactiva, esto se vera reflejado en un mayor corriente por las líneas L1 y L2, esto aumenta la potencia de entrada al convertidor, sin embargo la potencia real que se entregada a la carga será mas pequeña respecto a la potencia reactiva, de modo que el la potencia de entrada será mayor y la potencia de salida aumentara muy levemente y esto afecta directamente la eficiencia del sistema convertidor. Algo similar sucede con la variación en la eficiencia de la carga.

30

CAPÍTULO 3: Diseño Diseño y Recomendaciones Recomendaciones para la construcción de convertidores Rotatorios de Fase.

3.1 Consideraciones para el diseño de un convertidor. Cuando se piensa en implementar un convertidor rotatorio de fase hay que tomar en consid con sider erac ación ión var varios ios fa facto ctores res,, él más imp import ortant antes es en con conoce ocerr la car carga ga que se des desea ea alimentar, o al menos un valor aproximado a la potencia que este debe de suplir. La potencia del convertidor el parámetro más importante ya que en base a esta es que se dimensionan los componentes del convertidor.

3.1.1 Recomendaciones de diseño: 3.1.1.1Motor a utilizar: Como se menciono en el capitulo 2 un convertidor rotatorio de fase puede entregar una potencia alrededor de 3 veces la potencia nominal del motor que lo conforma, (se habla de esto para convertidores de fase construidos en fabricas dedicadas a esta tarea, por lo que se recomienda no diseñar de una forma muy ajustada) de modo que conociendo la carga o el valor de potencia que debe suplir el el convertidor, idealmente se se podría escoger un motor con una potencia potencia nominal de alrededor alrededor de 1/3 de la potencia de la carga que se desea desea alimentar, se recomienda que la potencia del motor sea un poco p oco mayor.

31

3.1.1.2Capacitores: Con la lass re reco come mend ndac acio ione ness ob obte teni nida dass en di dife fere rent ntes es ar artí tícu culo los, s, se to toma ma en cu cuen enta ta la consideración de utilizar valores de capacitancia de entre, 50 y 100 F por H.P del motor, para pa ra la ca capa paci cita tanc ncia ia de ar arra ranqu nquee y pa para ra la lass ca capa paci cita tanc ncia iass de tr trab abaj ajoo ta tamb mbié iénn por recomendaciones se determina valores de entre 12 y 16 F por H.P del convertidor. [10]

El valor final de la capacitancia capacitancia de arranque se obtendrá a partir del método de prueba y error ya que no se cuenta con un modelo matemático para calcular el valor de esta capacitancia, solo se tiene la recomendación ya mencionada, por lo tanto el valor definitivo no se conoce.

Para las capacitancias de trabajo se tiene que estas deben tener un valor de entre 12 y 16 F por Hp pero al igual que en el caso de la capacitancia de arranque no se cuenta con un método matemátic matemáticoo donde se obteng obtengaa el valor exacto exacto que debe colocarse, colocarse, además el convertidor no se comporta de la misma manera entre la línea L1 y T3 que como se comporta entre la línea L2 y T3 por lo que el valor de la capacitancia C.T 1 de la figura #1 puede ser diferente al valor de la capacitancia C.T 2 colocada entre las líneas L2 y T3, esto por que internamente el convertidor se comporta de manera asimétrica. La forma de obtener los valores finales de estas capacitancias capacitancias es también a prueba y error.

32

3.1.1.3 Valores de capacitancias requeridos: Para la capacitancia de arranque se debe comenzar probando con valores pequeños (dentro del rango 50-100uF por Hp) e ir aumentando la capacitancia hasta encontrar un valor para el cual el motor logra arrancar rápidamente rápidamente y sin ningún problema.

Capacitancias de trabajo: Para obtener los valores de las capacitancias capacitancias de trabajo (C.T 1 y C.T 2) el método método a seguir es el siguiente: •

Se arranca el motor trifásico por medio del capacitor de arranque.

•

Se verific verificaa que haya vol voltaj tajee en la lín línea ea T3, est estee cor corre respon sponder deráá al voltaje voltaje generado dentro del convertidor.

•

Con los instrumentos adecuados se miden los valores de tensión entre las terminales con el fin de ver si se encuentran cercanos entre sí.

•

Inicialmente se colocan valores de capacitancia a C.T1 y C.T2 (dentro del rango 12-16uF por Hp) y se observa si esto mejoro el balance en las tensiones a la salida del convertidor.

•

Luego de tener algún algún valor de capacitanc capacitancia ia se procede procede a coloc colocar ar carga al convertidor conver tidor,, se trat trataa de carga cargarr desde desde cero y hast hastaa un valor del 100% de la la carga nominal del convertidor, mientras se coloca carga debe observarse el comportamiento de las tensiones de salida, si se da el caso que algún voltaje empieza a caer caer rápidamente esto esto en indicio de que necesita un mayor valor de capacitancia.

33

•

Debe repetirse el paso anterior hasta lograr el mejor balance de tensión posible.

Como el método para encontrar el valor definitivo de estas capacitancias es por prueba y error es posible que el paso anterior deba de repetirse varias veces hasta encontrar los valores de capacitancia que dan el mejor balance de tensión. Es importante mencionar que no se cuenta con un modelo matemático exacto para obtener los valores de capacitancia esto por que no todos los motores y no todas las cargas son iguales de modo que el comportamiento varía para cada carga y es imposible prever todos los compartimientos en una sola ecuación o fórmula. Al final de este procedimiento para encontrar el valor de los capacitores de trabajo se espera obtener un comportamiento similar al mostrado en la siguiente figura:

Figura 3.1 Característica de salida de un Convertidor rotatorio Tensión de línea Vs Carga [2].

34

Para realizar los ajustes en los valores de las capacitancias de trabajo C.T 1 y C.T 2 y de la cap capaci acitan tanci ciaa de arr arranq anque, ue, se rec recomi omiend endaa tra trabaj bajar ar con cap capac acito itore ress de val valore oress pequeños de modo que se pueda ir aumentando suavemente el valor de capacitancia capacitancia.. Los capacitores a utilizar pueden ser electrolíticos similares a los que utilizan los motores monofásicos y deben utilizarse capacitores que soporten un voltaje mayor al voltaje de operación, por ejemplo si fuera un u n convertidor a 220V los capacitores pueden ser de 330 V o 370 Vac. Para los capacitores capacitores de trabajo también se pueden utilizar utilizar capacitores de aceite ya que estos mantienen el valor de capacitancia a lo largo del tiempo a diferencia de los electrolíticos que pierden un poco de su capacidad.

Temporización del capacitor de arranque A la hora de arrancar el motor mediante un capacitor de arranque, es necesario establecer un tiempo prudencial antes de desconectar este capacitor, este tiempo de desconexión o tiempo de retardo debe ser tal que se le permita al motor arrancar de manera correcta esta desconexión del capacitor de arranque se puede realizar mediante un temporizador o relé de retardo. Un relé de retardo es un relé cuyo contacto de salida se conecta instantáneamente al aplicar la tensión de alimentación en los bornes A1 y A2 de la bobina. Al quedar sin alimentación, el relé permanece conectado durante el tiempo ajustado o tiempo de retardo en este caso, este tiempo se regula mediante el potenciómetro frontal que tiene el relé, como es de esperar los contactos se desconectan pasado este tiempo de retardo.

35

Un método alternativo para desconectar la capacitancia de arranque en utilizar un conjunto platino centrífugo, escogido de manera apropiada para la velocidad nominal del motor, este conjunto platino centrífugo desconectaría la capacitancia de arranque en el momento que el motor alcance aproximadamente el 80% de su velocidad nominal, en ese momento se puede decir que el motor esta prácticamente arrancado, esto seria un proceso similar al que se da en los motores monofásicos cuando se desconecta el bobinado auxiliar. La opción de sustituir el temporizador por un conjunto platino centrífugo presenta la ventaja de que la capacitancia de arranque se desconecta una vez que el motor alcanza alrededor del 80% de su velocidad nominal (se puede decir que el motor esta arrancado) mientras que el sistema de temporizador temporizador desconecta desconecta la capacitancia capacitancia de arranque luego de un tiempo ´t´ definido por un operador, sin saber a ciencia cierta, si el motor ya esta arrancado o si por el contrario el tiempo fue mas del necesario.

Calibre de los cables: Luego de verificar la capacidad del convertidor para la aplicación que se requiera, se puede hacer referencia referencia a la tabla# 1 para determinar el el calibre de los los cables y la capacidad de los fusibles que se deben utilizar, utilizar, tanto para la entrada monofásica monofásica del convertidor como para la ca carg rga. a. Id Idea ealm lmen ente te la ca carg rgaa de debe be es esta tarr eq equi uipa pada da co conn su pr propi opiaa pr prot otec ecci ción ón co cont ntra ra sobrecargas y cortocircuitos cortocircuitos así como como protecciones para prevenir el funcionamiento con una sola fase o algún otro tipo de falla [1 ].

36

La siguiente tabla se tomo de un manual de Kay Industries y como se puede observar esta echa para convertidores que trabajan a 230 y 460 Vac, el objetivo de inco in corp rpor orar ar es esta ta ta tabl blaa es el de br brin inda darr un unaa ay ayud uda, a, as asíí co como mo fa faci cili lita tarr el pr proc oces esoo de dimensionar los cables y fusibles a utilizar para convertidores de diferentes potencias. Es decisión del diseñador tomar estos estos valores y analizar analizar la veracidad y funcionalidad de los datos descritos o si mas bien prefiere realizar sus cálculos y dimensionar los componentes por si mismo.

Tabla 3.1 Tamaños recomendados para cables y fusibles [1].

Capacidad Hp Hp

1.5 2 3 5 7.5 10 15 20 25 30 40 50

Fusible de del co convertidor 230V

460V

Tamaño de del ca cable monofásico(AWG) 230V 460V

10 15 20 30 35 40 60 80 1 00 1 25 1 50 1 75

5 7.155 10 15 15 20 30 40 50 60 75 80

12 10 8 8 6 4 1 1 /0 3 /0 4 /0 2-1/0 2-2/0

12 12 10 10 8 8 6 4 4 2 1/0 2/0

Tamaño del cable trifásico(AWG) 230V 460V

12 12 10 10 8 8 6 4 2 1 /0 2 /0 2 /0

12 12 12 12 12 10 10 8 6 6 4 4

37

Notas importantes acerca de la tabla anterior: Los tamaños de los conductores están basados en conductores de cobre del tipo THHN de 90°C, entubados con tres conductores por conducto y en una temperatura ambiente de 30°C. Estos son los tamaños mínimos recomendados para la capacidad nominal de la carga en HP. Se recomienda aumentar el tamaño de los conductores para tramos muy largos de cable donde la caída de voltaje supere el 3% desde la fuente. Se debe usar fusibles de acción retardada para proteger al convertidor de fase. Los conductores trifásicos deben tener las dimensiones correctas para la carga trifásica total.

38

3.2 Diseño del convertidor a implementar. implementar. Para la implementación del convertidor de fase se utilizara como base un diseño facilitado por el profesor Jaime Allen Flores, este se muestra en la siguiente figura:

Figura 3.2 Esquema básico del convertidor rotatorio de fase a implementar.

3.2.1 Motor del convertidor: Como se ha mencionado anteriormente la pieza fundamental de un convertidor rotatorio consiste en el motor que lo conforma para el convertidor que se implementara en el

39

laboratorio se cuenta con un motor de 3 HP, este motor pertenece pertenece a la bodega de la Escuela de Ingeniería. Eléctrica de la Universidad de Costa Rica, el motor con que se cuenta para este caso es un motor de rotor devanado, poco común de encontrar en la actualidad y poco utilizado utili zado para elabora elaborarr convertidore convertidoress de fase, pero es con lo que se cuen cuenta ta así que se trabajara con este motor, no obstante todas las recomendaciones dadas son completamente validas para trabajar con motores de rotor de jaula de ardilla. También se menciono anteriormente un convertidor rotativo puede entregar una potencia de alrededor de tres vecess la potencia vece potencia nominal nominal del del motor que que lo conforma conforma,, pero este este dato dato se obtuvo obtuvo de las las especificaciones, especificac iones, para convertidores fabricados en industrias que se dedican exclusivamente a la const construcc rucción ión de los mism mismos, os, como lo son Kay industries, industries, o Phase-A-Mati Phase-A-Matic. c. Por este detalle no se puede asegurar asegurar que con este motor se podrá construir un convertidor de 9 HP, tomando esta consideración se se decide diseñar un convertidor que pueda entregar entregar alrededor de 7 HP. Se sabe que la potencia trifásica consumida por una carga trifásica balanceada se puede describir por la ecuación: P

Donde: Fp Representa el factor de potencia. VL Representa el voltaje de Línea. IL Representa la corriente de línea.

=

3V  L I  L *  fp

(3.2.1)

40

3.2.2 Calibre del cable: Tamaño del cable trifásico: Para este caso se planea implementar un convertidor de 220V por p or lo cual aproximaremos el valor de VL a 220 V y fijamos la potencia potencia en 7 Hp que es equivalente equivalente a decir 5.2 KW las incógnitas que nos quedan corresponden a la corriente de línea y al factor de potencia pero como es conocido el factor de potencia varia dependiendo de la carga, de modo que se supone el peor caso con un factor de potencia de 0.5. la corriente varia dependiendo del nivel de carga y también del factor de potencia.  I  L

=

P

( 3V  L fp )

(3.2.2)

como ya dijimos se va diseñar para una potencia de 7 Hp lo cual es equivalente a 5.2 KW además acercamos el valor del voltaje de línea a 220V, y suponemos que en el peor de los casos tendremos un factor de potencia de 0.4.

 I  L

=

5.2 KW 

( 3 * 220 * 0.4)

 I  L

=

34.11 A

Con ayuda de la tabla 310.16 del NEC (National Electric Code) se observa que un conductor de cobre cobre del tipo THHN #10 puede soportar soportar hasta 35 A, pero con el fin de no realizar un diseño muy ajustado se considera que para la carga de este convertidor seria bueno utili utilizar zar un cable cable #8 THHN que soporta hasta hasta 50 y de este modo se puede tolerar tolerar algún alg ún tipo de sob sobrec recarg argaa peq pequeñ ueña. a. Si comparam comparamos os este valor obtenid obtenidoo con el val valor or

41

recomendado en la tabla 3.1 se nota que es el mismo, posiblemente el calculo que se realizo para obtener el valor en la tabla 3.1 fue similar al utilizado anteriormente. anteriormente.

Tamaño del cable monofásico: La potencia monofásica consumida será igual a la potencia trifásica entregada mas la potencia consumida por el motor que conforma el convertidor, mas las perdías que puedan darse en diferentes puntos del sistema, la diferencia es que del lado monofásico la potencia entra por dos conductores L1 y L2 si suponemos un sistema balanceado entonces por cada conductor entrara la mitad de la potencia consumida mas la mitad de d e las perdidas totales. Si se realiza la siguiente suposición ignorando las perdidas y suponiendo un factor de potencia de 0.3. Además se tiene que VL1 = VL2 = 120 V : PL1

 I  L1

=

 I  L1

 I  L 2

=

=

I  L 2

P3φ 

=

2

*

=

PL2

=

1 V  L1 *  fp

5200 2 * (120 * 0.4)

P3φ 

2

=

(3.2.3)

VL1 * I 1 *  fp

 I  L1

=

 I  L 2

 I  L1

=

=

P3φ 

2

I L 2

*

=

1 V  L1 *  fp

54.17 A

Con ayuda ayuda de la tab tabla la 310.16 310.16 del NEC se encuent encuentra ra que un cable cable # 6 THHN pue puede de conducir sin ningún problema hasta 65 A, en este caso no se sobredimensiona este conductor ya queda un rango de casi 10 A y se considera que es suficiente para soportan alguna sobrecarga pequeña que pudiera presentarse. Si se compara este valor nuevamente

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con el valor recomendado en la tabla 3.1 tomada del manual de Kay Industries se observa que se recomienda utilizar el mismo calibre de cable.

3.2.3 Fusibles a utilizar: Como se ha mencionado anteriormente se deben de usar fusibles de acción retardada, esto para evitar en los arranques, tanto del mismo convertidor como el arranque de algún motor que se encuentre alimentado por el convertidor. Es importante mencionar que en este caso los fusibles protegen el convertidor cada carga trifásica debe tener sus propias protecciones, y como se puede observar del diagrama básico del convertidor a implementar no toda la corriente que viene de las líneas monobásicas pasa por el convertidor o mas bien a través del motor que conforma en convertidor por esto es que los fusibles que se colocan en L1 y L2 son de valores menores a la corriente que se utilizo para fijar el calibre de los cables. Para estos fusibles se puede tomar la recomendación del manual de Kay industries, pero es importante también considerar considerar que el valor máximo máximo de estos fusibles debe ser tal que no se ponga en riesgo la integridad del motor que conforma el convertidor. Utilizando la recomendac recom endación ión del manu manual al de Kay industries industries (Tabla 3.1) se decide utilizar utilizar fusibles fusibles con acción retardada de 35 A.

3.2.4 Capacitores a utilizar: Como se menciono anterior mente para los capacitores tanto de arranque como de trabajo se utilizaran capacitores del tipo electrolítico, como el método para encontrar los valores

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exactos de capacitancia son por prueba y error no se puede dar los valores exactos a utilizar, pero se tiene presente que se recomienda utilizar para la capacitancia de arranque entre 50y 100 F por Hp del motor, en este caso como el motor es de 3HP esta capacitancia se utilizara un valor de 260uF, con el cual el motor motor arranco sin ningún problema. Para Para los capacitores de trabajo se utilizaran entre 12 y 16

F

por Hp del convertidor, en este caso

como se pretende obtener un convertidor capas de entregar alrededor de 7.5 Hp el valor de las capacitancias de trabajo estarán en un rango entre 90 y 120 uF, lo mejor es utilizar varios capacitores de baja capacidad para realizar un ajuste mas fino del valor requerido.

3.2.5 Circuito de control Para el convertidor que se desea implementar se pretende diseñar un sistema de control donde para poner en operación el convertidor únicamente sea necesario presionar un botón al igual que para apagarlo sea suficiente presionar otro botón.

Figura 3.3 Esquema básico del circuito de control de convertidor rotatorio.

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Este sistema de control planteado en la figura 3.3 no representa una alternativa única, solo es una sugerencia para este caso. Queda en manos del diseñador elegir el modelo del sistema de control que desea utilizar. En el caso mostrado en la figura el sistema de control es a 120Vac, pero dependien dependiendo do de las bobinas de los contactor contactores es puede ser también también a 220Aac Depende de la Topología escogida el tipo de temporizador que debe utilizarse.

Contactor del motor Para el caso del convertidor que se desea implementar es necesario contar con un contactor trifásico que cuente además de con los tres contactos trifásicos (o contactos de potencia) con al menos un contacto contacto de control control del tipo N/A, N/A, esto se debe a la disposici disposición ón de los elementos que se plantea en el diseño del sistema de control. En cuanto a la corriente que deben soportar los contactos de potencia estos deben de soportar una corriente igual o mayor a la corriente nominal del motor. Generalmente los contactores se escogen según la potencia del motor, para este caso se debe utilizar un contactor para un motor de 3Hp. El contactor que se va utilizar en el convertidor a implementar es un contactor norma IEC con capacidad de 18A.

Contactor de arranque El contactor de arranque utilizado entre las líneas L1 y T3, la tarea de este contactor es conectar y desconectar el capacitor de arranque, para este contactor puede utilizarse un contactor de un polo con una capacidad de transporte de corriente igual a la corriente

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nominal por línea del motor, para el caso se usaría un contactor de 10A, o podría utilizarse un contactor trifásico mas pequeño, con una capacidad de una tercera parte de la corriente nominal por línea del motor lo que se debe hacer es conectar los tres contactos de modo que estos funcionen como uno solo, para este caso se podría utilizar un contactor trifásico de 3A. Para este caso en el contactor de arranque se utilizara un contactor de 18A ya que fue el más pequeño que se consiguió en el mercado, pero sobra decir que esta sobredimensionado

Temporizador Por la disposición de los elementos en el diseño del sistema de control se necesita utilizar un temporizador a la desconexión N/A, este es un relé cuyo contacto de salida conmuta instantáneamente al aplicar aplicar la tensión de alimentación en los bornes A1 y A2 de la bobina y al quedar sin alimentación, el relé permanece conectado durante el tiempo ajustado por el potenciómetro frontal, desconectándose al final de dicho tiempo. Para el caso de este convertidor cuando presionamos en botón ¨ ON ¨ se alimenta la bobina del temporizador y este cierra sus contactos alimentando de este modo el contactor de arranque cuando se libera el botón de arranque (ON) se desconecta el temporizador y un tiempo después este regresa sus contactos al estado normal (N/A) desconectando el contactor de arranque y por ende el capacitor de arranque.

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Botones a utilizar Para los botones a utilizar utilizar para encender encender y apagar el convertidor convertidor se debe utilizar utilizar uno del tipo N/A para el botón botón de encendido encendido y otro N/C para el botón de apaga apagado. do. Se pueden utilizar botones de la serie 800T-D del fabricante Allen-Bradley o similares, si se tiene el sistema de control en un gabinete o caja metálica también pueden utilizarse botones que viene en su propia carcaza. En el caso del convertidor implementado se utilizara una botonera ON/OFF independiente que viene en su propia carcaza, esto resulta útil pues da la posibilidad de colocar el interruptor de encendido y apagado en algún lugar no tan cercano al convertidor, de modo que no habrá que desplazarse hasta el convertidor para echarlo andar o detenerlo.

3.3 Variación en los elementos para convertidores de distintas potencias Anteriormente se dan valores para diferentes elementos (contactores y capacitores), para el convertidor a implementar (motor de 3Hp), sin embargo es conocido que los valores y ca capa paci cida dade dess de es esto toss el elem emen ento toss va varí rían an co conn la po pote tenc ncia ia de dell mo motor tor ut util iliz izad adoo y de dell convertidor por lo tanto a continuación se muestra a manera de resumen los valores y capacidades de los diferentes elementos necesarios para implementar convertidores de potencias mayores, la potencia de salida del convertidor se aproxima a tres veces la potencia del motor utilizado.

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Tabla 3.2 Valores y capacidades de los elementos para convertidores de mayor potencia. Capacidad del convertidor

Capacidad Motor (Hp)

15Hp

5

22HP

7.5

30 HP

Capacidad Contactores(A) 20 27 40

10

Calibre de Aproximado los cables capacitancia de Capacitancia de arranque(uF) Trabajo (uF) 1F 3F 266 26 6 (2x 233 33uF uF)) 240 240 (2x 12 120 0uF uF)) 1 444 370 (1x324+1x120) (1x 1x2 280+1x90) 1/0 1/0 840 485 (2x325+1x190) (1 (1x3 x325 25+1 +1x1 x160 60)) 4/ 4/0 0

6 4 1/0 1/ 0

Como se dijo anteriormente, es responsabilidad de la persona encargada de construir el convertidor verificar la veracidad y funcionalidad de los datos anteriores.

3.4 Estimación de costos de construcción del convertidor. En es este te ap apar arta tado do se re real aliz izoo un unaa es esti tima maci ción ón de co cost stos os pa para ra el co conv nver erti tido dorr implementado, aunque el titulo del proyecto habla de convertidores desde 5 y hasta 25 Hp, se hizo de esta manera ya que para este rango, hay varios valores de potencia posibles y componentes que varían según este valor de potencia, como sucede con los capacitores, además de que para un convertidor de una potencia dada hay elementos que no son únicos y en los que hay varias opciones tal y como sucede con los contactores, de modo que tomar en cuenta todas estas consideraciones resulta muy difícil y extenso, además de que no se conocen algunos valores para otro convertidor, como lo es la corriente nominal del motor, utilizada para obtener el contactor que se necesita.

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Una ves que se conoció el valor de la corriente nominal del motor que se iba utilizar se procedió a buscar un contactor adecuado, se encontraron los siguientes precios:

Tabla 3.3 Precio de Contactores aptos para el motor del convertidor. Articulo Contactor 3Hp Contactor 7,5Hp Contactor 3 Hp Contactor 3 Hp Hp Contactor 3Hp Contactor 3Hp Con onta tact ctor or 18 18A A Contacto auxiliar

Fabricante Cutler Hammer Cutler Hammer Cutler Hammer Cutler Ha Hammer Cutler Hammer Cutler Hammer

Modelo C25DND315A C25DND ND3325A CE1 E122BNB NB31 3100A XTCE009B10A CE12CNB310 CE15CNS3AB LC11-D LC -D18 18110 Cutler Hammer C320MCF11

Características Sin contactos auxiliares Sin contactos auxiliares Sin contactos auxiliares Contacto au auxiliar 1N 1N/A (I (IEC) Contacto auxiliar 1N/A (IEC) Contacto auxiliar 1N/A Con onttac actto au auxxil ilia iarr 1N 1N//A 1N/a-1N/C

Punto de venta EATON EAT ATON ON EAT ATON ON EATON EATON EATON GINE GI NES S El Eleect ctri ricc EATON

Costo ¢19000 ¢20300 ¢24000 ¢37800 ¢26500 ¢46900 ¢47 4700 00 ¢9700

Para el temporizador necesario para conectar y desconectar la capacitancia de arranque solo se encontraron dos, ambos en Gines Electric.

Tabla 3.4 Precio de temporizadores. Articulo Temporizador Temporizador

Características Temporizador 120V Temporizador 220V

Punto de venta GINES Electric GINES Electric

Costo ¢7670 ¢18200

Aunque lo mas común en este tipo de convertidores es utilizar un temporizador, para desconectar la capacitancia de arranque también se puede tomar en cuenta la opción de sustit sus tituir uirlo lo por un con conjun junto to pla platin tinoo cen centrí trífug fugo, o, que se enc encarg argar aría ía de des descon conect ectar ar la capacitancia de arranque cuando el motor del convertidor alcance alrededor del 80% de su velocidad nominal, el inconveniente es que se debe realizar un delicado trabajo sobre el motor para poder acoplar este conjunto. Los capacitores tanto de arranque como de trabajo se localizaron en tres puntos de venta, Componentes Electromecánicos, Electromecánicos, PEGSA y Gines Electric, Electric, es este caso se busco busco posibles

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valores de capacitancia, para el convertidor que se implemento, hay valores pequeños de capacitancia pues estos son útiles al momento de realizar el balance de voltaje, pues dan la opción de agregar capacitancia poco a poco hasta encontrar el valor adecuado.

Tabla 3.5 Precio de Capacitores para el convertidor. Articulo Capacitor Arranque Capacitor Arranque Capacitor de trabajo Capacitor de trabajo Capacitor de trabajo Capacitor de trabajo Capacitor Arranque Capacitor Arranque Capacitor de trabajo Capacitor de trabajo Capacitor de trabajo Capacitor de trabajo Capacitor Arranque Capacitor Arranque Capacitor de trabajo Capacitor de trabajo Capacitor de trabajo

Características Capacitor 220V 130-159 uF Capacitor 220V 124-149 uF Capacitor 220V 12 uF Capacitor 220V 60 uF Capacitor 370V 15 uF Capacitor 220V 30 uF Capacitor 220V 130-159 uF Capacitor 220V 124-149 uF Capacitor 370V 12 uF Capacitor 370V 15 uF Capacitor 370V 15 uF Capacitor 440V 60 uF Capacitor 220V 130-159 uF Capacitor 220V 124-149 uF Capacitor 370V 30uF Capacitor 370V 15 uF

Punto de venta GINES Electric GINES Electric GINES Electric GINES Electric GINES Electric GINES Electric Comp Electromec Comp Electromec Comp Electromec Comp Electromec Comp Electromec Comp Electromec PEGSA PEGSA PEGSA PEGSA PEGSA

Costo ¢1605 ¢1425 ¢1425 ¢5625 ¢1600 ¢2530 ¢7140 ¢6640 ¢6615 ¢6915 ¢10870 ¢15640 ¢2475 ¢2370 ¢2370 ¢3925 ¢3010

También es importante considerar un par de botones ON/OFF para poner en operación y detener el convertidor y algún tipo de gabinete metálico donde colocar los contactores y capacitores, se encontraron los siguientes precios en GINES Electric:

Tabla 3.6 Precio de botonera y gabinete Articulo Botonera doble Gabinete metálico

Características Botones ON/OFF

Punto de venta GINES Electric GINES Electric

Costo ¢3260 ¢20000

Para el calculo del costo de mano de obra en la construcción de un convertidor de fase se busco en el Ministerio de Trabajo el salario mínimo para un Electricista un técnico

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calificado y un técnico especializado, ya que se considera que teniendo el diagrama de conexión y un procedimiento adecuado, cualquier persona con algún conocimiento en electric elec tricidad idad puede lleva llevarr a cabo el montaje del convertidor. convertidor. Los salarios salarios encontrados encontrados fueron los siguientes:

Tabla 3.7 Precio de posible mano de obra. Puesto Técnico calificado Técnico especializado Electricista

Salario por jornada ordinaria ¢5206 ¢5720 ¢5970

Por la experiencia obtenida con la implementación del convertidor de fase se considera que una ves que se tiene a mano todos los componentes necesarios para la implem imp lement entaci ación, ón, dos día díass es tie tiempo mpo suf sufic icien iente te par paraa con constr struir uirlo, lo, rea realiz lizar ar las pru prueba ebass necesarias para balancear los voltajes y dejarlo operando. Tomando como base los salarios mostrados anteriormente se estima que la mano de obra puede tener un costo aproximado a los ¢15000.

En cuanto al cable necesario para implementar el convertidor no se considero ya que la longitud de este depende de varios factores factores como lo son la distancia entre entre el convertidor y la fuente monofásica, monofásica, así como la distancia que ahí desde el convertidor convertidor hasta las cargas cargas trifásicas que se deseen alimentar. Los convertidores Rotatorios de Fase se utilizan en lugares donde no se cuenta con el serv se rvic icio io de en ener ergí gíaa tr trif ifás ásic icaa po porr pa part rtee de la co comp mpañ añía ía de di dist stri ribu buci ción ón el eléc éctr tric ica. a.

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Generalmente los lugares donde se trabaja con estos convertidores son zonas alejadas, donde resulta imposible encontrar los componentes para construir o reparar uno de estos convertidores, de aquí la importancia de utilizar componentes de mayor calidad al momento de construir convertidores rotatorios, pues se espera obtener una larga vida útil, además considera consi derando ndo que según la zona geográfica geográfica donde donde se encuentre encuentre operando operando en cas casoo de que algún componente falle se puede tardar días en conseguir la refacción necesaria y esto implicaría detener la producción o parte de ella. Por otro lado si se tiene a la mano cualquier refacción que se pueda necesitar y el proceso de cambiar una pieza solo tomaría una o dos horas, detener el trabajo por este periodo no resulta tan critico de modo que nos podemos dar la libertad de utilizar componentes de una menor calidad y por ende menor precio.

3.5.1 Costos de producción convertidor implementado. Una vez seleccionados los componentes que se van utilizar para implementar el convertidor se procedió a cotizarlos en diferentes lugares, una vez que se conocieron los precios se realizaron tres elecciones de componentes, con el fin de conocer los posibles costos de construcción del convertidor.

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Tabla 3.8 Elección #1 Precio de componentes para el convertidor implementado. Componente Motor 3F 3HP Contactor 18A Capa Ca paccito torr de de arr arraanq nque ue (22 220V 0V 13 130u 0uFF) Capacitor de trabajo (300V 60uF) Capacitor de trabajo (300V 30uF) Capacitor de trabajo (370V 15uF) Capacitor de trabajo (370V 12uF) Conector para capacitor Botonera doble (ON/OFF) Gabinete metálico Mano de obra Total

Cantidad 1 2 2 2 2 2 2 30 1 1

Costo ¢885224 ¢885 ¢9400 ¢3210 ¢112 ¢1 12550 ¢5060 ¢3200 ¢3175 ¢170 ¢1 7000 ¢3260 ¢200 ¢2 0000 00 ¢15000

Punto de venta Giness El Gine Elec ecti ticc Gines El Electic Gines El Electic Gine Gi ness El Elec ecti ticc Gines El Electic Gines El Electic Gines El Electic Comp Co mpon onen ente tess Ele Elect ctro rome mecá cáni nico coss Gines El Electic Gine Gi ness El Elec ecti ticc

¢163780

Los componentes para el convertidor implementado en el laboratorio tuvieron un costo de ¢37000 aproximadamente ya que no se compro ni la botonera ni el gabinete metálico, además tampoco se pago mano de obra, es importante recalcar que los componentes utilizados son los más económicos que se encontraron. Los contactores son contactores genéricos genér icos de Telemecani Telemecanique que y los capacitore capacitoress son en encapsulado encapsulado plástico. plástico. Para estos estos convertidor conver tidores es es recom recomendabl endablee coloc colocar ar la circ circuite uitería ría (cont (contactor actores, es, capa capacitor citores) es) en un gabinete metálico, esto no se hizo para reducir costos pues la implementación solo fue temporal.

3.5.2 Costos de producción de convertidores utilizando diferentes componentes Como una opción de mayor calidad para los contactores tenemos los contactores Cutler Hammer, distribuidos por EATON, así como capacitores en encapsulado metálico, de modo que se pueden dar varias configuraciones que den como resultado diferentes precios.

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A continuación se muestran un par de posibles configuraciones de elementos para construir un convertidor de una capacidad similar a la del convertidor implementado.

Tabla 3.9 Elección #2 Precio de componentes para un convertidor de 7.5 Hp. Com ompo pone nent ntee Motor de inducción 3Hp Contactor 3 Hp (1 cont aux N/A) Contactor 3 Hp (sin cont aux ) Capa Ca paci cito torr de de arr arran anque que (2 (220 20V V 130u 130uF) F) Capa paccitor de trabajo (370 70V V 60uF) Capa paccitor de trabajo (370 70V V 30uF) Capa paccitor de trabajo (370 70V V 15uF) Capacitor de trabajo (370V 12uF) Conector para capacitor Botonera doble (ON/OFF) Gabinete metálico Mano de obra Total

Cantid Cant idad ad 1 1 1 2 2 2 2 2 30 1 1

Cost Co stoo Pu Punt ntoo de ven enta ta ¢8852 ¢88 5244 ¢26500 ¢19000 ¢4950 ¢4712 ¢7850 ¢6020 ¢13164 ¢17700 ¢1 ¢3260 ¢20000 ¢2 0000 ¢15000

Giness Ele Gine Elect ctic ic EATON EATON PEGSA PEGSA PEGSA PEGSA PEGSA Com Co mp. El Elec ectr trom omec ecán ánic icos os Gines El Electic Gine Gi ness Ele Elect ctic ic

¢220700

Tabla 3.10 Elección #3 Precio de componentes para un convertidor de 7.5 Hp. Compo Com pone nent ntee Motor de inducción 3Hp Contactor 3 Hp (1 cont aux N/A) Contactor 3 Hp (sin cont aux) Capa Ca paci cito torr de de arr arraanq nque ue (2 (220 20V V 130 130uF uF)) Capacitor de trabajo (3 ( 3V 60uF) Capacitor de trabajo (370V 30uF) Capacitor de trabajo (370V 15uF) Capacitor de trabajo (370V 12uF) Conector para capacitor Botonera doble (ON/OFF) Gabinete metálico Temporizador 120Vac Mano de obra Total

Canti Can tida dadd 1 1 1 2 2 2 2 2 30 1 1 1

Cost Co stoo Punto de venta ¢885224 ¢885 ¢37800 ¢19000 ¢142 ¢1 4280 80 ¢312 ¢3 1280 80 ¢217 ¢2 1740 40 ¢138 ¢1 3835 35 ¢131 ¢1 3164 64 ¢170 ¢1 7000 ¢3260 ¢200 ¢2 00000 ¢7670 ¢15000

Giness El Gine Elec ecttic EATON EATON Comp Co mp.. El Elec ectr trom omec ecán ánic icos os Comp Co mp.. El Elec ectr trom omec ecán ánic icos os Comp Co mp.. El Elec ectr trom omec ecán ánic icos os Comp Co mp.. El Elec ectr trom omec ecán ánic icos os Comp Co mp.. El Elec ectr trom omec ecán ánic icos os Com omp. p. El Elec ectr trom omeecá cáni niccos Gines El Electic Gine Gi ness El Elec ecttic Gines El Electic

¢261585

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Como se mostró anteriormente el precio de los componentes varia bastante dependiendo del luga lu garr don donde de se co comp mpre ren, n, an ante teri rior orme ment ntee se ha hann mo most stra rado do 3 co conf nfig igur urac acio ione ness co conn compone com ponente ntess com compra prados dos en dis distin tintos tos lug lugare ares, s, no se pue puede de as asegu egurar rar que el cos costo to de producción de convertidores rotatorios de fase sea fijo. Con los datos anteriores se trata de dar una idea de los posibles costos de producción, pero finalmente la elección de los componentes dependerá de la persona persona encargada de construir construir el convertidor.

Tabla 3.11 Resumen de costos de producción para las diferentes elecciones de componentes Configuración de componentes Elección #1 Tabla 3.8 Elección #2 Tabla 3.9 Elección #3 Tabla 3.10

Costo ¢163780 ¢220700 ¢261585

3.6 Re 3.6 Reco comen menda daci cione oness pa para ra la con constr strucc ucció iónn y ope opera raci ción ón de con conve verti rtidor dores es rotatorios de fase.

•

La po pote tenc ncia ia de dell mo moto torr ma mass gr gran ande de que se de dese seee al alim imen enta tarr co conn el convertidor debe ser menor y máximo igual a la la potencia del motor que conforma el convertidor.

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•

Se debe utilizar fusibles de doble elemento y acción retardada, no se deben deb en de usa usarr int interr errupto uptores res com comune uness pue puess no sop soport ortan an la cor corrie riente nte necesaria para poner en marcha el convertidor de fase.

•

Se recomienda cortar el eje del motor que conforma el convertidor ya que de todos modos el motor no se utilizara para entregar potencia mecánica y de esta manera se se evita alguna clase clase de accidente.

•

Se recomienda montar el convertidor sobre algún tipo de almohadilla de montaje con el fin de minimizar el ruido y de amortiguar las vibraciones del convertidor, esto es importante ya que q ue las vibraciones podrían aflojar lass co la cone nexi xion ones es en lo loss te term rmin inal ales es de dell mo moto tor, r, ad adem emás ás de da daña ñarr lo loss rodamientos del motor (Roles o cojinetes).

•

Es importante escoger una buena ubicación para colocar el convertidor ya sea cerca del suministro de energía monofásica o de la carga trifásica, ademá ade máss al se selec leccio cionar nar la ubi ubicac cación ión se deb debee bus busca carr una ven ventil tilac ación ión adecuada y un ambiente seco, libre de suciedad, limaduras, aserrín, etc.

•

Es importante conectar a tierra la armadura del motor que conforma el conv co nver erti tidor dor,, e id iden enti tifi fica carr

loss ca lo cabl bles es qu quee co conf nfor orma mann el co conj njun unto to

(convertidor), L1, L2, T1, T2, T3, esto con el fin de facilitar el manejo de los mismos además de evitar confusiones. •

Al momento de poner en marcha el convertidor no debe haber carga conectada, al igual que cuando este se va apagar, primero debe de

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desconectarse todas las cargas que esté alimentando y luego detener el convertidor. •

Se recomienda colocar toda la circuitería necesaria para la operación del conv co nver erti tidor dor de dent ntro ro de un ga gabi bine nete te o ca caja ja me metá táli lica ca,, pa para ra ev evit itar ar la manipulación no deseada de los diferentes elementos.

•

Cada carga que se alimente con el convertidor debe contar con sus propias protecciones contra sobrecarga y cortocircuito.

•

Se re reco comi mien enda da ut util iliz izar ar co comp mpon onen ente tess de bu buen enaa ca cali lida dadd cu cuan ando do el conver con vertid tidor or se ins instal talee en lug lugar ares es al aleja ejados dos,, dond dondee con conseg seguir uir al alguna guna refacción se dificulte, pues detener la operación del convertidor por algunos días puede representar grandes perdidas económicas.

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Capitulo 4 Pruebas Realizadas al Convertidor Implementado

Para complementar complementar lo mencionado en en este trabajo, se se implemento un convertidor convertidor de fase en el laboratorio de Maquinas Eléctricas de la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Costa Rica, la idea de esto fue realizar pruebas a este convertidor con el fin de corroborar el comportamiento del voltaje de Salida, respecto al aumento de la carga, y obtener datos acerca de la eficiencia del convertidor. Para obtener los datos se utilizo un analizador de circuitos, Marca Amprobe perteneciente a la Escuela de Ingeniería Eléctrica Universidad de Costa Rica.

4.1 Característica de salida Para colocar carga al convertidor de fase se utilizo un motor de inducción Siemens de 3Kw (4Hp), este no es el mejor método pues para este tipo de convertidores, lo recomendable es que el motor mas grande que se alimenta sea de una potencia menor o máximo igual al motor del convertidor, sin embargo se hizo de esta manera pues no se contaba con ningún otro elemento para colocar carga al convertidor, el método que se siguió para realizar esta prueba fue el siguiente: Se arranca el convertidor de fase en vació, una vez que se tiene el convertidor listo para cargar se procedió a alimentar el motor de inducción de 4hp, este motor se arranco en vació, pues como se menciono anteriormente, este motor excede la potencia máxima recomendada para este convertidor, una ves arrancado este motor de 4Hp, se procede a

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colocarle cargar mecánica, esto con ayuda del freno magnético con que se encuentra en el banco de pruebas Siemens, al cual también pertenece el motor de 4Hp. La carga se va aumentando suavemente pues se desea obtener un grafico de voltajes, v oltajes, con el mayor numero de puntos posibles. Es importante mencionar que para obtener un grafico mas amplio se sobrecargo un poco el motor de 4Hp, esto se hizo, pues fue una sobrecarga momentánea para tomar los datos y el lapso de sobrecarga fue de alrededor de 30s, es por esto que en el gráfico de voltaje vs Carga, se observa como la potencia de salida del convertidor llega hasta aproximadamente 6Kw. Es importante comentar que en laboratorio no se encuentra voltaje a 220Vac por lo cual se utilizo 208Vac (teóricamente), aunque en realidad lo que se tiene en las cajas de distribución es un valor entre 205 y 203 Vac.

4.1.1 Valores de Capacitancias Utilizados Aunque en diversos puntos del trabajo se hablo de valores de capacitanc capacitancia ia recomendados y valores de capacitancia tentativos, tentativos, no fue hasta que se realizo el montaje que se obtuvieron los verdaderos valores de capacitancia.

4.1.1.1 Capacitancia de Arranque En las recomendaciones y el diseño se comenta acerca de utilizar valores entre 50 y 100uF por Hp del motor del convertidor, para la capacitancia de arranque, en el convertidor impl im plem emen enta tado do se ut util iliz izar aron on do doss ca capa paci cito tore ress de 13 130uF 0uF pa para ra un to tota tall de 26 260uF 0uF de capacitancia de arranque, con este valor el motor arranca sin ningún problema y el tiempo

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de arranque es bastante pequeño, se considera que esta entre 1 y 2 segundos, en conclusión para este convertidor se se utilizo en promedio 89.6 uF por Hp para el el arranque.

4.1.1.2 Capacitancias de Trabajo Para encontrar los valores de capacitancia de trabajo se inicio con la recomendación de utilizar entre 12 y 16 uF por Hp del convertidor, como se pensaba en un convertidor de alrededor de 7Hp se inicio con un valor de 75 uF tanto en CT1 como CT2, se siguió el procedimiento planteado en el punto 3.1.1.3 y sucedió lo siguiente: El valor de capacitancia de 75uf entre las líneas T2 y T3 es suficiente para mantener el voltaje en un valor bastante aceptable, es más este voltaje se mantiene por encima de la tensión entre T1 y T2 (204vac) y como se puede observar de la figura 4.1 alcanza ese valor (204Vac) cuando el convertidor entrega aproximadamente 6Kw (8hp). Entre las líneas T1 y T3 no sucedió lo mismo pues el voltaje aquí fue muy difícil de regular, entre estas líneas se coloco hasta un valor de 144 uf y sin embargo no se pudo obtener un comportamiento tan cercano al de la tensión entre T2 y T3. No se coloco mas capacitancia entre estas líneas pues no era mucho lo que se ganaba por uf, experimentalmente se noto que añadiendo un capacitor de 12uF el voltaje solo aumentaba alrededor de 5 Vac, para la condición en la que se tenia operando el motor en vació, P = 599,27W, sin embargo la rapidez con que esta tensión disminuía, variaba muy poco, de modo que se tomo la decisión de dejar el valor de CT2 en este punto (144uF). Este comportamiento se puede observar en la figura 4.1.

60

Comportamiento del voltaje de línea T1-T3 para diferentes valores de capacitanci capacitancia a 235 23 5 225 22 5 215 21 5

   a    e    n 205 20 5    í    l

Voltaje T1-T3 144uF(CT1)" Voltaje T1-T3 105uF(CT1)

   e 19 195 5    d    s 18 185 5    e    j    a    t 175 5    l 17    o 165 5    V 16

Voltaje T1-T3 90uF(CT1)

Voltaje T1-T2 Voltaje T2-T3 (75uF, CT2)

155 15 5 145 14 5 0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

Potencia Potenc ia de salida (W)

Figura 4.1 Comportamiento de la tensión entre T1 y T3 para distintos valores de capacitancia. En la figura anterior se muestra el cambio en la tensión T1-T3 para distintos valores de capacitancia, se colocaron también las tensiones T1-T2 y T2-T3 (capacitancia de 75uF), para dar una perspectiva más real de la magnitud de la tensión T1-T3 respecto a las otras 2 tensiones de línea. Para obtener estos datos se tenia el analizador trifásico tomando muestras cada segundo por lo que para trabajar con mas facilidad se tomaron algunas muestras del total de los datos recolectados. Finalmente entre las líneas T1 y T3 se dejo el valor de capacitancia de 144uF y con este valor se obtuvo el siguiente grafico donde se muestra la característica de salida final obtenida con el convertidor implementado.

61

Voltaje de Salida Vs Carga 235 235 225 5    ) 22   c   a 21 215 5    V    ( 205 5   a 20   e   n 19 195 5    í    l   e 18 185 5    d   e 175 5    j 17   a    t    l 16 5   o 165    V 155 15 5 145 14 5

T1 a T2 T2 a T3 T1 a T3

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

Potencia (W)

Figura 4.2 Característica de Salida del convertidor implementado. En la figura anterior se describe el comportamiento de la tensión en terminales del convertidor de fase, ante el aumento en la carga, si se hace una comparación entre este grafico obtenido y el comportamiento que se muestra en la nota teórica, se puede notar que el comportamiento es muy similar, con algunas diferencias como que en este caso la tensión entre las terminales T1 y T3 cae mas rápidamente que la tensión entre las terminales T2 y T3. Esta diferencia tan notable que se da entre los voltajes puede ser produc pro ducto to de un desbalan desbalance ce en los devana devanados dos del del estator estator del del motor que confo conform rmaa el convertidor, ya que esta tensión entre las líneas T1 y T3 fue muy difícil de balancear y de echo si se compara los valores de capacitancia de trabajo, se puede observar que hay una diferencia importante entre las capacitancias C.T1 y C.T2. Un factor que contribuyo con este comportamiento es que el factor de potencia de la carga no es fijo, como ya se explico anteriormente, para aplicar carga se utilizo un motor trifásico y es conocido, estas maquinas

62

no tienen un factor de potencia fijo, sino que en vació presentan un factor de potencia bajo y el mismo mejora al aumentar el nivel de carga. Lo ideal habría sido realizar esta prueba para un factor de potencia fijo, aumentando el nivel de carga pero manteniendo fijo factor de potencia, esta tipo de prueba no se realizo ya que no se cuenta con el equipo necesario. Aunad Aun adoo a es esto to ha hayy qu quee co cons nsid ider erar ar qu quee ot otro ro fa fact ctor or qu quee pu pued edee ha habe berr in infl flui uido do en es este te comportamiento es el echo de que el motor del convertidor esta echo para operar a 220Vac mientr mie ntras as que en laborato laboratorio rio lo que se tiene a man manoo son 204 204V, V, por lo que el campo campo magnético generado dentro del motor debe ser un poco menor al campo magnético que se da si este opera con 220Vac, por ende la tensión inducida en T3 también debe de ser un poco menor.

4.1.1.3 Zona de operación del convertidor implementado Respecto a la zona de trabajo del convertidor implementado se puede decir que la mejor zona de operación se da entre 3.7 Kw y 4.3 Kw, esto se afirma considerando un desbalance máximo de un 5% respecto a la base, es decir decir para el punto de 3.7 Kw la tensión entre T1 y T3 presenta un desbalance de 3% por debajo y la tensión entre T2 y T3 presenta un desbalance de 5% por encima, luego para el segundo punto(4.2 Kw) la tensión entre T1 y T3 presenta un desbalance de 5% por debajo y la tensión entre T2 y T3 presenta un desbalance de 3% por encima de la base.

63

Factor de potencia trifasico de la carga 1 0,9   a 0,8    i   c   n 0,7   e    t   o 0,6    P   e 0,5    d   r 0,4   o    t   c 0,3   a    F 0,2

FP

0,1 0 0

1 00 0

20 0 0

3 0 00

40 00

5 0 00

6000

Potencia Poten cia Trifásica de Salida trifasica (W)

Figura 4.3 Comportamiento del factor de potencia de la carga alimentada.

4.2 Efi Eficie cienci nciaa del conv convert ertido idorr Otro punto importante del presente trabajo es encontrar datos para la eficiencia del convertidor, los resultados obtenidos se muestran en el siguiente gráfico.

64

Eficiencia Eficienci a Vs Carga 100 95   a    i   c   n   e    i   c    i    f    E

90 85

Eficiencia

80 75 70 0

2000

400 0

6000

Potencia de Salida (W)

Figura 4.4 Comportamiento de la eficiencia del sistema. En el grafico anterior se muestra el comportamiento de la eficiencia en el convertidor, se puede observar como la eficiencia tiende aumentar conforme aumenta la carga aplicada al convertidor, cabe mencionar que en este caso la carga utilizada fue un motor, estos presenta la característica de mejorar eficiencia y factor de potencia conforme aumenta la potencia mecánica que entrega y esto se reflejara también también en la eficiencia del sistema sistema convertidor de fase. Se observa como la eficiencia mínima obtenida es de alrededor de 76% y la mejor eficiencia obtenida es es de alrededor de 96%, como se puede observar la eficiencia eficiencia de este conver con vertid tidor or es bas bastan tante te al alta, ta, pue puess la lass per perdid didas as bás básica icame mente nte con consis sisten ten en la pot potenc encia ia necesaria para mantener girando el motor en vació. Si este convertidor se operara a un nivel de carga carga superior superior a los 3Kw present presentara ara un eficien eficiencia cia de alreded alrededor or del 95% lo cual representa un valor es bastante bueno.

65

Procedimiento seguido para encontrar la eficiencia del convertidor implementado, para encontrar la eficiencia del convertidor, se utilizo un análisis, entrada salida, de todo el sistema, para esto e utilizo, básicamente dos equipos, un osciloscopio marca Fluke, y un analiz ana lizado adorr tri trifá fásic sicoo ma marca rca Amp Amprob robe, e, amb ambos os pro propie piedad dad de la Esc Escuel uelaa de Ing Ingeni enierí eríaa Eléctrica, de la Universidad de Costa Rica. El analizador se utilizo para conoces el comportamiento de salida del convertidor, y el osciloscopio para conocer la potencia de entrada al sistema, el procedimiento seguido fue el siguiente: Se programo el analizador trifásico, para tomar muestras cada 5segundos , de modo que cada 5 segundos se guardan los datos de la potencia entregada, al mismo tiempo se tiene el osciloscopio conectado a la entrada del sistema, este se coloco para medir potencia de entrada y factor de potencia. Se da inicio al proceso de medición se registra la potencia y factor de potencia a la entrada, también se registra el numero de muestra que esta tomando el analizador trifásico, de modo que se pueda relacionar esta potencia de entrada, con el dato de potencia de salida que se encuentra en la muestra ” #x” de los datos que registra en analizador trifásico. trifásico. Luego de tener relaciona relacionados dos los datos, se procede procede a obten obtener er la eficiencia eficiencia utilizan utilizando do la P relación % Eficiencia = Salida P

 Entrada

*100

66

Capitulo 5 Conclusiones y Recomendaciones Recomendaciones para montar y operar Convertidores rotatorios de fase. •

La po pote tenc ncia ia de dell mo moto torr ma mass gr gran ande de que se de dese seee al alim imen enta tarr co conn el convertidor debe ser menor y máximo igual a la la potencia del motor que conforma el convertidor.

•

Se debe utilizar fusibles de doble elemento y acción retardada, no se deben deb en de usa usarr int interr errupto uptores res com comune uness pue puess no sop soport ortan an la cor corrie riente nte necesaria para poner en marcha el convertidor de fase.

•

Se recomienda cortar el eje del motor que conforma el convertidor ya que de todos modos el motor no se utilizara para entregar potencia mecánica y de esta manera se se evita alguna clase clase de accidente.

•

Se recomienda montar el convertidor sobre algún tipo de almohadilla de montaje con el fin de minimizar el ruido y de amortiguar las vibraciones del convertidor, esto es importante ya que q ue las vibraciones podrían aflojar lass co la cone nexi xion ones es en lo loss te term rmin inal ales es de dell mo moto tor, r, ad adem emás ás de da daña ñarr lo loss rodamientos del motor (Roles o cojinetes).

•

Es importante escoger una buena ubicación para colocar el convertidor ya sea cerca del suministro de energía monofásica o de la carga trifásica,

67

ademá ade máss al se selec leccio cionar nar la ubi ubicac cación ión se deb debee bus busca carr una ven ventil tilac ación ión adecuada y un ambiente seco, libre de suciedad, limaduras, aserrín, etc. •

Es importante conectar a tierra la armadura del motor que conforma el conv co nver erti tidor dor,, e id iden enti tifi fica carr

loss ca lo cabl bles es qu quee co conf nfor orma mann el co conj njun unto to

(convertidor), L1, L2, T1, T2, T3, esto con el fin de facilitar el manejo de los mismos además de evitar confusiones. •

Al momento de poner en marcha el convertidor no debe haber carga conectada, al igual que cuando este se va apagar, primero debe de desconectarse todas las cargas que esté alimentando y luego detener el convertidor.

•

Se recomienda colocar toda la circuitería necesaria para la operación del conv co nver erti tidor dor de dent ntro ro de un ga gabi bine nete te o ca caja ja me metá táli lica ca,, pa para ra ev evit itar ar la manipulación no deseada de los diferentes elementos.

•

Cada carga que se alimente con el convertidor debe contar con sus propias protecciones contra sobrecarga y cortocircuito.

•

Se re reco comi mien enda da ut util iliz izar ar co comp mpon onen ente tess de bu buen enaa ca cali lida dadd cu cuan ando do el conver con vertid tidor or se ins instal talee en lug lugar ares es al aleja ejados dos,, dond dondee con conseg seguir uir al alguna guna refacción se dificulte, pues detener la operación del convertidor por algunos días puede representar grandes perdidas económicas.

68

Recomendaciones acerca del equipo necesario •

Para realizar las pruebas de una manera adecuada se necesita contar con alguna especie de cajas de resistencias y caja de inductancias de modo que se pueda variar la carga manteniendo fijo el valor de factor de potencia, estas cajas de resistencias e inductancias pueden ser similares a las que vienen con el equipo “labvolt” pero para una mayor capacidad podríamos hablar de un equipo de una potencia de alrededor de 7Kw. También es necesario contar con algunos motores trifásicos pequeños (1 o 2 Hp) y contar con dinamómetros de modo que podamos aplicar carga a estos motores.

•

La escuela de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Costa Rica, a excepción del motor trifásico, no cuenta con los elementos necesarios paraa imp par implem lement entar ar un con conver vertid tidor or rot rotato atorio rio de fa fase, se, ni nin ningún gún otr otroo laboratorio donde se opere con con equipo real (potencias (potencias superiores a 1Hp), por lo que se recomienda obtener el equipo necesario para elaborar algu al guna na cl clas asee de la labo bora rato tori rioo do dond ndee se ap apro rove vech chee lo loss mo moto tore ress y generadores con que se cuenta, estos son básicamente los del banco de prueba pru ebass Sie Sieme mens. ns. Den Dentro tro de es este te equ equipo ipo que se nec necesi esita ta pod podem emos os mencionar cajas de resistencia inductancias, algún tipo de torquimetro, capacitores, contactores y por su puesto plantear algunos laboratorios con estos equipos.

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Conclusiones obtenidas de la teoría •

Los convertidores de fase, tanto estáticos como dinámicos representan una solución muy útil para utilizar equipo trifásico en lugares donde la compañía de distribución eléctrica no brinda el servicio.

•

Los convertidores rotatorios presentan la ventaja sobre los convertidores estát es tático icoss de gen gener erar ar la ter terce cera ra fas fasee mie mientr ntras as que los con conver vertid tidore oress estát es tático icos, s, sol soloo la gen genera erann mom moment entáne áneam ament ente, e, dur durant antee el per period iodoo de arranque de los motores.

•

Los convertidores de fase estáticos únicamente pueden utilizarse en motores, además estos motores deben trabajar con un bajo nivel de carga de alrededor del 60%, pues no generan la tercera fase de modo continuo.

•

La principal ventaja de utilizar convertidores rotatorios de fase es que se puede alimentar cualquier tipo de carga trifásica, a diferencia de los conver con vertid tidore oress es estát tátic icos os que sol soloo pue pueden den ma manej nejar ar mot motore ores, s, se pue puede de operar motores que necesiten operar a un alto nivel de carga.

•

Construir un convertidor rotatorio de fase representa una tarea bastante simple, es suficiente tener conocimientos básicos en electricidad y un diagrama básico de conexión, para realizar esta tarea.

•

Las perdidas que se dan en un sistema convertidor rotatorio de fase, principalmente se dan en el motor que conforma el convertidor, pero como este se encuentra trabajando en vació (no entrega carga mecánica

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las perdidas son fijas), de modo que conforme aumenta la potencia entregada, las perdidas se van a ver mas pequeñas respecto a la potencia entregada.

Conclusiones obtenidas del trabajo en el laboratorio •

Para Pa ra el si sist stem emaa co conv nver erti tidor dor de fa fase se im impl plem emen enta tado do se ob obtu tuvo vo un unaa eficienc efic iencia ia máxima máxima de 96%, para para cargas cargas por encima encima de 4Kw y una de 76% para una carga de 630W.

•

El convertidor implementado presenta buena eficiencia pues para cargas por encima de 1.5Kw la eficiencia es mayor al 90%, como este tipo de convertidores generalmente operan bajo una condición de carga cercana a la nominal se podría decir que se tendrá una eficiencia de alrededor del 95%.

•

Para los resultados obtenidos en el laboratorio se puede concluir que el convertidor implementado debe de operarse en un rango de potencia cercano a los 3.5Kw, esto por el comportamiento de la tensión T1-T3, pero debe de considerarse el disminuir un poco la capacitancia entre T2 y T3 con el fin de obtener un voltaje T2-T3 mas cercano al valor que hay entre T1 y T2.

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•

En el convertidor montado en el laboratorio presenta un voltaje de línea T2-T3 muy elevado respecto a la tensión entre T1 y T2 la solución a este problema es disminuir el valor de capacitancia entre T2 y T3. ya que operar con una tensión muy elevada producirá un calentamiento mayor al normal y esto dañaría el aislamiento en el caso de motores, y podría dañar los equipos en otros o tros tipos de cargas.

•

La mejor manera de probar el comportamiento de este convertidor es cargarlo con un motor de una capacidad máxima de 3Hp y luego varias cargas trifásicas trifásicas de menor potencia, por ejemplo 4 o 5 motores de 1Hp.

•

Las manera en que se coloco carga al convertidor implementado no es la mejor, pues este se cargo con un motor de 4Hp, lo cual excede la potencia máxima recomendada para este convertidor.

•

Se mostró que implementar un convertidor rotatorio de fase resulta una tarea simple, y mas bien la parte mas importante de este montaje consiste en las pruebas que se deben realizar para balancear los voltajes, así como analizar el comportamiento que presenta, al alimentar la carga deseada.

72

BIBLIOGRAFÍA

con vertidor de fase 1. Ka Kayy indu indusstr trie iess ¨ Manual de instalación y funcionamiento convertidor rotativo¨. http://www.kayind.com/pdf_files/technical_docume http://www.kayind.com/pdf_fi les/technical_documents/MA_Installa nts/MA_Installation_Instruction tion_Instruction s.pdf . 2. La Larr rryy H. H.Ka Kats ts ¨ Application and performance of rotary phase converters as an

alternative to utility supplied three-phase power¨. http://www.kayind.com/pdf_files/articles/NAB_proceedings.pdf  3. Ma Matt tt Is Isse sers rste tedt dt “Building an Auto-Start Rotary Three Phase Converter¨. http://www.metalwebnews.com/howto/phase-converter/3-phase.pdf  4. Ka Kats ts,, La Larr rryy H. H. “How phase converters apply motors part 1” , http://www.kayind.com/pdf_files/articles/ http://www.kayind.com/pdf_fi les/articles/power_transmissi power_transmission_part1.pdf  on_part1.pdf  5. Ka Kats ts,, La Larr rryy H. H. “How phase converters apply motors part 2” , http://www.kayind.com/pdf_files/articles/ http://www.kayind.com/pdf_fi les/articles/power_transmissi power_transmission_part2.pdf  on_part2.pdf  6. Hamler A.J “All in One Phase Converter Promises Easy Installation”, http://www.kayind.com/pdf_files/articles/wood_shop_news.pdf  7. Chapman, J. J. Máquinas Eléctricas. Cuarta Edición, MacGraw-Hill, México, 2005. 8. Cap Capaci acitor tores es Ele Electr ctrolí olític ticos os http://www.comunidadelectronicos.com/arti http://www.comunidadelec tronicos.com/articulos/electroli culos/electroliticos.htm ticos.htm 9. Ph Phas asee-AA-MA MAti ticc ¨ Convertidores estáticos ¨ http://www.convertidorestrifasicos.c http://www.convertidore strifasicos.com/EstaticosDes om/EstaticosDescripcion.htm cripcion.htm

10. Jim Hanrahan ¨ Building a Phase Converter¨ http://profesor08.eie.ucr.ac.cr/cegec http://profesor08.eie.uc r.ac.cr/cegec_mo/mod/resource/vie _mo/mod/resource/view.php?inpopup=true&id=316 w.php?inpopup=true&id=316 11. Ramo Ramonn mujal mujal Rosas Rosas ¨ Motor asíncrono trifásico con c on rotor de chapas en espiral ¨ Tesis Doctoral Universidad Politécnica de Catalunya.

73

12. The 3 Phase Phase Power Resource Site Site ¨ Static Phase Converter ¨ http://www.3phasepower.org/staticphaseconverters.htm 13. Conve Convertidor rtidores es Trif Trifásic ásicos os ¨ usos de convertidores estáticos¨ http://www.convertidorestrifasicos.c http://www.convertidore strifasicos.com/images/Instal3.gif  om/images/Instal3.gif  14. Motor de jaula jaula de ardill ardilla. a. http://www.anser.com.ar/ms1.jpg

Anexos A continuación se muestran las tablas con los datos que se utilizaron para obtener los gráficos anteriores, La mayoría de las tablas están editadas ya que el equipo utilizado para obtener las mediciones toma muestras cada segundo de modo que gran cantidad de los datos son redundantes, además de que en el periodo de medición se tomaron alrededor de 200 muestras, en algunos casos lo que se hizo fue muestrear algunos puntos de interés y utilizar estos para graficar.

Tabla A.1 Datos utilizados para obtener el grafico mostrado en la figura 4.1 (Característica de salida para diferentes valores de capacitancia) Potencia de salida(W) 6 09 1.036 1.561 2.122 2.553 3.219 3.762 4.393 5.291 5.567 5.940

Vac1 (90uF) Vac2 (105uF) Vac3 (144uF) 2 10 21 4 22 2 20 8 212 21 6 20 4 207 21 2 20 0 203 20 9 19 6 198 20 6 19 2 195 20 3 18 5 188 19 8 17 8 183 19 1 17 0 173 17 9 15 5 168 17 1 14 9 155 16 5

Tabla A.2 Se presentan los datos obtenidos con el Analizador para graficar el comportamiento del voltaje en terminales ante el aumento en la carga. (Característica de salida final del convertidor).

RMS RM S Volta Voltage geVA VAB B (V) RMS Vol Voltag tageVB eVBC C (V) RMS Vol Voltag tageV eVCA CA (V) (V) Re Real al Powe Power3 r3Ø Ø (W) (W) 2 04 2 04 2 04 2 04 2 04 2 04 2 04

2 26 2 26 2 26 2 27 2 27 2 26 2 26

2 21 2 21 2 22 2 22 2 21 2 20 2 20

599 536 475 609 672 659 592

75

Continuación tabla A.2 RMS RM S Volta Voltage geVA VAB B (V) RMS Vol Voltag tageVB eVBC C (V) RMS Vol Voltag tageV eVCA CA (V) (V) Re Real al Powe Power3 r3Ø Ø (W) (W) 2 04 2 26 2 22 505 2 04 2 28 2 22 531 2 04 2 26 2 21 578 2 04 2 26 2 21 558 2 04 2 27 2 20 682 2 04 2 27 2 20 738 2 04 2 27 2 19 821 2 04 2 26 2 19 760 2 04 2 26 2 20 625 2 04 2 28 2 18 899 2 04 2 26 2 16 994 2 04 2 28 2 20 780 2 04 2 27 2 18 955 2 04 2 26 2 17 966 2 04 2 27 2 16 1.036 2 04 2 27 2 15 1.160 2 04 2 27 2 14 1.381 2 04 2 26 2 13 1.373 2 03 2 26 2 12 1.561 2 03 2 25 2 12 1.655 2 04 2 25 2 11 1.663 2 03 2 24 2 10 1.911 2 03 2 23 2 09 2.122 2 03 2 21 2 08 2.458 2 03 2 21 2 07 2.439 2 03 2 21 2 06 2.553 2 03 2 21 2 05 2.634 2 03 2 20 2 04 2.814 2 03 2 17 2 03 3.219 2 03 2 17 2 00 3.514 2 03 2 17 1 99 3.73 2 02 2 16 1 98 3.762 2 02 2 14 1 95 4.045 2 02 2 13 1 94 4.077 2 02 2 10 1 91 4.393 2 02 2 12 1 87 4.340 2 02 2 11 1 84 4.737 2 02 2 09 1 83 4.663 2 02 2 07 1 80 5.255 2 01 2 06 1 79 5.291 2 02 2 08 1 75 5.347 2 01 2 04 1 74 5.230

76

Continuación tabla A.2 RMS Vo Volta ltage geVA VAB B (V) (V) RMS Vo Volt ltag ageV eVBC BC (V) (V) RM RMS S Vo Volta ltage geVC VCA A (V) (V) Rea Reall 2 01 2 04 1 72 2 01 2 04 1 71 2 01 2 04 1 70 2 01 2 02 1 69 2 01 2 05 1 68 2 01 2 05 1 65 2 01 2 02 1 66 2 01 1 99 1 65 2 01 2 00 1 66 2 01 2 01 1 64 2 01 2 00 1 64

Power Po wer3Ø 3Ø (W) (W) 5.483 5.507 5.567 5.611 5.607 5.596 5.668 5.940 5.966 5.934 5.928

Tabla A.3 Datos utilizados para obtener el grafico mostrado en la figura 4.3

Potenci Pote ncia a de Salida Salida(W) (W) Fp de la carg carga a 380 0,15 566 0,23 760 0,31 899 0,36 12 24 0,47 16 72 0,59 21 06 0,69 25 53 0,75 28 14 0,79 40 05 0,86 52 30 0,88 56 96 0,88

Estos datos representan una muestra del total de datos tomados con el analizador trifásico.

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Tabla A.4 Datos utilizados para obtener el grafico mostrado en la figura 4.4 (Eficiencia del convertidor) # Muestra Potencia Salida (W) FP de la carga Po Poten tencia cia Entr Entrada ada(W) (W) Efici Eficienc encia ia FP a la entra entrada da # Muestr Muestra a del anali analiza zador dor 0.23 1 50 0 580 86 0,87 1y2 0.22 2 48 9 640 76 0,89 4y5 0.29 3 63 9 830 76 0,94 7y8 0.43 4 96 9 1 07 0 90 0,96 1 0 y 11 0.48 5 1 1 21 1 33 0 84 0,97 1 3 y 14 0.61 6 1 5 23 1 65 0 92 0,98 1 6 y 17 0.67 7 1 8 19 1 93 0 94 0,98 1 8 y 19 0.77 8 2 4 23 2 63 0 92 0,98 2 2 y 23 0.83 9 3 0 94 3 26 0 94 0,98 2 4 y 25 0.85 10 36 54 3 81 0 95 0,98 2 8 y 29 0.88 11 41 20 4 29 0 96 0,97 3 1 y 32 0.88 12 48 74 5 07 0 96 0,96 3 4 y 35 0.89 13 53 25 5 50 0 96 0,95 3 7 y 38